KR20210130565A - 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

터릿(turret)을 이용하여 일점 계류된 부유식 해양 플랜트의 선미 구역에 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어진 위치에 한 쌍의 쓰러스터(thruster)를 배치하여 동일한 힘으로 직진방향 추력 발생시에도 진행 방향이 기울어지는 것을 방지하고, 제어를 위한 동일한 수학적 모델을 적용할 수 있도록 한 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 해상에서 운항 및 계류될 수 있으며, 선미측 바닥에 선회 가능하게 부착되는 복수의 추진장치를 이용하여 선수각 제어 및 추진을 제어하되, 복수의 추진장치는 선미의 내부 바닥에 계류를 위한 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어져 배치되는 한 쌍의 쓰러스터를 포함하여, 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치를 구현한다.

Description

부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치 및 방법{Propulsion angle and propulsion control device and method of floating offshore plant}

본 발명은 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 터릿(turret)을 이용하여 일점 계류된 부유식 해양 플랜트의 선미 구역에 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어진 위치에 한 쌍의 쓰러스터(thruster)를 배치하여 동일한 힘으로 직진방향 추력 발생시에도 진행 방향이 기울어지는 것을 방지하고, 제어를 위한 동일한 수학적 모델을 적용할 수 있도록 한 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

천연가스는, 육상 또는 해상의 가스배관을 통해 가스 상태로 운반되거나, 또는 액화된 액화천연가스(LNG)의 상태로 LNG 수송선에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화천연가스는 천연가스를 극저온(대략 -163℃)으로 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.

최근에는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)나 LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)와 같은 부유식 해상 구조물에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 이러한 부유식 해상 구조물에도 LNG 수송선이나 LNG RV에 설치되는 저장탱크가 설치되며, 필요에 따라 천연가스를 액화시키거나 LNG를 재기화시키는 장치들이 탑재된다.

LNG FPSO는 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜 저장탱크 내에 저장하고, 필요 시 이 저장탱크 내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 부유식 해상 구조물이다. 또 LNG FSRU는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 수송선으로부터 하역되는 LNG를 저장탱크에 저장한 후 필요에 따라 LNG를 기화시켜 육상 수요처에 공급하는 부유식 해상 구조물이다.

이와 같이 LNG와 같은 액체화물을 해상에서 보관하는 LNG FPSO, LNG FSRU 등의 부유식 구조물은, 터릿이나 요크 무어링과 같은 일점 계류계에 의해 계류된 채 사용될 수 있다. 이와 같은 일점 계류 방식은, 바람, 조류 및 파랑과 같은 환경 외력의 방향이 자주 변하는 해역에서 운용되는 부유식 구조물에 주로 적용되는 계류 방식이다.

일점 계류 방식에 의하면, 부유식 구조물의 계류를 위한 계류삭이 터릿(turret)이라는 장치에 고정되어 이 부유식 구조물의 위치를 유지하는 역할을 한다. 이때 부유식 구조물은 터릿을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있도록 되어 있어서 구조물에 작용하는 외력이 최소가 되도록 부유식 구조물의 방향이 수렴될 수 있다.

부유식 구조물에는 외부 환경에 따라 다양한 외력이 가해진다. 외부로부터 가해지는 외력은 예를 들어 바람, 조류 및 파랑(파도) 등을 들 수 있으며, 일점 계류된 상태의 부유식 구조물은 외부로부터의 다양한 외력의 크기가 최소가 되는 방향으로 자연스럽게 선수각이 안정화된다.

그런데 바람 및 조류가 부유식 구조물에 작용하는 방향과, 파랑(파도)이 부유식 구조물에 작용하는 방향이 서로 다를 경우에는, 선수각이 안정된 상태에서 파랑이 선체의 정면이 아닌 측면에 작용하는 경우가 발생할 수 있다. 이때 파고가 높다면 선체의 운동, 특히 선체가 좌우로 흔들리는 선수 동요(roll motion)가 커지게 된다.

선수 동요가 지나치게 커지게 되면, 부유식 구조물에 설치된 각종 설비들의 가동을 어렵게 만들거나, 저장탱크 내에 심각한 슬로싱 현상을 유발할 수 있으므로 상황에 따라 선수각을 인위적으로 제어할 필요가 있다. 슬로싱이란 선박과 같은 부유체가 다양한 해상 상태에서 운동할 때 저장탱크 내에 수용된 액체 상태의 물질, 즉 LNG가 유동하는 현상을 말하는 것으로, 슬로싱에 의해 저장탱크의 벽면은 심한 충격을 받게 된다.

