유연 라이저 시스템 및 이를 이용한 유연 라이저 부력 조절 방법{Flexible Riser System and Method for Adjusting Buoyancy of Flexible Riser Using The Same}
본 발명은 유연 라이저 시스템 및 이를 이용한 유연 라이저 부력 조절 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 부력체의 내부에 액체를 공급 또는 회수할 수 있는 형태로 발라스트 챔버를 형성하고, 이를 라이저에 결합시킴으로써, 발라스트 챔버에 대한 액체의 공급 또는 회수량 조절을 통해 부력체의 부력 크기를 조절할 수 있고, 이에 따라 원유 생산 과정에서 라이저의 비중이 변화하더라도 라이저의 해저 배치 상태를 계속해서 안정적으로 유지시킬 수 있고, 다수개의 부력체를 서로 연결하여 각 부력체의 발라스트 챔버에 대한 액체 공급 및 회수를 선택적으로 할 수 있도록 함으로써, 다수개의 부력체 전체를 통한 부력의 크기 및 부력의 작용 위치 또한 조절할 수 있어 라이저의 해저 배치 상태를 더욱 안정적으로 유지시킬 수 있는 유연 라이저 시스템 및 유연 라이저 부력 조절 방법에 관한 것이다.
부유식 원유 저장설비(이하, "FPSO" 라 함)나 부유식 액화가스 저장설비(이하, "LNG FPSO" 라 함)는 선박(Ship) 또는 바지(Barge) 형태의 부유식 저장설비이다. 이들 중 FPSO는 현재 유전에서 원유를 생산하기 위해 사용되고 있으며, LNG FPSO는 근래 들어 유전의 고갈 및 청정연료에 대한 수요의 증가로 인해 그 개발이 활발히 이루어지고 있다. 해저 유전 개발에 있어서 FPSO나 LNG FPSO는 해상에 부유한 상태에서 원유나 천연 가스를 정제, 저장 및 운반할 수 있는 부유식 해상 정유 공장이라고 할 수 있다. 이러한 부유식 저장 설비는 해저 바닥의 유정(oil well)으로부터 오일, 가스 등을 저장 설비로 이동시킬 수 있도록 라이저가 장착된다. 통상 라이저는 유정(oil well)(혹은 가스정(gas well))에서 오일, 가스, 물 등이 혼합되어 이루어진 원유 생산물을 선체의 생산 설비(process plant)로 이동시키거나, 뽑아낸 원유 대신 물로 유정을 채우는 통로 역할을 하는 관을 의미한다. 이때, 부유식 저장 설비가 파도나 조류 등의 영향으로 그 위치가 변화하기 때문에, 라이저는 이러한 위치 변화에 대응할 수 있도록 유연성을 갖는 형태로 형성되는데, 특히, 천해에서는 수심 대비 부유식 저장 설비의 수평 운동이 상대적으로 크기 때문에, 별도의 부력체 등을 이용하여 라이저의 배치 형태가 "S"자 곡선을 이루도록 하는 등의 방식으로 부유식 저장 설비의 운동이 더욱 넓은 범위에서 흡수될 수 있도록 설계된다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 유연 라이저 시스템의 설치 구조를 개략적으로 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 라이저(30)는 유연성을 갖도록 형성되어 유정 상단의 웰헤드(21)와 부유식 선체(10)를 연결하도록 설치되는데, 종래 기술에 따른 일반적인 라이저 시스템은 예를 들면, 라이저(30)의 중단 부위에 별도의 부력체(40)가 결합된 형태로 구성된다. 이러한 부력체(40)에 의해 부력이 발생함으로써, 라이저(30)가 대략 "S"자 곡선 형태로 배치되고, 이러한 배치 형태를 통해 상대적으로 더욱 넓은 범위에서 선체(10)의 이동을 흡수할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나, 해저 바닥에 부력 탱크 등을 설치하여 라이저(30)의 배치 형태가 연속 반복된 "S"자 곡선 형태를 이루도록 하는 방식 등이 일반적으로 라이저 시스템으로 적용되고 있다. 해상에서 원유를 생산하다 보면 생산 작업을 중단하는 경우가 발생하는데, 이때 상황에 따라 원유 이동 통로인 라이저(30) 내부를 비우는 경우도 발생하다. 