선박의 운항에 소요되는 운항비는 선박의 종류, 크기, 속력, 항행구역 등에 따라 다를 수 있지만, 연료비가 차지하는 비율은 50~60 %에 달하는 것으로 알려져 있다. 최근 국제 유가의 상승으로 인한 선박 운용비를 절감하기 위하여 중소형 선박에서도 저질연료유의 사용이 검토되고 있는 추세이다. 더 나아가 해운선사들은 연료소모량을 줄이기 위한 방법으로 감속운항을 취하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 실선을 이용하여 해상에서의 선속대비 주기관의 연료소모량을 계측하고, 부하에 따른 전진계수 대비 속력과 연료소모량의 관계를 통해 상용연속출력보다 낮은 주기관 부하의 70 % 영역이 최적의 운항조건이라고 제안하였다.
선박의 운항에 소요되는 운항비는 선박의 종류, 크기, 속력, 항행구역 등에 따라 다를 수 있지만, 연료비가 차지하는 비율은 50~60 %에 달하는 것으로 알려져 있다. 최근 국제 유가의 상승으로 인한 선박 운용비를 절감하기 위하여 중소형 선박에서도 저질연료유의 사용이 검토되고 있는 추세이다. 더 나아가 해운선사들은 연료소모량을 줄이기 위한 방법으로 감속운항을 취하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 실선을 이용하여 해상에서의 선속대비 주기관의 연료소모량을 계측하고, 부하에 따른 전진계수 대비 속력과 연료소모량의 관계를 통해 상용연속출력보다 낮은 주기관 부하의 70 % 영역이 최적의 운항조건이라고 제안하였다.
Operation Abstract : Operational cost required for navigating a ship may differ from according to type, scale, economic speed, navigation area and other factors. However, it is known that the fuel oil price ratio takes 50~60 %. It is the current trend because of the use of poor quality fuel and it i...
Operation Abstract : Operational cost required for navigating a ship may differ from according to type, scale, economic speed, navigation area and other factors. However, it is known that the fuel oil price ratio takes 50~60 %. It is the current trend because of the use of poor quality fuel and it is reviewed even for small to medium sized ships to save the operational costs due to the recent rise of international oil price. Furthermore, ocean carriers are taking action to low speed navigation as the alternative method of reducing fuel consumption. Hence, in this study, fuel consumption of main engine was measured by using actual operating ship data compared with sea speed at sea. It was suggested that the area of M/E's load(70 %) lower than NCR is the optimal navigating condition through the relation between speed and fuel consumption compared with advance ratio together with the load.
Operation Abstract : Operational cost required for navigating a ship may differ from according to type, scale, economic speed, navigation area and other factors. However, it is known that the fuel oil price ratio takes 50~60 %. It is the current trend because of the use of poor quality fuel and it is reviewed even for small to medium sized ships to save the operational costs due to the recent rise of international oil price. Furthermore, ocean carriers are taking action to low speed navigation as the alternative method of reducing fuel consumption. Hence, in this study, fuel consumption of main engine was measured by using actual operating ship data compared with sea speed at sea. It was suggested that the area of M/E's load(70 %) lower than NCR is the optimal navigating condition through the relation between speed and fuel consumption compared with advance ratio together with the load.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 대상선박을 이용하여 해상에서 주기관의 회전수와 부하에 따른 선속과 연료소모량 및 전진계수를 분석하여 선박 기관운전의 경제적 운항조건을 제시하고자 한다.
미래 엔진의 핵심 개발목표는 저급 연료유 사용, 유해 배기가스 배출의 저감, 운전과 유지보수 과정을 단순화 시키는데 있고 연료소모량 저감을 위한 전자제어 기능을 갖춘 지능형 엔진을 개발하는 것이다.
본 연구에서는 실선을 이용하여 주기관 부하에 따른 선속, 전진계수와 연료소모량을 계산하여 대상선박에서 최적의 운항조건을 제안하고자 하였다.