따라서 부유식 구조물에는 운항(혹은 이동, 피항)시 사용하는 추진장치가 선미에 설치되는 이외에도, 상술한 바와 같이 일점 계류시 선수각을 인위적으로 제어하기 위해 사용하는 또 다른 추진장치(예를 들어, 쓰러스터(thruster))가 선미 좌우 측면에 별도로 설치되고 있다.

부유식 설비에 적용된 쓰러스터의 최초 목적은 선수각 제어였으나, 점차 추진기능이 요구되었다. 부유식 설비를 이동할 때, 특히 야드에서 건조 후 설치장소까지 이동 시 예인선으로 예인하게 되는 데, 예인 시 쓰러스터의 도움을 받아 직진 추력을 발생시켜 예인하는 예인선의 수를 줄이거나 더 빠르게 설치 현장으로 이동하여 공사기간 확보 또는 더 빨리 생산을 시작할 수 있다.

이를 위해 종래에는 도 1에 도시된 <특허문헌 1> 의 기술과 같이, 선미 좌우 측면에 한 쌍의 쓰러스터를 비스듬하게 대각선으로 배치하였다.

부유식 구조물(1)의 선미 부분 바닥에는 한 쌍의 추진장치(3, 4)가 부착되어 있다. 이들 추진장치(3, 4)로서는 제자리에서 선회하면서 추진방향을 변경할 수 있는 아지무스 형식의 쓰러스터(azimuth type thruster)가 사용되는 것이 바람직하지만, 선회가 가능한 것이라면 아지무스 형식의 쓰러스터 이외에도 다양한 추진장치가 사용될 수 있다.

이들 한 쌍의 추진장치(3, 4)는 부유식 구조물(1)의 선미 부분 바닥에 일정한 각도(θ)를 가지도록 대각선 방향으로 서로 비스듬히 설치된다.

이와 같이 서로 비스듬히 배치되는 제1 및 제2 추진장치(3, 4)를 이용하여 부유식 구조물(1)이 운항하는 경우에는, 이들 제1 및 제2 추진장치(3, 4)는 모두 후방을 향하도록 선회되어 있는 상태, 즉 부유식 구조물(1)의 길이방향으로 후방을 향하도록 정렬되어 있는 상태로 추진력을 발생시킨다.

이때, 제2 추진장치(4)가 제1 추진장치(3)보다 선미 쪽에 더욱 가깝게 위치되므로, 모멘트력 차이에 의해 부유식 구조물(1)의 진행방향이 틀어질 우려가 있다. 따라서, 진행방향을 정확하게 맞추기 위해서는, 방향타(도시생략)를 이용하여 부유식 구조물(1)의 진행방향을 보정하는 방법, 제1 및 제2 추진장치(3, 4)의 방향을 조절하여 부유식 구조물(1)의 진행방향을 보정하는 방법, 제1 및 제2 추진장치(3, 4)의 상대적인 추진력의 비를 조절하여 부유식 구조물(1)의 진행방향을 보정하는 방법 등을 활용하여 부유식 구조물(1)의 진행방향을 보정하는 것이 바람직하다.

그러나 이러한 선행기술은 추진 목적으로 사용 시, 직진 방향 진행을 위해 2개의 쓰러스터가 동일한 추력을 발생하게 되면 한쪽으로 기울어진 방향으로 나아가기 때문에 각 쓰러스터의 추력을 다르게 하거나 또는 쓰러스터 방향각을 조절해야 하는 복잡한 제어가 필요하다는 단점이 있다.

아울러 선수각 제어 목적으로 사용 시, 2개의 쓰러스터 위치가 다름에 따라 추력 발생 시 선체의 운동에 미치는 영향이 다르므로, 선수각 제어시스템의 수학적 모델이 달라지며, 이로 인해 각 쓰러스터에 별도의 제어시스템이 필요하며, 2개의 쓰러스터의 동시 운전시 시스템 해석이 복잡해지는 단점도 있다.

또한, 선미 부분의 Machinery space 배치를 좌우 대칭으로 할 수 없어, 중심선(Centerline)을 중심으로 좌우로 다르게 설계해야 하므로 설계 시수가 더 많이 소요되고, 좌우 비대칭으로 인한 weight control이 어렵고, 좌우 비대칭으로 인한 선체 운동 해석이 복잡해지는 등의 단점이 있다.

또한, 쓰러스터가 중심선상에 있지 않음에도 불구하고 선수각 제어를 위해 최대 추력 발생 시 쓰러스터 방향각을 중심선에 수직으로 유지하고 있는 형태이므로, 터릿을 중심으로 한 원운동의 고찰을 보면 최대 추력 발생에 최적화되었다고 볼 수 없다.

