본 연구는 시스템 다이내믹스를 기반으로 해양구조물 분리시스템(Separation system)의 설계검증 방법을 제안하였다. 해양구조물 분리시스템은 부가가치 측면에서 EPC 프로젝트의 성공 여부를 결정할 수 있는 상부구조(Topsides)의 가장 중요한 시스템 중 하나이다. 그럼에도 불구하고, 설계검증에 대한 지금까지의 실태는 설계 작업의 프로세스 진행이나 도면작성 및 제공에 국한되어 있어 기본설계 단계에서 설계검증의 미흡으로 인하여 계약 후 잦은 설계변경에 의한 기업손실이 발생되어 왔다. 이러한 맥락에서 본 연구의 목적은 해양구조물의 전체 프로젝트 수행 기간에 성공적인 사업수행을 도모하고자 설계검증 모델을 구축하여 적용하도록 하였다. 제안된 설계검증 방법은 상세 설계의 효과적인 실행뿐만 아니라 초기설계 단계에서 기술적 오류나 불일치 사항을 미리 찾아냄으로써 해양구조물의 엔지니어링, 조달 및 건조에 대한 경쟁력을 향상시키는데 기여 할 것으로 예상한다. 본 연구에서는 먼저 건조한 실적선 자료를 바탕으로 설계검증을 수행하여 FPSO 분리시스템에 적용하고 ISO 15288 국제 표준을 준수하였다. 결과적으로, 제안된 설계검증 방법이 해양구조물의 FEED 검증 프로세스에 적용될 수 있으며, 향후 해양 프로젝트의 성공적인 수행에 의한 이익창출을 도모할 수 있을 것이다. 또한, 해양구조물 건조 시 설계변경에 의한 막대한 손실을 최소화 할 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구는 시스템 다이내믹스를 기반으로 해양구조물 분리시스템(Separation system)의 설계검증 방법을 제안하였다. 해양구조물 분리시스템은 부가가치 측면에서 EPC 프로젝트의 성공 여부를 결정할 수 있는 상부구조(Topsides)의 가장 중요한 시스템 중 하나이다. 그럼에도 불구하고, 설계검증에 대한 지금까지의 실태는 설계 작업의 프로세스 진행이나 도면작성 및 제공에 국한되어 있어 기본설계 단계에서 설계검증의 미흡으로 인하여 계약 후 잦은 설계변경에 의한 기업손실이 발생되어 왔다. 이러한 맥락에서 본 연구의 목적은 해양구조물의 전체 프로젝트 수행 기간에 성공적인 사업수행을 도모하고자 설계검증 모델을 구축하여 적용하도록 하였다. 제안된 설계검증 방법은 상세 설계의 효과적인 실행뿐만 아니라 초기설계 단계에서 기술적 오류나 불일치 사항을 미리 찾아냄으로써 해양구조물의 엔지니어링, 조달 및 건조에 대한 경쟁력을 향상시키는데 기여 할 것으로 예상한다. 본 연구에서는 먼저 건조한 실적선 자료를 바탕으로 설계검증을 수행하여 FPSO 분리시스템에 적용하고 ISO 15288 국제 표준을 준수하였다. 결과적으로, 제안된 설계검증 방법이 해양구조물의 FEED 검증 프로세스에 적용될 수 있으며, 향후 해양 프로젝트의 성공적인 수행에 의한 이익창출을 도모할 수 있을 것이다. 또한, 해양구조물 건조 시 설계변경에 의한 막대한 손실을 최소화 할 수 있을 것으로 기대한다.
This paper proposes a design verification method based on system dynamics for offshore separation systems. Oil and gas separation systems are key components of offshore oil platforms; these systems determine the competitiveness of engineering, procurement, and construction (EPC) projects, especially...
This paper proposes a design verification method based on system dynamics for offshore separation systems. Oil and gas separation systems are key components of offshore oil platforms; these systems determine the competitiveness of engineering, procurement, and construction (EPC) projects, especially in terms of added value. However, previous research on design verification has been limited to the process and deliverables of design. To address this, the study aims to develop a comprehensive design verification method and the associated functions from the perspective of project management, for the entire project life-cycle of offshore structures. The proposed methodology for design verification is expected to contribute toward effective and detailed designs as well as improve the competitiveness of EPC companies in constructing of shore structures during the early design stages. We first analyzed the separation system of the FPSO using the design verification method adopted by advanced countries and compared it with the system dynamics process formalized as ISO 15288. Subsequently, a tailored process for the design verification of the offshore structure was derived. It is shown that the proposed design verification method can be applied to the front-end engineering design process of of shore structures. Moreover, it can contribute toward the successful performance of offshore projects in the future and also minimize design changes and critical risks during the construction of these offshore structures.
