(Received January 19, 2016 ; Revised February 29, 2016 ; Accepted March 2, 2016)
1. 서 론
LNG선의 발라스트 탱크는 선박의 무게중심을 조절하여 안정성을 높이는 역할을 한다. 173k급 LNG선의 발라스트 탱크에는 최대 7만톤의 해수가 유입되며, 해수를 유입할 때 해수에 포함된 해저면의 머드 입자가 부유하여 해수와 함께 탱크 안으로 유입된다. 시간에 경과에 따라서 머드 입자는 Fig. 1과 같이 발라스트 탱크 바닥에 침전된다. 침전된 머드가 누적될 경우 머드에 포함된 미생물에 의해 발라스트 탱크가 오염되고 선체 부식이 발생할 수 있으며, 선박 자중을 증가시켜 재화중량(Dead weight)이 감소하게 된다. 또한, 선박의 자중 증가는 운항속도와 연비에도 영향을 준다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 LNG선 운항시 발라스트 탱크 내에 침전된 머드를 주기적으로 제거해야 하는 작업이 필요하다. 통상적으로 침전된 머드를 제거하기 위해서 사람이 직접 발라스트 탱크내로 들어가 침전된 머드를 제거하게 되며 대형 선박의 경우 회당 약 100톤 정도의 머드를 톤당 100만원 정도의 처리비용이 발생한다.(1)
Key Words: LNG Carrier(LNG 선), Mud(머드), Ballast Tank(발라스트 탱크)
초록: LNG선의 발라스트 탱크에 해수를 유입할 때 해수에 부유하고 있는 해저면의 머드 입자가 탱크 안으로 유입되고 탱크내에 침전되는 문제가 발생한다. 탱크에서 해수를 배출 할 때에 침전된 머드를 함께 제거할 수 있도록 발라스트 탱크 내에 머드 플러싱 시스템을 적용하였다. 본 연구에서는 플러싱 시스템의 머드 제거 효과를 평가하기 위해 입자 크기 분석기를 통해 머드의 입자 크기를 측정 하였으며, 입자 크기와 전단 응력의 관계를 바탕으로 수치해석을 통해 머드의 부유 성능을 평가하였다. 탱크내 머드 플러싱 배관 시스템을 최적화하여 탱크내 머드 부유 성능을 극대화하였다.
Abstract: During ballast of a LNG carrier, the mud at the sea floor can enter the tanks together with the ballast water if the LNG terminal is located at shallow water region. In order to remove the mud deposited on the tank floor during deballasting, the mud flushing system in the ballast tanks is applied. In this study, various analyses to conform the efficiency in the mud removal are performed. In order to design the mud flushing system, the particle size of the mud is measured by particle size analyzer. Flushing performance is evaluated by numerical analysis. From the results of numerical analysis including flow field and piping system network, the optimized flushing system is determined.
§ 이 논문은 대한기계학회 창립 70 주년 기념 학술대회(2015. 11. 10-14., ICC 제주) 발표내용을 토대로 한 논문임.
† Corresponding Author, [email protected]
Ⓒ 2016 The Korean Society of Mechanical Engineers
Fig. 1 Sedimentation of mud in the ballast tanks
Fig. 2 Concept and mud flushing procedure from ballast tanks of a LNG carrier
본 연구에서는 발라스트 탱크 내에 침전되는 머드를 해수와 함께 배출하여 머드의 침전으로 인한 피해를 최소화 할 수 있는 머드 플러싱 시스템을 도입하기 위해 공정 설계 및 시스템 설계 최적화를 수행하였다.
발라스트 탱크 바닥에 침전되는 머드의 부유 성능을 평가하기 위해 연안지역에서 조류나 파랑에 의한 침식 및 퇴적물의 이동현상에서 적용하는 퇴적물 운반(Sediment transport) 이론을 적용하였다.(2) 입자 분석 및 1차원 배관망 설계 및 평가, 3차원 유동현상에 대한 수치해석적 연구를 통해 머드 플러싱 시스템의 설계를 최적화하고 성능을 평가하였다.
2. 머드 플러싱 시스템 성능 평가
2.1 머드 플러싱 시스템
LNG선의 발라스트 탱크내 해수에 포함된 머드 입자는 해수에 비해 밀도가 높아 시간이 지남에 따라 탱크 바닥으로 침전된다. 발라스트 탱크가 비어있을 때 탱크 내부는 건조해지고 침전된 머드 입자는 쉽게 경화되어 제거하기가 어렵게 된다.