이에 따라 실선에 적용하여 선속 대비 연료소모량과 전진계수(J, Advance ratio)에 따른 선속, 연료소모량 및 출력을 비교·분석함으로써 대상 선박의 연료소모량을 최소화하는 등 최적의 운항조건을 제시하고자 한다.
제안 방법
특히, 기상의 변수가 항존하는 해상이라는 특수한 공간에서 장시간 같은 조건을 유지하여 실측한다는 점은 불가능한 일이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 외력 (Kim and Song, 2009)에 의한 변수를 최소화 하기위한 방편으로 30분 간격으로 다수의 케이스를 평균화하여 분석하는 방법을 선택하였다.
6 ~ 8은 주기관의 회전수에 따른 부하량 증가를 실측 하여 나타낸 것으로 앞 절에서 언급한 바와 같이 운항일정에 따라 RPM별 연료소모량을 실측하고 GPS를 이용하여 선속을 계산하였다. 신뢰성 높은 데이터를 얻고자 동일한 조건에서 각기 다른 11케이스를 통해 전체적인 동향을 파악할 수 있었다. 주기관 회전수에 따른 부하와 선속은 비례적으로 증가하지만 연료유 소모량은 기울기가 급격히 커지면서 비례하고 있다.
연료유의 계측은 2012년 새누리호 운항일정에 따라 2012년 10월 11일부터 11월 29일까지 256시간 3,250 km를 항해하는 동안 RPM별 연료소모량을 실측하고 선속 또한 동시간에 GPS로 선위를 측정하여 거리를 구하였다. 데이터 수집은 운항일정 중 입출항이나 정박시간을 제외한 7일이었으며 비교적 안정적인 11케이스만을 계산하였다.
여기서 V는 선속이며 n은 RPS(Revolution Per Second)이고 D는 프로펠러 직경이다. 연료의 소모량과 선속은 새누리호의 건조과정에서 실시된 프로펠러 성능분석표(Ship speed-power table / Calculation result), 육상 엔진 실험 자료 (Shop test) 및 해상시운전 결과보고서(Result of sea trial)를 참조하여 상관관계를 분석하였으며 Table 3과 같다.
대상 데이터
연료유의 계측은 2012년 새누리호 운항일정에 따라 2012년 10월 11일부터 11월 29일까지 256시간 3,250 km를 항해하는 동안 RPM별 연료소모량을 실측하고 선속 또한 동시간에 GPS로 선위를 측정하여 거리를 구하였다. 데이터 수집은 운항일정 중 입출항이나 정박시간을 제외한 7일이었으며 비교적 안정적인 11케이스만을 계산하였다.
RPM은 Dead Slow에서 Maneuvering Full, 상용출력(NCR)까지 핸들노치를 이용하여 4 RPM씩 미세 조정하였다. 신뢰성 높은 데이터를 얻고자 동일한 흘수조건, 소각도 변침 항행 구역과 해상상태를 고려하였으며, 측정 당시의 기상과 해상조건은 파고 0.5 m, 풍속 10 m/s 이하일 때 측정된 데이터만 이용하였다. 기관실에서는 주기관 가버너를 고정하여 연료주입량을 일정히 유지하였다.
실선 적용 대상 선박인 새누리호는 목포해양대학교 실습선으로 Table 1에 새누리호의 주요 제원을 나타내고, Fig. 1은 선박의 배치도를 보여주고 있다. 특히, 대상 선박은 실습선으로서 일반 상선이 운항일정을 맞추기 위해 필요시 주기관의 운전 조건을 과도하게 운전해야하는데 반해 실습선의 경우 선박의 운항일정에 비교적 여유가 있으므로 실선의 성능분석 및 추가적인 연구를 통해 선박별 최적의 운전조건을 제안할 수 있다.
기관실에서는 주기관 가버너를 고정하여 연료주입량을 일정히 유지하였다. 실선계측 장소 및 대상 선박은 Fig. 2에 나타내었고, 계측시 사용된 유종은 중질중유이며 유량계는 Table 4와 같다.
