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工學碩士 學位論文

및 를 이용한 PCS ERFCS

선박 에너지 절감에 관한 연구

A Study on Energy Saving Using Pump Control System and Engine Room Fan Control System on Ship

指導敎授 吳 珍 錫

2016 年 2 月

韓國海洋大學交 大學院

기 관 공 학 과

姜 榮 玟

목 차

Nomenclatures ···iii

List of Tables ···v

List of Figures ···vi

Abstract ···viii

제 1 장 서 론···1

연구배경 1.1 ···1

연구동향 1.2 ···3

연구내용 및 구성 1.3 ···4

제 2 장 기관실 전력 시스템···5

선박 에너지 관리 및 평가 방안 2.1 ···5

기관실 전력 시스템 개요 2.2 ···6

기관실 전동기 부하 분석 2.3 ···7

전동기 속도 제어 2.4 ···9

제 3 장 펌프 제어 시스템···11

선박 냉각 시스템 3.1 ···11

일반적인 중앙 냉각 시스템 3.1.1 ···11

냉각 시스템 전력 소비량 및 제어방법 3.1.2 ···12

펌프 제어 시스템 설계 3.2 ···13

펌프 제어 시스템 개요 3.2.1 ···13

펌프 제어 알고리즘 3.2.2 ···14

냉각 시스템 모델링 3.3 ···20

제 4 장 기관실 팬 제어 시스템···27

선박 기관실 팬 시스템 4.1 ···27

일반적인 기관실 팬 시스템 4.1.1 ···27

기관실 팬 시스템 전력 소비량 및 제어방법 4.1.2 ···28

기관실 팬 제어 시스템 설계 4.2 ···29

기관실 팬 제어 시스템 개요

4.2.1 ···29

기관실 팬 제어 알고리즘 4.2.2 ···30

기관실 팬 시스템 모델링 4.3 ···35

제 5 장 실험 및 결과 분석···38

시뮬레이터 실험 5.1 ···38

펌프 제어 시스템 5.1.1 ···38

기관실 팬 제어 시스템 5.1.2 ···43

시뮬레이터 실험 결과 분석 5.2 ···48

펌프 제어 시스템 5.2.1 ···48

기관실 팬 제어 시스템 5.2.2 ···58

제 6 장 결 론···63

참 고 문 헌 ···64

감사의 글 ···66

Nomenclatures

 : 열전달 면적 [ m^]

_ : 청수 열용량 [ kJ℃s]

_ : 해수 열용량 [ kJ℃s]

_ : 청수 비열 [ kJkg℃]

_ : 해수 비열 [ kJkg℃]

 : 임펠러 지름 [ m]

 : 기관실 내부와 외부 대기압의 차압 [ Pa]

 : 전양정 [ m]

 : 펌프 동력 [ kW]

_ : 보일러 연료량 당 필요공기량 [ kgkg]

_ : 발전기 출력 당 필요공기량 [ kgkWs]

_ : 주기관 출력 당 필요공기량 [ kgkWs]

_ : 증기 생산량 당 필요연료량 [ kgkg]

_ : 보일러 증기 생산량 [ kgs]

_{} : 바이패스 청수 질량 유량 [ kgs]

_ : 청수 질량 유량 [ kgs]

_{} : 중앙냉각기 청수 질량 유량 [ kgs]

_ : 해수 질량 유량 [ kgs]

 : 회전수 [ rps]

 : 팬 동력 [ kW]

_ : 3way 밸브 바이패스 개도 [%]

_ : 발전기 출력 [ kW]

_ : 주기관 출력 [ kW]

 : 팬 압력 [ Pa]

 : 토출 유량 [ m^s]

_ : 보일러 필요유량 [ m^s]

_ : 발전기 필요유량 [ m^s]

_ : 주기관 필요유량 [ m^s]

 : 청수에서 해수로 이동한 열량 [ kJs]

_ : 냉각 시스템 열 부하 [ kJs]

_

 : 중앙냉각기 입구 청수온도 [℃]

_

   : 중앙냉각기 출구 청수온도 [℃]

_

  : 중앙냉각기 입구 해수온도 [℃]

_

  : 중앙냉각기 출구 해수온도 [℃]

 : 총합 열전달계수 [ kJkg℃s]

 : 발전기 운전대수

 : 중앙냉각기 유용성

_ : 인버터 효율 [%]

 : 공기 밀도 [ kgm^]

List of tables

Table 2.1 Motor load list on 4600[TEU] container ···8

Table 3.1 Power consumption of S.W and F.W pumps ···12

Table 3.2 Modes of PCS algorithm ···15

Table 4.1 Power consumption of engine room fans ···28

Table 5.1 Elements of PCS simulator ···41

Table 5.2 Elements of EFRCS simulator ···46 Table 5.3 Experimental conditions of PCS when F.W is at high temperature 48 Table 5.4 Experimental conditions of PCS when F.W is at low temperature 53

List of figures

Fig. 1.1 BDI index for 3 years (2012~2015) ···1

Fig. 1.2 Energy saving system ···3

Fig. 2.1 SEEMP of MOL ···5

Fig. 3.1 Central cooling system for ship ···11

Fig. 3.2 Pump control system ···14

Fig. 3.3 PCS algorithm ···16

Fig. 3.4 Cooling water decreasing algorithm ···17

Fig. 3.5 Cooling water increasing algorithm ···18

Fig. 3.6 Central cooling system modeling ···20

Fig. 3.7 Heat transfer of central cooler ···22

Fig. 3.8  - curve ···24

Fig. 4.1 Characteristic curve of axial flow fan ···27

Fig. 4.2 Engine room fan control system ···29

Fig. 4.3 ERFCS algorithm ···30

Fig. 4.4 Engine room temperature control algorithm ···31

Fig. 4.5 Purifier room temperature control algorithm ···32

Fig. 4.6 Blowing air increasing algorithm ···33

Fig. 4.7 Blowing air decreasing algorithm ···34

Fig. 4.8 Engine room fan system modeling ···35

Fig. 5.1 Design of PCS simulator ···38

Fig. 5.2 Control diagram of PCS simulator ···39

Fig. 5.3 cDAQ-9188 ···39

Fig. 5.4 LabVIEW front panel for PCS ···40

Fig. 5.5 Experimental equipments for PCS ···40

Fig. 5.6 Inverter efficiency ···42

Fig. 5.7 Inverter power consumption vs. Pump speed ···43

Fig. 5.8 Design of ERFCS simulator ···44

Fig. 5.9 Control diagram of ERFCS simulator ···44

Fig. 5.10 cDAQ-9174 ···45

Fig. 5.11 LabVIEW front panel for ERFCS ···45

Fig. 5.12 Experimental equipments for ERFCS ···46

Fig. 5.13 Inverter power consumption vs. Fan speed ···47

Fig. 5.14 Pump speed by experiment 1 ···49

Fig. 5.15 Pump speed by experiment 2 ···49

Fig. 5.16 3way V/V position by experiment 1 ···50

Fig. 5.17 3way V/V position by experiment 2 ···50

Fig. 5.18 Cooling system temperatures by experiment 1 ···51

Fig. 5.19 Cooling system temperatures by experiment 2 ···51

Fig. 5.20 Comparison of power consumption of experiment 1 and 2 ···52

Fig. 5.21 Pump speed by experiment 3 ···54

Fig. 5.22 Pump speed by experiment 4 ···54

Fig. 5.23 3way V/V position by experiment 3 ···55

Fig. 5.24 3way V/V position by experiment 4 ···55

Fig. 5.25 Cooling system temperatures by experiment 3 ···56

Fig. 5.26 Cooling system temperatures by experiment 4 ···56

Fig. 5.27 Comparison of power consumption of experiment 3 and 4 ···57

Fig. 5.28 Fan speed and DP by No.1 fan running ···58

Fig. 5.29 Fan speed and DP by No.1,2 fan running ···59

Fig. 5.30 Fan speed and DP by ERFCS algorithm ···59

Fig. 5.31 Fan speed by ERFCS algorithm at low DP ···60

Fig. 5.32 Fan speed by ERFCS algorithm at high DP ···61

Fig. 5.33 Fan speed and DP by ERFCS when DP condition changes ···61

Fig. 5.34 Comparison of power consumption of ERFCS and ordinary ship ····62

A Study on Energy Saving Using Pump Control System and Engine Room Fan Control System on Ship

Recently, Sea freight volume has declined in line with the decline in the Baltic Dry Index (BDI). Therefore, shipping companies are trying to reduce the number of ships in operation and fuel consumption. In addition, the increased use of fossil fuels with the development of the world economy is causing global warming. Thus, there are many discussions in progress concerning fuel consumption and environmental issues.

