심해저 해양플랜트 기술 개발

장 광 필 현대중공업 기반기술연구소 수석연구원 ㅣ e-mail : [email protected]

이 글에서는 최근 심해 원유 및 가스 생산을 위한 심해저 해양플랜트 산업에 대한 소개와 국내외 기술개발 현황에 대 해 소개하고자 한다.

심해저 해양플랜트 기술 개발

심해저 해양플랜트 개발 동향

해양에서 원유/가스 생산을 위한 해양플랜트 기술은 연근해에서 이제는 수심 3,000m급 심해로 그 범위가 확대되고 있다. 심해의 정의는 기술 발달에 따라 변화 하는 경향이 있다. 여러 문헌 또는 산업계에서 심해에 대한 정의가 다양하게 존재하지만, 최근에는 수심 500m 이상을 심해로 분류된다.

심해저 원유/가스 생산증가의 이유는 지속적인 에너 지 수요 증가와 연근해 자원 생산의 정체 또는 감소에 기인한다. 2030년 기준으로 원유 소비량은 EIA에 따르 면 하루 1억 600만 배럴로 예상된다. 특히, 중국 및 인 도의 산업 발달에 따라 연간 10% 이상의 에너지 수요의 증가가 예상된다.

즉, 심해 원유 및 가스 생산 지속적 성장 예상되어, 2002년 3%, 2007년 6%, 2015년 12%(2007년~2015년 약 200% 증가)로 증가가 예상된다. 심해 원유 생산은 해양 분야 중 2015년 이후 유일한 성장 분야이다.

심해저 개발을 위한 기술 및 제품

심해저 개발은 기존 해양 원유/가스 개발과 동일한 절차를 따른다. 탐사 및 시추 후 심해 원유/가스 생산을 위한 해저생산시스템과 해저에서 생산된 원유/가스 등 을 처리하여 필요 시 저장하는 해상 생산 설비가 설치

기관 수심(m) 비고

Petrobras (브) Shell, BP

400~1,000 500m 이하

초심해 : 1,000m 이하 Exxon : 400m 이하 표 1 해양 원유/가스 산업에서 심해의 정의 예

그림 1수심별 심해 개발 동향

그림 2미국 및 중국의 원유 소비 예측

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된다. 또한 해저생산시스템의 안정적인 제어 및 운전, 해저에서 생산된 생산물의 안정적인 이송을 위해

Umbilical, Riser, Flowline(이하, URF) 등이 설치된다.

심해용 해상 생산 설비는 설치 지역의 환경, 소비처

그림 3심해 개발 생산량 및 투자 예측

그림 4심해 개발 개념도

심해저 해양플랜트 기술 개발

와의 거리, 처리 용량 등을 고려하여 결정된다. 현재까 진 심 해 용 해 상 생 산 설 비 로 는 FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading)가 가장 많이 차지 한다. FPSO는 걸프 멕시코만을 제외한 남미, 아프리카 에 다수가 설치되어 있다. FPSS(Floating Production Semi-submersibles)와 TLP(Tension Leg Platform) 역시 심해 생산용 해상 설비로 설치될 수 있으며, 이 둘은 FPSO와 달리 저장 설비는 가지고 있지 않지만 Drilling 과 Workover 연계성이 FPSO보다 우수한 특징이 있다.

Umbilical은 해저생산시스템의 안정적인 운전 및 제 어를 위해 필요한 화학제를 주입하거나 해저생산시스 템의 제어 및 구동에 필요한 전원 및 신호를 전송하는 역할을 수행한다. Umbilcal은 그림 6과 같이 일반적으 로 열가소성 수지 호스와 메탈릭 튜브로 구성된다.

Riser는 심해 환경 변화(Motion)에 대응 가능한 설계 가 중요하다. 심해용 Riser로는 Flexible Riser/Rigid Steel Riser/Hybrid Riser가 적용 가능하다.

● Flexible Riser : 다양한 심해 설치 환경에 대응 가 능함, 다양한 설치 옵션 가능

● Steel Catenary Riser : Flexible Riser에 비해 경제 적임, 대구경 파이프 적용 가능함.

● Hybrid Riser : Flexible Pipe (연결점) + Rigid Pipe 심해용 Flowline에 사용되는 Pipeline은 특히, 외부 압력에 의한 Hydrostatic Collapse가 중요한 위험 요소 가 된다. Rigid Pipe와 Flexible Pipe 두 종류가 있다.

