해양플랜트 공학 입문
서유택
해양플랜트
• 해양플랜트 (Offshore Plant)
: 주로 한국에서 많이 사용되는 어휘로 통상적으로 해양플랫폼을 의미.
• 해양구조물 (Offshore structure)
: 해양에 설치되는 구조물을 통칭.
• 해양플랫폼 (Offshore Platform)
: 오일 및 가스 시추 및 생산 설비를 설치하기 위하여 해상에 설치되는 구조물 (offshore structure)
: 구조물 내부에 탑재되는 해양 오일&가스 생산 시스템 (offshore oil and gas production system)
Example: Ichthys Field Development
Final products and Platform selection
상부 공정 (Topside process facilities)
• 플랫폼 상부(topside) 갑판(deck)에는 다양한 설비가 위치
: 시추설비, 오일 및 가스 생산 설비, 저장 설비, 송출 설비, 유정 조절 시스템 등 운영 설비.
: 플랫폼에 거주하여야 하는 근무자들을 위한 거주시설
: 환기시스템, 풍향감지 설비, 방화벽, 모니터링 시스템, 응급정지시스템 (플레어 타워 등)
: 긴급탈출 시스템, 방재설비 등
갑판 (Deck)
• 하나의 통합갑판(integrated deck) 구조물인 경우도 있고, 지지프레임(MSF, module support frame)를 기반으로 다수의 단위구조물 모듈(module)이 조립되는 모듈갑판도 있음.
• 보통 상부갑판(upper deck 혹은main deck)과 하부갑판(cellar deck) 및 그 외 추가 갑판을 포함하여 복수의 층으로 구성됨.
• 상부갑판에는 주로 시추 및 생산 주요 설비와 거주지역 등이 위치하며, 하부갑판에는 유틸리티 설비나 펌프, 배관 등의 보조 설비, 또는
wellhead, tree와 같이 낮은 위치에 설치되는 설비들이 위치
모듈갑판과 통합갑판 개념(Chakrabarti, Handbook of offshore engineering, 2005
Example: Diana SPAR
• 최상단에는 시추갑판(drilling deck)이 위치하며, 시추설비와 거주지역, 화학물질 저장고 등이 위치
• 그 밑에는 생산갑판(production deck)이 위치하며, 오일 및 가스 생산 공정 설비들과 발전설비, 유틸리티 설비들이 위치
• 그 밑에는 하부갑판(cellar deck)이 위치하며, 냉각수 등 공정용수 설비들과 배관, 매니폴드(manifold)가 위치
http://www.globalsecurity.org/military/systems/ship/images/spars-image2.jpg
해양플랫폼의 분류
• 고정식(Fixed)
: 콘크리트 또는 강철로 된 지지 구조물이 해저면(seabed)에 직접 접촉
고정되어 하중을 지탱하며, 그 위에 갑판(deck)을 두고 설비를 올리는 형태의 플랫폼
- 자켓(Jacket Platform)
- GBS(Gravity-based Structure) - 잭업리그(Jack-up rig/barge)
• 유연식(Compliant)
: 강철 지지 구조물로 해저면에 접촉하고 있지만 고정식에 비해 파도와 조류에 영향을 받는 탑형태의 구조물과, 부유가 가능한 구조물을 해저면에 고정시킨 형태의 플랫폼
- 유연탑(Compliant Tower) - TLP (Tension Leg Platform) - SPAR
• 부유식(Floating)
: 수면에 떠서 구조물의 부력과 6자유도 운동을 통하여 하중을 지탱하는 형태의 플랫폼
- Semi-submersible structure - 선박형(ship-shaped) 부유플랫폼
FPSO (Floating Production Storage & Offloading) FSO(floating storage and offloading)
FSRU (Floating Storage Regasification Unit) RV(Regasification vessel)
Classification of host system : Fixed type
• Fixed jacket structure : water depth up to 520m
자켓 플랫폼(Jacket Platform)
• 통상 고정식 플랫폼이라고 부르는 경우 자켓 플랫폼을 지칭하는 경우가 대부분
• 해면에 박힌 말뚝(pile)에 기반을 둔 철골 구조물인 자켓(jacket)에
갑판(deck)을 올린 형태
• 안정성 확보 위하여 네 개에서 여덟 개의 다리를 가짐
• 시추와 생산 모두에 이용가능하며, 2,3개의 복합 갑판을 지닌 다층 형태의 플랫폼도 가능
• 혹독한 환경의 북해에서는 수심 500- 600 ft (150-180m) 이하에서 사용되나, 보다 온순한 조건의 바다에서는 더
깊은 수심에도 설치가 가능
• Bullwinkle platform (gulf of Mexico, 1988): 수심 410m
http://www.designersparty.com/category/Project?page=2
운송 및 설치
• 해상에서의 제작이나 공사비용은 매우 비싸기 때문에 일반적으로 해양구조물은 가능한 많은 부분이 육상 야드에서 제작되며 해상의 설치장소로 바지(Barge)선을 이용하여 수송된다.
