KR101278362B1 - 윈드 터빈을 구비하는 드릴십 - Google Patents

Abstract

원유나 가스등의 해양 지하자원 시추에 사용되는 드릴십에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시추작업시에 풍력으로부터 전력을 생산할 수 있는 윈드 터빈(wind turbine)을 구비하는 드릴십에 관하여 개시한다.
본 발명은 전력을 사용하는 추진체를 이용하여 선수에서 바람이 불어오는 상태로 다이나믹 포지셔닝을 유지하는 드릴십에 있어서, 터빈 몸체와, 상기 몸체에 회전 가능하게 연결되는 터빈 블레이드를 포함하여 풍력에 의하여 회전하면 전력을 발생하는 윈드 터빈을 데릭 상부에 구비하되, 상기 터빈 블레이드가 선수측을 향하여 배치되고, 상기 윈드 터빈에서 발생되는 전력을 상기 추진체로 공급하는 것을 특징으로 하는 드릴십을 제공한다.

Description

윈드 터빈을 구비하는 드릴십{DRILL SHIP HAVING WIND TURBINE}

본 발명은 원유나 가스등의 해양 지하자원 시추에 사용되는 드릴십(Drill ship)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시추 작업시에 풍력으로부터 전력을 생산할 수 있는 윈드 터빈(wind turbine)을 구비하는 드릴십에 관한 것이다.

드릴십은 원유나 가스 등의 해양 지하자원을 탐사하여 시추하는 선박으로, 빔과 각종 시추장비로 구성된 복잡한 형태의 대형 구조물인 데릭(derrick)이 데크에 고정되어 있다. 데릭은 데릭 크레인(derrick crane)의 약칭이다.

이러한 데릭은 선체와 같이 하나의 구조물로서 타 장비 설치를 위한 하나의 바디(body) 역할을 한다고 할 수 있다.

데릭 그 자체는 H빔, 앵글, 스틸 플레이트 등으로 구성되어 있으며, 이 구조 내부에 탑 드리이브 시스템, 파이프 핸들링 머신 등이 설치되며, 배관과 케이블이 혈관처럼 데릭 안, 밖을 통과하고 있다.

또한, 드릴십은 시추작업 수행시 일정한 시추설비들이 일정한 위치를 유지할 수 있도록 다이나믹 포지셔닝(Dynamic positioning)을 수행한다. 다이나믹 포지셔닝이란 추진설비(Thruster)를 이용하여 정해진 좌표에 드릴십의 위치를 고정시키는 것을 의미한다. 이 때 추진설비들은 동력원으로 전력을 사용한다.

본 발명의 목적은 장기간 다이나믹 포지셔닝을 수행하며 시추 작업을 진행하는 드릴십에, 풍력을 이용하는 발전 설비인 윈드 터빈을 구비하도록 함으로써 탑재되는 연료를 소모하는 발전설비의 규모와, 발전설비에 사용되는 연료량을 감소시킬 수 있는 드릴십을 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다이나믹 포지셔닝이 가능한 드릴십에 있어서, 터빈 몸체와, 상기 몸체에 회전 가능하게 연결되는 터빈 블레이드를 포함하여 풍력에 의하여 회전하면 전력을 발생하는 윈드 터빈을 데릭 상부에 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 윈드 터빈은 상기 터빈 블레이드가 상기 데릭의 전면부에 선수측을 향하여 배치되는 것이 바람직하며,

상기 터빈 몸체가 상기 데릭의 워터 테이블에 고정되면 더욱 바람직하다.

또한, 파워 제네레이션의 측면에서, 상기 윈드 터빈에서 발전된 전력이 상기 드릴십의 다이나믹 포지셔닝을 위한 추진체로 공급되도록 하면, 연료를 소모하는 발전설비를 감소시킬 수 있다. 그리고, 상기 윈드 터빈에서 발전된 전력은 상기 추진체에 전원을 공급하는 축전지로 공급되도록 할 수 있다.

