KR101873981B1 - 부유식 해양구조물의 분리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 구조물용 분리장치를 제공한다. 본 발명의 분리장치는 유체 혼합물이 비중차에 의해 물 축적층과 오일 축적층으로 분리되어 축적되도록 유체 혼합물을 내부 공간에 축적하는 탱크; 상기 탱크에 제공되고, 상기 유체 혼합물을 상기 탱크 내에서 충돌시키는 부재; 상기 탱크에 제공되고, 상기 충돌 부재에 의해 액상 성분으로부터 분리된 기상성분이 배출되는 기상 배출부; 및 액상 성분인 오일과 물을 각각 배출하는 액상 배출부들을 포함할 수 있다.

Description

부유식 해양구조물의 분리 장치{Separation device for floating Offshore Structure}

본 발명은 부유식 구조물에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 유정 분출 혼합물에서 기상 성분(가스)과 액상 성분(물과 오일)으로의 분리 효율을 높일 수 있는 부유식 해양구조물용 분리장치에 관한 것이다.

원유 생산, 저장 및 하역의 과정을 선체에서 처리할 수 있도록 개발된 FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 등과 같은 해상 부유체에는 레저부아(reservoir)에서 채취한 원유를 가스, 오일과 물로 각각 분리하기 위한 분리기가 구비되고 있다.

일반적으로 분리기는 원유를 가스, 오일과 물로 각각 분리하기 위한 삼상 분리기(3-phase Separator)이며, 삼상 분리를 위해 비중차가 이용되거나 사이클론(cyclone)이 이용되고 있다. 사이클론을 이용하여 각종 오폐수 등을 처리하기 위한 수처리 시스템에 대한 기술적 사상은 한국공개특허 제2010-0027709호 등에 다양하게 개시되어 있다.

일반적으로 비중차를 이용하는 종래의 삼상 분리기는 한국공개특허 2015-0125082의 도 1에 도시된 바와 같이 드럼(100)의 상부 영역을 관통하여 평행하게 설치된 원유 유입관(105)을 통해 수평으로 유입되는 유체가 이송 방향의 전단부에 배치된 충격판(107)을 충격하고 하부로 떨어지면서 발생하는 모멘텀 변화(momentum change)에 의해 기상 성분(가스)과 액상 성분(물과 오일)으로 분리되는 원리를 이용하고 있다.

이때 분리된 기상 성분은 드럼의 내측 상부 공간에 모여 가스 배출관을 통해 외부로 배출되고, 분리된 액상 성분은 드럼(100)의 내부 공간에 축적되어 소정의 시점에서 물 배출관(115)과 오일 배출관(125)을 통해 각각 외부로 배출된다. 이때 오일 배출관(125)은 위어(wier) 패널(110)을 넘쳐 흘러 구획된 영역에 저장된 오일을 배출하도록 설치된다.

이러한 삼상 분리기에서 유체 주입구 및 충격판은 저렴한 편에 속하지만 , 입구 스트림의 처리 조건에 따라 오히려 역효과를 야기할 수도 있다. 유체 주입구 및 충격판은 낮은 운동량인 유체에 대해서는 효과적 일 수 있지만, 높은 운동량의 유체에서는 작은 방울 또는 거품 형성을 유발할 수 있기 때문에 압력 조건에 따라 유체 주입구 및 중격판 사용에 제한이 생긴다.

한국 공개특허 10-2015-0125082

본 발명의 일 과제는, 충격판을 사용하지 않고 유체 혼합물의 운동량을 감소시킬 수 있는 분리기를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 과제는, 유체 혼합물에서 기상 성분(가스)과 액상 성분(물과 오일)으로의 분리 효율을 높일 수 있는 분리기를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 유체 혼합물이 비중차에 의해 물 축적층과 오일 축적층으로 분리되어 축적되도록 유체 혼합물을 내부 공간에 축적하는 탱크; 상기 탱크에 제공되고, 상기 유체 혼합물을 상기 탱크 내에서 충돌시키는 부재; 상기 탱크에 제공되고, 상기 충돌 부재에 의해 액상 성분으로부터 분리된 기상성분이 배출되는 기상 배출부; 및 액상 성분인 오일과 물을 각각 배출하는 액상 배출부들을 포함하는 분리 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 충돌 부재는 유체 혼합물이 공급되는 메인 공급라인; 상기 메인 공급라인으로부터 분기되는 적어도 2개의 서브 공급라인; 상기 서브 공급라인 각각과 연결되고, 토출되는 유체 혼합물들끼리 충돌되도록 상기 탱크에 측벽에 서로 대향되게 제공되는 토출부들을 포함할 수 있다.

또한, 상기 토출부들은 유체 혼합물을 수평한 방향 또는 소정 각도 경사진 방향으로 토출할 수 있다.

또한, 상기 서브 공급라인의 직경은 상기 메인 공급라인 직경의 1/2일 수 있다.