The IMO provides guidance for the development of a Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), in which the Ship Energy Management System (SEMS) is one of the solutions to save energy. SEMS measures the energy supply and demand, controls the related devices, and allows the user to identify the amount of energy spent in total. This paper deals with energy saving for engine rooms through motor control as a part

of the SEMS. To save energy, motor load of the engine room is analyzed.

Based on the results, the cooling system and engine room fan system are selected as control targets.

In cooling systems, the Pump Control System (PCS) controls the sea water pump and fresh water pump rotational speed and the 3way valve position depending on the external environment. The Engine Room Fan Control System (ERFCS) controls engine room fan speed depending on temperature and pressure in the engine room fan system.

To check energy savings, PCS and ERFCS simulators are developed using LabVIEW program and Data Acquisition (DAQ) equipment based algorithms.

Simulation results using PCS and ERFCS algorithms are compare ordinary ship performance in terms of fuel consumption. As a result, energy saving of PCS and ERFCS is confirmed.

keyword : Energy saving 에너지 절감; Motor control 전동기 제어; Pump 펌프 제어 시스템

Control System(PCS) ; Engine Room Fan Control 기관실 팬 제어 시스템

System(ERFCS) ; Ship energy efficiency management 선박 에너지 효율 관리 계획

plan(SEEMP)

제 1 장 서 론

1.1 연구배경

최근 선박의 화물 물동량이 줄어들어 BDI(Baltic Dry Index) 지수가 하락하였 으며 이에 따라 국내 해운회사들이 선박 운행량과 연료 소비량을 감소시키기 위해 노력하고 있다 또한 세계적인 지구온난화 문제로 인하여 화석연료 소비. 량 감소를 위해 많은 논의가 진행 중에 있으며 해결방안으로 신재생에너지의 활용 탄소가스 배출 규제 방안 등이 논의되고 있다, [1]. 선박의 연료 소비량 감 소 방안으로는 프로펠러 형상의 최적화를 통한 에너지 효율 개선 방법 발전기, 의 연료효율 최적화를 통한 에너지 효율 개선 방법 선박의 운항속도에 따른, 추진 에너지 절감 방법 폐열을 이용한 에너지 효율 증가 방법 등의 연구가 활, 발히 진행 중이다[2]. 그림 1.1은 2012년부터 2015년까지의 BDI 지수로 2013년 에 최고점을 달성하였다가 시간이 지날수록 점점 낮아지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 1.1 BDI index for 3 years (2012~2015)

연료 소비량 감소를 위한 또 다른 연구로 선박 에너지 관리 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 선박 에너지 관리 시스템은 선박에서 공급되는. 에너지와 소비되는 에너지를 파악하고 상황에 따라 관련 기기들을 적절히 제어 함으로써 에너지를 절감하는 시스템이다 본 논문에서는 에너지 관리 시스템의. 한 부분으로 기관실의 전동기 부하의 속도를 제어하여 에너지를 절감하는 방안 을 연구한다 이를 위해 기관실의 전동기 부하를 조사하고 부하를 분석하여 적. 절한 제어 대상을 선정하며 선정된 전동기 부하가 있는 냉각 시스템과 기관실 팬 시스템에 대한 에너지 절감을 중점적으로 다룬다.

선박의 냉각 시스템은 선내 기기들을 냉각하기 위한 시스템으로 대부분의 선 박은 중앙 냉각 시스템을 사용한다 중앙 냉각 시스템은 각 기기로부터 발생하. 는 열을 청수를 이용하여 냉각하며 냉각 후 뜨거워진 청수를 해수로 다시 냉, 각한다 해수 라인에 설치되는 해수 펌프는 용량을 산정할 때 배관 설비의 관. 로 손실 장래 탑재 장비에 대한 여유 유량 확보 높은 기온으로 인한 해수온도, , 상승분 등을 고려하여 필요한 펌프 용량보다 큰 용량의 펌프를 산정한다 청수. 펌프도 유사한 이유로 필요 용량보다 큰 용량을 산정한다 해수펌프 및 청수펌. 프는 항상 정격출력으로 사용하며 상황에 따라 냉각에 필요한 유량보다 많은 유량이 흘러 불필요하게 전력이 낭비될 수 있다.

선박에서 기관실 팬 시스템은 기관실에 공기를 공급하거나 배출하기 위해 사 용된다 일반적인 상황에서는 기관실 팬을 정방향으로 동작시켜 주기관이나 보. 일러에 필요한 산소를 공급하거나 주요기기를 냉각시킨다 특정한 상황에서는. 팬을 역방향으로 동작시켜 기관실 내부공기를 배출시킬 수 있다 작동되는 기. 관실 팬 대수는 마린 엔지니어가 경험에 의존하여 수동으로 제어하는 경우가 대부분이다 또한 기관실 팬 설치 시 외부공기의 온도상승분이나 내부 발열량. , 을 고려하여 평균적으로 필요한 팬 용량보다 큰 용량의 기관실 팬이 설치된다.

본 논문에서는 이와 같은 점을 고려하여 냉각 시스템 및 기관실 팬 시스템의 에너지 절감 알고리즘을 제안한다 또한 제안한 알고리즘을 바탕으로 시뮬레이. 터 실험을 수행하여 에너지 절감 효과를 확인한다.

1.2 연구동향

이산화탄소 배출량을 감소시킨 선박을 통상적으로 그린쉽(green Ship)이라 하 며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다[3]. 에너지 관리 시스템을 탑재하여 연료 소비량을 감소시킨 선박도 그린쉽으로 볼 수 있다. 자동차 운반선

는 대표적은 그린쉽으로

Emerald Ace 160[kW 의 태양광 발전을 사용한 하이브] 리드 발전시스템을 적용하였다 이 선박은 항해 시 탄소배출 저감효과가 있으. 며 정박 시 배기가스를 배출하지 않는다, [4].

냉각 시스템의 에너지 절감에 대한 연구로는 국내 D 사의 ESS(Energy Saving 제품이 상용화 되어 있다 그림 는 의 구조를 나타내며 해수온도

System) . 1.2 ESS

및 청수온도를 3way 밸브의 개도를 측정하여 해수펌프의 회전속도를 제어함으 로써 에너지를 절감할 수 있도록 구성되어 있다 국내에는. D 사 이외에 냉각 시스템에서 에너지를 절감하는 시스템이 없으며 따라서 D 사에서 독점적으로 제품을 생산하고 있다.

Fig. 1.2 Energy saving system

기관실 팬 시스템의 에너지 절감에 대한 연구로는 국내의 선박 냉공조기 전 문업체인 H 사의 FCS(Frequency Controlled System)가 연구 중에 있다 국외의. 경우에는 여객선 등에서 냉난방 기기에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

1.3 연구내용 및 구성

본 논문은 총 장으로 구성되어 있으며 각 장의 내용은 다음과 같다6 .

제 1 장에서는 연구를 진행하게 된 배경을 설명하고 연구 동향에 대해 기술, 한다.

제 2 장에서는 선박의 에너지 관리 방안을 파악하고 에너지 절감을 위해 기관실의 전동기 부하를 분석하고 속도 제어 대상을 선정한다.

제 3 장에서는 선박 냉각 시스템에 대해 분석하고 펌프 제어 시스템을 제안 한다.

