지하철 터널의 미세먼지 농도 예측 모델링과 모사를 통한 환기 방안 연구

강호성 건국대학교 대학원 2012 국내석사

서울시 인구의 400만명 이상이 매일 이용하는 대중 교통인 지하철은 여러 가지 이점으로 인하여 수요가 계속 증가하는 교통 수단이다. 이용 승객의 증가에 따라 승객의 안전을 위해 지하 역사의 공기질을 향상시키는 다양한 보완으로 터널과 승강장이 스크린도어로 격리되기 시작하면서부터 터널의 공기질의 악화가 문제가 되기 시작하였다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위하여 터널의 공기질을 향상시키는 터널 환기 제어 방안을 위해 터널 내부 미세먼지 농도를 미리 예측하는 방안에 대해 연구하였다. 이 방법에는 수치해석적 분석 방법의 하나인 유한차분법(FDM)을 활용하였으며 이를 통해 얻어낸 모델은 J역사에서의 다양한 실험 결과와 비교함으로써 신뢰도를 확보하였다. 또한 통계학적 가설 검증을 통하여 두 값이 통계학적으로 의미가 있는지도 확인하였다. 그 결과, 모델은 실제 값과 비교하여 같은 값이라는 통계학적 결론을 내리게 되었고, 이를 이용해 몇 가지 새로운 제어 방안을 미리 예측하여 보았다. 환기구의 높이를 조절하는 방안과 전체 역사의 제어를 통해 서로간의 시너지 효과를 얻는 방법은 전력의 효율성 문제와 터널 내부 공기질의 향상이라는 두 가지 이점을 가져 올 수 있는 유용한 방안임을 확인할 수 있었다.

위성영상 정보를 활용한 화학사고 영향범위 산정에 관한 연구

김형석 건국대학교 대학원 2012 국내박사

화학공업은 고도의 기술 집약적 장치산업이며 화학공업 기술의 발달에 따라 우리가 살고 있는 생활 주변의 산업이 성장하여 왔다. 그에 따라 생활 주변의 화학물질이 대용량화 되고 사고 발생에 대한 위험도가 커지는 환경에서 생활하고 있다. 화학물질로 인한 사고의 위험성은 매우 커서 폭발이 발생하는 경우에는 그 영향범위가 수 km에 이르는 등 화학물질이 폭발한 지역 및 인근 주민과 제 3자에게 막대한 재산피해를 입힐 수 있다. 화학물질로 인해 일어난 폭발을 분석하기 위하여, 본 연구에서는 폭발시의 폭발량과 폭발에 참여한 물질의 양을 추정하기 위한 방법으로 재해 지역의 위성영상을 분석하는 방법을 채택하여 연구를 수행하였다. 본 연구와 비슷하게 공간정보를 사용하여 QRA를 수행하는 방법에는 FLACS 등을 이용한 방법이 있으나, 그것은 누출, 확산, 폭발에 대하여 각각을 Cell로 구분하여 CFD를 사용한 계산을 수행하는 예측이며 공간정보를 활용하기 위해서는 미리 대상지에 대한 지형정보가 특정한 포맷으로 준비되어 있어야 한다. 또한 지리정보 이외에도 폭발 발생시의 정확한 폭발물질의 거동에 대한 공정정보를 가져야만 하며 과거의 피해 결과만으로는 폭발이 일어났을 때의 상황을 추론할 수 없는 한계가 있다. 본 연구에서는 사고 발생지에 대한 위성영상 분석을 통해 사고 영향 범위를 도출하고 그 결과를 기반으로 화학공학적 이론을 통한 계산을 수행하여 폭발량과 폭발에 참여한 물질의 양을 도출하는 방법으로 북한 용천의 사고사례를 분석하였다. 분석 내용은 위성영상 분석을 통해 폭발 영향범위가 실제 지면에 어디까지 영향을 미치는지를 파악하고 그 폭발이 일어났을 때의 폭발 과압이 폭발 영향범위 내에서 폭발원으로부터 어디까지 영향이 미치는지 범위를 파악하였다. 폭발 시나리오를 검토하여 폭발영향지역 안에서 폭발원으로부터 가장 먼 폭발영향한계까지의 거리를 구하고 그것으로 폭발시 일어난 폭발량과 폭발물질의 양을 추정하였다. 폭발이 일어났을 때 그 영향 범위를 파악하기 위해 폭발 전 후의 Landsat-7 및 EO-Ali 위성영상을 취득하여 실제 폭발로 인한 지역적 피해 정도를 분석하였고 그 결과 폭발의 크기는 폭발원으로부터 길이 1.6km 정도로 확인되었으며 그 결과를 활용하여 폭발 당시에 얼마나 큰 정도의 폭발이 일어났었는지를 추산하였다. 그리고 그 결과를 다시 다른 추산식에 산입하여 그 정확성을 확인하였다. 최종적으로 확인된 내역을 바탕으로 실제 사고가 일어났을 때 사고에 참가한 폭발물질의 양을 추산하였다. 이 결과를 다시 최초의 폭발 시나리오에 대입하여, 폭발 정황과 맞음을 확인함으로써 본 논문을 검증하였다. 또한 이러한 방법은 지도가 구축된 지역에서 수행할 때는 지적도와 같은 더 세밀한 자료를 사용하여 의사결정에도 가치 있는 자료를 생산할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이 위성영상을 이용한 분석 방법을 사용하여 과거 사고사례에 대한 추정이 가능하도록 한 것에 본 연구의 의의가 있다.

