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희라 원
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1 한국해양공학회지제 27 권제 3 호, pp 1-7, 2013 년 6 월 / ISSN(print) / ISSN(online) Journal of Ocean Engineering and Technology 27(3), 1-7, June, Subsea 생산시스템시뮬레이션에관한연구 박주용 * 조효제 * 이승재 * * 한국해양대학교조선해양시스템공학부 Study on Simulation of Subsea Production System Ju Yong Park*, Hyo Jae Jo* and Seung Jae Lee* *Division of Naval Architecture and Ocean Systems Engineering, Korea Maritime University, Busan, Korea KEY WORDS: Subsea production system 심해석유 / 가스생산시스템, Object modeling technique 객체지향모델링기법, Unified modeling language 객체지향모델링언어, Simulator 시뮬레이터 ABSTRACT: The purpose of this study was the implementation of a simulation for a subsea production system. This subsea production system is installed under environments with high pressure and low temperature. Most of the processes for oil and gas production occur in the subsea equipment. Therefore, an understanding and study of subsea production systems is very difficult because people cannot directly observe the processesoccurring in the subsea production system. A simulation system can be a useful solution for this difficult problem. In this research, information models and a 3 D graphic model of the subsea equipment were built using the object oriented technology and 3 D CAD. The entire system was implemented with the help of simulation software, 3 DVIA Virtools. The simulation system forthe subsea production system was tested using several production process scenarios. The results of the tests showed that the simulation system is very useful for understanding a subsea production system and could be a good educational tool. 1. 서론 Subsea 생산시스템은해저석유자원을생산하기위해해저면에설치되는석유 / 가스생산시설을의미한다. 해저석유 / 가스생산시설은해상생산설비에비해충분한공간확보가가능하고해상의처리설비를해저로옮길수록생산성및경제성이높아져그필요성과관련산업이꾸준한증가추세에있다. Subsea 생산시스템시장은 2009년연간 180억달러에서 2013년에는약 300억달러에이를것으로추정되며이규모는해상생산설비의 2~3배에이르는규모이다. 그리고 2007년심해석유생산량은전체의 6% 수준이지만 2012년에는 10% 에이르고, 그이후에도지속적으로성장할것으로추정하고있다 (Choi, 2008). Subsea 생산시스템은수백m 에서수천m에이르는심해저의극한환경에서운용되는만큼시스템및각구성품의설계및제작, 엔지니어링기술, 설치와유지관리등에서고도의첨단기술이요구된다. 현재이러한기술을보유하고있는업체는미국및유럽의극소수업체뿐이며이들이시장을독점하고있고기술의공개를철저히차단하고있어상세한기술내용이알려지지않은부분이많은실정이다 (Damsleth et al., 2012). 최근국내에서도 Subsea 생산시스템의고부가가치성과높은시 장성장성을인식하여정부및산업계에서 Subsea 생산시스템관련기술개발에많은관심을기울이고투자를시작하고있다. 그러나아직은극한환경에서작동되는 Subsea 시스템에대한기술력부재와전문인력의부족및높은시장진입장벽으로인해많은어려움을겪고있으며아직 Subsea 시스템의핵심구성품을설계또는제작한실적이전무한실정이다. Subsea 석유 / 가스생산장비는엄청난고압하에서수십년의내구성을확보해야하기때문에특수한소재로제작되며손상에대비한이중또는삼중의안전장치를포함하고있어유사한기능을하는육상또는해상장비에비해훨씬크고구조도매우복잡하다. 또한각장비는서로연동되어하나의 Subsea 시스템을구성하여연동시스템의규모가매우크고해저에서운용되므로각장비의작동원리, 작동방법및장비간의연동성을파악하기가쉽지않다 (Li et al., 2012). 본연구는 Subsea 시스템의핵심구성품인 Wellhead, X-mas tree, Manifold, Flowline, Umbilical cable, Umbilical termination assembly(uta), Pipeline end termination(plet), Jumper 등의구조와작동원리및방법을분석하여객체지향정보처리기법을이용하여정보모델을정립하고이를바탕으로 3차원형상모델을구축하였다. 또한각구성품간의상호연동관계를 Received 6 February 2013, revised 12 April 2013, accepted 10 June 2013 Corresponding author Ju Yong Park: , jypark@hhu.ac.kr c 2013, The Korean Society of Ocean Engineers 1

2 박주용 조효제 이승재 분석하여 PC의가상환경에 Subsea 생산시스템시뮬레이터를구축하였다. 이시뮬레이터에실제의석유 / 가스생산과정을토대로작성된시나리오를적용하여 Subsea 원유생산과정을가시적인방법으로구현하였다.

