Study on FOWT Structural Design Procedure in Initial Design Stage Using Frequency Domain Analysis

주파수 영역 해석을 활용한 부유식 해상풍력 플랫폼 초기 구조설계 절차 연구

Abstract

The analysis of the floating offshore wind turbine platform is based on the procedures provided by the IEC including the International Classification Society, which recommends the analysis in the time domain. But time-domain simulation requires a lot of time and resources to solve tens of thousands of DLCs. This acts as a barrier in terms of floating structure development. For final verification, it requires very precise analysis in the time domain, but from an initial design point of view, a simplified verification procedure to predict the quantity of materials quickly and achieve relatively accurate results is crucial. In this study, a structural design procedure using a design wave applied in the oil and gas industries is presented combined with a conservative turbine load. With this method, a quick design spiral can be rotated, and it is possible to review FOWTs of various shapes and sizes. Consequently, a KRISO Semi-Submersible FOWT platform was developed using a simplified design procedure in frequency-domain analysis.

기호설명

Tp : spectral peak wave period [s]

Hs : significant wave height [m]

MPM : Most Probable Maximum

γ_m : material factor

RP : year return period [year]

Tz : Zero Up Crossing period [s]

ULS : Ultimate Limit State

FLS : Fatigue Limit State

MPa : N/mm²

1. 서론

최근 기후 위기로 인한 자연재해 발생 확률이 증가함에 따라 Fig. 1에서와 같이 탄소포집, 수소에너지, 태양광 및 풍력발전 등 친환경 에너지에 대한 관심이 급격히 증가하고 있다. 이 중 풍력발전은 유럽과 북미를 중심으로 많은 진전이 있었으며 중국을 비롯한 아시아에서도 풍력산업이 급격히 확대되고 있다. 특히 풍력발전은 전 세계적으로 육상에서 해상으로 나아가고 있으며, 유럽에서는 근해의 고정식 풍력발전과 더불어 원해의 부유식 풍력발전에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.

Fig. 1 World grid-connected electricity generation by power station type[12]

Fig. 2는 우리나라에서 발전사업허가를 받은 해상풍력발전 단지 계획도를 보여주고 있으며, 우리나라에서도 부유식 풍력발전에 대한 사업이 다양하게 추진되고 있다.

Fig. 2 Development Plan of Wind Farm[11]

이와 관련하여 현재 고정식 모노파일 또는 자켓 구조물에 대한 설계 기술은 널리 연구되며 설계 표준화를 논의할 단계에 이르고 있으나, 부유식 구조물은 아직 다양한 플랫폼 개발이 진행중이다. 부유식의 경우 원해에 설치되는 문제로 인해 혹독한 해상 환경에 노출됨과 동시에 육상 및 근해에 비해 큰 터빈 용량이 적용된다는 측면에서 고정식보다 많은 위험을 내포하고 있어, 설계 단계에서부터 더욱 다양한 해석 및 성능검증이 필요하다.

이러한 기술적 배경에 따라 [1]~[3]에서는 통합하중해석(Fully Coupled Analysis)을 전제로 하며, 이를 기반으로 하는 모든 선급 및 타 기관 RP (Recomanded Practice)에서는 시간영역 통합하중해석을 설명하고 있다. 여기서 설명하고 있는 시간영역 해석의 필요성은 명확하나, 이는 기술적 장벽이 높아 초기 설계 단계에서 적용이 쉽지 않다. 특히, 초기 설계 단계에서는 여러차례 설계 반복을 거쳐 디자인이 확정되는 과정으로 초기 설계 결과에 대한 빠른 검토가 필수적인데 시간영역의 통합 하중 해석을 초기의 다양한 설계 모델에 모두 적용하는 것은 비효율적이다. 이러한 문제의 해결을 위하여, 본 연구에서는 기존의 Oil&Gas 산업에서 검증된 주파수 영역에서의 ULS 및 FLS 해석에 의한 접근 방법을 부유식 해상풍력의 설계에 접목하고 설계방법에서 부유식 해상풍력의 특수성을 추가하여 신뢰성을 확보하는 효율적인 초기 구조설계 방법을 제시하고자 한다.