원유회수증진을 위한 스마트워터 조성 최적화 및 지상설비 전산 모사

박종연 건국대학교 2019 국내석사

In Indonesia, crude oil production gradually declined due to oil deprivation, while crude oil consumption in the country increased steadily. From 2004, crude oil consumption exceeded crude oil production. Therefore, it is necessary to improve the productivity of old oil fields. In this study, the effect of smart water raising oil recovery rate was analyzed, and the computer simulation of ground facilities required for applying smart water method to Indonesia was carried out. Based on this, the purpose of this study is to suggest the possibility of applying enhance oil recovery using smart water in Indonesia. The experimental results of the papers that conducted smart water experiments on the carbonate and sandstone strata were analyzed. The 32 experimental values for the carbonate strata and 18 experimental values for the sandstone strata were applied with multiple regression analysis methods to derive each regression equation. Regression results confirmed that concentration of NaCl, concentration of SO42- and temperature are valid variables for oil recovery in the carbonate stratum. For sandstone stratum, Na+ concentration, Ca2+ concentration and Mg2+ concentration were determined as valid variables. A principal component analysis, one of the multivariate statistical analysis methods, was used to check whether anomaly exists in the experimental value. The analysis with a 95% confidence level determined that four of the 32 experimental values for the carbonate stratum were abnormal. The Indonesian oil field, which is the subject of this study, consists of the sandstone strata. An experimental design was performed to verify the effect of smart water on the sandstone stratum using the response surface methodology. The TDS of smart water was set from 2000 ppm to 8000 ppm to observe the tendency of the oil recovery rate increasing as the TDS was lowered. Accordingly, five composition of smart water were proposed to minimize the time required to conduct the experiment. A computer simulation was carried out to propose the ground facilities necessary for applying smart water technique to oil fields in Indonesia and calculate the flow of the produced water. The process of separating the mixture of crude oil and produced water from oil field and the process of desalinization of the produced water were proposed. The results of this study indicate the optimal composition of smart water to increase the oil recovery rate. In addition, a process consisting of ground facilities to introduce smart water EOR method in Indonesian oil fields was proposed. 인도네시아는 유전이 오래되어 원유 생산량이 점차 줄어드는 반면에 내국의 원유 소비량은 갈수록 증가하였다. 이에 2004년을 기점으로 원유 소비량이 원유 생산량을 초과하게 되었다[1]. 따라서 노후한 유전의 생산성을 개선할 필요가 있다. 본 연구에서는 스마트워터가 원유 회수율을 높이는 효과를 분석하고, 인도네시아에 스마트워터 공법을 적용하기 위해 필요한 지상설비의 전산 모사를 수행하였다. 이를 바탕으로 인도네시아에서 스마트워터를 이용한 원유 회수 증진법을 적용할 가능성을 제시하는 것을 본 연구의 목적으로 한다. Carbonate 지층과 sandstone 지층을 대상으로 스마트워터 실험을 수행한 문헌 자료의 실험 결과를 분석하였다. Carbonate 지층에 대한 32개의 실험값과 sandstone 지층에 대한 18개의 실험값을 다중 회귀 분석법을 적용하여 각각의 회귀 방정식을 도출하였다. 회귀 분석 결과 carbonate 지층에는 NaCl의 농도, SO42-의 농도, 온도가 원유 회수에 유효한 변수임을 확인하였다. Sandstone 지층에 대해서는 Na+의 농도, Ca2+의 농도, Mg2+의 농도를 유효한 변수로 판정하였다. 실험값에 이상치가 존재하는지를 확인하기 위해 다변량 통계 분석법 중 주성분분석을 사용하였다. 95%의 신뢰수준으로 분석한 결과 carbonate 지층에 대한 32개의 실험값 중 4개의 실험값이 이상치로 판정되었다. 본 연구의 대상인 인도네시아의 유전은 sandstone 지층으로 구성되어 있다. Two-level factorial design을 수행하여 스마트워터가 sandstone 지층에 작용하는 효과를 확인하기 위한 실험을 설계하였다. 스마트워터의 TDS를 2000ppm ~ 8000ppm으로 설정하여 TDS가 낮아짐에 따라 원유회수율이 증가하는 경향을 관찰하고자 하였다. 이에 따라 소요 시간을 최소화하여 실험을 수행할 수 있도록 5가지의 스마트워터 조성과 주입 순서를 제시하였다. 전산 모사를 수행하여 인도네시아의 유전에 스마트워터 공법을 적용하기 위해 필요한 지상설비를 제시하고 생산수의 흐름을 계산하였다. 유전에서 나오는 원유와 생산수의 혼합물을 분리하는 공정과 생산수의 탈염처리를 진행하는 공정을 각각 설계하였다. 본 연구를 수행한 결과로 원유회수율을 높이기 위한 스마트워터의 최적 조성을 나타내었다. 또한 스마트워터 공법을 도입하기 위해 인도네시아 유전에 필요한 지상설비로 구성된 공정을 제시하였다.

