KR101358303B1 - 부유식 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법 - Google Patents

부유식 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법 Download PDF

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Abstract

부유식 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물은 해저로부터 원유를 시추하는 제 1 구조물과; 이송라인으로 상기 제 1 구조물과 연결되고, 상기 이송라인으로부터 이송된 상기 원유를 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 시스템과; 상기 전기 생산 시스템으로부터 상기 원유를 전달받아 저장하는 제 2 구조물을 포함하되, 상기 전기 생산 시스템은 상기 제 2 구조물 상에 배치되거나, 상기 제 2 구조물과 독립된 설비로 제공될 수 있다.

Description

부유식 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법{FLOATING MARINE STRUCTURE AND ELECTRICITY GENERATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기를 생산하는 시스템을 가진 부유식 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법에 관한 것이다.
최근 해수(海水)의 온도차 에너지를 전기 에너지로 변환하는 해수 온도차 발전 방법(OTEC, Ocean Thermal Energy Conversion)이 대체 에너지의 한 분야로서 활발히 연구되고 있다. 해수 온도차 발전은 심해의 차가운 바닷물과 표층의 더운 바닷물의 온도차를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다. 특허문헌 1에는 해수 흡입 펌프, 증발기, 발전기, 응축기, 드레인 탱크, 그리고 작동유체 순환 펌프를 포함하는 선박용 해수 온도차 발전 장치가 기재되어 있다. 그리고 특허문헌 2에는 심해의 찬 바닷물과 더운 표면 해수와의 온도 차이에 의해 발생하는 증기를 이용하여 터빈을 돌려서 전기를 생산하는 해수 온도차 발전 시설이 기재되어 있다. 그러나 이와 같이 심해의 찬 바닷물과 표층의 더운 바닷물을 이용하여 전기를 생산하는 해수 온도차 발전은, 심해의 찬 바닷물을 끌어올리기 위해 많은 에너지가 소요될 뿐만 아니라, 심해의 찬 바닷물과 표층의 더운 바닷물 사이의 온도차가 20℃ 내외에 불과하여 전기 생산 효율이 높지 않다.
특허문헌 1 : 한국공개특허 10-2011-0081440 (2011. 07. 14. 공개) 특허문헌 2 : 한국공개특허 10-2009-0016613 (2009. 02. 16. 공개)
본 발명의 목적은 전기 생산 효율을 높일 수 있는 부유식 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해저로부터 원유를 시추하는 제 1 구조물과; 이송라인으로 상기 제 1 구조물과 연결되고, 상기 이송라인으로부터 이송된 상기 원유를 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 시스템과; 상기 전기 생산 시스템으로부터 상기 원유를 전달받아 저장하는 제 2 구조물을 포함하되, 상기 전기 생산 시스템은 상기 제 2 구조물 상에 배치되거나, 상기 제 2 구조물과 독립된 설비로 제공되는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 전기 생산 시스템은, 기체 상태의 작동 유체를 상기 이송라인으로 이송된 상기 원유와 열교환 시켜 액화시키는 응축기와; 액화된 상기 작동 유체를 저장하는 리저버 탱크와; 상기 리저버 탱크로부터 공급된 상기 작동 유체를 열교환 매체로 기화시키는 기화기와; 기화된 상기 작동 유체를 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 부재를 포함하되, 상기 작동 유체는 상기 응축기, 상기 리저버 탱크, 상기 기화기 및 상기 전기 생산 부재를순환하는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 응축기는, 하우징과; 상기 하우징 내에 제공되고, 그 내부에 상기 원유가 이동하는 공간을 제공하는 제 1 열교환 라인을 포함하는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기화기는, 상기 리저버 탱크와 연결된 몸체부와; 상기 몸체부 내에 제공되고, 그 내부에 상기 열교환 매체가 이동하는 공간을 제공하는 제 2 열교환 라인과; 상기 제 2 열교환 라인에 연결되고, 상기 제 2 열교환 라인으로 상기 열교환 매체를 공급하는 공급부재를 가지는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 공급부재는, 상기 열교환 매체를 저장하며, 상기 제 2 열교환 라인이 연결되는 용기부와; 상기 용기부의 상부를 덮는 덮개부를 포함하되, 상기 덮개부는, 상기 용기부 내의 상기 열교환 매체를 가열하도록 태양광을 집광하는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 