본 연구에서는 헬륨 브레이튼 사이클 기반 수소 액화 공정의 동적 시뮬레이션을 통해 부분 부하 조건에서의 시스템 응답 및 에너지 효율을 분석하였다. 수소 공급 유량을 설계 대비 90%, 80%, 70%로 단계적으로 감소시키며 열교환기 및 회전기기의 온도, 압력, 에너지 소비 변화를 정량적으로 평가하였다. 그 결과, 헬륨 유량이 수소 부하에 비례하여 충분히 감소하지 않을 경우 과냉각이 발생하여 액체 수소 온도가 20.5K에서 19.5K로 저하되었다. 또한 팽창기의 효율이 압축기보다 낮아, 회수되는 에너지 손실이 더 크게 나타났으며, 이에 따라 단위 질량당 에너지 소비(SEC)가 44.1% 증가하였다. 본 연구는 부분 부하 조건에서 헬륨 유량 및 주요 기기의 운전 조건을 정밀하게 제어해야 함을 제시하며, 회전기기의 효율 향상이 수소 액화공정의 에너지 효율 개선에 핵심적으로 기여할 수 있음을 시사한다.

This study presents a dynamic simulation of a hydrogen liquefaction process using a helium Brayton cycle under partial load conditions. Hydrogen feed flow was reduced to 90%, 80%, and 70% of the design value and temperature, pressure, and energy consumption across heat exchangers and rotating equipment were evaluated. Results showed that insufficient reduction in helium flow caused subcooling, lowering the liquid hydrogen temperature from 20.5K to 19.5K. Furthermore, due to the lower efficiency of the expander compared to the compressor, the decrease in recoverable energy exceeded the reduction in compression work, resulting in a 44.1% increased specific energy consumption. These findings emphasize the need for precise control of helium flow and operating conditions during partial load operation. Additionally, improving the performance of rotating equipment such as compressors and expanders is essential for enhancing the energy efficiency of hydrogen liquefaction systems.

Hydrogen liquefaction Dynamic simulation Helium Brayton cycle Cryogenic process Cold-box