통계적 실험설계법을 활용한 스마트워터 원유회수증진공법의 이온 영향 분석 및 최적 농도 도출

한솔 건국대학교 대학원 2020 국내석사

인도네시아는 지속적으로 석유를 생산해오고 있으나 기존 생산유전의 노후화가 진행됨에 따라 원유 생산량이 줄어드는 추세이다. 이에 3차 회수공법을 도입해 기존에 이미 개발된 유전의 잔존 석유 자원을 회수할 수 있는 원유회수증진공법(Enhanced Oil Recovery, EOR)을 실시한다. 본 연구는 EOR에 활용되는 물질인 스마트워터의 최적 이온 농도 도출을 목표로 한다. 실험에 앞서 통계적 실험설계법을 적용해 코어주입 실험과 자연흡수 실험에 대한 계획을 수립한다. 통계학 분석 프로그램인 Minitab을 통해 실험의 결과 데이터를 분석한다. 이를 통해 스마트워터의 전체 이온 농도와 2가 양이온이(Ca2+, Mg2+) 원유 회수율에 어떤 영향을 미치는지 분석하고 마침내 원유 회수율을 최대화하는 최적 이온 농도 도출한다. 본 연구에서 수행되는 실험은 코어주입 실험과 자연흡수 실험이다. 코어주입 실험은 코어에 직접 유체를 주입해 추출되는 오일을 축적해 원유 회수율을 측정하는 실험이다. 원유회수율을 측정하고 비교하기 위해 유전의 기존 지층수부터 저염도의 스마트워터까지 주입한다. 코어주입 실험 결과를 활용해 스마트워터를 구성하는 전체이온농도(Total Dissolved Solids, TDS)를 결정한다. 코어주입 실험을 통해 도출한 최적 전체이온농도에 대해 그 안의 2가 양이온의 농도에 변화를 주어 자연흡수 실험을 실시한다. 자연흡수 실험은 코어주입 실험과는 달리 하나의 셀(Cell) 안에 에이징이 완료된 코어와 스마트워터를 함께 6주간 넣어 관찰한다. 이에 코어로부터 추출되어 셀 윗부분에 축적된 오일로 원유 회수율을 측정한다. 결과 데이터를 Minitab을 활용해 요인설계분석을 수행한다. 스마트워터의 원유 회수율에 대한 유의 인자인 2가 양이온 Ca2+와 Mg2+의 효과의 크기와 방향성을 분석하고 최적 이온 농도를 결정한다. 통계적 실험설계를 함으로써 최소의 시행으로 시간적, 경제적 절감과 더불어 연구에 필요한 정보를 얻고 분석할 수 있었다. 총 3,000ppm의 이온 농도에서 Ca2+와 Mg2+ 모두 20ppm의 농도를 가지는 스마트워터가 원유 회수율에 대한 최적화된 값이라는 결론을 얻었다. 최적화된 농도는 실제 인도네시아 Sukananti 유전에서 활용될 스마트워터의 이온 농도로 활용된다. 최적화된 이온 농도의 스마트워터를 Sukananti 유전에 주입한다면 기존 지층수를 활용한 2차 원유 회수 단계보다 원유 회수량을 약 10%이상 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. The present research outlines the ion modified waterflooding design of experiment, implementation of smart water in spontaneous imbibition experiment, the realization of core flooding experiments on the laboratory scale, and the experimental data analysis by using statistical approach. The design of experiment is performed by using factorial design approach in order to minimize the number of experiment and clearly obtain the relation between each parameter. Spontaneous imbibition experiments assess the ability of smart water to alter the rock wettability so that it can spontaneously imbibe the core and produce the oil. Specifically, the effect of modifying the concentration of ions (Na+, Ca2+, and Mg2+) in the water on the oil recovery while maintaining the same total ion concentration of 3,000 ppm is inspected. Core flooding experiments examine the effectiveness of smart water as EOR agent in displacing the residual oil with the performance metrics