KR101652014B1 - 개선된 터빈 설치 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 해저 등으로 하강되기 이전에 터빈에 연결된, 미리 배치된 전기 케이블이 터빈을 설치하는 동안 손상을 입지 않도록 보장하면서, 해저 등에 수력발전 터빈을 설치하는 방법을 제공한다. 상기 방법은 전기 케이블의 장력을 유지하기 위해 터빈을 이동시킴과 동시에 터빈을 해저를 향해 하강시키는 단계를 포함한다.

Description

개선된 터빈 설치 방법{An improved turbine installation method}

본 발명은 해저 등에 수력발전 터빈을 설치하는 개선된 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수력발전 터빈과, 터빈에 의해 생산된 전력이 공급되는 육상의 발전소 사이에 연결된 전기 케이블의 조작을 향상시키는 방법에 관한 것이다.

화석 연료 연소의 결과로서 지구에 가해져 온 환경적 손상에 기인하여, 재생 에너지는 마침내 주목을 받기 시작하였으며, 태양 에너지, 바람 에너지, 및 조력을 중심으로 많은 프로젝트들이 발전되었다. 비교적 단속적이고 이에 따라 신뢰성이 떨어지는 바람이나 태양 에너지와 달리, 조류는 전적으로 예측 가능하고 지속적이라는 점에서, 이들 에너지의 대체 형태 중, 조력은 거의 가장 매력적이다.

그러나, 조수 에너지의 활용은 구체적으로 조력 발전기의 설치 및 관리 측면에서 그 자체의 과제를 제공한다. 예를 들어 자체의 작동 특성에 의해 해저에 위치되어야 할 뿐만 아니라 비교적 빠른 유동의 조류 내에 위치되어야 하는 수력발전 터빈이 그러하다. 게다가 경제적 측면에서 실행 가능하도록 이들 터빈들은 큰 스케일로 건설되어야 한다.

그러나 필수적으로 이들 터빈은 그리드(grid)로의 최종적인 공급을 위하여 해안으로 동력을 전달하여야 한다. 터빈에 의해 생성된 전력 레벨은 전기 시스템을 위험한 작동 상태에서 작동되도록 한다. 그리고 이러한 위험은 빠른 유동의 조수가 작용하는 지역 내에서 해저 상의 수중에 있는 터빈의 위치에 의해 증가된다.

이들 빠른 유동의 조수가 작용하는 지역은 현장 출입에 시간이 소요되고 위험하며 이에 따라 많은 비용을 감수하게 하는 고립된 지역에서 종종 발견된다. 또한 터빈의 설치 및 제거 과정은 다수의 선박, 이에 결합된 중장비, 그리고 숙련된 다이버의 이용을 필요로 한다.

게다가 이들 터빈은 경제성을 위하여 일반적으로 조수 터빈 지대의 형태로 다수 배치될 필요가 있을 것이다. 그래서 설치 과정은 설치될 터빈의 개수에 의해 증가된다. 상술한 장비와 다이버의 이용 가능성은 상대적으로 어려운 일이다. 따라서 조수 터빈의 설치 및 제거를 수행하는데 필요한 시간과 장비를 감소시키는 것이 매우 바람직하다.

수력발전 터빈에 의해 생성된 비교적 큰 전류와, 터빈과 이에 결합된 전기 케이블이 노출된 극심한 가혹 조건에 기인하여, 각 터빈으로부터 육상으로 연장된 전기 케이블은 비교적 크고 강건하여야 한다.

300-500mm인 케이블의 직경과, 수반되는 케이블의 길이에 따라, 케이블의 무게는 중대한 문제가 된다. 그러므로 케이블의 조작은 어렵고 많은 시간이 소요되는 작업이며, 이는 수력발전 터빈이 배치된 장소의 조수 조건에 의해 더욱 어렵게 된다.

케이블은 또한 비교적 구부러지지 않으며, 따라서 이에 따른 오조작에 의해 케이블의 꼬임/매듭이 빠르고 쉽게 발생되어 케이블은 영구적으로 손상을 입게 되고, 이에 따라 교체가 필요하게 된다.