라이저(30) 내부에 원유나 가스 없을 때에는 라이저(30)의 무게가 감소하여 부력이 증가해 라이저(30)가 수면 방향으로 상승하면서 부유식 선체(10)와 충돌할 가능성이 높아진다. 특히, 수심이 낮은 경우에는 해저 바닥과 선체(10)와의 거리가 수심이 깊은 심해보다 상당히 낮으므로 라이저(30)와 선체(10)와의 충돌 가능성이 더욱 증가한다. 이를 방지하기 위해 라이저(30)의 무게를 증가시키거나 낮은 부력의 부력체(40)를 사용하면 되지만, 반대로 원유의 생산 작업을 개시한 경우에는 라이저(30) 내부를 흐르는 유체의 비중으로 인해 라이저(30)의 무게가 증가하여 라이저(30)가 해저면과 충돌할 가능성이 증가한다. 즉, 라이저(30) 내부를 흐르는 유체의 비중에 의해 라이저(30)에 작용하는 부력이 변화하므로, 원유 생산 과정에서 라이저(30)의 안정적인 배치 상태를 유지하는 것이 매우 어려우며, 따라서, 라이저(30)에 결합되는 부력체(40)에 대한 적절한 용량 계산 또한 매우 어렵다는 문제가 있다. 선행기술로는 국내특허등록 제10-835713호가 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 부력체의 내부에 액체를 공급 또는 회수할 수 있는 형태로 발라스트 챔버를 형성하고, 이를 라이저에 결합시킴으로써, 발라스트 챔버에 대한 액체의 공급 또는 회수량 조절을 통해 부력체의 부력 크기를 조절할 수 있고, 이에 따라 원유 생산 과정에서 라이저의 비중이 변화하더라도 라이저의 해저 배치 상태를 계속해서 안정적으로 유지시킬 수 있는 유연 라이저 시스템 및 유연 라이저 부력 조절 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 발라스트 챔버가 형성된 다수개의 부력체를 서로 연결하고, 각 부력체의 발라스트 챔버에 대한 액체 공급 및 회수를 선택적으로 할 수 있도록 함으로써, 다수개의 부력체 전체를 통한 부력의 크기를 조절할 수 있고, 아울러 부력의 작용 위치 또한 조절할 수 있어 라이저의 해저 배치 상태를 더욱 안정적으로 유지시킬 수 있는 유연 라이저 시스템 및 유연 라이저 부력 조절 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 해양 유전 개발을 위해 사용되는 유연 라이저 시스템에 있어서, 해상의 부유식 선체로부터 해저 바닥의 유정 상단에 연결되는 유연성을 갖는 라이저; 및 액체의 유입 및 유출이 가능한 형태로 내부에 발라스트 챔버가 형성되며, 상기 라이저에 부력을 제공하도록 상기 라이저에 결합되는 부력체를 포함하고, 상기 발라스트 챔버에 대한 액체의 유출입을 통해 상기 부력체의 부력을 조절하는 것을 특징으로 하는 유연 라이저 시스템을 제공한다. 이때, 상기 부유식 선체로부터 상기 부력체의 발라스트 챔버에 액체를 공급하거나 회수할 수 있도록 상기 발라스트 챔버와 상기 부유식 선체는 액체를 이송시킬 수 있는 별도의 엄빌리컬 라인을 통해 연결될 수 있다. 또한, 상기 부유식 선체에는 상기 발라스트 챔버에 액체를 공급 또는 회수할 수 있도록 별도의 발라스트 펌프가 상기 엄빌리컬 라인과 연결되게 장착될 수 있다. 또한, 상기 부력체는 다수개 배치되고, 다수개의 부력체는 각각의 발라스트 챔버가 상호 연통되어 액체가 이송될 수 있도록 별도의 트랜스퍼 라인을 통해 연결될 수 있다. 또한, 다수개의 상기 부력체 중 어느 하나가 상기 엄빌리컬 라인에 연결되고, 나머지는 상기 엄빌리컬 라인에 연결된 부력체로부터 상기 트랜스퍼 라인을 통해 순차적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 트랜스퍼 라인에는 상기 트랜스퍼 라인을 개폐하는 개폐 밸브가 장착될 수 있다. 또한, 상기 부력체는 다수개 배치되고, 다수개의 부력체는 각각의 발라스트 챔버가 상기 엄빌리컬 라인에 각각 연결될 수 있다. 또한, 상기 엄빌리컬 라인은 상기 부유식 선체의 발라스트 펌프에 연결되는 메인 라인과, 상기 메인 라인으로부터 분기되어 다수개의 상기 부력체에 각각 연결되는 보조 라인을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 보조 라인에는 상기 보조 라인을 개폐할 수 있는 개폐 밸브가 장착될 수 있다. 