of oil recovery. The effect of reducing the total ion concentration of the water on the oil recovery will be studied by conducting core flooding experiment. The concentrations of Ca2+ and Mg2+ ions are reduced step by step while keeping the same Na+ concentration. Statistical approach is then used to analyze the data. From this analysis, we can get the tendency of each ions and cumulative ion concentration in regard to the oil recovery and define the optimum ion concentration of smart water for our reservoir target. The effect of each ion on oil recovery was investigated through spontaneous imbibition experiment. The results from the spontaneous imbibition experiment show an increasing oil recovery trend with decreasing divalent ion concentrations. The recovery factor reaches the highest value when the Ca2+ and Mg2+concentrations are 20 ppm. Based on the results of conducting core flooding and spontaneous imbibition experiments by varying the concentration of ions in smart water, the optimum smart water formula is analyzed and verified by applying statistical analysis.

CO2 이용 원유회수증진을 위한 주입시스템 설계 및 원심압축기 서지 예측 방법 연구

김서진 건국대학교 대학원 2016 국내박사

세계적으로 에너지 부족과 환경오염 문제가 대두됨에 따라 CO2를 활용하여 두 가지 문제를 해결할 수 있는 CCS(Carbon Capture and Storage) 및 CO2-EOR(CO2 Enhanced Oil Recovery)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 대기 중 CO2 배출 저감을 통한 지구온난화 방지와 CO2-EOR을 이용한 원유 공급 확대를 위해 파일럿테스트 규모의 CO2 주입시스템을 설계하여 인도네시아 잠비(Jambi) 지역 유전 내에 1,000톤의 CO2를 주입하였다. 또한 향후 CO2-EOR 공정의 상용 규모 확대를 위해 원심압축기를 이용한 CO2 압축시스템 동적 공정모사를 수행하였으며 ESD 상황에서의 압축기 서지 방지를 위한 안전성 예측 연구를 진행하였다. 그 결과 본 논문에서 제시한 서지 예측 방법을 통해 ESD 상황에서 실제 공정의 원심압축기 안전성 예측이 가능한 것을 확인하였다. Studies on CCS and CO2-EOR are being conducted for the prevention of global warming by CO2 emission reduction and the expansion of oil production. In this study, a pilot-scale CO2 injection system is designed, and one thousand ton of CO2 is injected into the reservoir at Indonesia Jambi. To commercialize the CO2 -EOR process, dynamic process simulation of CO2 compression system with centrifugal compressors is performed. And a safety prediction method is studied for the prevention of compressor surge during ESD. The surge prediction method suggested in this paper is useful for the safety prediction of processes with centrifugal compressors.

