KR101604948B1 - 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템 - Google Patents

해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해양플랜트용 배관에 있어서 배관 내부에 가스하이드레이트 또는 왁스의 형성을 방지하도록 배관 내부의 온도를 조절할 수 있는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템에 관한 것으로, 해저로부터 수송물이 이송되는 유로를 제공하는 배관; 및, 상기 배관 내부의 온도를 조절하는 온도조절부를 포함하며, 상기 온도조절부는, 상기 배관의 외주면 상에 장착되고, 내부에 작동유체를 수용하며, 상기 작동유체가 상기 배관 내부를 유동하는 수송물로부터 열에너지를 전달받아 증발되는 증발부, 일단은 상기 증발부와 연결되고 타단은 상기 배관으로부터 멀어지는 방향으로 연장형성되되 상기 증발부에서 증발된 작동 유체가 유동하는 단열부, 상기 단열부와 연결되어 상기 단열부로부터 상기 증발된 작동 유체를 제공받으며, 상기 증발된 작동 유체를 외부의 해수와 열교환시킴으로써 응축시키는 응축부를 구비하는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템이 제공된다.

Description

해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템{TEMPERATURE ADJUSTING SYSTEM OF THE PIPE FOR OFF-SHORE PLANT}
본 발명은 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 해양플랜트용 배관에 있어서 배관 내부에 가스하이드레이트 또는 왁스의 형성을 방지하는 범위에서 배관 내부의 온도를 조절할 수 있는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템에 관한 것이다.
최근 해양플랜트를 통해 가스 또는 원유의 생산이 활발하게 이루어지고 있으며, 원유층 또는 가스층에서 추출되는 원유 또는 가스가 해저 또는 해저면에 설치된 배관을 통해 해상 또는 해수면 상의 시설로 이송된다.
상기와 같이 원유 또는 가스가 배관을 통해 이송되는 경우, 원유 또는 가스에 혼합된 물분자와 결합하여 왁스(Wax) 또는 가스하이드레이트(Gashydrate)를 형성한다.
특히, 해양플랜트용 배관은 해저 또는 해저면에 설치되므로, 내부가 저온 및 고압으로 유지되어 왁스(Wax) 또는 가스하이드레이트(Gashydrate)가 활발하게 형성될 수 있는 환경이 조성되며, 배관 내부에 형성된 왁스(Wax) 또는 가스하이드레이트(Gashydrate)는 초기에 액체 상태의 슬러리 형태로 이루어지다가 점차 고체 상태로 상변화할 수 있다. 이렇게 생성되는 고체상태의 왁스(Wax) 또는 가스하이드레이트(Gashydrate)는 원유 또는 가스가 이송되는 배관의 유로를 차단하여 해양플랜트의 기능을 마비시키는 문제점을 초래한다.
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<참고문헌> 공개특허공보 제10-2005-0118634호
본 발명의 목적은, 동력을 제공할 필요없이, 배관을 따라 수송되는 수송대상물이 하이드레이트(hydrate)되는 것을 방지하도록 배관 내부의 온도를 수송대상물의 하이드레이트가 발생하지 않는 온도 이상의 범위에서 온도를 조절할 수 있는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 해저로부터 수송물이 이송되는 유로를 제공하는 배관; 상기 배관 내부의 온도를 조절하는 온도조절부를 포함하며, 상기 온도조절부는, 상기 배관의 외주면 상에 장착되고, 내부에 작동유체를 수용하며, 상기 작동유체가 상기 배관 내부를 유동하는 수송물로부터 열에너지를 전달받아 증발되는 증발부, 일단은 상기 증발부와 연결되고 타단은 상기 배관으로부터 멀어지는 방향으로 연장형성되되 상기 증발부에서 증발된 작동 유체가 유동하는 단열부 및, 상기 단열부와 연결되어 상기 단열부로부터 상기 증발된 작동 유체를 제공받으며, 상기 증발된 작동 유체를 외부의 해수와 열교환시킴으로써 응축시키는 응축부를 구비하는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템에 의해 달성된다.
여기서, 상기 증발부는 상기 배관의 외주연을 나선 방향을 따라 감싸도록 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 온도 조절부는 상기 배관의 길이방향을 따라 서로 이격되는 복수개로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 온도 조절부는 상기 온도 조절부가 장착되는 배관의 수심에 따라 개수 및 상기 온도 조절부 사이의 이격 간격 중 적어도 어느 하나가 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 온도 조절부는 상기 온도 조절부가 설치된 영역에서 배관의 온도를 상기 수송대상물의 디하이드레이트가 발생하는 온도 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 수송대상물이 하이드레이트(hydrate)되는 것을 방지하도록 하는 범위에서 배관 내부의 온도를 점진적으로 감소시킬 수 있는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템이 제공된다.
또한, 별도의 동력 제공 장치를 구비하지 않고도 배관 내부의 온도를 조절함에 있다.
또한, 온도 조절부의 개수 및 이격 간격 중 적어도 어느 하나를 설정함으로써 온도 조절부에 의한 온도 감소량을 적절히 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템이 활용될 수 있는 부유식 원유생산저장하역설비를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 2는 온도 및 압력에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템을 통해 수송되는 수송대상물의 하이드레이트 영역 및 디하이드레이트 영역을 개략적으로 도시한 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 4는 도 3에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템을 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 5는 도 3에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템의 작동 모습을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 6은 도 3에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템이 배관 상에 서로 이격되어 복수개가 설치된 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템(100)에 대하여 상세하게 설명한다.
이를 설명하기에 앞서, 배관 내부에 불순물이 형성되는 과정에 대하여 간단히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템이 활용될 수 있는 부유식 원유생산저장하역설비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 심해의 원유 층 또는 가스층(10)으로부터 원유 또는 가스를 추출하면, 원유와 가스 이외에도 물과 머드(mud)와 모래(sand)와 같은 물질들이 함께 추출된다.
여기서, 머드(mud)와 모래(sand) 같은 고체 물질들은 심해평원(11)에 설치된 분류기(13)를 통해 분리될 수 있으나, 물과 같은 유체는 일부가 원유 또는 가스와 함께 배관을 통해 부유식 원유생산저장하역설비(FPSO)(12) 측으로 이송된다.
