한국해양환경. 에너지학회지 Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy Vol. 18, No. 1. pp. 29-35, February 2015 Original Article http://dx.doi.org/10.7846/jkosmee.2015.18.1.29 ISSN 2288-0089(Print) / ISSN 2288-081X(Online) 10 MW 급해양온도차발전을위한라이저개념설계 정동호 권용주 김현주선박해양플랜트연구소해양플랜트연구부 Conceptual Design of a Riser for 10 MW OTEC Dongho Jung, Yongju Kwon and Hyeonju Kim Korea Research Institute of Ship and Ocean Engineering 요 약 본연구에서는 10 MW 용라이저의개념설계를수행하며, 수치해석을통하여개념설계안에대한동적거동특성을분석한다. 전체시스템은크게두가지개념으로제안하며, 라이저가자유롭게매달린형상을가지는경우에대하여라이저의단면설계를수행한다. 라이저의단면계수를증가시키고, 비중을조절하기위하여라이저두께에따라중공을형성하는설계안에서는라이저아래끝단에중량체를설치한다. 중공없이균일한 FRP 재질로이루어진라이저는끝단중량체없이자유롭게매달린형상으로설계된다. 두가지설계개념에대하여거동특성분석과안전성평가를위하여동적거동해석을수행한다. 끝단중량체가설치된중공을가지는라이저의응력은중량체의중량에지배되는것을알수있다. 중량체없이자유롭게매달린라이저는강한조류가작용하는환경에서파랑및부유체가진이작용하는경우에, 해수면부근에응력이집중되는것을알수있다. 자유롭게매달린대구경라이저의설계에서조류는매우중요한설계요소라는것을알수있으며, 라이저하부끝단에중량체를설치함으로써응력을일부줄일수있다는것으로나타났다. Abstract The concept design of a riser for Ocean Thermal Energy Conversion in 10 MW is proposed and its dynamic behaviour characteristics is analyzed with numerical method. A riser pipe with a hollow along its thickness in the cross-section to increase the effective modulus of its cross-section is designed considering the manufacture. The riser pipe without hollows along its thickness needs a lumped weight at the bottom end of a riser in order to keep its vertical hanging configuration from large buoyancy and the strong current. The riser is designed to control its density by inserting materials in high or low density into a hollow. The dynamic behaviour characteristics of the two designed risers is evaluated with the developed numerical analysis tool. The combined stress of the riser with a lumped weight is showed to be dominated by weight of a lumped mass. The riser with no hollow shows large combined stress near sea surface by strong current. Local structural analysis for the cross-section of a hollow riser is needed in detail. Keywords: OTEC( 해수온도차발전 ), Large diameter riser( 대구경라이저 ), Conceptual design( 개념설계 ), Numerical study( 수치해석연구 ), Hollow pipe( 중공파이프 ) 1. 