1 과같이생산과정장비, 수송과정장비, 제어장비로나누어생각해볼수있으며경우에따라 IOR(Increase oil recovery, 원유증진회수 ) 장비도추가할수있다. 하지만 IOR 장비는아직설치된곳이많지않아고려하지않기로하였다. 각장비들의기능과특징들을다음절에서간단히살펴본다. 2.

Annulus 의초과압력을빼내고 Choke를통해흐름을일정하게유지하는등안전과관련된많은역할들을담당하고있다. X-mas tree의가장우선적인기능은유정의변동압력등으로인한, 큰재앙으로연결될수있는, 사고를예방하는것이다. 이를위해 Fig. 2와

그리고해저면에서 Manifold를지지하고수평을맞추기위하여다양한하부지지구조물이사용되며, 심해에서는보통 Suction pile foundation을이용한다. 또한통상적으로 X-mas tree를공급하는업체에서일괄적으로 Manifold 까지공급한다.

2 2 박주용 조효제 이승재 분석하여 PC의가상환경에 Subsea 생산시스템시뮬레이터를구축하였다. 이시뮬레이터에실제의석유 / 가스생산과정을토대로작성된시나리오를적용하여 Subsea 원유생산과정을가시적인방법으로구현하였다. 또한특정구성품이손상되거나문제가발생하여사용할수없을경우에도그상황에적절하게원유생산을계속할수있는방법을찾아냄으로써본시뮬레이터의유용성을검증하였다. 2. Subsea 생산시스템 2.1 Subsea 생산시스템의구성 Subsea 석유 / 가스생산시스템을위한장비들은크게 Fig. 1 과같이생산과정장비, 수송과정장비, 제어장비로나누어생각해볼수있으며경우에따라 IOR(Increase oil recovery, 원유증진회수 ) 장비도추가할수있다. 하지만 IOR 장비는아직설치된곳이많지않아고려하지않기로하였다. 각장비들의기능과특징들을다음절에서간단히살펴본다. 2.2 X-mas tree의구조및기능 X-mas tree는 Wellhead 상부에설치되어있는장비로, 주요기능으로는석유 / 가스의생산을제어하고, 바다와유정의안전경계역활을한다. 또한유정이나 Flowline에화합물을주입하고, Downhole 밸브들을제어하기도한다. Annulus 의초과압력을빼내고 Choke를통해흐름을일정하게유지하는등안전과관련된많은역할들을담당하고있다. X-mas tree의가장우선적인기능은유정의변동압력등으로인한, 큰재앙으로연결될수있는, 사고를예방하는것이다. 이를위해 Fig. 2와같이다양한밸브로구성되어있다 (Winther-Larssen, 2007). 2.3 Manifold와 jumper Manifold 는통상 4~10개의유정으로부터뽑아올린원유를모아서 Flowline으로전달하는역할을수행한다. 주요구성은대형배관과차단밸브로구성된다. 그리고해저면에서 Manifold를지지하고수평을맞추기위하여다양한하부지지구조물이사용되며, 심해에서는보통 Suction pile foundation을이용한다. 또한통상적으로 X-mas tree를공급하는업체에서일괄적으로 Manifold 까지공급한다. Jumper 는해저장비를서로연결하는관이며, 유연식과강체관중에선택적으로사용이가능하다. 다만, 부식이적은재질과고온고압에대응할수있는모양으로제작되는것이일반적이다. 그리고보통수면에서해저까지수직으로하강시켜서로연결시켜설치한다. 따라서 X-mas tree와 Manifold간의거리와설치방법에따라길이와형상을결정한다. 2.4 Flowline과 Pipeline End Termination(PLET) 처리설비까지저류층생산물을수송하는관로인 Pipeline의끝단부에는 PLET가설치되어있다. 이장비는특별한기능은없으며 Pipeline과다른장비가 Jumper 를통해효과적으로연결할수있도록 Pipeline을마무리하는형상을가지고있다. Fig. 1 Categorized subsea production system Fig. 3 Manifold Fig. 2 Horizontal X-mas tree Fig. 4 Jumper

Subsea 생산 시스템 시뮬레이션에 관한 연구 3 3. Subsea 생산 시스템의 객체지향 모델링 3.

객체지향 모델은 문제의 이해, 작업 Fig. 5 Pipeline end termination 자간의 의사소통, 문서화 그리고 프로그램과 데이터베이스의 설 계에 유용하다.

