KR20060031552A - 취수선을 이용한 해양 심층수 취수 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 취수선을 이용하여 대규모 시설공사 및 투자 없이 수심 200m 이하에 존재하는 해양 심층수(深層水) 중에서 원하는 심도(深度)의 심층수를 경제적으로 취수할 수 있는 방법에 관한 것이다.

1: 추(錘) 2:철선(鐵線) 3:연결부위 4: 취수관 5: 탄성형 취수관 6: 철선 감김장치 7: 양수기 8: 취수선(물탱크)

Description

취수선을 이용한 해양 심층수 취수 방법{The Method How To Take The Deep Sea Water Use The Water Tank Ship}

제 1도는 해양 심층수 취수선의 구성도.

제 2도는 해양 심층수 취수용 취수관(4)에 작용하는 힘의 구성도.

제 3도는 심층수 취수용 고장력 취수관(4)의 구성도.

해양 심층수는 통상적으로 태양광(햇빛)이 도달하지 않는 수심 200m이하의 해수를 지칭하며, 이들 해양 심층수에는 수천년 동안 무광, 저온(약 2℃∼9℃), 고압상태에 있었기 때문에 세균이 없고, 인체에 필수적인 무기물 및 다양한 필수 미량원소가 풍부하게 용존되어 있다. 이들 무기물 및 다양한 미량원소는 인체에 필수적인 미네랄의 밸런스를 유지하여 당뇨, 고혈압, 암 등의 질병에 억제 작용이 있는 성분을 포함하고 있는 것으로 알려져 있다.

통상 해양 심층수는 해안선에서 5㎞ 이내에 200m 이하의 해양심층수가 존재하는 지역에서만 취수장 및 취수관을 이용한 취수가 가능하며, 200m 이하의 수심이 해변에 서 5㎞ 이상 이격될 경우에는 양수기의 능력상 취수가 불가능하며, 고심도(高深度)에서 발생하는 높은 수압에 견디기 위한 특수한 취수관을 필요로 한다. 이와 같이 해변에 취수장을 건설하는 방법은 취수가능 지역의 제한과 높은 투자비용을 필요로 한다. 특히 우리나라는 해양 특성상 해안선에서 5㎞ 이내에 200m 이하의 해양심층수가 존재하는 지역이 고성, 울릉도 등 몇 개 지역으로 한정된다.

본 발명은 해양 심층수를 취수하기 위한 취수장 건설의 지리적 제한과 원하는 수심(水深)에 대한 접근 제한을 극복하기 위해 취수선을 이용하는 방법에 관한 것이다. 이를 위해서는 200m 이하의 수심, 50기압 이상의 압력에서도 인장력 및 원통형의 형태를 유지할 수 있는 취수관(4)을 운용하며, 이 파이프와 취수선을 연결하여 해양 심층수를 취수선의 물탱크(5)로 양수하는 것이다. 이와 같이 취수선을 이용한 해양심층수 취수 방법은 취수선을 해양 심층수가 존재하는 원하는 수심으로 이동하여 취수관(4)을 하강시킴으로써 원하는 심도(200m, 500m, 1000m 등)의 해양 심층수를 취수하는 방법으로 지리적 제한 및 취수심도의 문제점을 동시에 극복할 수 있다.

본 발명의 구성을 도면에 의해 설명하면,

제 1도는 해양 심층수 취수선의 구성도로서

그림과 같이 취수선(8)을 이용한 해양 심층수의 취수는 취수시설로부터 5㎞ 이내에 수심 200m 이하의 수심이 존재하여야만 하는 지리적 제한점을 해결할 수 있다. 또한 해양 심층수는 수심이 깊을수록 무기물 및 다양한 필수 미량원소의 용존률이 높고, 세균 등의 불순물이 적은 것으로 알려져 있다. 따라서 보다 양질의 해양 심층수를 획득하기 위해서는 200m 이상, 500∼1000m의 깊은 곳에 존재하는 해양 심층수를 취수하는 것이 필요하다. 그러나 우리나라는 울릉도를 제외하고는 해변에서 취수관을 이용하여 500m 이상 깊이의 해양 심층수를 취수할 수 있는 지역이 거의 없다.