• 소형 자켓은 육상 제작 후 진수용 바지선으로 예인
• 대형 자켓은 원통파이프를 부력탱크로 이용하여 바지선 없이 자체의 부력만으로 설치장소까지 예인 후 해수를 주입하여 안착시킴
http://www.davidzhenzheng.com/fixed-platform-
jacket-structure-transport-analysis-in-sacs/ http://www.globalenergyprofs.com/2012/06/1728/
운송 시 필요한 해석
• 해양구조물을 바지 위에 싣고 갈 때 구조물+바지 전체가 설계 풍력에 의하여 전복되지 않고 충분히 안전한지 복원성 평가 및 검토
• 해상 운송에 따른 관성력을 고려하여 해양구조물 각 부재의 안전성 해석
• Sea fastening (고박)을 고려한 부속 부재 해석
• 특히 설치장소까지 운송거리가 긴 한국의 경우 운송을 위한 구조해석을 면밀히 할 필요가 있음.
• 북해 등으로 운송하는 경우 운송 시 환경하중에 의해 누적된 피로 손상이 구조물의 전체 수명에 영향을 미치므로 운송시 피로해석을 고려한 보강 설계를 하는 경우 도면이 변경될 수 있음.
자켓의 설치
갑판 및 모듈의 설치
• 상부는 미리 육상 제작되어 바지로 운반 뒤 해상크레인으로 설치 후 용접으로 결합
• 크레인의 거동을 고려한 해석 필요
: 크레인이 안정적으로 들어올릴 수 있도록 모듈 하중이 크레인선의 용량을 넘지 않도록 세밀히 확인해야 함.
: 크레인으로 들어올리는 경우 모듈 부재에 유해한 변형이 생기지 않아야 함.
http://offshore-engineer.blogspot.kr/
Risk of moving topside
GBS (Gravity-based Structure)
• 유럽의 북해는 폭풍 풍속 50m/s, 파고 30m 등 기상 및 해상상태가 매우
거칠어 해저지반 파일작업이 어렵고, 기상 악화시 생산된 원유를 임시로 저장할 필요가 있음.
• 빈 공간을 지닌 원통 형태의 탱크 내에 해수, 모래, 기름 등을 채워 구조물 자체의 무게로 플랫폼을 지탱하는 형태의 중력기반 구조물이 고안됨.
• 별도의 말뚝이 필요가 없거나 적은 수만 필요하므로 짧은 시간 안에 설치 가능.
• 강철 구조물도 가능하나 콘크리트 탱크를 기반으로 이용하는 condeep (concrete deepwater)이 보다 일반적
• Troll A platform (북해 Troll oil field, 1955): 수심 약 300m (총길이 470m)
http://www.industrytap.com/see-the-largest-and-tallest-object-ever- moved-its-taller-than-the-empire-state-building/1877
GBS 플랫폼 장점 및 단점
• 내구성이 우수하여 보수 필요성이 적고 피로에 대한 저항이 큼.
