KR102203738B1 - 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해저 유정으로부터 분출되는 혼합 유체를 탑사이드 분리기를 통해 액체와 기체로 분리하는데 있어서, 대량 슬러그(Severe slug)가 탑사이드 분리기로 유입되기 전에 이를 감지하여 대량 슬러그를 라이저 베이스 단에서 바로 해저 압축 펌프로 이동시키기 위한 바이패스부를 구비함으로써 탑사이드 분리기에 오버플로우(overflow)가 발생하는 것을 방지하여 분리 효율을 높일 수 있고, 대량 슬러그를 처리하기 위한 액상 처리 용적을 고려하지 않아도 되어 탑사이드 분리기의 설계 비용을 절감할 수 있는 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템은 탑사이드 분리기 전단 라이저 베이스 단에서 혼합 유체를 바이패스하도록 연결되는 바이패스라인; 바이패스라인과 연결되어 상기 혼합 유체가 유입되는 해저 압축 펌프; 탑사이드 분리기 전단 라이저와 상기 바이패스라인 중 어느 하나로 흐름을 전환시키는 게이트 밸브를 포함한다.

Description

바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 시스템{Topside Separator System having Bypass}

본 발명은 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기(Topside Separator) 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해저 유정으로부터 분출되는 혼합 유체를 탑사이드 분리기를 통해 액체와 기체로 분리하는데 있어서, 대량 슬러그(Severe slug)가 탑사이드 분리기로 유입되기 전에 이를 감지하여 대량 슬러그를 라이저 베이스 단에서 바로 해저 압축 펌프로 이동시키기 위한 바이패스부를 구비함으로써 탑사이드 분리기에 오버플로우(overflow)가 발생하는 것을 방지하여 분리 효율을 높일 수 있고, 대량 슬러그를 처리하기 위한 액상 처리 용적을 고려하지 않아도 되어 탑사이드 분리기의 설계 비용을 절감할 수 있는 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 시스템에 관한 것이다.

국제적인 급격한 산업화 현상과 공업이 발전함에 따라 석유와 같은 자원의 사용량은 점차 증가하고 있으며, 이에 따라 오일의 안정적인 생산과 공급이 전 지구적인 차원에서 대단히 중요한 문제로 떠오르고 있다.

이러한 이유로 최근에는 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었다. 따라서, 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이러한 유전의 개발에 적합한 시추설비를 구비한 다양한 시추선이 개발되고 있다.

오일 또는 가스의 해저 채굴을 위해서는 해저 바닥에 유정을 형성하고, 해저 유정으로부터 오일 또는 가스를 운송하기 위해 해저 유정에 파이프 라인을 연결하며, 이러한 파이프 라인 및 라이저를 통해 해저 유정으로부터 분출되는 혼합 유체는 탑사이드 분리기에 의해 오일 및 가스로 분리된 후 각각 오일 파이프라인과 가스 파이프라인으로 배출되어 오일 및 가스 저장 시설 등으로 운송된다. 오일 또는 가스 저장 시설은 해상에 부유하는 FPSO 선박이 이용될 수 있으며, 이와 달리 별도의 육상 저장 시설 등으로 직접 운송할 수도 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 해저 유정의 혼합 유체를 탑사이드 분리기에 의해 오일과 가스로 분리하여 각각 압축하는 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 개념도이다.

종래 기술에 따른 혼합 유체 압축 시스템은 해저 유정(미도시)으로부터 파이프 라인(5)을 따라 유동하는 혼합 유체를 오일 및 가스로 분리할 수 있도록 탑사이드 분리기(10)가 구비되며, 탑사이드 분리기(10)로부터 각각 분리되어 배출되는 오일 및 가스는 각각 압축 펌프(20) 및 컴프레셔(30)로 전달된다. 탑사이드 분리기(10)에는 오일 및 가스가 각각 분리 배출되어 이동하도록 오일 파이프 라인(21)과 가스 파이프 라인(31)이 연결된다. 압축 펌프(20)는 오일 파이프 라인(21)을 통해 탑사이드 분리기(10)와 연결되고, 컴프레셔(300)는 가스 파이프 라인(31)을 통해 탑사이드 분리기(10)와 연결된다.

탑사이드 분리기(10)로부터 분리 배출된 오일은 오일 파이프 라인(21)을 통해 압축 펌프(20)로 공급되고, 압축 펌프(20)에 의해 압축된다. 탑사이드 분리기(10)로부터 분리 배출된 가스는 가스 파이프 라인(31)을 통해 컴프레셔(30)로 공급되고, 컴프레셔(30)에 의해 압축된다.

압축 펌프(20)와 컴프레셔(30)에 의해 각각 압축된 오일 및 가스는 도 1에 도시된 바와 같이 오일 및 가스가 각각 별도의 파이프 라인(22,32)을 통해 별도의 저장 시설로 운송될 수 있다.

