KR20130093492A - 마린 드릴링 베셀을 위한 전력 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

마린 드릴링 베셀을 위한 전력 공급 시스템이 제공된다. 상기 전력 공급 시스템은, 전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기에 결합되고, 전기적으로 전력공급된 액티브 히브 보상기(heave compensator)에 또한 결합되는 제 1 전력 그리드 섹션을 포함한다. 상기 히브 보상기는 상기 마린 드릴링 베셀에 관하여 드릴 스트링을 상승 및 하강시키도록 적응된다. 상기 전력 공급 시스템은, 전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기에 결합되고, 상기 마린 드릴링 베셀의 전기적으로 전력공급된 쓰러스터 드라이브(thruster drive)에 또한 결합되는 제 2 전력 그리드 섹션을 더 포함한다. 상기 제 1 전력 그리드 섹션은 상기 제 2 전력 그리드 섹션에 전기적으로 결합된다.

Description

마린 드릴링 베셀을 위한 전력 공급 시스템 {POWER SUPPLY SYSTEM FOR MARINE DRILLING VESSEL}

본 발명은 마린 드릴링 베셀을 위한 전력 공급 시스템, 및 이러한 전력 공급 시스템을 동작시키는 방법에 관한 것이다.

해양 석유 생산(offshore oil production)에 있어서, 해양 플랫폼들/드릴링 리그(drilling rig)들 또는 드릴십(drillship)들과 같은 마린 드릴링 베셀들은, 해양 드릴링을 탐사하기 위해 그리고 해양 유정(well)들을 드릴링하기 위해 이용된다. 해양 드릴링에 있어서 몇몇 기술적 어려움들이 수반된다.

하나의 어려움은, 드릴링 동작 동안 해저(seabed)에서 베셀이 자신의 위치를 드릴링 사이트(site) 위에 정확하게 유지하는 요건이다. 최신의 베셀들은 위치 결정을 위해 몇몇 센서들을 이용하는 동적 위치지정 시스템들을 포함한다. 그 다음으로, 이러한 정보는 해저에 관한 수평 움직임들이 최소화되도록 베셀의 몇몇 쓰러스터(thruster)들을 독립적으로 제어하기 위해 이용된다. 해양 드릴링 리그는 예를 들어, 베셀의 정확한 위치지정을 가능하게 하는 6 내지 8개의 아지무스-쓰러스터(azimuth-thruster)들을 포함할 수 있다. 쓰러스터들은 동적 위치지정 시스템이 액티브일 때 연속적으로 동작된다.

추가의 어려움은 마린 드릴링 베셀의 수직 움직임(히브(heave))이다. 베셀의 히브 모션은 해양 파도(sea wave)들에 의해 야기되고, 베셀과 해저 사이의 거리를 변화시킨다. 드릴링 동작에서, 이러한 모션은 드릴 스트링(drill string)에 대한 하중이 변화되게 야기한다. 따라서, 종래의 드릴링 베셀들은 단지 잔잔한 바다들에서만 드릴링할 수 있었다.

비가동시간(downtime)의 양을 감소시키기 위해, 그리고 보다 큰 파도들이 만연할 때조차 드릴링을 가능하게 하기 위해, 패시브 및 액티브 히브 보상이 도입되었다. 히브 보상시, 드릴 스트링의 바닥 홀 어셈블리에서 드릴 비트에 대한 하중(WOB, 비트에 대한 하중(weight on bit))이 가능한한 일정하게 유지된다. 이는, 드릴 스트링이 해저에 관하여 거의 정지되어 유지되도록(예를 들어, 단지 수 센티미터의 상대적 움직임), 드릴 스트링이 드릴링 베셀에 관하여 움직이는 것을 허용함으로써 달성된다.

드릴 스트링은 예를 들어, 히브 보상 드로워크스(drawworks)에 의해, 베셀에 관하여 상승 및 하강될 수 있다. 드로워크스는, 드릴 라인을 끌어당기거나(pay in) 또는 풀어내기(pay out) 위해 전기 모터들에 의해 구동되는 윈치 드럼(winch drum) 또는 스풀(spool)을 포함한다. 드릴 라인은 드릴 스트링이 부착되는 트래블링 블록(travelling block)을 상승 및 하강시키기 위해 이용된다. 히브 보상에 대해, 드릴 라인은 거의 일정한, 비트에 대한 하중을 달성하기 위해 주기적으로 감겨지고(reel in) 풀려진다(reel out). 드릴 스트링을 하강시킬 때, 전기 모터들은 감속(slow down)될 필요가 있다. 이는, 수냉식 제동 저항기(braking resistor)들에서 모터들에 의해 생산되는 전기 에너지를 전소(burn up)시킴으로써 달성된다. 드릴 스트링을 상승시킬 때, 드로워크스의 전기 모터들은 동작될 실질적인 양의 전기 전력을 필요로 한다.

드릴링 베셀의 에너지 소비를 감소시키는 것이 바람직하다. 게다가, 수냉식 제동 저항기들은 무거우며, 실질적인 양의 공간을 필요로 하지만, 어떠한 추가의 유용한 기능을 갖지 않는다. 피크(peak)들은 (발생기들이 가장 효율적인 범위 외에서 동작할 필요가 있기 때문에) 발생기들에 의한 에너지 생산이 보다 덜 효율적이게 만들며, 더욱이 드릴링 베셀의 전력 공급이 보다 큰 부하들을 위해 설계되도록 요구하기 때문에, 드릴링 베셀에 대한 전력 소비에 있어서 이러한 피크들을 회피하는 것이 또한 바람직하다.

따라서, 상술된 단점들 중 적어도 일부를 완화시키는 개선된 전력 공급 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

이러한 필요성은 독립 청구항들의 특징들에 의해 충족된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

본 발명의 양상에 따르면, 마린 드릴링 베셀을 위한 전력 공급 시스템이 제공된다. 전력 공급 시스템은, 전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기에 결합되고, 마린 드릴링 베셀에 관하여 드릴 스트링을 상승 및 하강시키도록 적응된, 전기적으로 전력공급된 액티브 히브 보상기에 또한 결합되는 제 1 전력 그리드 섹션을 포함한다. 액티브 히브 보상기는 드릴 스트링이 하강될 때 전기 전력을 발생시키도록 구성된다. 전기 전력 시스템은, 전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기에 결합되고, 마린 드릴링 베셀의 전기적으로 전력공급된 쓰러스터 드라이브에 또한 결합되는 제 2 전력 그리드 섹션을 또한 포함한다. 제 1 전력 그리드 섹션은 제 2 전력 그리드 섹션에 전기적으로 결합된다. 전력 공급 시스템은, 히브 보상 동안 액티브 히브 보상기에 의해 발생된 전기 전력을 쓰러스터 드라이브를 동작시키기 위해 쓰러스터 드라이브에 공급하도록 적응된다.

제 1 및 제 2 전력 그리드 섹션들은 동일한 발생기 또는 상이한 발생기들에 결합될 수 있다. 액티브 히브 보상기에 의해 생산된 전기 전력을 이용하여 쓰러스터 드라이브에 전력공급함으로써, 마린 드릴링 베셀의 에너지 소비가 감소될 수 있다. 게다가, 발생된 전기 전력이 쓰러스터 드라이브에 의해 이용되기 때문에, 보다 작은 제동 저항기들이 제공될 수 있거나 또는 제동 저항기들이 더 이상 요구되지 않을 수 있다. 따라서, 공간 및 하중이 절약될 뿐만 아니라 이러한 제동 저항기들을 제공하는데 수반되는 비용들도 절약된다.

실시예에서, 액티브 히브 보상기는 하나 또는 그보다 많은 수의 전기 모터들을 포함하는 히브 보상 드로워크스이다. 드릴 라인을 풀어냄으로써 드릴 스트링을 하강시킬때, 전기 전력은 전기 모터(들)를 제동할 때 생산될 수 있다(즉, 전기 모터는 전기 모터로부터 전기 전력을 빼내어(drain) 감속될 수 있음). 드로워크스는 하나 또는 그보다 많은 수의 전기 모터들에 의해 회전되는 윈치 드럼을 포함할 수 있으며, 상기 윈치 드럼 상에 드릴 라인이 감겨올려진다(reel up). 드릴 라인은 마린 드릴링 베셀의 드릴 리그(rig)의 트래블링 블록 및 크라운 블록(crown block)을 통해 이어지며(run), 드릴 스트링은 트래블링 블록에 부착된다.

