KR101240615B1

KR101240615B1 - 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법

Info

Publication number: KR101240615B1
Application number: KR1020120110738A
Authority: KR
Inventors: 김영진; 김유석; 배경태; 홍상범; 안훈; 곽대진
Original assignee: (주) 에드벡트; (주)대우건설
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2013-03-06

Abstract

본 발명은 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법에 관한 것으로서, 상세하게는 저면에 석션파일이 일체로 형성된 기초를 육상에서 제작한 다음, 기초를 수중에 일정 깊이 잠긴 상태로 이동시킨 후 자중과 석션압을 이용하여 해저면에 관입시킨 후 관입이 완료되면 기초 내부에 사석을 투입하여 기초를 고정하도록 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법에 관한 것이다.

Description

석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법{METHOD FOR CONTRUCTING MARINE WIND POWER SUPPORTING STRUCTURE WITH SUCTION FILE AT SEA}

해상풍력발전은 풍력터빈을 호수, 피오르드(fjord) 지형, 연안과 같은 수역에 설치하여 그 곳에서 부는 바람의 운동에너지를 회전날개에 의한 기계에너지로 변환하여 전기를 얻는 발전방식을 말한다.

2008년 말까지 해상풍력발전 총 누적용량은 총 풍력발전 누적용량의 1%가 약간 넘는 수치인 1,473MW이며 2008년에는 30% 증가율과 같은 수치인 350MW가 추가되었다.

해상풍력발전의 장점으로는 국토가 비좁은 국가에서 풍력터빈을 설치할 수 있는 지역을 구하기란 쉽지 않다. 즉 육상풍력발전의 경우 설치 부지의 한계가 있다는 말이다. 이에 비해 해상은 부지확보가 양호해 대규모 풍력발전단지 조성이 가능하다.

또한, 해상은 장애물의 감소로 바람의 난류와 높이나 방향에 따른 풍속변화가 적기 때문에 유사 조건의 육상풍력발전에 비해 상대적으로 낮은 피로하중으로 약 1.5~2배의 높은 발전량을 유지할 수 있고, 해상풍력발전의 경우 해안과 떨어져 설치되기 때문에 풍력터빈의 대형화로 인하여 발생되는 소음과 시각적인 위압감 같은 문제를 해소할 수 있다.

그리고, 해상에 설치된 풍력발전단지는 뛰어난 경관을 연출한다. 실례로 덴마크 미델그룬덴은 세계적인 해상풍력발전단지 조성의 성공사례로 알려지면서 전력생산뿐만 아니라 관광 투어 코스로도 인기를 끌고 있고, 바닷물 속에 잠겨 있는 풍력터빈 지지대가 어류와 해저 생물의 좋은 산란처 역할을 하여 어획량이 늘고 바닷물 위의 풍력터빈 지지대는 철새들의 쉼터 역할을 하고 있다.

해상 풍력 발전 시설물은 크게 터빈과, 기초로 나뉜다.

먼저, 터빈은 기본적으로 육상용 풍력발전터빈과 동일한 기술을 적용한다. 수명은 20년 정도이며 육상보다 대용량인 3~5MW 이상의 풍력터빈을 적용한다. 각 요소는 염분으로 인한 부식 피해를 막기 위하여 설계 및 코팅된다.

그리고, 기초(Foundation)는 대표적인 5가지 타입으로 나누어 설명할 수 있다.

콘크리트 케이슨 타입(Concrete caisson type)은 제작 및 설치가 용이하여 초기 해상풍력발전단지에 사용된 타입으로 빈데비(Vindeby), 미델그룬덴(Middelgrunden) 해상풍력발전단지 등에 적용되었다. 비교적 얕은 6~10m의 수심에서 사용가능하며 자중과 해저면의 마찰력으로 위치를 유지한다. 기초 직경은 12~15m다.

모노파일 타입(Monopile type)은 현재 가장 많이 쓰이고 있는 해상풍력발전단지 기초 방식이며, 25~30m의 수심에 설치가 가능하다. 홀스레브(Horns Rev), 노스 호일(North Hoyle) 해상풍력발전단지 등에 적용되었으며 해저면에 대구경의 파일(pile)을 항타(Driving) 또는 드릴링(Drilling)하여 고정하는 방식으로 대단위 단지에 이용하는 경우 경제성이 좋다. 기초 직경은 3~3.5m이다.