이러한 혼합 유체의 처리 과정 중에, 대량 슬러그(severe slug)가 갑자기 유입될 수 있는데, 이는 유정의 생산이 지속되면서 생산압력이 떨어짐에 따라 발생하는 현상으로 라이저의 길이의 수 배에 해당하는 대량의 액상이 탑사이드 분리기로 단번에 유입되어 탑사이드 분리기의 오버플로우를 일으켜서 분리 효율을 급감시킬 수 있다. 이를 고려하여 탑사이드 분리기의 액상 처리 용적을 크게 하면 압력 용기의 설계 비용이 크게 증가해야 하는 문제가 있었다.

국내등록특허 제10-1121243호

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 대량 슬러그(Severe slug)가 탑사이드 분리기로 유입되기 전에 이를 감지하여 대량 슬러그를 라이저 베이스 단에서 바로 해저 압축 펌프로 이동시키기 위한 바이패스부를 장착함으로써, 탑사이드 분리기에 오버플로우(overflow)가 발생하는 것을 방지하여 분리 효율을 높일 수 있고, 대량 슬러그를 처리하기 위한 액상 처리 용적을 고려하지 않아도 되어 탑사이드 분리기의 설계 비용을 절감할 수 있는 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 해저 유정으로부터 분출되는 오일 및 가스가 혼합된 혼합 유체를 분리하는 탑사이드 분리기에 있어서, 상기 탑사이드 분리기 전단 라이저 베이스 단에서 상기 혼합 유체를 바이패스하도록 연결되는 바이패스라인; 상기 바이패스라인 후단에 연결되어 상기 혼합 유체가 유입되는 해저 압축 펌프; 상기 탑사이드 분리기 전단 라이저와 상기 바이패스라인 중 어느 하나로 흐름을 전환시키는 게이트 밸브가 장착되는 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템이 제공된다.

상기 게이트 밸브는 상기 탑사이드 분리기 전단 라이저와 상기 바이패스라인이 서로 연결 부분을 기준으로 그 후단에 각각 설치되는 제 1 및 제 2 밸브를 더 포함할 수 있다.

상기 라이저 전단 파이프라인에 설치되어서 운송되는 혼합 유체를 감지하기 위한 센서부를 더 구비할 수 있다.

상기 센서부는 상기 라이저 전단 파이프라인에 상기 라이저의 높이의 1/5 ~ 1/20 간격으로 배치되고, 총 배치길이는 상기 라이저 높이의 3배 가량인 것이 바람직하다.

상기 센서부에는 압력을 감지하기 위한 압력센서와 보이드 분율 센서가 포함될 수 있다.

상기 보이드 분율 센서는 전기 임피던스 방식이나 감마선 방식인 것이 바람직하다.

상기 센서부에서 감지된 신호를 분석하여 상기 게이트 밸브를 제어하고 상기 바이패스라인 후단에 설치된 상기 해저 압축 펌프에 감지신호를 보내는 제어부를 더 구비할 수 있다.

상기 제어부는 상기 센서부의 감지 신호를 기반으로 액체 처리 용적의 양을 계산하여 탑사이드 분리기의 용량에 초과되는 유량만을 상기 바이패스라인으로 유출되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 해저 유정으로부터 분출된 오일 및 가스가 혼합된 혼합 유체를 처리하는 방법에 있어서, 라이저 전단 파이프라인에 설치된 센서부에서 상기 파이프라인 내에 대량 슬러그가 존재하는지를 감지하고, 상기 센서부의 감지신호를 제어부에 보내어 대량 슬러그 여부를 판단하여, 대량 슬러그로 감지되면 상기 탑사이드 분리기 전단 라이저에 설치된 밸브는 닫고, 바이패스라인에 설치된 밸브는 열어서 대량 슬러그를 해저 압축 펌프로 우회시킨 후, 상기 해저 압축 펌프의 유출량을 증가시켜 대량 슬러그를 압축하여 탑사이드 분리기의 오일 배출 라인으로 운송하는 혼합 유체를 처리하는 방법이 제공된다.

본 발명에 의하면, 탑사이드 분리기 전단 라이저 베이스 단에 바이패스부를 장착함으로써, 대량 슬러그로 인한 탑사이드 분리기에 오버플로우(overflow)가 발생하는 것을 방지하여 분리 효율을 높일 수 있고, 대량 슬러그를 처리하기 위한 액상 처리 용적을 고려하지 않아도 되어 탑사이드 분리기의 설계 비용을 절감하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 해저 유정의 혼합 유체를 분리하여 액체/기체를 각각 압축하는 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 구성도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이패스부를 구비한 탑사이드 분리기 시스템은 해저 유정으로부터 분출되는 오일과 가스가 혼합된 혼합 유체를 더욱 효율적으로 분리하기 위한 시스템으로서, 탑사이드 분리기(100), 바이패스라인(500), 해저 압축 펌프(200), 게이트 밸브(600)를 포함하여 구성된다.