서론 해수온도차발전 (Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC) 시스템은심층수의저온열원과표층수의고온열원을이용하여, 작동유체를연속적으로응축과기화시키면서터빈을구동시켜발전하는장치이다 (Kim et al.[2012], Vega and Michaelis[2010]). 해수온도 Corresponding author: dhjung@kriso.re.kr 본연구는 2013 년 한국해양과학기술협의회공동학술대회 발표내용에근간을두고있음을밝힙니다. 차발전시스템의가장큰특징은연속적인심층수와표층수의공급을통하여, 매우안정적인발전을이룰수있다는것이다. 반면, 많은양의표층수와심층수를공급해야하는단점이있으며, 특히심층수는해역에따라수심수백 수천 m 로부터해수를취수해야하기때문에발전을위한기술적인어려움이있다. 해수온도차발전시스템을개발하기위해서는대량의심층수를취수하여해수면부근의발전시스템까지이송하는것이필요하며, 이를위한구조물이라이저이다. 따라서, 대구경라이저의개발이필수적이다. 일반적으로해양자원개발을위하여라이저는다양한형태로개 29
30 정동호 권용주 김현주 발되어활용되고있다. 개발해역의수심및구조물의특징에따라, 강성라이저 (top tension riser) 와유연라이저 (flexible riser) 등이있다. 강성라이저는대부분강재파이프를라이저재질로사용하는데, 강재파이프는대구경라이저로만들기위해기술적, 경제적어려움이있다. 유연라이저는매우유연하며복합재료구성되는데, 가격이매우높으며대구경라이저로만들기에는기술적한계가있다. 최근에는해양자원개발수심이깊이짐에따라, 다양한형태의라이저가개발되고있다. Eom et al.[2014] 등은대수심에서경제적인 SCR (steel catenary riser) 에관한연구를수행하여, 안전성평가를위한국부적좌굴해석을수행하였다. 상부체와의상호연성해석을수행하였으며, 국부적좌굴이치명적인부위에관한집중적인분석을수행하였다. Kim[2013] 은상부끝단에서인장력이가해지는강성라이저에조류가작용하는조건에서와류유기진동해석을수행하였다. 수심에따라유속이다르게나타나는전단류흐름조건에서와류유기진동의효과를분석하였다. Min et al.[2012] 은라이저의손상도추정을위한연구를수행하였으며, 수치해석적방법을이용하여손상의정도와위치를추정하였다. Shi et al.[2012] 는 Lockheed Martin에서설계한 100 MW 해수온도차발전시스템의거동특성을분석하기위하여부유체와라이저의연성해석을수행하였다. 새로운개념의부유체설계안을적용하여부유체와라이저의거동해석을수행하였다. 라이저안전성평가를위하여다양한분야의수치해석적및실험적연구가수행되어왔는데, 라이저의설계에관한연구는흔하지않다. 그이유는라이저설계기술은기관의중요한노하우이기때문에, 외부기관으로기술노출을경계하기때문이다. 특히, 상용화되지않은라이저파이프에관한설계기술은참고문헌을구하기어려운현실이다. 1 MW급해수온도차발전용라이저는상용화된파이프재료를적용할수있으나, 10 MW급라이저는직경이매우크기때문에재료선정부터구조적안전성문제까지다양한사항을검토해야한다. 따라서, 해수온도차발전시스템개발을위해서는새로운개념의재료와형상을가지는라이저의설계에관한연구가필요하다. 해수온도차발전의발전사이클에관한연구는오랜세월에걸쳐서많이수행되어져왔다. 그러나, 해수온도차발전의상용화를위한라이저에관한연구는비교적최근에연구가진행되고있다 (Miller and Ascari[2011]). Lockheed Martin[2010] 는 100 MW급해수온도차발전용직경 10 m 대구경라이저파이프개발을위하여 FRP( 유리강화섬유, Fiber Reinforced Plastic) 재료를바탕으로단면설계를수행하였다. 또한, 단면설계내용을검토하기위하여직경 4(m) 급파이프를연속공정으로제작할수있는시제품을생산하였다. 