열교환 매체는 해수(海水)로 제공되는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 1 구조물은, 해양 플랜트 또는 드릴쉽(Drillship)으로 제공되는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 2 구조물은, 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO)로 제공되는 부유식 해상 구조물이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 순환되는 작동 유체로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 전기 생산 시스템을 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 방법에 있어서, 해저로부터 원유를 시추하고, 시추된 상기 원유를 상기 전기 생산 시스템의 응축기에서 상기 작동 유체를 액화시키는 냉매로 사용하는 전기 생산 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 시추된 원유는 해저로부터 시추된 후 바로 상기 응축기로 공급되는 전기 생산 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 원유의 시추는 해양 플랜트 또는 드릴쉽(Drillship)에서 이루어지는 전기 생산 방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 시추된 원유는 이송라인을 통해 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO)로 제공되고, 상기 전기 생산 시스템은 상기 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO)에 제공되는 전기 생산 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 응축기의 열교환 매체로 시추된 저온의 원유를 사용함으로써, 종래 해수 온도차 발전 시스템(OTEC System)에서 열교환 매체로 심해의 해수를 사용함에 따른 고비용 저효율 문제를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 시추된 원유가 응축기를 통과하면서 흡열하므로, 시추된 저온 원유의 처리 공정 등을 위해 인위적으로 가해지는 열에너지를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 기화기의 열교환 매체로 가열된 해수를 이용하되, 해수의 가열방식으로 태양열 집광 방식을 사용함으로써, 기화기의 열교환 매체를 가열하기 위한 별도의 가열장치가 불필요하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 전기 생산 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 공급부재를 보여주는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 부유식 해상 구조물 및 이를 이용한 전기 생산 방법을 상세히 설명한다. 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 1은 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해상 구조물을 보여주는 도면이다.
도 1을 참고하면, 부유식 해상 구조물(1)은 제 1 구조물(10), 전기 생산 시스템(30), 그리고 제 2 구조물(50)을 가진다. 제 1 구조물(10)은 해상에서 부유하며, 라이저(11)를 통해 해저 바닥(Sea Bed) 아래에 위치한 유정(WELL)으로부터 원유를 시추한다. 시추된 원유는 제 1 구조물(10)에 제공된 저장고(13)에 일시 저장된다. 일 예로, 제 1 구조물(10)은 해양 플랜트(Plant)일 수 있다. 이와 달리, 제 1 구조물(10)은 드릴쉽(Drillship)일 수 있다. 전기 생산 시스템(30)은 제 1 구조물(10)로부터 이송된 저온의 원유를 이용하여 전기를 생산한다. 이송라인(20)은 제 1 구조물(10)의 저장고(13)와 전기 생산 시스템(30)을 연결하며, 저장고(13)에서 전기 생산 시스템(30)으로 저온의 원유를 이송한다. 이와 달리, 이송라인(20)은 라이저(11)와 전기 생산 시스템(30)을 연결할 수도 있다. 제 2 구조물(50)은 해상에서 부유하며, 전기 생산 시스템(30)을 거치면서 온도가 상승한 원유를 전달받아 처리 및 저장한다. 제 2 구조물(50)은 카고 탱크(51)를 가진다. 전기 생산 시스템(30)을 거치면서 온도가 상승한 원유는 카고 탱크(51)에 저장된다. 이와 달리, 전기 생산 시스템(30)을 거친 원유는 처리 설비(53)를 통해 별도의 처리 과정을 거친 후, 카고 탱크(51)에 저장될 수도 있다. 일 예로, 제 2 구조물(50)은 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO, Floating Production Storage and Offloading)일 수 있다. 전기 생산 시스템(30)은 제 2 구조물(50) 상에 배치될 수 있다. 이와 달리, 전기 생산 시스템(30)은 제 2 구조물(50)로부터 독립된 별개의 설비로 제공될 수도 있다.
