Simulink를 이용한 터그보트의 샤프트제너레이터 물리모델링 및 연료소모율 검증 시뮬레이션에 관한 연구
김성동
1, 김남호
1*1
부경대학교 제어계측공학과
A Study on the Physical Modeling of the Shaft Generator and the Fuel Consumption Verification Simulation of a Tugboat using Simulink
Sung-Dong Kim
1, Nam-Ho Kim
1*1Department of Control and Instrumentation Eng., Pukyong National University
요 약 최근 해운산업에서는 환경규제에 대한 중요성이 높아지고 있으며, 이를 위한 산업의 요구가 급격히 높아지고 있다. 이
에 샤프트제너레이터는 선박에 가장 빠르게 적용이 가능한 환경규제 대응기술로 선주의 요구가 증가하고 있다. 샤프트제너레이 터는 메인추진엔진에 전동기를 설치하여, 부하환경에 따라 가변적으로 사용함으로 메인추진엔진의 연료소모율을 줄일 수 있는 장치이다. 저속에서는 모터의 힘으로 동작하고, 급격한 부하가 필요할 때에는 메인추진엔진과 모터가 함께 동작함으로 효율적인 운전이 가능하다. 본 논문에서는 MATLAB Simulink를 이용하여 터그보트의 디젤엔진과 샤프트제너레이터를 모델링하고, 시뮬레이 션을 통해서 연료소모율을 검증하였다.
• 주제어 : 터그보트, 샤프트제너레이터, 모델링, 연료소모율, 물리모델
Abstract In recent years, the importance of environmental regulations is increasing in the shipping industry, and the demands of the industry for this are rapidly increasing. Accordingly, the demand of ship owners is increasing as the shaft generator is a technology that responds to environmental regulations that can be applied to ships the fastest. The shaft generator is a device that can increase the fuel consumption rate of the main propulsion engine by installing an electric motor in the main propulsion engine and using it variably according to the load environment. It operates by the power of the motor at low speeds, and when a sudden load is required, the main propulsion engine and motor operate together, enabling efficient operation. In this paper, the diesel engine and shaft generator of a tug boat are modeled using MATLAB Simulink, and the fuel consumption rate is verified through simulation.
•Key Words : Tugboat, Shaft Generator, Modeling, Fuel Consumption, Physical Model
Received 18 March 2021, Revised 28 March 2021, Accepted 30 March 2021
* Corresponding Author Nam-Ho Kim, Department of Control and Instrumentation, Pukyong National University, 45, Yongso-ro, Nam-gu, Busan, Korea. E-mail: [email protected]
Ⅰ. 서론
환경규제에 대한 높은 관심으로 2017년 세계 각국은 파리 기후변화협약(COP21, 2015. 12.)에 195개국이 참 여하여 서명하였고, 국제해운은 국제해사기구(IMO : international maritime organization)에 위임하였다. 이 에 국제해사기구는 제72차 MEPC(marine environment protection committee)에서 이산화탄소 배출량을 2008 년까지 40%, 2050년까지 70% 감축토록 노력하기로 하 였다. 해운산업에서는 이를 만족하기 위해 다양한 연 구를 진행하고 있으며, 이중 샤프트제너레이터는 가장 빨리 선박에 적용할 수 있는 기술로 선주의 요구가 높 아지고 있다. 샤프트제너레이터는 추진엔진의 샤프트 에 전동기를 설치함으로 전력이 필요할 때에는 샤프트 의 힘을 이용하여 발전하고, 추가적인 부하가 필요할 때에는 샤프트에 설치된 모터를 함께 동작함으로 추진 엔진의 연료소모율을 개선하는 기술이다.
특히, 터그보트는 선박을 예인할 때에 큰 힘을 필요 로 하고, 해당 목적지에 이동할 때에는 저속으로 이동 하기 때문에 샤프트제너레이터를 적용하기에 매우 적 합한 선박이다. 또한 터그보트의 일반적인 부하사용 영역은 15% 내외에서 전체 운항시간의 50% 이상을 유 지하고, 80%의 부하는 전체 운항시간의 5% 이하를 유 지함으로 샤프트제너레이터를 적용하면, 추진용 디젤 엔진의 크기를 줄임으로 연료소모율에 대한 효과가 매 우 크다.
본 논문에서는 MATLAB Simulink를 이용하여 디젤엔 진, 샤프트제너레이터, 부하에 따른 연료소모율을 모델 링하였으며, 샤프트제너레이터가 적용된 터그보트의 연료소모율 개선 정도를 분석하였다.