제 1 전력 그리드 섹션은 미리결정된 AC 주파수에서 동작하는 교류(AC) 버스를 포함할 수 있다. 히브 보상 드로워크스의 전기 모터는 AC 전기 모터일 수 있고, 변속 드라이브(variable speed drive)를 통해 AC 버스에 결합될 수 있다. 변속 드라이브는 액티브 정류기를 포함할 수 있고, AC 전기 모터에 의해 발생된 전기 전력을 AC 버스가 동작되는 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 전기 전력으로 변환하도록 적응될 수 있다. 따라서, 히브 보상 드로워크스에 의해 발생된 전력은 마린 드릴링 베셀의 전력 그리드 내로 효율적으로 피드백될 수 있다.

다른 가능성들이 틀림없이 고려가능하다. 전력 공급 시스템은 예를 들어, 발생된 전기 전력의 주파수를 베셀의 전력 그리드가 동작되는 주파수로 조절함으로써, 발생된 전기 전력의 전력 그리드로의 재공급(refeeding)을 가능하게 하기 위해, 액티브 히브 보상기에 의해 (발생된) 전기 전력을 변환하도록 적응된, 예를 들어 4상한(four quadrant) 변환기를 포함할 수 있다.

제 1 및 제 2 전력 그리드 섹션들은 마린 드릴링 베셀의 전력 그리드의 일부분일 수 있다. 이들 섹션들의 결합은, 전기 전력이 하나의 섹션으로부터 다른 섹션으로 전달될 수 있다는 이점을 갖는다. 전력 그리드 섹션들이 전기적으로 결합되기 때문에, 전기 전력을 양측 섹션들에 제공하는 발생기는 동일할 수 있다. 전력 그리드 섹션들은 예를 들어, 1 내지 10 개의 발생기들에 결합될 수 있다.

실시예에서, 전력 공급 시스템은 액티브 히브 보상기에 의해 발생된 전기 전력이 쓰러스터 드라이브에 공급되는 방식으로 전력 공급 시스템 내의 전기 전력의 흐름을 제어하도록 적응된 제어 유닛을 더 포함한다. 제어 유닛은 예를 들어, 하나 또는 그보다 많은 수의 발생기들의 전기 전력 출력, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력 공급, 및 제동 저항기― 적어도 이러한 제동 저항기가 존재한다면 ―에 대한 전기 전력 공급 중에서 하나 또는 이들의 결합을 제어할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 쓰러스터 드라이브를 액티브 히브 보상기에 대해 안티-사이클릭(anti- cyclic)으로 동작시킴으로써, 제어 유닛이 발생기들을 비교적 일정한 부하에서 동작시킬 수 있기 때문에, 연료 절약들이 달성될 수 있다.

액티브 히브 보상기는 일반적으로, 해양 파도들에 의해 야기되는 마린 드릴링 베셀의 히브 모션을 보상하도록 적응된다. 히브 보상 사이클은, 드릴 스트링이 베셀에 비해 상승되고 액티브 히브 보상기가 전기 전력을 소비하는 제 1 페이즈(phase)를 포함할 수 있으며, 드릴 스트링이 베셀에 비해 하강되고 액티브 히브 보상기가 전기 전력을 발생시키는 제 2 페이즈를 더 포함할 수 있다. 전력 공급 시스템은 제 2 페이즈 동안 발생된 전기 전력을 쓰러스터 드라이브에 공급하도록 적응될 수 있다. 따라서, 제 2 페이즈에서, 쓰러스터 드라이브는, 보다 높은 부하에서 하나 또는 그보다 많은 수의 발생기들을 동작시킬 필요 없이, 그리고 따라서 발생기들에서 부가적인 연료를 연소(burn)시킬 필요 없이, 보다 높은 전력 출력으로 동작될 수 있다.

전기 전력은 단지 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈의 일부분 동안만, 예를 들어, 드릴 스트링의 움직임이 마린 드릴링 베셀에 비해 감속될 때만 발생될 수 있다는 것을 유의한다.

특히, 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈 동안에는 저(low) 전력에서, 그리고 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈 동안에는 보다 높은 전력에서 쓰러스터 드라이브를 구동시키도록 적응된 제어 유닛이 제공될 수 있다. 따라서, 액티브 히브 보상기가 드릴 스트링을 들어올리기(lift) 위해 많은 양의 전기 전력을 필요로 할 때, 쓰러스터 드라이브는 보다 적은 전기 전력을 소비할 수 있는 반면, 드릴 스트링이 하강될 때 보다 많은 전기 전력이 쓰러스터 드라이브에 의해 소비될 수 있으며, 이에 의해 액티브 히브 보상기에서 전기 전력이 발생된다. 쓰러스터 드라이브에 공급되는 평균 전기 전력은 거의 변화없이 유지될 수 있는 반면, 총 전력 소비는 감소될 수 있으며, 발생기들은 보다 일정한 전력 출력에서 동작될 수 있다. 게다가, 전력 공급 시스템의 이러한 구성은, 파도들 속에서 마린 드릴링 베셀의 모션의 내재하는 자체-안정화(inherent self-stabilisation)를 초래할 수 있다. 파도들이 베셀을 들어올릴 때, 액티브 히브 보상기는 드릴 스트링을 하강시킬 수 있으며, 따라서 에너지를 생산한다. 이와 동시에, 파도들에 의해 베셀에 적용되는 수평력(horizontal force)들은 비교적 크며, 이는 히브 보상 사이클의 이러한 제 2 페이즈 동안 쓰러스터 드라이브의 증가된 출력 전력에 의해 대항될(countered) 수 있다. 따라서, 쓰러스터 드라이브는 위치를 유지하기 위해 요구되는 바로 그 순간에 부가적인 전기 전력을 공급받을 수 있다.

실시예에서, 쓰러스터 드라이브는 마린 드릴링 베셀의 추진(propulsion) 시스템의 일부분이다. 추진 시스템은 동적 위치지정 시스템을 포함할 수 있고, 전력 공급 시스템은 위치를 유지하기 위해 동적 위치지정 시스템에 의해 요구되는 임계 전력을 초과하는 평균 전기 전력을 쓰러스터 드라이브에 공급하도록 적응될 수 있다. 이러한 방식으로, 비록 쓰러스터 드라이브가 일정한 전력 출력으로 동작되지 않지만, 액티브 히브 보상기가 전기 에너지를 발생시킬 때 상승하는 전력 출력을 이용하여 상기 쓰러스터 드라이브가 동작되는 동적 위치지정이 가능해질 수 있다. 상술된 내재하는 자체-안정화는 동적 위치지정 시스템의 동작을 더 개선할 수 있다. 동적 위치지정 시스템은 쓰러스터 드라이브들의 동작을 제어하는 제어 시스템의 일부분일 수 있다.

전력 공급 시스템은, 쓰러스터 드라이브에 의해 소비되는 전기 전력과 액티브 히브 보상기에 의해 소비되고 발생되는 전기 전력의 합산이 히브 보상 사이클에 걸쳐 실질적으로 일정한 방식으로, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력의 공급을 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서, 쓰러스터 드라이브의 동작은 액티브 히브 보상기의 전력 요구들에 따라 조절될 수 있다. 이는 발생기들에 대한 보다 일정한 부하를 초래할 수 있고, 따라서 발생기들의 보다 효율적인 동작을 초래할 수 있다. 다른 구성들에서, 액티브 히브 보상기를 포함할 수 있는 그리고 추가의 에너지 소비 컴포넌트들을 포함할 수 있는 드릴링 드라이브 시스템 및 쓰러스터 드라이브의 누적(cumulative) 전력 소비가 일정하게 유지되는 방식으로, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력의 공급이 제어될 수 있다.

다른 실시예들에서, 제 1 및 제 2 전력 그리드 섹션들에 접속된 하나 또는 그보다 많은 수의 발생기들에 대한 부하가 실질적으로 일정하게 유지되는 방식으로, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력의 공급을 조절하는 것이 또한 가능하다. 따라서, 부가적인 부하들이 전력 그리드로부터 전기 전력을 빼낼지라도, 전력 공급 시스템은 발생기들의 일정하고 연료 효율적인 동작을 달성할 수 있다.