국내에서는대구경라이저에관한연구는전무한실적이다. 라이저는극한해양환경에서구조적안전성을확보하는것이필수적이며, 또한와류유기진동에의한피로파괴에대한안전성도확보되어야한다. 본연구에서는 10 MW급해수온도차발전용대구경라이저에관한개념설계를수행한다. 대구경라이저를제작할수있는단면형상에대하여고안하며, 고안된단면에대하여라이저의거동해석을 통한거동특성을분석하여안전성을평가한다. 단면형상은두가지경우에대하여고려하여, 단면구성에따른거동특성을비교분석한다. 2. 라이저전체형상개념설계 2.1 10 MW 해수온도차발전용라이저의기초제원결정 해수온도차발전은표층수와심층수가가지는열원을이용하여전기를생산하기때문에, 대량의표층수와심층수를필요로한다. 심층수와표층수의양은발전용량에따라결정되며, 표층수와심층수의수온차에따라취수량이결정된다. 현재지구상의전해역을고려할때, 표층수와심층수의수온차가연중일정하게크게유지되는해역은적도인근의태평양해역으로알려져있다 (Kim, et al. [2011]). 태평양적도해역은표층수와심층수의수온차가연중약 24 o C가발생하는것으로조사되었다. 표층수는해수면부근에서취수되기때문에라이저의제원결정에큰어려움은없으나, 심층수는수심 1000 m 이상의심해에서취수하기때문에취수중관내마찰손실등을고려하여라이저의제원을결정하게된다. 또한, 취수중관내에에어 (air) 생성으로인한캐비테이션 (cavitation) 이발생하지않도록펌프의위치도중요하다. 펌프의용량에따라라이저의내경은일정범위내에서다르긴하지만, 관내유속이 2~3 m/s 정도로발생하도록내경을결정해야한다. 관경이클수록취수유량은일정부분증가될수있지만, 라이저제작비용이증가하여경제성이낮아진다. 반대로관내경이너무작은경우관내유속이증가하여취수중캐비테이션이발생하여취수효율이저하되는문제가발생한다. 10 MW급해수온도차발전시스템에서충분한심층수를취수하기위해서는내경 4 m의취수관이필요하다 (Miller and Ascari[2011]). 태평양적도인근해역에서연중 4 o C 이하의안정적인심층수취수를위해서라이저의길이는 1000 m로구성된다. 일반적으로라이저의두께는내압과외압의차이로인하여발생하는압력에저항할수있도록결정된다 (DnV[2001]). 그러나, 심층수취수용라이저는해저면끝단이해수환경에노출되어있으며, 라이저내부에는큰압력이발생하지않게된다. 따라서, 라이저두께를결정하는설계인자는압력이아니며, 해양환경하중에서안전성을확보할수있는라이저의두께가결정된다. 본연구에서는라이저의최적두께결정을위한상세설계까지수행되지않으며, 단면형상고안에대한거동특성분석을통한개념설계를수행한다. 2.2 라이저시스템전체형상해수온도차발전용라이저는일반라이저에비하여직경이매우크며, 라이저의직경이상부부유체의제원에비하여작지않기때문에라이저와부유체의상호연성효과가중요할수있다. 일반적으로파랑에의하여부유체가운동하며, 부유체의운동이라이저에대하여가진력으로작용한다. 그러나, 라이저의직경이부유체의제원에비하여작지않은경우에는라이저의운동이부유체의거동에
10 MW 급해양온도차발전을위한라이저개념설계 31 영향을미치게된다. 이경우에는부유체와라이저의상호거동영향을충분히검토하고안전성을평가하거나, 부유체와라이저가상호연성현상이최소화될수있도록전체시스템형상에관한설계가필요하다. 10 MW 급해수온도차발전용라이저는내경 4 m를가지는비교적대구경파이프로구성된다 (Miller and Ascari[2011]). 그들은 10 MW 해수온도차발전시스템에서필요한심층수량을계산하였는데, 해수온도차발전사이클해석을수행한후펌프수두등을고려하여직경 4 m 라이저로결정하였다. 부유식상부구조물의형식에따라상이하기는하지만, 라이저의직경이부유체의제원에비하여작지않기때문에라이저의거동이부유체의운동에영향을최소화하기위한설계가고려되어야한다. Fig. 1에서는라이저의전체형상에관한두가지개념을보여주고있다. 본연구에서는대구경라이저의제작성을고려하여, 라이저는 FRP 재질로고려된다. 직경 4 m 라이저는적용될수있는재료가매우제한적이다. 고밀도폴리에틸렌 (High Density Poly Ethylene, HDPE) 파이프는생산가능한파이프의최대직경이약 1.6 m 이므로적용이불가능하다. 