2. Frequency Domain 해석

2.1 ULS 체크를 위한 설계파 접근방법

Oil&Gas 해양구조물의 구조강도 검증에 사용되고 있는 설계파는, 다양한 파도에 대해 해양구조물이 나타낼 수 있는 응답 중 설계자가 특정 변수를 지정함에 따라 이 변수에 대해 발생 확률적으로 분석하여 부유식해상풍력터빈(Floating Offshore Wind Turbine: FOWT)이 해당 해역 환경에서 겪는 최대 응력 분포를 예측할 수 있게 한다.

Fig. 3에서 설계파 접근법에 대한 개괄을 보여주고 있다. 여기서 주요한 점은 특정된 해역을 대표할 수 있는 Wave Spectrum을 선정하고 설계한 부유체의 운동 특성을 나타내는 운동응답(RAO)인 전달 함수를 구하는 과정으로 볼 수 있다. 이후 과정은 앞서 정의된 해상환경과 전달함수의 제곱을 곱한 결과를 설계 하중으로 하는 응답 스펙트럼을 도출하고, 3시간 동안을 고려한 단기응답에 대해 통계 처리를 수행하게 된다. 이때 부유식해상풍력은 일반적인 해양공사와는 달리[6]에서 정의하는 50년 주기의 해상환경을 고려한 통계처리를 수행한다는 점에서 차이를 보인다.

Fig. 3 Design Wave Analysis Approach [4]

2.2 FLS체크 방법

FOWT 작동 해역의 파랑분포표(Scatter diagram)에 따라 주기 및 파도방향에 대한 스트레스 RAO를 계산하고, 각 해상상태(Sea State)의 Tp, Hs에 대한 스펙트럴 계산을 통해 해당 피로손상도를 계산하여 누적한다. 이때는 파랑분포표상에 빠지는 주기 정보가 없도록 하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 구조적으로 취약한 용접부에 국한하였고 이에 대한 DNV선급에서 규정하는 구조 부재 상세 분류에 따른 피로곡선(SN-Curve)중 D curve[5]를 적용하였다.

2.3 해석 대상모델

본 연구에서는 선박해양플랜트연구소(Korea Research Institute of Ship and Ocean Engineering, KRISO)가 독자 개발한 FOWT 디자인을 적용하고 있다. 다음 Fig. 4에서와 같이 3개의 주요 칼럼과 각각을 연결하는 3개의 폰툰 및 터빈을 비롯한 타워에서 오는 하중을 효과적으로 지지하기 위한 상부 구획을 연결하는 3개의 상부 브레이스 구조를 가진다.

Fig. 4 KRISO FOWT Configuration

또한 운동 및 구조강도 성능 개선을 위해 칼럼과 만나는 폰툰 사이에 감쇠판(Damping Plate)을 적용하였다. 대상 모델의 주요 제원은 Table. 1에 나타내었고 적용한 터빈은 IEA Wind Task 37[10]에 적용된 15MW 터빈을 사용하였다.

Table.1 KRISO FOWT Hull Principal Dimensions

2.3 운동해석 및 통계 처리

KRISO FOWT에 대한 운동성능 분석에서부터 하중생성을 위한 유체역학적 해석, 구조강도, 피로해석 및 평가에 이르는 전체 과정에 대한 일관성을 확보하기 위해 DNV SESAM[7]~[9] 패키지를 사용하였다.

부유체의 유체역학적 특성을 파악하고 후행 해석을 위해 필요한 계수를 산출하기 위한 운동해석을 수행하였다. 이 때, 지정된 해역에서 발생할 수 있는 모든 주파수 영역대를 포함하며, FOWT가 대칭임을 감안하여 0 °에서 180 °까지 15 °간격으로 분석하였다. Fig. 5에서는 사용된 패널(Panel) 모델을 보여주며, 부유체의 응답을 추출하기 위한 적분 평면도 같이 도시하였다. 해당 위치에서 설계자가 요구하는 다양한 물리적 수치를 산출할 수 있어, 이후 설계파를 위한 주요모드 및 최대 응답을 추출하게 된다.

Fig. 5 Load cross section for response extraction at critical points

구조해석을 위한 하중 생성 측면의 유체역학적 해석에서는 감쇠판이 큰 의미를 가지는 것은 아님과 동시에 정밀한 수치해석 목적과도 부합하지 않다. 본 연구는 설계 절차에 관한 연구임을 감안하여, 하중 생성 해석에서는 감쇠판을 생략하였다.