다른 실시예들에서, 전력 공급 시스템은, 제 1 및/또는 제 2 전력 그리드 섹션들에 결합된 상술된 컴포넌트들을 더 포함할 수 있으며, 즉 상기 전력 공급 시스템은 액티브 히브 보상기, 발생기(들), 및 쓰러스터 드라이브(들) 중에서 하나 또는 이들의 결합을 포함할 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은 마린 드릴링 베셀에 전력 공급 시스템을 제어하는 방법에 관한 것이다. 전력 공급 시스템은, 전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기에 결합되고, 마린 드릴링 베셀에 관하여 드릴 스트링을 상승 및 하강시키도록 적응된, 전기적으로 전력공급된 액티브 히브 보상기에 또한 결합되는 제 1 전력 그리드 섹션을 포함한다. 액티브 히브 보상기는 드릴 스트링이 하강될 때 전기 전력을 발생시키도록 구성된다. 전력 공급 시스템은, 전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기에 결합되고, 마린 드릴링 베셀의 전기적으로 전력공급된 쓰러스터 드라이브에 또한 결합되는 제 2 전력 그리드 섹션을 더 포함한다. 제 1 전력 그리드 섹션은 제 2 전력 그리드 섹션에 전기적으로 결합된다. 방법은 히브 보상 동안 액티브 히브 보상기가 드릴 스트링을 하강시킬 때, 액티브 히브 보상기에 의해 전기 전력을 발생시키는 단계, 발생된 전기 전력을 쓰러스터 드라이브에 공급하는 단계, 및 공급된 전기 전력을 이용하여 쓰러스터 드라이브를 동작시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법을 이용시, 전력 공급 시스템에 관하여 상기 추가로 개요된 것들과 유사한 이점들이 달성될 수 있다.

방법의 실시예에서, 액티브 히브 보상기는 해양 파도들에 의해 야기되는 마린 드릴링 베셀의 히브 모션을 보상하도록 적응되고, 히브 보상 사이클은, 드릴 스트링이 상승되고 액티브 히브 보상기가 전기 전력을 소비하는 제 1 페이즈, 및 드릴 스트링이 하강되고 액티브 히브 보상기가 전기 전력을 발생시키는 제 2 페이즈를 포함한다. 발생된 전기 전력을 쓰러스터 드라이브에 공급하는 단계는 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈 동안 수행된다.

쓰러스터 드라이브의 동작은, 쓰러스터 드라이브가 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈 동안에는 보다 낮은 전력에서 동작되고, 그리고 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈 동안에는 보다 높은 전력에서 동작되는 방식으로 제어될 수 있다. 따라서, 하나 또는 그보다 많은 수의 발생기들에 대한 부하는 보다 일정하게 될 수 있다.

쓰러스터 드라이브는, 동적 위치지정 시스템을 포함하는 마린 드릴링 베셀의 추진 시스템의 일부분일 수 있다. 방법은, 위치를 유지하기 위해 동적 위치지정 시스템에 의해 요구되는 임계 전기 전력을 초과하는 평균 전기 전력이 쓰러스터 드라이브에 공급되는 방식으로, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력의 공급을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 특히, 쓰러스터 드라이브가 일정한 전기 전력 공급을 이용하여 동작되는 상황과 비교하여, 평균 추진력(average thrust)이 변화없이 유지되도록, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력의 공급이 제어될 수 있다.

실시예에서, 방법은, 쓰러스터 드라이브에 의해 소비되는 전기 전력과 액티브 히브 보상기에 의해 소비되고 발생되는 전기 전력의 합산이 히브 보상 사이클에 걸쳐 실질적으로 일정한 방식으로, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력의 공급을 제어하는 단계를 더 포함한다. 액티브 히브 보상기, 예를 들어 히브 보상 드로워크스에 의한 전력 소비/발생은 일반적으로, 일정한, 비트에 대한 하중이 유지되는 요건에 의해 결정된다. 따라서, 쓰러스터 드라이브에 의한 안티-사이클릭 동작에 의해, 총 전기 전력 소비가 비교적 일정하게 유지될 수 있다. 보다 에너지 효율적인 동작 외에도, 발생기에 대한 보다 일정한 부하는 또한, 변동하는(fluctuating) 부하들에 따른 동작에 비해, 발생기들에 대한 보다 적은 마모로 인해 유지보수(maintenance)에 대한 감소된 필요성 및 전력 그리드에 대한 보다 안정된 주파수를 초래한다.

추가의 실시예에서, 방법은, 제 1 및 제 2 전력 그리드 섹션들에 결합된 하나 또는 그보다 많은 수의 발생기들에 대한 부하가 히브 보상 사이클에 걸쳐 실질적으로 일정한 방식으로, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력의 공급을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 이는, 부가적인 전기 전력을 소비하는 컴포넌트들이 전력 그리드에 접속될지라도 하나 또는 그보다 많은 수의 발생기들에 대한 보다 일정한 부하의 이점을 또한 갖는다.

제어 단계들은 예를 들어, 상술된 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다.

방법의 실시예에서, 전력 공급 시스템은 본 발명의 제 1 양상에 관하여 상술된 바와 같이 구성된다.

상술된 그리고 아래에 설명될 본 발명의 실시예 및 양상들의 특징들은 달리 지시되지 않는 한 서로 결합될 수 있다.

본 발명의 지금까지의 그리고 다른 특징들 및 이점들은 첨부 도면들과 관련하여 판독되는 아래의 상세한 설명으로부터 더 명백해질 것이다. 도면들에서 동일한 참조 번호들은 같은 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1은 실시예에 따른 전력 공급 시스템을 예시하는 개략적 블록도이다.
도 2는 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈에서 제동 저항기들을 포함하는 전력 공급 시스템을 예시하는 개략적 블록도이다.
도 3은 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈에서 제동 저항기들을 포함하는 전력 공급 시스템을 예시하는 개략적 블록도이다.
도 4는 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈에서의 실시예에 따른 전력 공급 시스템을 예시하는 개략적 블록도이다.
도 5는 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈에서의 실시예에 따른 전력 공급 시스템을 예시하는 개략적 블록도이다.
도 6은 종래의 전력 공급 시스템에서의 전기 전력 소비 및 발생을 예시하는 도면이다.
도 7은 발생기들에 대한 일정한 부하를 갖는 전력 공급 시스템에서의 전기 전력 소비 및 발생을 예시하는 도면이다.
도 8은 히브 보상기 및 쓰러스터 드라이브가, 전기 전력에 대해 비교적 일정하게 결합된 요구들을 갖는 실시예에 따른 전력 공급 시스템에서의 전력 소비 및 발생을 예시하는 도면이다.

아래에서, 첨부 도면들에 예시된 실시예들이 더욱 상세하게 설명된다. 아래의 설명은 단지 예시적이며 비제한적이라는 것이 분명해야 한다. 도면들은 단지 개략적 표현들이며, 도면들의 엘리먼트들은 반드시 서로 축척에 맞는 것은 아니다. 도면들에 도시된 기능적 블록들 또는 유닛들은, 이들이 단일의 물리적 유닛, 블록, 회로, 칩 등으로 구현됨을 반드시 의미하는 것은 아니지만, 단일의 기능적 블록 또는 유닛은 여러 물리적으로 분리된 유닛들로 구현될 수 있는 반면, 둘 또는 그보다 많은 수의 개별적으로 예시된 기능적 블록들 또는 유닛들은 여러 제어 유닛들 등을 구현할 수 있는 마이크로프로세서와 같은 단일의 물리적 유닛으로 구현될 수 있다.

