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문제 정의
- 이상의 관련 연구와 본 논문의 비교는 Table 1과 같다. 본 논문에서는 Walther[5]의 하부구조물 이송/설치 평가 방법과 Walker[6]의 상부구조물 이송/설치 평가 방법을 참고하여 시뮬레이션 모델을 구성하고자 한다. 기상 조건을 반영한 이송/설치소요시간 산정을 위하여 Walther[5]는 월별 통계 데이터를 사용하였으며 Walker[6]는 기상 조건을 고려하지 않았다.
- 따라서 이송 및 설치 과정에 대하여 분석하고, 이를 모델링하여 시뮬레이션을 통해 미리 시나리오를 검증할 필요가 있다. 본 논문에서는 모노파일 하부 구조물을 갖는 해상풍력발전의 해상 이송과 설치 프로세스를 분석하고, 이를 일정계획과 비용분석 측면에서 시뮬레이션 하고자 한다. 이때 시뮬레이션에는 역학적인 계산이 시뮬레이션에 포함되는 것은 아니기 때문에, 이산시간 시뮬레이션(discrete time simulation)이 아닌 이산사건 시뮬레이션(discrete event simulation)을 적용한다.
- 기존에 석유 및 가스를 위한 해양플랜트에 사용되었던 구조물이 부유식 해상풍력발전 하부구조물로 사용되고 있으며, 대표적으로 텐션레그플랫폼(Tension Leg Platform, TLP), 반잠수식 구조물(semi-submersible), 그리고 원통형 부이 형태의 스파(spar)가 있다[3]. 본 논문에서는 앞으로 우리나라 서남해에 많은 설치가 예상되는 모노파일 구조물을 대상으로 하여 이송 및 설치 프로세스를 분석하고, 일정계획과 비용을 산출하는 시뮬레이션을 소개한다.
- 복수의 이송 및 설치가 다양한 장소에서 다양한 선박에 의해 수행되는데, 이럴 경우 이송/설치 업체의 경험에 의존해서는 일정계획 및 예상비용 산출에 어려움이 예상된다. 본 논문에서는 이러한 어려움을 사전에 대비하고자 이송과 설치 과정을 시뮬레이션 하고자 한다. 시뮬레이션은 단위 동작을 수행하는 시뮬레이션 모델로 구성되는데 본 논문에서는 이산사건시스템으로 모델링 하였다.
- 중기 범위의 시뮬레이션을 위해서는 미국해양대기관리처(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)의 중기 예측 결과를 반영할 예정이다. 시뮬레이션에서 산출된 이송 및 설치 시간, 비용은 향후 계획중인 반잠수식구조물의 파력-풍력 복합발전플랫폼의 이송 및 설치 사례를 통하여 시뮬레이션을 검증하고자 한다.
- 이를 비교하기 위하여 본 논문에서는 두 가지 시나리오에 대하여 서로 두 종류의 선박을 운용하는 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 모노파일과 트랜지션 피스를 4 세트 설치하는 시나리오를 구성하였고(시뮬레이션 I), 모노파일과 트랜지션 피스, 그리고 풍력발전 터빈(타워와 로터부) 을 설치하는 시나리오를 구성하였다(시뮬레이션 II).
가설 설정
- 총 4기의 모노파일을 설치할 계획이기 때문에 모노파일과 트랜지션 피스를 거제에서 선적하고 제주로 이송하여 각각을 설치한 후 다시 거제로 복귀하게 된다. 2013년 10월 1일에 거제에서 선적을 시작하는 시뮬레이션을 두 가지 설치선박 WTIV와 소형잭업을 이용하는 상황을 가정하여 수행하였다.
- (Marine Economic Risk Management Aid)를 사용하여 풍력발전기 300개를 설치할 때의 설치 시간과 비용을 산출하였다. Fig. 2와 같이 다음 네 가지 설치 시나리오를 가정하였으며, 이때 기상 상태는 고려하지 않았다.
- 시뮬레이션에서는 이송 및 설치 비용 산출을 위하여 이송/설치 선박의 상태(operating/waiting)에 따른 용선료를 식 (2)와 같이 반영하였다. 부가적인 초기비용은 없다고 가정하여전체비용(total cost, ₩)은운행용선료(dayrate, ₩/day)와 운행일수(operation date, day)의 곱에 대기용선료(standby dayrate, ₩/day)와 대기일수(standby date, day)의 곱을 더한것으로 산출하였다.
- 시뮬레이션 모델은 앞의 시뮬레이션I의 모델에서 터빈의 이송 및 설치를 고려하여 수정하였으며, 시뮬레이션 I과 마찬가지로 WTIV를 이용하여 2013년 10월 1일에 이송 및 설치를 시작한다고 가정하였다. 시뮬레이션 II의 결과는 Fig.
- 시뮬레이션 시나리오는 거제의 조선소에서 모노파일과 트랜지션 피스를 생산하여 제주로 이송 및 설치하는 상황을 가정하였다(Fig. 12). 총 4기의 모노파일을 설치할 계획이기 때문에 모노파일과 트랜지션 피스를 거제에서 선적하고 제주로 이송하여 각각을 설치한 후 다시 거제로 복귀하게 된다.
- 를 이용하여 항구간의 거리, 설치하고자 하는 구조물의 수, 이송 및 설치 선박의 선속, 용선료, 작업 시작 날짜의 입력 정보와 통계적으로 구한 웨더윈도우(weather window) 인수를 이용하여 작업 시간 및 비용을 산출하였다. 이 때 한 항구를 모항으로 하는 한 척의 이송/설치 선박을 이용하여 다수의 해상풍력발전 하부구조물을 설치하는 시나리오를 가정하였으며, 아래와 같이 3가지 시나리오에 대한 계산을 수행하였다.
- 13은 예를 들어 2013년 10월 13일 9시(시뮬레이션 시간 297시) 이후 작업시간 47시간을 확보하기 위한 웨더윈도우 계산 과정을 보여준다.작업을 위한 조건을 최대유의파고 2.5 m, 최대풍속 12 m/s 이하로 가정하였다[17,18]. 먼저 시뮬레이션 시간 297시 이후로 풍속이 12 m/s 이하인 구간을 확인하고(Fig.
- 먼저 모노파일과 트랜지션 피스를 4 세트 설치하는 시나리오를 구성하였고(시뮬레이션 I), 모노파일과 트랜지션 피스, 그리고 풍력발전 터빈(타워와 로터부) 을 설치하는 시나리오를 구성하였다(시뮬레이션 II). 해상풍력발전의 선적과 설치는 각각 Fig.10과 같이 거제와 제주에서 이루어진다고 가정하였다. 이때 이송 및 설치를 위한 선박의 제원은 실존하는 설치 선박의 제원을 바탕으로 Table 2와 같이 정의하였다.
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