해양 심층수는 수심 200m이하의 해저에서 취수관(4)을 통해 양수기(7)의 힘에 의해 취수선 물탱크(8)로 끌어 올려진다. 이때 해양심층수에 접근하는 취수관(4)에 작용하는 힘은 취수관(4)을 추(1)와 철선 잠김장치(6)에 의해 수직을 유지하는 철선(2)과 결합시킴으로써 해결할 수 있다. 즉 취수관(4)의 모든 하중과 인장력을 철선(1)에 부담시킴으로써 취수관(4)에 작용하는 부하(負荷)를 대부분 소멸시킴으로써 취수관의 형태 변화 및 파괴를 방지할 수 있다(취수관에 작용하는 힘은 그림 2에서 자세하게 설명한다). 또한, 취수선을 2척 활용할 경우에는 해양 심층수의 취수공정 및 육지로의 이동공정을 분리 수행함으로써 보다 대규모의 취수가 가능하며, 배의 이동시 필요한 취수관(4)의 철거 및 재 설치 공정을 생략할 수 있다. 이 경우에는 한 척은 그림과 같은 양수선으로 활용하면서 자체 물탱크에 취수하거나 양수기의 배출관을 또다른 취수선의 물탱크와 연결하여 공급함으로써 공정 효율성을 증대시킨다. 취수선은 통상 넓은 갑판을 보유하고 있는바, 상부 갑판의 넓은 공간에 정수시설을 설치하고 자체 동력을 활용함으로써 해양 심층수 취수와 동시에 취수선에서 음용이 가능한 생수의 생산이 가능하다. 이 경우 취수선 물탱크(8)를 2개 부분으로 분리하여 1개에는 해양 심층수 원수를 적재하고, 다른 1개는 정수 공정을 거친 생수를 저장함으로써 작업공정의 효율성을 기할 수 있다.

본 발명과 같이 취수선을 이용할 경우 취수지역의 지리적 제한점 및 취수 심도(深度)의 문제점을 동시에 해결함으로써 원하는 위치에서 원하는 심도(深度) 특히 고심도(高深度)의 해양 심층수를 경제적으로 취수할 수 있다.

제 2도는 해양 심층수 취수용 취수관(4)에 작용하는 힘의 구성도로서

왼쪽 그림은 해양심층수가 존재하는 200m 이하의 수심에서 취수관(4)에 작용하는 힘의 방향 및 크기를 설명하고 있다. 이들 힘들은 크게 수압에 의해 파이프 외부에서 내부로 향하는 힘(A)과 내부에 채워진 수압에 의해 외부로 향하는 힘(B), 그리고 취수관 무게와 수압에 의해 관을 해저로 끌어당기는 힘(C)으로 나눌 수 있다.

통상 바닷물에서 1m 깊이로 들어갈 때마다 100g/㎡의 수압이 작용한다. 따라서 200m 수심에서는 20㎏/㎡의 수압이, 500m에서는 50㎏/㎡의 수압이 작용한다.

따라서 수심에 따라 취수관(4)에 작용하는 힘은 다르겠지만, 일례로 수심 500m에서 취수관(4)에 가해지는 힘 A, B, C를 계산해 보면 취수관(4) 외부에서 내부로 가해지는 힘(A)과 내부에서 외부로 가해지는 힘(B)은 50㎏/㎡으로 동일하여 취수관(4)의 원통형 형태를 변형시키는 힘으로는 작용하지 않는다(만약 취수관(4)의 끝이 밀봉되어 있을 경우 즉 내부에 물이 없을 경우에는 내부에서 외부로 작용하는 힘 B가 없는 상태에서 파이프 외부에서 내부로 향하는 힘(A)만이 360°각 방향에서 50㎏/㎡ 이상의 힘으로 작용함으로써 특수한 재질의 파이프를 제외하고는 원통형의 형태를 유지할 수 없다). 다만 취수관(4) 재질의 내 외면 양면에 동시에 50㎏/㎡의 힘이 작용함으로써 총 압력은 100㎏/㎡의 힘이 작용하나 통상적인 PVC재질의 상수도 관도 이 힘을 견딜 수 있다.