도면들에 도시된 2개의 블록들, 유닛들, 엘리먼트들 등 사이의 직접적인 결합은 또한, 간접적인 결합, 즉 개재되는 엘리먼트들을 이용한 결합으로서 구현될 수 있다는 것을 유의해야 한다. 이들은 예를 들어, 퓨즈들 또는 회로 차단기들 등과 같은 제어 엘리먼트들, 보호 엘리먼트들일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전력 공급 시스템(10)을 예시한다. 전력 공급 시스템(10)은 제 1 전력 그리드 섹션(11) 및 제 2 전력 그리드 섹션(20)을 포함한다. 전력 그리드 섹션들 양측 모두는 마린 드릴링 베셀의 전력 그리드의 일부분이다. 제 1 전력 그리드 섹션은 전기 에너지를 생산하는 2개의 발생기들(15)에 결합된다. 발생기들(15)은 예를 들어, 디젤 엔진들, 가스 터빈들 등을 포함할 수 있다. 제 1 전력 그리드 섹션(11)은 드릴링 드라이브 시스템(14)에 또한 결합된다. 드릴링 드라이브 시스템(14)은 드릴링 동작에서 이용되는 몇몇 전기적으로 전력공급된 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 도 1의 실시예에서, 드릴링 드라이브 시스템(14)은 액티브 히브 보상기(12)를 포함하고, 추가의 예시적인 컴포넌트로서 톱 드라이브(top drive)(13)를 포함한다. 드릴링 드라이브 시스템(14)에 포함될 수 있는 다른 컴포넌트들은 예를 들어, 머드 펌프(mud pump), 앵커 윈치 드라이브(anchor winch drive) 등을 포함할 수 있다. 액티브 히브 보상기(12)는 예를 들어, 히브 보상 드로워크스로서 구현될 수 있으며, 상기 히브 보상 드로워크스는 하나 또는 그보다 많은 수의 전기 모터들에 의해 회전될 수 있는 윈치 드럼을 포함할 수 있으며, 윈치 드럼을 회전시킴으로써 드릴 라인이 감겨지고 그리고 풀려지게 하고, 이에 의해 마린 드릴링 베셀에 관하여 드릴 스트링을 상승 또는 하강시킴으로써 히브 보상을 수행할 수 있다.

동작시, 발생기들(15)은 제 1 전력 그리드 섹션(11)에 의해 드릴링 드라이브 시스템(14)에 공급되는 전기 전력을 발생시킨다. 드릴링 드라이브 시스템(14)의 컴포넌트들은 공급된 전기 전력을 이용하여 동작되고, 그들 각각의 기능들을 수행한다. 액티브 히브 보상기(12)는 마린 드릴링 베셀에 관한 드릴 스트링의 움직임을 제어하거나 또는 상기 드릴 스트링의 움직임을 제어하는 것을 돕는다. 해양 파도들은 베셀을 들어올리거나 하강시키며, 이에 의해 베셀과 해저 사이의 거리를 변경시킨다. 액티브 히브 보상은, 해저에 관한 드릴 스트링의 수직 위치가 실질적으로 일정하게 유지되는 것을 보장한다. 특히, 비트에 대한 하중은 가능한한 일정하게 유지되고, 이에 의해 보다 거친 바다들(rougher seas)에서도 드릴링 동작의 지속(continuation)을 가능하게 한다. 베셀이 파도의 물마루(crest of wave)로부터 파랑골(wave trough)로 움직일 때, 드릴 스트링은 베셀에 비해 상승될 필요가 있으며, 이에 의해 액티브 히브 보상기(12)는 발생기(15)에 의해 발생된 전기 전력을 소비한다. 다른 한편, 베셀이 파랑골로부터 물마루로 움직인다면, 드릴 스트링은 하강되거나 제동될 필요가 있다.

액티브 히브 보상기(12)는, 드릴 스트링이 하강될 때 전기 전력을 발생시키도록 적응된다. 히브 보상 드로워크스로서 구현되는 경우에, 드릴 스트링이 베셀에 관하여 하강될 때 드로워크스의 전기 모터들은 회전될 필요가 있다. 드릴 스트링이 하강될 때 그리고, 이러한 히브 보상 사이클의 말단(end)에서, 전기 모터들의 회전이 감속되거나 제동될 필요가 있으며, 이는 회전하는 전기 모터들로부터 전기 전력을 빼냄으로써(draw) 달성될 수 있다. 따라서, 전기 모터들은 발생기들로서 동작한다. 전기 전력은 드릴링 라인을 푸는(reel out) 전체 주기 동안 발생될 수 있거나 또는 전기 모터들을 감속시킬 때의 페이즈의 말단에서만 발생될 수 있다. 부가적인 제동 시스템들이 틀림없이 또한 제공될 수 있다.

히브 보상 드로워크스는 에너지를 발생시킬 수 있는 액티브 히브 보상기(12)의 단지 일 예일 뿐임을 유의한다. 더욱이, 액티브 히브 보상기를 패시브 히브 보상기와 결합하는 것이 또한 고려가능하며, 이에 의해 액티브 히브 보상기에 대한 부하를 감소시키고, 히브 보상을 위해 요구되는 전기 전력을 감소시킨다. 이용될 수 있는 패시브 히브 보상기들은 당업자에게 알려져 있으며, 따라서 본 명세서에서 어떠한 추가의 세부사항으로 자세히 설명되지 않을 것이다.

전력 공급 시스템(10)을 포함하는 드릴링 베셀은, 드릴링 드라이브 시스템(14)을 위한 전력 공급과 쓰러스터 드라이브 시스템(25)을 위한 전력 공급이 분리된 시스템들인 유형의 베셀이다. 따라서, 베셀의 전력 그리드의 제 1 섹션(11) 및 제 2 섹션(20)은 또한 종래의 구성에서 분리되어 있다. 드릴링 드라이브 시스템(14)에 전력을 공급하기 위한 발생기들(15)은 그에 따라, 강하게 변동하는 부하들, 특히 파도들의 빈도에 따라 주기적으로 상승하는 부하와 직면한다. 변화하는 부하들에서 발생기들을 동작시키는 것은, 발생기들이 자신들의 가장 효율적인 동작 범위 외에서 그리고 변동하는 회전 속도들(rpms)에 따라 구동될 필요가 있을 것이기 때문에, 발생기들의 상당히 많은 연료 소비를 초래한다. 변동하는 부하는 또한, 증가된 유지보수 요구들을 초래하는 보다 높은 마모로 이어질 수 있다.

도 1의 예에서, 제 2 전력 그리드 섹션(20)은 다시(again) 2개의 발생기들(15)에 결합된다. 상기 제 2 전력 그리드 섹션(20)은 몇몇 쓰러스터 드라이브들(21)에 또한 결합된다. 드릴링 베셀은 예를 들어, 6 내지 8개의 쓰러스터들을 가질 수 있으며, 이들은 그들 자신의 쓰러스터 드라이브를 각각 포함하는 포트형(potted) 아지무스-쓰러스터들일 수 있다. 각각의 쓰러스터 드라이브는 전기 모터를 포함한다. 전기 모터는 예를 들어, 1MW 내지 6MW의 범위의 정격의 전력을 가질 수 있다. 도 1에서, 쓰러스터 드라이브들(21)은 쓰러스터 드라이브 시스템(25) 내로 그룹화된다.

동작시, 발생기들(15)에 의해 발생된 전기 전력은, 베셀을 프로펠링(propel) 하기 위해 전력 그리드 섹션(20)을 통해 쓰러스터 드라이브들(21)에 공급된다. 드릴링 동작 동안, 마린 드릴링 베셀은 일반적으로, 드릴링 사이트 위에 자신의 위치를 유지하도록 요구된다. 이러한 목적을 위해, 베셀이 예를 들어, 바람과 조류(current)가 존재하는 사나운 날씨 상태들에서도 드릴링 사이트 위에 자신의 위치를 유지하도록, 마린 드릴링 베셀은 바람직하게, 쓰러스터 드라이브들(21)을 제어하기 위해 이용될 수 있는 동적 위치지정 시스템(도시되지 않음)을 구비한다.

상술된 종래의 구성에서, 전력 그리드 섹션(20)은 전력 그리드의 다른 부분들로부터 분리되고, 쓰러스터 드라이브들(21)은 비교적 일정한 전력 출력에서 동작된다. 쓰러스터 드라이브들(21)의 전력 출력은 틀림없이, 날씨 상태들이 변화함에 따라, 보다 짧은 시간 스케일 동안, 예를 들어 히브 보상 사이클에 걸쳐 조절될 수 있으며, 전력 출력은 비교적 일정하게 유지된다. 따라서, 전력 그리드 섹션(20)에 결합된 발생기들(15)에 대한 부하 또한 비교적 일정하다.