패널 모델로 인해 발생하는 부력에 상응하는 중량 모델이 필요하게 되는데, 향후 이어지는 전선강도해석에 필요한 FE 구조해석 모델을 동일하게 적용함으로써 설계 절차상의 효율성을 증대시킬 수 있었다. 또한 부수적으로 질량 모델(Mass Model)은 KRISO FOWT의 고유한 구획 및 구조부재 배치에 최적하여 분할하였고, 각 분할된 중량 모델의 밀도를 조정함으로써 복원력 계산서상의 전체 중량 및 중심위치를 맞추었다.

본 과정을 통해 운동해석을 수행하고, 분석에 필요한 주요 모드에 대해서, 운동역학적 특성에 의한 전달함수를 구한 후 대상이 되는 해역에서의 해상상태와 조합한 응답을 산출하게 된다.

2.4 설계파 선정

설계파 산정을 위해 Fig. 6 에서와 같이, 구조적으로 취약할 것으로 예상되는 위치를 선정하였다. 해당 위치에서 설계파 접근방법에서 요구하는 주요 모드에 대한 응답이 최대가 되도록 만드는 주기와 파고를 산출하는 것을 목적으로 한다.

Fig. 6 Location of load cross section for design wave extraction

주기는 단위 파고에 대한 부유체의 전달 함수의 진폭이 최대가 되는 순간에서 결정되며, 파도의 진폭은 단기응답이 최대가 되는 에너지를 앞서 결정된 전달함수로 나눈 값으로 아래 식 (1)과 같이 결정되는데, 이때 파형 경사(Wave steepness)에 대한 검증을 식 (2)[4]에 따라 수행하여 결정해야 한다.

\(\begin{align}a_{\text {design }}=\frac{\operatorname{Response}(\operatorname{Max})}{T R}\end{align}\)       (1)

여기서 a_design = Wave Amplitude of Design Wave

TR = Responce(from unit wave amplitude) for relevant wave length

\(\begin{align}S=\frac{2 \pi H}{g T^{2}}=\left\{\begin{array}{ll}\frac{1}{7} & \text { for } T \leq 6 s \\ \frac{1}{7+\frac{0.93}{H_{100}}\left(T^{2}-36\right)} & \text { for } T>6 s\end{array}\right.\end{align}\)       (2)

여기서 H₁₀₀ = maximum wave with a return period equal to 100 years

본 과정을 통해 결정된 설계파는 전체 121개가 선정되었고, Table. 2에서 구조해석 결과중 허용치 한계를 넘는 하중을 발생시키는 설계파 일부를 표기하였다.

Table 2 Example of selected design waves

2.5 전선 구조강도 해석

KRISO FOWT에 대한 FE 구조해석 모델은 DNVSESAM 패키지의 GeniE를 이용하여 작성되었으며, 이로 인해 구획정의와 패널 모델 결과를 맵핑함에 있어 모델 생성 효율성을 제고하였다. 해석 모델은 목적에 맞는 충분한 기하학적 형상 및 구조 강도 계산에 필요한 물성을 포함하고 있다. 모델은 운동해석과 부합하는 중량 정보 및 구획 정보는 물론, [6]에 의거한 스캔틀링(scantling) 정보에 따라 외판을 비롯한 주요부재는 2차원 쉘(Shell) 요소로, 보강재는 1차원 빔(Beam) 그리고 거더(Girder)상의 플랜지(Flange)등 굽힘에 민감하지 않은 부재는 축력만을 고려할 수 있는 강봉형태의 빔(Rod) 요소를 적용하였으며, 삼각형 요소는 모델의 경계 및 응력에 민감한 위치로부터 최대한 배제하였다. Fig. 7에서 언급된 사항이 반영된 전선강도 해석 모델을 예시하였다.

Fig. 7 Global FE structural analysis model​​​​​​​

일반적인 해양플랜트 구조물의 경우와 달리 FOWT는 경계조건에 민감한 것으로 판단되어 통상적으로 해양 구조물에 적용되는 3점 지지 조건을 아래와 같이 비교적 넓은 영역에 분포한 스프링 요소를 적용하였다.

수직방향의 경우 칼럼 하부의 넓은 면적에 균일하게 분산하는 것이 바람직하나, 전처리기인 SESAM GeniE의 기능상의 한계로 Fig. 8과 같이 큰 하중에 저항하는 구조부재 하부에 배치하였고, Surge, Sway방향의 경우 실제 계류계 해석에서 산출된 결과 값인 계류계 하중과 등가인 스프링 강성을 적용하였다.

