Vol. 21, No. 4, pp. 70-76, August 2017
LNG 추진 선박 엔진용 GVT 제어 시스템 개발 Development of a GVT (Gas Valve Train)
Control System for LNG Fueled Vessels
강인필*․김규철**†
Inpil Kang* and Kyu-Cheol Kim**†
(Received 14 June 2017, Revision received 07 August 2017, Accepted 07 August 2017)
Abstract: This paper presents the development of a Gas Valve Train (GVT) control system which is the core equipment of LNG fueled vessels. Due to the increasing worldwide demand for echo friendly green ship products, domestic companies urgently require to develop a core equipments for the LNG fueled vessels to secure worldwide markets in marine engineering. A LNG fueled engine generally equips the GVT, a fuel supply system that steadily supplies clean high-pressure LNG to the engine. The GVT requires a safety operational control system that can prevent any gas leakage accident, and a system that monitors operation status in real time. Therefore, we introduces a development for GVT control and monitoring system design and the design was systematically performed by means of functional analysis and differentiation of foreign advanced products.
Key Words：Gas Valve Train, Fuel Gas Supply System, LNG fueled vessel, Green ship, Marine engine monitoring system
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김규철(교신저자) : KORVALE-mail : [email protected] Tel : 051-790-9712
*강인필 : 부경대학교 기계설계공학과
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Kyu-Cheol Kim(corresponding author) : KORVAL.E-mail : [email protected], Tel : 051-790-9712
*Inpil Kang : Department of Mechanical Design Engineering, Pukyong National University.
1. 서 론
최근 온난화에 따른 환경보호를 위하여 국제해 사기구(IMO, International Marine Organization)에서 는 선박 운항 시 발생하는 온실가스를 제한하는 국제 규약의 제정을 추진하여, 북아메리카와 유럽 등의 선진국을 중심으로 배출 통제지역(ECA, Emission Control Area)를 설정하고 선박에 의한 배기가스 배출 규제를 강화하고 있다. 특히 선박 운항으로 배출되는 이산화탄소(CO), 질소산화물 (NOx) 그리고 황산화물(SOx)의 규제가 강화되고 있다. 하지만 기존 디젤엔진은 열효율이 낮고 연
소 중 배출되는 배기가스 때문에 이와 같은 요구 를 만족시키기 매우 어렵다. 이런 시대적인 흐름 에 대응하기 위해서 세계적인 엔진 제조업체들은 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)를 이용 한 엔진을 개발 및 상용화하고 있다. LNG를 선박 의 추진연료로 사용하면 기존 HFO(Heavy Fuel Oil) 대비 NOx, SOx, CO의 배출이 각각 24%, 95% 및 23% 저감된다는 실험 결과가 보고되었 다.1) 뿐만 아니라 LNG는 완전연소 및 직화 방식 에 따른 열효율이 다른 에너지에 비하여 높은 경 제적인 연료이다. 이러한 환경적이고 경제적인 이 점 때문에 LNG를 선박의 대체연료로 개발하는
연구가 활발해지고 LNG추진선박의 상용화 속도 가 빨라지는 추세이다.2-5) 국내에서도 해양수산부 에서 친환경 선박 건조를 의무화하는 해양관리 법과 선박에서 오염 방지에 관한 규칙에 따라 청 정연료인 LNG를 연료로 하는 녹색선박(green ship) 및 LNG 벙커링 사업이 새로운 시장으로 급 부상하고 있다. 이러한 시장의 움직임으로 국내 조선소의 경우, D 조선소는 2010년 세계적인 선박 엔진 생산사인 만디젤(MAN Diesel & Turbo)과 협 약하여 LNG를 주 연료로 하는 선박용 추진 시스 템을 공동 개발하였으며, 2013년에는 LNG와 중유 를 모두 사용할 수 있는 선박용 전자제어식 이중 연료 저속 엔진인 ME-GI(Main Engine Electronic control Gas Injection)을 상용화하고 공급하였다.6) H 조선소는 고출력 친환경 가스엔진을 본격적으 로 생산하여 심해 시추선인 드릴 십(drill ship) 등 의 특수선에 사용하고 있는 것으로 조사된다. 그 러나 친환경 LNG 선박 엔진 관련 기술과 연계되 어 엔진에 연료를 공급하는 FGGS(Fuel Gas Supply System)에서는 단순한 LNG 탱크를 제외하 고 국산화율이 매우 저조하며 특히 핵심 부품의 경우 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 따라 서 국내 업체들은 해양 환경규제가 점차 강화되 고 있는 세계시장에서 친환경 선박용 엔진 수주 경쟁에 유리한 고지를 선점하기 위한 핵심부품 개발이 시급하다.