이와 같이, 원유 또는 가스는 물과 함께 이송되는 과정에서 물과 결합하여 왁스(wax)나 하이드레이트(hydrate)를 형성하며, 이러한 왁스(wax)나 하이드레이트(hydrate)는 배관(110) 내벽 측에 응고되어 배관의 내직경을 축소시키는 문제점을 발생시킨다.
이러한 왁스(wax)나 하이드레이트(hydrate)가 형성되는 과정은 압력 및 온도에 의해 결정된다.
도 2는 온도 및 압력에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템을 통해 수송되는 수송대상물의 하이드레이트 영역 및 디하이드레이트 영역을 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 왁스(wax) 또는 하이드레이트(hydrate)가 형성되거나 분해되는 경계선에서 압력은 온도가 상승함에 따라 증가하고, 이와 반대로 온도는 압력이 상승함에 따라 증가한다. 즉, 왁스(wax) 또는 하이드레이트(hydrate)가 형성되거나 분해되는 경계선에서 압력과 온도는 서로 종속되는 종속변수이다.
상술한 내용을 본 발명에 적용하되 불순물을 하이드레이트로 가정하면, 본 발명의 일실시예에서 배관(110)은 심해를 가로질러 해저평원으로부터 원유생산저장하역설비(FPSO)까지 연장되는 것으로서, 설치되는 위치에 따라 배관(110)에 가해지는 압력이 달라진다.
예컨대, 해저평원이 수심 3000m 되는 영역에 형성된다면, 배관은 수심에 따라 1bar 내지 300 bar의 수압이 인가되며, 압력이 높아질수록 하이드레이트(hydrate)가 형성되는 온도 영역이 넓어진다.
이에 따라, 본 발명의 일실시예에서는 온도 조절부(120)를 통해 배관(110) 내부 온도의 감소량을 적절히 조절함으로써 배관(110) 내부의 온도가 소정의 수압이 작용하는 상태에서 하이드레이트(hydrate)가 발생하지 않는 영역에 해당되도록 함으로써 하이드레이트의 형성을 최소화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템을 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3 또는 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템(100)은 히트 파이프 원리를 이용하여 배관 내부의 온도를 조절할 수 있는 것으로서, 배관(110)과 온도 조절부(120)를 포함한다.
상기 배관(110)은 원유 또는 가스와 같은 수송물이 운송되는 유로(111)를 제공하는 것이다.
여기서, 유로(111)는 원유 또는 가스와 같은 수송물이 유동하며, 여기서, 수송물은 가스층 또는 석유층으로부터 추출된 원유 또는 가스이므로 고온 상태로 유로(111) 측을 유동한다.
본 발명의 일실시예에서 배관(110)은 특정한 배관으로 제한되는 것은 아니며, 해저면과 해수면 사이에서 수압을 버틸 수 있을 정도의 두께를 가지거나, 수압을 버틸 수 있는 강도를 가진 소재로 이루어지면 충분하다.
상기 온도 조절부(120)는 히트 파이프의 원리를 이용하여 배관(110) 내부를 유동하는 수송물의 열을 해수 측으로 방출함으로써 배관(110) 내부의 온도 감소량을 적절히 조절할 수 있는 것으로, 증발부(121)와 단열부(122)와 응축부(123)를 포함한다.
상기 증발부(121)는 배관(110)의 외주연 상에 장착되고, 내부에 작동 유체를 수용하며, 작동 유체가 유로(111)를 따라 유동하는 수송물로부터 열에너지를 전달받아 증발할 수 있는 공간을 제공하는 것이다.
즉, 증발부(121)와 배관(110)의 접촉 부위에서 수송물과 작동 유체의 열교환이 발생하며, 작동 유체는 수송물로부터 열에너지를 제공받아 증발한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 증발부(121)는 배관(110)과의 접촉 영역을 증가하도록 배관(110)의 외주연을 나선방향을 따라 감싸는 코일 형상으로 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 배관(110)의 일부 영역을 감싸는 박스 형상으로도 마련될 수 있다.
상기 단열부(122)는 증발부(121)에서 증발된 작동 유체가 유동하는 통로로서, 단열부(122) 외부의 해수와 증발된 작동 유체 사이에 열교환이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 마련된다.
여기서, 단열부(122)는 일단이 증발부(121)와 연결되고, 타단은 배관(110)으로부터 멀어지는 방향으로 연장형성된다. 더 나아가, 증발된 작동 유체가 후술할 응축부(123) 측으로 원활하게 유동하도록 상측을 향하여 기울어질 수 있다.
상기 응축부(123)는 단열부(122)의 타단에 마련되며, 상기 단열부(122)를 통해 증발된 작동 유체를 제공받아 외부의 해수와 열교환시킴으로써 증발된 작동 유체를 응축시키는 공간을 제공하는 것이다.
여기서, 해수는 열원(heat reservoir)으로 볼 수 있으므로, 응축부(123)를 통해 작동 유체의 응축시 발생하는 열에너지를 제공받더라도 온도가 상승하거나 하지는 않는다.
도 5는 도 3에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템의 작동 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여 상술한 온도 조절부(120)의 전체적인 작동을 작동 유체를 기준으로 자세히 설명하면, 증발부(121) 내부에 수용된 액체 상태의 작동 유체는 배관(110)을 따라 유동하는 수송물로부터 열에너지를 제공받아 일부 또는 전부가 기화된다.
증발부(121) 내의 작동 유체 일부 또는 전부가 기화됨에 따라 기화된 작동 유체는 비체적 차이에 따라 액체 상태의 작동 유체의 상측으로 유동하게 되고, 결국, 단열부(122) 측을 따라 응축부(123) 측으로 유동하게 된다.
응축부(123)에서는 기체 상태의 작동 유체는 응축부(123) 외부의 해수와 열교환함으로써 응축되어 액체 상태로 상변화한다.
응축부(123)에서 액체 상태로 상변화한 작동 유체는 단열부(122)를 통해 증발부(121) 측으로 다시 제공되며, 상술한 과정을 반복한다.
결과적으로, 배관(110)을 따라 유동하는 수송물의 열에너지 일부는 온도 조절부(120)를 통해 간접적으로 배관(110) 외부의 해수 측으로 열을 배출한다.
가령, 하나의 온도 조절부(120)를 통해 배관의 소정 영역 내에서의 내부 온도는 4˚C 내지 5˚C 감소하게 되며, 배관의 소정 영역 내에 2개 또는 그 이상의 온도 조절부(120)를 설치함으로써 8˚C 내지 10˚C의 온도를 감소시키거나 그 이상의 온도를 감소시킬 수 있다.
여기서, 배관 내부의 온도가 높을수록 하이드레이트가 분해되는 영역, 즉, 디하이드레이트 영역에 속할 가능성이 높으므로 배관(110) 내벽에 불순물이 형성되는 것을 방지하는 데에는 유리할 수 있으나, 배관(110) 내부의 온도가 높을수록 배관(110) 내부를 유동하는 수송물이 기체 상태로 유동할 수 있어 수송물의 수송 측면에서는 불리할 수 있다.
도 6은 도 3에 따른 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템이 배관 상에 서로 이격되어 복수개가 설치된 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
이에 따라, 배관 내부의 온도는 수송물이 액체 상태를 유지하면서 디하이드레이트 영역에 해당되는 범위에 해당되도록 도 6과 같이 온도 조절부(120)의 개수 및 배치를 적절히 조절할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템 110: 배관
120: 온도조절부 121: 증발부
122: 단열부 123: 응축부

