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동우 위
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1 공학석사학위논문 심해석유생산시스템 시뮬레이션구현에관한연구 Study of Implementation of Simulation for Subsea Production System 지도교수박주용 2012 년 2 월 한국해양대학교대학원 조선해양시스템공학과 임영진

2 本論文을任榮眞의工學碩士學位論文으로認准함. 위원장 : 공학박사조효제 ( 인 ) 위원 : 공학박사박주용 ( 인 ) 위원 : 공학박사남종호 ( 인 ) 2012 년 2 월 한국해양대학교 대학원

3 목차 List of Tables List of Figures Abstract I II III 제 1 장서론 연구배경 연구목표 2 제 2 장심해석유생산시스템 심해석유생산의과정 심해석유생산시스템의주요구성품과역할 4 제3장객체지향정보모델링 객체지향모델링기법 (OMT : Object Modeling Technique) 객체와클래스 UML(Unified Modeling Language) UML 다이어그램 18 제4장석유생산시스템의시뮬레이션 시뮬레이터의의의 시뮬레이터모델링 심해석유생산시스템의 layout 시뮬레이션의구현방법 심해석유생산시뮬레이션 29 제 5 장결론 33 참고문헌 34

4 List of Tables Table. 1 밸브의종류와그역할 6 Table. 2 해상광구개발시고려사항 26 - I -

5 List of Figures Fig. 1 석유 source별생산현황및단기전망 1 Fig. 2 심해와천해의시추투자현황및전망 1 Fig. 3 광구개발과정 3 Fig. 4 심해석유생산시스템장비의분류 4 Fig. 5 X-mas tree의종류 5 Fig. 6 HXT의구조 6 Fig. 7 Manifold 7 Fig. 8 Jumper 7 Fig. 9 Pipeline End Termination 8 Fig. 10 Flowline 8 Fig. 11 Umbilical, Umbilical Termination Assembly 9 Fig. 12 Stage of Object Oriented Technique 10 Fig models of Object Oriented 11 Fig. 14 One-to-one association and links 14 Fig. 15 Many-to-many association 14 Fig. 16 Example of aggregations 15 Fig. 17 Multi-level aggregation 15 Fig. 18 Aggregation of system 16 Fig. 19 Example of Generalization and Inheritance 17 Fig. 20 UML 다이어그램의 class diagram 18 Fig. 21 Class diagram of system 19 Fig. 22 심해석유생산시스템의 sequence diagram 20 Fig. 23 X-mas tree의모델링 22 Fig. 24 Manifold의모델링 23 Fig. 25 Pipeline End Termination의모델링 24 Fig. 26 Umbilical Termination Assembly의모델링 24 Fig. 27 심해석유생산시스템의 layout 26 Fig. 28 시뮬레이션구현의방법 27 - II -

6 Fig. 29 Particle의이동 28 Fig. 30 심해석유생산시뮬레이션 29 Fig. 31 정상상태 30 Fig. 32 정상상태의결과 30 Fig. 33 문제상황 1 31 Fig. 34 문제상황 1의결과 31 Fig. 35 문제상황 2-1 ( 밸브조정無 ) 32 Fig. 36 문제상황 2-2 ( 밸브조정有 ) 32 Fig. 37 문제상황 2-1의결과 32 Fig. 38 문제상황 2-2의결과 32 - III -

7 Study of Implementation of Simulation for Subsea Production System Young-jin Lim Division of Naval Architecture and Ocean Systems Engineering Graduate School of Korea Maritime University Abstract The purpose of this study is implementation of the simulation for subsea production system. Subsea production system is installed under the environment of high pressure and low temperature. Most of processes of production are proceeded in the subsea equipments. Therefore, the understanding and study of subsea production system is very difficult because people cannot observe the process directly. The simulation system can be a solution for this difficulty. In this research the information models and 3-D graphic model for the subsea equipments were built using the object-oriented technology and 3-D CAD. The entire system was implemented with help of simulation software, 3-DVIA Virtools. The simulation system of subsea production system was tested with several scenarios of production process. The test results showed that the simulation system is very useful for the understanding of subsea production system and can be a good education tool. - IV -

IHS(Information Handling Services) 에의하면 2007년을기준으로석유의잔존매장량중해양석유가약 24% 를차지하고가스의경우에는같은해를기준으로해상가스의비중이약 43% 를차지한다. 현재해양석유생산은전세계석유생산의약 35% 를차지하고있다.

