KR102666725B1

KR102666725B1 - 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법

Info

Publication number: KR102666725B1
Application number: KR1020230149189A
Authority: KR
Inventors: 정진우
Original assignee: (주) 한국케이지티콘설턴트
Priority date: 2023-11-01
Filing date: 2023-11-01
Publication date: 2024-05-17
Anticipated expiration: 2043-11-01

Abstract

본 발명은 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법에 관한 것으로, 특히 웰패드 및 연결설비 위험성 및 이상진단을 통하여 안전한 운용을 위해 주요 설비의 기능을 데이터베이스화하고 웰패드의 파이프 랙은 확장성을 고려하여 모듈식으로 설계 및 제작함에 따라 모듈의 취약지점을 선정하여 센서를 통해 설비의 상태를 실시간으로 계측하고, 범용적인 미들웨어를 개발하여 건정성 평가를 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 ISV(Independent Software Vendor)의 조합을 통해 운영자의 요구를 충족시킬 수 있도록 개선된 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법에 관한 것이다.

Description

웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법{High-yield recovery and circulation device processing method for eco-friendly non-traditional oil based on wellpad}

석유 자원의 하나인 오일샌드에서 회수되는 비투멘(bituman)(이하, 역청이라 함)은 과거 질적으로 열악하여 예비적 대체 자원으로만 생각되어 왔으나, 현재 상기 역청으로부터 얻어지는 오일이 원유에서 얻어지는 것과 비교하여 질적이나 비용적인 측면에서 충분히 경쟁력이 있어 이에 대한 연구개발이 다양하게 이루어지고 있다.

여기서, 오일샌드란 타르샌드라고도 불리며 중질의 점도가 높은 탄화수소인 역청을 10~12% 포함하는 사암층이다. 따라서, 오일샌드는 역청뿐만 아니라 모래와 물, 진흙 등이 섞여서 존재하게 되는데, 오일샌드에서 생산되는 역청은 수소가 결핍된 오일로서, 여러가지 공정을 거쳐 역청을 추출하고 추가적인 정제과정을 거쳐 합성원유로 만들어진 후 다른 지역으로 이동된다.

오일샌드로부터 역청을 추출하는 방법으로, 저류층(reservoir)의 깊이가 150ft 이하인 경우, 오일샌드 위에 있는 각종 돌이나 흙을 제거하고 오일샌드를 캐낸 후에 추출 플랜트(extraction plant)로 이동하여 175℉의 온수와 혼합하여 역청을 추출한다.

여기서, 1배럴 정도의 역청을 생산하기 위해서는 2톤 가량의 오일샌드와 2~5배럴의 깨끗한 물, 250ft³의 천연가스가 필요하다. 오일샌드로부터 생산된 역청은 정제과정을 통해 합성원유로 바뀌고 이후 가솔린, 중유, 경유 등으로 분리된다.

전술한 바와 같이, 오일샌드로부터 역청을 추출하는 방법 중에서 가장 많이 사용되고 있는 방법이 지하회수법(SAGD)이다.

상기 지하회수법(SAGD)은 깊은 땅 속에 있는 오일샌드를 채굴하기 위하여 땅 속에 파이프를 박아 증기를 유입한 후 열을 통해 오일샌드 덩어리에서 비투멘을 분리한 후 지상으로 끌어 올리는 기술인데, 상기 방식을 이용하는 오일샌드 플랜트의 원유를 생산하는 과정은 다음과 단계로 이루어지게 된다.

도 1을 참조하면, 플랜트 설비는 땅속에 설치된 인젝션 파이프(P1)와 프로덕트 파이프(P2) 및 증기를 공급하는 제1웰패드 모듈(100)과, 오일을 회수하는 제2웰패드 모듈(200) 및 각종 제어를 담당하는 웰패드 제어 모듈(300)로 구성된다.

그외 세정플랜트(W) 및 저장 플랜트(S)를 포함한다.

우선적으로 증기를 생성하고, 인젝션 파이프(P1)를 땅 속에 집어넣고 생성된 증기를 유입시켜 가스나 오일등이 올라오게 되면 이를 수집하게 된다.

수집된 성분은 오일 또는 가스로 구분될 수 있는데 그 중 오일에 포함되는 물이나 머드, 그 밖에 오일성분을 세퍼레이터를 통해 각각 분리시키게 되고, 추출된 물 성분은 디오일링 및 생산수처리 과정을 통해 처리되고, 가스성분은 수분이나 황 등을 제거하는 과정으로 진행된다.

상기 수처리 설비는 침전 및 여과에 의한 수처리 과정을 거치도록 되어있으며, 각 단계를 위한 설비는 정밀한 제어를 필요로 하는 설비로서 각 단계별로 이루어지는 수처리 과정에 따라 제거되는 오일이나 고체의 비율이 상이하게 된다.

여기서, 상기 증기발생기를 통해 생산된 증기는 웰패드 시스템의 인젝션 설비를 통해 지하 깊은 곳에 존재하는 오일샌드까지 설치된 주입정을 통해 증기를 공급하고 상기 증기를 통해 점성도가 약해져 분리된 비투멘이 생산정을 통해 수집되는 것이다.