LNG 추진 선박의 엔진은 FGSS로부터 고압의 LNG가 요구되며, 이를 지속적이고 안정적으로 공 급하며 비상시에는 공급을 차단할 수 있는 GVT (Gas Valve Train)가 Fig. 1과 같이 설치된다. LNG 추진 선박 엔진의 안정적인 운행과 안전사고 방 지를 위한 연속적인 밸브(valve train)들로 구성된 GVT는 LNG 엔진 선박의 연료 공급 부품 기자 재 중 하나이다. GVT는 고압에서 작동하므로, 이 들 밸브에서 발생하는 누설은 엔진 오작동을 발 생시킬 수 있다. 이러한 오작동은 사고로 연계되 므로 시스템의 안정적인 운전을 보장하고 안전사 고를 방지할 수 있는 제어시스템과 이러한 상황 을 실시간으로 모니터링하는 시스템이 요구된다.
하지만 GVT의 제어 시스템 및 모니터링 시스템
은 현재 국내에서 개발된 사례가 없고, 해외의 기 술에 전적으로 의존하는 상황이다.
따라서 본 논문에서는 조선해양 산업 분야의 핵심 기자재라고 판단되는 GVT의 국내 개발 내 용을 소개함으로써 향후 유사 분야의 제품 개발 에 참고가 될 수 있도록 경험과 성과를 공유하고 자 한다. 본 개발에서는 GVT 선진제품의 분석을 통한 제품의 기능분석, 전산해석을 통한 제품의 구조설계 및 기존 경쟁제품과의 차별화를 위한 제어 및 모니터링 시스템 설계 등이 체계적으로 수행되었다.
Fig. 1 Function of GVT (Gas Valve Train)
2. GVT 본체 설계 및 제작
2.1 GVT 메인 블록 및 밸브 시스템 설계 GVT는 엔진에 고압의 깨끗한 연료를 공급하기 위해 각 블록에 쌓인 LNG 불순물을 세정시키고 걸러내기 위하여 N2 배기 시스템, 필터, 밸브, 파 이프라인과 이들을 제어하는 장치들로 구성되어 있다. 이러한 시스템을 국산화시키기 위하여 본 개발에서는 먼저 기존 선진 제품의 벤치마킹을 수행하였다. 새로운 GVT 본체 설계를 위하여 국 내에서 운영 중인 선진 제품의 관련 자료들을 분 석하고 실제 운영 제품과 비교하여 크기, 재질 및 제작 방안 등을 도출하였다. 제품의 차별화를 위 하여 새로운 제품이 기존 제품보다 개선되어야 할 특징 도출을 위하여 현 제품의 문제점 중 운영 자들로부터 지적되는 항목을 조사하고, 이로부터 공통적이고 설계에 반영시킬 수 있는 요소들인 비용, 크기, 설치 공간 및 유지보수 등을 설계 차 별성으로 선정하였다. 앞서 기술한 바와 같이
GVT는 ME-GI 엔진에 안전하게 LNG를 공급하기 위한 연속적인 밸브로 구성되어 있다. 따라서 이 들 밸브 시스템을 성공적으로 제어할 시스템 개 발을 위하여 ME-GI엔진 운영 매뉴얼을 분석하여 GVT의 기능 조건을 다음과 같이 도출하고 본체 가 되는 메인 블록을 설계하였다.