This paper proposes a design verification method based on system dynamics for offshore separation systems. Oil and gas separation systems are key components of offshore oil platforms; these systems determine the competitiveness of engineering, procurement, and construction (EPC) projects, especially in terms of added value. However, previous research on design verification has been limited to the process and deliverables of design. To address this, the study aims to develop a comprehensive design verification method and the associated functions from the perspective of project management, for the entire project life-cycle of offshore structures. The proposed methodology for design verification is expected to contribute toward effective and detailed designs as well as improve the competitiveness of EPC companies in constructing of shore structures during the early design stages. We first analyzed the separation system of the FPSO using the design verification method adopted by advanced countries and compared it with the system dynamics process formalized as ISO 15288. Subsequently, a tailored process for the design verification of the offshore structure was derived. It is shown that the proposed design verification method can be applied to the front-end engineering design process of of shore structures. Moreover, it can contribute toward the successful performance of offshore projects in the future and also minimize design changes and critical risks during the construction of these offshore structures.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 해양구조물 상부구조에서 가장 중요하고 첫 번째 공정인 분리시스템에 대한 설계검증 방법으로 OC-Model(Operating Condition–Model) 적용을 제안하였다.
본 연구에서는 시스템 다이내믹스의 인과요인 분석을 통하여 해양구조물 설계검증 방법을 구현하고자 FPSO 상부구조의 분리시스템을 연구대상으로 하였다. FPSO는 Fig.
이는 결과적으로 비용(Cost), 품질 (Quality) 그리고 일정(Schedule)으로 표출되며 해당 프로젝트의 성공 여부를 결정지을 가장 중요한 요소가 된다. 본 연구에서는 이의 효용성을 증대시키기 위해 시스템 다이내믹스를 기반으로 분리 시스템의 설계검증 모델을 제안하였다.
설계검증을 수행하는 목적은 해양 프로젝트 계약 시 소요되는 가격과 중량 그리고 각 시스템별 배치를 추정하고 해당 프로젝트에 대한 최종 의사결정(손익 예측)을 하여 입찰에 참여하는 것이다. 이들의 추정을 위해서 각 장비, 배관, 계기들의 사양을 정해야 하며 이것이 FEED의 최종 결과물이다.
이러한 어려움을 개선하기 위하여 본 연구에서는 설계검증을 통해서 설계변경을 최소화하고 추가공사에 의한 비용 발생 그리고 납기 일정에 손해가 없도록 설계검증 모델을 제안하였다.
제안 방법
FEED 데이터의 운전조건에서 Pressure와 Temperature를 적용하였고 시뮬레이션 데이터의 유체의 물성에서 Heads의 형상을 적용하였다. 그 이유는 유정에서 올라오는 오일과 가스의 Mol%에 따라 2차, 3차 분리시스템의 오일 분리기와 가스 분리기가 다르게 선정될 수 있기 때문이다.
그 이유는 유정에서 올라오는 오일과 가스의 Mol%에 따라 2차, 3차 분리시스템의 오일 분리기와 가스 분리기가 다르게 선정될 수 있기 때문이다. 그리고 벤더 데이터의 설계요구사항에서 Internal Diameter, Height or Length, Material, Corrosion Allowance, Lining / Cladding Type, Insulation Type을 적용하였다.
넷째, 시뮬레이션 분석(Simulation analysis)을 수행한다.
해양구조물의 FEED 성숙도에 따라 설계변경이 일어나고 설계변경에 따라 추가공사가 발생하여 이의 손실에 의한 영업수익이 감소하는 악순환의 연결고리를 가지고 있다. 따라서 이러한 인과 관계를 분석하고자 Vensim PLE 프로그램을 이용하여 인과지도를 작성할 수 있도록 주요 핵심요인(Cause and Key Factors) 8가지 항목을 Fig. 8과 같이 선정하였다. 핵심요인 8가지를 구성변수로 선정한 이유는 개념설계 단계에서부터 상세설계 단계에 이르는 경계조건 내에서 구성변수들이 순환적 체계(Loop) 내에 존재해야 하므로 직접 영향이 있고 연결고리가 존재하는 항목만을 선정하였다.