주성분 통계 분석을 이용한 천연가스 액화공정의 냉동사이클 센서 오작동 감지와 공정이상진단

이규현 건국대학교 대학원 2020 국내석사

Demand for LNG is expected to increase as the Ministry of Trade, Industry and Energy announced plans to convert 24 out of 30 coal power plants into LNG power plants by 2034, aiming to reduce greenhouse gas emissions. Accordingly, it is necessary to accurately diagnose the natural gas liquefaction process, which accounts for a large portion of LNG production. In this paper, abnormal diagnosis of the 3stage refrigeration cycle process included in APCI's C3MR, which accounts for more than 60% of the liquid process market share was carried out. Due to the nature of the three-stage refrigeration cycle process, the correlation between the variables is complicated due to the circulating process of propane refrigerant, and there is a limit to the diagnosis of abnormalities. Thus, abnormalities of process and sensor malfunctions of the 3stage refrigeration cycle of the natural gas liquefaction process diagnosed by the principle components analysis, a multivariate statistical analysis technique. Normal operation data collected by dynamical simulation of the three-stage refrigeration cycle using the Aspen HYSYS V10 program. In addition, 11 types of abnormal scenario data were collected by simulating process abnormalities and sensor malfunction. Using the PLStoolBox V8.81 program, an abnormality diagnosis model was constructed with the normal operation data and the abnormality scenario data was substituted. Then, the occurrence of anomalies could be detected through the Hotelling T2 and Q-residual graphs. In addition, the variables that contribute to the occurrence of anomalies were diagnosed using the contribution graph of the variables. Through Q-residual graphs over time, we were able to detect all abnormal scenario anomalies and we were able to diagnose the causes of more than 10 abnormal scenario through the contribution graph. And it was possible to distinguish between process anomalies and sensor malfunctions depending on the number of variables that represented high contributions. With this study, it is possible to diagnose the cause of the abnormality using only a statistical graph and suggest a method to distinguish between sensor malfunction and process abnormality. 공정산업에서는 축적된 데이터를 통계 분석하여 AI가 스스로 공정의 문제를 진단하는 연구를 수행하고 있다. 복잡한 데이터를 분석하기 위해 다변량 분석기법을 활용해야 하며 대표적인 다변량 분석으로는 주성분 분석이 있다. 또한 산업통상자원부에서 온실가스 배출량 감소를 목표로 2034년까지 석탄발전소 24기를 LNG발전소로 전환하는 계획을 발표하면서 LNG 수요량이 늘어날 전망이다. 이에 따라 LNG의 폭발사고를 방지하기 위해 천연가스 액화공정의 정확한 이상진단이 필요하다. 본 논문에서는 액화공정 시장점유율의 60%이상을 차지하는 APCI사의 C3MR에 포함된 3단 냉동사이클 공정의 이상진단을 수행하였다. 3단 냉동사이클 공정 특성상 프로판 냉매의 순환공정으로 인해 변수들의 상관관계가 복잡해 단변량 진단으로는 이상진단에 한계가 있다. 따라서 주성분 분석을 통해 천연가스 액화공정의 3단 냉동사이클을 이상 진단하고 공정 이상과 센서 오작동을 구분하였다. 먼저 Aspen HYSYS V10 프로그램(Aspentech, 2020)을 사용해 3단 냉동사이클을 동적 모사하여 정상운전 데이터를 수집했다. 그리고 공정이상과 센서 오작동 상황을 모사해 11가지 이상시나리오 데이터를 수집하였다. PLStoolBox V8.81프로그램(Eigenvector, 2020)을 사용하여 정상운전 데이터로 이상진단 모델을 구성하고 이상시나리오 데이터를 대입하였다. 그후 Hotelling T2와 Q-residual 그래프를 통해 이상 발생을 감지할 수 있었다. 또한 변수들의 기여도 그래프로 이상발생의 원인이 되는 변수를 진단하였다. 시간에 따른 Q-residual 그래프를 통해 모든 이상시나리오의 이상발생을 감지할 수 있었고 기여도그래프를 통해 10가지 이상시나리오의 원인을 진단할 수 있었다. 그리고 높은 기여도를 나타내는 변수의 수에 따라 공정의 이상과 센서 오작동을 구분할 수 있었다. 본 연구를 통해 3단 냉동사이클 공정데이터를 분석하여 통계 그래프만으로 이상원인을 진단하고 센서 오작동과 공정의 이상을 구분하는 방안을 제시할 수 있다.