8 제 1 장서론 1.1 연구배경 1953년도맥시코만에지금과같은현대적인장비로유전을본격적으로개발하면서해저석유개발시대가본격적으로시작되었다. 초기에는해안 200m 안쪽인대륙붕에서의개발이이루어졌다. 시간이지나대륙붕에남은매장량이점점고갈되고 2008년도에는한때유가가배럴당 140달러를기록하면서심해의석유도경제성이있는것으로평가되었다. 따라서해양자원개발은연안을넘어서점점심해로나가고있다. IHS(Information Handling Services) 에의하면 2007년을기준으로석유의잔존매장량중해양석유가약 24% 를차지하고가스의경우에는같은해를기준으로해상가스의비중이약 43% 를차지한다. 현재해양석유생산은전세계석유생산의약 35% 를차지하고있다. 그리고 2007년심해석유생산량은전체의 6% 수준이지만 2012년까지 10% 로증가할것으로예상되며이후지속적으로성장하는유일한부문이될것으로 Douglas-Westwood는전망하고있다. Fig. 1 석유 source 별생산현황 및단기전망 Fig. 2 심해와천해의시추투자현황 및전망 상부구조물도석유생산에중요한역할을하지만, 특히심해생산에서는해저 에설치하는 subsea system 의역할이중요하다. Subsea system 의장비는심 - 1 -

9 해저환경을고려하여높은수준의플랜트설계및엔지니어링기술과유지관리등고도의첨단기술개발이필수적이며, 이러한기술은해저플랫폼에서각종구조물및설비의이송, 접합, 고정등극한기술로서특화경쟁력을가지고있어잠재력이매우크다고할수있다. 해저석유생산장비는가격이매우비싸고구입한다하더라도실제해저에서작동하는환경을구현할수없어작동원리를알기어렵다. 또한하나의장비는다른장비와연동하여움직이고, 연동되는시스템은거대하며실제장비의작동원리, 작동방법, 장비간의연동성을교육하는것이어려운현실이다. 또한위에언급한장비에대한이해와그시설물들에대한배치가매우중요하여극히제한된회사만이설계가가능하다. 이와같은이유로우리나라에서관련기술에대한연구개발과교육이미미한실정이다. 1.2 연구목표 심해에서일어나는생산과정은주위의환경이열악하여접근이불가능하다. 이는실제로석유가생산되는과정을직접관찰할수없다는말과동일하다. 하지만심해에서일어나는생산과정을알기위해서는시각적인접근이효과적일것이다. 그리고해저에설치하는작업은비용이높은경우가대부분이며이를단시간내에끝낼필요가있다. 이를위해서배치설계이후이를검증하기위해 3차원의가상환경을이용하여검증하는작업이필수적이라할수있다. 이와같이심해에서일어나는생산과정을알고 3차원의가상환경을구현하기위해서해저에설치되는 subsea system의 well, x-mas tree, manifold, flowline, umbilical cable, umbilical termination assembly(uta) 등과같은주요장비들을중심으로각장비들의특징, 작동원리를고려하여모델링을수행한다. 그리고장비들간의상호관계를이해하기쉽게표현하며해저석유의생산과정을시뮬레이션으로구현한다

10 제 2 장심해석유생산시스템 2.1 심해석유생산의과정 석유를생산할때주로쓰이는표현은 광구를개발한다. 라는표현이다. 이는탄화수소 ( 석유 ) 가매장되어있을것이라고예상되는구역을확보, 탐사, 개발하여지하에서지상으로탄화수소를끌어올리는일련의과정이다. 심해에서석유를생산하는광구개발과정은천해와크게다르지않다. 하지만서론에서언급한것과같이심해저환경을고려하여장비의종류와세부적인설치방법등이조금씩차이가있다. 기본적인광구의개발과정은다음의그림과같다. Fig. 3 광구개발과정 - 3 -

11 2.2 심해석유생산시스템의주요구성품과역할 심해석유생산장비의설계와작동은산업계, 국가적, 국제적표준에의해규정된다. 이규정들은석유생산산업에오랜전통을가지고있는미국, 유럽국가들이주도하고있다. 그종류로는노르웨이해양규정 (NORSOK Standard), 국제표준화기구 (International Standard Organization, ISO), 국제전기표준회의 (International Electronical Committee, IEC) 등이있다. 심해석유생산시스템의장비는안정성과실적이중요하게생각하기때문에심해석유생산장비를설계하고생산하는곳은소수이며수요가공급을초과하는현상이나타난다. 이와같은점때문에심해석유생산시스템장비산업은초기진입장벽이매우높은산업이라고할수있다. 이와같은심해석유생산시스템의장비를크게생산과정장비, 수송과정장비, 제어장비로나누어생각해볼수있으며경우에따라 IOR(Increase Oil Recovery) 장비도추가할수있다. 하지만 IOR 장비는아직설치된곳이많지않아고려하지않기로하였다. 따라서장비들을분류에따라다음의그림으로나타내었다. 그리고각장비에대해설명하도록한다. Fig. 4 심해석유생산시스템장비의분류 - 4 -