Fig. 8 Applied boundary conditions​​​​​​​

FOWT의 경우 터빈 추력에 의한 하중은 부유체 전체에 대하여 매우 큰 영향을 미친다. 따라서 추력은 통합하중 해석시에 반드시 반영해야하는 부분이며, 본 연구에서는 추력에 대하여 보수적인 접근을 시도하였다. 일반적인 해양플랜트의 경우, 상부 구조물 자중이 가속도 영향에 기인한 힘을 반영하는데, 터빈 및 타워는 동일한 개념으로 반영하고, 터빈 로터에 의한 추력을 합리적인 방법으로 추가해 주는 것이 타당하다.

터빈 추력은 설계파에 의한 전선 거동과 동시에 적용하기에는 방법적으로 불가하여 분리된 국부 하중으로 적용하였고 Fig. 9에서는 전체 로컬 하중 13개 가운데 일부를 예시하고 있다. 예상되는 추력의 최대값을 0 ° ~ 180 ° 까지 15 ° 간격으로 별도의 정적 해석을 수행하여 나온 응력을 SESAM 패키지의 PREPOST 모듈을 이용하여 최대 추력에 대한 해석결과를 전선해석 결과의 동일한 유한요소에 중첩하는 방법으로 반영하였다.

Fig. 9 Separated local load for thrust​​​​​​​

3. 해석 결과

3.1 구조해석을 위한 하중 전달

유체-구조해석이 연결되는 경우, 가장 신중을 기해야 하는 부분은 생성된 하중이 정확히 구조 모델에 전달되는 것인가에 대한 것으로 아래 Figs. 10-11에서와 같이 압력 및 파도의 방향에 부합하는 하중 생성을 확인하여야 한다. 정수중에서 발라스트수의 압력 및 선체 외판에 걸리는 수압등을 종합적으로 반영한 압력분포 결과를 Fig. 10에서 나타내고 있으며, Fig. 11에서는 30 ° 방향에서의 파도에 의해 구현되는 파도에 의한 동적 압력을 예시하였다.

Fig. 10 Static pressure mapping

Fig. 11 Dynamic pressure mapping

3.2 전선 구조강도 해석

전선 구조강도 해석은 추출된 설계파에 의한 압력 및 가속도등을 하중 전달을 통해 진행하게 되는데, 1개의 정적 하중과 121개의 동적하중에 대하여 해석을 수행하게 된다. 본 연구에서는 설계파 추출시에 최확치(Most Probable Extreme)를 산출하여 적용하였다. [6]에 의거한 하중 분류(Load category)에 따라 정적/동적구분에 의해 정해진 가중치를 고려하게 된다. 최종 결과인 Stress값은 하중에 비례하므로, 하중에 대한 가중치를 결과인 응력에 적용하여 계산하였다. 구조강도 적합성 평가는 [6]에서 제시하고 있는 재료 물성에 대한 불확실성에 기인한 감소계수(Material Factor)를 항복강도에 나누어 준 기준값을 적용하였다. 정수중의 중력 가속도가 적용된 상태에서의 구조해석 결과인 등가 응력 분포는 Fig. 12 와 같다.

Fig. 12 Von-mises stress plot for static case​​​​​​​

파랑중의 파도에 의한 압력과 가속도에 의한 동적하중에 대한 결과는 앞서 설명한 바와 같이 121개의 설계파에 대해 해석을 수행하였으나, 결과를 정리함에 있어 각 유한요소별 가장 큰 값들을 스캔하여 Fig. 13과 같이 정리하였다. 극한한계상태(Ultimate Limit State : ULS) 측면의 설계에서, 구조물에 돌이킬 수 없는 손상을 일으키는 최대 응력만이 중요하므로 이러한 결과 정리는 타당하다.

Fig. 13 Von-mises stess plot for dynamic case​​​​​​​

최종적인 응력 분포는 정적하중 및 동적하중에 의한 결과응력에 각각 하중 분류에 따른 가중치인 Table. 3[6] 의 계수들을 곱하고 서로 더하여 산출하였고 Fig. 14에 도시하였다.