이러한 웰패드 시스템은 지하 영역에 매립된 오일샌드 지역에 설치하고, 웰패드 시스템을 이용하여 고압의 스팀을 분사하여 오일샌드를 녹여내는 과정에서 수증기의 일부가 외부로 유출되면서 주변 지역을 오염시킨다는 단점이 있으며, 특히 지하에 매설된 비투멘 채굴장비의 경우 오일샌드를 전부 채굴한 이후에는 이를 그대로 폐기처리하거나 설치를 해제하고 다른 오일샌드 지역으로 이동시켜 재조립해야 하므로 업무효율성이나 경제성이 떨어진다는 문제점이 있다.

그리고 유전에서 중질류 생산을 위하여 다양한 구조로 된 석유회수증진(EOR)설비를 적용하고 있으며, 대부분의 EOR 설비는 스팀, CO₂, N₂,폴리머 등을 주입정에 주입하여 오일이 있는 리져버에 열과 압력을 받아 오일을 생산한다.

보통 유층내 압력에 자연적 분출에 의해 원유를 생산하는 것을 1차 회수라고 하는 데, 1차 회수에 의해 생산되는 원유는 매장량의 15%에 지나지 않으며, 나머지는 유정 내에 가스를 주입하거나 물을 주입하여 원유를 회수하고 이를 2차 공정이라 한다.

2차 회수 후에도 리져버에는 원유가 남아 있게 되는데, 수증기, 계면활성제, 탄화수소가스, 탄산가스 등을 기름층 안으로 주입해서 가스와 원유가 완전히 혼합된 상태로 그 일부를 어떻게 해서든 회수하려 하며 이를 3차 회수라고 한다.

지하에서 지표로 회수된 원유는 가스와 물이 혼합되므로 먼저 가스와 물을 분리하고 가스는 다시 원유와 물을 분리하고 황화수소와 이산화단소 같은 불순물을 제거하며, 불순물이 제거된 원유와 가스는 유전에서 회수되어 다음 공정(Desanding, Separator 등)으로 넘어가도록 하고 있다.

이때 지층의 오일 리져버에 대량의 고압 스팀을 주입하기 위하여 사용되는 스팀 인젝션은 대형의 에어컴프레셔, 물공급펌프, 유수분리기 등이 필요하여 제작비용이 증대되는 단점이 있다.

아울러 스팀발생장치는 버너를 포함한 Cab영역, Radient & Convection Section이 일체화되어 정밀하게 조립 제작되어야 하므로 각종 조립, 계측 장비 등이 구비되지 않은 현장에서는 조립이 어려우며, 대형 설비들을 현장까지 운반하는데 애로사항이 있어, 유전에 비례하는 플랜트를 확보하지 못하여 생산이 지연되는 문제점이 노출되었다.

대한민국 특허 등록번호 제10-2187697호(2020.11.01.) 모듈화된 복합 가압설비와 웰패드 조립체

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 웰패드 및 연결설비 위험성 및 이상진단을 통하여 안전한 운용을 위해 주요 설비의 기능을 데이터베이스화하고 웰패드의 파이프 랙은 확장성을 고려하여 모듈식으로 설계 및 제작함에 따라 모듈의 취약지점을 선정하여 센서를 통해 설비의 상태를 실시간으로 계측하고, 범용적인 미들웨어를 개발하여 건정성 평가를 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 ISV(Independent Software Vendor)의 조합을 통해 운영자의 요구를 충족시킬 수 있도록 개선된 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 데이터베이스 구축단계, 미들웨어 구축단계, 웰패드 및 연결부 진단설비 구축단계, 상기 데이터베이스와 미들웨어와 진단설비를 연결하여 실시간 모니터링 및 분석 시각화하는 단계를 포함하는 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법에 있어서;

상기 데이터베이스 구축단계는 웰패드의 주요 설비를 선정하고 해당 설비의 계측 데이터를 수집하여 요구사항을 분석하고 주요 개체를 선정하는 과정; 개체 사이의 관계를 결정하여 개체 관계도를 작성하고, 작성된 개체 관계도를 사용하여 데이터스키마를 작성하며, MS SQL을 사용하여 데이터베이스의 물리적 설계를 구현하는 과정; 실시간으로 전송되는 계측 데이터는 CSV 형태의 파일로 저장하고 데이터 변환을 위한 프로그램을 개발하여 설비 성능평가에 필요한 데이터를 데이터베이스에 저장하는 과정;을 포함하고,

상기 미들웨어 구축단계는 Modbus를 사용한 데이터 수집하여, 공정 제어 데이터를 위한 우선 순위화된 데이터 교환하는 과정; 경로설정이 가능하며, 장치 관리, 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 및 백엔드 데이터 시스템용으로 새로운 프로토콜, 데이터 분석 및 기타 기능을 추가하여 특정 응용 프로그램 요구사항을 반영하는 과정; 하드웨어는 현장에서 온보드(On-board)에 설치되어 폭파 등의 위험성을 제거하기 위해 ATEX 및 IECEx 인증을 취득한 설비를 설치하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 웰패드 및 연결설비 위험성 및 이상진단을 통하여 안전한 운용을 위해 주요 설비의 기능을 데이터베이스화하고 웰패드의 파이프 랙은 확장성을 고려하여 모듈식으로 설계 및 제작함에 따라 모듈의 취약지점을 선정하여 센서를 통해 설비의 상태를 실시간으로 계측하고, 범용적인 미들웨어를 개발하여 건정성 평가를 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 ISV(Independent Software Vendor)의 조합을 통해 운영자의 요구를 충족시킬 수 있도록 개선된 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 지하회수법(SAGD)의 오일샌드 추출 플랜트를 나타낸 예시적인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 웰패드 및 연결설비 위험성 및 이상진단 평가 모델의 예시적인 구성블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법 설명을 위한 미들웨어의 예시적인 구성도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 방법 설명을 위한 조합 형태별 웰패드 파이프랙 모듈의 최대변위 및 최대응력 평가예를 보인 예시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 웰패드 조립체의 예시도이다.
도 8은 도 7의 웰패드 조립체를 구성하는 연결유닛의 예시도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위한 웰패드 조립체를 구성하는 조인트유닛의 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법은 도 2의 예시와 같이, 데이터베이스 구축단계, 미들웨어 구축단계, 웰패드 및 연결부 진단설비 구축단계, 상기 데이터베이스와 미들웨어와 진단설비를 연결하여 실시간 모니터링 및 분석 시각화하는 단계를 포함한다.