자켓 타입(Jacket type)은 현재 해상풍력발전단지 보유국에서 많은 관심을 보이고 실증 중에 있는 타입으로 수심 20~80m에 설치가 가능하다. 영국의 "The Talisman Beatrice Wind Farm Demonstrator" 프로젝트에서 적용된 이 타입은 자켓식 구조물로 지지하고 말뚝 또는 파일(pile)로 해저에 고정하는 방식이다. 대수심 해양의 구조물이고 실적이 많아 신뢰도가 높은 편이며 모노파일 타입과 마찬가지로 대단위 단지 조성에 이용하는 경우 경제성이 좋다.

부유식 타입(Floating type)은 미래 심해상 풍력발전의 필수 과제라고 할 수 있는 부유식 타입은 수심 40~900m에 설치가 가능하도록 많은 풍력회사에서 연구 중이다.

석션파일 타입은 국내 등록특허공보 10-0768823호(석션파일 관입장치)에 개시되어 있는 바와 같이 하부는 개방되고 상부는 밀폐된 석션파일에 수중 펌프를 설치하는데, 상기 수중 펌프는 석션파일의 상부에 설치된다. 그리고, 수상에는 바지선 혹은 일반 선박을 이용해 작업대가 마련되는데, 상기 작업대에는 석션파일의 설치를 위한 크레인과 수중의 위치를 측정하기 위한 위치측정장비 등이 마련된다. 크레인을 이용해 석션파일을 수중의 적당한 위치에 위치시킨 다음에, 수중 펌프를 작동시켜 파일 내부의 물을 밖으로 배출시키면, 수중과 석션파일 내부 간에 압력차가 발생하게 되고, 이 압력차에 의해 파일은 지면에 박히게 된다.

그러나, 이러한 종래의 석션 파일 타입은 급류 조건에 시공하기 위해서는, 수평 파력 및 항력에 대한 저항력을 확보하여야 하는 데, 종래에는 석션파일을 설치하고, 다시 석션파일 상부에 기초 구조물을 설치하고, 기초 구조물 상부에 터빈을 설치하는 구조이기 때문에 시공기간이 길어지며 그만큼 저항력이 감소하여 시공에 어려움이 따르는 문제점이 있다.

국내 등록특허공보 10-0768823호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저면에 석션파일이 일체로 형성된 기초를 육상에서 제작한 다음, 기초를 수중에 일정 깊이 잠긴 상태로 이동시킨 후 자중과 석션압을 이용하여 해저면에 관입시킨 후 관입이 완료되면 기초 내부에 사석을 투입하여 기초를 고정하도록 함으로써 시공 기간을 단축할 수 있도록 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

육상 제작장을 설치하는 제작장 설치 공정과; 상부가 좁고, 하부가 넓으며 상하부가 개방된 깔대기 형태로 형성되되, 중앙부에 횡방향으로 슬래브가 형성되어 저면에 버켓이 형성되고, 외측에 복수의 인양기구가 형성되며, 상기 슬래브와 동일 선상으로 외측에 복수의 석션펌프가 형성되는 기초를 상기 육상 제작장에서 제작하는 기초 제작 공정과; 조금구를 해양 크레인으로 인양하여 상기 기초를 관통시킨 후 상기 조금구와 상기 인양기구와 연결하고, 상기 조금구를 다시 인양하여 상기 기초의 버켓을 물속에 일정 깊이로 투입한 다음 설치 장소까지 운반하는 운반 공정과; 상기 조금구를 하강시켜 상기 기초를 자중에 의해 해저면에 관입시키는 자중 관입 공정과; 상기 자중에 의해 관입이 완료되면, 상기 석션펌프를 동작시켜 석션압에 의해 상기 버켓을 해저면에 관입시키는 석션 관입 공정; 및 상기 슬래브 상부에 크람셀이 설치된 앵글 크레인을 이용하여 사석을 재하시키는 사석 재하 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 육상 제작장은 안벽을 형성한 다음, 안벽 내측에 터파기하여 잡석 기초를 설치하고, 잡석 기초에 기초 콘크리트를 타설하여 형성된다.

여기에서 또한, 상기 기초는 상기 버켓의 이동시 요동을 방지하기 위해 상기 버켓을 물에 잠길시 내부와 외부의 압력이 동일하게 유지되도록 상기 슬래브에 복수의 체크 밸브가 구비된다.

여기에서 또한, 상기 버켓이 물에 잠기는 깊이는 1~5m이다.

여기에서 또, 상기 운반 공정은 운반속도에 따른 조파저항력을 산정하여 상기 기초를 해양 크레인과 로프로 고정한다.

여기에서 또, 상기 자중 관입 공정은 간조와 만조가 교차하는 정조시간에 상기 기초를 해저면에 착저시키고, 상기 해양 크레인의 케이블 중심과 상기 기초의 중심이 일치시킨다.