제 4 장에서는 선박 기관실 팬 시스템에 대해 분석하고 기관실 팬 제어 시스 템을 제안한다.

제 5 장에서는 에너지 절감에 대한 시뮬레이션을 진행하고 결과를 서술한다. 제 6 장에서는 연구내용을 바탕으로 결론을 도출하고 향후 개선 방안에 대해 서술한다.

제 2 장 기관실 전력 시스템

2.1 선박 에너지 관리 및 평가 방안

세계적으로 선박 에너지 절감에 대한 관심이 높아지고 있다 국제 해사 기구. 에서는 선박의 에너지 효율을 나타내기 위해 2005년 에너지 효율 운전지표 와 년 에너지 효율 설계지 (EEOI : Energy Efficiency Operational Indicator) 2008

수(EEDI : Energy Efficiency Design Index)를 차례로 제안하였다 최근에는 선. 박 에너지 효율 관리 계획(SEEMP : Ship Energy Efficiency Management Plan) 을 제안하여 선박에서 에너지를 효율적으로 관리하는 시스템에 대한 가이드라 인을 제공하고 있다[5]. 그림 2.1은 SEEMP를 바탕으로 MOL사에서 작성한 에너 지 관리 계획 그림이다.

Fig. 2.1 SEEMP of MOL

선박 에너지 효율 관리 계획은 선박의 CO2 배출저감을 목적으로 국제 해사 기구에서 발효한 규제항목으로서 운영관점에서 선박의 에너지 효율을 지속적, 으로 감시 및 관리하기 위한 방법 및 계획을 정리한 문서이다[6]. CO₂ 저감을 위해 연료 소비량 절감을 중점적으로 다루며 PDCA(Plan-Do-Check-Act) 기법을 사용하여 선박 내의 에너지 소비를 계획 실행 확인 반영 과정을 통해 관리한, , , 다 또한 선사 및 선박에서 수립된 에너지 관리 계획을 선박에서 실행 및 기록. 하고 관련 사항을 모니터링하여 평가 후 이를 다시 에너지 관리 계획에 반영, 한다 에너지 관리 계획에서 연료저감을 평가하기 위한 항목으로 대표적으로. 에너지 효율 운전지표(EEOI)가 있다 에너지 효율 운전지표는 식. (2.1)과 같다 [7].

  _{}×



_×_

(2.1)

는 연료의 종류이고 _는 연료 소비량, _는 연료의 CO2 환산계수, _{}

는 화물의 중량, 는 운항거리이다 위 식에서는 운항거리와 중량에 따른 연료. 소비량에서 CO2 발생량을 구함으로서 선박의 에너지 효율을 확인하게 된다.

에너지 효율을 증가시키는 방안으로 SEEMP에서는 여러 방법을 권장하는데 크 게 경제속도운항 항로 최적화 선박 조종성 최적화 선체유지보수 추진시스템, , , , 관리 에너지 관리 등이 있다, .

2.2 기관실 전력 시스템 개요

선박에서는 연료 소비량을 기준으로 에너지를 관리할 수 있는데 기관실에서, 연료는 장비를 기준으로 분류하면 크게 주기관 발전기 보일러에서 소비된다, , . 기관실 전력 시스템은 발전기를 포함한 전력 공급 장치와 기관실의 부하 시스 템 그리고 제어를 위한 전력 관리 시스템으로 구성된다 전력 시스템의 정격.

전압은 상3 AC 440[V 이며 조명 등의 일반장비를 위해] AC 220[V], 비상발전체 계나 낮은 전압을 필요로 하는 장비를 위해 DC 24[V 가 추가로 사용된다 기관] . 실의 전력 시스템은 육상의 전력 시스템에 비하여 높은 온도 진동 높은 상대, , 습도 등의 작업환경을 가지고 있어 장비가 손상을 입기 쉬우며 잦은 유지보수 가 필요하다 또한 육상과 비교하였을 때 발전기 용량이 작고 부하 전력이 상. 대적으로 커서 부하가 가동되었을 때 전력 시스템에서 큰 전압 변동이 생길 수 있다 따라서 높은 안정성을 가지는 시스템을 구축하여야 한다. .

전력 관리 시스템은 발전기의 발전 상황 및 소비 전력에 따라 발전기를 제어 하거나 부하를 차단할 수 있는 시스템이다 발전기의 공급 전력은 전력 관리. 시스템을 통해 제어되며 부하에 비해 필요한 발전량이 많거나 적을 경우 발전 기의 운전대수를 조절한다 또한 중부하 시스템 작동 시 필요한 전력여유를 산. , 정하여 확보하지 못하였을 경우 부하 시스템 작동을 늦추거나 차단하여 선박이 정전되지 않도록 제어한다.

전력 공급 장치는 디젤엔진 발전기를 많이 사용하며 선박의 종류에 따라 증 기터빈이나 가스터빈 발전기 등이 사용된다 발전기 이외에 전력 공급 장치로. 태양광 풍력 등의 신재생 에너지를 사용하거나 에너지를 저장할 수 있는 에너, 지 저장 시스템 등이 사용될 수 있다.

기관실의 전력 부하는 특정 시스템을 구성하는 부하들과 개별적인 전력 부하 로 구분할 수 있다 특정 시스템의 부하들은 개별 알고리즘에 따라 제어된다. . 개별적인 부하는 중요도 및 사용 시간에 따라 그룹 A(중요 지속적 동작 부하, ), 그룹 B(비 중요 지속적 동작 부하, ), 그룹 C 중요 특정 상황 동작 부하( , ), 그룹 비 중요 특정 상황 동작 부하 로 나누어 분류할 수 있으며 전력량에 따라 그

D( , )

룹별로 제어한다[8].

2.3 기관실 전동기 부하 분석

기관실 전력 시스템에서 소비 전력을 절감하기 위해 본 논문에서는 전동기 부하를 제어한다 이를 위해 기관실과 관련된 전동기 부하를 조사하였다 조사. . 에 사용된 선박은 4600[TEU 컨테이너 선박이며 소비하는 전력이 높은 순으로] 부하를 정리하였다 정리된 전동기 부하와 소비전력을 표. 2.1에 나타내었다.

Types Rated power [kW_] No.

Bow thruster (Full) 1830 (Idle) 650 1

M/E Aux. blower 300 2

Main L.O pump 280 2

Air conditioner 103 2

Main air compressor 85 4

Main cooling

sea water pump 75 3

Ballast pump 75 2

Central cooling

fresh water pump 65 3

Engine room fan 30 6

Reefer container 4 -

Cargo hold fan

1.5 1

2.2 2

3.7 2

5.5 10

Table 2.1 Motor load list on 4600[TEU] container

표 2.1을 살펴보면 바우 스러스터의 전력 소비량이 가장 크고 주기관 보조 블로워 주 윤활유 펌프 순으로 전력을 많이 소비한다 조사된 전동기 부하를, . 분석해 보면 부하 종류에 따라 크게 펌프 팬 압축기로 분류할 수 있다 전동, , . 기 부하의 속도를 제어하여 에너지를 절감하기 위해서는 부하의 종류가 순간적 으로 사용되지 않고 연속적으로 사용되어야 한다 바우 스러스터와 주기관 보. 조 블로워는 연속적으로 사용되지 않고 기동 시간이 매우 짧기 때문에 속도,

제어를 통한 에너지 절감을 기대할 수 없다 또한 압축기는 순간적으로 높은. 토크를 필요로 하기 때문에 전동기의 속도를 제어하여 에너지를 절감하기 어렵 다 따라서 팬과 펌프를 부하로 가지는 주 윤활유 펌프 주 냉각 해수 펌프 발. , , 라스트 펌프 중앙 냉각 청수 펌프 기관실 팬 화물 팬에 대해 전동기 속도를, , , 제어를 통해 에너지를 절감할 수 있다 이 중 주 윤활유 펌프와 발라스트 펌프. 는 속도에 상관없이 탱크에 일정한 수위의 유체를 공급하도록 제어되므로 속도 제어를 통해 에너지를 절감하기 어렵고 화물 팬은 용량이 작기 때문에 제어하 지 않는다 따라서 주 냉각 해수 펌프 중앙 냉각 청수 펌프 기관실 팬에 대해. , , 서만 전동기의 속도 제어를 수행한다 본 논문에서는 이후 주 냉각 해수 펌프. 를 해수 펌프 중앙 냉각 청수 펌프를 청수 펌프로 칭한다, .