• 추운 기후와 저온에 우수한 특성
• 선천적 강성을 지니며 진동이 적음.
• 절연성, 화재 저항성이 높음
• 인장저항력이 약함.
http://www.kvaerner.com/Products/Concrete-structures-for-offshore-platforms/
• Concrete gravity platform
Water depth 330m
Split concept (Bridge connected platform)
• Gravity base platform with production and small jacket platform
잭업 (Jack-up rig/barge)
• 유압잭을 이용, 다리 부분을 상하로 움직일 수 있는 구조물.
• 이동시에는 다리가 올라간 부유체 형태로 예인되거나, 바지에
탑재하여 이동.
• 목적지에 도착하면 다리를 내려서 해저면에 고정하고 플랫폼은 수면 위로 떠오르는 가변시설
• 운용 중에는 트러스 구조의 세 개 다리를 가진 고정 플랫폼과 같은 형태를 지니게 됨.
• 편리한 이동성 때문에 탐사용 시추선으로 많이 이용됨.
Chakrabarti, Handbook of offshore engineering, 2005
잭업 (Jack-up rig/barge)
• 다리가 큰 하중을 지탱하여야 하므로 해저지반이 연약할 경우 해저면 깊이 다리가 파묻혀 장기간 작업 후 다리를 빼내는 것이 어려움.
• 다리 하단에 스퍼드캔 등을 설치하여 지탱이 용이하도록 하며 다리를 빼낼 경우 고압의 물을 분사하여 토질을 액상화시킴.
• 고정식 플랫폼과 동등한 수준의 안정성을 제공.
• 가동 수심이 얕아서 90~120m정도가 보통이며 150m 이상의 수심에서는 운용이 어려움.
http://www.emi.uwa.edu.au/news/uwa-team-investigate-new-footings-mobile-drilling-rigs-0
• Jack-up platform
: platforms that can be jacked up above the sea using legs that can be lowered (water depth up to 170m)
Classification of host system : Compliant type
• Compliant tower
450 – 900m
CT (Compliant Tower: 유연탑)
• 자켓과 같이 해면에 고정되는 고정식 구조물이나, 폭풍과 같이 큰 외력을 받았을 때 부유식
구조물처럼 어느 정도의 동요를 허용하도록 설계됨.
• 구조물의 최초 고유진동수는 외력의 최저 진동수보다 낮게, 이차 고유진동수는 최고
진동수보다 높게 형성되도록 설계하여 파도, 태풍 등의 외력을 유연하게 상쇄할 수 있도록 설계
• Petronius platform(GOM): 수심 535m (총 610m)
FloaTEC, 2012 Deepwater solutions & records for concept selection, 2012
• 통상적인 고정식 플랫폼은 구조물의 최저 고유진동수가 파도 등의
외력으로 인하여 발생하는 최대 진동수보다도 크도록 단단히 고정하여 외력을 견디도록 설계됨.
• 따라서 수심이 깊어질수록 하부 구조물의 크기가 매우 커져서 설치와 운송이 어려울 뿐만 아니라 비용 또한 크게 증가.
• 하부로 내려가면서 구조물이 넓어져야 하는 자켓 플랫폼에 비하여 가볍고 경제적이며 좁은 영역만으로 설치가 가능
• 부유식에 비하면 움직임이 적고 시추용, 생산용으로 모두 사용됨.
자켓 플랫폼 대비 CT가 차지하는 하부 면적 비교 (Compliant Tower: next generation, offshore magazine)
Classification of host system : Compliant type
• Tension Leg Platform (TLP) : water depth up to 2000m
TLP (Tension Leg Platform)
• TLP는 Semi와 거의 동일한 구조로 부유체(pontoon)와 지지기둥, 갑판으로 구성.
• 인장각(Tension leg)으로 불리는 굵은 고장력 파이프에 의해
해저면의 앵커와 연결되어 위치 고정.