강관은용접등의제작이어려울뿐아니라, 전체중량이매우크기때문에부력재를따로설치하는등경제성이떨어진다. Fig. 1(a) 는라이저의비중이 1보다작은단면의설계안에대한전체형상이다. 라이저는양성부력이작용하여연직으로서있는형상을유지하게되며, 라이저의상부끝단에추가부력재를설치하여조류등의하중에의하여라이저가기울어지는것을방지할수있다. 이설계안의경우라이저의상부부분은부유체와완전분리 되어서로거동이영향을미치지않도록고려되며, 라이저상부끝부분이일정수심이하로잠기도록하여파랑에의한직접적인외력으로부터영향이최소화되도록한다. Fig. 1(b) 의경우라이저는비중이 1보다크거나, 혹은 1보다작은경우에는라이저끝단에중량체를설치한경우로서, 자중에의하여자유롭게매달린경우이다. 라이저의상부끝단부분은부유체에의해지지되기때문에, 부유체와라이저는직접연결된다. 라이저의단면설계특성상비중이 1보다작은경우, 혹은거동에의한안전성을높이기위하여라이저하부끝단에는중량체를설치한다. Fig. 1와같은라이저의전체형상설계중, (a) 모델은파랑및상부체의가진에의한효과가미비하기때문에동적거동에의한안전성은충분히확보될수있을것으로판단된다. 그러나, 조류가작용하는경우라이저의상단부분이기울어질수있기때문에, 이에대한검토및조치가필요하다. 본연구에서는라이저의전체형상에대한두가지개념설계중에서, (b) 와같은전체형상을가지는라이저의거동특성을분석한다. 라이저하부끝단에설치되는중량체의효과를분석하여, 효율적인라이저의전체형상을설계한다. 2.3 라이저의단면형상설계본절에서는라이저의단면형상에대한설계를수행한다. Fig. 1 (b) 와같이전체형상을가지기위해서라이저는두가지개념으로설계된다. 첫째는라이저비중이 1보다큰경우로서, 자중에의해서부유체에자유롭게매달린경우이다. 라이저는두께에따라동일한복합재 FRP 재료로구성되며, 본연구에서는균일한재질의 FRP 재료로구성된다고가정한다. 둘째는라이저의비중을조절할수있는단면형상이다. Fig. 2는라이저의비중을조절할수있는개념의라이저단면형상을보여주는데, 그값은 Table 1로나타낸다. 라이저는복합재 FRP로구성되며, 단면계수를증가시키면서전체중량을조절할수있도록여러층으로구성된다. 가장안쪽과바깥쪽은 FRP로구성되며, 가운데층은공극을형성하거나비중조절용재료로보강하도록구성된다. 공극을구성함으로써라이저단면전체의재료를절감하면서높은굽힘강성값을얻을수있으며, 공극에비중 Fig. 1. Concept design of large diameter riser for 10 MW OTEC. Fig. 2. Cross-section of riser pipe.
32 정동호 권용주 김현주 Table 1. Basic properties of riser pipe Name Symbol Unit Size Inner Diameter D I m 4.0 Thickness of 1st layer t 1 m 0.015 Thickness of 2nd layer t 2 m 0.10 Thickness of 3rd layer t 3 m 0.015 Length of void L 1 m 0.100 Length between void L 2 m 0.01 Density of 1st material ρ 1 N/m 3 1800 Density of 2nd material ρ 2 N/m 3 2000 Density of 3rd material ρ 3 N/m 3 1800 Density of vent material ρ v N/m 3 100 E of 1st material E 1 N/m 2 2.1E10 E of 2nd material E 2 N/m 2 2.1E11 E of 3rd material E 3 N/m 2 2.1E10 E of void material E v N/m 2 1.0E6 Riser length L m 1000 Table 2. Calculated equivalent properties of riser pipe Axis Stiffness EA N 3.274E+10 Bending Stiffness EI EI N m 2 6.987E+10 Equivalent Eeq. E eq N/m 