12 2.2.1 X-mas tree X-mas tree 는 wellhead 상부에설치되며수심, 설치위치, borehole 의직경, 유정의압력등에따라다양한종류가있다. Fig. 5 X-mas tree 의종류 X-mas tree 의기능은다음과같다. l l l l l l l l l 원유의생산제어바다와유정의안전경계안전하게생산하는것이나유체의주입을중단유정이나 flowline에화합물주입 Downhole 밸브들의제어를가능하게함 Downhole 게이지들의전기적통신을가능하게함 Annulus의초과압력을빼냄 Choke를통해흐름을일정하게유지유정의간섭을가능하게함 X-mas tree 의최우선적인고려사항은안전이다. 폭발이나유출은큰재앙을 불러올수있기때문이다. 이와같은사항때문에위험요소제어를위한다양한 밸브가있다

13 Fig. 6 HXT 의구조 원유나가스의흐름을조절하거나차단할수있는밸브의종류와역할은다 음과같다. Table. 1 밸브의종류와그역할 밸브 Surface Controlled Subsurface Safety Valve (SCSSV) Production Master Valve (PMV) Production Wing Valve (PWV) Annulus Master Valve (AMV) Annulus Wing Valve (AWV) Production Choke Valve 역할 Production tube에설치되는밸브로써유정차단의첫번째밸브원유나가스의흐름을차단하는밸브 Annulus 영역의압력을차단하는역할 을하는밸브원유나가스의유량을제어하여생산량을조절하는밸브 - 6 -

또한 x-mas tree를공급하는업체에서일괄적으로 manifold까지공급한다. Jumper는해저장비를서로연결하는관이며, 유연식과강체관중에선택적으로사용이가능하다.

14 2.2.2 Manifold, jumper Manifold는통상 4~10개의유정으로부터뽑아올린원유를모아서 flowline 으로전달하는역할을수행한다. 주요구성은대형배관과차단밸브로구성된다. 그리고해저에서 manifold를지지와수평을맞추기위하여다양한하부구조가있으며심해에서는보통 Suction Pile Foundation을이용한다. 또한 x-mas tree를공급하는업체에서일괄적으로 manifold까지공급한다. Jumper는해저장비를서로연결하는관이며, 유연식과강체관중에선택적으로사용이가능하다. 다만, 부식이적은재질과고온고압에대응할수있는모양으로제작되는것이일반적이다. 그리고보통수면에서해저까지수직으로하강시켜서로연결시켜설치한다. 그러므로 x-mas tree와 manifold간의거리와설치방법에따라길이와형상을결정한다. Fig. 7 Manifold Fig. 8 Jumper - 7 -

Flowline을설치는전용선박을이용하여 S-lay, J-lay, Reel-lay 공법등을이용한다.

15 2.2.3 Flowline, Pipeline End Termination(PLET) Flowline은처리설비까지저류층생산물을수송하는관로이며, pipeline이라고부르기도한다. 전체공사비의 1/4 이상을차지하며안정적인생산물수송을위하여단열혹은가열설비를포함하기도한다. Flowline을설치는전용선박을이용하여 S-lay, J-lay, Reel-lay 공법등을이용한다. 이와같은 pipeline의끝단부에는 pipeline end termination이설치되어있다. 이장비는특별한기능은없으며 pipeline과다른장비가 jumper를통해효과적으로연결할수있도록 pipeline을마무리하는형상을가지고있다. Fig. 9 Pipeline End Termination Fig. 10 Flowline - 8 -

2.2.4 Umbilical, Umbilical Termination Assembly(UTA) Umbilical은해양엔지니어링에사용되는복합케이블의통칭이다. 해저장비에연결되어, 장비에전원을공급하거나제어하고모니터링장비의신호를전송하는역할을한다. 내부구성은상황에따라다양하게조합될수있다.

16 2.2.4 Umbilical, Umbilical Termination Assembly(UTA) Umbilical은해양엔지니어링에사용되는복합케이블의통칭이다. 해저장비에연결되어, 장비에전원을공급하거나제어하고모니터링장비의신호를전송하는역할을한다. 내부구성은상황에따라다양하게조합될수있다. Umbilical 의설치는 Flowline의설치와마찬가지로다양한방법이사용되지만보통 Reel-lay 공법을이용한다. Umbilical의끝단부에는 Umbilical Termination Assembly(UTA) 라는장비가설치되어있다. 이는 umbilical 내부의다양한신호와화합물을알맞게분산시키는역할을한다. Fig. 11 Umbilical, Umbilical Termination Assembly - 9 -