도 2는 도 1의 전기 생산 시스템의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2를 참고하면, 전기 생산 시스템(30)은 응축기(100), 리저버 탱크(200), 기화기(300), 그리고 전기 생산 부재(400)를 가진다. 응축기(100), 리저버 탱크(200), 기화기(300), 그리고 전기 생산 부재(400)는 서로 연결된다. 응축기(100)는 작동 유체를 기체 상태에서 액체 상태로 변화시킨다. 일 예로, 작동 유체는 암모니아가스 또는 엘피지(LPG, Liquefied Petroleum Gas) 등과 같이 23℃ 내외에서 끓고 4℃ 내외에서 액화되는 가스일 수 있다. 응축기(100)는 하우징(110)과 제 1 열교환 라인(120)을 가진다. 하우징(110)은 작동 유체가 상변환되는 공간을 제공한다. 제 1 열교환 라인(120)은 하우징(110) 내에 제공된다. 제 1 열교환 라인(120)은 그 내부에 저온의 원유가 이동하는 공간을 제공한다. 리저버 탱크(200)는 응축기(100)에서 액화된 작동 유체를 저장하는 공간을 제공한다. 응축기(100)와 리저버 탱크(200) 사이에는 펌프(P1)가 제공될 수 있다. 기화기(300)는 열교환 매체를 이용하여 리저버 탱크(200)로부터 공급되는 액상의 작동 유체를 기화시킨다. 일 예로, 열교환 매체는 해수(海水)로 제공된다. 기화기(300)는 몸체부(310), 제 2 열교환 라인(320), 그리고 공급부재(330)를 가진다. 몸체부(310)는 리저버 탱크(200)와 연결된다. 몸체부(310)는 리저버 탱크(200)로부터 공급되는 작동 유체를 액체 상태에서 기체 상태로 변환시키는 공간을 제공한다. 제 2 열교환 라인(320)은 몸체부(310) 내에 제공된다. 제 2 열교환 라인(320)은 그 내부에 열교환 매체가 이동하는 공간을 제공한다. 공급부재(330)는 제 2 열교환 라인(320)에 연결된다. 공급부재(330)는 제 2 열교환 라인(320)으로 열교환 매체를 공급한다.
도 3은 도 2의 공급부재를 보여주는 도면이다. 도 3을 참고하면, 공급부재(330)는 용기부(331)와 덮개부(333)를 가진다. 용기부(331)는 상부가 개방된 통으로 제공된다. 일 예로, 용기부(331)는 상부가 개방된 원통으로 제공될 수 있다. 덮개부(333)는 용기부(331)의 상부에 결합된다. 덮개부(333)는 용기부(331) 내의 열교환 매체를 가열하도록 태양광을 집광한다. 일 예로, 덮개부(333)는 태양광을 투과시켜 온실효과를 일으킬 수 있도록 유리 재질 등으로 형성된 돔 형상으로 제공될 수 있다. 용기부(331)의 일측에는 열교환 매체가 인입되는 인입라인(335)이 제공되고, 타측에는 가열된 열교환 매체가 인출되는 인출라인(337)이 제공된다. 인입라인(335)에는 조절밸브(미도시)가 제공되어 용기부(331) 내로 인입되는 열교환 매체의 유량을 조절한다. 인출라인(337)은 제 2 열교환 라인(320)과 연결된다. 인출라인(337)과 제 2 열교환 라인(320) 사이에는 펌프(P2)가 제공될 수 있다. 한편, 공급부재(330)는 해수면 상에 배치될 수도 있다. 이 때, 용기부(331)의 외벽에는 단열재 또는 에어 튜브(air tube)가 더 제공되어 용기부(331) 내부에서 외부로 열에너지가 전달되는 것을 방지할 수 있다.