상기 터빈 블레이드의 직경은 데릭의 크기를 고려하여 35~45m 범위인 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명은 전력을 사용하는 추진설비를 이용하여 선수를 바람이 불어오는 방향으로 조절하며 다이나믹 포지셔닝을 수행하는 드릴십에 있어서, 터빈 몸체와, 상기 몸체에 회전 가능하게 연결되는 터빈 블레이드를 포함하여 풍력에 의하여 회전하면 전력을 발생하는 윈드 터빈을 데릭 상부에 구비하되, 상기 터빈 블레이드가 선수측을 향하여 배치되고, 상기 윈드 터빈에서 발생되는 전력을 상기 추진설비로 공급하는 것을 특징으로 하는 드릴십을 제공한다.

본 발명에 따른 드릴십은 데릭 상부에 고정형 윈드 터빈을 구비하도록 함으로써, 드릴십의 다이나믹 포지셔닝시 효과적으로 전력을 생산할 수 있다.

또한, 다이나믹 포지셔닝시 풍속이 증가하게 되면 전력의 소모가 증가하게 되는데, 풍속의 증가에 따라 발전량도 증가하게 되므로 다이나믹 포지셔닝을 위해 구비되는 연료를 사용하는 발전 설비의 부하를 감소시키고, 연료 소모를 절감할 수 있는 효과를 가져온다.

도 1 및 도 2는 데릭의 구조를 나타낸 정면도 및 측면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈을 구비하는 드릴십의 데릭 구조를 나타낸 정면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈을 구비하는 드릴십의 데릭 구조를 나타낸 측면도,
도 5는 윈드 터빈에 입사되는 바람의 방향에 따른 윈드 터빈의 바람저항을 나타낸 그래프임.

이하 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈을 구비하는 드릴십을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2는 데릭의 구조를 나타낸 정면도 및 측면도이다.

데릭(100)은, 상부에 고정 설치되는 크라운 블록(crown block)(110)과, 크라운 블럭과 시브 와이어 로프(sheave wire rope)들로 연결되어, 드릴링 작업시 드로워크(drwwork)가 유도하는 상하운동과 함께 파이프와 케이싱을 홀속에 넣고 빼는 트래블링 블록(traveling block)과, 드릴 스트링(drill string)과 다이렉트 연결되어 회전운동을 드릴 스트링에 전달하는 탑 드라이브(Top drive)와, 데릭 중간 높이에 있는 스몰 플랫폼 드릴 파이프(small platform drill pipe) 케이싱 스탠드시 넘어지지 않도록 지지하는 손가락 모양의 스틸 플레이트인 핑거보드(Finger board)와, 탑 드라이브 상부에 설치되어 드릴 파이프의 회전운동을 보조하는 파워 스위블(power swivel)과, 로터리 테이블(rotary table)에 동력을 제공하는 윈치(winch)인 드로워크(drawworks) 등을 구비한다.

여기서 크라운 블록(110)은 약 2m 두께를 가지는 판형상 지지체인 워터테이블(water table)(120)의 위쪽에 설치된다. 크라운 블록(110)은 실질적으로 드릴 파이프 등의 수직 하중을 받는 부분으로, 워터 테이블(120)은 매우 견고한 구조물로 형성된다.

본 발명은 이러한 데릭(100)의 워터 테이블(120)에 풍력으로부터 전기를 발생하는 윈드 터빈을 설치하는 것을 특징으로 한다. 윈드 터빈의 구체적인 설치 형태와 구조에 관해서는 도 3 내지 도 4를 참조하여 후술한다.

한편, 드릴십은 시추 작업시에 다이나믹 포지셔닝을 수행하는데, 이 때 보다 안정적인 시추작업을 위해서 선수가 바람이 불어오는 방향을 향하도록 헤드 윈드 포지션(head wind position)을 유지한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈을 구비하는 드릴십의 데릭 구조를 나타낸 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 윈드 터빈을 구비하는 드릴십의 데릭 구조를 나타낸 측면도이다.

도시된 바와 같이, 윈드 터빈(200)은 대략 원통 형상의 터빈 몸체(210)와 터빈 블레이드(220)를 포함한다. 터빈 블레이드(220)는 회전축으로 터빈 몸체(210)와 연결되어, 터빈 블레이드(220)의 회전에 따라 전기가 발생하게 된다.