Ⅱ. 샤프트제너레이터 모델링 및 시뮬레이션
2.1 터그보트의 물리모델링을 위한 사양 정의
터그보트는 항만에 머물러 있으면서, 대형선박의 정 박을 위해 대형선을 끌거나 밀어서 운항하는 것을 주 목적으로 하는 선박이다. 이에 터그보트는 일반적인 운항환경에서는 낮은 부하를 갖고, 예인을 하는 상황 에서 높은 부하를 필요하기 때문에 선체의 크기에 비 해 추진엔진의 용량이 매우 크다. 그림 1은 일반 터그 보트와 샤프트제너레이터를 적용한 터그보트의 구성도 이다.(a) General tug boat
(b) Tug boat with shaft generator applied Fig. 1. Configuration of tug boat
그림 1(a)의 터그보트는 디젤엔진과 디젤발전기로 구 성이 하였고, 디젤발전기에는 440V 부하로 구성하였다.
그림 1(b)는 일반 터그보트에서 샤프트에 샤프트제너레 이터를 추가로 구성하였다. 표 1은 모델링을 위한 일 반터그보트와 샤프트제너레이터를 적용한 터그보트의 사양을 정의하였다.
Table 1. Specifications of general tug boat and tug boat with shaft generator applied
Equipment Parameter
Diesel Engine
- General Tug boat
· 1,750kW, 1,600rpm - Tug boat with shaft generator
applied
· 1,500kW, 1,600rpm
Diesel Generator - Type : Synchronous Generator- 1,000kW, 440V, 60Hz
Shaft Generator - Type : Asynchronous motor- 230kW, 440V, 60Hz Normal Load - 500kW, 440V, 60Hz
일반 터그보트의 추진용 디젤엔진은 1,750kW의 출력 을 갖고 있으며, 샤프트제너레이터를 적용한 터그보트 는 샤프트제너레이터의 추진력을 제외한 출력인 1,500kW급의 출력을 갖는 디젤엔진으로 선정하였다.
디젤발전기는 1,000kW 비동기 발전기를 선정하였고,
일반 부하환경에서는 500kW의 부하가 발생하는 것으 로 선정하였다. 샤프트제너레이터는 230kW급 비동기 모터로 선정하였다. 전력계통은 3상 440V, 60Hz로 하 였다.
2.2 디젤엔진의 연료 소모 물리모델
디젤엔진의 연료 소모 물리모델은 SIEMENS사에서 발표한 부하에 따른 연료소모율(SFC : specific fuel consumption) 데이터를 다항식으로 변경하여 사용하였 다. 다음 식은 연료소모율 데이터를 다항식으로 표현 한 것이다.
(1)
여기서 는 연료소모율이고, 는 부하이며, 은 – 2.484, 는 3.612, 는 22.16, 는 –12.3, 는 206.1 이다.
단, 다항식에서 부하가 0인 상태에서도 연료 소모가 발생될 수 있기 때문에 함수를 이용하여, 값이 0일 때, 연료 소모가 0이 되도록 하였다. 그림 2는 디젤엔 진의 부하변동에 따른 연료소모율을 나타낸 것이다.
Fig. 2. Fuel consumption graph
그림 2의 x축은 엔진의 부하값, y축은 연료소모율을 의미한다. 여기서 부하가 낮은 구간에서 높아질수록 연료소모율이 감소하는 특성을 보였고, 75%의 부하일 때 연료소모율이 가장 적었다. 그리고 부하가 75%보다 증가할 경우 연료소모율이 다시 증가하는 특성을 보였 다.
2.3 샤프트제너레이터 모델링
연료소모율 검증을 위한 샤프트제너레이터 모델링은
디젤엔진모델과 샤프트제너레이터를 포함하는 디젤발 전기 모델을 각각 구성하였다. 디젤엔진 모델은 속도 제어를 위한 제어기, 엔진의 구동을 위한 스로틀과 매 니폴드로 구성되었다. MATLAB Simulink모델은 MATLAB에서 제공하는 ‘Engine Timing Model with Closed Loop Control’ 모델을 사용하였다. 그림 3은 디젤엔진의 MATLAB Simulink 모델이다.
Fig. 3. MATLAB Simulink model of diesel engine
속도제어를 위해 PI제어기를 이용하여, 속도를 제어 하였다. 식 (2)는 정해진 속도 값에 따라 스로틀각도를 제어하는 수식이다.