다음으로 취수관(4)의 종 방향(선박에서 해저 방향)으로 작용하는 인장력(C)은 파이프의 길이(x)를 500m, 자체하중(P)을 2㎏/m, 반지름(R)을 0.1m로 가정하고, 통상적인 수압 증가 즉, 수심 1m 당 100g/㎡의 수압이 증가하는 것을 적용할 경우

0m∼500m까지의 파이프에 작용하는 인장력의 합계는

P㎏ + πR²* INT _{ 0}^{ 500} 100x dx g/㎡으로서

1000㎏ + 3.14 * 0.1²㎡ * 12,500,000g/㎡ = 1,393㎏ 이다.

오른쪽 그림에서는 바다의 해류(동해 약 1m/sec) 및 파도 등에 의해 작용하는 힘 과 이에 따른 취수관의 형태 변화 및 피로증가 예상 지점을 나타낸다.

우선 D1, D2와 같이 해류가 작용할 경우에는 취수관(4)이 S자(字) 형태(4-1)로 변화하여 취수구는 심층수 한계인 수심 200m보다 Lm 만큼 위로 올라가게 되어 심층수를 취수할 수 없게 된다(취수관의 초기 투입시 해수면에서 부력에 의해 직하강이 어려운 상황도 직면할 수 있다). 또한 취수관은 배와 연결부위 및 S자(字) 굴곡부위에 외부의 힘이 작용함으로써 관의 형태변화 및 막힘, 병목현상, 팽창 등이 발생하여 관이 터지거나 찢어질 수 있다.

D3의 해류가 발생할 경우에는 경사각의 취수관이 전후좌우로 흔들려서 4-2 형태의 취수관으로 변형될 수 있으며, 이때도 취수구의 위치가 Lm만큼 올라가고, 배와 취수관의 접합부위에 외부의 힘이 작용함으로써 전자와 마찬가지로 관의 형태변화 등 고장이 발생할 수 있다.

따라서 그림 1에서와 같이 적당한 무게의 추(1)와 철선 감김장치(6)를 철선(2)으로 연결함으로써 해류, 파도, 인장력 등 외부에서 작용하는 힘에도 불구하고 철선(2)을 배와 수직상태로 유지할 수 있다. 이 철선(2)에 부착된 취수관(4)은 D1, D2의 해류 및 파도에도 불구하고 직선형태를 유지할 수 있으며 해양 심층수를 취수하는 기능을 수행할 수 있다. 또한 해수면 윗부분의 취수관은 고강도 고무관과 같은 탄성이 있는 재질로 구성함으로써 D3의 해류 발생 시 배와 취수관의 접합부위에 작용하는 힘을 제거 또는 수용함으로써 취수관의 고장을 예방할 수 있다.