5 Umbilical Termination Assembly(UTA) Umbilical의 끝단부에는 UTA라는 장비가 설치되어 있다.

3 Subsea 생산 시스템 시뮬레이션에 관한 연구 3 3. Subsea 생산 시스템의 객체지향 모델링 3.1 객체지향 모델링 기법 객체지향 모델링 기법은 구조화된 모델을 사용하여 실세계에 서 일어나는 여러 문제들에 대해 생각하는 새로운 방법으로 객체 (Object)를 기본 구조로 한다. 객체지향 모델은 문제의 이해, 작업 Fig. 5 Pipeline end termination 자간의 의사소통, 문서화 그리고 프로그램과 데이터베이스의 설 계에 유용하다. 공통적인 속성(Attribute)을 지니는 객체를 하나 Fig. 6 Flowline 2.5 Umbilical Termination Assembly(UTA) Umbilical의 끝단부에는 UTA라는 장비가 설치되어 있다. 이 는 Umbilical 내부의 다양한 신호와 화합물을 알맞게 분산시키는 역할을 한다. 해양 엔지니어링에 사용되는 복합케이블인 Umbilical은 Subsea production system의 다양한 구성품들을 작동 및 통신하기 위한 여러 종류의 케이블들을 포함하고 있는데 해저면에 닿게 되는 Umbilical 의 끝단에 UTA가 설치된다. UTA는 Umbilical 내부의 다양한 부 속케이블을 필요로 하는 각 장비들에게 분산시키는 역할을 한다. Fig. 8 Class diagram of subsea system Fig. 7 Umbilical and umbilical termination assembly

4 4 박주용 조효제 이승재 Fig. 9 Sequence diagram of subsea production system 의클래스 (Class) 로정의하고, 링크 (Link), 연관화 (Association), 일반화 (Generalization), 상속 (Inheritance), 집단화 (Aggregation) 등을이용하여클래스와클래스또는객체와객체간의관계를정의한다 (Rumbaugh et al., 1991). Subsea 생산시스템의객체지향정보모델링은객체지향모델링언어인 UML(Unified modeling language) 을사용하여수행되었다. UML 은시스템의구성과기능, 작동과정을다이아그램을통해기술할수있는기능을가지고있어시스템의요구분석과설계및시스템구현을용이하게할수있다 (Choi, 2008). 3.2 Subsea 생산시스템의객체지향모델링 2장에기술된 Subsea 생산시스템의구성체계, 각구성품의구조및기능은 UML의다이아그램을활용하여기술하였다. Fig. 8은 2.1절에언급된 Subsea 생산시스템의구성체계를 UML의클래스다이아그램으로나타낸그림이다. 2.1절에언급된바와같이 Subsea 생산시스템의클래스다이아그램은생산, 운송및제어의 3부분의조합으로되어있으며각장비는해당장비의부품의조합으로모델링되어있다. Fig. 9는 Subsea production system을통해이루어지는해저원유생산과정을, 각장비가어떻게상호작용하며작동하는지를기술하는 Sequence diagram으로나타낸것이다. 4. Subsea 생산시스템의시뮬레이션 4.1 Subsea 생산시스템의 layout 본논문에서구현한 Subsea 생산시스템은 4개의유정 (Wellhead) 이있는광구를대상으로하여 Fig. 10과같이각유정에설치된총 4개의 X-mas tree, 이를통해서수송된기름 / 가스가모이는 1개의 Manifold, 해상플랫폼으로채굴한기름 / 가스를 Fig. 10 The layout and particle flow of subsea production system 올려주는 2개의 PLET, 각 X-mas tree와 Manifold, Manifold 와 2개의 PLET를연결하는총 6개의 Jumper 로구성되어있다. 4.2 시뮬레이션구현방법본연구에서는원유생산과정의시뮬레이션을위해 DELMIA 사의시뮬레이션툴인 3DVIA Virtools을사용하였다. 이는각장비와그부속품들을객체로인식하여그에따른시뮬레이션의구현이가능하다 (Park et al., 2011; Park and Kim, 2012). Manifold 의구조는 Fig. 11과같이 4개의 X-mas tree로부터흘러들어오는 Inlet과두개의 PLET으로흘러나가는 Outlet 이있고, 총 8개의밸브를통해흐름을제어하도록되어있다. 이때각 X-mas tree를통해흘러들어온흐름은각각두개의밸브를통해 PLET1과 PLET2로통하는흐름을제어하도록되어있

Subsea 생산시스템시뮬레이션에관한연구 5 Fig. 12 Manifold s structure modeled by 3DVIA Virtools Fig. 11 Schematic diagram of valves in the manifold 해석유 / 가스생산시스템의장비를 Deflector 로설정하였다.