또한, 상기 토출부는 다수의 토출구들을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탱크 내부에 제공되고, 오일 축적층과 물 축적층의 수위를 조절하고, 분리된 오일이 다시 물과 섞이지 않도록 오일 저장 영역과 혼합물 저장 공간을 구획하는 칸막이 부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 복수개의 토출부를 이용한 유정 분출 혼합물 간의 충돌을 통해 주입 운동량을 감소시켜줄 수 있는 각별한 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 의하면, 충돌속도의 증가로 인해 더 효과적인 운동량 감소로 가스, 물 그리고 오일의 분리 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부유식 해양구조물용 분리장치가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 부유식 해양구조물용 분리장치의 평단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 부유식 해양구조물용 분리장치의 측단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 부유식 해양구조물용 분리장치의 정단면도이다.
도 5는 토출부의 토출구를 보여주는 도면이다.
도 6은 토출부의 변형예를 보여주는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부유식 해양구조물용 분리장치가 도시된 사시도이고, 도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 부유식 해양구조물용 분리장치의 평단면도, 측단면도 그리고 정단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 부유식 해양구조물용 분리장치(10)는 탱크(100), 충돌 부재(200)를 포함할 수 있다.

탱크(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 내부가 중공된 원통 형상을 가질 수 있다. 이러한 탱크(100)는, 충돌 부재를 통해 유정 분출 혼합물(Well fluid)을 제공받는다. 일 예로, 탱크(100)의 전단 상단에 유정 분출 혼합물을 토출시키기 위한 한 쌍의 토출부(230)들이 제공될 수 있다. 한 쌍의 토출부(230)들을 통해 토출되는 유정 분출 혼합물은 서로 충돌하는 과정에서 운동에너지가 감소하게 된다. 이렇게 유정 분출 혼합물들이 서로 충돌하여 운동에너지가 감소된 상태로 탱크(100)의 하부 공간으로 떨어지는 과정에서 기상 성분(즉, 가스)과 액상 성분(즉, 오일과 물)로 분리될 수 있고, 유정 분출 혼합물이 탱크(100)의 내부에서 요동되는 것을 방지한다.

탱크(100)의 내부로 유입된 유정 분출 혼합물은, 시간이 지남에 따라 비중차이에 의해 가스(gas), 오일(oil) 및 물(water) 성분으로 분리될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 질량의 상대적인 차이에 의해 가스(gas) 성분이 가장 윗부분에 위치되고, 가스 성분의 아래에 오일(oil)성분이 위치되며, 오일 성분의 아래에 물(water) 성분이 위치될 수 있다.

또한, 탱크(100)는, 가스 성분을 탱크(100) 외부로 유출시키는 가스 유출포트(114)를 포함한다. 가스 유출포트(114)로 빠져나간 가스 성분은 여러 공정을 통해 다시 유정(Well, 미도시)에 주입되거나 연료로 사용되거나 플레어 타워(Flare Tower, 미도시)에서 태워진다.

한편, 탱크(100)의 내부는 칸막이 부재(130)에 의해 구획되는데, 이하에서는 도 1의 칸막이 부재(130)의 좌측을 “분리구역”이라하고, 칸막이 부재(130)의 우측을 “오일구역”이라 한다.

탱크(100) 내부의 분리구역에 축적되는 유정 분출 혼합물은 시간이 지남에 따라 비중차에 의해 비중이 상대적으로 가장 큰 물 성분은 분리구역의 가장 아래쪽에 위치하면서 물 축적층(W)을 형성하고, 오일 성분은 물 축적층(W)의 위쪽에 계속 쌓여 오일 축적층(O)을 형성하며, 오일 축적층(O)의 수위가 높아지면 소정의 높이(칸막이 부재(130)의 상단부보다 큰 높이)에서 칸막이 부재(130)를 넘어 오일구역으로 유동된다.

이렇게 분리된 물 성분과 오일 성분을 추출하기 위해 탱크(100)는, 분리구역에 마련되는 물 유출포트(116)와, 오일구역에 마련되는 오일 유출포트(118)를 포함한다.

이렇게 분리된 물 성분은 여러 공정을 거친 후 유정에 다시 주입되거나 바다로 방출된다. 여기서 앞서 설명한 가스 성분이나 물 성분을 다시 유정에 주입되는 이유는, 유정 분출 혼합물의 유출로 인해 유정의 내부압력이 점차로 낮아져 생산량이 감소하는 것을 방지하기 위해 가스 성분과 물 성분을 유정에 주입하여 인위적으로 유정의 내부압력을 높임으로써 생산량을 증대시키기 위함이다.

충돌 부재(200)는 유정 분출 혼합물을 탱크(100) 내에서 충돌시키기 위한 것으로, 메인 공급라인(210), 서브 공급라인(220) 그리고 토출부(230)들을 포함할 수 있다.