2.4 전동기 속도 제어

선박 기관실에서 전동기는 가격이 저렴하고 유지보수가 용이한 3상 농형 유 도전동기가 가장 많이 쓰인다 대부분의 전동기는 공급 전력을 제어하지 않으. 며 따라서 on/off 제어를 통해 전동기를 제어하게 된다 이와 같은 제어는 마린. 엔지니어의 입장에서는 제어가 용이하나 상황에 따라 필요한 에너지보다 많은 에너지를 소비할 수 있다 따라서 전동기의 속도를 제어함으로써 불필요한 에. 너지를 절감할 수 있다. 3상 농형 유도전동기는 다른 전동기에 비해 속도제어 가 어렵기 때문에 용량에 맞는 상용 인버터를 사용하여 제어를 수행한다.

선박에서는 다양한 전동기 부하가 사용되지만 대부분 펌프와 팬이 사용된다.

서로 기하학적으로 상사인 펌프라면 임펠러 부근의 유선방향 즉 속도 삼각형, 도 상사로 되어 두 개의 펌프의 성능과 회전수 임펠러 외경과의 사이에 다음, 관계가 성립된다 이를 상사법칙이라 하며 펌프의 상사법칙은 다음과 같다. , [9].



 ′ 

 ′×



 ′





 ′



 ′





 ′





 ′



 ′





 ′



식 (2.2)~(2.4)에서 [m 는 임펠러의 지름] ,  [rps 은 회전수] ,  [m^s]는 토출 유량,  [m 는 전양정] ,  [kW 은 펌프의 동력이다 임펠러의 외경이 같을 경우] . 회전수를 변화시키면 펌프 출력은 일정한 법칙에 따라서 변화한다 펌프의 동. 력은 펌프 회전수의 제곱에 비례하며 회전수가 감소하면 제곱만큼 동력이 감3 3 소함을 알 수 있다 팬에서도 상사법칙을 적용할 수 있으며 팬의 임펠러의 직. 경 기체밀도가 같다고 한다면 팬의 상사법칙은 아래 식과 같다, , .



 ′ 

 ′ (2.5)



 ′



 ′





 ′



 ′



식 (2.5)~(2.7)에서 토출 유량 [m^s 는 회전수에 비례 압력] , [Pa 는 회전수] 의 제곱에 비례하며 팬 동력,  [kW 는 회전수의] 3제곱에 비례한다[10]. 펌프 효율과 팬 효율은 회전수에 따라 어느 정도 변화하지만 일반적으로 기준회전수 의 20[%]정도의 변동 범위에서는 효율변화는 미소한 것으로 간주하며 본 논문 에서는 고려하지 않았다 따라서 전동기의 속도 변화에 따른 펌프 및 팬의 출. 력은 상사법칙을 이용하여 속도에 따른 동력의 변화를 구하고 인버터 전력 소 비량을 더해 산출할 수 있다 펌프나 팬 이외에 다른 부하를 구동시키는 전동. 기 또한 일반화를 통해 상사법칙을 사용하여 에너지 절감량을 구할 수 있다.

제 3 장 펌프 제어 시스템

3.1 선박 냉각 시스템

3.1.1 일반적인 중앙 냉각 시스템

선박의 중앙 냉각 시스템은 선박의 열 부하 주기관 발전기 냉동기 등 를 냉( , , ) 각시키기 위한 시스템이다 일반적인 중앙 냉각 시스템 시스템은 청수를 이용. 하여 장비들을 냉각하고 청수를 다시 해수로 냉각한다 그림. 3.1은 선박용 중앙 냉각 시스템을 도시하였다.

Fig. 3.1 Central cooling system for ship

청수는 3way 밸브의 개도에 따라 일부는 중앙냉각기로 일부는 바이패스 되, 어 중앙냉각기를 거치지 않고 열 부하로 바로 이송된다 이때. 3way 밸브 출구 청수온도는 일반적으로 37[℃ 로 제어되는데 온도를 일정하게 제어하기 위해] , 밸브의 개도를 제어한다 밸브 출구 청수온도가 변하면 밸브에 설

3way . 3way

치된 공압식 제어기에서 비례적분미분(PID : Proportional Integral Differential) 제어를 통해 밸브 개도를 제어한다 선내 기기들이 과냉각될 시 기기의 저온부. 식 및 내부 온도와 외부 온도차로 인한 균열(crack) 등이 발생할 수 있어 청수 온도를 적절하게 냉각하는 것은 매우 중요하다 중앙냉각기는 대부분 관 막힘. 을 고려하여 2대를 설치하여 1대를 사용한다 해수펌프 청수펌프에는 원심식. , 펌프(centrifugal pump)가 일반적으로 사용된다.

3.1.2 냉각 시스템 전력 소비량 및 제어 방법

표 3.1은 냉각 시스템 중 가장 많은 전력을 사용하는 해수펌프와 청수펌프의 전력 사용량의 예를 선박 종류에 따라 나타내었다 선박은 컨테이너선 탱커선. , ,

선을 대상으로 조사하였다

LNG .

Ship types Types Rated power

[kW_] Installation Use 4,600TEU

container ship

M.C.S.W Pump 75 3 2

C.C.F.W Pump 75 3 2

5,600TEU container

ship

M.C.S.W Pump 100 3 2

C.C.F.W Pump 100 3 2

Aframax tanker

M.C.S.W Pump 65 2 1

C.C.F.W Pump 37 3 2

125K moss LNG carrier

M.C.S.W Pump 55 3 2

C.C.F.W Pump 45 3 2

135K moss LNG carrier

M.C.S.W Pump 90 3 2

C.C.F.W Pump 90 3 2

Table 3.1 Power consumption of S.W and F.W pumps

해수펌프 및 청수펌프의 설치 대수는 배의 설계에 따라 다르며 각각 3대를 설치하거나 용량을 크게 하여 대를 설치하는 것이 일반적이다2 . 3대 설치 시 2 대, 2대 설치 시 1대를 주로 사용하며 나머지 1대는 특정 상황에서 다른 펌프 를 대체한다 사용되는 해수펌프와 청수펌프는 중요 부하로 하루에. 24시간동안 펌프를 최대회전속도로 운전한다 펌프가. 3대가 설치되어 있을 경우 해수온도, 및 열 부하에 따라 운전 대수를 1~2대로 조절할 수 있다 펌프는 마린엔지니어. 가 수동으로 on/off를 제어하거나 stand-by 펌프를 설정하여 작동중인 펌프에 이상이 생길 경우 나머지 대가 작동한다1 .

3.2 펌프 제어 시스템

는 외부환경 해수온도 청수온도 기기 발열량 등 에 따라 해수펌프와 청

PCS ( , , )

수펌프의 회전속도와 3way 밸브의 개도를 자동으로 제어하여 선박 중앙 냉각 시스템에서 소비되는 전력을 절감하는 시스템이다. PCS를 개발하기 위해 냉각 시스템의 구조를 정립하고 해수 온도와 냉각 계통 펌프, 3way 밸브의 상관관계 를 파악하였다 또한 효과적인 제어패턴을 도출하여 냉각 시스템 운용 시에 가. 장 많은 에너지를 절감할 수 있도록 알고리즘을 구축하였다.