석유 / 가스의움직임을예상한경로만으로표현한다면시뮬레이터로써의미가없다고판단하여 3DVIA Virtools의 Particle이라는기능을사용하여불규칙적인석유 / 가스의유동을반영할수있도록하였다. Particle을구성하는요소는 Emitters, Particles, Deflectors, Interactors 로나뉜다.

5 Subsea 생산시스템시뮬레이션에관한연구 5 Fig. 12 Manifold s structure modeled by 3DVIA Virtools Fig. 11 Schematic diagram of valves in the manifold 해석유 / 가스생산시스템의장비를 Deflector 로설정하였다. 따라서 Wellhead 안쪽에서생성된 Particle이 X-mas tree, Manifold, Jumper 등의장비내부를따라이동하며석유 / 가스의이동경로를표현할수있도록하였다. 다. Fig. 12는 Virtools를이용해구현한 Manifold 의구조도이다. 석유 / 가스의움직임을예상한경로만으로표현한다면시뮬레이터로써의미가없다고판단하여 3DVIA Virtools의 Particle이라는기능을사용하여불규칙적인석유 / 가스의유동을반영할수있도록하였다. Particle을구성하는요소는 Emitters, Particles, Deflectors, Interactors 로나뉜다. Emitters 는 Particle이만들어지는소스이며방향, 생성범위, 온오프및일시정지등을조절할수있다. Particle은지속시간, 개수, 속도, 무게그리고색깔등을조절할수있다. Deflector 는생성된 Particle을바운싱시켜경로를수정할수있는요소이다. 그종류로는 Box, Cylinder, Infinite plane, Plane, Sphere, Object 가있다. Interactors 는 Particle의행동, 진로, 외형등을수정할수있는요소이다. 그종류로는 Disruption, Global wind, Local wind, Magnet, Mutation, Tunnel, Vortex가있다. 이논문에서는 Wellhead 안쪽에 Emitters 를설치하고관과심 4.3 심해석유 / 가스생산시뮬레이션개발된시뮬레이터는 Subsea production 메뉴를통해심해석유 / 가스생산과정의시나리오를생성하고그에필요한 Sequence diagram 을구현하도록하였다. 이때, 각장비및장비간의상호작용에해당하는작동과정은직관적으로파악될수있는 GUI(Graphical user interface) 를사용하여구현하였다. 각 PLET 앞에는하나의판을설치하여이판에부딪치는 Particle의개수를셀수있도록프로그래밍하였으며이개수를통해개략적인생산량과두 PLET간의생산량의비율을추정할수있다. 이기능을통해본논문에서개발한시뮬레이터를활용하여 3가지의시나리오를구현하여실행하였다 정상상태제일먼저, 정상상태일때석유 / 가스의흐름을관찰할수있는시나리오를설정하였다. Fig. 13에서보는바와같이 Mani- Fig. 13 The normal condition and the results

6 박주용 조효제 이승재 fold내의모든밸브는열린상태이며 Mmanifold 와 PLET들간의 Jumper 는정상적으로흐름이유지되고있다. 이러한상황을약 5분 9초 700ms 동안시뮬레이션한결과 PLET1과 PLET2에도착한 Particle의개수가큰차이가없음을알수있었다. 따라서이경우는생산이정상적으로실행되고있음을나타낸다. 4.3.

6 6 박주용 조효제 이승재 fold내의모든밸브는열린상태이며 Mmanifold 와 PLET들간의 Jumper 는정상적으로흐름이유지되고있다. 이러한상황을약 5분 9초 700ms 동안시뮬레이션한결과 PLET1과 PLET2에도착한 Particle의개수가큰차이가없음을알수있었다. 따라서이경우는생산이정상적으로실행되고있음을나타낸다 문제상황 1 이시나리오는 PLET1 혹은 Manifold 에서 PLET1으로연결되 는 Jumper 에서균열이생기는문제상황을가정해보았다. 이경우, 대안으로 PLET2로생산을지속한다고가정하고 Manifold 의밸브들을 Fig. 14에서보는바와같이절반이닫히도록하여시뮬레이션을수행하여보았다. 정상상태와의비교를위해시뮬레이션을약 5분 9초 700ms 동안실행하였고 PLET1에도착하는 Particle이없음을확인하였다. 이로써 PLET1을사용하지않게된경우, PLET2 만을사용하여석유 / 가스를생산할수있는시나리오를구현하여시뮬레이션할수있었다. Fig. 14 The 1st problematic situation and the results Fig. 15 The 2nd problematic situation and the results (Before valve adjustment) Fig. 16 The 2nd problematic situation and the results (After valve adjustment)