4 6.464E+10 Unit weight in air W Ua N/m 1.031E+04 Unit weight in water W Uw N/m -6.540E+03 Total weight in air W Ta N 1.031E+07 Total weight in water W Tw N -6.540E+06 Second moment of area I eq m 4 1.081E+00 Outer Diameter of Equ. D o -eq m 4.083E+00 MD + CD + KD = F (1) 여기서, M: 질량행렬식 C: 구조감쇠행렬식 K: 강성행렬식 D: 절점변위행렬식 F: 외력벡터유한요소해석에서 M은집중질량법을사용하였으며, C는 Rayleigh 감쇠행렬을이용하였다. 위식에서외력 F는파랑과조류에의한힘으로나타내어진다. 수치적분은뉴마크-베타법을이용하여풀이하였으며, 포트란프로그래밍을활용하여전산해석하였다. 뉴마크-베타법은미분방정식을풀기위한수치적분기법의하나이며, 시간간격및길이간격의크기에관계없이수치적분이안정적인것으로알려져있다. 라이저의거동특성해석은크게두분야로나누었다. 첫째는라이저단면을 Fig. 2과같이구성하는것으로, 라이저파이프내부에중공을두는경우이다. 이경우는 10 MW 급라이저뿐만아니라, 향후상용화를위한 100 MW 급라이저설계를위한예비연구이다. 두번째는 Fig. 2와동일한값의굽힘강성을가지나중공이없는경우에대한해석이다. 이경우에는라이저재질이비중 1.8을가지는 FRP 재료로구성되는경우이다. 라이저파이프의내경은동일하게하고외경을계산하는것으로 Table 2에서제시하는값을사용하였다. 해석에사용된해양환경자료및라이저상부에가해지는수평가진조건은 Table 3과같다. 상부가진은부유체가운동함으로써라이저상부에가해지는수평운동을의미한다. 조절을위한물질을쉽게추가할수있다는장점이있다. Table 1에서는 Fig. 2에서보여지는단면의기본제원을나타내고있다. Table 2에서는 Table 1에서제시되는기본제원에대하여, 계산된등가굽힘강성, 등가축강성, 단위길이당중량, 그리고직경등을보여주고있다. 중공부분에는다른재료를넣지않은빈공간이형성된경우로써모두부력으로작용되기때문에, 라이저파이프의유효중량은음의값을가지며수중에서부상된다. 따라서라이저가연직형상을유지하기위해서는전체유효중량보다큰중량체를라이저아래끝단에설치해야한다. 현재설계된라이저는끝단에최소 700 ton 이상의중량을가지는중량체가설치되어야한다는것을알수있다. 3. 라이저거동해석및결과분석 본연구에서는설계된라이저의전체적인거동특성을파악하기위해서라이저의동적거동해석을수행한다. Fig. 1(b) 와같이설계된라이저가극한해양환경에서안전성을확보할수있을지에관한검토를수행한다. 라이저의동적거동에관한지배방정식을수립한후, 유한요소법에기초하여거동특성을파악하였다 (Jung[1999]). 다자유도시스템의운동방정식은다음과같이유도된다. 3.1 중공을가지는라이저의거동특성 라이저가중공을가지는경우에는유효중량이 (-) 값을가지므로, 연직형상을유지하기위해서는라이저하부끝단에중량체를설치 Table 3. Ocean environmental condition Wave period, s 15 Wave height, m 10 Current, m/s 1.0 Lateral period in top excitation, sec 15 Lateral amplitude in top excitation, m 5 Table 4. Natural frequencies in surge (second) Lumped weight Mode number 1000 (ton) 2000 (ton) 3000 (ton) 1 223.3 141.8 117.1 2 61.1 43.6 36.6 3 32.3 24.4 20.6 4 20.0 15.9 13.6 5 13.4 11.1 9.7 6 9.4 8.2 7.3 7 7.0 6.2 5.6 8 5.3 4.8 4.4 9 4.2 3.8 3.6 10 3.3 3.1 3