본 발명의 목적은 설치 과정 동안 케이블의 손상을 회피하는, 수력발전 터빈을 설치하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은, 수력발전 터빈 시스템에, 미리 배치된 전원 케이블을 연결하는 단계; 및 상기 케이블의 장력이 유지되도록 상기 시스템을 조류의 방향과 일직선으로 이동시킴과 동시에 상기 시스템을 배치 위치로 하강시키는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 방법은 상기 케이블을 연결하는 단계 이전에, 실질적으로 상기 배치 위치 상에 상기 시스템을 위치시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 상기 케이블의 장력이 유지되도록 배치 선박을 이동시키는 동시에 상기 배치 선박으로부터 상기 시스템을 하강시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 배치 선박은 추진원을 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 상기 시스템을 하강시키는 단계를 수행하는 동안, 닻을 상기 시스템의 상류에 위치시키는 단계; 직접 또는 간접적으로 상기 닻에 상기 시스템을 연결하는 단계; 및 상기 시스템을 하강시키는 단계를 수행하는 동안, 상기 시스템의 이동을 달성하기 위해 상기 닻을 이용하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 상기 닻을 해저에 위치시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 배치 선박을 예인 선박의 뒤로 예인하는 단계; 및 상기 배치 선박의 이동을 달성하기 위해 상기 예인 선박을 이용하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 배치 선박의 이동을 달성하기 위해 상기 시스템을 하강시키는 단계를 수행하는 동안 상기 예인 선박을 향해 상기 배치 선박을 윈치로 견인하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 상기 닻에 상기 예인 선박을 고정시키고, 상기 배치 선박의 이동을 적어도 부분적으로 달성하기 위하여 상기 예인 선박을 상기 닻을 향해 견인하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 배치 선박 또는 상기 예인 선박은 자동 위치 유지 선박(dynamic positioning vessel)을 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 부력 장치로 상기 미리 배치된 전원 케이블의 위치를 표시하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 조수가 작용하는 동안 상기 시스템을 하강시키는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 상기 배치 위치에 상기 시스템을 최종적으로 위치시키는 단계의 일부로서 또는 그 이전에 상기 시스템을 옆으로(laterally) 이동시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 해저 등으로 하강되기 이전에 터빈에 연결된, 미리 배치된 전기 케이블이 터빈을 설치하는 동안 손상을 입지 않도록 보장하면서, 해저 등에 수력발전 터빈을 설치할 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법에 따른 초기 설치 단계에 있는 수력 발전 시스템을 나타내는 개략 측면도.
도 2는 수력발전 터빈 시스템이 해저를 향해 부분적으로 하강하는 상태의, 도 1에 도시된 배치 방법을 나타내는 개략 측면도.

여기서 사용되는 '수력발전 터빈 시스템'이라는 용어는, 해저 상으로 함께 하강할 수 있는 베이스에 장착된 수력발전 터빈; 터빈과 분리되어 해저로 하강할 수 있는 베이스와 이후에 베이스 상의 위치로 하강하는 터빈; 또는 미리 위치된 베이스로 하강하도록 베이스로부터 분리된 터빈을 의미하는 것으로 의도된다.

첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 조수 작용 지역에서 해저(B) 상에 수력발전 터빈(10)을 설치하는 방법이 도시된다. 이하의 설명은 해저(B)에 터빈(10)을 설치하는 것에 관련된 것이나, 본 발명의 방법이 또 다른 적절하고 바람직한 장소, 예를 들어 강 바닥 등에의 터빈(10) 설치에 이용될 수 있음은 인식 가능할 것이다.

구체적으로 도 1을 참조하면, 본 발명의 방법은, 터빈(10)이 사용되는 동안 위치될, 실질적으로 해저(B)의 조수가 작용하는 배치 위치(S) 상의 위치로 터빈(10)을 수송하는 단계를 포함한다. 조수가 작용하는 배치 위치(S) 상의 위치로 터빈(10)을 수송하기 이전에, 전기 케이블(C)은 해저(B)에 미리 배치된다. 육상 위치 또는 다른 위치로부터 배치 위치(S)로 케이블(C)를 배치하는 것과 관련된 과정은 주지의 사항이므로 이에 대해서는 이하 상세하게 설명되지 않을 것이다. 배치 위치(S)에 이르는, 예를 들어 마지막 100미터에 해당되는 케이블(C)의 최종 신장은 조수(T)의 주방향과 실질적으로 일직선으로 놓인다. 케이블(C) 자유단의 위치와 회수를 고려하기 위하여, 바람직하게는 부표(미도시) 등과 같은 형태를 갖는 부력 장치가 케이블(C)의 자유단에 또는 그에 인접하게 매달아 지며, 이에 따라 수면(W)에서 그 위치를 파악하여 조수가 작용하는 배치 위치(S) 상의 위치로 터빈(10)을 가져오게 된다. 케이블(C)의 단부에 접속선 또는 연장부(미도시)를 부착하는 것이 보다 실용적일 것이며, 접속선/연장부는 해저(B)로부터 상승 또는 하강시키는 부분이 될 것이다. 케이블(C)은 전원을 직접적으로 육상에 공급하거나, 터빈(10)을 하나 이상의 추가적인 터빈(미도시)에 데이지 체인 (daisy chain) 방식으로 연결하기 위해 이용될 수 있다.