또한, 상기 부력체는 중심부에 상기 라이저가 관통하도록 중심홀이 형성되어 단면이 도우넛 형상을 이루는 기둥 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 발라스트 챔버는 상기 중심홀의 외곽 둘레를 따라 원주 방향으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 부력체는 직경 방향을 따라 대칭되게 형성되는 제 1 바디와 제 2 바디로 분리 형성되고, 상기 발라스트 챔버는 상기 제 1 바디와 제 2 바디에 각각 독립되게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 바디와 제 2 바디에 각각 독립적으로 형성되는 발라스트 챔버에 각각 독립적으로 액체를 공급하거나 회수할 수 있도록 형성될 수 있다. 한편, 본 발명은, 상기 유연 라이저 시스템을 이용하여 상기 라이저에 제공되는 부력을 조절하는 것을 특징으로 하는 유연 라이저 부력 조절 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 부력체의 내부에 액체를 공급 또는 회수할 수 있는 형태로 발라스트 챔버를 형성하고, 이를 라이저에 결합시킴으로써, 발라스트 챔버에 대한 액체의 공급 또는 회수량 조절을 통해 부력체의 부력 크기를 조절할 수 있고, 이에 따라 원유 생산 과정에서 라이저의 비중이 변화하더라도 라이저의 해저 배치 상태를 계속해서 안정적으로 유지시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 발라스트 챔버가 형성된 다수개의 부력체를 서로 연결하고, 각 부력체의 발라스트 챔버에 대한 액체 공급 및 회수를 선택적으로 할 수 있도록 함으로써, 다수개의 부력체 전체를 통한 부력의 크기를 조절할 수 있고, 아울러 부력의 작용 위치 또한 조절할 수 있어 라이저의 해저 배치 상태를 더욱 안정적으로 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 유연 라이저 시스템의 설치 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 라이저 시스템의 설치 구조를 개략적으로 도시한 개략도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체의 구성을 개념적으로 도시한 도면,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체의 설치 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 라이저 시스템의 설치 구조를 개략적으로 도시한 개략도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체의 설치 형태를 개략적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 라이저 시스템은 해양 유전 개발을 위해 사용하는 것으로, 해상의 부유식 선체(10)로부터 해저 바닥의 유정(20) 상단의 웰헤드(21)에 연결되는 유연성을 갖는 라이저(30)와, 라이저(30)에 부력을 제공하도록 라이저(30)에 결합되는 부력체(40)를 포함하여 구성된다. 부력체(40)는 액체의 유입 및 유출이 가능한 형태로 내부에 발라스트 챔버(50)가 형성된다. 발라스트 챔버(50)로부터 액체가 유출되어 발라스트 챔버(50)에 공기가 가득차면, 부력체(40)의 부력이 최대로 증가하게 되고, 반대로 발라스트 챔버(50)에 액체가 유입되어 액체가 가득차면, 부력체(40)의 부력이 최저로 감소하게 된다. 이러한 부력체(40)는 발라스트 챔버(50)에 액체가 유입되거나 유출될 수 있도록 형성되며, 이에 따라 발라스트 챔버(50)에 대한 액체의 유출입을 통해 부력체(40)의 부력을 조절할 수 있다. 