또한, 시스템 다이내믹스는 구성변수가 시간의 흐름에 따라 변하므로 장기적이며 전체적인 변화패턴에 초점을 맞추고자 인과지도를 작성, 이를 바탕으로 FEED 성숙도에 따른 설계변경과 추가공사에 의한 손실 발생의 동태적 인과지도를 아래 Fig. 9와 같이 나타내었다.
본 연구에서는 다섯 단계의 틀 중에서 첫째 단계인 변수의 정의와 둘째 단계인 인과지도 작성을 통하여 설계검증 모델을 제시하였다. 연구의 범위는 아래의 Fig.
본 연구에서는 시스템 다이내믹스를 기반으로 해양구조물 분리시스템의 설계검증 방법과 인과요인 분석에 의한 설계검증 모델을 구축하였다. 최근 들어 국내 대형 조선해양 3사는 계속적인 적자를 기록하고 있으며 대부분의 손실은 해양 프로젝트에서 발생하였다.
분리시스템의 설계검증 방법으로는 설계단계에서 문제의 정의와 설계검증의 변수 선정, 인과지도 작성 및 적용 그리고 타당성 검증 순으로 프로세스를 진행하였다. 인과지도 작성은 논리 분석 능력이 우수한 Vensim PLE를 이용하여 수행하였고 모델 구축에 필요한 정보는 FEED 데이터에서 운전조건(Operating Condition)을 얻었으며 HYSYS 시뮬레이션 데이터에서 유체 물성(Fluid Composition) 자료를 얻었고 벤더 데이터에서 설계 요구사항(Design Requirement)을 얻어 적용하였다.
이처럼 해양구조물의 공사 리스크를 최소화하고 전체 프로젝트 수행을 성공적으로 수행하기 위해서 설계검증 모델을 구축하여 적용하도록 하였다. 이와 관련된 선행 연구 현황을 살펴보면, 국내 연구로는 해양구조물 상세설계와 건조에 관한 연구(Hwang et al.
분리시스템의 설계검증 방법으로는 설계단계에서 문제의 정의와 설계검증의 변수 선정, 인과지도 작성 및 적용 그리고 타당성 검증 순으로 프로세스를 진행하였다. 인과지도 작성은 논리 분석 능력이 우수한 Vensim PLE를 이용하여 수행하였고 모델 구축에 필요한 정보는 FEED 데이터에서 운전조건(Operating Condition)을 얻었으며 HYSYS 시뮬레이션 데이터에서 유체 물성(Fluid Composition) 자료를 얻었고 벤더 데이터에서 설계 요구사항(Design Requirement)을 얻어 적용하였다.
즉 FEED 데이터로부터 받은 검토용 P&ID를 가지고 기술적인 오류와 도면에 누락 된 내용 그리고 불일치 사항과 장비 성능상 불충분한 내용을 계약 전에 검증하여 상세설계가 원활하게 수행될 수 있도록 하였다.
10에서 보이는 바와 같이 FEED 데이터와 시뮬레이션 데이터 그리고 벤더 데이터를 받아 적용하였다. 즉, FEED 데이터에서 운전 조건과 시뮬레이션 데이터에서 유체의 물성 그리고 벤더 데이터에서 설계 요구사항을 선별하여 적용하였다.
8과 같이 선정하였다. 핵심요인 8가지를 구성변수로 선정한 이유는 개념설계 단계에서부터 상세설계 단계에 이르는 경계조건 내에서 구성변수들이 순환적 체계(Loop) 내에 존재해야 하므로 직접 영향이 있고 연결고리가 존재하는 항목만을 선정하였다. 즉, 변수가 너무 많으면 인과지도가 복잡하게 되고 변수가 적으면 문제의 원인을 파악할 수 없게 되기 때문이다.
대상 데이터
설계검증의 모델 적용 방법은 아래의 Fig. 10에서 보이는 바와 같이 FEED 데이터와 시뮬레이션 데이터 그리고 벤더 데이터를 받아 적용하였다. 즉, FEED 데이터에서 운전 조건과 시뮬레이션 데이터에서 유체의 물성 그리고 벤더 데이터에서 설계 요구사항을 선별하여 적용하였다.
이론/모형
12. Proposed design verification with OC-model.
성능/효과
Heads 그리고 9. Insulation type이 FEED 오류로 인한 설계변경이 일어났음을 확인하였다.
결론적으로 FEED 데이터를 통해서 첫째, 설계 오류를 조기에 찾아낼 수 있었고 둘째, 조기 설계검증에 의한 설계변경을 최소화 할 수 있었으며 셋째, 짧은 기간 내에 설계검증을 수행하여 성공적인 계약을 성사시킬 수 있었다. 또한, 본 연구에서 제안한 방법을 적용할 경우 신속하고 체계적인 설계검증이 이루어질 수 있음을 확인하였다.