기존의 ESS는 중앙냉각기에서 냉각수를 장비로 공급하는 연결 배관 상에 온 도감지센서를 설치하고 감지된 온도 값에 따라 해수펌프의 회전속도를 적절히, 변경하여 해수펌프의 부하를 낮춤으로 에너지를 절감한다[11]. 이러한 제어 시 스템은 청수 측의 3way 밸브가 해수펌프의 회전속도에 상관없이 청수온도에 따라 개별적으로 제어되기 때문에 해수펌프의 회전속도를 낮추어 냉각량을 줄 이기 전에 3way 밸브의 개도가 먼저 변화할 수 있다 따라서 해수펌프의 회전. 속도를 충분히 낮추지 못하여 에너지를 추가적으로 절감할 수 없게 된다 또한. 해수펌프의 회전속도는 변경되나 청수펌프는 정격 회전속도로 운전되도록 함으 로써 발열량이 적을 경우 청수 유량을 조절할 수 없어 에너지 절감 효과는 미 비하게 된다.

Fig. 3.2 Pump control system

본 논문에서는 그림 3.2이 같이 펌프 제어 시스템 구성하였으며 중앙 냉각 시스템에 해수펌프 제어를 위한 인버터(inverter), 청수펌프 제어를 위한 인버 터 제어기에서 제어가 가능한, 3way 밸브 중앙 냉각 시스템 제어기 해수 및, , 청수온도 측정기 등을 추가로 구성하였다. 구성된 펌프 제어 시스템에서는 알고리즘을 사용하여 필요한 해수 및 청수냉각유량만 열 부하에 공급함으 PCS

로써 해수펌프 및 청수펌프의 전력 소비량을 줄이고 청수온도를 적절하게 제어 할 수 있도록 한다.

3.2.2 펌프 제어 알고리즘

알고리즘은 대의 해수펌프와 대의 청수펌프가 설치되어 있는 냉각 시

PCS 3 2

스템에서 대의 해수펌프와 대의 청수펌프와2 1 3way 밸브를 자동으로 제어한다. 해수펌프는 1번과 2번 해수펌프를 주로 동작시키며 3번 해수펌프를 예비로 사 용한다 청수펌프는. 1번 청수펌프를 주로 동작시키며 2번 청수펌프를 예비로 사용한다 선박에서 여유분으로 설치되는 해수펌프 대와 청수펌프 대는 상황. 1 1 에 따라서 기존에 제어되는 펌프를 대체한다 해수 및 청수펌프의 인버터는. 항상 정방향으로 동작시킨다.

표 3.2와 같이 PCS 알고리즘은 해수펌프와 청수펌프의 자동 수동 제어여부,

에 따라 4가지 모드로 나눌 수 있으며 그중 해수펌프와 청수펌프가 모두 수동 으로 사용되는 모드를 제외한 3가지 모드로 구성된다 위와 같이 구성한 이유. 는 해수펌프 혹은 청수펌프에 문제가 생겨 사용할 수 없거나 선주 측에서 해, 수펌프 혹은 청수펌프 중 한 가지만 제어를 원할 경우 알고리즘을 변경하여 사 용할 수 있도록 하기 위해서이다 따라서 해수펌프와 청수펌프의 제어를 선택. 적으로 적용하여 인버터 설치 금액을 절약할 수 있다 해수펌프와 청수펌프에. 모두 인버터가 설치되면 기본적으로 Full auto 모드를 사용하므로 모드는 선박 에 PCS를 설치할 때 설정하고 추후 변경하지 않는다.

Full auto Semi auto(S.W) Semi auto(F.W)

M.C.S.W pump Auto Auto Manual

C.C.F.W pump Auto Manual Auto

Purpose Default

C.C.F.W pump inverter non installation

M.C.S.W pump inverter non installation Table 3.2 Modes of PCS algorithm

가) Full auto 모드

이 모드는 해수펌프와 청수펌프를 모두 자동으로 사용하는 모드이며 기본적 으로 사용되는 모드이다. PCS 알고리즘은 대의 해수펌프와 대의 청수펌프2 1 , 1 개의 3way 밸브를 3way 밸브 출구 청수온도에 따라 자동으로 제어하게 된다. 동작순서는 프로그램을 초기화 시킨 후 1번 해수펌프 및 1번 청수펌프를 각각 최대 출력으로 기동시키고, 2번 해수펌프는 정지시키며, 3way 밸브를 닫아 바 이패스가 되지 않도록 설정한다 다음으로 실시간으로 온도 센서를 통해. 3way 밸브의 출구 온도를 측정하여 그림 3.3과 같은 제어 동작을 수행한다 정상 온. 도 범위는 36[ ]℃ 이상, 38[ ]℃ 이하로 설정한다.

Fig. 3.3 PCS algorithm

먼저, 3way 밸브를 통해 냉각 시스템의 열 부하로 전달되는 청수의 온도가 설정치 범위 내에 포함되는지를 판단한다 청수의 온도가 설정치 범위 내에 있. 다고 한다면 열 부하가 적정 온도로 냉각되고 있다고 가정할 수 있다 따라서. 현 상태를 유지한다 이 때 해수펌프와 청수펌프의 회전속도가 최저 속도가 아. 닌 이상 바이패스 없이 청수가 모두 중앙냉각기를 통과하도록 구성한다, . 3way 밸브의 바이패스가 열려있으면 해수펌프나 청수펌프에서 불필요한 에너지를 낭 비되고 있다고 간주할 수 있기 때문에 청수를 바이패스 시키지 않도록 한다.

감지된 청수온도가 36[ ]℃보다 낮으면 열 부하가 과냉각이 되고 있다고 볼, 수 있다 과냉각이 되고 있다면 중앙냉각기를 통과하는 해수의 유량을 줄이거. 나 냉각 부하로 유입되는 청수의 유량을 줄이거나 중앙냉각기를 통과하는 청, , 수의 유량을 줄여야 한다 따라서 냉각량 감소 알고리즘에 따라 청수온도가 정. 상 온도 범위 내에 포함되도록 제어한다 감지된 온도가. 38[ ]℃ 보다 높으면 열, 부하가 냉각이 제대로 되지 않는 것으로 간주할 수 있다 이때에는 중앙냉각기.

를 바이패스하는 청수의 유량을 줄이거나 해수의 유량을 늘리거나 청수의 유, , 량을 늘려야 한다 따라서 냉각량 증가 알고리즘에 따라 청수온도가 정상 온도. 범위 내에 포함되도록 제어한다 에너지 절감 측면에서 볼 때 펌프를 가능한. , 많은 시간동안 최저 속도로 유지시키는 것이 좋다 또한 해수펌프의 에너지 절. 감량이 많기 때문에 해수펌프를 먼저 제어하도록 한다.

Fig. 3.4 Cooling water decreasing algorithm

그림 3.4는 냉각량 감소 알고리즘을 나타낸다 먼저. , 2번 해수펌프가 작동 중 인지를 판단한다. 2번 해수펌프가 작동 중이면 번과 번 해수펌프의 회전속도1 2 가 최소로 작동 중인지를 판단한다. 1번과 번 해수펌프의 회전속도가 모두 최2 소로 작동 중이면 번 해수펌프는 정지시키고 번 해수펌프는 최대로 기동시킨2 1

다 반면. , 1번과 번 해수펌프의 회전속도가 모두 최소가 아니면2 , 1번 해수펌프 및 2번 해수펌프의 회전속도를 PID 제어에 의해 감소시킨다 다음으로. , 2번 해 수펌프가 정지해 있으면 1번 해수펌프의 회전속도가 최소로 작동 중인지를 판 단한다. 1번 해수펌프의 회전속도가 최소가 아니면 번 해수펌프의 회전속도를1 제어에 의해 감소시킨다 반면 번 해수펌프의 회전속도가 최소이면 번

PID . , 1 1

청수펌프의 회전속도가 최소인지 판단한다. 1번 청수펌프의 회전속도가 최소일 경우 더 이상 펌프 제어가 불가능하므로 3way 밸브를 PID 제어에 의해 열도록 제어한다. 1번 청수펌프의 회전속도가 최소가 아니면 번 청수펌프의 회전속도1 를 PID 제어에 의해 감소시킨다.