하지만, 해수에 포함된 머드 입자는 쉽게 연화되며 해수의 유동을 통한 외력에 의해 쉽게 부유시킬 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 LNG선의 발라스트 탱크 바닥에 침전된 머드를 부유시키기 위해 적용한 기술이 머드 플러싱 시스템이다.
머드 플러싱 시스템은 Fig. 2와 같이 발라스트 탱크 내에 해수와 함께 유입된 머드를 플러싱 배관 라인을 통해 고속의 해수를 탱크 바닥에 분사시킨다. 분사된 해수를 통해 발라스트 탱크내 유동이 발생하며 발라스트 탱크내 해수에 포함된 머드를 부유시키게 된다. 이후 탱크내 해수와 함께 부유된 머드를 외부로 해수 배출시(Deballast) 함께 배출시켜 머드의 침전을 미연에 방지할 수 있다.
Fig. 5 Shield diagram
2.2 발라스트 탱크 해수의 머드 입자 분석
머드 입자는 각각의 크기에 따라 이동하기 위해 필요한 힘이 다르기 때문에 머드 입자 크기는 플러싱 시스템의 주요 기준으로 작용한다. 따라서 본 연구에서는 발라스트 탱크 내 해수에 포함된 머드의 부유 성능을 평가하기 위하여 먼저 해수에 포함된 머드의 입자 크기를 분석하였다. 실제 운항중인 LNG선 발라스트 탱크의 해수를 취수하여 Fig. 3과 같이 LIXELL 모델의 입자 크기 분석기(Particle size analyzer)를 통해 해수 내에 포함된 머드 입자의 크기를 분석하였다. 머드입자 크기 분석 결과의 정확성을 위해 100% 해수, 50% 해수(50%증류수), 머드(100%증류수) 총 3가지 샘플에 대해서 입자를 분석하였다. 3가지 케이스의 유체 내에 포함된 머드의 입자 크기에 대한 분석 결과는 큰 차이가 없었으며, 본 연구에서는 100% 해수에 포함된 머드 입자 크기를 기준으로 연구를 수행하였다.
Fig. 4는 100% 해수에 포함된 머드 입자 크기 분석 결과를 나타낸 것이다. 발라스트 해수에 포함된 머드 입자들 중 전체의 99%가 16.1μm 이하의 크기를 가지고 있는 것으로 측정되었다. 따라서 본 연구에서는 16.1μm 크기의 머드 입자를 기준으로 부유 성능을 평가하였으며, 16.1μm 크기의 머드 입자를 부유시키면 본 연구에서 발라스트 탱크내 해수에 포함된 머드의 99%의 입자들이 부유할 수 있다고 정하였다.
2.3 머드 플러싱 성능 평가
발라스트 탱크 내부에 설치된 플러싱 배관의 부유 성능을 평가하기 위하여 펌프로부터 분사 노즐까지 이어지는 1차원 배관망의 성능을 평가 하였으며, 발라스트 탱크에서 유동에 의한 머드의 부유 성능은 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics) 유동 해석을 이용하여 머드 플러싱 시스템을 최적 설계하였다.
Fig. 4 Particle size variation of mud measured by particle size analyzer
2.3.1 퇴적물 운반 모델(Sediment transport model)
발라스트 탱크내 해수에 침전된 머드 입자의 부유 정도를 평가하기 위하여 Rouse가 제안한 Shield parameter 실험식을 적용하였다.(3) Shield parameter는 입자에 작용하는 전단 속도에 대하여 입자의 이동 유무를 판단하는 무차원수로서, 본 연구에서 머드 입자의 부유 성능을 평가하기 위해 사용하였다. Fig.
5는 입자 종류와 레이놀즈수에 따라서 입자가 이동할 수 있는 Shield parameter값을 다이어그램으로 표시한 것이다. 침전 머드 입자가 레이놀즈수에 따라서 이동 할 수 있는 최소한의 Shield 값을 나타낸 것으로 일정한 레이놀즈수에서 Shield parameter값이 경계값보다 높을 경우 입자가 이동 또는 부유할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서, Fig. 5의 Shield curve를 적용하여 본 연구에서 측정한 머드를 부유할 수 있는 Shield parameter값을 도출하였다.
τ*는 Shield parameter이며 ρ는 유체의 밀도(kg/m3), γs는 입자의 비중량(N/m3), γ는 유체의 비중량(N/m3), d는 입자의 크기(m), τc는 임계전단응력(N/m2) 그리고 uc는 임계전단속도(m/s)를 나타낸다.