제 3도는 심층수 취수용 고장력 취수관(4)의 구성도로서,

해양 심층수가 존재하는 심도(深度)에 도달하기 위한 취수관(4)은 상대적으로 강한 인장력을 필요로 한다. 즉 500m 수심에서 취수관(4)에 가해지는 인장력 1,393㎏ 이상의 하중을 감당하여야 한다. 또한 부력, 해류, 파도 등의 영향을 강하게 받는 취수관을 심층수에 최단거리로 도달시키기 위해서는 수직상태로 유지가 필요하며, 이를 위한 추(1)의 연결이 필수적이다. 따라서 취수관은 자체의 하중 및 추의 하중을 동시에 감당하여야 하나, 이 하중은 취수관만으로 감당하기에는 어려움이 있으며, 특히 200m∼1000m 길이의 긴 취수관(4)은 20∼30m 간격의 짧은 관을 연결시킨 상태이기 때문에 특히 하중에 취약하다. 따라서 깊이에 따라 점증하는 인장력을 감 당하기에는 파이프만으로는 어려움이 있다. 이들 하중 및 인장력(C)을 대신 감당하기 위해 그림과 같이 취수관(4)을 바닷물에 녹슬지 않도록 PVC 등으로 외부를 도장한 철선(2)과 결합시킴으로써 가능하다. 통상 시중에서 판매되는 지름 2㎝ 정도의 철선은 약 20톤 이상의 인장력을 가지고 있다(철선 지름을 늘리거나, 철선을 2개 이상을 중복 운용함으로써 인장력을 증가시킬 수도 있다). 따라서 그림 1에서와 같이 해류 및 파도 등에 관계없이 배와 수직상태를 유지할 수 있도록 추(1)를 부착한 철선(7)을 하강시키면서 이 철선에 20∼30m 간격의 연결부위로 취수관(4)을 부착, 고정시킨다. 이와 같은 결합은 취수관(4)의 하중 및 인장력은 철선(7)이 담당하고, 심층수를 취수하는 기능은 취수관(4)이 분리하여 담당토록 한다. 만약 취수관을 해체할 경우에도 일반 배에서 닻(anchor)을 끌어올리듯이 모터의 동력을 이용하여 철선을 감김장치(6)로 끌어올림으로써 부착되어 있는 취수관(4)을 인양할 수 있다. 즉 철선에 20∼30m 결합 간격으로 부착되어 있는 취수관을 인양하기 위해서는 철선(7)을 20∼30m 끌어올린 후 이에 부착된 취수관(4)의 연결부분을 분리하고, 다시 철선을 20∼30m 끌어올리고, 파이프를 분리하는 과정을 반복함으로써 해체가 가능하다.

본 발명의 효과는 다음 7가지로 나눌 수 있다.

1. 취수선을 이용하여 취수지역으로 이동함으로써 해변의 취수시설로부터 5㎞

이내에 200m 이하의 수심이 있어야 하는 지리적 제한점을 해결할 수 있다.

2. 해양 심층수가 위치하는 바로 위의 배에서 취수관(4)을 하강시켜 원하는

수심(200m. 500m, 1000m 등)에 접근시킴으로써 해변 취수시설 설치 대비

파이프 길이, 설치공정, 양수 능력 면에 저비용 고효율을 기대할 수 있다.

3. 해변의 고정 취수시설 대비 저비용 투자로 고심도(高深度)의 해양심층수

취수가 가능하여 무기물 및 다양한 필수 미량원소의 용존률이 높고, 세균

등의 불순물이 적은 양질의 해양 심층수를 획득할 수 있다.

4. 취수선 상부 갑판의 여유 공간과 동력을 활용하여 정수시설을 설치함으로써

해양심층수 취수와 동시에 음용이 가능한 생수 생산이 가능하다.

5. 추에 의해 직선을 유지하는 고인장력의 철선에 취수 파이프를 부착시킴으로써

파이프의 자체 하중 및 높은 수압(인장력), 그리고 해류 및 파도 등에 의해

발생하는 취수 파이프의 변형 및 파괴를 방지할 수 있다.

6. 취수선의 신규제작 및 이미 활용중인 취수선에 취수 파이프를 연결하는

개조를 통해 해양심층수의 취수가 가능하여 경제적이다.

7. 고장 등으로 인해 취수 파이프의 철수 및 재 설치 필요시 철선의 인양 및

하강과 동시에 취수파이프의 신속한 분리, 장착이 가능하여 고정설비 대비

고장수리 시간과 비용이 저렴하다.

Claims (3)

1. 추(1)의 하중으로 배와 수직상태를 유지하는 고인장력의 철선에 취수 파이프를 부착하여 하강시킴으로써 해류, 수압(인장력), 취수관의 하중 등의 힘에 의한 취수관의 변형 및 파괴를 방지하면서 원하는 깊이의 해양심층수에 도달할 수 있는 해양심층수 취수용 고장력(高張力) 취수관.
2. 청구항 1과 물탱크를 장착한 취수선을 결합시킴으로써 취수관의 길이를 조절하는 방법으로 500m, 1000m 등 원하는 심도(深度)의 해양심층수를 취수하는 방법.
3. 취수선 상부갑판에 자체 동력을 활용하는 정수장비를 설치함으로써 청구항

   2를 통해 취수한 해양 심층수를 취수와 동시에 정수하여 음용이 가능한 생수를

   생산하는 방법.

Images