• 상부 구조물과 해저 생산정을 연결하는 파이프들은 시추 혹은 생산용 라이저로 사용됨.
• 플랫폼 수심이 낮아지게 되면 파이프들에 인장력이 걸려 복원력이 발생, 플랫폼이 원위치로 돌아오게 됨.
• 수직방향의 움직임(heave)에 저항력을 가지며, 수평방향의 움직임(surge and sway)도 안정적인 대응이 가능
TLP의 구조 및 계류 원리(Chakrabarti, Handbook of offshore engineering, 2005)
World TLP 현황
FloaTEC, 2012 Deepwater solutions & records for concept selection
Classification of host system : Compliant type
• Spar
: max water depth 2500m
SPAR
• 속이 빈 원통형태의 구조물로 초대형 부표 같은 형태
• 수평방향 움직임을 제한하기 위한 계류선을 가지며, 통상 무게중심이 부력중심보다 낮게 형성되도록 설계되기
때문에 안정적.
• 구조물의 대부분이 바다 속에 위치하기 때문에 해류와
소용돌이에 큰 영향을 받아 진동하게 되며, 이를 완화하기 위하여 나선형 외판(strake)을 설치하여 충격을 흘려 보내게 설계됨.
• 초기에는 저장기능이 포함되기도 하였으나, Brent Spar (Shell) 이후 주로 시추 및 생산용 플랫폼으로 사용됨.
• 2세대로 본체 중간 부분을 truss로 교체하여 무게와 비용을 줄인 Truss spar가, 2004년 조립식 구조물(multiple ring-stiffened tube or cell)로 구성된 Cell Spar가 등장하여 건설비가 절감됨.
SPAR 내외관 구조도(New designs advance spar technology into deeper water,http://www.ogj.com/)
World Spar 현황
FloaTEC, 2012 Deepwater solutions & records for concept selection
Classification of host system : Floating type
• Semi-submergible
: water depths from 60 to 3050 m
Semi-submersible
• 심해개발 진행으로 수심이
깊어지고 해상 조건이 거칠어짐에 따라 고정식 구조물 운용이
어려워짐.
• 수심의 영향을 받지 않는 부유식 구조물이 고안됨.
• 반잠수식 구조물(약칭 semi)은 부력을 제공하는 수평 구조물인 pontoon과 이를 기반으로 하는 기둥(column) 그리고 그 위의 갑판으로 구성됨.
• 통상 1000ft 이내의 수심에서 운용되나 계류 설비에 따라 더 깊은 수심에서도 이용 가능
Patent US 6378450 B1
pontoon
• 이동시에는 하부 선체를 이용 물에 뜬 상태로 인양하며 목적지에서는 하부선체와 칼럼에 밸러스트를 주입하여 가라앉혀 반잠수 상태로 운용.
• 반잠수 상태에서는 선박형 구조물에 비해 동요가 적으므로 기상악화에 따른 가동제한이 적음.
• 추진기(thruster)와 동적 위치제어 시스템(Dynamic positioning
system)을 이용하여 깊은 수심에서도 작업위치를 유지하기가 용이.
• 시추에 많이 이용되나 생산도 가능.
• 상부에 시추용 설비가 설치되면 semi-submersible drilling unit, 생산설비가 설치되면 FPS (Floating production system)로 부름.
Classification of host system : Floating type
• FPSO (Floating Production Storage and Offloading)
FPSO (Floating Production Storage & Offloading)
• 선박의 형태를 지닌 대표적인 부유형 플랫폼
• 선박형태로 예인이 용이하고 생산, 저장, 하역 기능을 모두 갖춘
복합생산 시스템.