17 제 3 장객체지향정보모델링 3.1 객체지향모델링기법 (OMT : Object Modeling Technique) 객체지향모델링기법은구조화된모델을사용하여실세계에서일어나는여러문제들에대해생각하는새로운방법으로객체 (Object) 를기본구조로한다. 객체지향모델은문제의이해, 작업자간의의사소통, 문서화그리고프로그램과데이터베이스의설계에유용하다. 공통적인속성 (Attribute) 을지니는객체 (Object) 를하나의클래스 (Class) 로정의하고, 링크 (Link), 연관화 (Association), 일반화 (Generalization), 상속 (Inheritance), 집단화 (Aggregation) 등을이용하여클래스와클래스또는객체와객체간의관계를정의한다. 객체지향모델링기법을사용하여실세계의문제를해결하는과정은 Fig. 12에나타난 4 단계로이루어진다. Fig. 12 Stage of Object Oriented Technique 첫번째단계는실세계의문제를분석하여문제해결을위한시스템구현의가능성및구현방법에대한판단을하게된다. 두번째는시스템의전반적인구조를결정하는단계로서각서브시스템들의구성과그기능에대한결정이이루어진다. 다음으로세번째에서두번째단계까지구성된모델에대하여상

18 세한내용을모델링하게되며시스템에서필요한객체및클래스를비롯한속성 (Attribute), 기능 (Operation) 그리고객체들의상관관계에대해서모델링한다. 마지막네번째단계에서는이전단계에서모델링된객체와클래스의속성 (Attribute), 기능 (Operation) 등을이용하여문제해결을위한소프트웨어또는하드웨어를구현하게된다. Fig. 13에나타낸것과같이모델링단계에서는객체모델 (Object Model), 동적모델 (Dynamic Model), 기능모델 (Functional Model) 의 3가지의모델이사용된다. 이모델들은서로완벽히독립되지는않지만큰범주에서그자신만으로검토, 이해될수있으며다른모델간의상호접속은제한되며명시적이다. Fig models of Object Oriented Object Model 객체모델은시스템에서객체의구조 ( 주체성, 다른객체와의관계, 속성및기능 ) 를나타내며, 동적모델과기능모델이위치하게될필수적인 framework 를제공한다. 객체모델은 object class들을포함한 Object diagram으로표현되며 class는각 object instance에의해동반되는속성값과수행하는기능 (operation) 을정의한다

19 3.1.2 Dynamic Model System을모델링할때시간의흐름에따른객체와그관계의변화를고려하는관점을 Dynamic modeling이라고한다. Dynamic model은 state diagram으로표현되며, 각 diagram은시스템에서한클래스에대해허용된상태와사건의결과를보여준다 Functional Model 기능모델 (Functional Model) 은시스템이언제, 어떻게하는지는전혀고려하지않으며무엇을하는지를포착하여 value의변환과관련된시스템측면을나타낸다. Function은 Dynamic model 안에서동작으로선언되어지고, object model에서는 object의 operation과같이나타난다

20 3.2 객체와클래스 객체 (Object) 객체는어떤대상에대한 concept, 추상적개념그리고뚜렷한경계와명확한의미를갖는구체적인개념을말한다. 객체는다른객체와구별되어독립적이며유일하다. 이러한객체는서로구분하기위한하나의객체명과하나이상의속성 (Attribute) 으로구성되어있다 클래스 (Class) 클래스는동일한속성 (Attributes) 과기능 (Operations) 을갖는객체들의집합을의미한다. 클래스와객체가가지고있는객체명, 속성에더하여기능 (Operations) 이라는요소를가진다. 이기능 (Operations) 은클래스로부터생성될객체의구체적인거동을나타내는역할을한다 링크 (Link) 와연관화 (Association) 링크 (Link) 와연관화 (Association) 는개체와클래스사이에관계를형성하는것을의미한다. 링크는객체사이의물리적, 개념적인연결으로연관화의객체라고할수있다. 즉, 연관화는공통적인구조와의미를가진링크의집단을나타낸다. 모든링크는같은클래스의개체를연결한다. 연관화는보통특정방향을나타내지만근본적으로양방향성을지닌다. Fig. 14는일대일 (1:1) 의링크와연관화를나타내고있다. Class diagram에서 Country와 City라는클래스사이에 Has-capital이라는연관화를형성하였고, Instance diagram에서나타난링크의집합과일치한다. 의미가분명할경우링크와연관화의이름은생략될수있다

21 Fig. 14 One-to-one association and links Fig. 15 은다대다 (n:n) 의링크와연관화를나타내고있다. Line 클래스와 Point 클래스는 2 개이상의 (2+) 의 Line 객체가교차 (Intersects) 하는곳에 Point 클래스의객체가존재하는연관화 (Association) 를이루고있다. Fig. 15 Many-to-many association