이때, 데이터베이스 구축단계는 다음과 같이 진행된다.

먼저, 웰패드의 주요 설비를 선정하고 해당 설비의 계측 데이터를 수집하여 요구사항을 분석하고 주요 개체를 선정한다.

그리고, 개체 사이의 관계를 결정하여 개체 관계도를 작성하고, 작성된 개체 관계도를 사용하여 데이터스키마를 작성하며, MS SQL을 사용하여 데이터베이스의 물리적 설계를 구현한다.

그런 다음, 실시간으로 전송되는 계측 데이터는 CSV 형태의 파일로 저장하고 데이터 변환을 위한 프로그램을 개발하여 설비 성능평가에 필요한 데이터를 데이터베이스에 저장한다.

한편, 미들웨어 구축단계는 다음과 같이 진행된다.

설명에 앞서, 미들웨어는 범용적인 미들웨어를 개발함으로써 위험도 평가 및 상태(이상진단)의 모니터링을 최적화할 수 있으며, 운영자가 건정성 평가를 혁신적으로 OEM(Original Equipment Manufacturer)과 ISV(Independent Software Vendor)의 조합하여 운영자의 요구를 충족하기 위해 솔루션을 통합 가능관리할 수 있다.

이러한 미들웨어 구축은 Modbus를 사용한 데이터 수집하여, 공정 제어 데이터를 위한 우선 순위화된 데이터 교환한다.

그리고, 경로설정이 가능하며, 장치 관리, 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 및 백엔드 데이터 시스템용으로 새로운 프로토콜, 데이터 분석 및 기타 기능을 추가하여 특정 응용 프로그램 요구사항을 반영한다.

또한, 하드웨어는 현장에서 온보드(On-board)에 설치되어 폭파 등의 위험성을 제거하기 위해 ATEX 및 IECEx 인증을 취득한 설비를 설치한다.

좀 더 구체적으로, 미들웨어는 도 3의 예시와 같이, Modbus 우선 순위화하여 데이터 교환하는 경로를 설정한다.

그리고, 장치 관리, 감독 제어, 데이터 수집(SCADA) 및 백엔드 데이터 시스템용으로 새로운 프로토콜, 데이터 분석 및 기타 기능을 추가하여 특정 응용 프로그램 요구사항을 충족시키도록 구성한다.

또한, 응용 프로그램 프레임워크는 웰패드 및 연결설비의 위험도와 이상진단 관리 응용 프로그램을 운영하기 위해 Docker 컨테이너를 사용하여 선점형 실시간 리눅스 운영 체제(RTOS)와 실시간 데이터 버스가 함께 설치되며, 응용 프로그램은 포함된 Modbus 응용 프로그램을 통해 상용 품질의 강화된 Modbus 스택으로 안정적으로 통신하도록 구성한다.

뿐만 아니라, 스마트 제조 및 산업 자동화 분야에 완벽하게 작동하는 상호 운용성 프로토콜인 MQTT/Sparkplug SCADA 인터페이스는 선도적인 SCADA 시스템 및 클라우드 인프라에 대한 상호 운용성을 제공하며, 미들웨어에는 펌웨어, 운영 체제 및 응용 프로그램 라이프사이클 관리를 포함한 포괄적인 장치 관리기능이 포함되도록 한다.

아울러, 응용 프로그램은 MQTT 항목을 요청하여 폴링된 데이터를 수신할 수 있으며, MQTT에 기록할 데이터를 게시하여 각 데이터 타입을 Publish-Subscribe 할 수 있고 MQTT 항목은 사이트 구성 ID를 기반으로 프레임워크에 의해 동적으로 작성되게 한다.

다른 한편, 웰패드 및 연결부 진단설비 구축단계는 다음과 같이 수행될 수 있다.

먼저, 웰패드가 모듈식으로 설계 및 제작됨에 따라, 모듈의 취약지점을 선정하고 진동 및 지진 등에 의해 최대 변위 및 응력이 발생하는 지점을 도출하기 위하여 다양한 조합을 통해 구조해석 시뮬레이션을 실시하여 최대 변위 및 응력 발생지점을 도출한다.

또한, 단층으로 모듈을 조합한 경우 각 단위모듈의 2/3 지점에서 최대 변위가 발생하고, 다층으로 모듈을 조합한 단층으로 구성했을 때와 같이 각 단위모듈의 2/3 지점의 최대 변위가 발생하므로 이를 주요 진단지점으로 설정한다.