Claims (5)

  1. 해저로부터 수송물이 이송되는 유로를 제공하는 배관; 및,
    상기 배관 내부의 온도를 감소시키도록 조절하는 온도조절부를 포함하며,
    상기 온도조절부는,
    상기 배관의 외주면 상에 장착되고, 내부에 작동유체를 수용하며, 상기 작동유체가 상기 배관 내부를 유동하는 수송물로부터 열에너지를 전달받아 증발되는 증발부,
    일단은 상기 증발부와 연결되고 타단은 상기 배관으로부터 멀어지는 방향으로 연장형성되되 상기 증발부에서 증발된 작동 유체가 유동하는 단열부, 및
    상기 단열부와 연결되어 상기 단열부로부터 상기 증발된 작동 유체를 제공받으며, 상기 증발된 작동 유체를 외부의 해수와 열교환시킴으로써 응축시키는 응축부를 구비하는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발부는 상기 배관의 외주연을 나선 방향을 따라 감싸도록 마련되는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 상기 배관의 길이방향을 따라 서로 이격되는 복수개로 마련되는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 상기 온도 조절부가 장착되는 배관의 수심에 따라 개수 및 상기 온도 조절부 사이의 이격 간격 중 적어도 어느 하나가 설정되는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 상기 온도 조절부가 설치된 영역에서 배관의 온도를 상기 수송물의 디하이드레이트가 발생하는 온도 이상으로 유지하는 해양플랜트용 배관의 온도 조절 시스템.
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