22 3.2.4 집단화 (Aggregation) 집단화 (Aggregation) 는연관화 (Association) 의특별한형태로연관화가대개독립적인데비하여부분-전체로강하게묶여진관계를의미하며 a-part-of" relationship이라고할수있다. 집단화는 Fig. 16과같이 association의끝에다이아몬드모양으로표기한다. Fig. 16 Example of aggregations 또한 Fig. 17 와같이다수의부분을조합할수있다. Fig. 17 Multi-level aggregation Fig. 18은앞서설명한집단화개념을생산과정장비에적용한다이어그램이다. Production system은 wellhead, X-mas tree, manifold 장비의각클래스와집단화관계를맺고있으며, 그중 X-mas tree 클래스는 choke, frame, tree body, valve 클래스와다시집단화관계를맺고있다

23 class production system production system + Number_of_Cluster Wellhead + Diameter + Height X-mas tree + Tree_type + Production() Manifold + Input_number + Output_number + Pipe_diameter + Control_flow() Choke Frame Tree body Valv e + Regulate_flow() + Length + Height + Width + Diameter + Direction + Connector_type + Pressure + Close() + Connect_with_wellhead() Disk + Hole_size + Thickness Stem + Length Actuator + Type + Stem_diameter + Move_stem() Fig. 18 Aggregation of system 일반화 (Generalization) 와상속 (Inheritance) 일반화와상속은 class 사이의차이는보호하고유사성은공유하기위해추상화하는단계라할수있다. 유사한속성들을포함하고있는상위클래스 (Superclass) 와독특하게구별되는속성을포함한하위클래스 (Subclass) 로구분하는것이일반화이며상속은하위클래스가상위클래스로부터추출된공통적인속성과기능을물려받는것을말한다. 일반화는 "a-kind-of" 또는 is-a" relationship 이라고할수있으며, Superclass에서 subclass로연결하는부분을삼각형으로표기한다

24 class X-mas tree class transfer system Valv e + Pressure + Close() Production + Production PLET + Diameter + Connector_type + Switch_flow() Annulus + Annulus Horizontal - Horizontal_connector Vertical - Vertical_connector Fig. 19 Example of Generalization and Inheritance

25 3.3 UML(Unified Modeling Language) UML은객체지향분석과설계용의모델링언어이다. 기존의객체지향방법론과함께제안되어모델링언어표기법의표준화를목적으로한것이다. 주로미국의레셔널소프트웨어 (Rational Software) 사에서방법론의통일과표준화작업에전념한결과 1997년 11월에 UML 1.1이객체관련표준화기구인객체관리그룹 (OMG) 에의해표준으로채택되었다. UML은객체지향을기반으로하는시스템의시각적인모델을만들어내는그래픽표기법을포함한다. 때문에요구분석, 시스템설계, 시스템구현등의과정에서생길수있는개발자상호간의의사소통의불일치를해소할수있다. 또한산업계표준으로채택되었기때문에 UML을적용한시스템은신뢰성이있다. UML은현재도계속계정중이며 2011년현재 UML 2.3 까지공식적으로배포되었다. 3.4 UML 다이어그램 Fig. 20 은 UML 2.2 의 14 가지종류의다이어그램을 class diagram 으로나타낸 그림이다. Fig. 20 UML 다이어그램의 class diagram

26 Fig. 20과같이 UML 다이어그램은크게시스템의구조적인측면, 행동적인측면에서나누어생각할수있다. 이논문에서는심해석유생산시스템의구조적인체계를 class diagram으로작성하고시스템의장비가어떻게상호작용하며작동하는지 sequence diagram으로나타내었다 Class diagram Fig. 21 의 class diagram 은모델링된시스템의일부또는전체에대한구조 를나타내는다이어그램이다. 시스템에서필요한객체들의관계를나타내어시 스템의정적인구조를파악하게한다. class Subsea production system Subsea Production System + Run() production system + Number_of_Cluster transfer system + Transfer_oil() Control system + Control() Pipe + Diameter Frame Manifold + Input_number + Output_number + Pipe_diameter Wellhead + Diameter + Height X-mas tree + Tree_type + Production() Flowline + Diameter Jumper + Diameter + Connector_type + Material PLET + Diameter + Connector_type + Switch_flow() Umbilical + Diameter UTA + Number of distribution + Type + Control_flow() + Number of connector Valv e Production Valv e Choke Frame Tree body Vertical Horizontal + Type + Open() + Close() + Production + Pressure + Close() + Regulate_flow() + Length + Height + Width + Diameter + Direction + Connector_type - Vertical_connector - Horizontal_connector + Connect_with_wellhead() Annulus + Annulus Stem Disk Actuator + Length + Hole_size + Thickness + Type + Stem_diameter + Move_stem() Fig. 21 Class diagram of system

27 3.4.2 Sequence diagram 심해석유생산을진행할때심해석유생산시스템의장비가서로주고받는 신호를명확히이해하기위해서 sequence diagram 을다음과같이작성하였다. sd Class Model Wellhead Tree body Production Choke Manifold PLET Change oil flow direction() Check the pressure() Regulate_flow() Control_flow() Transfer oil to platform() Overpressure() Close() Fig. 22 심해석유생산시스템의 sequence diagram