탑사이드 분리기(100)는 해저 유정으로부터 분출되는 혼합 유체를 공급받아 오일 및 가스로 분리하여 배출하는 장치로서, 혼합 유체를 이송할 수 있는 해저 유정의 파이프라인(400)을 걸쳐 라이저(300)와 연결된다.

해저 유정으로부터 분출되는 혼합 유체는 파이프 라인(400) 및 라이저(300)를 통해 탑사이드 분리기(100)로 공급되고, 탑사이드 분리기(100)에 의해 오일 및 가스로 분리 배출된다. 탑사이드 분리기(100)로부터 분리 배출된 오일은 오일 배출 라인(110)을 따라 탑사이드 압축 펌프(미도시)로 전달된다. 탑사이드 분리기(100)로부터 분리 배출된 가스는 가스 배출 라인(120)을 따라 컴프레셔(미도시)로 전달된다.

바이패스라인(500)은 탑사이드 분리기(100)의 전단 라이저(300) 베이스 단에서 혼합 유체를 바이패스하도록 연결되는 라인으로, 혼합 유체는 탑사이드 분리기(100)를 거치지 않고 바로 바이패스라인(500)을 통해 해저 압축 펌프(200)로 전달될 수 있다.

해저 압축 펌프(200)는 바이패스라인(500)을 통해 배출된 오일을 공급받고, 공급받은 오일을 압축하여 배출하는 장치로서, 드레인 라인(drain line; 210)을 통해 탑사이드 분리기(100)의 오일 배출 라인(110)과 연결된다.

해저 압축 펌프(200)로 유입된 대량 슬러그는 해저 압축 펌프(200)의 유출량을 증가시켜 효율적으로 압축하게 되고, 압축된 대량 슬러그는 탑사이드 분리기(100)를 거치지 않고 드레인 라인(210)을 통해 바로 탑사이드 분리기(100)의 오일 배출 라인(110)으로 배출됨으로써 탑사이드 분리기(100)의 분리 효율을 향상시킬 수 있고, 대량 슬러그를 처리하기 위한 액상 처리 용적을 고려하지 않아도 되어 탑사이드 분리기(100)의 설계 비용을 절감할 수 있다.

게이트 밸브(600)는 탑사이드 분리기(100)의 전단 라이저(300)와 바이패스라인(500) 중 어느 하나로 흐름을 전환시키는 밸브로서, 탑사이드 분리기 전단 라이저(300)와 바이패스라인(500)이 서로 연결되는 부분을 기준으로 그 후단에 각각 설치되는 제 1 밸브(610) 및 제 2 밸브(620)를 포함할 수 있다.

제 1 밸브(610)는 바이패스라인(500)의 분기지점과 탑사이드 분리기(100) 사이에 장착되되, 바이패스라인(500)의 분기지점과 가까운 곳에 설치되는 것이 바람직하며, 제 2 밸브(620)는 바이패스라인(500)이 분기되는 지점에 장착되어 대량 슬러그가 통과할 수 있도록 구성할 수 있다.

바이패스라인(500)이 라이저(300) 베이스 단에서 분기되는 이유는 파이프라인(400)과 라이저(300)가 연결되는 라이저 베이스 단이 꺽인 형상적인 요인으로 인해 액체 비율(liquid holdup)이 높아 해저 압축 펌프(200)의 효율을 극대화 할 수 있기 때문이다. 또한 탑사이드 플랫폼(150)과의 거리가 짧아서 드레인 라인(210)의 길이를 줄일 수 있는 장점이 있다.

센서부(700)는 라이저(300)의 전단 파이프라인(400)에 설치되어 대량 슬러그가 유입되는지를 감지하기 위한 장치로서, 상기 센서부(700)의 배치 간격은 라이저(300) 높이의 1/5 ~ 1/20 간격으로 배치되고, 총 배치 길이는 라이저(300) 높이의 3배 가량인 것이 바람직하다.

또한, 센서부(700)에는 압력을 감지하기 위한 압력 센서와 보이드 분율을 검사하기 위한 보이드 분율 센서가 포함될 수 있다. 보이드 분율은 파이프라인의 각 단면적 중에서 증기가 차지하고 있는 단면적의 비율로서, 대량 슬러그가 발생할 경우 보이드 분율은 거의 0 으로 감지되고, 압력 센서의 값은 점차 증가하는 경향을 보임으로써 대량 슬러그를 감지할 수 있다. 보이드 분율은 전기 임피던스 방식이나 감마선 방식을 이용하여 측정할 수 있다.

