KR200480223Y1 - 원유 이송용 수평 수송관 - Google Patents

Abstract

수평 수송관의 내부에 원유의 특성을 고려(考慮)한 간단한 구조에 의해 원유를 이송하는 과정에서 발생하는 슬러그 플로우(slug flow)의 생성을 최소화할 수 있도록 수평 수송관의 내부에 원유가 이송되는 과정에서 유동 교란이 일어나지 않으면서 가스와 액체가 분리된 상태로 이송이 이루어질 수 있도록 소정 간격으로 이격된 한 쌍의 분리 격판;을 포함하는 원유 이송용 수평 수송관을 제공한다.
그에 따라 수평 수송관 내에서의 원유 이송이 원활하게 이루어질 수 있는 효과를 가진다.

Description

원유 이송용 수평 수송관{Horizontal pipelines for crude oil transfer}

본 고안은 원유 이송 시 사용되는 수평 수송관에 관한 것으로, 더 상세하게는 수평 수송관의 내부에 원유의 특성을 고려(考慮)한 간단한 구조에 의해 원유를 이송하는 과정에서 발생하는 슬러그 플로우(slug flow)의 생성을 최소화할 수 있도록 한 원유 이송용 수평 수송관에 관한 것이다.

해저생산시스템의 구성은 X-mas Tree, Jumper, Manifold, Flowline 또는 Pipeline, Riser 등으로 구성된다.

해저생산시스템의 pipeline 및 flow line은 Reservoir로부터 원유를 안정적으로 생산하고 Topside Facility에 효율적으로 이송하는 역할을 한다. Flowline, Pipeline, Riser 등은 관의 형태를 가지며 생산된 원유를 이송시키는 수송관의 역할을 수행하게 된다.

원유는 일반적으로 여러 가지 구성물의 혼합물이다. 물, C1, C2, C3 등의 탄소 화합물과 더불어 SO2, CO2와 같은 Sour Component, C7 이상의 Heavy Component등을 포함하고 있다.

이러한 원유는 Reservoir에서부터 Topside Facility로 이송되는 과정에서 온도, 압력 조건에 따라 다양한 상(phase)으로 존재하게 되는데 이러한 특성을 가진 유동을 다상 유동이라고 한다.

이중 대표적인 형태는 Two-phase(이상) 유동으로 액체(liquid)와 가스(gas)가 혼합된 형태로 흐르는 경우를 말한다. 또한 이를 생산물을 수송하는 pipe가 놓인 형태 및 위치에 따라 유동은 다양한 형태로 흐르게 된다. 이상 유동은 단상 유동에 비해 훨씬 복잡한 가동을 보이며 가스(gas)나 액체(liquid)의 하나의 유동과 달리 서로 다른 밀도와 점성 차이로 인해 파이프 라인 내에서 같은 속도로 이동하지 않는다. 가스(Gas)와 액체(liquid)의 유동 형태는 유속, 밀도, 관로 직경 및 경사에 따라 Dispersed bubble flow, Annular flow, slug flow, stratified flow 등으로 구분할 수 있다.

아울러, Slug flow의 생성 원인에 따라 hydrodynamic slug, terrain slug, Riser-based slug, pigging slug등으로 나눌 수 있다.

본원에서는 상기한 Slug Flow 중 수평 수공관에서 발생하는 hydrodynamic slug에 대하여 설명하기 한다.

수평 수송관에서의 Slug flow는 수평 관로를 흐르는 유동 중 wavy flow가 진행되는 도중 관로 내의 wave의 운동이 커지게 되면 wave의 파정이 관로를 완전히 막으면서 slug flow가 발생하게 된다.

이러한 수평 수송관에서 발생하는 종래의 slug flow는 도 7의 Flow Regime Map과, 도 8의 가스(Gas)와 액체(Liquid)의 2-Phase Flow 및 도 9의 Slug Flow의 생성 과정 및 형태를 확인할 수 있다.

상기와 같이 수평 수송관에서 이송되는 원유로 인해 발생하는 다양한 유동 중 slug flow는 관로에 주기적인 진동과 그로 인한 부식뿐만 아니라 원활한 유동 흐름을 방해하며 Topside 생산 설비에 예상치 못한 유량을 발생시키는 원인을 제공하였다.