GVT 설계에 있어 기능 조건으로는 안정성, 방 폭성, 내진성 및 기밀성을 선정하였다. GVT는 고 압의 폭발성 유체를 취급하는 시스템이므로 안전 한 유체 공급을 위하여 엔진룸 외부에 설치가 되 어야만 충분한 내진성을 가질 수 있다. 이와 더불 어 ATEX(ATmosphères EXplosibles)방폭 인증을 충 족하면서 고압가스의 안전한 공급과 더불어 압력 손실이 최소화되도록 구조 해석을 바탕으로 설계 하였다. 또한 제품의 경쟁력 향상을 위한 차별화 조건으로는 크기와 무게의 소형 경량화와 더불어 간편한 유지 보수 특성을 지향하여 기존 제품 대 비 약 85% 정도 소형화시켰다.
GVT는 연료 공급 시스템이므로 그 내부는 복 잡한 유로를 형성하고 있다. 따라서 GVT의 주요 밸브 여닫음 동작들에 대하여 유체를 ‘Ideal Gas’
로 가정하고 설계된 유로 형상을 따라 흐르는 유 체이동 과정을 전산해석을 수행하여 유체 속도와 블록 내부에 작용하는 유압 추정을 통하여 유로 설계의 타당성을 평가하였다. 해석결과 GVT 입구 에 연료가 350 bar 압력으로 주입되면 필터와 밸 브들에서 각각 0.5 bar 정도 감압이 발생되면서 전 체 유로를 통과할지라도, 출구에서는 목표로 하는 유량 성능과 압력(300 bar)을 보여 최종적으로 엔 진이 요구하는 연료 공급조건을 충분히 만족함을 확인하였다.
GVT의 연료공급 운전 모드에서의 구조적 안정 성 검토를 수행하였다. GVT를 도면에 근거하여 전체 조립품을 3D 모델링시키고, 그 본체가 하부 면에 고정 지지된 경계조건에서 가장 가혹한 조 건으로 블록 내벽 전체에 350 bar를 적용하여 해 석을 수행하였다. 열하중과 내압을 조합한 하중에 대한 해석 결과, 최대 응력은 유로 벽면에서 약 114 MPa로 산출되었다. 이결과 GVT는 운전 모드 시 적용되는 최대 하중 조건이 메인 블록 재질인 SUS316L의 항복강도 205 MPa보다 약 1/2 수준(안
전율 1.8)의 하중 조건에서 운전이 될 것으로 예 측되었다. 변형 또한 약 0.17 mm로 매우 적어 GVT를 통한 연료 공급 시에 메인 블록은 안정적 인 구동을 보일 것으로 판단할 수 있었다. 다음 Fig. 2는 전산해석 모델을 이용한 결과 예이다.
Fig. 2 Finite Element Analysis for main block design; (a) displacement analysis result owing to internal pressure and (b) thermal stress analysis
LNG는 항상 폭발의 위험성을 가지고 있기 때 문에 관련 기자재에 개별 안전장치들이 구비되어 있어야만 한다. 따라서 EM-GI 엔진에 LNG를 공 급하는 GVT 역시 비상시 연료 공급을 차단하고 배출시키는 안전장치와 프로세스가 요구된다.
GVT는 가스 공급, 내부 청소, 배출 등을 수행하 기 위하여 유로를 열거나 닫는 개폐 밸브로 구성 되어 있다. 이러한 GVT의 밸브 시스템 설계는 ME-GI엔진의 운영 매뉴얼과 선진 GVT 개발 회사 의 자료들을 분석하여 이와 유사하게 설계하였다.
그리고 이를 구현하기 위한 솔레노이드 밸브의 제어 및 상태 모니터링 방안을 수립하고 기능을 만족시킬 수 있는 부품들의 사양을 선정하였다.
기존 제품과 차별화를 위하여 밸브를 작동시키기 위한 전원 모듈과 통신 모듈을 구분시켜 설계와 제작을 간편화하였으며, 유지 보수의 편리성까지 갖추도록 기획구성 하였다. GVT는 외부에 설치된 연료 저장소로부터 연료 기화기를 거쳐 고압 파 이프를 통해 블록 밸브 2개, 블리드 밸브 1개 및 이들을 연결시키는 파이프라인과 제어 장치 등을 통하여 LNG를 공급받을 수 있도록 구성시켰다.