대한민국 공개특허 10-2009-0099367(2009.09.22. 공개)(추진 및 선수각 제어를 위한 추진장치를 구비한 부유식구조물 그리고 상기 부유식 구조물의 선수각 제어방법)

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 터릿(turret)을 이용하여 일점 계류된 부유식 해양 플랜트의 선미 구역에 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어진 위치에 한 쌍의 쓰러스터(thruster)를 배치하여 동일한 힘으로 직진방향 추력 발생시에도 진행 방향이 기울어지는 것을 방지하고, 제어를 위한 동일한 수학적 모델을 적용할 수 있도록 한 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치"는, 해상에서 운항 및 계류될 수 있으며, 선미측 바닥에 선회 가능하게 부착되는 복수의 추진장치를 이용하여 선수각 제어 및 추진을 제어하는 장치로서,

상기 복수의 추진장치는 선미의 내부 바닥에 계류를 위한 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어져 배치되는 한 쌍의 쓰러스터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 한 쌍의 쓰러스터는 선내에 위치하면서 상기 터릿의 중심으로부터 가장 멀리 떨어진 곳에 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 한 쌍의 쓰러스터는 선미의 가장자리 중 좌측 코너와 우측 코너에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 한 쌍의 쓰러스터는 선미의 좌우측에 설치된 워터 발라스트 탱크와 인접하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 한 쌍의 쓰러스터는 상기 선미의 좌우 최외각에 설치된 워터 발라스트 탱크와 선미 부분 탱크에 인접하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 "부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어방법"은, 상기 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치를 이용하여 선미측 바닥에 선회 가능하게 부착되는 복수의 추진장치를 이용하여 선수각 제어 및 추진을 제어하는 방법으로서,

상기 선미의 내부 바닥에 계류를 위한 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어져 배치된 한 쌍의 쓰러스터를 이용하여, 터릿 중심을 축으로 하는 원의 접선 방향으로 추력을 발생하여 쓰러스터간 간섭을 회피하면서 운전을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 터릿(turret)을 이용하여 일점 계류된 부유식 해당 플랜트의 선미 구역에 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어진 위치에 한 쌍의 쓰러스터(thruster)를 배치함으로써, 동일한 힘으로 직진방향 추력 발생시에도 진행 방향이 기울어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 터릿을 중심축으로 동일 거리에 한 쌍의 쓰러스터를 배치함으로써, 제어를 위한 수학적 모델을 동일하게 적용할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 종래 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 운전 제어장치를 개략적으로 나타낸 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 운전 제어장치를 개략적으로 나타낸 평면도,
도 3은 본 발명에 제안된 한 쌍의 쓰러스터의 배치도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 운전 제어장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 운전 제어장치를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 3은 한 쌍의 쓰러스터의 배치도이다.

본 발명에 따른 부유식 해양 플랜트(1)는 터릿(turret)이나 요크 무어링과 같은 일점 계류계에 의해 계류된 채 사용될 수 있다.

예를 들어, 부유식 해양 플랜트(1)의 선수 부분에 형성된 터릿(2)에 의해 부유식 해양 플랜트(1)가 일점 계류된 상태가 도시되어 있지만, 본 발명은 부유식 해양 플랜트(1)가 계류되는 방식에 의해 한정되지 않으며 터릿 이외에도 공지된 어떠한 방식에 의해 계류될 수 있다.

부유식 해양 플랜트(1)의 선미 부분 바닥에는 한 쌍의 추진장치인 쓰러스터(5, 6)가 배치되어 있다. 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)는 제자리에서 선회하면서 추진방향을 변경할 수 있는 아지무쓰 형식의 쓰러스터(azimuth type thruster)가 사용되는 것이 바람직하지만, 선회할 수 있는 것이라면 아지무쓰 형식의 쓰러스터 이외에도 다양한 추진장치가 사용될 수 있다.

이들 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)는 부유식 해양플랜트(1)의 선체 내부의 선미 부분 바닥에 계류를 위한 터릿(2)의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어져 좌우 대칭으로 배치된다.

바람직하게, 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)는 선내에 위치하면서 상기 터릿(2)의 중심으로부터 가장 멀리 떨어진 곳에 배치될 수 있다.

여기서 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)는 선체 내부에 위치하는 것을 전제로 한다. 선체와 어떠한 연결 방법을 가지면서 선체 외부에 위치할 수도 있지만, 선체 외부에 구현하기에는 제반 비용이 과다하여, 선체 내부에 위치하는 것이 바람직하다.

이때, 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)의 위치는 선미의 가장자리 중 좌측 코너와 우측 코너에 설치된다. 특히, 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)는 선미의 좌우측에 설치된 워터 발라스트 탱크(7, 8)와 인접하게 설치될 수 있다.