이와 같이 원유를 이송과 관련된 종래의 선행기술에는 대한민국 등록특허 제10-1422593호(이하 '특허문헌 1'이라 한다)에 개시된 바와 같이 수송이 정지되어 수송관 내부에 원유나 천연가스가 정체될 때에도 하이드레이트의 생성을 방지하도록 주관과 연결되는 지관에 기포를 유동시키는 펌프를 구비하여, 기포가 지관 내를 유동한 한 후 주관 내로 다시 유입되어 주관 내의 유체를 유동시키는 수송관과 같은 기술이 제안된 바 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2014-0014675호(이하 '특허문헌 2'라 한다)에 개시된 바와 같이 수송이 정지되어 수송관 내부에 원유나 천연가스가 정체될 때에도 하이드레이트의 생성을 방지하도록 지관 내에 유체를 가열하는 히터를 구비하여 주관 내의 유체가 상기 지관으로 유입되어 히터에 의해 가열된 후 주관으로 회귀되어 주관 내의 유체가 순환되도록 하는 수송관과 같은 기술도 제안된 바 있다.

대한민국 등록특허 제10-1422593호 대한민국 공개특허 제10-2014-0014675호

그러나, 특허문헌 1 내지 2는 수송관에 생성되는 하이드레이트를 방지하기 위하여 수송관으로 별도의 펌프나 히터를 설치하기 위한 작업이 상당히 번거롭고 경제적으로 많은 비용이 발생되는 단점을 가진다.

특히, 비교적 길이가 긴 수송관에 상기한 추가적인 설비를 구축하기에는 전술한 문제점이 더욱더 커지는 문제점도 가진다.

아울러, 본원에서와 같이 수평 수송관에서 발생되는 slug flow와 관련된 종래의 선행기술은 구체적으로 언급된 바 없다.

상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 주된 목적은 수평 수송관의 내부에 원유의 특성을 고려한 간단한 구조에 의해 원유를 이송하는 과정에서 그 수평 수송관 내에서 발생하는 슬러그 플로우(slug flow) 생성을 최소화할 수 있도록 한 원유 이송용 수평 수송관을 제공하는 데 있다.

본 고안의 다른 목적은 이송시키고자 하는 원유 량에 따라 유동 교란을 최소화할 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 고안은 원유를 수평 상태로 이송시키는 과정에서 슬러그 플로우의 생성을 최소화하기 위한 수평 수송관으로서, 상기 수평 수송관의 내부에 원유가 이송되는 과정에서 유동 교란이 일어나지 않으면서 가스와 액체가 분리된 상태로 이송이 이루어질 수 있도록 소정 간격으로 이격된 한 쌍의 분리 격판;을 포함한다.

상기 분리 격판은 수평선 상으로 나란하게 위치한다.

상기 분리 격판은 소정 간격으로 이격된 각 끝단이 하부 측에서 상향으로 경사지게 형성된다.

상기 분리 격판은 소정 간격으로 이격된 각 끝단이 상부 측에서 하향으로 경사지게 형성된다.

상기 분리 격판은 원유의 이송 량에 비례하여 상기 수평 수송관의 내측면 중간이나 상부 또는 하부에 선택적으로 형성된다.

본 고안은 수평 수송관의 내부에 원유의 특성을 고려한 간단한 구조에 의해 원유를 이송하는 과정에서 그 수평 수송관 내에서 발생하는 슬러그 플로우 생성을 최소화할 수 있도록 함으로써, 수평 수송관 내에서의 원유 이송이 원활하게 이루어질 수 있는 효과를 가진다.

또한, 간단한 구조로 인해 수평 수송관으로의 적용이 용이하게 이루어져, 기존의 수평 수송관에도 간편하게 적용하여 사용할 수 있는 효과도 가진다.

또, 이송시키고자 하는 원유 량에 따라 유동 교란을 최소화할 수 있도록 함으로써, 설치 위치나 설치 장소에 따라 적절한 수평 수송관을 적용할 수 있도록 함에 따라 원유 이송의 효율성을 극대화할 수 있는 효과도 갖는다.