일반적으로 지상에 설치되는 윈드 터빈(200)은 풍향을 추종하여 회전할 수 있는 구조를 가지고 있는데, 본 발명의 윈드 터빈은 드릴십의 데릭(100)에 고정식으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

드릴십은 시추 작업시 안정적인 작업과, 설비들의 보호를 위하여 시추공에 대하여 일정한 위치를 유지하는 다이나믹 포지셔닝(dynamic positioning)을 수행하게 되는데, 다이나믹 포지셔닝은 선수측으로 바람이 입사하는 위치를 유지하게 된다. 따라서, 윈드 터빈(200) 자체가 드릴십의 데릭에 고정되더라도 드릴십 전체가 풍향에 따라 위치를 조절하기 때문에 효율적인 발전이 이루어질 수 있다.

드릴십의 운영은 상대적으로 단기간의 항해와, 상대적으로 장기간의 시추작업으로 이루어지고, 전력의 소모는 항해시보다 시추작업시 더 많다. 따라서 시추작업시에 필요한 전력량의 일부를 윈드 터빈(200)으로 충당하게 되면, 드릴십 전체적인 전력 운영의 효율성이 매우 높아진다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 윈드 터빈(200)은 원통형상의 터빈 몸체(210)가 드릴십의 길이방향과 평행한 방향을 가지도록 설치된다. 다시말해 터빈 블레이드(220)가 선수측에서 불어오는 방향에 최적화 되도록 설치된다.

터빈 몸체(210)를 데릭(100)의 어느 부분에 고정할 것인가도 매우 중요한 고려 대상이 되는데, 이는 터빈 몸체(210)의 추가적인 설치에 의하여 발생할 수 있는 중량 증가 및 바람저항 증가가 데릭(100) 전체에 어떠한 영향을 미치게 되는지를 고려해야 하기 때문이다.

결론적으로, 터빈 몸체(210)는 워터 테이블(120)에 설치되는 것이 바람직하다. 워터 테이블(120)은 상술한 바와 같이, 2m 두께의 고강도 구조물로 윈드 터빈(200)이 설치되기에 충분한 강성을 가지고 있으며, 그 위치도 데릭(100)의 상부이기 때문이다. 터빈 몸체(210)를 워터 테이블(120)에 설치하면 터빈 블레이드(220)의 회전 공간이 자연적으로 확보되고, 또한 별도의 구조 보강이 필요치 않다.

데릭(100)은 4각형의 베이스 위에 설치된 4개의 다리로 지지되며, 자체 중량이 100톤에 달한다. 또한 데릭(100)은 지지하는 수직 하중과 측면으로부터 받게되는 풍속의 지탱할 수 있도록 설계된다. 데릭의 수직 하중은 수천 피트의 드릴 파이프를 지지할 수 있도록 설계되는 것으로 윈드 터빈(200)을 데릭에 추가로 설치한다고 하더라도 데릭(100)에 추가적인 보강은 필요치 않은 것이다.

바람저항의 측면을 살펴보면, 데릭(100)은 100~130MPH 의 풍속에 견딜 수 있도록 설계되기 때문에, 윈드 터빈 설치에 의하여 바람저항이 증가한다고 하더라도 그 영향은 극히 미미하다. 바람의 저항에 관한 부분은 도 5를 참조하여 후술한다.

윈드 터빈(200)의 터빈 몸체(210)는 데릭(100)의 워터 테이블(110)에 고정되되, 터빈 블레이드(220)에 선수측에서 불어오는 바람을 정면으로 맞을 수 있도록 설치된다. 즉 터빈 몸체(210)의 길이 방향이 드릴십의 길이 방향과 평행하게 설치되고, 터빈 블레이드(220)가 데릭의 전면부에 설치된다.

이 때, 터빈 블레이드(220)의 직경은 35~45m 범위인 것이 바람직하다. 터빈 블레이드(220)의 직경은 데릭(100)의 사이즈를 고려하여 결정되는데, 터빈 블레이드(220)의 직경이 40m 수준일 경우 500KW 급의 전력 생산이 가능하다. 해상에서 불어오는 바람은 층류에 가깝고 고속이기 때문에, 지상에서의 풍력 발전보다 효율적이다.

한편, 드릴십에는 다이나믹 포지셔닝을 위한 위한 추진설비들(thruster)이 구비되는데, 이 추진설비들은 전력을 동력원으로 사용한다. 종래에 추진설비에 공급되는 전력은 디젤을 연료로 사용하는 엔진 제네레이터(engine generator)와, 발전된 전기를 저장하였다가 안정적인 전원을 공급하기 위한 축전지에만 의존하였다. 따라서, 추진설비의 부하가 증가하면 엔진 제네레이터의 작동 시간이 길어지고 그에 따라 소모 연료량도 증가하게 된다.