10 MW급 해양온도차발전을 위한 라이저 개념설계 33 저 단면의 안쪽과 바깥쪽을 연결하는 가운데층에 대해서는 자세한 국부구조해석을 통한 안전성 평가가 이루어져야 한다. 3.2 균일한 단면을 가지는 라이저의 거동 특성 라이저 끝단에 중량체를 설치하는 경우에는 조류가 작용하더라 도 라이저가 거의 연직형상을 유지할 수 있으나, 중량체 없이 자 중으로만 구성된 경우에는 해수면 부근의 강한 조류에 의하여 라 이저 아래부분 끝단이 밀려서 이동하는 현상이 발생한다. 따라서, Fig. 3. Mode shapes of a riser with hollow along thickness. 조류가 강한 조건에서 라이저에 발생하는 응력분포를 살펴볼 필 요가 있다. Fig. 5에서는 라이저 단면은 균일한 FRP로 구성되어 끝단에 중 해야 한다. Table 4에서는 중공을 가지는 라이저 끝단에 붙는 중량 량체가 없는 조건에서 조류속도에 따른 복합응력을 나타낸다. 해수 체의 중량에 따른 고유주기값을 보여주고 있다. 중량이 큰 중량체 면 부근에서 응력이 크게 분포하는 것을 알 수 있는데, 이것은 해수 가 설치될수록 고유주기가 짧아지는데, 이것은 중량체에 의하여 전 면 부근에서 파랑 효과가 크게 작용하기 때문이다. 파랑효과와 더 체 질량이 증가하지만 인장력이 증가하여 강성의 증가 효과가 크기 불어 부유체의 거동에 의한 가진 효과도 해수면 부근에서 크게 나 때문이다. 타나기 때문이다. 특히, 예제해석 조건에서 부유체의 가진 효과를 Fig. 3에서는 라이저 끝단에 붙는 중량체의 중량체 크기에 따른 과도하게 설정했기 때문에, 해수면 부근에서 라이저의 응력이 크게 모드형상을 보여주는데, 각각 1차에서 5차까지의 고유주기에 대한 발생하는 것을 알 수 있다. 한편, 조류의 크기에 따라 응력의 크기 결과이다. 중량체의 크기가 3000 ton을 증가하면서 라이저 아래 끝 는 매우 다르게 나타나는 것을 알 수 있는데, 조류가 2.0 m/s인 조 단의 거동 모드가 약간 다르게 나타나지만, 거동의 패턴은 큰 변화 건에서는 조류가 없는 조건에 비하여 약 2배의 응력이 발생하는 것 가 없을 것으로 예상된다. 즉, 라이저의 하부 끝단에 3,000 ton의 중 을 알 수 있다. 이 결과로 볼 때, 직경이 큰 라이저는 조류에 대한 량체를 설치하는 경우에도, 라이저의 하부 끝단은 안정적인 거동을 설계가 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. 조류가 작용하면 해수면 나타내지 않는다는 것을 알 수 있다. 반면, 큰 중량으로 인하여 라 부근에서 라이저는 곡률이 발생하게 되며, 이 조건에서 파랑하중과 이저의 전체 길이에 걸쳐 큰 인장력이 작용하여 응력은 크게 나타 강제가진 하중이 작용하여 응력이 크게 발생한다. 따라서, 라이저 날 것을 예상할 수 있다. 하부 끝단에 중량체를 설치하여 조류가 작용하는 조건에서 곡률이 Fig. 4에서는 해양환경하중이 작용하는 조건에서, 라이저 끝단에 발생하지 않도록 하면, 조류에 의한 응력을 줄일 수 있을 것으로 판 중량체가 설치되었을 경우, 중량체의 중량에 따른 라이저에 분포하 단된다. Fig. 6에서는 조류에 의한 변형 효과를 줄이고자 라이저 끝 는 결합응력(combined stress)을 보여주고 있다. 응력 분포는 길이 에 따라 거의 선형적으로 변화하는 것을 알 수 있으며, 끝단 중량체 의 중량에 의해 지배되는 것을 알 수 있다. 즉, 라이저 단면에 작용 하는 응력은 굽힘변형의 효과보다는 중량체의 중량에 의한 인장력 의 효과가 지배적이라는 것을 알 수 있다. 단, 여기서 응력은 라이 저 단면의 맨 가장자리에서의 최대 응력을 나타내며, Fig. 1의 라이 Fig. 4. Combined stresses of a riser with hollow. Fig. 5. Combined stress distribution along riser length under wave and top excitation with current velocity (lumped mass=0.).