28 제 4 장석유생산시스템의시뮬레이션 4.1 시뮬레이터의의의 시뮬레이션은실제상황에대한모의실험으로써컴퓨터프로그래밍언어를사용해표현한모델을시간의경과에따라변화시켜시스템의동적거동과구조, 운영절차, 의사결정규칙등을효과적으로결정함으로써적절한의사결정과정책수립에도움을주며이러한목적의물리적모델을시뮬레이터 (Simulator) 라고한다. 이러한시뮬레이터는풍동실험이나수조실험과같은모형중심의것, 중심이되는현상의방정식을아날로그계산기로나타내는장치, 디지털계산기와아날로그계산기를결합한장치, 물리현상을똑같은방정식으로나타내는전기현상으로바꾸는직접상사계산기등여러가지이다. 사용목적은연구용, 훈련용, 오락용으로다양하다. 그중에훈련용시뮬레이터가있는데, 이것은비행기나자동차등의조종훈련에서실물을사용하여훈련하는것이경제상 실용상곤란한경우에도움이된다. 이에따라심해석유생산시스템이시뮬레이터를사용해야하는이유는저온고압의상태에서작동하고실제장비의가격이매우높기때문에경제상 실용상곤란한경우에속한다. 또한대부분의과정이구성품내부에서진행되므로외부에서관찰할수없는경우이다. 이를시각화하여직관적으로이해할수있는도구가바로시뮬레이터가될것이다

4.2 시뮬레이터모델링 이연구에서는 CATIA 로모델링을진행하며 2.2 에서설명한구성품을객체지 향정보모델링방법에따라 3.4.1 class diagram 을기준으로모델링을수행하 였다. 4.2.1 X-mas tree X-mas tree 를앞서작성한 class diagram 을기준으로다음그림과같이모 델링하였다.

29 4.2 시뮬레이터모델링 이연구에서는 CATIA 로모델링을진행하며 2.2 에서설명한구성품을객체지 향정보모델링방법에따라 class diagram 을기준으로모델링을수행하 였다 X-mas tree X-mas tree 를앞서작성한 class diagram 을기준으로다음그림과같이모 델링하였다. 심해석유생산시스템에서가장중추적인역할을하는 x-mas tree 는벨브의작동이중요하다. Fig. 23 X-mas tree 의모델링

30 4.2.2 Manifold 복수의 x-mas tree 를통해생산된석유를하나의흐름으로모으는역할을 수행하는 manifold 를다음과같이모델링하였다. 이구성품역시 class diagram 을기준으로모델링하였으며총 8 개의 slot 을가지고있다. Fig. 24 Manifold 의모델링

31 4.2.3 Pipeline End Termination Manifold 를통해하나의흐름으로모인석유는상부구조물로 flowline 으로 이동한다. 이논문에서 manifold 와연결방식은 vertical 타입으로결정하고모 델링을진행하였다. Fig. 25 Pipeline End Termination 의모델링 Umbilical Termination Assembly X-mas tree와 manifold를제어하기위해서는전기적인신호가필요하며유정내부의원활한흐름을위해화학물질을 injection할필요가있을수있다. 이를위해서 umbilical이필요하며 umbilical 내부의신호를알맞게분산시키는장비인 umbilical termination assembly를다음과같이모델링하였다. Fig. 26 Umbilical Termination Assembly 의모델링

32 4.3 심해석유생산시스템의 layout 해상광구개발시고려사항 2.1절에서광구개발과정에대해간략히설명하였다. 이개발과정중에서이논문에서는석유회수부분이중점적으로논의된다. 따라서이부분에알맞게각장비의배치를고려하여진행한다. 이러한배치를정할때에도여러가지고려사항을감안해야한다. 해상광구개발시고려사항은다음과같다. Table. 2 해상광구개발시고려사항 비용광구속성기술적요건정치적요건 투자비용, 운영비용, 굴착비용, 이자비용등온도, 압력, 매장량, 화학조성비, 형상등장비, 공법, 신기술도입여부등환경관련규정, local laws, 광구주선호도등 하지만이논문에서는장비운용에대한시뮬레이터에중점을두고있으므로 비용, 광구속성, 정치적요건은배제하고기술적요건에따라이미개발중인 광구를조사하여원유생산의시나리오와함께적용하는방법으로결정하였다 심해석유생산시스템의 layout 결정 2.3.1에설명한바와같이이미개발중인광구를조사하여이논문의기준이될심해석유생산시스템의 layout 결정하기로한다. 하지만심해석유생산의정의가명확하지않고광구의수가많아일정한기준에따라광구를한정할필요성이있다. 그기준은 심해 의요건과 최신의기술 이적용되었는지를생각할수있다. 따라서이논문의기준이될광구의조건은다음과같다

33 1 수심 1,000m 이상 2 비교적최근에개발된광구일것 3 비교적최근에개발된장비를사용할것 4 비교적최근에개발된생산기술을사용할것 이를고려하여다음 Fig. 와같이 layout 을결정하였다. Fig. 27 심해석유생산시스템의 layout

4.4 시뮬레이션의구현방법 4.4.1 기계적움직임 3DVIA Virtools는각장비와그부속품들을객체로인식하여그에따른시뮬레이션의구현이가능하다.