다시 도 2를 참고하면, 전기 생산 부재(400)는 터빈(410)과 제너레이터(420)를 가진다. 기화기(300)에서 공급된 기체 상태의 작동 유체는 터빈(410)을 회전시키고, 이에 따라 터빈(410)에 연결된 제너레이터(420)에서 전기가 발생한다. 제너레이터(420)에서 발생된 전기는 축전기(미도시) 등에 저장된다. 터빈(410)을 회전시킨 작동 유체는 응축기(100)로 전달된다.
도 1 내지 도 3을 참고하여, 부유식 해상 구조물의 전기 생산 과정을 설명한다.
제 1 구조물(10)은 해저로부터 원유를 시추하고, 전기 생산 시스템(30)은 시추된 원유를 이용하여 전기를 생산하며, 제 2 구조물(50)은 전기 생산 시스템(30)으로부터 전달된 원유를 처리 및 저장한다. 이 때, 전기 생산 시스템(30)의 작동 과정은 다음과 같다.
전기 생산 부재(400)를 거친 기체 상태의 작동 유체는 응축기(100)에서 액체 상태로 상변환된다. 응축기(100) 내의 열교환 매체는 제 1 구조물(10)로부터 공급되는 저온의 원유이다. 해저 바닥(Sea Bed) 아래에 위치한 유정(WELL)으로부터 시추된 원유는 0℃에 가까운 저온 상태이므로 응축기(100) 내의 작동 유체로부터 흡열하는 냉매로 활용될 수 있다. 저온의 원유는 제 1 구조물(10)의 저장고(13)에 일시적으로 저장된 후 이송라인(20)을 통해 응축기(100)로 제공될 수 있다. 이와 달리, 이송라인(20)은 제 1 구조물(10)의 라이저(11)에 직접 연결되고, 시추되는 원유는 직접 응축기(100)로 제공될 수도 있다. 한편, 응축기(100)를 거치면서 온도가 상승한 원유는 이송라인(21)을 통해 제 2 구조물(50)의 카고 탱크(51)로 전송된다. 응축기(100)에서 액화된 작동 유체는 리저버 탱크(200)로 전송된다. 리저버 탱크(200)에 저장된 액상의 작동 유체는 기화기(300)로 전송된다. 기화기(300)로 전송된 액상의 작동 유체는 기화기(300) 내에서 기체 상태로 상변환된다. 기화기(300) 내의 열교환 매체는 공급부재(330)로부터 공급되는 고온의 해수이다. 공급부재(330)에서 기화기(300)로 고온의 해수를 공급하는 과정은 다음과 같다.
해수면 상의 해수는 인입라인(335)을 통해 공급부재(330)의 용기부(331) 내로 공급되고, 덮개부(333)를 통해 집광된 태양열은 온실효과 등으로 용기부(331) 내의 해수(海水)를 가열시킨다. 일정 온도로 가열된 해수는 용기부(331)의 인출라인(337)을 거쳐 기화기(300)의 제 2 열교환 라인(320)으로 제공된다. 제 2 열교환 라인(320)을 통과하면서 작동 유체로 열을 공급한 해수(海水)는 외부로 배출된다. 이 때, 해수를 외부로 배출하는 배출라인에 검출장치를 제공하여, 배출되는 해수의 오염도를 측정함으로써 해상오염을 방지한다.