34 정동호 권용주 김현주 Fig. 6. Stress distribution along riser length with lumped weight (current velocity=2.0). 형상을유지되도록설계되었다. 두번째설계안은라이저가자중혹은라이저끝단에설치된중량체에의해부유체에매달린경우이다. 두번째설계안에서는파랑하중및부유체강제가진에의해라이저의안전성이문제될수있으므로, 동적거동해석을통한안전성평가를수행하였다. 라이저내부에중공이설치되어하부끝단에중량체가있는경우와중공없이자중에의해매달린경우에대하여안전성을평가하였다. 중량체가있는경우에는굽힘에의한효과보다끝단중량체에의해응력이지배된다는것을알수있었으며, 중공이고려된라이저의국부응력을검토하여안전성을평가해야할것으로검토되었다. 끝단중량체없이자중에의해매달린라이저에대한해석결과, 해수면부근에서응력이크게발생하였다. 특히조류가강한경우에는라이저상부부근에서곡률이발생하며, 이경우파랑및부유체가진이작용하면큰응력이발생한다는것을알수있었다. 따라서, 조류는자유롭게매달린대구경라이저설계의중요한인자임을알수있었다. 자중에의해매달린라이저도하부끝단에중량체를설치함으로써해수면부근에서응력을감소시킬수있기때문에, 상세설계과정에서는정밀한설계와분석이이루어져야할것이다. 단에중량체를설치한경우에대한해석결과를보여준다. 조류가 1 m/s 인조건에서중량체의중량을 0, 100, 300, 500 ton으로변화시키면서해석하였는데, 응력의절대최대값은크게다르지않으나최대와최소값의차이는많이줄어든것을볼수있다. 중량체가없는조건에비하여 500 ton의중량체를설치하는경우에, 응력의최대와최소값차이는약 87% 로낮게나타났다. 중량체해수면부근에서강한조류가발생할때형상변화로인하여크게발생하는응력을줄이기위해서는보다큰중량체가설치되어야할것으로판단된다. Fig. 6 결과를 Fig. 5 결과와비교해볼때, 두조건모두 FRP 소재의허용응력 (97 N/mm 2 ) 을초과하지않는것으로나타났으며, 안전율은두결과모두약 1.7임을알수있었다. 최대응력은중공이없고중량체도설치하지않는설계조건에서크게나타났다. 그러나, 중공을가지면서중량체가있는조건에서는, 라이저안쪽과바깥쪽을연결하는부재에서안전성에대하여보다자세히평가할필요가있다고판단된다. 또한중량체의중량으로인하여과도한인장력이지속적으로작용하기때문에, 피로파괴측면에서위험할수있으므로향후상세설계과정에서자세한검토가필요하다고판단된다. 4. 결론 본연구에서는 10 MW 급해수온도차발전용라이저의개념설계를수행하였으며, 설계된내용에대하여기초적인거동특성분석을수행하였다. 부유체와의연성효과를고려하기위한초기연구로서, 두가지의전체시스템에대한개념을고안하였다. 각설계안에대하여적합한라이저의단면형상을검토하였다. 첫번째설계안에서는부유체와라이저가완전히분리되며, 라이저는양성부력에의해서직립 후 본연구는 해양심층수에너지이용기술개발 결과중일부임을밝히며, 연구비지원에감사드립니다. 기 References [1] DNV, 2001, Offshore standard DNV-OS-F201, Dynamic Riser. [2] Eom, T.S., Kim, M.H., and Bae, Y.H., 2014, Local dynamic buckling of FPSO steel catenary riser by coupled time-domain simulations, Ocean Systems Engineering, Vol. 4, No. 3, pp.215-241. [3] Jung, D.H., 1999, 3-D Dynamic analysis of a rigid riser with Finite Element method, Thesis in Master, Korea Maritime University. [4] Lockheed Martin, 2010, NAVFAC OTEC System Design Report, CDRL A003. [5] Kim, H.J., Lee, H.S., Jung, D.H., Moon, D.S. and Hong, S.W., 2011, Implementation Plan to Commercialize OTEC Power Plant, Proceedings Korean Society for Marine Environmental Engineering 2011 fall conference, pp.233-240. [6] Kim, J.H., Kim, G.T., Park, S.H., Oh, W.Y. and Kim, H.J., 2012, A Feasibility Study on Thermal Energy Resource in Deep Ocean Water, Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering, Vol. 15, No. 1, pp.9-18. [7] Kim, K.H., 2013, Dynamic Response Analysis of Top-tensioned Riser Under Sheared Current Load, Journal of ocean engineering and technology, Vol. 27, No. 4, pp.83-89. [8] Min, C.H., Choi, J.S., Hong, S., Kim, H.W. and Yeu, T.K., 2012,
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