34 4.4 시뮬레이션의구현방법 기계적움직임 3DVIA Virtools는각장비와그부속품들을객체로인식하여그에따른시뮬레이션의구현이가능하다. 시뮬레이션의기초가되는 building block이란객체를이동, 회전등의다양한효과를부여하여시뮬레이션을진행할수있도록하는구조화된언어라고할수있다. Building block을조합하여 script를구성하며객체의 script 들을모아놓은것을이를 schematic 이라고부른다. 이연구과제에서는각장비에알맞은 script를작성하여원하는작동이나효과를구현하여시뮬레이션을할수있도록한다. Fig. 28 시뮬레이션구현의방법

4.4.2 유체의움직임 석유의움직임을예상한경로만으로표현한다면시뮬레이터로써의미가없다고판단하여 3DVIA Virtools의 particle이라는기능을사용하였다. Particle은본래연기나불꽃같이단시간내에생성되었다가사라지는시각적효과를위해사용된다. 이논문에서는개념을달리하여생성주기와생명주기를조절하여석유의움직임을나타내었다.

Particle은지속시간, 개수, 속도, 무게그리고색깔등을조절할수있다. Deflector는생성된 particle을바운싱시켜경로를수정할수있는요소이다. 그종류로는 box, cylinder, infinite plane, plane, sphere, object가있다. Interactors는 particle의행동, 진로, 외형등을수정할수있는요소이다.

35 4.4.2 유체의움직임 석유의움직임을예상한경로만으로표현한다면시뮬레이터로써의미가없다고판단하여 3DVIA Virtools의 particle이라는기능을사용하였다. Particle은본래연기나불꽃같이단시간내에생성되었다가사라지는시각적효과를위해사용된다. 이논문에서는개념을달리하여생성주기와생명주기를조절하여석유의움직임을나타내었다. Particle을관이나심해석유생산시스템의장비내부를따라이동하게조정하여불규칙적인석유의유동을반영할수있도록하였다. Particle을구성하는요소는 emitters, particles, deflectors, interactors로나뉜다. Emitters는 particle이만들어지는소스이며방향, 생성범위, 온오프및일시정지등을조절할수있다. Particle은지속시간, 개수, 속도, 무게그리고색깔등을조절할수있다. Deflector는생성된 particle을바운싱시켜경로를수정할수있는요소이다. 그종류로는 box, cylinder, infinite plane, plane, sphere, object가있다. Interactors는 particle의행동, 진로, 외형등을수정할수있는요소이다. 그종류로는 disruption, global wind, local wind, magnet, mutation, tunnel, vortex가있다. 이논문에서는 wellhead 안쪽에 emitters를설치하고관과심해석유생산시스템의장비를 deflector로설정하였다. 따라서 wellhead 안쪽에서생성된 particle이 x-mas tree, manifold, jumper등의장비내부를따라이동하며석유의이동경로를표현할수있도록하였다. Fig. 29 Particle 의이동

36 4.5 심해석유생산시뮬레이션 Fig. 30은본연구를통해개발한심해석유생산시뮬레이션의실행화면이다. Subsea production 버튼을통해심해석유생산과정의시나리오와 sequence diagram을구현하였다. 각구성품에알맞은작동과정을직관적으로알수있도록구성하였다. Fig. 30 심해석유생산시뮬레이션 각 PLET 앞에는하나의판을설치하여이판에부딪치는 particle 의개수를 셀수있도록프로그래밍하였으며이개수를통해개략적인생산량과두 PLET 의생산량의비율을가늠할수있다

37 4.5.1 시뮬레이션의활용 본논문에서개발한시뮬레이션을활용하여 3 가지정도의시나리오를생각하 여실행해보았다. (1) 정상상태 첫번째로정상상태일때석유의흐름을관찰할수있도록시나리오를설정 하였다. Fig. 31 정상상태 Fig. 32 정상상태의결과 시뮬레이션을약 5 분 9 초 700ms 실행한결과 PLET 1 과 PLET 2 에도착한 particle 의개수가큰차이가없음을알수있었다. 따라서정상적으로생산이 실행되고있음을알수있다

(2) 문제상황 1 이시나리오는 PLET 1 혹은 manifold에서 PLET로연결되는 jumper에서균열이생기는문제상황을가정해보았다. 대안으로 PLET 2로생산을지속한다고가정하고 manifold의밸브를그림을다음과같이조작하여시뮬레이션을수행하여보았다. Fig.

