LNG 냉동 시스템 설계에서의 에너지 효율비와 에너지 조합 설계

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다음은 제가 직접 작성한 글입니다. 많은 분들의 토론과 비판, 지적을 진심으로 환영합니다. 서론: 환경 보호와 에너지 절약 및 배출 감소라는 요구사항 하에서, 냉동 시스템의 전력 소비량은 가장 중요하게 고려되는 지표입니다.LNG 공장의 운영에 있어서, 장비 비용이 일정한 상황에서 에너지를 절약하고 효율적인 공정 방안을 선택하는 것이 비용을 줄이고 수익을 높이는 가장 중요한 방법입니다. 에어컨 제품의 경우, 에너지 효율 등급은 해당 에어컨 제품의 에너지 효율 수준의 차이를 나타내는 분류 방법입니다.에너지 효율비는 정격 냉방량과 정격 동력(전력 소비량)의 비율을 말합니다.**표준 관련 규정에 따라, 에어컨의 에너지 효율 등급은 1, 2, 3, 4, 5의 다섯 단계로 나뉩니다. 각 등급에 해당하는 에너지 효율 값은 3.4 이상, 3.2~3.4, 3.0~3.2, 2.8~3.0, 2.6~2.8입니다.**규정에 따르면, 제품의 에너지 효율이 최소 시장 진입 기준인 5등급에 미달할 경우 시장에 판매될 수 없습니다. 에너지 효율 표시의 바탕색은 파란색이며, 위쪽에는 “생산자명”, “사양 및 모델명” 등의 정보가 표시됩니다；가장 눈에 띄는 부분은 로고의 중앙 부분으로, 1부터 5까지의 등급 표시가 있으며 이는 녹색에서 빨간색까지 이어집니다. 왼쪽에는 “에너지 소비량이 적음”부터 “에너지 소비량이 많음”까지의 정보가 표시되고, 오른쪽 상단에는 해당 제품의 에너지 효율 등급이 명시되어 있습니다.표시판의 하단에는 “에너지 효율”, “입력 전력” 및 “냉방 능력”에 대한 구체적인 수치가 제공됩니다. 1. LNG 냉동 시스템의 에너지 효율비 정의: LNG 액화천연가스 냉동 시스템은 냉매 압축기, 응축기, J-T 밸브 및 냉장고 등 여러 주요 장치로 구성되며, LNG 액화 공정의 냉동 시스템 역시 폐쇄형 순환 시스템입니다.아래 그림과 같이, 냉매는 냉매 압축기를 통해 압축되어 고온 고압 상태가 됩니다. 그 후 콘덴서를 통해 냉각되면서 냉매가 흡수했던 열이 방출됩니다. 냉매는 냉각 장치로 들어가서 정제된 천연가스와 다시 열교환을 합니다. 이때 냉매는 천연가스의 열을 흡수한 뒤 다시 냉매 압축기로 돌아가 압축 과정을 반복합니다. 그 결과 냉매의 상태는 다시 원래 상태로 돌아갑니다. 에너지 효율비 = 흡수된 천연가스의 열량 Q흡 / 압축기의 작동에 필요한 에너지 W. 흡수된 천연가스의 열량 Q흡은 천연가스가 액화되는 과정에서 발생하는 온도 하강에 따른 유형열과 상변화 과정에서 발생하는 잠열을 의미하며, 이것이 바로 쿨링 박스의 유효 열부하입니다.압축기의 작동 에너지 W는 냉매 압축기의 유효 동력입니다. 일일 처리량이 30만 입방미터인 LNG 공장의 경우, 냉동실의 열부하는 3171KW이고 압축기의 유효동력은 1000KW라면, LNG 냉동 시스템의 에너지 효율비는 3.171이 됩니다. 만약 압축기의 동력이 2000KW라면, LNG 냉동 시스템의 에너지 효율비는 1.58이 됩니다. 에어컨의 에너지 절약 기준을 적용해 볼 때, 최소 시장 진입 기준인 5등급 에너지 효율인 2.6보다 낮으면 시장에 판매될 수 없습니다. 2. LNG 냉동 시스템의 쿨러 부하 계산: 쿨러는 LNG 냉동 시스템의 핵심 부품 중 하나이며, 쿨러의 부하 처리 능력은 LNG 대량 생산을 보장하는 데 가장 중요합니다. 위의 예시 그림에서, 단위 시간당 냉장고가 흡수하는 천연가스의 열량이 바로 냉장고의 부하 용량이며, 이는 KW로 표시될 수 있습니다. 단위 시간당 냉장고가 흡수하는 열량은 설정된 하루 동안 처리되는 천연가스의 양을 바탕으로 계산할 수 있습니다. 이때 천연가스가 액화되는 과정에서 냉장고 내부에서 방출되는 유형열, 즉 비열 Q비를 고려하여 계산하며, 또한 천연가스가 기체 상태에서 액체 상태로 변화하는 과정에서 방출되는 잠열 Q잠도 함께 고려됩니다. 예를 들어, 하루에 30만 표준 입방미터의 천연가스를 처리하는 LNG 공장의 경우, 천연가스의 밀도는 0.72kg/nm³이고, 비열용량은 2156J/(kg•K)입니다. 또한 액화 시의 온도 차이는 260도입니다. 이러한 값들을 바탕으로 유용열량을 계산하면 다음과 같습니다:
Q비 = 30×10000×0.72×2.156×260/(24×3600) = 1401KW입니다.
천연가스의 기화 잠열량은 510.25kJ/m³입니다. 따라서 30만 표준 입방미터의 천연가스를 액화시키는 데 필요한 잠열량은 다음과 같습니다:
Q잠 = 30×10000×510.25/(24×3600) = 1771.7KW입니다.
따라서, 하루에 30만 표준 입방미터의 천연가스를 처리하는 LNG 냉동 시스템의 총 유효 열부하는 3171.7KW가 됩니다.

3. LNG 냉동 시스템의 에너지 조절 설계: 위에서 설명한 냉매의 상태 변화 과정을 보면, 냉동실이 흡수하는 유효 에너지 Q흡과 압축기가 소비하는 유효 동력 W는 모두 냉매 응축기를 통해 냉각되어야 합니다. 그렇게 함으로써 냉매 내에 추가된 에너지 Q방출을 제거하여 냉매가 원래의 상태로 돌아가게 되고, 다음 냉동 주기가 시작됩니다. 그렇다면, 냉매 응축기의 에너지 Q방출량은 냉동실의 유효 열부하 Q흡수량에 냉매 압축기의 유효 동력 W를 더한 값이어야 합니다. 즉, Q방출량 = Q흡수량 + W입니다. 만약 냉매 응축기의 성능이 부족하다면, 그 결과로 냉동 시스템의 냉각 능력도 부족해지고, 액화된 제품의 생산량도 충분하지 않게 됩니다.