그리고, 공동기관에서 웰패드 파이프랙의 구조해석 조건(구조재료의 규격 및 강도, 구조물의 규모 및 형식, 고정하중 및 적재하중, 활하중, 풍하중, 지진하중, 이동하중 등)이 결정되면, 이를 반영한 시뮬레이션을 통해 최대 응력 및 변위 발생지점을 최종 확정하여 프로그램에 반영한다.

이러한 과정은 예컨대 도 4 내지 도 6에 잘 예시되어 있다.

이것은 웰패드의 파이프랙은 확장성을 고려하여 모듈식으로 설계 및 제작함에 따라, 웰패드 및 연결설비의 위험도 및 상태이상을 감지하기 위하여 웰패드 파이프 랙에 대한 다양한 형태의 조합의 구조해석 시뮬레이션을 수행하여 최대 변위 및 응력이 발생하는 지점을 도출한 것이다.

예컨대, 시뮬레이션에서 가정한 단위 모듈 플랜트는 프레임의 형태로서 내부에 설비 또는 시설이 설치되지 않았기 때문에 시뮬레이션 결과를 그대로 실제 웰패드 파이프 랙 모듈에 적용할 수는 없지만 단위모듈 조합형태에 따라 최대 변위 및 최대 응력이 어느 부분에서 발생하는지에 대한 유형을 파악하는 것이다.

먼저, 단층으로 모듈을 조합한 (1)~(7)의 경우 각 단위모듈의 2/3 지점에서 최대 변위가 발생하였는데, 가로 16m 크기의 단위모듈에서 좌측 프레임 시작점을 기준으로 전체의 2/3 지점인 1067m 지점에서 최대 변위가 발생하였으며, 가로 방향으로 2개를 연결한 (2),(6)의 경우, 1067m 및 2667m 지점에서 최대 변위가 발생. 가로 방향으로 3개씩 연결한 (3), (7)의 경우에도 1067m, 2667m 및 4267m 지점에서 각각 최대 변위가 발생하였다.

또한, 단층으로 모듈을 조합한 (1)~(7)의 경우 각 단위모듈의 1/2 지점의 좌우 부재에서 최대 응력이 발생했고, 가로 16m 크기의 단위모듈에서 좌측 프레임 시작점을 기준으로 전체의 1/2 지점인 8m 지점의 좌우 부재에서 최대 응력이 발생하였다.

그리고, 가로 방향으로 2개를 연결한 (2),(6)의 경우, 8m 및 26m 지점의 좌우 부재에서 최대 응력이 발생했으며, 가로 방향으로 3개씩 연결한 (3),(7)의 경우에도 8m, 24m 및 40m 지점의 좌우 부재에서 각각 최대 응력이 발생했다.

또한, 다층으로 모듈을 조합한 (8)~(9)의 경우 단층으로 구성했을 때와 같이 각 단위모듈의 2/3지점의 최대 변위가 발생. 단층구성과 다른 점은 각 조합 형태에 따라 발생위치가 조금씩 다르다는 점으로 (8)의 조합에서는 (1,2), (2,2)에 위치한 모듈, (9)의 조합에서는 (1,3), (2,3)에 위치한 모듈, (10)의 경우 (1,2), (2,2)에 위치한 모듈, (11)의 경우 (1,1,3), (1,2,3), (2,1,3),(2,2,3)에 위치한 모듈, (12)의 경우 (1,2,3), (2,2,3), (3,2,3)에 위치한 모듈의 2/3 지점에서 최대변위가 발생하였다.

이와 같이 웰패드 파이프랙의 구조해석 조건(구조재료의 규격 및 강도, 구조물의 규모 및 형식, 고정하중 및 적재하중 활하중, 풍하중, 지진하중, 이동하중 등)이 결정되면, 이를 반영한 시뮬레이션을 통해 최대 응력 및 변위 발생지점을 도출하여 웰패드 파이프랙 모듈 위험도 알고리즘에 반영한다.

또다른 한편, 웰패드 및 연결설비의 건전성을 평가할 때 내부 데이터의 공유 및 데이터의 일관성은 다음과 같이 관리될 수 있다.

즉, EMB(Edge Insights Message Bus)는 건전성 관리시스템인 미들웨어의 기본이며 가장 효율적인 데이터 공유하는 버스이고, Telegraf 서비스에는 EMB ZMQ 데이터 버스를 수신하고 EMB에서 DataStore로 메시지를 수신할 수 있는 플러그인이다.

이때, 웰패드 및 연결설비 건전성관리 시스템의 구성 파일 형식은 YAML(Yet Another Markup Language)이며, 고유의 ID 필드가 포함되어 있고, 건정성 관리시스템은 다수의 웰패드 및 연결설비를 관리할 수 있으며 각각 복수의 Modbus TCP 또는 Modbus RTU 장치를 관리가 가능하고, 각 Modbus는 모니터링하거나 제어할 여러 데이터 포인트를 가질 수 있으며, ID 필드의 조합은 데이터 폴링, 쓰기 및 읽기에 대한 MQTT 토픽 이름을 정의한다.

또한, EMB(Edge Insights Message Bus) Top Type은 클라이언트 응용 프로그램을 MQTT 브로커 및 MQTT 브리지를 사용하여 추가 Hop을 거치지 않고 EMB 위에 직접 입력이 가능하며 "MQTT Bridge"/"KPI app"/"Client Application written directly on EMB"과 같은 형식이다.