여기에서 또, 상기 석션 관입 공정은 석션압에 의해 관입력이 작용되어 상기 해양 크레인의 인양하중이 증가하면 상기 해양 크레인의 케이블을 풀어 상기 기초가 관입되도록 하고, 최종 관입시까지 상기 해양 크레인의 인양하중이 작용되어 상기 기초의 수직도를 유지할 수 있도록 한다.

여기에서 또, 상기 석션 관입 공정은 관입이 완료되면 상기 석션펌프를 제거하고, 각각의 상기 체크 밸브를 폐쇄한다.

여기에서 또, 상기 사석 재하 공정은 기산정된 상기 기초의 지지력에 따라 필요한 중량만큼의 사석을 상기 슬래브에 재하한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법에 따르면, 저면에 석션파일이 일체로 형성된 기초를 육상에서 제작한 다음, 기초를 수중에 일정 깊이 잠긴 상태로 이동시킨 후 자중과 석션압을 이용하여 해저면에 관입시킨 후 관입이 완료되면 기초 내부에 사석을 투입하여 기초를 고정하도록 함으로써 시공 기간을 단축할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2 내지 도 7은 본 발명에 따른 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법의 각 공정을 설명하기 위한 설명도이다.

이하, 본 발명에 따른 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 2 내지 도 7은 본 발명에 따른 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법의 각 공정을 설명하기 위한 설명도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법은, 제작장 설치 공정(S100)과, 기초 제작 공정(S110)과, 운반 공정(S120)과, 자중 관입 공정(S130)과, 석션 관입 공정(S140)과, 사석 재하 공정(S150)으로 이루어진다.

《제작장 설치 공정-S100》

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 안벽(11)을 형성한 다음, 안벽(11) 내측에 터파기하여 잡석 기초(13)를 설치하고, 잡석 기초(13)에 기초 콘크리트(15)를 타설하여 육상 제작장(10)을 설치한다.

《기초 제작 공정-S110》

육상 제작장(10)의 설치가 완료되면, 도 3에 도시된 바와 같이 콘크리트 또는 강판으로 상부가 좁고, 하부가 넓으며 상하부가 개방된 깔대기 형태로 일체로 형성되되, 중앙부에 횡방향으로 슬래브(21)가 형성되어 저면에 버켓(23), 즉 석션파일이 형성되고, 외측에 복수의 인양기구(25)가 형성되며, 슬래브(21)와 동일 선상으로 외측에 복수의 석션펌프(27)가 형성되는 기초(20)를 제작한다. 여기에서, 기초(20)는 버켓(23)의 이동시 요동을 방지하기 위해 버켓(23)을 물에 잠길시 내부와 외부의 압력이 동일하게 유지되도록 슬래브(21)에 복수의 체크 밸브(29)가 구비되는 것이 바람직하다. 여기에서 또한, 인양기구(리프팅 디바이스)(25)는 통상의 구조이다.

《운반 공정-S120》

기초(20) 제작이 완료되며, 도 4에 도시된 바와 같이 조금구(30)를 해양 크레인(40)으로 인양하여 기초(20)를 관통시킨 후 조금구(30)와 인양기구(25)와 연결하고, 조금구(30)를 다시 인양하여 기초(20)의 버켓(23)을 물속에 일정 깊이로 투입한 다음 설치 장소까지 운반한다. 여기에서, 버켓(23)이 물에 잠기는 깊이(H)는 1~5m인 것이 바람직하고, 버켓(23)의 하단을 물에 잠겨 고정시킴으로써 요동을 방지할 수 있으며, 너무 깊이 잠기게 하면 물의 저항력에 의해 이동이 어렵게 된다. 여기에서 또한, 운반 과정에서 운반속도에 따른 조파저항력을 산정하여 기초(20)를 해양 크레인(40)과 로프(50)로 고정한다. 여기에서 또한, 조금구(GUIDE FRAME)(40)는 통상의 구조로 H빔에 의한 구조물로서, 대중량물인 기초(20)를 인양하기 위해 사용된다.

《자중 관입 공정-S130》

설치 위치까지 운반이 완료되면, 도 5에 도시된 바와 같이 로프(50)를 풀고, 해양 크레인(40)의 케이블(41)을 풀어 조금구(30)를 하강시켜 기초(20)를 자중에 의해 해저면에 관입시킨다. 여기에서, 간조와 만조가 교차하는 정조시간에 기초(20)를 해저면에 착저시키는 것이 바람직하고, 해양 크레인(40)의 케이블(41) 중심과 기초(20)의 중심, 즉 축선(C)을 일치시켜 하강시킨다.