Table 3 Load factor for ULS

G = Permanent Load

E = Environment Load

Fig. 14 Combined Von-mises stress plot​​​​​​​

Fig. 14에서와 같이 KRISO FOWT는 전체적으로 재료의 항복강도인 355MPa에서 안전율 1.1[6]을 제외한 315 MPa이하의 안정적인 응력 분포를 가지고 있음을 알 수 있다. 하지만 급격한 기하학적 형상이 변화하는 위치에서 허용치를 초과하는 응력 수준의 요소들을 발견할 수 있었다. 최종 결과를 도출하는 과정에 있어서, 터빈에 의해 발생하는 최대 추력을 방향별로 고려한 응력을 동일한 요소에 추가함으로써 파랑에 의한 최대값과 추력에 의한 최대값의 조합을 통해 보수적인 설계 기준을 적용하였다.

부유체의 설계 수명은 20년이며, 설치해역의 파랑분포표에 따라 피로 손상도를 축적하였다. Fig. 15는 20년에 대한 피로손상 비율을 표현한 것으로써 기준을 만족하는 경우 1보다 작은 값을 나타내게 된다.

Fig. 15 Check points & fatigue damage​​​​​​​

간이 피로 검증에 있어, ULS체크를 위한 해석 모델을 동일하게 이용한 스크리닝(Screening)해석을 통해 향후 구조적 문제로 인해 대규모의 설계변경을 야기할 수 있는 인자를 사전에 파악할 수 있는 과정을 설계초기에 포함한다.

4. 결론

본 연구는 부유식 해상풍력 구조물의 운동특성은 물론 최종 구조강도에 이르는 검토를 초기 단계에 효율적으로 수행하기 위한 방법을 제시하고 있다.

많은 실적을 통한 신뢰성있는 주파수 영역에서의 설계파 접근법 및 스펙트럴 피로해석을 적용하였고, 국부적인 영역에 대한 구조해석의 추가, 해상환경의 정의 및 정적-동적 하중 분류에 따른 가중치 적용을 통해 부유식 해상풍력 구조물의 특성에 맞는 차별화된 설계 절차를 제공할 수 있었다. 터빈, 부유체 운동 및 계류계의 상호 작용에 따른 복잡한 메커니즘은 실제시간 영역의 통합하중 해석을 통해 해결 할 수밖에 없으나, 그 복잡성과 실질적인 설계 효율측면에서의 문제점을 주파수 영역에서의 계산으로 극복하기 위한 시도였다. 터빈 및 부유체 운동에 의한 응력 조합의 논리적 흐름을 분석하였고, 이 과정에서 설계자가 조율할 수 있는 해석 단계와 가중치를 정리할 수 있었다. 이러한 일련의 과정은 일관되고 효율적으로 이루어졌다. 수많은 하중 조합을 단순화함으로 인하여 ST-0119에서 요구하는 해석량과 비교하여 획기적으로 작은 횟수로 신뢰성 있는 초기 설계 모델을 획득할 수 있는 설계절차를 구축하고자 하였다. 제시한 방법을 통하여 KRISO 초기 모델에 대한 구조강도상 단점을 빠르고 정확하게 분석할 수 있었고, 정량화된 값을 도출해 냄으로써 향후 이어지는 정밀 해석과의 비교 자료로써의 의미도 가지게 된다. 전체 설계 공정상 매우 초기에 이루어지는 설계임에도 불구하고 강도 해석은 물론 간이 피로해석을 수행하는 절차에 따라 구조부재배치를 효과적으로 수행할 수 있게 하였다는 점에서 큰 의미가 있다고 생각한다.

향후 본 연구 과정중 정립된 방법과 계수등을 시스템화하는 연구가 진행될 예정이며, [1], [6]에서 제시하고 있는 시간 영역에서의 통합 하중해석과의 결과 비교에 대한 연구도 계획하고 있으며, 결과 비교를 통해 본 연구의 전체 프로세스를 개선할 방안을 모색 할 것이다.

후기

본 논문은 산업통상자원부 재원으로 국가연구개발사업인 “인장각형(TLP)방식 부유식 해상풍력발전시스템 설계 및 축소모형시험 기술 개발” (20223030020130, PNS4640)과 선박해양플랜트연구소의 기본사업인 “일체형 해양그린수소 생산시스템 핵심기술개발” (PES4801)에 의해 수행되었습니다.