Fig. 3.5 Cooling water increasing algorithm

그림 3.5는 냉각량 증가 알고리즘을 나타낸다 먼저. , 3way 밸브의 개도를 확 인한다. 3way 밸브의 바이패스라인이 최대로 닫혀 있지 않으면, PID 제어를 통 해 개도를 제어하여 바이패스라인을 닫는다 다음으로. , 3way 밸브가 최대로 닫 혔으면 번 청수펌프의 회전속도가 최대인지를 판단한다1 . 1번 청수펌프의 회전 속도가 최대가 아니면, 1번 청수펌프의 회전속도를 PID 제어를 통해 상승시킨 다 반면. , 1번 청수펌프의 회전속도가 최대이면 2번 해수펌프가 작동 중인지를 판단한다. 2번 해수펌프가 작동 중이면 1번 해수펌프 및 2번 해수펌프의 회전 속도를 PID 제어에 의해 상승시킨다. 2번 해수펌프가 정지 상태이면 1번 해수 펌프의 회전속도가 최대인지 확인한다. 1번 해수펌프의 회전속도가 최대이면 1 번 해수펌프 및 2번 해수펌프를 최소회전속도로 제어한다. 1번 해수펌프가 최 대로 작동되지 않는 것으로 판단되면, 1번 해수펌프의 회전속도를 PID 제어에 따라 상승시킨다.

나) Semi auto(S.W) 모드

이 모드는 해수펌프를 자동으로 청수펌프를 수동으로 사용하는 모드이다, . 모드에서 청수펌프를 제외한 해수펌프와 밸브를 제어한다 청수

Full auto 3way .

펌프 고장으로 자동모드 적용이 어렵거나 청수펌프를 자동으로 제어할 필요가 없는 경우에 사용될 수 있다. 3way 밸브 출구 청수온도가 설정치 미만일 경우 해수펌프의 회전속도를 낮춘다 해수펌프는 대가 동작 중인지 확인하며 대가. 2 2 동작할 경우 대의 회전속도를 동시에 낮춘다2 . 2대가 최저 회전속도로 동작 중 임에도 청수온도가 낮다면 대를 정지한 후 대의 회전속도를 최대로 동작시킨1 1 후 동작중인 해수펌프의 회전속도를 하강시킨다 위 상태에서 과냉각이 계속될. 경우 최종적으로 3way 밸브의 바이패스 개도를 열어 중앙냉각기를 통과하는 청수의 유량을 줄인다. 3way 밸브 출구 청수온도가 설정치 범위 내에 있다고 한다면 열 부하가 적정 온도로 냉각되고 있다고 가정할 수 있다 따라서 현 상. 태를 유지한다. 3way 밸브 출구 청수온도가 설정치보다 높은 경우 3way 밸브 의 개도를 확인하여 바이패스가 되지 않도록 밸브를 제어한다 청수온도가 계. 속 높을 경우 해수펌프의 회전속도를 높인다 해수펌프는, . 2대가 동작 중인지 확인하며 1대가 최대로 동작중일 때는 1대를 추가로 동작시키고 2대의 회전속

도를 최저로 낮춘다 이후에도 청수온도가 높을 경우 대의 해수펌프의 회전속. 2 도를 상승시킨다.

다) Semi auto(F.W) 모드

이 모드는 해수펌프를 수동으로 청수펌프를 자동으로 사용하는 모드이다, . 모드에서 해수펌프를 제외한 청수펌프와 밸브를 제어한다 해수

Full auto 3way .

펌프 고장으로 자동모드 적용이 어렵거나 해수펌프를 자동으로 제어할 필요가 없는 경우에 사용될 수 있다. 3way 밸브의 출구 청수온도가 설정치 미만일 경 우 청수펌프의 회전속도를 낮춘다 청수온도가 계속 낮을 경우. 3way 밸브의 바 이패스 개도를 열어 중앙냉각기를 통과하는 청수의 유량을 줄인다. 3way 밸브 출구 청수온도가 설정치 범위 내에 있다고 한다면 열 부하가 적정 온도로 냉각 되고 있다고 가정할 수 있다 따라서 현 상태를 유지한다. . 3way 밸브의 출구 측 청수온도가 설정치보다 높은 경우 3way 밸브의 개도를 확인하여 바이패스 가 되지 않도록 밸브를 제어한다 청수온도가 계속 높을 경우 청수펌프의 회전. , 속도를 높인다.

3.3 냉각 시스템 모델링

중앙 냉각 시스템에서 해수 및 청수펌프 회전속도, 3way 밸브 개도 변화에 따른 냉각수 온도 변화를 파악하기 위해 모델링을 진행하였다 모델링은 유체. 의 흐름에 따른 청수와 해수의 온도를 나타낸다 그림. 3.6은 모델링된 냉각 시 스템을 나타낸 그림이다.

Fig. 3.6 Central cooling system modeling

냉각 시스템은 일반적인 시스템인 해수펌프 대 청수펌프 대 및3 , 2 3way 밸브 가 설치된 냉각 시스템을 모델링 하였다 유체의 흐름은 질량 유량.  [kgs]

으로 나타낼 수 있으며 해수와 청수의 온도 변화는 중앙냉각기에서 교환되는 열량을 파악함으로서 알 수 있다 열 부하 변동은 청수의 입구온도의 변화로. 생각할 수 있다 해수유량은. 1,2,3번 해수펌프 유량을 모두 더하면 구할 수 있 으며 청수유량은 1번과 2번 청수펌프의 유량을 모두 더하면 구할 수 있다 펌. 프 속도 변화에 따른 유량에 대한 수식은 식 (3.1), (3.2)와 같다.

_  _{ } _{} _{ } (3.1)

_  _{} _{} (3.2)

밸브 개도인

3way _가 0~100[%]로 움직일 때 그에 따라 바이패스 되는 청수의 유량이 변한다 개도에 따라 유량이 선형적으로 변한다고 하면. , 3way 밸브를 통해 바이패스 되는 유량 및 중앙냉각기로 들어가는 청수유량은 식

와 같다 (3.3), (3.4) .

_{}  _



_



_{}  _



_



중앙냉각기는 해수와 청수의 열교환을 진행한다 그림. 3.7은 중앙냉각기를 통 한 열량 이동을 나타낸 그림이다 주요 파라미터는 중앙냉각기 입구 해수온도.

_{ } [℃], 중앙냉각기 출구 해수온도 _{}[℃], 중앙냉각기 입구 청수온도

_{ }[℃], 중앙냉각기 출구 청수온도 _{}[℃], 해수 유량  _[ kgs], 중 앙냉각기의 청수 유량 _{}[kgs], 해수 비열 _ [kJkg℃], 청수 비열

_[kJkg℃], 이동 열량 [kJs 이다] .

Fig. 3.7 Heat transfer of central cooler

냉각 시스템에서 청수의 온도가 해수의 온도보다 높고 전체 시스템에서 외부 로의 열의 출입이 없다고 가정하면 중앙냉각기에서의 열량의 이동은 식 (3.5)과 같다.

  _  __{} _  _  _{}_ _{} (3.5)

이동 열량 는 청수와 해수의 온도차에 비례하게 된다 중앙냉각기 출구 청. 수온도는 거의 일정하게 유지되므로 해수온도가 낮아질수록 청수에서 해수로, 이동하는 열량은 커지게 되고 동시에 중앙냉각기의 출구 측 청수온도는 점점 낮아지게 된다 제안된 열평형식을 바탕으로 중앙냉각기를 모델링하는 방법에. 는 LMTD법과 -NTU법이 있다[12]. LMTD법에 의한 중앙냉각기의 해석은 모든 출입구 온도를 알 때 편리하고 안정된 상황에서 중앙냉각기를 설계할 때 널리 쓰인다 그러나 중앙냉각기의 성능은 산정할 수 있지만 중앙냉각기 출구 유체. 의 온도는 모르는 경우, LMTD방법으로 중앙냉각기의 입출구 온도를 구하기 위

해서는 시행착오를 격어야 한다 이러한 문제점을 보완하기 위해 본 논문에서. 는 -NTU법을 사용한다.