GVT 내부의 밸브 구성은 Fig. 3에 도시한 바와 같이 기본적으로 유로의 개폐를 위한 On/Off 밸브
9개와 유체의 역류 예방과 차단을 위한 5개의 체 크 밸브를 사용하여 구성하였다.
Fig. 3 GVT fuel supply to engine P&ID (Piping &
Instrument Diagram)
2.2 GVT 제작
GVT 메인 블록은 앞서 기술한 전산 해석 결과 로부터 구조물에서 발생할 수 있는 최대 등가 응 력을 도출하고, 이를 충분히 견딜 수 있는 재료인 스테인리스 스틸(SUS 316L)을 주재료로 하여 제 작을 하였다. 또한 개발 원가 절감 모색 및 가공 의 효율성 검토를 위하여 Fig. 4와 같이 3D 모델 링 해석을 수행하여 메인과 서브 블록을 단일화
Fig. 4 3D model of main block and GVT prototype
Fig. 5 Control units under the main block
시켜 제작하였다. GVT를 제어하고 상태를 모니터 링할 수 있는 센서부들은 메인 블록의 하단부에 Fig. 5와 같이 설치하였다.
3. GVT 운전 제어 시스템 개발
3.1 GVT 운전 제어 시스템 설계
GVT는 각 밸브들을 상황에 맞게 안정적으로 운전하며 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 프로 세스 제어 및 실시간 모니터링 기능이 요구된다.
본 개발에서는 GVT가 최종적으로 제어하게 되는 ME-GI엔진의 특성을 파악하기 위하여 엔진 운영 매뉴얼을 분석하여 밸브 제어 시스템 설계를 하 였다. GVT가 최종적으로 제어하게 되는 ME-GI엔 진 특성 파악을 통하여 제어시스템의 기본 기능 및 안전 조건을 도출하였다.
연속적인 밸브들의 여닫음을 제어하고 LNG 동 작 압력을 센서를 통하여 모니터링하는 프로세스 수행을 위해서는 이들을 제어하는 주 제어기가 요구된다. 본 개발에서는 유지 보수가 쉽고 수리 가 가능하며 플랜트의 주위 환경 속에서 운용상 신뢰도가 높은 제어 시스템으로 구축을 지향하였 다. 따라서 선진 제품의 제어방식과 본 개발품의 제어 수준과 환경을 고려하여 고급 기능의 궤환 제어(feedback control) 방식보다는 단순한 기능만 을 순차적으로 수행하는 제어방식(sequence control)을 채택하고, 주 제어기로는 PLC(Programmable Logic Controller)를 선정하였다. PLC는 프로그램 작성과 변경이 용이하여 현장 요원들도 쉽게 동작 시퀀 스를 작성하고 변경할 수 있어 제어기의 운용과 관련한 유지 보수가 용이하다. 또한 접점방식으로 동작되므로 기기의 오작동이 적으며 모듈방식을 통한 기능 확장이 손쉽다.
밸브 제어 시스템 설계를 위한 GVT의 운영체 계에 해당하는 운전 모드는 선진 제품의 운영 매 뉴얼과 관련 자료들을 분석하는 벤치마킹을 통하 여 연료 공급을 할 수 있는 각각의 작동 모드를 설계하였다. 그리고 이를 구현하기 위한 솔레노이 드 밸브의 제어 및 상태 모니터링 방안을 수립하 고 기능을 만족시킬 수 있는 부품들의 사양을 선
정하였다. 기존 제품과 차별화를 위하여 향후 수 요가 높은 기술로 예상되는 사물인터넷(IOT, Internet of Thins) 기능을 지닌 압력센서를 모니터 링 시스템에 포함시켜 연료 공급 상황을 무선 원 격 환경에서 쉽게 모니터링할 수 있는 스마트 기 능을 추가할 수 있도록 설계하였다.