(2)여기서
은 속도의 셋팅값을 나타내고,
은 현 재 속도,
는 비례항의 이득,
는 적분항의 이득이 다.
Fig. 4. Model of diesel generator
디젤발전기 모델은 그림 4와 같이 디젤엔진거버너와 여자기, 동기발전기, 저항부하, 인버터를 포함하는 모 터로 구성하였다. 전력계통에서 디젤엔진거버너는 시
간 지연을 갖는 전달함수로 구성하였다[1-3]. 여자기는 IEEE 421 표준에서 제시하는 모델을 적용하였으며, 다 이오드 정류기를 통해 발전기에 계자전압을 공급하도 록 모델링하였다. 발전기는 1MW 3상 440V, 60Hz를 갖 는 동기형 발전기를 적용하였고, 부하를 모델링하기 위해 3상 500kW의 저항부하를 두었다. 샤프트제너레이 터는 230kW급 비동기 전동기와 주파수변환기로는 다 이오드 정류기와 IGBT인버터로 구성하였다. 이는 Hysteresis DTC(direct torque and flux control)제어로 속도를 제어한다[4-5].
샤프트제너레이터에 입력되는 부하는 터그보트의 운 항프로파일에 따라서 20%, 25%, 80% 조건으로 그림 5 와 같이 나타내었다.
Fig. 5. Input load
일반 운항 상태에서는 20%의 부하로 운항을 하고, 예인작업 조건에서는 80%의 부하로 운항하도록 하였
다. 샤프트제너레이터를 적용한 터그보트 모델은 그림 6에 나타내었다.
입력 부분은 비교기를 이용하여 운항프로파일의 부 하에 따라 샤프트제너레이터의 동작과 엔진의 동작을 선택하도록 하였다. 부하의 크기가 작을 때에는 디젤 발전기의 모터로 구동을 하고, 높은 부하를 필요할 때 에는 디젤엔진이 함께 동작하도록 하였다. 디젤엔진 모델은 입력으로 기준 부하와 속도값을 받고, 디젤발 전기 모델은 기준속도를 입력값으로 받아서 일정한 속 도제어가 가능하도록 모델링 하였다. 출력 부분에는 모터의 속도제어를 위해 디젤엔진 출력을 입력으로 받 을 수 있도록 하였고, 디젤엔진연료소모율은 추진엔진 과 디젤발전기의 토크 값이 앞서 계산된 연료소모율 수식을 지난 후에 합이 디스플레이 되도록 하였다.
일반 터그보트는 동일한 디젤엔진모델을 사용하였으 며, 디젤발전기 모델은 그림 7과 같이 구성하였다. 샤 프트제너레이터를 적용한 디젤발전기 모델에서 샤프트 제너레이터가 제거된 모델과 동일하다. 부하는 500kW 저항부하를 사용하였다. 그림 8은 일반 터그보트 모델 이다.
일반 터그보트는 디젤엔진을 이용해서 추진되기 때 문에 입력 부분에는 부하와 설정된 속도값만 입력된다.
Fig. 6. Model of tug boat with shaft generator applied
Fig. 7. Model of diesel generator
Fig. 8. Model of general tug boat
디젤엔진 모델은 동일한 모델을 사용하였고, 디젤발 전기 모델은 샤프트제너레이터가 제거된 모델이다. 출 력 부분은 디젤엔진과 디젤발전기 모델에서 출력된 토 크의 값에 연료소모율 식을 적용한 후에 합하여 연료 소모율 값으로 나타내었다.
2.3 시뮬레이션 결과
샤프트제너레이터가 적용된 터그보트의 디젤엔진속 도와 샤프트제너레이터의 속도는 다음 그림 9 및 그림 10과 같다.
Fig. 9. Speed graph of diesel engine
Fig. 10. Speed graph of shaft generator
그림 9는 디젤엔진의 속도를 나타내며, 2.5초 부근에 서 2,000rpm까지 높아졌다가 3.5초에서 1,600rpm으로 동작한다. 그림 10은 샤프트제너레이터의 속도를 나타 내며, 1,600rpm에서 일정한 속도로 동작한다. 그림 11 은 디젤엔진의 토크를 나타낸다.