실선의 프로펠러 날개 매수는 4매이고 직경은 3,800 mm, 스크류 앵글은 24도, 솔리디티는 0.71278, 피치(Pitch)는 3,525.35 mm 이다. 여기서 솔리디티는 프로펠러의 회전면적에 대한 투영면적(AP, Area of Project)의 비로서 아래의 식으로 정의된다.
성능/효과
대상선박은 주기관의 부하에 따라 연료소모량과 선속은 비례적으로 증가하였으나 프로펠러 전진계수는 감소하다 부하의 70 % 부근에서 연료소모량과 선속의 교차점이 나타났다. 또한 주기관 회전수별 부하와 선속에서는 비례적으로 증가하는 추세를 보이다 150 RPM 이후부터는 부하 증가 대비 선속의 증가는 완만히 증가하고 연료의 소모량은 급속한 증가추세를 보이고 있다.
또한 주기관 회전수별 부하와 선속에서는 비례적으로 증가하는 추세를 보이다 150 RPM 이후부터는 부하 증가 대비 선속의 증가는 완만히 증가하고 연료의 소모량은 급속한 증가추세를 보이고 있다. 따라서 대상선박에서는 주기관 부하 70 %, 150 RPM 부근에서 선속 15노트로 계산되는 영역이 연료소모량과 선속을 고려한 최적의 운항조건으로 판단된다. 향후 부하별 연료소모율과 유종의 변화에 따른 대기오염물질의 배출정도 및 연료유 절감을 위한 다양한 연구가 추가적으로 필요하다.
4는 주기관의 부하와 전진계수 대비 연료소모량 및 선속의 축값을 자동 지정방식에 따라 나타낸 것이다. 전진계수 대비 연료소모량은 부하 70 %에서 가장 높은 것으로 나타났고 선속은 부하 70 % 약간 아래에서 전진계수 대비 가장 높게 나타났다.
연료소모량은 주기관 부하 75 %에 비해 70 %에서 시간당 244리터 적게 계산되었다. 전체적으로 부하 70 % 전후에서 부하와 전진계수 대비 연료소모량이 적고 선속은 빨랐으며 출력 또한 높은 영역으로 나타났으므로 대상선박의 주기관은 부하 70 % 부근에서 출력효율이 가장 좋은 지점으로 보인다.
후속연구
1은 선박의 배치도를 보여주고 있다. 특히, 대상 선박은 실습선으로서 일반 상선이 운항일정을 맞추기 위해 필요시 주기관의 운전 조건을 과도하게 운전해야하는데 반해 실습선의 경우 선박의 운항일정에 비교적 여유가 있으므로 실선의 성능분석 및 추가적인 연구를 통해 선박별 최적의 운전조건을 제안할 수 있다.
따라서 대상선박에서는 주기관 부하 70 %, 150 RPM 부근에서 선속 15노트로 계산되는 영역이 연료소모량과 선속을 고려한 최적의 운항조건으로 판단된다. 향후 부하별 연료소모율과 유종의 변화에 따른 대기오염물질의 배출정도 및 연료유 절감을 위한 다양한 연구가 추가적으로 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 운항에 소요되는 운항비에서 연료가 차지하는 비율은?
선박의 운항에 소요되는 운항비는 선박의 종류, 크기, 속력, 항행구역 등에 따라 다를 수 있지만, 연료비가 차지하는 비율은 50~60 %에 달하는 것으로 알려져 있다. 최근 국제 유가의 상승으로 인한 선박 운용비를 절감하기 위하여 중소형 선박에서도 저질연료유의 사용이 검토되고 있는 추세이다.
미래 엔진의 핵심 개발목표는 무엇인가?
미래 엔진의 핵심 개발목표는 저급 연료유 사용, 유해 배기가스 배출의 저감, 운전과 유지보수 과정을 단순화 시키는데 있고 연료소모량 저감을 위한 전자제어 기능을 갖춘 지능형 엔진을 개발하는 것이다.
컨테이너선에서 전체 연료유 소모량 중 주기관이 차지하는 비중은?
일반적으로 알려진 전체 연료유 소모량 중 주기관이 차지하는 비중은 매우 크다. 특히 컨테이너선은 90 % 이상을 차지하고 있다.
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