식(3)과 같이 Shield parameter는 전단속도의 변수로서 정의될 수 있으며 입자의 크기에 따라 입자가 이동하기 위한 임계전단속도(Critical shear velocity: uc)를 계산할 수 있다. 본 연구에서 고려한 발라스트 수는 16.1μm 크기이며, 이러한 머드 입자에서의 임계전단속도는 식 (3)으로부터 0.0076m/s가 된다. 이를 기준으로 머드의 부유성능을 평가하였다.
2.3.2 머드 플러싱 시스템 배관망 해석
LNG선에 적용되는 머드 플러싱 시스템은 각각의 발라스트 탱크의 프레임마다 플러싱 배관 라인이 설치된다. 펌프에서 공급하는 해수가 머드 플러싱 배관의 각 라인에서 충분한 유량이 공급될 수 있도록 머드 플러싱 시스템 배관망에 대한 유량 평가를 먼저 수행하였다. 1차원 배관시스템 해석 상용 코드인 FLOWMASTER를 사용하여 머드 플러싱 배관망 해석을 수행하였다. Fig. 6과 같이 LNG선에 적용된 머드 플러싱 시스템 배관망을 모델링 하였으며 공급되는 펌프 유량에 의해 머드 플러싱 배관 라인에서 분사되는 해수의 유량을 계산하였다.
플러싱 노즐에서 분사되는 적정 유량과 분사 노즐의 사이즈를 계산하기 위하여 한 프레임의 발라스트 탱크에서 분사노즐 설치개수에 따른 성능 특성을 해석 하였다. 펌프에 의해 유입되는 플러싱 배관라인의 유량이 균일하게 분사되도록 각 발라스트 배관라인을 설계하였으며 각각의 분사 노즐에서의 유량을 평가하였다. 선박의 발라스트 탱크는 크기에 따라서 수십 개의 프레임으로 나누어져 있으며
발라스트 탱크와 플러싱 배관라인을 3차원으로 모델링하였다. 머드의 부유성능을 평가하기 위해 비압축성 유체의 연속방정식 및 운동방정식을 이용하여 유한체적법으로 이산화하였다. 속도와 압력 연계를 위해 SIMPLE 알고리즘이 사용되었으며 Fig. 7과 같이 약 400만개의 정렬 격자 도메인을 이용하였으며 해석툴로는 3차원 CFD 상용코드인 FLUENT가 사용되었다.
Fig. 6 Piping network analysis via FLOWMASTER
Fig. 7 Schematic diagram and grid of CFD model
Fig. 8 Cases for CFD simulation
Fig. 9 Floating performance in ballast tank
발라스트 탱크내 플러싱 배관 구조와 플러싱 포인트 위치에 따라 Fig. 8과 같이 3가지 케이스로 나누어 부유 성능을 평가하였다. Case 1은 플러싱 포인트가 정렬로 배치되었으며, Case 2는 Case 1보다 적은 수의 플러싱 포인트가 정렬로 배치되고 Case 3은 포인트를 엇갈리게 배치하였다. 플러싱 포인트는 일정한 높이(h), 일정한 사이즈(d) 및 일정한 각도(θ)에 의해 분사 노즐이 설치되며 각각에 대하여 3차원 유동 해석을 수행하였다.
발라스트 탱크의 머드 부유성능을 평가하기 위해 Fig. 9와 같이 발라스트 탱크의 바닥에서의 전단 속도를 계산하였으며 부유성능 지표(Floating performance)를 통해 성능을 평가하였다. 부유성능 지표는 식 (4)와 같이 한 프레임의 발라스트 바닥의 면적에서 머드 크기가 16.1μm일 때의 임계전단속도를 초과하는 범위의 면적 비율로 정의하였다. 부유성능 지표를 통해서 탱크 바닥의 전체 면적 중에서 머드가 부유할 수 있는 면적을 계산하여 노즐의 배치에 따른 머드의 부유성능을 비교 평가할 수 있다.
Fig. 10의 (a)에서 볼 수 있듯이, 발라스트 탱크에서의 분사 노즐에 의해 배출되는 해수를 통해 발라스트 탱크내 해수의 유동이 순환되는 것을 알 수 있다. Case 1의 경우, 발라스트 탱크의 중심에 위치한 분사 노즐에 의해 다른 케이스에 비하여 발라스트 탱크의 중심으로 유적선이 발생하는 것을 볼 수 있다. 또한, Case 2와 Case 3의 경우 정렬로 배열 된 Case 2가 엇갈리게 배열된 Case 3보다 유적선이 전체 탱크내에 고르게 분포되며 발라스트 탱크의 해수를 고르게 순환시키는 것을 알 수 있다.