일부 구성들에서, 전력 그리드 섹션은 실제로는, 예를 들어 DP(동적 위치지정) 클래스 3 동작 동안, 2개 또는 더 많은 분리된 그리드 섹션들로 세분(subdivide) 될 수 있다는 것을 유의한다. 이는, 하나의 전력 그리드 섹션 내에서의 장애가 다른 전력 그리드 섹션들에 영향을 미치지 않도록 어느 정도의 리던던시(redundancy)를 제공한다.

도 1의 실시예에서, 제 1 전력 그리드 섹션(11)은 제 2 전력 그리드 섹션(20)에 전기적으로 결합된다. 이는, 전력 그리드의 하나의 섹션으로부터 다른 섹션으로의 전기 전력의 흐름을 가능하게 한다. 각각의 전력 그리드 섹션은 예를 들어, AC(교류) 버스를 포함할 수 있으며, 이들 2개의 버스들은 적합한 케이블 등에 의해 결합될 수 있다. 다른 구성들에서, 공통 AC 버스가 확립될 수 있다.

도 1의 예에서, 공통 AC 버스(19)가 제공되며, 이를 향해 발생기들(15)이 결합된다. 보다 적은 또는 보다 많은 발생기들이 AC 버스(19)에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 단지 하나의 발생기가 제공될 수 있지만, 다른 실시예들은 드릴링 드라이브 시스템(14) 및 쓰러스터 드라이브 시스템(25)에 전력공급하기 위해 보다 많은 발생기들, 예를 들어 5 내지 10개의 발생기들을 이용할 수 있다. 제 1 및 제 2 전력 그리드 섹션들(11 및 20)은 버스 바 차단기 등과 같은 차단기들에 의해 분리가능할 수 있다. 발생기는 예를 들어, 2 내지 10 MW의 정격의 전력을 가질 수 있어서, 10 내지 100 mW의 총 전기 전력이, 예를 들어 반-잠수식(semi-submersible) 마린 드릴링 베셀을 위해 제공될 수 있다.

도 1의 실시예에서, 전력 공급 시스템(10)은 제어 유닛(30)을 포함한다. 기능적 유닛(30)은 발생기들(15), 드릴링 드라이브 시스템(14), 및 쓰러스터 드라이브 시스템(25)의 동작을 제어한다. 실제 구현시, 기능적 유닛(30)은 몇몇 물리적 제어 유닛들로 분할될 수 있으며, 이는 분리될 수 있고 제어 네트워크 등에 의해 접속될 수 있다는 것을 유의한다. 제어 유닛(30)은, 마린 드릴링 베셀이 안정된 위치를 유지하도록 쓰러스터 드라이브(21)를 제어하는 동적 위치지정 시스템의 제어기를 또한 포함할 수 있다.

제어 유닛(30)은 예를 들어, 액티브 히브 보상기(12)의 동작을 제어하기 위한 제 1 제어기, 발생기들(15)을 제어하기 위한 제 2 제어기, 및 쓰러스터 드라이브 시스템(25)을 제어하기 위한 제 3 제어기를 포함할 수 있다. 따라서, 제어 유닛(30)은, 액티브 히브 보상기(12)에 의해 얼마나 많은 전력이 요구되는지 또는 생산되는지에 대해 이용가능한 정보를 갖는다.

제 2 히브 보상 사이클에서, 드릴 스트링이 드릴링 베셀에 관하여 하강될 때 그리고 액티브 히브 보상기(12)가 에너지를 발생시킬 때, 제어 유닛(30)은 발생기(15)의 전력 출력을 실질적으로 일정한 레벨로 유지하도록, 그리고 액티브 히브 보상기(12)에 의해 발생되는 부가적인 전기 전력을 다 쓰기(use up) 위해 쓰러스터 드라이브들(21) 중 하나 또는 그보다 많은 수의 쓰러스터 드라이브들(21)의 전력 출력을 상승시키도록 구성된다. 베셀이 안정된 위치를 유지하도록 동적 위치지정 시스템은 쓰러스터 드라이브들(21)의 평균 출력 전력을 조절할 수 있다. 파도들에서의 드릴링 베셀의 모션이 주기적임에 따라, 액티브 히브 보상기(12)에 의해 요구되는 그리고 발생되는 에너지는 특정 마진(margin) 내에서 예측될 수 있다. 이러한 정보는, 쓰러스터 드라이브들(21)의 출력 전력이 주기적으로 변동할 때조차 드릴링 사이트 위의 위치가 유지되도록, 드릴링 베셀의 쓰러스터들을 제어할 수 있는 동적 위치지정 시스템에 제공될 수 있다.

히브 보상 사이클의 제 2 페이즈 동안의 쓰러스터 드라이브들(21)에 대한 부가적인 전력 공급으로 인해, 사이클의 제 1 페이즈에서 보다 적은 전기 전력이 쓰러스터 드라이브들에 공급될 필요가 있어서, 전체로서 에너지가 절약될 수 있다.

이러한 구성에서, 쓰러스터 드라이브들(21) 및 액티브 히브 보상기(12) 양측 모두는 제 1 히브 보상 페이즈에서 동작되어서, 보다 높은 부하가 발생기들(15)에 적용된다. 제어 유닛(30)은 이제, 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈 동안에도, 액티브 히브 보상기(12) 및 쓰러스터 드라이브들(21)의 전기 전력 요구들의 합산이 본질적으로 일정하게 유지될 수 있는 방식으로 구성될 수 있다. 액티브 히브 보상기(12)가, 드릴 스트링을 마린 드릴링 베셀에 관하여 들어올리기 위해 전기 전력을 요구할 때, 제어 유닛(30)은 하나 또는 그보다 많은 수의 쓰러스터 드라이브들(21)의 전력 출력을 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 쓰러스터 드라이브들 및 액티브 히브 보상기로부터 비롯되는 발생기들(15)에 대한 부하는 전체 히브 보상 사이클에 걸쳐 본질적으로 일정하게 유지된다. 따라서, 쓰러스터 드라이브들(21)은 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈 동안 보다 낮은 전력 출력을 갖고 그리고 제 2 페이즈 동안 보다 높은 출력을 갖는다. 평균 전력 출력이 동적 위치지정 시스템에 의해 위치를 유지시키기에 충분하도록, 제어 유닛(30)은 평균 전력 출력을 조절할 수 있다.

히브 보상 사이클들이 예를 들어, 5 내지 25 초로 비교적 짧기 때문에, 쓰러스터들의 변동하는 출력 전력은 동적 위치지정을 절충하지 않을 것이다. 게다가, 파도가 드릴링 베셀을 타격할 때, 이는 베셀을 히브(heave) 할 뿐만 아니라 ― 이는 액티브 히브 보상기가 에너지를 발생시키는 (제 2 페이즈) 시간임 ―, 수평 방향으로 힘(force)을 작용시킨다. 이는 증가된 출력 전력을 갖는 쓰러스터 드라이브들의 동작에 의해 반대될(countered) 수 있으며, 따라서, 마린 드릴링 베셀의 내재하는 자체-안정화를 초래한다.

제어 유닛(30)의 추가의 구성에서, 쓰러스터 드라이브들(21)의 그리고 액티브 히브 보상기(12)의 전력 발생/소비가 고려될 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어 켈리(Kelly) 드라이브(13) 또는 톱 드라이브의 전기 모터와 같은 드릴링 드라이브 시스템(14)의 컴포넌트들의 전력 그리드에 결합된 다른 컴포넌트들의 전기 전력 요구들도 고려될 수 있다. 그 다음으로, 제어 유닛(30)은, 전력 그리드에 대한 총 전기 전력 소비가 본질적으로 일정하게 유지되는 방식으로, 쓰러스터 드라이브들(21)에 의해 소비되는 전기 전력을 조절하도록 구성된다. 따라서, 발생기들(15)에 대한 부하는 훨씬 더 일정하게 될 수 있어서, 발생기들의 보다 양호한 연료 절약(fuel economy)의 이로운 효과들 및 감소된 유지보수 요구들이 초래된다. 더욱이, 부하들이 변화함에 따라, 전력 그리드에 대한 주파수가 또한 변화될 것이다. 따라서, 부하를 비교적 일정하게 함으로써, 전력 그리드에 대한 주파수가 또한 보다 안정되게 될 수 있다.