GVT의 운전 제어 및 모니터링을 위하여 운전 순서 및 17가지의 가스 시스템 선도(gas system diagram)를 벤치마킹하고 분석하여 기본 동작 모드 를 구성시켰다. 그리고 운전 제어 방식이 Fig. 6에 도시한 바와 같이, 총 11개의 솔레노이드 구동 밸 브(S/V)를 활용하여 엔진에 연료를 공급하고, 그 상태를 모니터링할 수 있도록 설계되었다. GVT의 작동 모드는 Start/In operation and Safety shutdown/Stop, Purge to ME-GI, Purge to FGSS 등 3 가지를 기본으로 하여, 기타 부가적인 기능도 이들 의 조합으로 구현될 수 있도록 구성하였다. GVT를 기동시키거나 유사시 정지시킬 수 있는 ‘Start/In operation and Safety shutdown/Stop 모드’는 메인 안 전 가스 밸브(main safety gas valve), 플랜트 메인 가스 밸브(plant main gas valve), 가스 블리드 밸브 (gas bleed valve)를 이용하여 FGSS로부터 ME-GI엔 진에 LNG 가스를 공급하거나 중단할 수 있도록 각 해당 밸브를 제어할 수 있게 하였다. 엔진으로 가는 가스라인을 N2가스로 청소하여 LNG 가스 오 염을 막는 역할을 하는 ‘Purge to ME-GI 모드’는
‘Start/In operation and Safety shutdown/Stop 모드’의 앞뒤 과정에서 불활성 가스 블리드 밸브(Inert gas
Fig. 6 GVT basic operation modes
bleed valve), 불활성 가스 블록 밸브(Inert gas block valve), 불활성 가스 공급 밸브(Inert gas supply valve)를 제어하여 이루어질 수 있도록 구성하였다.
이와 유사한 FGSS로 가는 가스라인을 N2가스로 청소하여 LNG 가스의 오염을 막는 ‘Purge to FGS 모드’ 역시 동일하게 설계하였다.
3.2 구동 제어 프로그램 개발
GVT를 원거리에서 실시간으로 운전 시 발생할 수 있는 사건들을 모니터링하여 제어하며 동작 상태를 분석할 수 있는 테스트 베드(test bed)를 Fig. 7과 같이 연구실 환경에서 구축을 하였다. 제 어 시스템의 테스트 베드는 PLC, 솔레노이드 구 동 밸브(S/V), 온도센서, 압력센서, 외부 전원 부 및 이들을 총괄 제어할 수 있는 PC로 구성하였다.
테스트 베드에서는 PLC에 입력된 GVT 운전 모드에 따른 각 구동부와 센싱부의 구동 프로그 램을 실험실 환경에서 시험하여 오류를 수정한 후 실장 시스템에 적용하도록 하였다. GVT에 실 장된 제어 시스템은 이를 기반으로 구성하여 제 작되었다.
GVT의 밸브들과 센서들을 제어하고 모니터링 하는 PLC 구동 프로그램은 PC 프로그래밍 플랫 폼에서 LD(Ladder Diagram)을 이용하여 작성되어 ethernet을 통하여 PLC로 전송되어 실행이 될 수 있도록 하였다. GVT는 구동 Fig. 8에 도시한 총 17가지의 가스 시스템 선도(gas system diagram)의 각 요소 기능들이 PLC에 의하여 구현될 수 있도 록LD를 활용하여 프로그래밍되었다. 이 선도는 가스라인 세척을 위한 N2가스 공급, 내부 잔여 가 스 배출, 각 밸브의 누수 체크, LNG 가스 공급 등 의 항목으로 구성하였다. GVT의 모니터링은 솔레 노이드 밸브 상태를 실린더에 장착된 리밋 스위 치를(limit switch)를 PLC에 연결시키고, 그 동작 신호를 입력으로 처리한 후 실시간 모니터링 할 수 있도록 프로그래밍하였다. 또한 압력센서 및 온도센서와 같은 계측 부들의 상태 역시 PLC 아 날로그 입력 모듈로부터 실시간 모니터링할 수 있도록 프로그래밍하였다.