뿐만 아니라, Modbus RTU 장치는 RS-485 또는 RS-232 직렬 물리적 연결을 사용하여 연결이 가능하며, 일반적으로 RS-232의 경우 동시에 하나의 장치만 연결되지만, RS-232를 통해 두 개의 Modbus RTU 장치와 통신하려면 두 개의 다른 직렬 포트가 필요하며, RS-232 및 RS-485와 직렬 포트의 조합을 동일한 장치에서 동시에 보유하게 된다.

또한, RS-485 물리적 전송을 사용하는 Modbus RTU 프로토콜은 신호 간섭을 피하기 위해 트위스트 페어 케이블를 사용하며, 모든 장치의 통신 매개 변수는 동일하게 설정하고, 건전성 관리 시스템은 하나의 Modbus RTU 클라이언트가 여러 직렬 포트를 통해 통신하도록 구성할 수 있으며, 단일 Modbus RTU 클라이언트 컨테이너는 여러 Modbus RTU 네트워크와의 통신을 처리가 가능하다.

그리고, Modbus 컨테이너는 내부 EMB(Edge Insights Message Bus)를 통해 통신하며, MQTT-Bridge 모듈을 사용하면 MQTT를 사용하여 Modbus 컨테이너와 통신하고, MQTT-Bridge 모듈은 Modbus 컨테이너에서 수신한 ZMQ의 데이터를 읽고 해당 데이터를 MQTT에 게시한다.

아울러, 실시간 또는 비실시간으로 EMB 토픽 형식을 사용하여 클라이언트 응용 프로그램이 특정장치, 데이터 포인트, 작업, 사이트 ID 등에게 요청한 데이터를 전송하며, Sparkplug-Bridge는 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition) 및 이와 유사한 운영 제어 시스템에 대한 외부 데이터 인터페이스에 사용되는 컨테이너. Eclipse Foundation * Sparkplug * B 사양을 구현하여 Sparkplug B를 사용하여 메시지를 미들웨어의 내부 데이터 버스에 연결함. MQTT 브로커와 EMB의 TLS(Transport Layer Security) 기반의 보안성 연결을 지원한다.

그리고, Vendor Apps은 EMB(Edge Insights Message Bus) 및 MQTT 프로토콜을 모두 사용하여 SparkPlug와 통신하는 데 사용한다.

또한, Key Performance Indicator(KPI) Container는 현장설비에서 응용 프로그램까지 우선 순위 데이터 경로를 만드는 인프라를 제공하는데 KPI 응용 프로그램은 미들웨어를 통하여 데이터 경로의 성능을 측정하고 평가할 수 있는 해주는 마이크로 서비스, 데이터 경로 단위의 입력, 출력 PID(Proportional-Integral-Derivative Control 제어 루프 및 이벤트 응답성능과 같은 기능을 연걸하는 출발점 또는 샘플 어플리케이션으로 사용된다.

특히, 웰패드는 모듈식 조립체로 구성되는데, 도 7의 예시와 같이 증기발생기를 통해 공급되는 증기를 수직방향으로 전달하는 제1파이프(4) 및 상기 제1파이프(4)로부터 수평방향으로 연장되어 오일샌드로 증기를 방출하는 인젝션파이프(P1)를 포함하는 주입정(W1) 및 상기 주입정(W1)에서 점성이 낮아진 비투멘을 채굴하는 제2파이프(6) 및 상기 제2파이프(6)로부터 수직방향으로 연장되어 채굴된 비투멘을 전달하는 프로덕트파이프(P2, 도 1 참조)를 포함하는 생산정(W2)에서 유체가 이동 가능하도록 구성된 제1,2웰패드모듈(100,200)과, 상기 제1,2웰패드모듈(100,200)을 조립하는 연결유닛(300)과, 상기 제1,2파이프(4,6)를 연결하는 조인트유닛(400)을 포함한다.

이때, 상기 연결유닛(300)은 도 8의 예시와 같이, 제1웰패드모듈(100)의 일측면에 고정된 고정쇠(310)와, 상기 제2웰패드모듈(200)에 고정되고 내부에 공간을 갖는 박스형 브라켓(320)과, 상기 박스형 브라켓(320)에 내장되고 상기 고정쇠(310)를 향해 돌출된 록킹부를 갖는 제1록커(332)와, 상기 제1록커(332)와 반대 형상을 갖고 상하로 겹쳐져 벌어졌다 오므려지면서 상기 고정쇠(310)를 물어 고정하는 록킹부를 갖는 제2록커(334)와, 상기 제1,2록커(332,334)를 서로 당김방향으로 탄성고정하는 코일스프링(340)과, 상기 제1,2록커(332,334)의 록킹부 반대단에 각각 형성된 사다리꼴 형상의 슬라이딩홈(350)과, 상기 슬라이딩홈(350)에 삽입되고 수직하게 연장된 손잡이(362)를 갖는 작동자(360)와, 상기 박스형 브라켓(320)의 내부 양측면에 고정되고 상기 제1,2록커(332,334)를 각각 탄지하는 판형스프링(370)과, 상기 박스형 브라켓(320)의 양측면과 상기 판형스프링(370) 각각을 관통한 후 상기 제1,2록커(332,334) 각각에 나사체결된 록커고정부재(380)와, 상기 제2웰패드모듈(200)에 고정되고 제1,2록커(332,334)의 록깅부 반대단에 개재되는 스토퍼(390)를 포함한다.