7 Subsea 생산시스템시뮬레이션에관한연구 문제상황 2 이번에는 X-mas tree 중하나가이상이생기거나 Manifold 에서 X-mas tree와연결되는 Jumper 에문제가발생한상황을가정해보았다. 밸브조절을하지않고모두열어둔채약 5분 9 초 700ms 동안실행한결과두개의 PLET에도착한 Particle의수차이가 38로나타났다. 반면에두개의밸브를닫음으로써흐름을제어한결과두개의 PLET에도착한 Particle차이는 6으로줄어들어두 PLET에작용하는부하의격차가줄었음을알수있다. 비구입에따르는비용을절감할수있다. 본시뮬레이터는관련학과학생들을위한효율적인교육에활용될수있을뿐아니라, 관련산업에서도심해석유 / 가스생산에종사하는엔지니어들의장비에대한이해도를높이는데활용될수있다. 본연구를통해개발된생산시스템의시뮬레이터는실제석유 / 가스의거동을고려하지않고장비의작동과정에중점을두었다. 실제산업계에서도사용할수있는수준의시뮬레이터를제작하기위해서는원유에대한유체의거동과신기술에해당하는 IOR 시스템을시뮬레이터에추가적으로적용해야할것이다. 5. 결론 REFERENCES 본논문에서는심해석유 / 가스생산시스템의시뮬레이터개발에대해논의하였다. 이를위해심해석유 / 가스생산시스템의구성요소들에관해논의하였으며, 시뮬레이터를개발하기위해시스템을해석하기위한방법론으로객체지향정보모델링방법을사용하였다. 심해석유 / 가스생산시스템은저온, 고압인환경에설치되며, 대부분의생산과정이구성품의내부에서일어난다. 따라서심해석유 / 가스의생산과정은직접관찰할수없으며실제장비또한매우고가이므로경제적및기술적측면에서설계에많은어려움이따른다. 이를해결하기위해컴퓨터를통해심해석유 / 가스생산시스템을가상으로경험할수있는시뮬레이터를개발하였다. 심해석유 / 가스생산시스템의구성품을 3D 모델링툴인 CATIA 를통해모델링하여시뮬레이션을구현하는 3DVIA Virtools 라는툴에서사용하도록하였다. 3DVIA Virtools를이용하여각구성품의작동을시각화하는과정을거쳐시뮬레이터를개발할수있었다. 본연구에서는 4개의 X-mas tree 와 2개의 PLET만을제어하기위한 Manifold 에대한제어과정을시뮬레이션하였으나, 실제보다복잡한 subsea구성요소들을가지는시스템의경우보다효과적인제어알고리즘을개발하기위해서는본연구에서개발된시스템이적극활용되어야할것이다. 또한이는 Subsea 시스템을최적화 (Optimization) 하는데도활용될수있다. 개발된시뮬레이터를교육에활용할경우컴퓨터를통해가상으로심해석유 / 가스생산시스템을이루는구성품의작동원리와작동과정을직관적으로이해할수있어교육 / 훈련에필요한장 Winther-Larssen, E.H., Design of an Electric X-mas Tree Gate Valve Actuator, Master of Science in Engineering Cybernetics. Norwegian University of Science and Technology. Choi, H.S., Review of Deepwater Petroleum Exploration & Production, Journal of Ocean Engineering and Technology. 22(4), Rumbaugh, J., Blaha, M., Premerlani, M., Eddy, F., Lorensen, W., Object-Oriented Modeling and Design. Prentice Hall. Park, J.Y., Jo, H.J., Lee, J.H., Lim, Y.J., The implementation of Drilling Simulation for Offshore Rig Education. Journal of the Korea Society for Simulation, 20(2), Park, J.Y., Kim, Y.U., A Study on Development of 3-D Simulator for H-Beam Robot Cutting and Optimization of Cutting Using the Simulator. Journal of KWJS, 30(4), Damsleth, P., Abdalla, B., Tang, KC, Challenges and Concept Solutions for 46-inch Diameter Deepwater PLEM Connector Qualification. Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference. ISOPE, Li, Z., Duan M., Wang Y., Dong Y., He, N., An Analytic Method for the Development Mode of Deepwater Oil and Gas Fields. Proceedings of the Twenty-second International Offshore and Polar Engineering Conference. ISOPE,

Youngjin_lim_graduted_thesis.hwp

Youngjin_lim_graduted_thesis.hwp 공학석사학위논문 심해석유생산시스템 시뮬레이션구현에관한연구 Study of Implementation of Simulation for Subsea Production System 지도교수박주용 2012 년 2 월 한국해양대학교대학원 조선해양시스템공학과 임영진 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 (