● Rigid Pipe : 전형적으로 12m 간격으로 조립

● Flexible Pipe : 다층 철과 고분자 소재로 구성

국내 심해저 해양플랜트 기술 개발 소개

향후 해양산업에서 심해저 분야가 차지하는 비율은 점점 증가할 것으로 예상된다. 반면 국내 조선해양산업 의 대비는 해외 경쟁국들에 비하면 상당히 뒤쳐져 있는 현실이다. 노르웨이의 경우 Deepwater R&D 프로그램 을 이미 20년 이상 지속하고 있으며, 미국 역시 Deepstar와 같은 R&D 프로그램을 상당 기간 지속하고 있다. 또한 심해와 천해를 구분하지 않더라도 현재 국 내 해양산업의 경쟁력은 여러 분야에서 부족한 부분이 있는 게 사실이다. 예를 들어 국내 조선 3사는 대형 해 양플랜트 건조에서 세계 최고의 경쟁력을 보유하고 있 다. 드릴십 등 전세계 대형 시추설비 발주량의 86%를

그림 5심해용 해상설비(FPSO, FPSS, TLP) 설치 실적

그림 6Umbilical 개념도

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국내 업체들이 수주하였으며, FPSO 등 전세계 대형 해 양 생산설비 발주량의 65%를 국내 업체들이 수주하였 다. 이런 사업적 성과에도 불구하고, 해양플랜트의 개 념설계, 기본설계 등 엔지니어링 역량이 부족하며, 기 자재 국산화율은 30% 이하 정도이다. 또한 국내 해양 기자재 표준/규격에 대한 이해 및 인프라(특수 소재 Database, 신뢰성 해석 및 검증 기능 전무함) 절대적으 로 부족한 실정이다.

국내에서도 해양산업(심해저 해양 산업 포함)의 중요 성을 인식하여 산업통상자원부에서는 미래산업선도사 업 중 하나로 심해저 해양플랜트 기술 개발 과제를 2012년 7월부터 지원하고 있다. 본 과제는 심해의 원유 /가스 생산을 위해 해저에서 해상에 이르는 각종 시스 템에 대한 통합 엔지니어링 능력 확보, 핵심 기자재 개

발 및 해저 설치기술의 확보를 통하여 해양플랜트 Total Solution Provider 종합역량 확보에 그 목적이 있다.

본 과제는 심해의 석유가스 생산을 위해 해저에서 해 상에 이르는 각종 시스템에 대한 통합 엔지니어링 능력 확보, 핵심 기자재 개발 및 해저 설치기술의 확보를 통 하여 해양플랜트 Total Solution Provider 종합역량 확 보를 위해 FEED 엔지니어링 기술 개발, Topside 주요 Package 국산화 개발, 심해저 시스템 엔지니어링 기술 및 Subsea 기자재 개발 그리고 심해설치 기술 개발 등 4 개의 세부 과제로 구성되어 있다.

- 세부 1과제 : 심해 석유 생산망 FEED 설계 및 부유 체 핵심 기술 개발

- 세부 2과제 : Floating Platform Topside 시스템 및 기자재 개발

그림 7심해저 해양플랜트 기술 개발 참여 기관 소개

심해저 해양플랜트 기술 개발

- 세부 3과제 : 심해유전 개발을 위한 500MPa급 URF 및 SIL 3

Manifold 개발과 Subsea 시스템 엔지 니어링 기술 개발

- 세부 4과제 : 해저장비 및 URF 설치용 3,000m급 심 해설치 공사기술 개발

본 과제를 위해 국내외 대기업, 중소/중견기업, 비영 리 연구 단체 등 총 55개 기관이 참여하고 있다. 특히,

본 과제는 국내 해양플랜트 산업 생태계 육성을 위해 참여 기관의 숫자와 연구비의 사용 비율 그리고 연구 담당 내용에 중소/중견기업이 차지하는 비율이 50% 이 상으로 높다.

본 사업의 체계적인 지원과 관리를 위해 심해저 해양 플랜트 사업단이 구성되었으며, 본 사업단의 정보 공유 및 체 계 적 사 업 관 리 를 위 해 사 업 단 홈 페 이 지 (http://www.deepsea.or.kr)를 운영 중이다.

기계용어해설

영향선(Influence Line)

보에서 예를 들면, 지지반력이나 특정 위치에서 휨 등이 부하의 작용위치로 인하여 어떻게 변화하는가를 표시한 곡선.

입력 오프셋 전압(Input Off-set Voltage)

차동증폭기에서 압력측의 2개 단자 사이에 가하여 출력 을 0으로 하는 전압, 또는 입력측에 접속한 저항에 흐르는 전류차로 나타낸 것.

방사선자동사진법(Autoradiography)

시료와 사진 건판이나 필름을 밀착시켜 노출을 준 후 현 상하여 그 상에 의거하여 방사성 원소의 분포를 관찰하는 방법.

중수소(Heavy Hydrogen)

양자 1개로 이루어진 수소 원자핵과 달리, 양자 1개와 중 성자 1개로 이루어져 있는 수소의 동위원소의 일종.

원초<초기> 응력(Initial Stress)

재료의 제작, 가공, 열조작 등의 이유로 재료 내부에 최초 부터 잠재되어 있는 응력.

가연한계(Inflammability Limit)

기체연료 또는 무화된 액체연료와 공기의 혼합비가 8~20 의 범위에서, 혼합기가 착화하여 연소하는 한계.

사출률(Injection Rate)

사출성형에서 단위시간에 사출되는 용융재료의 이론적 양으로, 스크루 실린더의 단면적과 그 전진 속도와의 곱 으로 표시.

인플레이션 성형(Inflation Molding)

폴리에틸렌의 필름을 만들 경우, 고리모양의 구멍을 가진 다이로부터 용융 폴리에틸렌을 압출하여 통모양의 필름 을 만드는 플라스틱 성형법의 일종

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