바람직하게, 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)는 상기 선미의 좌우 최외각에 설치된 워터 발라스트 탱크(7, 8)와 선미 부분 탱크(After Peak Tank)(9, 10)에 인접하게 설치될 수 있다.

이렇게 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)를 상기 선미의 가장자리 중 좌측 코너와 우측 코너에 위치하는 것이, 터릿(2)을 중심으로 하는 선체의 원운동에 가장 효율적으로 힘을 전달할 수 있다. 즉, 터릿(2)의 중심으로부터 선내에 위치하면서 가장 멀리 떨어진 곳이 된다. 터릿(2)과 가까워질수록 선체의 선수각 제어를 위한 추력이 더 많이 필요한 것은 자명하다.

통상, 부유식 해양 플랜트(1)를 위한 선체의 가장자리에는 워터 발라스트 탱크(7, 8)가 배치된다. 또한, 선미 구역에는 발전기, 주기기, 보조기기 및 기타 장치를 설치하기 위한 기계실이 배치된다. 따라서 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)의 가장 적절한 위치는 워터 발라스터 탱크(7, 8)가 바로 인접한 선체 내부가 될 것이며, 측면에서 보면 워터 발라스터 탱크와 기계실 사이에 위치하는 것이 바람직하다.

한편, 터릿(2)의 중심점은 선체의 원운동의 중심이 되며, 따라서 선체의 중심선 상에 있는 것이 바람직하다. 또한, 터릿(2)은 외부형(External Type) 및 내부형(Internal Type)이 있는 데, 어느 것이든 상관없이 터릿(2)의 중심에서 가장 멀리 떨어진 지점에 추력을 가하는 것이 힘을 가장 적게 들이고, 에너지 소모 대비 효율적이므로, 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)는 터릿(2)의 중심으로부터 가장 먼 곳에 설치하는 것이 바람직하다.

선수각 제어시 터릿(2)의 중심축으로부터 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)에 이르는 직선에 수직 방향(터릿 중심축을 중심으로 한 원의 접선 방향)으로 최대 추력을 발생하여 선수각을 제어한다. 이때, 원의 접선 방향으로 추력을 발생하기 때문에, 최대 추력 전달시 한쌍의 쓰러스터(5, 6)로 인한 간섭은 발생하지 않는다.

특히, 한 쌍의 쓰러스터(5, 6)가 터릿(2)의 중심축으로부터 동일한 거리에 배치되므로, 각각의 쓰러스터의 제어 시스템에 동일한 수학적 모델을 적용할 수 있어, 기존과 같이 한 쌍의 추진장치가 경사지게 대각선으로 배치됨으로써 각각의 쓰러스터를 제어하기 위한 제어 시스템의 수학적 모델을 달리 적용하는 복잡함도 해소할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

1: 부유식 해양 플랜트
2: 터릿
5, 6: 쓰러스터
7: 좌현 워터 발라스터 탱크
8: 우현 워터 발라스터 탱크
9, 10: 선미 부분 탱크

Claims (6)

1. 해상에서 운항 및 계류될 수 있으며, 선미측 바닥에 선회 가능하게 부착되는 복수의 추진장치를 이용하여 선수각 제어 및 추진을 제어하는 장치로서,
   상기 복수의 추진장치는 선미의 내부 바닥에 계류를 위한 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어져 배치되는 한 쌍의 쓰러스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치.
   
2. 청구항 1에서, 상기 한 쌍의 쓰러스터는 선내에 위치하면서 상기 터릿의 중심으로부터 가장 멀리 떨어진 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치.
   
3. 청구항 1에서, 상기 한 쌍의 쓰러스터는 선미의 가장자리 중 좌측 코너와 우측 코너에 대칭적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치.
   
4. 청구항 1에서, 상기 한 쌍의 쓰러스터는 선미의 좌우측에 설치된 워터 발라스트 탱크와 인접하게 설치되는 것을 특징으로 하는 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치.
   
5. 청구항 1에서, 상기 한 쌍의 쓰러스터는 상기 선미의 좌우 최외각에 설치된 워터 발라스트 탱크와 선미 부분 탱크에 인접하게 설치되는 것을 특징으로 하는 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 하나의 청구항에 기재된 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어장치를 이용하여 선수각 제어 및 추진을 제어하는 방법으로서,
   상기 선미의 내부 바닥에 계류를 위한 터릿의 중심축으로부터 동일 거리만큼 떨어져 배치된 한 쌍의 쓰러스터를 이용하여, 터릿 중심을 축으로 하는 원의 접선 방향으로 추력을 발생하여 쓰러스터간 간섭을 회피하면서 운전을 제어하는 것을 특징으로 하는 부유식 해양 플랜트의 선수각 및 추진 제어방법.
   
   
   
   

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