-NTU법은 중앙냉각기의 입출구 온도의 관계를 파악하기 위해 열전달률에 대하여 중앙냉각기 유용성  을 도입한다 최대 열교환율을 갖는 열교환기는 무. 한한 열전달면을 가진 중앙냉각기를 가정하여 구할 수 있다 무한한 열전달면. 을 가자는 중앙냉각기에서 만약 외부로 손실되는 열이 없다고 가정한다면

_  _ _  _{} 일 때 중앙냉각기 출구 해수온도가 중앙냉각기 입구

청수온도와 같고, _  _ _  _{} 일 때는 중앙냉각기 출구 청수온도 와 중앙냉각기 입구 해수온도는 같다 이 때 중앙냉각기 유용성은 실제의 열전. 달률과 에너지 보존 법칙에 의해 완전히 열전달이 되는 최대 열전달률과의 비 로 정의된다 어느 쪽의 열용량이 더 작은가에 따라 유용성. 은 식 (3.6)으로 구할 수 있다.

 _min_ _

__{} _

또는  _min_ _

__{} _

(3.6)

해수 열용량 _ [kJ℃s 는] _와  _의 곱이며 청수 열용량 _

[kJ℃s 는] _와 _{}의 곱이다. _min은 _ ,_ 중 크기가 작은 쪽이 며 _max는 큰 쪽이다 식. (3.6)을 중앙냉각기에 대한 수식에 대입하면 식 (3.7) 과 같다.

ln







_min

 _

_min







  _





[kJkg℃s 는 총합 열전달계수이고] [^]는 중앙냉각기에서의 열전달 면적 이다 식. (3.7)을 에 관하여 정리하면 식 (3.8)과 같다[13].

   _min_max

  ^{   minmaxmin}

(3.8)

앞에서의 유도과정은 중앙냉각기 유용성을 두 개의 무차원 변수 즉 열용량, 비 _{m in}_{m ax}와 최소 열용량에 대한 총비 _{m in}로 나타낼 수 있음을 보여준 다 이중. _{m in}를 열전달단위수(Number of heat transfer units) 또는 NTU라 고 부른다 이때. 는 중앙냉각기의 하드웨어적 특성을 나타내며 중앙냉각기, 의 열교환률이 높을수록 는 커지게 된다.

Fig. 3.8 - curve

그림 3.8은 두 유체가 비 혼합하는 직교류에 대한 중앙냉각기의 유용성을 나 타내는 그래프다 이는 식. (3.8)을 그래프로 나타낸 것으로 NTU와 _min_max를 구하면 그래프를 통해 유용성을 구할 수 있다 중앙냉각기의 유용성을 구하였. 을 때 중앙냉각기의 이동열량은 식, (3.9)과 같이 정리할 수 있다.

  _min_ _ (3.9)

식 (3.9)를 식 (3.5)를 이용하여 정리하면 식 (3.10)와 같이 된다.

_min_ _  __ _{}  __{} _ (3.10)

식 (3.10)을 중앙냉각기 출구 해수온도와 출구 청수온도를 기준으로 정리하 면 식 (3.11), (3.12)와 같다.

_{}  _ _

_min_ _

(3.11)

_{}  _ _

_min_ _

(3.12)

중앙냉각기 출구 청수온도와 식 (3.3), (3.4)의 청수유량을 바탕으로 3way 밸 브 출구에 대한 열평형식 (3.13)을 유도할 수 있다 이 식을. 3way 밸브 출구 청 수온도에 대한 식으로 정리하면 식 (3.14)와 같다.

_  __ _  _{}_ _  _{}_{} (3.13)

_  _

 _{} _ _{}_{}

(3.14)

냉각 시스템의 열 부하 _[ kJs 는 입력되는 청수온도와 출력되는 청수온도] 의 차와 비례하며 식 (3.15)와 같이 유도될 수 있다.

_ _  __ _ (3.15)

열 부하는 외부 환경 변수로 사용자가 값을 입력한다 따라서 식. (3.15)을 이 용하여 중앙냉각기 입구 청수온도를 구할 수 있다 중앙냉각기 입구 청수온도. 를 기준으로 정리하면 식 (3.16)과 같다.

_ _ 

_  _

_

(3.16)

중앙냉각기 입구 해수온도는 외부 환경 변수로 사용자가 값을 입력한다 따. 라서 위와 같은 식들을 이용하여 냉각 시스템의 온도변화를 파악할 수 있다.

분석된 시스템에서 펌프 회전속도 변화는 유체의 질량 유량 변화에 비례하므로 펌프의 회전속도 변화에 따라 냉각 시스템의 온도 변화를 파악할 수 있다 또. 한 펌프 회전속도의 3제곱은 축동력에 비례하므로 펌프의 출력변화를 통해 소 비에너지 변화를 파악할 수 있다.

제 4 장 기관실 팬 제어 시스템

4.1 선박 기관실 팬 시스템

기관실 팬 시스템은 기관실에 공기를 공급하기 위한 시스템이다 기관실 팬. 은 기관실 내를 충분히 냉각시킬 수 있도록 공기를 공급해 줄 수 있어야 하며 주기관 및 발전기 등에 연소를 위한 산소를 공급해주어야 한다 또한 선원의. 작업에 지장이 없도록 산소를 공급할 수 있어야 한다[14]. 기관실 팬은 선박 상 부의 기관실 팬 실(engine room fan room)에 설치되며 덕트, (duct)를 통해 기관 실까지 연결된다 기관실 내부를 순환한 공기는 연돌. (funnel)을 통해 외부로 방 출된다 기관실 팬은 축류 팬으로 설치되며 압력에 비해 유량이 큰 것이 특징. 이다 그림. 4.1은 일반적인 축류 팬의 특성곡선을 나타낸 그림이다.

Fig. 4.1 Characteristic curve of axial flow fan

4.1.2 기관실 팬 시스템 전력 소비량 및 제어 방법

표 4.1은 선박에 따른 기관실 팬 전력 소비량의 예를 표시하였다 조사에 사. 용된 선박은 컨테이너선과 탱커선, LNG선이다.

Ship Types Types Rated power

[kW_] Installation Use 4,600TEU

container ship Engine room fan 30 6 4

6,800TEU

container ship Engine room fan 65 6 4

VLCC

tanker Engine room fan 30 4 4

125K moss LNG carrier

E.R. fan (supply) 25.3 4 4

E.R. fan (exhaust) 17.3 2 1

135K moss LNG carrier

E.R. fan (supply) 24.7 4 4

E.R. fan (exhaust) 14.1 2 1

Table 4.1 Power consumption of engine room fans

기관실 팬은 선박의 정박 입출항 항해 모드에 따라 팬을 마린 엔지니어가 수/ / 동으로 on/off 제어하거나 상황에 따라 stand-by 팬이 작동한다 컨테이너 선박. 은 정박 입출항 항해 모드 이외에도 일반 컨테이너나 냉동 컨테이너의 개수에/ / 따라 팬의 운전 대수가 달라진다 따라서 일반적인 경우를 가정하였을 때. 6대 가 설치된 컨테이너 선박을 기준으로 정박 입출항 항해 일 때 기관실 팬을/ / 대를 사용한다 탱커 선박의 경우 대가 설치되었을 경우 정박 입출항 항해

2/2/4 . 4 / /

시, 2/2/4대를 사용한다. LNG 운반선은 화물 특성상 가스가 발생할 수 있기 때 문에 배출 전용 팬이 추가로 설치된다 공급 팬 대 배출 팬 대가 설치되었다. 4 , 2 면 항해 시 공급용 팬 대 배출용 팬 대를 사용하며 입출항 항해 시 공급용, 4 , 1 / . 팬 대 배출용 팬 대를 사용한다2 , 1 .