'실질적으로 일정한' 또는 '비교적 일정한'은 조합된 전력 소비(쓰러스터 드라이브 및 액티브 히브 보상기) 또는 발생기들에 대한 부하가 본질적으로 시간에 걸쳐 평탄한 곡선이라는 것을 의미하지 않는다는 것을 유의한다. 이는 단지, 히브 보상 사이클의 시간 스케일에 대해, 조합된 전력 소비에 있어서의 또는 발생기들에 적용된 부하에 있어서의 변동들이, 액티브 히브 보상기의 전기 전력 요구에 있어서의 변동들에 비해 비교적 작다는 것을 의미할 뿐이다.

도 1은 단지 전력 공급 시스템(10)의 그리고 상기 전력 공급 시스템(10)에 결합된 전기 컴포넌트들의 예시적인 구성만을 도시한다는 것을 명백히 해야 한다. 단지 하나의 발생기(15) 또는 예를 들어, 1 내지 10 개의 상이한 수의 발생기들을 제공하는 것과 같은, 다른 구성들이 틀림없이 고려가능하다. 상술된 바와 같이, 쓰러스터 드라이브 시스템(25)은 상이한 수의 쓰러스터 드라이브들을 포함할 수 있고, 드릴링 드라이브 시스템(14)은 머드 펌프들, 시멘트(cement) 펌프들, 앵커 윈치들 등과 같은 추가의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 또한, 제어 유닛(30)은, 쓰러스터 드라이브 시스템(25)을 제어하는 동적 위치지정 제어 유닛, 발생기들을 제어하기 위한 유닛, 및 드릴링 드라이브 시스템(14)을 제어하기 위한 추가의 유닛과 같은 상이한 개개의 제어 유닛들로 분리될 수 있다.

도 2 및 도 3은 보다 상세하게 예시되는, 드릴링 드라이브(25) 및 액티브 히브 보상기(12)가 결합되는 것에 대한 본 발명의 실시예에 따른 전력 공급 시스템을 예시한다. 제 1 및 제 2 전력 그리드 섹션들(11 및 20)은 공통 AC 버스(19)에 의해 결합된다. 도 2는 액티브 히브 보상기(12)가 전기 전력을 소비하는 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈를 예시하는 반면, 도 3은 액티브 히브 보상기(12)가 전기 전력을 발생시키는 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈를 도시한다.

아래에서, 양측 예들에서의 에너지 흐름을 자세히 설명하기 전에 액티브 히브 보상기(12) 및 쓰러스터 드라이브(21)의 컴포넌트들이 간략하게 설명된다. 액티브 히브 보상기(12)는, 드릴링 라인을 감고 풀기 위해 AC 전기 모터들(16)이 윈치 드럼을 회전시키는, 히브 보상 드로워크스를 포함한다. 전기 모터들(16)은 발생기들(15)에 의해 공급된 전기 전력에 의해 동작된다. 3상 변압기(18)는 2개의 2차 권선들을 가지며, 하나는 Y-회로를 갖고, 다른 하나는 △-회로를 가지며, 이는 위상 시프트된, 변환된 AC 전압을 제공한다. 정류기들(41)은 AC 전압을, DC 버스(42) 상에 분배되는 DC 전압으로 변환시킨다. 2개의 "DC-채널들" 내의 전압의 리플(ripple)들은 또한, 위상 시프트되고, 따라서 DC 버스(42) 상의 결과적인 DC 전압에서 고조파 왜곡(harmonic distortion)들을 감소시킨다. 참조 번호 43에 의해 인덱싱된 심볼들은, 가변 주파수를 이용하여 DC 전압을 AC 전압으로 변환시키는 인버터들을 표시하고, 이를 이용하여 전기 모터들(16)이 동작된다. AC 주파수를 변화시킴으로써, 모터들(16)의 회전 속도가 변화될 수 있다. 따라서, 컴포넌트들(41, 42, 및 43)은 원하는 속도로 전기 모터들(16)을 구동시키기 위한 변속 드라이브(40)를 형성한다. 제동 저항기들(17)은 또한, 인버터들에 의해 DC 버스(42)에 결합된다.

쓰러스터 드라이브(21)는 유사하게 구성된다. 발생기들(15)에 의해 발생된 전기 전력은 3상 변압기(24)를 이용하여 다시(again) 변환되고, 가변 주파수로 AC 전기 전력을 AC 전기 모터(22)에 공급하는 변속 드라이브(VSD)(23)에 공급된다. 변속 드라이브(23)는 변속 드라이브(40)와 유사하게 구성될 수 있으며, 즉, 이는 둘 또는 그보다 많은 수의 정류기들, DC 버스, 및 가변 주파수들에서 동작가능한 하나 또는 그보다 많은 수의 인버터들을 포함할 수 있다.

액티브 히브 보상기(12)의 그리고 쓰러스터 드라이브(21)의 구현들은 단지 예시적인 특성이며, 이들 컴포넌트들은 예시된 것들과 상이한 구성들로 구성될 수도 있다는 것을 명백히 해야 한다.

도 2의 화살표들은 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈에서의 전기 전력의 흐름을 나타내며, 화살표들의 폭은 각각의 컴포넌트들에 의해 공급되는/각각의 컴포넌트들에 공급되는 전기 전력의 양을 나타낸다. 쓰러스터 드라이브(21)는 발생기(15)로부터 전기 전력을 공급받고, 비교적 일정한 전력 출력으로 동작된다. 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈에서, 드릴링 베셀은 해저에 관하여 하강되어서, 드릴 스트링은 전기 모터들(16)의 동작에 의해 들어 올려질 필요가 있다. 따라서, 액티브 히브 보상기(12)는 전기 전력을 소비하여서, 넓은 화살표들에 의해 나타내지는 바와 같이, 발생기들(15)에 대한 총 부하가 비교적 크다.

도 3은 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈를 예시하며, 전기 히브 보상기에 의해 발생되는 전기 에너지는 제동 저항기들(17)에서 연소된다. 쓰러스터 드라이브(21)는 도 2에서와 동일한 전력에서 동작된다. 드릴링 베셀이 해저에 관하여 들어 올려져서, 드릴 스트링은 하강될 필요가 있으며, 따라서 전기 모터들(16)에서 전기 전력을 발생시킨다. 발생된 전기 전력은 상기 전기 전력이 연소되는 제동 저항기들(17)에 공급된다. 많은 양의 초과 에너지를 연소시키기 위해, 제동 저항기들(17)은 상당한 크기를 가질 필요가 있고 수냉될 필요가 있다. 발생기들(15)에 대한 총 부하는, 좁은 화살표들에 의해 나타내지는 바와 같이, 실질적으로 도 2에서보다 작다.

히브 보상 사이클에 걸친 전기 전력의 소비/발생은 도 2 및 도 3의 구성에 대해 도 6에서 예시된다. 히브 보상 사이클의 제 1 및 제 2 페이즈들은 각각 참조 번호들(51 및 52)을 이용하여 지정된다. 곡선(61)은 발생기들(15)에 의해 생산될 필요가 있는 전기 전력, 즉 발생기들에 대한 부하를 예시한다. 곡선(62)(작은 점선)은 쓰러스터 드라이브(21)에 의해 소비되는 전기 전력을 예시하며, 이는 도 2 및 도 3의 예에서의 히브 보상 사이클에 걸쳐 일정하다. 곡선(63)(쇄선)은 액티브 히브 보상기(12)의 전력 소비를 예시한다. (도 2에 대응하는) 제 1 페이즈(51)에서, 많은 양의 전기 전력이 히브 보상기에 의해 요구되고(곡선 섹션(64)), 발생기들에 대한 보다 높은 부하를 초래한다. 사이클의 제 2 페이즈(52)에서, 액티브 히브 보상기(12)는 거의 전력을 필요로 하지 않으며, 발생된 전력은, 곡선 섹션(65)(큰 점들)으로 예시된 바와 같이 제동 저항기들에서 연소되어 제거(burn off)된다.