메인 공급라인(210)에는 2개의 서브 공급라인(220)이 연결될 수 있다. 서브 공급라인(220)은 탱크(100)의 측벽에 설치된 토출부(230)와 연결될 수 있다. 여기서 토출부는 분사노즐일 수 있다. 유정 분출 혼합물은 메인 공급라인(210)에서 2개의 서브 공급라인(220)으로 분기된 후 각각의 토출부(230)를 통해 탱크 내부로 분출되면서 서로 충돌하게 된다. 서브 공급라인(220)은 직경이 메인 공급라인(210)의 직경 대비 1/2 크기로 제공될 수 있다. 예를 들어, 토출부가 3개인 경우 서브 공급라인도 3개가 제공되고, 이 경우 서브 공급라인의 직경은 메인 공급라인의 직경 대비 1/3 크기로 제공될 수 있다.

도 4에서와 같이, 2개의 토출부(230)는 탱크(100)의 측벽에 서로 대향되게 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 2개의 토출부(230)가 서로 대향되게 설치되어 있는 것으로 도시하고 있으나, 필요에 따라 토출부(230)의 개수는 3개 또는 그 이상이 될 수 있으며, 토출부(230)들은 유정 분출 혼합물의 바람직한 충돌을 얻기 위해 토출 경로가 서로 겹치도록 동축상에 또는 다른 각도로 배치될 수 있다.

도 2를 다시 살펴보면, 메인 공급라인(210)의 면적(직경) A, 속력 V를 가지는 유입 스트램(inlet stream)을 각각 A/2의 직경을 갖는 두 개의 서브 공급라인(220)으로 분할하여 같은 속력 V를 가지는 분기 스트램을 만든다. 주입 온동량(Inlet momentum)의 감소는 다음과 같은 운동량 방정식으로 설명이 가능하다.

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한편, 마주보는 stream이 충돌하는 상황을 상대속도의 개념으로 생각하면, 정지되어 있는 벽에 각각 2v의 속도로 충돌하는 것으로 생각할 수 있다. 따라서, 앞서 언급한 식에 해당 값들을 대입하면

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따라서 같은 속력의 flow를 이용하지만, 상대속도의 개념을 도입하여 실제 충돌 시의 충격량은 기존대비 더 큰 값을 유추할 수 있다. 이를 통해 충격판과 같이 주입 운동량(inlet momentum)을 줄여주는 효과를 충격판(inlet device)의 설치 없이 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 충돌속도의 증가로 인해 더 효과적인 운동량 감소를 기대할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 해양구조물용 분리장치(10)는 종래와 같이 충격판을 이용한 유정 분출 혼합물의 운동량 감소가 아닌 듀얼 토출부를 이용한 유정 분출 혼합물 간의 충돌을 통해 주입 운동량을 감소시켜줌으로써 충격판을 사용하지 않거나 또는 필요시 충격판을 사용하더라도 1차적 운동량이 감소된 상태에서 2차적으로 충격판을 사용하여 상대적으로 저압의 플로워(flow)를 위한 충격판을 설계할 수 있다.

도 5는 토출부의 토출구를 보여주는 도면이다.

도 5에서와 같이, 토출부(230)의 토출구(232)는 복수개로 제공될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 토출부의 토출구는 하나로 제공될 수 도 있다.

도 6은 토출부의 변형예를 보여주는 도면이다.

도 6에서와 같이, 2개의 토출부(230a)는 토출 방향이 경사지게 제공될 수 있다. 단, 2개의 토출부(230a)는 유정 분출 혼합물의 바람직한 충돌을 얻기 위해 토출 경로(토출 방향)가 서로 겹치도록 배치되는 것이 바람직하다.

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.

100: 탱크 200 : 충돌부재
210 : 메인 공급 라인 220 : 서브 공급라인
230 : 토출부

Claims (7)

1. 유체 혼합물이 비중차에 의해 물 축적층과 오일 축적층으로 분리되어 축적되도록 유체 혼합물을 내부 공간에 축적하는 탱크;
   상기 탱크에 제공되고, 상기 유체 혼합물을 상기 탱크 내에서 충돌시키는 충돌 부재;
   상기 탱크에 제공되고, 상기 충돌 부재에 의해 액상 성분으로부터 분리된 기상성분이 배출되는 기상 배출부; 및
   액상 성분인 오일과 물을 각각 배출하는 액상 배출부들을 포함하되;
   상기 충돌 부재는
   유체 혼합물이 공급되는 메인 공급라인;
   상기 메인 공급라인으로부터 분기되는 적어도 2개의 서브 공급라인;
   상기 서브 공급라인 각각과 연결되는 토출부들을 포함하는 분리 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 토출부는
   토출되는 유체 혼합물들끼리 충돌되도록 상기 탱크에 측벽에 서로 대향되게 제공되는 분리 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 토출부들은
   유체 혼합물을 수평한 방향으로 토출하는 분리 장치.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 토출부들은
   유체 혼합물을 소정 각도 경사진 방향으로 토출하는 분리 장치.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 서브 공급라인의 직경은 상기 메인 공급라인 직경의 1/2인 분리 장치.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 토출부는
   다수의 토출구들을 포함하는 분리 장치.
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 탱크 내부에 제공되고, 오일 축적층과 물 축적층의 수위를 조절하고, 분리된 오일이 다시 물과 섞이지 않도록 오일 저장 영역과 혼합물 저장 공간을 구획하는 칸막이 부재를 더 포함하는 분리 장치.

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