도 1은 본 고안을 설명하기 위한 일부 절개 사시도,
도 2는 도 1에 따른 정단면도,
도 3은 본 고안에 따른 액체가 분리 격판의 하부와 상부 측에서 이송되는 상태를 설명하기 위한 단면도,
도 4는 도 3의 액체가 분리 격판의 상부 측에서 흐를 때 표면 속도를 도시한 그래프 및 단면도,
도 5는 본 고안의 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면도 및 원유가 이송되는 상태를 설명하기 위한 단면도,
도 6은 본 고안의 또 다른 실시 예를 설명하기 위한 단면도 및 원유가 이송되는 상태를 설명하기 위한 단면도,
도 7은 종래 수평 수송관에서의 Flow Regime Map를 도시한 그래프,
도 8은 종래 수평 수송관에서의 가스와 액체의 2-Phase Flow를 도시한 일부 단면도,
도 9는 종래 수평 수송관에서의 Slug Flow의 생성 과정 및 형태를 도시한 일부 단면도이다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 본 고안이 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 고안을 설명하기 위한 일부 절개 사시도이며, 도 2는 도 1에 따른 정단면도이고, 도 3은 본 고안에 따른 액체가 분리 격판의 하부와 상부 측에서 이송되는 상태를 설명하기 위한 단면도이다.

도시된 바와 같이 원유를 수평 상태로 이송시키는 과정에서 슬러그 플로우의 생성을 최소화하기 위한 수평 수송관(1)를 개시한다.

본 고안은 수평 수송관의 내부에 원유의 특성을 고려한 간단한 구조에 의해 원유를 이송하는 과정에서 발생하는 슬러그 플로우(slug flow) 생성을 최소화할 수 있도록 하는 데 있다.

본 고안에 따른 상기 수평 수송관(1)의 내부에 원유가 이송되는 과정에서 유동 교란이 일어나지 않으면서 가스와 액체가 분리된 상태로 이송이 이루어질 수 있도록 소정 간격(s)으로 이격된 한 쌍의 분리 격판(10);을 포함한다. 상기 분리 격판(10)은 수평선 상으로 나란하게 위치한다.

다시 말해서, 상기 수평 수송관(1)의 내부에 소정 간격으로 이격된 한 쌍의 분리 격판(10)은 소정 간격(s) 이격된 틈에 의하여 다상 유동 흐름의 높이에 따른 압력 차이로 인한 수평 이송관 내부에서 유동 교란이 발생하지 않는 역할을 함에 따라 원활한 유동 흐름을 가지게 된다.

즉, 다상의 경계면의 위치가 상기 분리 격판(10)의 하부에 존재할 경우 가스와 액체의 경계면 윗쪽에 위치한 분리 격판(10)이 물리적인 경계 조건으로 작용하여 wave의 생성을 억제하게 됨으로써, 유동 교란을 최소화할 수 있는 것이다.

한편, 다상의 경계면의 위치가 상기 분리 격판(10)의 상부에 존재할 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 액체의 표면속도(Superficial velocity)를 변경하는 조건으로 인해 슬러그 플로우의 생성을 억제하게 된다. 즉, 상기 분리 격판(10)의 하부에서 흐르는 액체는 이상 유동이 거의 없는 상태로 흐르게 되고, 상기 분리 격판(10)의 상부에 위치한 액체의 표면에서만 일부의 유동 교란이 발생함에 따라 최소한의 유동 교란만이 발생하게 된다.

그에 따라 전체적인 수평 수송관(1)에서의 전체적인 유동 교란은 현저하게 저감시킴으로써, 슬러그 플로우 생성을 최대한 억제할 수 있는 조건을 가지게 된다.

그리고, 상기 수평 수송관(1)의 내부에 구비되는 분리 격판(10)의 높이는 개발 유전에서 해당 수평 수송관을 지나는 다상 유동의 유동 견실성 해석을 바탕으로 추정할 수 있다. 즉, 슬러그 플로우는 가스와 액체의 표면 속도(superficial velocity) 비가 특정 조건을 만족할 때 생성되는 데 유동 견실성 해석을 통해 해당 유전 개발에서 슬러그 플로우가 생성되는 조건을 찾을 수 있다. 이렇게 찾아진 결과는 gas volume fraction 또는 Liquid Volume Fraction으로 정의할 수 있는데 이를 바탕으로 액체가 전체 수평 수송관 내부를 차지하는 비율을 바탕으로 적정한 분리 격판의 높이를 계산할 수 있다.