38 (2) 문제상황 1 이시나리오는 PLET 1 혹은 manifold에서 PLET로연결되는 jumper에서균열이생기는문제상황을가정해보았다. 대안으로 PLET 2로생산을지속한다고가정하고 manifold의밸브를그림을다음과같이조작하여시뮬레이션을수행하여보았다. Fig. 33 문제상황 1 Fig. 34 문제상황 1 의결과 정상상태와비교를위해시뮬레이션을약 5 분 9 초 700ms 동안실행하였고 PLET 1 에도착하는 particle 이없음을확인함으로써 PLET 1 을사용하지않고 석유를생산할수있음을확인할수있었다

39 (3) 문제상황 2 이시나리오는 x-mas tree 중하나가이상이생기거나 manifold 에서 x-mas tree 와연결되는 jumper 에문제가발생한상황을가정해보았다. Fig. 35 문제상황 2-1 ( 밸브조정無 ) Fig. 36 문제상황 2-2 ( 밸브조정有 ) Fig. 37 문제상황 2-1 의결과 Fig. 38 문제상황 2-2 의결과 밸브조정을하지않고약 5 분 9 초 700ms 동안실행한결과두개의 PLET 에도착한 particle 의수차이가 38 로나타났다. 반면에밸브를조정하고실행 한결과차이가 6 으로줄어들어두 PLET 부하의격차가줄었음을알수있다

40 제 5 장결론 본논문에서는심해석유생산시스템의시뮬레이터개발에대해연구하였다. 심해석유생산시스템의구성요소들에관해연구하였으며, 시뮬레이터를개발하기위해시스템을해석하기위한방법론으로객체지향정보모델링방법을사용하였다. 심해석유생산시스템은저온, 고압인환경에설치되며, 대부분의생산과정이구성품의내부에서일어난다. 따라서심해석유의생산과정은직접관찰할수없으며실제장비또한매우고가이므로경제성측면에서어려움이따른다. 이를해결하기위해컴퓨터를통해심해석유생산시스템을가상으로경험할수있는시뮬레이터개발을결정하였다. 심해석유생산시스템의구성품을 3D 모델링툴인 CATIA를통해모델링하여시뮬레이터를구현할 3DVIA Virtools 라는툴에서사용하도록하였다. 3DVIA Virtools를이용하여각구성품의작동을시각화하는과정을거쳐시뮬레이터를개발할수있었다. 이시뮬레이터를통해고가의장비의구입없이도컴퓨터를통해가상으로심해석유생산시스템을경험할수있으며구성품의작동원리와함께작동과정을직관적으로알수있다. 이를관련학과학생들이효율적으로교육을받을수있을것이며, 관련산업에서도심해석유생산의과정과그장비에대해이해를높일수있을것이다. 본연구를통해개발된심해석유생산시스템의시뮬레이터는실제석유의거동을고려하지않고장비의작동과정에중점을두었다. 실제산업계에서도사용할수있는수준의시뮬레이터를제작하기위해서는원유에대한유체의거동과신기술에해당하는 IOR(Increase Oil Recovery) 시스템을시뮬레이터에적용해야할것이다

41 참고문헌 1. 김용욱, 객체지향정보모델을기반으로한 H-Beam 자동절단프로그램및 3차원시뮬레이션연구 한국해양대학교대학원석사논문, 박주용, 조효제, 이지훈, 임영진, 교육용해양플랜트 Rig 굴착시뮬레이션구현, 한국시뮬레이션학회, 제20권제2호, 차태인, 객체지향정보모델에기반한선박조립공정 3차원시뮬레이션에관한연구, 한국해양대학교대학원석사논문, 최한석, 심해석유탐사및개발의검토, 한국해양공학회지, 제22권 4호, 최성윤, 채상원, 한영신, 이칠기, 교육훈련용 3차원항공기시뮬레이터구현, 한국시뮬레이션학회지, 제12권제3호, 한영신, 전동훈, 반도체공정교육을위한교육용컴퓨터모델설계및구현, 한국시뮬레이션학회, 제18권제4호, Einar H. Winther-Larssen, Design of and Electric X-mas Tree Gate Valve Actuator, Master of Science in Engineering Cybernetics, Norwegian University of Science and Technology, James Rumbaugh, Michael Blaha, William Premerlani, Frederick Eddy, William Lorensen, Object-Oriented Modeling and Design, Prentice Hall, 네이버백과사전, Wikipedia,

박주용.hwp

박주용.hwp 한국해양공학회지제 27 권제 3 호, pp 1-7, 2013 년 6 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Journal of Ocean Engineering and Technology 27(3), 1-7, June, 2013 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2013.27.3.001