열차풍을 이용한 지하철 터널 내 환기 제어 알고리즘 개발에 관한 연구

곽은성 건국대학교 대학원 2011 국내석사

현대사회에서 지하철은 정체시간이 짧고 편리하며, 가격이 저렴하여 많이 이용되는 대중교통 수단이다. 따라서 지하철에서의 체류시간이 많아져 지하철 지하 공간 내의 공기질에 대한 관심도 증가하고 있다. 현재 지하철 안전사고와 공기질 개선을 위하여 승강장 스크린 도어(Platform Screen Door, PSD)를 설치함으로써 터널 내부에서 승강장 쪽으로의 오염물질 확산이 감소해 승강장의 공기질은 좋아지게 되었다. 그러나 반대로 터널 쪽에서는 승강장 스크린 도어의 설치로 오염물질이 터널 내부에서만 정체되어 공기질이 나빠지는 상황이다. 이에 본 연구에서는 터널 내의 공기질 개선을 위한 환기 제어 알고리즘에 대해 연구하였다. 서울시 3호선에 위치한 D역사에 테스트베드를 구축하여, H 방향 및 I 방향의 터널내의 환기팬, 승강장 하부배기 환기팬을 대상으로 열차풍(Train-Induced Wind)과 피드백(Feedback) 제어를 사용하여 환기 제어 알고리즘을 개발하였다. 터널 내에서 전동차 출∙입시 비산되는 미세먼지들을 열차풍을 이용해 배기하였고, 전동차가 승강장으로 들어올 때 정지하며 발생되는 미세먼지들은 승강장 하부배기를 이용하여 배기함으로써 미세먼지를 감소시켰다. 또한 피드백 제어를 이용하여 터널 내 미세먼지 농도가 낮을 때는 환기팬의 인버터 속도를 제어함으로써 에너지 절감에 대한 효과를 확인했다. 실험결과 환기팬을 OFF로 가동할 때보다 공기질지수는 2.43배, 환기팬을 Full로 가동할 때보다 1.03배정도 좋아 지는 것을 확인 하였다. 또한 피드백 제어를 통해 기존의 환기팬 제어방법인 일정기간제어, 러시아워 On-Off제어보다 4.96 ~ 41.97%정도 에너지 절감이 되는 것을 확인하였다. 이는 열차풍을 이용한 지하철 터널 내 환기 제어 알고리즘 개발을 통해 지하철 공기질 개선과 에너지 절감에 효과가 있음을 보여주는 결과이다.

다변량통계분석을 이용한 승강장 스크린도어 설치 후 지하철 공기질 분석

김서진 건국대학교 대학원 2010 국내석사

Most of people in Seoul are commuting by public transportation like buses and subway. Especially, the subway is in great demand because it is faster and cheaper than other transportation. The geographical condition that all passenger trains move through underground tunnels makes natural ventilation difficult, so there have been some efforts to lower the air pollution level. For this reason, a study on the effect of Platform Screen Door (PSD) on the air quality of stations was conducted through the testing of hypothesis and multivariate statistic analysis with the data of air quality of H-dong and D-station in Seoul from 2007 to 2009. The analysis showed that SO2 in H-dong slightly increased in 2008 and sharply decreased in 2009. NO2 decreased by 2.7% in each years, CO decreased in 2008 but increased in 2009 again, and O3 increased by 11.1% for 3 years. In the case of the concentrations of PM10, they dropped by 12% compared with those in the previous year in 2008, and increased by 1.9% in 2009. Although the concentration of PM10 had decreased greatly, the fact that it exceeds the annual average concentration recommended by 50㎍/㎥ is a critical situation. The PM10 concentration of D-station had decreased by 47%, from 148㎍/㎥ to 79㎍/㎥, and the PM2.5 concentration had decreased 18%, from 61㎍/㎥ to 50㎍/㎥. This rapid decrease of the concentrations of PM10 is quite significant compared to the 10% decrease in H-dong. The results also show that the installation of PSD is effective in decreasing the concentrations of PM at the subway platform.