부력체(40)의 부력이 조절되면, 라이저(30)의 상태에 따라 라이저(30)에 제공하는 부력을 조절할 수 있어 라이저(30)를 항상 안정적인 배치 상태로 유지시킬 수 있다. 이러한 부력체(40)는 내부에 발라스트 챔버(50)가 형성되는 다양한 형태로 형성될 수 있는데, 예를 들면, 부력체(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 중심부에 라이저(30)가 관통하도록 중심홀(41)이 형성되고 단면이 도우넛 형상을 이루는 기둥 형태로 형성되고, 발라스트 챔버(50)는 중심홀(41)의 외곽 둘레를 따라 원주 방향으로 형성될 수 있다. 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 도시된 "AA"선을 따라 취한 단면도이고, 도 3의 (c)는 도 3의 (a)에 도시된 "BB"선을 따라 취한 단면도이다. 이와 같이 형성된 부력체(40)는 발라스트 챔버(50)에 대한 액체의 유출입이 가능하도록 일측에 발라스트 챔버(50)에 연통되는 액체 유동홀(51)이 형성될 수 있다. 한편, 부력체(40)는 도 4에 도시된 바와 같이 직경 방향을 따라 대칭되게 형성되는 제 1 바디(40a)와 제 2 바디(40b)로 분리 형성될 수 있고, 이때, 발라스트 챔버(50)는 제 1 바디(40a)와 제 2 바디(40b)에 각각 독립되게 형성될 수 있다. 이 경우, 제 1 바디(40a)와 제 2 바디(40b)에 각각 형성되는 발라스트 챔버(50)에 대한 액체의 유출입이 각각 가능하도록 액체 유동홀(51)이 각 발라스트 챔버(50)에 연통되게 2개 형성될 수 있다. 이와 같이 부력체(40)가 제 1 바디(40a)와 제 2 바디(40b)로 분리 형성되고, 각각의 바디에 발라스트 챔버(50)가 독립되게 형성되어 각 발라스트 챔버(50)에 별도로 액체를 공급하거나 회수할 수 있도록 형성되면, 하나의 부력체(40)를 통해 발생되는 부력의 크기를 좀 더 다양하게 단계적으로 조절할 수 있을 뿐만 아니라 더욱 정확하게 조절할 수 있다. 도 4의 (b)는 도 4의 (a)에 도시된 "AA"선을 따라 취한 단면도이고, 도 4의 (c)는 도 4의 (a)에 도시된 "BB"선을 따라 취한 단면도이다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 제 1 바디(40a)와 제 2 바디(40b)는 별도의 결합 장치(60)를 통해 상호 분리 가능하게 결합될 수 있다. 한편, 부력체(40)의 발라스트 챔버(50)에 액체를 공급하거나 회수하는 작업은 부유식 선체(10)로부터 이루어질 수 있도록 발라스트 챔버(50)와 부유식 선체(10)가 액체를 이송할 수 있는 별도의 엄빌리컬 라인(71)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 부유식 선체(10)에는 발라스트 챔버(50)에 액체를 공급 또는 회수할 수 있도록 별도의 발라스트 펌프(80)가 엄빌리컬 라인(71)과 연결되게 장착될 수 있다. 따라서, 부유식 선체(10)의 발라스트 펌프(80)를 작동시켜 엄빌리컬 라인(71)을 통해 발라스트 챔버(50)에 액체를 공급하면, 부력체(40)의 부력의 크기가 감소하게 되고, 이에 따라 라이저(30)의 부력에 의한 상승 이동력 또한 감소한다. 반대로, 발라스트 펌프(80)를 작동시켜 엄빌리컬 라인(71)을 통해 발라스트 챔버(50)로부터 액체를 회수하면, 부력체(40)의 부력의 크기가 증가하게 되고, 이에 따라 라이저(30)의 부력에 의한 상승 이동력 또한 증가한다. 이러한 작동 방식을 통해 라이저(30)의 배치 상태를 안정적으로 유지시킬 수 있다. 즉, 원유 생산 과정에서 라이저(30)의 내부로 흐르는 유체의 비중에 따라 라이저(30) 자체의 부력 및 무게가 변화하여 라이저(30)가 상승하거나 또는 하강할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 라이저 시스템은 이러한 라이저(30)의 상태 변화에 따라 발라스트 챔버(50)에 액체를 공급하거나 회수하는 방식으로 부력체(40)의 부력을 조절함으로써, 라이저(30)의 배치 상태를 안정적으로 유지시킬 수 있다. 