이 경우, 상기 제1,2록커(332,334)는 대략 'ㄹ' 형상이 옆으로 뉘어 있는 형태이며, 두 개가 서로 포개져 있는 형태이다.

그리고, 상기 제1,2록커(332,334)는 록커고정부재(380)에 의해 박스형 브라켓(320) 속에서 고정되어 있기 때문에 서로 분리되지 않고 겹친 상태에서 유동가능하게 구성되며, 특히 내부에서 코일스프링(340)이 결속하고 있어 더욱 더 안정적인 고정상태를 유지한다. 특히, 이들은 하우징인 박스형 브라켓(320) 내부에 내장되어 있기 때문에 쉽게 분리 이탈되지 않는다.

또한, 록킹부는 상대적으로 작고, 그 반대단은 크게 구성되며, 결합시에는 손잡이(362)를 잡고 제2웰패드모듈(200) 쪽으로 밀면 작동자(360)와 맞물려 있는 슬라이딩홈(350)의 사다리꼴 형상 때문에 제1,2록커(332,334)는 서로 벌어지려고 한다.

이때, 록커고정부재(380)가 고정하고 있기 때문에 제1,2록커(332,334)가 제2웰패드모듈(200) 쪽으로 이동하지 못하고 서로 벌어지는 방향으로 이동하면서 상기 록커고정부재(338)는 박스형 브라켓(320)의 바깥방향으로 이동하며, 이때 판형스프링(370)이 견실하고 안정적으로 탄지하게 된다.

때문에, 제1,2록커(332,334)는 매우 부드러운 슬라이딩 운동이 가능하며, 여기에서 스토퍼(390)가 있는 경우라면 더욱 더 원활한 동작이 가능하게 된다. 즉, 스토퍼(390)는 선택적인 사항으로서 설치되어 있으면 더 좋은 동작을 유도하지만, 굳이 설치하지 않아도 무방하다.

이에 따라, 록킹부가 벌어지기 때문에 고정쇠(310)를 삽입시킨 다음 손잡이(362)를 놓으면 코일스프링(340)과 판형스프링(370)의 탄성복귀력에 의해 원위치되면서 제1,2록커(332,334)가 고정쇠(310)를 물어 견고하게 고정하게 된다.

따라서, 상호 조립작업을 쉽고 편리하게 할 수 있다.

이 경우, 상기 록커고정부재(380)에는 스프링(382)을 더 개재시켜 탄성복귀력을 증대시키도록 구성하면 더욱 좋다.

아울러, 상기 박스형 브라켓(320)과 상기 제1,2록커(332,334) 및 고정쇠(310)는 방수성, 내수성, 내구성, 내식성, 방오성을 갖추어야 하므로 이를 위해 다음과 같은 코팅조성물로 코팅될 수 있다.

본 발명에 따른 코팅조성물은 폴리카보네이트수지 100중량부에 대해, 마이카(Silicate Mineral) 5.5중량부, 도데실디메틸벤질암모늄 클로라이드(Dodecyldimethylbenzylammonium Chloride) 8.5중량부, 아비에트산(Abietic acid) 5.5중량부, 테트라이소프로필타이타네이트(Tetraisopropyl titanate) 15중량부, 디메틸폴리실록산(Dimethylpolysiloxane) 10중량부, 2H-(퍼플루오르옥틸)메타크릴레이트(2H-perfluorooctyl methacrylate) 7.5중량부, 알킬벤젠술폰산나트륨(Sodium alkylbenzenesulfonate) 8.5중량부를 혼합 조성된다.

이때, 마이카(Silicate Mineral)는 규산염 광물의 일종으로, 0.1-0.2㎛ 크기로 분쇄된 후 체질된 것을 사용하며 경질 특성으로 인해 표면 경도 및 내열성을 강화시키기 위해 첨가된다.

특히, 도데실디메틸벤질암모늄 클로라이드(Dodecyldimethylbenzylammonium Chloride)는 표면 균일화를 유도하여 슬립성을 향상시키고, 이를 통해 방오성을 증대시킨다.

그리고, 아비에트산(Abietic acid)은 수지와 반응하여 불용성의 칼슘 비누화를 유도하고, 이를 통해 강고한 지막을 형성함으로써 수밀성을 강화시키기 위해 첨가된다.

뿐만 아니라, 테트라이소프로필타이타네이트(Tetraisopropyl titanate)는 유기화타이타네이트 구조를 갖는 커플링제로서 고분자 수지와 무기물간의 계면 접착력을 강화시켜 내구성과 내열성 모두를 증대시킨다.

또한, 디메틸폴리실록산(Dimethylpolysiloxane)은 열에 강한 실록산 결합(Si-O-Si)과 유기질의 특성으로 인해 방수성, 방습성, 방오성, 내수성, 내수압 특성이 강화된다.

뿐만 아니라, 2H-(퍼플루오르옥틸)메타크릴레이트(2H-perfluorooctyl methacrylate)는 CAS 넘버 2144-53-8에 해당하는 물질로서, 코팅층의 안정화를 유도하여 크랙 발생을 방지하고, 정전억제, 내변색, 산화방지 기능을 위해 첨가된다.