실험설계법을 이용한 원심압축기 시스템 서지에 대한 설계변수의 영향력 연구

박세진 건국대학교 대학원 2016 국내석사

The researches of CO2 enhanced oil recovery (EOR), which can increase the amount of oil production, have been actively pursued by scientists and engineers. Gas involving processes including CO2 EOR generally use centrifugal compressors because of their simple operability, reliability and high capacity. The compression system with centrifugal compressors should include surge protection system to avoid compressor surge in many abnormal circumstances such as emergency shut-down (ESD), start-up, coast-down, and normal shut-down. Among them, ESD circumstance requires the fastest action. In this study, the surge protection system on an actual CO2 compression process is analyzed. The surge analysis is done by doing a dynamic simulation using a commercial process simulator, Aspen HYSYS. A surge criteria flowchart is suggested and used to confirm the surge occurrence in the system. To avoid the surge occurrence during ESD, four parameters are considered: pre-stroke time, valve type, capacity and stroke time. The impact of these parameters on surge occurrence is analyzed using the sensitivity analysis method. The degree of impact of the parameters and the interaction between the parameters are analyzed using the design of experiment (DOE) method such as Plackett-Burman method and the full factorial design method. Two main factors, ASV capacity and stroke time, are optimized using the response surface method (RSM). The system is redesigned using the new values of ASV capacity and stroke time, and is verified that the system does not occur the surge problem using the dynamic simulation. The results show that it is most effective to control the ASV capacity and stroke time for the redesign of surge avoidance system. This study presents an effective surge protection guideline by suggesting the redesign method of centrifugal compression systems. 최근 온난화의 주범인 이산화탄소를 감축하면서 원유를 증산하는 기술인 CO2 원유회수증진법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. CO2 원유회수증진법을 포함해 기체를 다루는 대부분의 공정에는 효율성이 좋은 원심압축기를 사용한다. 원심압축기를 포함한 시스템은 비상정지, 시동, 정지 등의 비정상상태에서 발생하는 서지를 방지하기 위한 시스템을 반드시 설치해야 한다. 본 연구에서는 실제 이산화탄소 압축시스템을 이용하여 가장 빠른 대처가 필요한 비상정지상황에서의 서지방지방안을 연구하였다. 서지분석은 상용화된 공정모사 프로그램인 Aspen HYSYS의 동적 시뮬레이션을 이용해 분석하였다. 압축시스템의 서지여부는 서지판단기준에 따른 흐름도를 이용해 판단하였다. 영향변수로는 pre-stroke time, ASV type, capacity와 stroke time의 4가지를 설정하였다. 민감도분석기법을 이용하여 압축기 서지에 대한 영향력 유무를 판단하였다. Plackett-Burman 설계법과 요인배치법의 실험설계법을 통해 각 변수들의 상호작용과 영향력을 수치적으로 나타내었다. 반응표면분석법을 이용해 주요영향변수인 ASV capacity와 stroke time을 최적화하고 서지방지여부를 검증하였다. 서지방지시스템의 재설계 시에는 ASV capacity와 stroke time을 제어하는 것이 가장 효과적인 방안이다. 이 연구는 압축시스템의 재설계방안을 제안함으로써 효과적인 서지방지 가이드라인을 제시하였다.