따라서 본 연구에서 제안한 설계검증 OC-Model을 이용하여 적용한 결과 검증항목 9건 중 3건이 설계변경 되었음을 확인하게 되었다. 이로써 지금까지 해외 엔지니어링사에 의존해 왔던 설계검증을 앞으로는 국내 조선소 엔지니어가 직접 수행할 수 있을 것으로 판단한다.
결론적으로 FEED 데이터를 통해서 첫째, 설계 오류를 조기에 찾아낼 수 있었고 둘째, 조기 설계검증에 의한 설계변경을 최소화 할 수 있었으며 셋째, 짧은 기간 내에 설계검증을 수행하여 성공적인 계약을 성사시킬 수 있었다. 또한, 본 연구에서 제안한 방법을 적용할 경우 신속하고 체계적인 설계검증이 이루어질 수 있음을 확인하였다. 향후 이 방법을 FPSO 상부구조의 핵심장비인 압축기(Compressor)와 열교환기(Heat exchanger) 그리고 펌프(Pump)에도 확대 적용하여 그 효용성을 증가시킬 예정이다.
5bar로 표기되어 있어 오류임을 확인하였다. 또한, 분리시스템의 Heads 형상은 타원형에서 가스 유동을 더욱 원활히 하려고 반타원형으로 변경하였음을 확인하였고 Insulation type은 일반적인 열을 고려하는 H에서 방화벽이 필요한 PFP(Passive Fire Protection)로 강화되었음을 확인하였다.
초기 검토용 P&ID에서는 설계압력이 29bar였으나 최종 승인용 P&ID 도면에는 3.5bar로 표기되어 있어 오류임을 확인하였다.
후속연구
따라서 본 연구에서 제안한 설계검증 OC-Model을 이용하여 적용한 결과 검증항목 9건 중 3건이 설계변경 되었음을 확인하게 되었다. 이로써 지금까지 해외 엔지니어링사에 의존해 왔던 설계검증을 앞으로는 국내 조선소 엔지니어가 직접 수행할 수 있을 것으로 판단한다.
또한, 본 연구에서 제안한 방법을 적용할 경우 신속하고 체계적인 설계검증이 이루어질 수 있음을 확인하였다. 향후 이 방법을 FPSO 상부구조의 핵심장비인 압축기(Compressor)와 열교환기(Heat exchanger) 그리고 펌프(Pump)에도 확대 적용하여 그 효용성을 증가시킬 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분리시스템은 어떤 시스템인가?
분리시스템은 유정에서 채굴한 유체의 비중 차를 이용하여 원유(Oil), 물(Water), 가스(Gas)로 분리하는 시스템이다. 이 시스템은 Table 1에 나타나 있듯이, 압력에 따라 LP(Low Pressure) Separator, HP(High Pressure) Separator 그리고 IP(Intermediate Pressure) Separator로 구분하며, Fig.
시스템 다이내믹스를 이용한 연구의 틀(Research Framework)은 어떻게 이루어 지는가?
첫째, 우선 분석의 목적에 합당한 모델 작성을 위해 그 목적에 맞게 문제를 인식하여 변수를 정의한다(Determine the Variables).
둘째, 단계에서는 문제를 피드백 시각(Feedback Perspective)에서 개념화(Conceptualization) 시킨다. 이 단계에서는 특정 문제를 야기시키는 여러 원인들이 어떻게 상호 연결되어 있는가를 피드백 시각에서 나타내는 인과지도(Causal Loop Diagram, CLD) 작성이 중요한 과제가 된다.
셋째, 이상의 개념화를 바탕으로 실제로 정책분석에 이용될 모델을 구축(Create Model) 한다,
넷째, 시뮬레이션 분석(Simulation analysis)을 수행한다.
다섯째, 작성된 모델에서 보이는 주요 변수들의 행태를 중심으로 모델의 타당성을 평가(Model Validation & Evaluation)한다.
설계검증을 수행하는 목적은?
설계검증을 수행하는 목적은 해양 프로젝트 계약 시 소요되는 가격과 중량 그리고 각 시스템별 배치를 추정하고 해당 프로젝트에 대한 최종 의사결정(손익 예측)을 하여 입찰에 참여하는 것이다. 이들의 추정을 위해서 각 장비, 배관, 계기들의 사양을 정해야 하며 이것이 FEED의 최종 결과물이다.
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