한편, 부력체(40)는 도 2, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 다수개 배치되어 라이저(30)에 결합될 수 있는데, 이때, 다수개의 부력체(40)는 각각의 발라스트 챔버(50)가 상호 연통되도록 별도의 트랜스퍼 라인(72)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이 다수개의 부력체(40) 중 어느 하나가 엄빌리컬 라인(71)에 연결되고, 나머지는 엄빌리컬 라인(71)에 연결된 부력체(40)로부터 트랜스퍼 라인(72)을 통해 순차적으로 연결될 수 있다. 이러한 트랜스퍼 라인(72)을 이용한 연결을 위해서는 부력체(40)에는 발라스트 챔버(50)와 연통되는 액체 유동홀(51) 이외에 별도의 연결홀(52)이 형성되어야 할 것이다. 이와 같은 구조에 따라 다수개의 부력체(40) 중 일부의 부력체(40)에 대해서만 액체를 공급하거나 회수할 수 있어 다수개의 부력체(40) 전체를 통한 부력의 크기를 조절할 수 있다. 즉, 발라스트 펌프(80)로부터 엄빌리컬 라인(71)을 통해 어느 하나의 부력체(40)에 액체를 공급하면, 해당 부력체(40)로부터 트랜스퍼 라인(72)을 통해 순차적으로 다른 부력체(40)에 액체가 공급되므로, 발라스트 펌프(80)를 통해 공급 또는 회수되는 액체의 양을 조절함으로써, 다수개의 부력체(40) 전체에 대한 액체의 공급량 또는 회수량을 조절할 수 있다. 따라서, 다수개의 부력체(40) 전체에 대한 부력의 크기를 조절할 수 있고, 이에 따라 라이저(30)의 배치 상태를 안정적으로 유지시킬 수 있다. 이때, 다수개의 부력체(40)를 상호 연결하는 트랜스퍼 라인(72)에는 트랜스퍼 라인(72)을 개폐할 수 있는 개폐 밸브(73)가 장착될 수 있다. 따라서, 액체의 공급이 순차적으로 이루어지는 다수개의 부력체(40)에 대해 액체의 공급 범위를 선택적으로 제한할 수 있어 좀더 정확하고 편리하게 액체의 공급량을 조절할 수 있고, 이에 따라 부력의 크기를 조절할 수 있다. 한편, 도 6에 도시된 바와 같이 다수개의 부력체(40)는 각각의 발라스트 챔버(50)가 엄빌리컬 라인(71)에 각각 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 각각의 부력체(40)에 대응하여 별도의 엄빌리컬 라인(71)이 각각 연결되도록 구성될 수도 있으나, 도 6에 도시된 바와 같이 엄빌리컬 라인(71)이 하나의 메인 라인(71-1)과 이로부터 분기되는 다수개의 보조 라인(71-2)으로 구성되어 각각의 보조 라인(71-2)에 각각 부력체(40)가 연결되도록 구성될 수 있다. 즉, 엄빌리컬 라인(71)은 부유식 선체(10)의 발라스트 펌프(80)에 연결되는 메인 라인(71-1)과, 메인 라인(71-1)으로부터 분기되는 다수개의 보조 라인(71-2)을 포함하여 구성되고, 다수개의 부력체(40)는 다수개의 보조 라인(71-2)에 각각 연결된다. 이때, 각각의 보조 라인(71-2)에는 보조 라인(71-2)을 개폐할 수 있는 개폐 밸브(73)가 장착될 수 있다. 이에 따라 다수개의 개폐 밸브(73) 중 일부를 선택하여 개방 또는 폐쇄 작동시킴으로써, 특정 부력체(40)에만 액체를 공급하거나 또는 회수할 수 있고, 이를 통해 다수개 부력체(40) 전체에 대한 부력의 크기를 조절할 수 있다. 또한, 특정 부력체(40)에 대한 액체 공급 또는 회수를 통해 라이저(30)에 작용하는 부력의 작용 위치 또한 다양한 형태로 조절할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 부유식 선체 20: 유정
30: 라이저 40: 부력체
50: 발라스트 챔버 51: 액체 유동홀
52: 연결홀 60: 결합 장치
71: 엄빌리컬 라인 71-1: 메인 라인
71-2: 보조 라인 72: 트랜스퍼 라인
73: 개폐 밸브 80: 발라스트 펌프 |