• 최초의 oil FPSO는 유조선(oil
tanker)에 오일 및 가스를 분리하고 처리, 저장, 송출하는 기능을
추가하는 선체 개조를 통하여 건조
• 배관 및 인프라가 구축되지 않은 원해에도 설치가 가능하고, 다양한 기후조건을 지닌 바다에서도 유연한 대응이 가능
• 터렛계류 및 추진기를 사용하여 위치제어가 용이
* FSO(floating storage and offloading)의 경우 상부에서 separation등의 processing기능이 없음. 유정에서 생산된 원유를 단순저장 후 수송을 위한 시설만 제공.
해저시스템을 포함한 FPSO 설치 구조도( Van Gogh Field, www.ogj.com)
LNG-FPSO/LNG-FSRU
• 가스전에서 천연가스를 생산한 후 바로 액화 및 저장한 후 LNG수송선을 통하여 송출 가능한 해양 플랫폼
LNG Supply Chain에 따른 LNG 해양플랜트 개념구분 (images from Statoil, lngfacts.org, wikipedia, kogas.or.kr)
Mooring system
• 부유식 구조물은 선체를 원하는 위치에 정박시키기 위한 계류시스템을 필요로 하며, 통상 해저에 위치한 닻이나 말뚝과 계류선으로 연결됨.
• 전통적으로 쇠사슬 형태의 강철 계류선을 이용하여 왔으나, 심해로 나아갈수록 보다 가벼우면서도 더 강한 소재가 요구되어 최근엔 합성섬유 기반의 fiber rope나 다양한 복합재료를 이용한 계류선이 사용됨.
• 계류시스템은 플랫폼에 과도하게 작용하는 외력을 분산시킬 수 있을 정도의 유연함을 제공하는 동시에, 과도한 움직임으로 인하여 시추 및 생산 배관들에 피해를 주지 않을 정도의 굳건한 위치고정능력을
제공하여야 함.
Spread mooring system
• 계류선을 사방으로 연결하여 한 방향으로 고정하여 계류하는 방식
• Catenary Mooring: 보편적으로 사용되는 방식으로 곡면을 가진 계류선을 이용하여 해저면에 수평에 가깝게 고정.
• Taut Mooring: 심해의 경우 계류선의 무게가 과도해지는 문제를 피하기 위해 사용
http://www.netwasgroup.us/offshore/spread-mooring-systems.html http://bentley.ultramarine.com/models/Mooring
/tn/Spread%20Moored%20Tanker.png.html http://www.dredgingengineering.com/m oorings/overview/Tool%20Ibb.html
Anchor
• 계류된 구조물이 바람 또는 해류에 의하여 이동하지 않도록 해저면에 고정되어 해양구조물과 해저면을 연결하는 장치
• Suction anchor
http://www.epd.gov.hk/eia/register/report/eiareport/eia_1672009/HKOWF%20HTML%20EIA/HKOWF%20Contents.htm
Single Point Mooring (SPM)
• Spread mooring system과 같이 선체의 방향을 한 방향으로 고정하는 경우 예기치 않은 상황, 예를 들어 측면에서 오는 거대한 태풍 등,에서는 계류선 혹은 선체에 큰 부하가 걸리고 원하는 위치에서 움직이는
결과가 유발될 수 있음.
• Single Point Mooring (SPM) Buoy Mooring system
: 복수의 계류선으로 부표를 해저와 연결 : 부표와 연결된 선체는 부표 중심 회전 가능 : 유체는 해저배관>부표>선체로 흐름.
: 선체 회전 허용으로 바람, 조류 등 부담 경감.
Turret mooring system
• 복수의 계류선이 해저와 터렛(Turret)을 연결하며, 이 터렛이 다시 FPSO에 결합되는 방식
• 터렛 자체가 회전이 가능하므로 선체가 터렛을 중심으로 회전
• 터렛을 통하여 해저배관과 선체가 연결됨.
• 태풍과 같이 극단적 외력이 작용할 때를 대비하여 탈, 부착 가능
http://www.nov.com/fps_landing/products/submerged-turret-production.html http://www.sbmoffshore.com/what-we-do/our-products/turret-mooring-systems/