Fig. 11. Torque graph of diesel engine
높은 부하가 필요한 시점에 토크의 값이 급격히 높 아졌다가, 낮은 값을 유지한다. 8.5sec 이후에서부터 토 크 값이 0을 가짐으로써 엔진의 동작이 멈춘 것을 확 인할 수 있다. 엔진모델의 제어기 값의 오류로 2초 구 간에서 토크 값과 속도가 급격히 높아지는 현상이 있 으나, 이는 입력부의 비례제어에 의한 것으로, 연료소 모량 결과값에는 큰 영향을 미치지 않는다. 일반 터그 보트에서 엔진 속도 그림 12와 같다.
터그보트의 초기 구동 시, 엔진 자체의 부하에 의해 높은 토크의 값을 필요로 하여 높은 RPM으로 구동된 후에 설정된 1,600rpm으로 동작한다. 엔진의 토크값은 그림 13과 같다.
Fig. 12. Speed graph of diesel engine
Fig. 13. Torque graph of diesel engine
그림 13에서 부하가 급격히 높아지는 4.5초 부근에 서 엔진의 부하가 높게 나타났다.
연료 소모는 샤프트제너레이터가 적용된 터그보트는
× , 일반 터그보트는 × 로 나 타났다. 시뮬레이션 결과 샤프트제너레이터를 적용한 터그보트 모델은 일반 터그보트 모델보다 연료 소모가 24% 저감된 결과를 나타내었다.
Ⅲ. 결론
터그보트는 예인을 위해 높은 출력을 필요로 하는 선박으로 항만에서 환경오염을 일으키는 대표 선박 중 하나이다. 또한 터그보트의 전체 라이프타임 동안 대 부분의 시간 동안에는 20% 이하의 낮은 출력을 필요 하고, 10% 이하의 시간 동안에만 높은 출력을 필요하 는 출력의 변동이 높은 특징이 있다. 이에, 터그보트에 샤프트제너레이터를 적용함으로써 낮은 출력에서는 모 터로 동작하고, 높은 출력은 엔진과 모터를 함께 동작 함으로써 선박의 동작효율을 최대화할 수 있다. 이러 한 동작의 효율로 기존의 터그보트 대비 높은 연료 감 소와 이산화탄소를 절감하는 효과를 가진다.
본 논문에서는 MATLAB Simulink를 이용하여, 샤프 트제너레이터를 적용한 모델과 일반 터그보트 모델을 모델링하여 연료소모율 값을 계산하였다. 시뮬레이션 및 분석 결과 샤프트제너레이터를 적용한 터그보트 모 델은 일반 터그보트 모델보다 연료 소모가 24% 저감 된 결과를 나타내었다.
REFERENCES
[1] Aya M. Elsherbiny, Adel S. Nada, Mohammed Kamal,
“Smooth transition from grid to standalone solar diesel mode hybrid generation system with a battery,”
International Journal of Power Electronics and Drive System, vol. 10, no. 4, pp. 2065–2075, Dec. 2019.
[2] W. J. Lee, H. J. Lee, H. C. Chag, “Modeling and Experiment of 50kW Diesel Generator in Grid-connected Mode,”The Korean Institute of Electrical Engineers, vol.
63, no. 10, pp. 1347–1353, Oct. 2014.
[3] T. J. Lee, J. M. Jo, C. H. Shin H. J. Cha, “50kW Diesel Generator Modeling and Stand-alone Mode Analysis,”THE KOREAN INSTITUTE OF POWER ELECTRONICS, pp. 147-148, 2015.
[4] J. T. Hwang, S. Y. Hong, H. W. Kwon, K. K. Lee, J.
H. Song, “Dual Fuel Generator Modeling and Simulation for Development of PMS HILS,”The Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 21, no. 3, pp. 613–619, Mar. 2017.
[5] M. T. Jo, C. S. Lee, S. H. Lee, “Induction Motor Speed Control of MRAS-Based Load-Torque Observer,”The Korea Institute of Convergence Signal Processing, vol. 8, no. 2, pp. 119–123, Apr. 2017.
저자 소개
김 성 동 (Sung-Dong Kim)
2008년 8월 : 한양대학교 전자컴퓨터통신공학과(공학석사) 2014년 1월~현재 :
(재)한국조선해양기자재연구원 책임연구원
2018년 3월~현재 : 부경대학교 제어계측공학과 박사과정 관심 분야 : 조선해양, 선박제어계측, HILS
김 남 호 (Nam-Ho Kim)
1992년 3월~현재 : 부경대학교 공과대학 제어계측공학과 교수 관심 분야 : 영상처리, 통신시스템,
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