아울러, 알킬벤젠술폰산나트륨(Sodium alkylbenzenesulfonate)은 내산성을 강화시켜 신축 변화에 따른 탄성저하를 막아 열화저항성을 강화시키면서 내약품성도 증대시키기 위해 첨가된다.

또한, 상기 조인트유닛(400)은 도 9 내지 도 10의 예시와 같이, 제1웰패드모듈(100)과 제2웰패드모듈(200) 사이에서 제1,2파이프(4,6) 각각을 접속시켜 조인트하는 수단이다.

이를 위해, 상기 조인트유닛(400)은 제1웰패드모듈(100)에 구비되어 있는 제1파이프(4) 또는 제2파이프(6)와 연결 배관되는 제1관체(410)를 포함한다.

이때, 상기 제1관체(410)는 구체적으로 도시하지 않았으나 플렉시블하다.

또한, 상기 조인트유닛(400)은 제2웰패드모듈(200)에 구비되어 있는 제1파이프(4) 또는 제2파이프(6)와 연결 배관되는 제2관체(420)를 포함한다.

이때, 상기 제2관체(420)는 완전히 리지드(Rigid)한 상태로 제1관체(110)와는 다르다.

그리고, 상기 제2관체(420)의 선단에는 파지구(430)가 일체로 고정된다.

또한, 상기 파지구(430)는 작동블럭(440') 상에 연결고정되고, 상기 작동블럭(440')의 일단은 제2웰패드모듈(200)에 고정된다.

특히, 상기 제1관체(410)는 두 개의 제1,2고정판(412,414)이 일정한 틈(416)을 두고 서로 떨어진 채 볼트체결되고, 이들의 중앙에는 인서트파트(418)가 돌출된다.

상기 인서트파트(418)는 상기 파지구(430) 속으로 삽입되면서 제2관체(420)와 접속되어 유체가 흐를 수 있는 상태를 유지시킨다. 이 경우, 상기 제2관체(420)의 내부에는 상기 인서트파트(418)와 형합되어 조인트되는 구조가 형성되어야 함은 물론이다.

한편, 도 10에서와 같이, 상기 파지구(430)는 내부에 관통경(431)이 형성된 구조로서 상기 관통경(431)의 둘레에는 돌기(432)와 요홈(433)이 형성된다.

또한, 상기 파지구(430)의 상면은 'U'형상으로 홈(GOV)이 형성되고, 그 홈 중심에는 상하방향과 직교되는 방향으로 돌출된 고정베이스(434)가 더 형성된다.

그리고, 상기 파지구(430)에는 록커(440)가 조립된다.

이때, 상기 록커(440)는 제1록커(441)와 제2록커(442)로 분할된다. 즉, 제1,2록커(441,442)는 서로 대칭되게 구성된다.

뿐만 아니라, 상기 제1,2록커(441,442)의 안쪽면에는 상기 제1,2고정판(412,414) 사이의 틈(416)에 끼워져 걸어 고정하는 제1,2록킹날(L1,L2)가 구비된다.

또한, 상기 제1,2록커(441,442)의 하단부 전면에는 상기 요홈(433)에 끼워져 제1,2록커(441,442)의 이동거리를 제한하는 신축성을 갖는 제1,2스토퍼(443,444)가 구비된다.

뿐만 아니라, 상기 제1,2록커(441,442)는 서로 마주보는 쪽 면에 슬라이딩홈(H1,H2)이 형성되고, 상기 슬라이딩홈(H1,H2)에는 안내판(445)의 양단이 각각 끼워지며, 상기 안내판(445)은 상기 고정베이스(434)에 볼트 고정된다.

따라서, 상기 제1,2록커(441,442)는 상기 홈(GOV) 내에서 좌우로 움직일 수 있게 구성된다.

그리고, 상기 제1,2록커(441,442)의 상단 마주보는 경사면에는 제1,2경사홈(446,447)이 형성된다.

아울러, 상기 제1,2경사홈(446,447)에 동시에 삽입되는 역사다리꼴 형상의 슬라이더(450)가 구비된다.

또한, 상기 슬라이더(450)의 상단면에는 엑츄에이터(460)가 설치되어 상기 슬라이더(450)를 승하강시키며, 상기 엑츄에이터(460)는 커버(470)에 고정되고, 상기 커버(470)는 파지구(430)의 상단면에 볼트 체결된다.

이에 따라, 엑츄에이터(460)의 하강동작에 따라 슬라이더(450)가 상기 제1,2경사홈(446,447)을 타고 하강하면서 제1,2록커(441,442) 사이를 벌리게 되고, 반대로 상승시키면 슬라이더(450)가 상기 제1,2경사홈(446,447)을 타고 상승하면서 제1,2록커(441,442)을 당겨 오무리면서 서로 가깝게 접근시키게 된다.

이와 같은 동작을 통해 제1,2록커(432,433)를 오무려 제1,2록커날(L1,L2)이 틈(416) 사이로 끼워져 걸리면서 제1관체(410)를 견고하기 파지하게 된다.

이때, 제1,2스토퍼(443,444)의 설치는 선택사항이며, 신축성 소재로 구성하여 탄성조임 스토핑하도록 함이 특히 바람직하다.