그런데, 본 발명과 같이 드릴십에 윈드 터빈(200)을 설치하여, 윈드 터빈(200)에서 발전된 전력을 추진설비로 공급하면, 엔진 제네레이터의 작동 시간을 감소시킬 수 있으며, 나아가 엔진 제네레이터의 탑재 대수를 감소시킬 수도 있다.

왜냐하면, 드릴십의 다이나믹 포지셔닝 상태에서 풍속이 증가하게 되면, 다이나믹 프로펄션은 전력이 사용이 증가하게 되는데, 풍속 증가에 따라 윈드 터빈(200)의 발전량도 증가하게 되므로, 윈드 터빈(200)을 이용한 풍력 발전은 선박의 파워 제네레이션 측면에서 매우 높은 효용성을 가지게 된다.

윈드 터빈(200)에서 발전된 전력은 엔진 제네레이터에서 발전된 전력을 저장하는 축전지에 저장하였다가 사용하면 전원의 안정적인 공급이라는 측면에서 더 유리하다.

도 5는 윈드 터빈에 입사되는 바람의 방향에 따른 윈드 터빈의 바람저항을 나타낸 그래프이다.

도시된 그래프에서 알 수 있듯이. 윈드 터빈의 바람저항계수는 바람의 입사각(angle of attack)이 0~15도 사이에서는 거의 0에 가까우며, 이후 점차 증가하게 된다.

데릭 구조물은 H빔 및 앵글 등의 형강재를 이용하여 제작되며, 중간에 윈드 브레이커가 설치됨으로 인해 바람저항계수는 적어도 1이상이 된다.

따라서, 윈드 터빈의 추가 설치로 인하여 실제 선박에 윈드 포스에 의해 추가적으로 작용하는 드래그 포스(drag force)는 거의 미미하다. 따라서 윈드 터빈 설치로 인하여 다이나믹 프로펄션의 추진력의 증가는 필요치 않다.

결과적으로, 드릴십 데릭의 워터 테이블에 윈드 터빈을 설치한다고 하더라도 데릭 구조물의 보강이 필요치 않으며, 다이나믹 포지셔닝을 위한 다이나믹 프로펄션의 용량 증가도 필요치 않다.

반면에, 드리십의 다이나믹 포지셔닝 중 풍속이 증가할 경우 그에 비례하여 윈드 터빈의 발전량이 증가하게 되므로, 발전설비의 부하를 감소시킬 수 있는 효과를 가져온다. 따라서, 탑재되는 엔진 제너레이터의 용량 및 대수를 감소시킬 수 있고, 소모되는 연료량을 절감할 수 있는 효과가 있다.

100 : 데릭
110 : 크라운 블록
120 : 워터테이블
200 : 윈드 터빈
210 : 터빈 몸체
220 : 터빈 블레이드

Claims (7)

1. 다이나믹 포지셔닝이 가능한 드릴십에 있어서,
   터빈 몸체와, 상기 터빈 몸체에 회전 가능하게 연결되는 터빈 블레이드를 포함하고, 풍력에 의하여 회전하면 전력을 발생하는 윈드 터빈을 데릭 상부에 구비하며,
   상기 터빈 몸체의 길이 방향은 상기 드릴십의 길이 방향과 평행하게 설치되고, 상기 윈드 터빈에서 발생된 전력은 상기 드릴십의 다이나믹 포지셔닝을 위한 추진설비에 전원을 공급하는 축전지로 공급되어, 상기 드릴십에 탑재되는 엔진 제네레이터의 작동시간 및 탑재 대수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 드릴십.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 윈드 터빈은
   상기 터빈 블레이드가 상기 데릭의 전면부에 선수측을 향하여 배치되는 것을 특징으로 하는 드릴십.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 윈드 터빈은
   상기 터빈 몸체가 상기 데릭의 워터 테이블에 고정되는 것을 특징으로 하는 드릴십.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 터빈 블레이드의 직경은 35~45m 범위인 것을 특징으로 하는 드릴십.
   
7. 삭제

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