《석션 관입 공정-S140》

자중에 의해 버켓(23)의 관입이 완료되면, 도 6에 도시된 바와 같이 석션펌프(27)를 동작시켜 석션압에 의해 버켓(23)을 해저면에 관입시킨다. 여기에서, 석션압에 의해 관입력이 작용되어 해양 크레인(40)의 인양하중이 증가하면 해양 크레인(40)의 케이블(41)을 풀어 기초(20)의 버켓(23)이 관입되도록 하고, 최종 관입시까지 해양 크레인(40)의 인양하중이 작용되어 기초의 수직도를 유지할 수 있도록 한다. 또한, 버켓(23)의 관입이 완료되면 잠수부의 수중 작업을 통해 석션펌프(27)를 제거하고, 각각의 체크 밸브(29)를 폐쇄한다.

《사석 재하 공정-S150》

자중에 의한 관입이 완료되면, 도 7에 도시된 바와 같이 슬래브(21) 상부에 크람셀(51)이 설치된 앵글 크레인(50)을 이용하여 사석(S)을 재하시킨다. 여기에서, 사석은 기산정된 기초(20)의 지지력(특히 횡방향)에 따라 필요한 중량만큼을 슬래브(21)에 재하하는 것이 바람직하다. 이때, 앵글 크레인(50)은 바지선 상에 설치된다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

10 : 육상 제작장 20 : 기초
21 : 슬래브 23 : 버켓
25 : 인양기구 27 : 석션펌프
29 : 체크 밸브 30 : 조금구
40 : 해양 크레인 50 : 앵글 크레인

Claims

육상 제작장을 설치하는 제작장 설치 공정과;
상부가 좁고, 하부가 넓으며 상하부가 개방된 깔대기 형태로 형성되되, 중앙부에 횡방향으로 슬래브가 형성되어 저면에 버켓이 형성되고, 외측에 복수의 인양기구가 형성되며, 상기 슬래브와 동일 선상으로 외측에 복수의 석션펌프가 형성되며, 상기 버켓의 이동시 요동을 방지하기 위해 상기 버켓을 물에 잠길시 내부와 외부의 압력이 동일하게 유지되도록 상기 슬래브에 복수의 체크 밸브가 구비되는 기초를 상기 육상 제작장에서 제작하는 기초 제작 공정과;
조금구를 해양 크레인으로 인양하여 상기 기초를 관통시킨 후 상기 조금구와 상기 인양기구와 연결하고, 상기 조금구를 다시 인양하여 상기 기초의 버켓을 물속에 1~5m의 일정 깊이로 투입한 다음 설치 장소까지 운반하되, 운반속도에 따른 조파저항력을 산정하여 상기 기초를 상기 해양 크레인과 로프로 고정하는 운반 공정과;
상기 조금구를 하강시켜 상기 기초를 자중에 의해 해저면에 관입시키는 자중 관입 공정과;
상기 자중에 의해 관입이 완료되면, 상기 석션펌프를 동작시켜 석션압에 의해 상기 버켓을 해저면에 관입시키는 석션 관입 공정; 및
상기 슬래브 상부에 크람셀이 설치된 앵글 크레인을 이용하여 사석을 재하시키는 고정시키는 사석 재하 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법.
제 1 항에 있어서,
상기 육상 제작장은,
안벽을 형성한 다음, 안벽 내측에 터파기하여 잡석 기초를 설치하고, 잡석 기초에 기초 콘크리트를 타설하여 형성되는 것을 특징으로 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법.
삭제
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 자중 관입 공정은,
간조와 만조가 교차하는 정조시간에 상기 기초를 해저면에 착저시키고, 상기 해양 크레인의 케이블 중심과 상기 기초의 중심이 일치시키는 것을 특징으로 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법.
제 1 항에 있어서,
상기 석션 관입 공정은,
석션압에 의해 관입력이 작용되어 상기 해양 크레인의 인양하중이 증가하면 상기 해양 크레인의 케이블을 풀어 상기 기초가 관입되도록 하고, 최종 관입시까지 상기 해양 크레인의 인양하중이 작용되어 상기 기초의 수직도를 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법.
제 1 항에 있어서,
상기 석션 관입 공정은,
관입이 완료되면 상기 석션펌프를 제거하고, 각각의 상기 체크 밸브를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법.
제 1 항에 있어서,
상기 사석 재하 공정은,
기산정된 상기 기초의 지지력에 따라 필요한 중량만큼의 사석을 상기 슬래브에 재하하는 것을 특징으로 하는 석션파일 일체용 해상풍력 지지구조물의 해상 설치공법.