(b) Shear velocity
Fig. 10 Path line and shear velocity of flushing area in ballast tank
발라스트 탱크 바닥에서 머드의 부유 정도를 평가하기 위해 Fig. 10의 (b)와 같이 탱크 바닥에서의 전단 속도를 나타내었다. Case 1은 정렬로 배열된 6개의 포인트에서 분사되어 Case 2와 Case 3보다 분사되는 유량이 적기 때문에 탱크 바닥에서 비교적 낮은 전단 속도 분포를 가진다. 또한, 6개의 포인트에서 탱크 바닥에 수직으로 분사되는 유동에 의해 탱크 바닥으로 분사되는 각 포인트 사이에서 유동이 서로 부딪히며 속도가 낮아지는 영역이 발생한다. 해수가 탱크 바닥의 양쪽 가장자리까지 영향을 미치지 못해 탱크 끝부분에서 임계전단속도보다 낮은 영역이 비교적 크게 발생 하는 것을 알 수 있다.
Fig. 10의 (b)와 같이 Case 2와 Case 3은 적은 수의 포인트에서 분사되어 Case 1의 분사유량보다 높은 유량으로 분사되기 때문에 Case 1에 비해 탱크바닥에서 전단속도가 비교적 높은 것을 알 수 있다. 또한, Case 1보다 높은 유량에 의해 탱크 바닥의 끝부분에서의 전단속도가 본 연구에서 기준으로 정한 임계전단속도 0.0076m/s보다 높은 값을 가지는 영역이 비교적 많은 것을 알 수 있다. 엇갈린 배치의 분사 포인트를 가지는 Case 3의 경우 Fig. 10의 (b)에서 볼 수 있듯이, 탱크 바닥의 한쪽으로 분사 포인트가 집중되어 분사 포인트와 거리가 먼 가장자리 부분에서 전단속도가 임계전단속도 보다 낮은 영역이 발생하는 것을 알 수 있다.
부유성능 비교를 위해 부유성능 지표(Floating performance)를 계산하였다. Table 1에서 볼 수 있듯이 3가지 케이스 모두 부유성능이 90% 이상 되는 것을 알 수 있었으며, 많은 분사 포인트를 가지는 Case 1은 적은 분사 포인트를 가지는 Case 2과 Case 3에 비해 분사 유량이 낮아 비교적 낮은 부유성능을 나타내었다. 또한, Case 3의 경우 엇갈린 분사 포인트로 인해 Case 2보다 낮은 부유성능을 가지는 것을 알 수 있었다.
Case 2 0.52 0.0076 94.4
Case 3 0.52 0.0076 91.8
3. 결 론
본 연구에서는 입자 크기 분석기를 통해 발라스트 탱크에 유입되는 머드 입자 크기를 측정하였으며, 입자 크기를 바탕으로 수치해석을 통해 탱크 바닥의 부유 성능을 극대화 시킬 수 있는 배관시스템을 최적 설계하였다.
퇴적물 운반 이론을 적용하여 본 연구의 기준 머드 입자크기인 16.1μm에서 입자가 부유 할 수 있는 임계전단속도(0.0076m/s)를 도출하였으며 부유성능 지수를 통해 유량 및 플러싱 포인트 배치에 따른 부여 성능을 비교 평가 하였다.
발라스트 탱크 프레임당 플러싱 포인트 개수에 따른 부유성능을 비교하였을 때, 많은 수의 플러싱 포인트에서 분사되는 유량이 적은 수의 플러싱 포인트에 비해 낮지만 90% 이상의 부유성능을 나타내었다. 정렬로 배열된 케이스에서 엇갈린 배열 케이스보다 탱크 바닥에서 임계전단속도보다 낮은 영역이 적게 발생하는 것을 알 수 있으며 약 3%의 부유성능 지수가 차이나는 것을 알 수 있다.
이를 바탕으로 노즐에서 분사되는 해수에 의한 머드 플러싱 시스템의 분사 유량 및 정렬 배치를 가지는 머드 플러싱 시스템을 최적화 화였다.
참고문헌
(References)
(1) 송무석, 2009, “대형선박의 밸러스트 탱크를 활용한 담수 수출방안”, 환경부
(2) Engelund, F. and Hansen, A., 1967, “A Monograph on Sediment Transport in Alluvial Streams,” Tekniskforlag Skelbrekgade 4 Copenhagen V, Denmark, pp.15~21.
(3) Sheilds., A., 1936, “Application of Similarity Principles and Turbulence Research to Bed-Load Movement,”
California Institute of Technology, No. 167.