LNG 液化工程의 統合 運營 및 維持保守 管理시스템 開發에 관한 硏究

송영훈 건국대학교 산업대학원 2009 국내석사

As the advance of technology and cultural level, the demand for energy is increasing, therefore various energy sources have been developed so far. It is estimated that the need to natural gas, one of the promising source in several clean energy sources, is increasing by three times until 2020 by now. Natural gas should be liquified at -162.5℃ or below for safe transportation and storage, however there should be skillful technic to cope with potential danger accompanied by extreme low temperature of LNG. The object of this study is to obtain process operation data by simulating liquefaction process of LNG by using HYSYS program, and further this study is subject to propose O&M technology of liquefaction process of LNG. We first obtained operation data by simulating C3MR process of APCI which occupies 70% of the world in LNG liquefaction process by using HYSYS, and conduct abnormal diagnosis based on the obtained operation data. Amongst several technical methods for abnormal diagnosis, this study is conducted based on PCA technic and we focused on dangerous cooling process. As a result, it is possible to adaptability of PCA technic to abnormal diagnosis along with securing accuracy of simulation of HYSYS operation. Thereby it is possible to confirm of efficient management and repair technic of LNG by conducting patent search and technical search regarding O&M technology. We propose, for optimal operation of management of LNG liquefaction process, IOMMS, a system which incorporate abnormal diagnosis of process using data mining based mutivariate SPC and methods including conventional RCM,RBI, IDMS. This system is adapted to not only single facility but also complex facilities, and it is cooperative with conventional operating & management system. Also, this system includes a module that is able to reflect users demands. Further it is estimated that IOMMS system maximizes user convenience by computerization and it assures efficiency & consistency of operating & management. Also, IOMMS system need not new investment for facilities and estimated to show rapid ROI. 기술과 문화의 발전에 따라 에너지의 요구량은 점점 증가하고 있으며, 그로 인해 다양한 에너지원이 개발 되고 있다. 그 중에서 청정에너지로 대두되고 있는 천연가스의 사용은 2020년에 현재대비 세 배에 이르는 에너지 요구량을 예측할 정도로 급증하고 있는 반면, 천연가스는 -162.5℃로 액화되어 수송, 보관에 유리한 형태로 이용되고 있는데 극저온에서의 위험성이 뒤따르기 때문에 그에 대한 대책이 필요한 상황이다. 이에 본 연구는 HYSYS 프로그램을 이용하여 LNG 액화공정을 모사하여 공정 운영 데이터를 얻어내고, 추출된 데이터를 이용하여 LNG 공정의 이상 진단을 위한 방법을 제시하고 LNG 액화공정의 O&M기술을 제시하는 데에 그 목적이 있다. 우선, HYSYS를 이용하여 전 세계 LNG 액화공정의 70%를 차지하고 있는 APCI의 C3MR 공정을 모사하여 실제 공정에서 나올 수 있는 데이터를 추출하였으며, 그 데이터를 대상으로 이상진단을 실시하였다. 여러 이상진단 기법 중, 본 연구는 PCA기법을 기반으로 이루어졌으며, 공정에서 위험성이 큰 냉각공정에 초점을 두어 연구를 진행하였다. 그 결과 HYSYS 공정 모사의 정확성과 더불어, PCA기법을 이용한 이상진단에 대한 가능성을 확인할 수 있었으며 O&M기술의 특허조사와 기술조사를 통해 LNG의 효율적인 유지보수의 기법의 확인을 통하여 LNG 액화공정의 운영 및 유지보수를 위해서 기존의 위험중심관리(RCM), 위험기반검사(RBI), 자료열람유지보수체계(IDMS) 방법들과 공정데이터 마이닝 기반의 다변량 통계를 이용한 공정 이상진단을 통합한 통합 운영 및 유지보수 관리시스템(IOMMS)을 제안한다. 이 시스템에서는 기존의 O&M의 도면정보시스템, 설비신뢰성평가시스템, 설비손상정보시스템, 변경관리시스템, 정량적위험성 평가시스템, 비상대응시스템이 구축될 것이고, 공정데이터 마이닝 기반의 O&M을 위해서 공정데이터를 이용한 유지보수 시스템, 다변량 통계적 모니터링 시스템, 공정 이상진단 시스템, 설비 이상진단 시스템들로 구성됨으로서 단일 설비부터 복합 설비에 적합하도록 구성되어 기존의 유지보수 체계와 연계되도록 하여 다양한 유지보수 기능을 모듈로 구성되고, 사용자의 요구를 고려한 시스템으로 구성된다. 또한, 전산화로 사용자의 편의성을 극대화하고, 유지보수의 일관성과 효율성을 보장하며, 새로운 설비 투자가 필요하지 않고, 현장 적용의 신속성과 빠른 투자 회수율(ROI)을 가질 것으로 예측된다.