케이블(C)이 배치 위치(S)에 미리 배치된 상태에서, 상술한 바와 같이, 터빈(10)을 실질적으로 배치 위치(S) 상의 위치로 가져온다. 도시된 바람직한 실시예의 경우, 터빈(10)은 적합한 형태, 즉 도시된 실시예에서 무동력 바지, 배치 선박(12, barge)의 형태를 갖는 배치 선박(12)에 의해 이동된다. 그러나 배치 선박(12)은 추진원을 포함할 수도 있다. 도시된 실시예의 경우, 견인 수단(14)의 형태를 갖는 예인 선박이, 작용하는 조수(T)에 대항하여 터빈(10)과 배치 선박(12)을 예인하기 위해 사용된다. 본 실시예의 경우, 단순 예인 라인(16)이 견인 수단(14)과 배치 선박(12) 사이에 연결되며, 터빈(10)과 배치 선박(12)의 위치에 대한 작은 수정을 위하여 그 길이가 조절될 수 있다. 그러나 견인 수단(14)은 설치 과정 동안 바람직한 위치를 정확하게 유지하기 위하여 GPS를 이용할 수 있는 자동 위치 유지 선박(미도시)으로 대체될 수 있다. 터빈(10)은 적절한 장치에 의해 배치 선박(12)에 해제 가능하게 연결될 수 있으며, 상세한 연결 방식은 본 발명의 방법에 대한 구성에 해당되지 않으므로 이하에서는 이에 대해서 상세하게 설명되지 않을 것이다. 터빈(10)을 배치 위치(S) 상의 위치로 예인하기 이전에 적어도 하나의 닻(18)이 설치된다. 도시된 본 실시예의 경우, 닻(18)은 설치하는 동안 유동하는 조수(T)의 방향에 대해 배치 위치(S)의 상류인 해저(B) 위치에 설치된다. 닻(18)은 적절한 형태를 가질 수 있으며, 도시된 실시예의 경우 단순한 락-타입(rock-type) 닻(18)의 형태를 갖는다. 그러나 닻(18)의 타입 및/또는 사이즈는 해저(B)의 조건에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 닻(18)의 수면(W) 상의 위치를 표시하기 위하여, 매달린 부표(미도시) 또는 유사한 마커를 닻(18)에 고정시키는 것이 바람직하며, 그 이유에 대해서는 이하에서 설명하도록 한다.

일단 견인 수단(14)이 배치 위치(S) 상에 터빈(10)과 배치 선박(12)을 위치시키면 견인 수단(14)이 닻 라인(20)을 통해 닻(18)과 연결된다. 이는 단순히 닻(18)과 연결된 부표(미도시)를 견인 수단(14)으로 회수하고, 적절히 닻 라인(20)을 견인 수단(14)에 고정시킴으로써 달성된다. 이제 닻(18)은 견인 수단(14)이, 그리고 이에 따라 터빈(10)과 배치 선박(12)가, 작용하는 조수(T)에 대해 위치를 유지하게끔 한다. 그러나 여기서 견인 수단(14)이 생략될 수 있고, 이 경우 배치 선박(12)이 닻(18)과 직접적으로 연결될 수 있다는 점을 유의하여야 하며, 이는 이하 본 발명의 설치 방법에 대한 다음 설명으로부터 명확하게 될 것이다. 이것은 배치 선박(12)이 추진원을 가지거나 그렇지 않거나 무관하게 가능하다.