도 7은 제 2 페이즈 동안 액티브 히브 보상기에 의해 발생된 전력이 여전히 제동 저항기들에 의해 연소되어 제거될지라도, 발생기들에 대한 부하가 일정하게 유지되도록, 제어 유닛이 전력 공급 시스템에서의 전기 전력의 흐름을 제어하도록 구성되는 상황을 예시한다. 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력 공급은 곡선(62)에 의해 예시된 바와 같이 더이상 일정하게 유지되지 않지만, 이는 곡선(63)에 의해 예시된 바와 같이 액티브 히브 보상기가 많은 양들의 전기 전력을 이용하는 시간 동안 줄어든다. 따라서, 발생기들에 의해 공급되는 것을 필요로 하는 전력은 본질적으로 일정하게 유지된다(곡선(61)). 곡선(66)은 종래의 동작 동안 쓰러스터 드라이브에 공급되는 평균 전기 전력을 예시하며, 이는 동적 위치지정 시스템의 신뢰적인 동작을 보장할만큼 충분히 높은 평균 전기 전력일 수 있다. 쓰러스터 드라이브에 공급되는 전력이 페이즈(51)에서 감소되기 때문에, 이는 히브 보상 사이클의 나머지 동안 그에 따라 증가되어서, 전체 히브 보상 사이클에 걸친 평균 전력은 곡선(66)에 대응하며, 즉 본질적으로 일정하게 유지된다.

본 발명의 실시예에서, 도 2 및 도 3의 시스템에서의 전기 전력의 흐름은 이제, 제 2 사이클(52) 동안 발생된 전기 전력이 (도 3에 도시된 바와 같은) 제동 저항기들(17)에 완전히 공급되지 않지만, 이는 전력 그리드(AC 버스(19))에 적어도 부분적으로 피드백되고, 쓰러스터 드라이브(21)에 공급되어, 따라서 상기 쓰러스터 드라이브(21)가 발생기들(15)로부터의 부가적인 에너지를 요구함이 없이 보다 높은 출력 전력에서 동작할 수 있게 하는 방식으로, 제어될 수 있다. 여러 구성들이 고려가능하다는 것을 유의한다. 예로서, 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈 동안 액티브 히브 보상기에 의해 발생된 전기 전력의 30%, 50%, 또는 심지어 70% 보다 많은 전기 전력이 전력 그리드로 피드백될 수 있다. 다른 구성들에서, 도 4 및 도 5와 관련하여 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이, 발생된 전력 모두(시스템 내에서의 손실들은 고려하지 않음)가 전력 그리드에 피드백된다.

상기 개요된 상황이 도 8의 도면에서 예시된다. 곡선 섹션(65)은 액티브 히브 보상기에 의한 전기 전력의 발생을 예시한다. 이러한 시간 기간 동안, 쓰러스터 드라이브에 공급되는 전기 전력은, 곡선(63)(점선)을 이용하여 예시된 바와 같이, 증가된다. 따라서 발생기들에 대한 부하(곡선(61))는 본질적으로 일정하게 유지된다. 도 7에서, 쓰러스터 드라이브에 평균 전기 전력(66)을 공급할 수 있기 위해 발생기들은 보다 많은 전기 전력을 공급해야 한다는 것을 유의한다. 대조적으로, 쓰러스터 드라이브에 공급될 필요가 있는 부가적인 전력이 발생기들에 의해 생산되지 않지만, 이는 액티브 히브 보상기로부터 취해지기 때문에, 발생기들에 대한 평균 부하는 도 8의 예에서 보다 낮다. 따라서, 동적 위치지정 동작 동안에도, 발생기들의 보다 낮은 연료 소비가 달성될 수 있다.

도 4 및 도 5는 에너지 흐름이 도 8에 예시된 것에 대응하는 전력 공급 시스템의 실시예를 예시한다. 다시, 도 4는 히브 보상 사이클의 제 1 페이즈(51)를 도시하고, 도 5는 히브 보상 사이클의 제 2 페이즈(52)를 도시한다. 도 4 및 도 5의 구성에서는 액티브 히브 보상기(12)가 제동 저항기들을 갖지 않는다는 점을 제외하고는, 도 4 및 도 5에 예시된 컴포넌트들의 구성은 도 2 및 도 3에 예시된 것에 대응한다. 도 4에 예시된 제 1 페이즈에서, 보다 좁은 화살표들은 보다 적은 전기 전력이 쓰러스터 드라이브(21)에 공급되는 것을 나타낸다. 액티브 히브 보상기(12)에 대한 전기 전력 공급은 도 2에서와 동일하여서, 결과적으로 발생기들(15)에 의해 공급될 필요가 있는 총 전기 전력은 보다 낮다.

도 5에 예시된 제 2 페이즈(52)에서, 도 3과 비교하여 보다 많은 전기 전력이 쓰러스터 드라이브(21)에 제공된다. 이러한 부가적인 전력은 액티브 히브 보상기(12)에 의해 공급되고, 화살표들은 반대 방향(전력 발생)에서의 전력 흐름을 나타낸다. 요구되는 AC 주파수를 갖는, AC 모터들(16)에 의해 발생된 전기 전력을 전력 그리드에 피드백하는 것은 예를 들어, 액티브 정류기들(41)을 이용함으로써 또는 4상한 변환기(예시되지 않음)를 이용함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 쓰러스터 드라이브(21)가 보다 높은 입력 전력을 이용하여 동작될지라도, 도 5에서 발생기들(15)에 대한 총 부하는 도 3에서와 동일하다. 그 결과, 발생기들(15)에 대한 부하는 히브 보상 사이클의 페이즈들 양측 모두(도 4 및 도 5)에서 일정하게 유지될 수 있다.

도 4 및 도 5의 예에서, 발생된 전력의 모두가 전력 그리드로 피드백되기 때문에, 제동 저항기들이 요구되지 않는다. 그렇기는 하지만, 이러한 제동 저항기들은, 예를 들어, 발생된 전기 전력의 과잉(surplus)을 줄이기(take up) 위해, 또는 보다 긴 시간 기간에 걸쳐 제동이 요구될 때, 예를 들어 드릴링 베셀로부터 해저로 드릴 스트링을 하강시킬 때, 제공될 수 있다.

도 2 및 도 3에서뿐만 아니라 도 4 및 도 5에서도, 도 1과 관련하여 논의된 제어 유닛(30) 및 전력 공급 시스템(10)에서 전기 전력의 흐름을 제어하는 것은 명시적으로 도시되지 않았지만, 틀림없이 존재할 수 있다.

더욱이, 도 6 내지 도 8의 도면들은 단지 개략적이고 단지 예시의 목적을 위해서만 제공되었다는 것을 분명히 해야 한다. 예를 들어, 도 8은, 제 1 페이즈(51) 동안 요구되는 부가적인 전력이 본질적으로, 제 2 페이즈(52) 동안 발생된 전력에 대응하는 "이상적인" 시스템의 곡선들을 예시한다. 실제 시스템에서, 일반적으로 보다 적은 전력이 발생될 것이기 때문에, 이들은 동일하지 않을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 발생기들에 대한 부하를 본질적으로 일정하게 유지하기 위해, 쓰러스터 드라이브에 대한 전기 전력 공급이 조절될 수 있다. 더욱이, 도 7 및 도 8이 발생기들에 대한 부하를 예시하는 직선(61)을 도시하지만, 부하는 일반적으로, 예를 들어 발생기들로부터의 전기 전력이 공급되는 추가의 컴포넌트들로 인해, 약간 변화할 수 있는 리플들을 가질 것이다. 발생기들에 대한 부하에 있어서의 변화는 또한, 액티브 히브 보상기 및 쓰러스터 드라이브의 대응하는 제어에 의한 전력 소비/발생 사이에 작은 시간 차이(time lag)로부터 초래될 수 있다. 이러한 변화들은 용어 실질적으로 일정한'에 의해 수용되어야 한다.

요약하면, 개시된 전력 공급 시스템의 실시예들을 이용시, 마린 드릴링 베셀의 전력 그리드에 대한 보다 안정된 주파수 및 발생기들의 보다 적은 연료 소비가 달성될 수 있다. 이는 발생기 세트에 대한 감소된 유지보수 요구들을 초래할 수 있다. 더욱이, 제동 저항기들이 다운스케일링되거나 또는 제거될 수 있다. 유사하게, DC 버스와 제동 저항기들 사이에 결합된 인버터들이 다운스케일링되거나 또는 제거될 수 있다. 따라서, 하중, 요구되는 공간 및 비용들에 있어서의 절약이 달성될 수 있다.