Fig. 7 System configuration of GVT control test bed
Fig. 8 Gas system diagram for GVT control
3.3 운전 상태 모니터링 프로그램 개발
사용자가 앞서 기술한 모드를 직관적이고 쉽게 구현하고 GVT의 운영 상태를 모니터링할 수 있 도록 사용자 인터페이스(HMI, Human Machine Interface) 및 모니터링 프로그램을 Fig. 9와 같이 개발하였다. HMI 프로그램 화면에서는 GVT를 운 전하기 위한 각각 모드들이 메뉴 형태로 선택되 어 실행이 될 수 있을 뿐만 아니라 각 밸브 여닫 음 상태 및 가스라인의 온도와 압력이 실시간으 로 모니터링되어 가스라인의 누수 체크를 피드백 받을 수 있도록 하였다. 또한 운전 중 이상이 발 생하면 로깅 및 알람 기능으로 상태 이상을 표시
해주고 운전 모드의 작동을 멈추는 긴급 정지 시 스템이 역시 작동될 수 있도록 제작하였다.
Fig. 9 HMI (Human-Machine Interface) and monitoring program for GVT control
4. 결 론
본 논문에서는 친환경 선박인 LNG 연료 공급 시스템의 핵심 기자재인 GVT를 포함한 제어 시 스템의 개발을 기술하였다. 세계적으로 친환경 선 박의 수요가 늘어감에 따라 이와 관련된 핵심 기 술의 국산화가 중요한 이슈가 되고 있으므로, 국 산화를 성공시킨 기술 사례들의 보고가 관계자들 을 위하여 필요하다고 사료된다. 따라서 본 논문 에서는 선진제품의 분석을 통한 차별화된 국산화 기자재 개발 사례를 소개하였다. 본 연구에서 GVT 본체는 안정성, 방폭성, 내진성 및 기밀성 등의 기능 조건을 갖추며 제품의 경쟁력 향상을 위하여 85% 가량 소형 경량화가 구현되도록 열응 력 및 유동해석과 같은 전산해석을 기반으로 설 계하였다. GVT의 밸브 제어 시스템은 선진 자료 들을 분석하는 벤치마킹을 통하여 밸브의 제어 및 상태 모니터링 방안을 수립하고, 전원 모듈과 통신 모듈의 구분과 유지 보수의 편리성으로 기 술의 차별화를 도모하였다. 본체 제작에 있어서는 메인과 서브 블록을 단일화시켜 가공 효율성을 높여 개발 원가를 절감할 수 있게 하였다.
현재 개발된 GVT는 공인인증을 위한 밸브 누 설 시험을 수행하여 적합한 등급의 인증을 획득 하였다. 그리고 자체적인 동작 시험을 통하여
LNG압력을 모니터링하고 제어하는 업무 및 시스 템의 성능 평가가 수행 중이며, 이들 결과는 지속 적으로 시스템 개선에 활용될 예정이다. 또한 GVT 시스템 전체 제어 성능을 평가하기 위하여, 향후 선박 제조사와 업무 협의를 통하여 선반엔 진과 결합시킨 성능 평가 역시 수행될 계획이다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부의 경제협력권산업 육성사업의 일환으로 수행되었음. [A0104-00299, LNG 추진 선박 엔진용 GVT(Gas Valve Train) 국 산화 개발사업]
References
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2. T. W. Kim, Y. S. Sub, K. B. Jang, M. S. Chun, K. D. Lee, K. H. Cha, 2012, "A Study and Design on Tank Container for Fuel Tank of LNG Fueled Ship", Journal of The Society of Naval Architects of Korea, Vol. 49, No. 6, pp. 504-511.
3. S. K. Kim, 2005, "The Introduction of MAN B&W M/E and ME-GI Engine for LNG Carrier", Journal of The Korean Society of Marine Engineering, Vol. 29, No. 6, pp. 603-611.
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6. http://www.doosanengine.com/kr/