제어부(800)는 센서부(700)에서 감지된 신호를 분석하여 게이트 밸브(600)를 제어하고 바이패스라인(500) 후단에 설치된 해저 압축 펌프(200)에 감지신호를 보내어 유출량을 제어할 수 있다.

즉, 제어부(800)는 라이저(300) 베이스 단의 액체 비율을 1 에 가깝게 유지시키면서 센서부(700)로부터 들어오는 신호를 기반으로 액체 처리 용적(liquid surge volume)의 양을 계산하여 탑사이드 분리기(100)의 용량에 초과되는 유량만을 바이패스라인(500)을 통해 유출되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시례에 따른 대량 슬러그를 처리하는 방법을 기술하면 다음과 같다.

라이저(300) 전단 파이프라인(400)에 설치된 센서부(700)에서 상기 파이프라인 내에 대량 슬러그가 존재하는지를 감지하고, 상기 센서부(700)의 감지신호를 제어부(800)에 보내어 대량 슬러그 여부를 판단하여, 대량 슬러그로 감지되면 상기 탑사이드 분리기(100) 전단 라이저(300)에 설치된 제 1 밸브(610)는 닫고 바이패스라인(500)에 설치된 제 2 밸브(620)는 열어서 대량 슬러그를 해저 압축 펌프(200)로 우회시킨 후, 상기 해저 압축 펌프(200)의 유출량을 증가시켜 대량 슬러그를 압축하여 탑사이드 분리기(100)의 오일 배출 라인(110)으로 운송함으로써 탑사이드의 저장 시설에 저장될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 탑사이드 분리기 200: 해저 압축 펌프
300: 라이저 400: 파이프라인
500: 바이패스 라인 600: 게이트 밸브
610: 제 1 밸브 620: 제 2 밸브
700: 센서부 800: 제어부

Claims (9)

1. 해저 유정으로부터 분출되는 오일 및 가스가 혼합된 혼합 유체를 분리하는 탑사이드 분리기에 있어서,
   상기 탑사이드 분리기에서 분리된 오일을 배출시키는 오일 배출라인;
   상기 탑사이드 분리기 전단 라이저 베이스 단에서 상기 혼합 유체를 바이패스하도록 연결되는 바이패스라인;
   상기 바이패스라인 후단에 연결되어 상기 혼합 유체가 유입되는 해저 압축 펌프; 및
   상기 탑사이드 분리기 전단 라이저와 상기 바이패스라인 중 어느 하나로 흐름을 전환시키는 게이트 밸브;를 포함하여,
   상기 탑사이드 분리기 용량 초과분은 상기 바이패스 라인 및 해저 압축펌프를 통해 상기 탑사이드 분리기를 우회하여 오일 배출라인으로 공급되는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 게이트 밸브는 상기 탑사이드 분리기 전단 라이저와 상기 바이패스라인이 서로 연결 부분을 기준으로 그 후단에 각각 설치되는 제 1 및 제 2 밸브를 더 포함하는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 라이저 전단 파이프라인에 설치되어서 운송되는 혼합 유체를 감지하기 위한 센서부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 센서부는 상기 라이저 전단 파이프라인에 상기 라이저의 높이의 1/5 ~ 1/20 간격으로 배치되고, 총 배치길이는 상기 라이저 높이의 3배인 것을 특징으로 하는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 센서부에는 압력을 감지하기 위한 압력센서와 보이드 분율 센서가 포함되는 것을 특징으로 하는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 보이드 분율 센서는 전기 임피던스 방식이나 감마선 방식인 것을 특징으로 하는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
7. 제 3항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서부에서 감지된 신호를 분석하여 상기 게이트 밸브를 제어하고 상기 바이패스라인 후단에 설치된 상기 해저 압축 펌프에 감지신호를 보내는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 센서부의 감지 신호를 기반으로 액체 처리 용적의 양을 계산하여 탑사이드 분리기의 용량에 초과되는 유량만을 상기 바이패스라인으로 유출되도록 제어하는, 바이패스부를 갖는 탑사이드 분리기 시스템.
9. 해저 유정으로부터 분출된 오일 및 가스가 혼합된 혼합 유체를 처리하는 방법에 있어서,
   라이저 전단 파이프라인에 설치된 센서부에서 상기 파이프라인 내에 대량 슬러그가 존재하는지를 감지하고,
   상기 센서부의 감지신호를 제어부에 보내어 대량 슬러그 여부를 판단하여,
   대량 슬러그로 감지되면 탑사이드 분리기 전단 라이저에 설치된 밸브는 닫고, 바이패스라인에 설치된 밸브는 열어서 대량 슬러그를 해저 압축 펌프로 우회시킨 후,
   상기 해저 압축 펌프의 유출량을 증가시켜 대량 슬러그를 압축하여 탑사이드 분리기의 오일 배출 라인으로 운송하는, 혼합 유체를 처리하는 방법.

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