그에 따라 상기 분리 격판은 원유의 이송 량에 비례하여 상기 수평 수송관의 내측면 중간이나 상부 또는 하부에 선택적으로 형성하는 것이 바람직하다.즉, 원유의 이송 량이 많을 경우에는 분리 격판을 수평 수송관의 내부 상부에 위치시키고, 원유의 이송 량이 적을 경우에는 분리 격판을 수평 수송관의 내부 하부에 위치시킨다. 그로 인해 원유가 이송되는 과정에서 발생되는 유동 교란을 이송되는 원유의 량에 따라 최대한 감소시킬 수 있는 조건을 가지게 된다.

이로써, 수평 이송관이 설치되는 위치나 장소에 따라 내부에 구비되는 분리 격판의 위치를 정확하게 위치시켜 유동 교란을 최소화할 수 있도록 한다.

아울러, 동일한 장소에서도 이송시키고자 하는 원유의 이송 량에 따라 내부에 구비되는 분리 격판의 높이가 다른 여러 수평 이송관을 구비하여 필요에 따라 적합한 수평 수송관을 교체하여 사용하여도 무방하다.

또한, 상기 분리 격판 사이의 소정 간격으로 이격된 틈은 분리 격판으로 나눠진 수평 수송관 내부의 상부와 하부의 압력을 일정하게 유지시켜 원활한 유동 흐름을 가질 수 있다.

아울러, 본원 고안에서 제안하는 분리 격판은 설치되는 위치의 높이 및 소정 간격으로 이격된 틈의 간격 뿐만 아니라 설치 시 최적의 효과를 위해 일정 각도를 가지는 것이 바람직한 것으로, 첨부된 도 5 및 도 6을 참조하면 다음과 같다.

다시 말해서, 수평 수송관의 내부에 유동 교란을 발생시키지 않도록 형성되는 분리 격판은 전술한 수평선 상으로만 형성되는 것이 아니라 원유의 이송 량이나 설치되는 장소나 조건 등에 따라 일정 각도로 경사지게 설치할 수 있도록 한다.

분리 격판(10)은 도 5에서와 같이 소정 간격으로 이격된 각 끝단이 하부 측에서 상향으로 경사지게 형성할 수 있음은 물론 도 6에서와 같이 소정 간격으로 이격된 각 끝단이 상부 측에서 하향으로 경사지게 형성된다.

이렇게, 상향 또는 하향으로 경사지게 형성되는 상기 분리 격판에 의하여 수평 수송관에서 이송되는 원유의 량에 따라 유동 형상 또한 다양하게 구현할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 분리 격판이 상향 또는 하향으로 형성되는 분리 격판의 유동 교란은 전술한 수평선 상에 나란하게 구비되는 분리 격판과 동일한 작용을 함에 따라 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

따라서, 본 고안은 복잡한 구조를 가지거나 별도의 장비를 장착하는 것이 아니라 이송시키고자 하는 원유의 특성을 고려하여 수평 수송관 내의 간단한 구조에 의하여 원유를 이송하는 과정에서 발생하는 슬러그 플로우(slug flow) 생성을 최소화시킴으로써, 원활한 이송이 이루어질 수 있는 조건을 가진다.

1 : 수평 수송관
10 : 분리 격판

Claims (5)

1. 원유를 수평 상태로 이송시키는 과정에서 슬러그 플로우의 생성을 최소화하기 위한 수평 수송관으로서,
   상기 수평 수송관의 내부에 원유가 이송되는 과정에서 유동 교란이 일어나지 않으면서 가스와 액체가 분리된 상태로 이송이 이루어질 수 있도록 소정 간격으로 이격된 한 쌍의 분리 격판;을 포함하되,
   상기 분리 격판은 수평선상으로 나란하게 위치하면서 원유의 이송량에 비례하여 상기 수평 수송관의 내측면 중간이나 상부 또는 하부에 선택적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원유 이송용 수평 수송관.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 분리 격판은 소정 간격으로 이격된 각 끝단이 하부 측에서 상향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 원유 이송용 수평 수송관.
4. 제1항에 있어서,
   상기 분리 격판은 소정 간격으로 이격된 각 끝단이 상부 측에서 하향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 원유 이송용 수평 수송관.
5. 삭제

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