4.2 기관실 팬 제어 시스템

는 기관실 내의 온도 및 압력 값에 따라 팬의 운전대수와 속도를 조절 ERFCS

하는 시스템이다 기관실에 밀집 배치된 각종 기기들에서 발생하는 열과 소음. 및 오염물질 그리고 기관실 내부의 높은 압력 때문에 근무자들은 장시간 근무 에 상당히 어려움을 호소하고 있다 특히 선박의 기관실내외 차압이. ISO 규정 에서 50[Pa 이하를 권장하는 실정이므로 이에 상응하는 선박의 설계의 필요성] 이 대두되고 있다[15]. 기존의 기관실 팬 시스템은 기관실의 팬 속도 제어가 불 가능하였으므로 항상 필요한 공기량보다 더 많은 공기량을 공급하여 필요한 에 너지보다 더 많은 에너지를 소비하였다 또한 규정보다 높은 기관실 압력을 형. 성함으로써 근무자들의 근무환경에 영향을 주었다 이러한 문제점을 해결하기. 위해 기관실 팬 제어 시스템이 필요하며 팬 속도제어 및 비상시의 댐퍼 제어를 포함하여 기관실 팬 제어 시스템을 구성한다.

Fig. 4.2 Engine room fan control system

그림 4.2와 같은 기관실 팬 제어 시스템에서 기관실 팬의 회전속도는 기관실 에 필요한 공기유량에 따라 제어되며 필요 유량은 기관실 압력과 외부 대기압 의 차압으로 변환될 수 있다 팬 유량을 제어하는 방법에는 댐퍼를 통해 유로. 의 저항을 제어하거나 가변익의 각도 제어 인버터를 통한 속도제어가 있다 그, . 중 인버터를 이용한 속도제어를 통해 에너지를 효과적으로 절약할 수 있다.

4.2.2 기관실 팬 제어 알고리즘

기관실은 온도는 0~45[ ]℃ 사이 기압은, 100[kPa 이상 상대습도는] , 60[%] 이 상이 되어야 한다 통상 선박에서는 기관실 기압과 외부 대기압의 차압을 양압. 으로 유지하도록 하여 안전성을 확보한다 온도 값은 기관실에서 온도가 가장. 높은 곳에 온도센서를 설치하여 기관실 온도의 최고값을 측정한다. 압력은 를 설치하여 기관실 내부 압력과 대기압 DPT(Differential Pressure Transmitter)

의 차압을 측정한다 측정된 온도 및 압력 값을 바탕으로 구성된. ERFCS 알고 리즘은 그림 4.3과 같다.

Fig. 4.3 ERFCS algorithm

알고리즘은 대의 팬이 설치된 선박을 기준으로 한다 초기 기동 시

ERFCS 4 .

번 및 번 팬을 의 회전속도로 제어하고 번 및 번 팬은 정지 상태이

1 2 50[%] 3 4

다 다음으로 실시간마다 온도 센서 및 차압 센서를 이용하여 기관실 온도 청. , 정기실 온도 기관실 차압을 측정하여 제어 동작을 수행하게 된다, .

기관실 온도 및 청정기실 온도는 정상온도 범위를 45[ ]℃ 이하라고 가정하며 이 범위를 벗어날 시 온도 제어 알고리즘이 실행된다 온도 범위가 정상이면, . 차압을 확인한다 정상 차압 범위는. 20[Pa 이상] , 40[Pa 이하로 설정한다 기] . 관실 차압이 설정 범위 내에 있으면 기관실에 적절한 공기가 공급된다고 판단 하며 제어를 하지 않는다 기관실 차압이. 20[Pa 보다 낮을 시 기관실에서 공] , 기 유량이 부족하다고 판단하며 송풍량 상승 알고리즘을 실행한다 기관실 차. 압이 40[Pa 보다 높을 시 기관실 공기 유량이 과다하다고 판단하며 송풍량] , 감소 알고리즘을 실행한다.

기관실 온도가 45[ ]℃ 이상일 경우 그림 4.4의 기관실 온도 제어 알고리즘으 로 이행한다 모든 팬을 최대회전속도로 운전하며. 40[ ]℃ 미만이 되었을 경우 알고리즘을 종료하고 ERFCS 알고리즘으로 돌아간다 기관실 온도가 높을 시. , 선박의 기기에 중대한 문제를 발생시킬 수 있으므로 일정 온도 이상에서 팬을 최대회전속도로 제어하여 문제가 발생하지 않도록 제어한다.

Fig. 4.4 Engine room temperature control algorithm

기관실 온도 이외에 일반적으로 선박에서 온도가 가장 높은 청정기실의 온도 를 추가적으로 제어한다 청정기실 온도가. 45[ ]℃ 이상일 경우 그림 4.5의 청정

기실 온도 제어 알고리즘으로 이행한다 청정기실을 담당하는 팬 번 팬 을 최. (1 ) 대로 운전하며 나머지 팬은 회전속도를 유지한다 청정기실 온도가. 40[ ]℃ 미만 이 되었을 경우 알고리즘을 종료하고 ERFCS 알고리즘으로 돌아간다 청정기실. 온도 제어 중 기관실 온도가 45[ ]℃ 이상이 될 경우 기관실 온도 제어 알고리 즘으로 이행하며 모든 팬을 최대회전속도로 제어한다.

Fig. 4.5 Purifier room temperature control algorithm

온도가 정상상태라면 기관실에 필요한 송풍량은 기관실 차압으로 확인할 수 있다 따라서 기관실 차압에 따라 팬 회전속도 및 운전대수를 조절한다 기관실. . 차압은 ISO 규정에 따라 50[Pa 이하로 제어하나 송풍량이 많을 때보다 송풍량] 이 부족할 경우 기기에 좋지 않은 영향을 줄 수 있기 때문에 송풍량 상승 알고 리즘을 먼저 실행한다 송풍량 상승 알고리즘은 먼저 모든 작동중인 팬의 회전. 속도를 속도가 가장 높은 팬과 동기화시킨다 다음으로. 3번 팬의 작동 여부를 판단한다 작동 중으로 판단되면. , 4번 팬의 작동 여부를 판단한다. 4번 팬도 작 동중일 경우 모든 팬의 속도를 상승시킨다. 4번 팬이 작동 중이 아닐 경우 번1 , 번 번 팬이 최대 속도로 작동 중인지 판단한다 번 번 번 팬이 최대 속

2 , 3 . 1 , 2 , 3

도로 작동중일 경우 송풍량을 상승시키기 위해 번 팬을 작동시키며 모든 팬의4 회전속도를 75[%]로 동작시킨다. 1 , 2 , 3번 번 번 팬이 최대 속도로 작동중이 아 닐 경우 작동 중인 팬의 속도를 상승시킨다. 3번 팬이 작동 중이 아닐 경우 1 번과 2번 팬이 최대 속도로 작동 중인지 판단한다. 1번과 2번 팬이 최대 속도 로 작동중일 경우 송풍량을 상승시키기 위해 번 팬을 작동시키며3 1 , 2 , 3번 번

번 팬의 회전속도를 66[%]로 동작시킨다. 1번과 2번 팬이 최대 속도로 작동중 이 아닐 경우 작동 중인 팬의 속도를 상승시킨다 압력은 유량에 비례하므로. 팬 대의 유량이2 200[%]면 대가 작동될 때 유량이 비슷해야 한다 따라서 대3 . 3 가 작동되면 각 팬이 66[%]로 작동하며 팬 대의 유량이3 300[%]면 팬 대가 작4 동할 때 각 팬이 75[%]의 속도로 운전된다 그림. 4.6은 송풍량 상승 알고리즘이 다.

Fig. 4.6 Blowing air increasing algorithm

송풍량 감소 알고리즘을 설명하면 다음과 같다 먼저 작동중인 모든 팬의 속. 도를 속도가 가장 높은 팬과 동기화시킨다 다음으로 번 팬의 작동 여부를 판. 4 단한다 작동 중으로 판단되면 모든 팬의 회전속도가. , 75[%] 미만인지 판단한