100: 제1웰패드모듈 200: 제2웰패드모듈
300: 연결유닛 400: 조인트유닛

Claims

데이터베이스 구축단계, 미들웨어 구축단계, 웰패드 및 연결부 진단설비 구축단계, 상기 데이터베이스와 미들웨어와 진단설비를 연결하여 실시간 모니터링 및 분석 시각화하는 단계를 포함하는 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법에 있어서;
상기 데이터베이스 구축단계는 웰패드의 주요 설비를 선정하고 해당 설비의 계측 데이터를 수집하여 요구사항을 분석하고 주요 개체를 선정하는 과정; 개체 사이의 관계를 결정하여 개체 관계도를 작성하고, 작성된 개체 관계도를 사용하여 데이터스키마를 작성하며, MS SQL을 사용하여 데이터베이스의 물리적 설계를 구현하는 과정; 실시간으로 전송되는 계측 데이터는 CSV 형태의 파일로 저장하고 데이터 변환을 위한 프로그램을 개발하여 설비 성능평가에 필요한 데이터를 데이터베이스에 저장하는 과정;을 포함하고,
상기 미들웨어 구축단계는 Modbus를 사용한 데이터 수집하여, 공정 제어 데이터를 위한 우선 순위화된 데이터 교환하는 과정; 경로설정이 가능하며, 장치 관리, 감독 제어 및 데이터 수집(SCADA) 및 백엔드 데이터 시스템용으로 새로운 프로토콜, 데이터 분석 및 기타 기능을 추가하여 특정 응용 프로그램 요구사항을 반영하는 과정; 하드웨어는 현장에서 온보드(On-board)에 설치되어 폭파 등의 위험성을 제거하기 위해 ATEX 및 IECEx 인증을 취득한 설비를 설치하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법.
제1항에 있어서,
상기 웰패드는 모듈식 조립체로 구성되며, 증기발생기를 통해 공급되는 증기를 수직방향으로 전달하는 제1파이프(4) 및 상기 제1파이프(4)로부터 수평방향으로 연장되어 오일샌드로 증기를 방출하는 인젝션파이프(P1)를 포함하는 주입정(W1) 및 상기 주입정(W1)에서 점성이 낮아진 비투멘을 채굴하는 제2파이프(6) 및 상기 제2파이프(6)로부터 수직방향으로 연장되어 채굴된 비투멘을 전달하는 프로덕트파이프(P2)를 포함하는 생산정(W2)에서 유체가 이동 가능하도록 구성된 제1,2웰패드모듈(100,200)과, 상기 제1,2웰패드모듈(100,200)을 조립하는 연결유닛(300)과, 상기 제1,2파이프(4,6)를 연결하는 조인트유닛(400)을 포함하되,
상기 조인트유닛(400)은 제1웰패드모듈(100)에 구비되어 있는 제1파이프(4) 또는 제2파이프(6)와 연결 배관되는 플렉시블한 제1관체(410)와, 제2웰패드모듈(200)에 구비되어 있는 제1파이프(4) 또는 제2파이프(6)와 연결 배관되는 제2관체(420)와, 상기 제2관체(420)의 선단에 일체로 고정된 파지구(430)를 포함하고;
상기 파지구(430)는 작동블럭(440') 상에 연결고정되고, 상기 작동블럭(440')의 일단은 제2웰패드모듈(200)에 고정되며, 상기 제1관체(410)는 두 개의 제1,2고정판(412,414)이 일정한 틈(416)을 두고 서로 떨어진 채 볼트체결되고, 중앙에는 인서트파트(418)가 돌출되며, 상기 파지구(430)의 상면은 'U'형상으로 홈(GOV)이 형성되고, 상기 홈(GOV) 중심에는 상하방향과 직교되는 방향으로 돌출된 고정베이스(434)가 더 형성되며, 상기 파지구(430)에는 록커(440)가 조립되고;
상기 록커(440)는 제1록커(441)와 제2록커(442)로 분할되며, 제1,2록커(441,442)의 안쪽면에는 상기 제1,2고정판(412,414) 사이의 틈(416)에 끼워져 걸어 고정하는 제1,2록킹날(L1,L2)가 구비되고, 제1,2록커(441,442)는 서로 마주보는 쪽 면에 슬라이딩홈(H1,H2)이 형성되며, 상기 슬라이딩홈(H1,H2)에는 안내판(445)의 양단이 각각 끼워지고, 상기 안내판(445)은 상기 고정베이스(434)에 볼트 고정되며, 상기 제1,2록커(441,442)의 상단 마주보는 경사면에는 제1,2경사홈(446,447)이 형성되고, 상기 제1,2경사홈(446,447)에 동시에 삽입되는 역사다리꼴 형상의 슬라이더(450)가 구비되며, 상기 슬라이더(450)의 상단면에는 엑츄에이터(460)가 설치되고, 상기 엑츄에이터(460)는 커버(470)에 고정되며, 상기 커버(470)는 파지구(430)의 상단면에 볼트 체결되는 것을 특징으로 하는 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법.
제2항에 있어서,
상기 파지구(430)의 내부 관통경(431) 둘레에는 돌기(432)와 요홈(433)이 더 형성되고; 상기 제1,2록커(441,442)의 하단부 전면에는 상기 요홈(433)에 끼워져 제1,2록커(441,442)의 이동거리를 제한하는 신축성을 갖는 제1,2스토퍼(443,444)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 웰패드와 연결설비 위험성과 실시간 이상진단을 위한 모니터링 시스템 구축방법.