일단 터빈(10)과 배치 선박(12)이 닻(18)에 의해, 작용하는 조수(T)에 대항하여 고정되면, 케이블(C, 또는 접속선)의 자유단은 표면으로 회수되어 공지의 방법에 의해 터빈(10)과 전기적으로 연결된다. 케이블(C)은 배치 선박(12)에 제공된 일반적인 윈치 장치를 이용하여 회수될 수 있거나, 별도의 서포트 선박(미도시)에 의해 회수될 수 있다. 이 때, 터빈(10)은 해저(B)로 하강되기 위해 준비된다. 도시된 실시예의 경우 터빈(10)은 사용되는 동안 해저(B)에서 터빈(10)을 지지할 베이스(22)에 미리 장착된다. 따라서 도시된 실시예의 경우 터빈(10)을 배치 선박(12)에 고정시키기 위해 베이스(22)가 이용된다. 터빈(10)과 베이스(22)는 함께 수력발전 터빈 시스템으로 정의된다. 케이블(C)은 적절한 연결 방식으로 베이스(22)에 연결되어 베이스(22)와 터빈(10) 사이에 제공될 것이다.

도 2를 참조하면, 터빈(10)과 베이스(22)는 해저(B)를 향해 하강된다. 이는 적절한 수단에 의해 달성될 수 있으며, 도시된 실시예의 경우 다수의 서포트 라인(24)이 배치 선박(12)과 베이스(22) 사이에 연결된다. 배치 선박(12)은 서포트 라인(24)을 상승 및 하강시키도록 작동되어 베이스(22)와 터빈(10)을 해저(B)를 향하여 또는 그로부터 이격되도록 상승 및 하강시키는 다수의 윈치(미도시)를 구비한다. 도시된 실시예의 경우 터빈(10)과 베이스(22)를 신속하고 용이하게 배치 선박(12)로부터 해저(B)를 향해 하강시키기 위하여, 터빈(10)과 베이스(22)는 아래에 매달린 배치구조로 배치 선박(12)에 연결된다. 그러나 다른 적절한 배치구조가 이용될 수 있다.

터빈(10)이 해저(B)를 향해 하강되는 동안, 동시에 터빈(10)은 조류의 방향과 일직선으로 이동된다. 도시된 실시예의 경우 케이블(C)에 장력이 유지되도록, 터빈(10)은 작용하는 조수(T)에 대해 전방으로, 즉 닻(18)을 향해 이동된다. 이것은 닻(18)에 대해 전방으로 견인 수단(14)을 당기거나, 견인 수단(14)과 배치 선박(12) 간 예인 라인(16)을 줄이거나, 상술한 과정의 조합에 의해 달성될 수 있다. 그러나 상술한 바와 같이, 견인 수단(14)은 생략될 수 있으며 배치 선박(12)가 닻(18)에 직접적으로 연결될 수 있다. 이 경우 배치 선박(12)을 닻(18)에 연결하는 라인(미도시)은 배치 선박(12)을 조수(T)에 대항하여 전방으로 당기도록 이용될 것이다. 어느 경우든, 터빈(10)은 케이블(C)이 조류 방향과 일직선을 유지하는 상태에서 호형 경로를 따라 해저(B)를 향해 하강될 것이다. 이 경로는 터빈(10) 또는 베이스(22)에 연결된 전기 케이블(C) 상에서 장력이 유지되는 것을 보장한다. 이러한 장력은 케이블(C)의 꼬임 또는 매듭이 터빈(10)의 하강 동안 발생되지 않도록 한다. 일단 터빈(10)이 해저(B)에 위치되면 각 서포트 라인(24)은 터빈(10)으로부터 분리될 수 있으며 윈치로 감아 올려져 배치 선박(12)으로 복귀될 수 있다. 이 때, 터빈(10)은 작동을 시작하여 케이블(C)을 통해 육상 또는 다른 원하는 위치에 전원을 공급할 수 있다. 이 때, 케이블(C)은 작동하는 동안 불필요한 운동을 방지하기 위하여 장력이 작용한 상태로, 조수(T) 방향에 대해 일직선을 유지하여야 한다.

상술한 설치 방법은, 보다 어려움에도 불구하고 닻(18)의 생략에 의해서도 달성될 수 있음은 인식 가능할 것이다. 견인 수단(14) 또는 바람직하게는 자동 위치 유지 선박(미도시)은 터빈(10)에 케이블(C)이 연결되는 동안에, 조수(T)에 대한 터빈(10)과 배치 선박(12)의 위치를 초기 상태로 유지하기 위해 이용될 수 있다. 일단 터빈(10)의 하강이 시작되면, 견인 수단(14)은 상술한 터빈(10)의 호형 경로를 달성하기 위하여 배치 선박(12)울 전방으로 견인할 수 있다.