기화기(300)에서 기체 상태로 상변환된 작동 유체는 전기 생산 부재(400)의 터빈(410)으로 공급되어 터빈(410)을 회전시키고, 이에 따라 터빈(410)에 연결된 제너레이터(420)에서 전기가 생산된다. 생산된 전기는 별도의 축전기에 저장될 수 있다. 터빈(410)을 회전시킨 작동 유체는 다시 응축기(100)로 보내져 액체 상태로 상변환된다. 작동 유체는 응축기(100), 리저버 탱크(200), 기화기(300), 그리고 전기 생산 부재(400)를 거쳐 다시 응축기(100)로 되돌아오면서 하나의 사이클(Cycle)을 형성한다. 이와 같이 응축기(100)의 열교환 매체로 시추된 저온의 원유를 사용함으로써, 종래 해수 온도차 발전 시스템(OTEC System)에서 열교환 매체로 심해의 해수를 사용함에 따른 고비용 저효율 문제를 획기적으로 개선할 수 있다. 즉, 해저 바닥(Sea Bed)에서 원유를 시추하는 과정에서, 시추된 원유가 가지고 있는 저위상의 에너지를 활용하여 해수 온도차 발전 시스템을 완성하므로, 종래 해수 온도차 발전 시스템에서 심해의 해수를 해상으로 운반하기 위해 소요되는 에너지가 불필요하게 된다. 또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 시추된 원유가 응축기(100)를 통과하면서 흡열하므로, 종래 시추된 원유의 처리 공정 등을 위해 인위적으로 가해지는 열에너지를 줄일 수 있다. 또한, 기화기(300)의 열교환 매체로 가열된 해수를 이용하되, 해수의 가열방식으로 태양열 집광 방식을 사용함으로써, 기화기(300)의 열교환 매체를 가열하기 위한 별도의 가열장치가 불필요하게 된다.
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 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 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.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **
1 : 부유식 해상 구조물
10 : 제 1 구조물
30 : 전기 생산 시스템
50 : 제 2 구조물
51 : 카고 탱크
53 : 처리 설비
100 : 응축기
200 : 리저버 탱크
300 : 기화기
400 : 전기 생산 부재

Claims (12)

  1. 부유식 해상 구조물에 있어서,
    해저로부터 원유를 시추하는 제 1 구조물과;
    이송라인으로 상기 제 1 구조물과 연결되고, 상기 이송라인으로부터 이송된 상기 원유를 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 시스템과;
    상기 전기 생산 시스템으로부터 상기 원유를 전달받아 저장하는 제 2 구조물을 포함하되,
    상기 전기 생산 시스템은 상기 제 2 구조물 상에 배치되거나, 상기 제 2 구조물과 독립된 설비로 제공되고,
    상기 전기 생산 시스템은,
    기체 상태의 작동 유체를 상기 이송라인으로 이송된 상기 원유와 열교환 시켜 액화시키는 응축기와;
    액화된 상기 작동 유체를 저장하는 리저버 탱크와;
    상기 리저버 탱크로부터 공급된 상기 작동 유체를 열교환 매체로 기화시키는 기화기와;
    기화된 상기 작동 유체를 이용하여 전기를 생산하는 전기 생산 부재를 포함하되,
    상기 작동 유체는 상기 응축기, 상기 리저버 탱크, 상기 기화기 및 상기 전기 생산 부재를 순환하고,
    상기 기화기는,
    상기 리저버 탱크와 연결된 몸체부와;
    상기 몸체부 내에 제공되고, 그 내부에 상기 열교환 매체가 이동하는 공간을 제공하는 제 2 열교환 라인과;
    상기 제 2 열교환 라인에 연결되고, 상기 제 2 열교환 라인으로 상기 열교환 매체를 공급하는 공급부재를 가지고,
    상기 공급부재는,
    상기 열교환 매체를 저장하며, 상기 제 2 열교환 라인이 연결되는 용기부와;
    상기 용기부의 상부를 덮는 덮개부를 포함하되,
    상기 덮개부는, 상기 용기부 내의 상기 열교환 매체를 가열하도록 태양광을 집광하는 부유식 해상 구조물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축기는,
    하우징과;
    상기 하우징 내에 제공되고, 그 내부에 상기 원유가 이동하는 공간을 제공하는 제 1 열교환 라인을 포함하는 부유식 해상 구조물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 열교환 매체는 해수(海水)로 제공되는 부유식 해상 구조물.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 구조물은, 해양 플랜트 또는 드릴쉽(Drillship)으로 제공되는 부유식 해상 구조물.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 구조물은, 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO)로 제공되는 부유식 해상 구조물.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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