Claims (15)

1. 마린 드릴링 베셀(marine drilling vessel)을 위한 전력 공급 시스템(10)으로서,
   전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기(15)에 결합되고, 상기 마린 드릴링 베셀에 관하여 드릴 스트링(drill string)을 상승 및 하강시키도록 적응된, 전기적으로 전력공급된 액티브 히브 보상기(heave compensator)(12)에 또한 결합되는 제 1 전력 그리드 섹션(11) ― 상기 액티브 히브 보상기(12)는 상기 드릴 스트링이 하강될 때 전기 전력을 발생시키도록 구성됨 ―, 및
   전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기(15)에 결합되고, 상기 마린 드릴링 베셀의 전기적으로 전력공급된 쓰러스터 드라이브(thruster drive)(21)에 또한 결합되는 제 2 전력 그리드 섹션(20)
   을 포함하며,
   상기 제 1 전력 그리드 섹션(11)은 상기 제 2 전력 그리드 섹션(20)에 전기적으로 결합되고, 상기 전력 공급 시스템은, 히브 보상 동안 상기 액티브 히브 보상기(12)에 의해 발생된 전기 전력을 상기 쓰러스터 드라이브(21)를 동작시키기 위해 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 공급하도록 적응되는,
   전력 공급 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 액티브 히브 보상기(12)는 하나 또는 그보다 많은 수의 전기 모터들(16)을 포함하는 히브 보상 드로워크스(drawworks)인,
   전력 공급 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 전력 그리드 섹션(11)은 미리결정된 AC 주파수에서 동작하는 AC 버스(19)를 포함하고,
   상기 히브 보상 드로워크스의 상기 전기 모터(16)는 AC 전기 모터이고, 변속 드라이브(variable speed drive)(40)를 통해 상기 AC 버스(19)에 결합되며,
   상기 변속 드라이브(40)는 액티브 정류기(rectifier)(41)를 포함하고, 상기 AC 전기 모터에 의해 발생된 전기 전력을 상기 AC 버스(19)가 동작되는 주파수와 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 전기 전력으로 변환하도록 적응되는,
   전력 공급 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액티브 히브 보상기(12)에 의해 발생된 전기 전력이 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 공급되는 방식으로, 상기 전력 공급 시스템(10) 내의 전기 전력의 흐름을 제어하도록 적응된 제어 유닛(30)을 더 포함하는,
   전력 공급 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액티브 히브 보상기(12)는 해양 파도들(sea waves)에 의해 야기되는 상기 마린 드릴링 베셀의 히브 모션을 보상하도록 적응되고,
   히브 보상 사이클은, 상기 드릴 스트링이 상승되고 상기 액티브 히브 보상기(12)가 전기 전력을 소비하는 제 1 페이즈(phase)(51), 및 상기 드릴 스트링이 하강되고 상기 액티브 히브 보상기(12)가 전기 전력을 발생시키는 제 2 페이즈(52)를 포함하며,
   상기 전력 공급 시스템은 상기 제 2 페이즈 동안 발생된 전기 전력을 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 공급하도록 적응되는,
   전력 공급 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 히브 보상 사이클의 상기 제 1 페이즈(51) 동안에는 보다 낮은 전력에서, 그리고 상기 히브 보상 사이클의 상기 제 2 페이즈(52) 동안에는 보다 높은 전력에서 상기 쓰러스터 드라이브(21)를 동작시키도록 적응된 제어 유닛(30)을 더 포함하는,
   전력 공급 시스템.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 쓰러스터 드라이브(21)는 상기 마린 드릴링 베셀의 추진(propulsion) 시스템의 일부분이고, 상기 추진 시스템은 동적 위치지정 시스템을 포함하며,
   상기 전력 공급 시스템(10)은, 위치를 유지하기 위해 상기 동적 위치지정 시스템에 의해 요구되는 임계 전력을 초과하는 평균 전기 전력을 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 공급하도록 적응되는,
   전력 공급 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전력 공급 시스템은, 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 의해 소비되는 전기 전력과, 상기 액티브 히브 보상기(12)에 의해 소비되고 발생되는 전기 전력의 합산이 히브 보상 사이클에 걸쳐 실질적으로 일정한 방식으로, 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 대한 전기 전력의 공급을 제어하도록 구성되는,
   전력 공급 시스템.
9. 마린 드릴링 베셀의 전력 공급 시스템(10)을 제어하는 방법으로서,
   상기 전력 공급 시스템은,
   전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기(15)에 결합되고, 상기 마린 드릴링 베셀에 관하여 드릴 스트링을 상승 및 하강시키도록 적응된, 전기적으로 전력공급된 액티브 히브 보상기(12)에 또한 결합되는 제 1 전력 그리드 섹션(11) ― 상기 액티브 히브 보상기(12)는 상기 드릴 스트링이 하강될 때 전기 전력을 발생시키도록 구성됨 ―, 및
   전기 전력을 발생시키도록 적응된 발생기(15)에 결합되고, 상기 마린 드릴링 베셀의 전기적으로 전력공급된 쓰러스터 드라이브(21)에 또한 결합되는 제 2 전력 그리드 섹션(20)을 포함하며,
   상기 제 1 전력 그리드 섹션(11)은 상기 제 2 전력 그리드 섹션(20)에 전기적으로 결합되며,
   상기 방법은,
   히브 보상 동안 상기 액티브 히브 보상기가 상기 드릴 스트링을 하강시킬 때, 상기 액티브 히브 보상기(12)에 의해 전기 전력을 발생시키는 단계,
   상기 발생된 전기 전력을 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 공급하는 단계, 및
   상기 공급된 전기 전력을 이용하여 상기 쓰러스터 드라이브(21)를 동작시키는 단계
   를 포함하는,
   전력 공급 시스템을 제어하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 액티브 히브 보상기(12)는 해양 파도들에 의해 야기되는 상기 마린 드릴링 베셀의 히브 모션을 보상하도록 적응되고,
    히브 보상 사이클은, 상기 드릴 스트링이 상승되고 상기 액티브 히브 보상기(12)가 전기 전력을 소비하는 제 1 페이즈(51), 및 상기 드릴 스트링이 하강되고 상기 액티브 히브 보상기(12)가 전기 전력을 발생시키는 제 2 페이즈(52)를 포함하며,
    상기 발생된 전기 전력을 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 공급하는 단계는 상기 히브 보상 사이클의 상기 제 2 페이즈 동안 수행되는,
    전력 공급 시스템을 제어하는 방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 쓰러스터 드라이브가, 상기 히브 보상 사이클의 상기 제 1 페이즈(51) 동안에는 보다 낮은 전력에서 동작되도록, 그리고 상기 히브 보상 사이클의 상기 제 2 페이즈(52) 동안에는 보다 높은 전력에서 동작되도록 상기 쓰러스터 드라이브의 동작을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    전력 공급 시스템을 제어하는 방법.
12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰러스터 드라이브(21)는 상기 마린 드릴링 베셀의 추진 시스템의 일부분이고, 상기 추진 시스템은 동적 위치지정 시스템을 포함하며,
    상기 방법은,
    위치를 유지하기 위해 상기 동적 위치지정 시스템에 의해 요구되는 임계 전기 전력을 초과하는 평균 전기 전력이 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 공급되는 방식으로, 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 대한 전기 전력의 공급을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    전력 공급 시스템을 제어하는 방법.
13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 쓰러스터 드라이브(21)에 의해 소비되는 전기 전력과, 상기 액티브 히브 보상기(12)에 의해 소비되고 발생되는 전기 전력의 합산이 히브 보상 사이클에 걸쳐 실질적으로 일정한 방식으로, 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 대한 전기 전력의 공급을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    전력 공급 시스템을 제어하는 방법.
14. 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 전력 그리드 섹션들(11, 20)에 결합된 하나 또는 그보다 많은 수의 발생기들(15)에 대한 부하가 히브 보상 사이클에 걸쳐 실질적으로 일정한 방식으로, 상기 쓰러스터 드라이브(21)에 대한 전기 전력의 공급을 제어하는 단계를 더 포함하는,
    전력 공급 시스템을 제어하는 방법.
15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전력 공급 시스템(10)은 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따라 구성되는,
    전력 공급 시스템을 제어하는 방법.

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