어떤 이유로든지 터빈(10)을 재위치시키고자 한다면, 이는 서포트 라인(24)이 베이스(22)로부터 분리되기 이전에 수행될 수 있다. 재위치는 예를 들어 해저(B) 상의 최초 위치에 따른 베이스(22)의 바람직하지 않은 자세에 기인하여 요구될 수 있다. 예를 들어 마지막 100미터 등이 일직선을 이루는 케이블(C)의 배치에 기인하여, 베이스(22)는 해저(B)로부터 미세하게 상승될 수 있고, 견인 수단(14)은 본래 위치의 좌우로(laterally) 배치 선박(12)을 재위치시키는데 이용될 수 있다.

예를 들어 유지보수 또는 교체 목적으로 해저(B)로부터 터빈(10)을 제거하기 위하여, 상술한 과정이 단순히 역으로 수행될 수 있다.

본 발명의 방법은 도 1 및 도 2에 도시되고 설명된 것과 반대 방향의 조류에 대해서도 구현될 수 있을 것이다. 이러한 경우, 배치 위치(S) 상에 실질적으로 고정된 위치에서 배치 선박(12)을 유지하기 위하여, 예인 선박(14)과 닻(18)은, 만일 사용된다면, 도 1 및 도 2에 도시된 것과는 배치 선박(12)의 다른 쪽에 위치될 필요가 있을 것이다. 터빈(10)을 해저(B)로 하강시키는 경우 조수는 케이블(C)의 장력이 유지되도록 터빈의 이동에 영향을 주는 데 사용될 수 있다. 이는, 예를 들어 예인 라인(16) 및/또는 닻 라인(20)을 공급하여 연장시킴에 의해, 그리고 케이블(C)의 장력 유지를 위해 단순히 조류에 의해 배치 선박(12)과 터빈(10)이 조류와 함께 이동되도록 함으로써 달성될 수 있다. 이 구성도 닻(18)을 사용하지 않고도 구현이 가능하다.

10: 수력발전 터빈
12: 배치 선박
14: 견인 수단
16: 예인 라인
18: 닻
20: 닻 라인
22: 베이스
B: 해저
C: 케이블
S: 배치 위치
T: 조수
W: 수면

Claims (13)

1. 수력발전 터빈 시스템에, 미리 배치된 전원 케이블을 연결하는 단계; 및
   조수가 작용하는 동안 배치 위치로 상기 시스템을 하강시킴과 동시에
   상기 케이블의 장력이 유지되도록 상기 케이블을 상기 조수의 조류방향과 일직선이 되도록 상기 시스템을 이동시키는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 케이블을 연결하는 단계 이전에, 상기 배치 위치 상에 상기 시스템을 위치시키는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 케이블의 장력이 유지되도록 배치 선박을 이동시키는 동시에 상기 배치 선박으로부터 상기 시스템을 하강시키는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 배치 선박은 추진원을 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 시스템을 하강시키는 단계를 수행하는 동안, 닻을 상기 시스템의 상류에 위치시키는 단계; 직접 또는 간접적으로 상기 닻에 상기 시스템을 연결하는 단계; 및 상기 시스템을 하강시키는 단계를 수행하는 동안, 상기 시스템의 이동을 달성하기 위해 상기 닻을 이용하는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 닻을 해저에 위치시키는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 배치 선박을 예인 선박의 뒤로 예인하는 단계; 및 상기 배치 선박의 이동을 달성하기 위해 상기 예인 선박을 이용하는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 배치 선박의 이동을 달성하기 위해, 상기 시스템을 하강시키는 단계를 수행하는 동안, 상기 예인 선박을 향해 상기 배치 선박을 윈치로 견인하는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
9. 제7항에 있어서,
   닻에 상기 예인 선박을 고정시키고, 상기 배치 선박의 이동을 적어도 부분적으로 달성하기 위하여 상기 예인 선박을 상기 닻을 향해 견인하는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
   
10. 제7항에 있어서,
    상기 배치 선박 또는 상기 예인 선박은 자동 위치 유지 선박(dynamic positioning vessel)을 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
    
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    부력 장치로 상기 미리 배치된 전원 케이블의 위치를 표시하는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
    
12. 삭제
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배치 위치에 상기 시스템을 최종적으로 위치시키는 단계의 일부로서 또는 그 이전에 상기 시스템을 옆으로 이동시키는 단계를 포함하는, 조수 작용 지역에 수력발전 터빈 시스템을 설치하는 방법.
    

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