[논문]선박용 펌프의 해수온도 변화에 따른 효율적인 유량제어에 관한 연구

최상범; 임명환

doi:10.7837/kosomes.2014.20.6.788

선박용 펌프의 해수온도 변화에 따른 효율적인 유량제어에 관한 연구
A Study on Efficient Capacity Control of a Marine Pump with the Variation of Sea Water Temperature 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.20 no.6 = no.65, 2014년, pp.788 - 793

초록
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본 연구에서는 선박용 해수펌프에 회전수를 제어할 수 있는 인버터를 설치하여 효율적인 유량제어를 통한 소비전력 절감효과를 확인하고 해양생성물 부착방지시스템(MGPS)이 미설치된 곳에서 해수펌프의 유량제어가 시스템에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 실험은 항해중이나 정박중 항시 운전되고 있는 목포해양대학교의 실습선의 보조해수펌프와 냉동기 해수펌프를 이용하였으며, 정박과 국제항해로 구분하여 실험하였다. 연구 결과 해수온도가 $18^{\circ}C$이하인 경우 펌프회전수는 58.3 % 감소시켜 운전이 가능하였으며 50 %의 소비전력 절감효과가 있었다. 해수온도가 $34^{\circ}C$까지 상승하여도 펌프의 회전수는 91.6 %로 운전이 가능하였으며 20 %의 소비전력 절감효과가 있었다. 또한 해양생성물 부착방지시스템이 설치되지 않은 곳에서는 펌프의 회전수를 낮추어 유속이 저하하면 해양생성물의 부착을 가증시키는 결과를 알게 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the electrical power consumption saving effect is studied through installing an inverter which is able to control the R.P.M. of marine sea water pump by effective flow control. The study looks at how sea water pump's flow control influences on the system without the Marine Growths Protection System(MGPS). Auxiliary sea water pump and refrigerator sea water pump in training ships, which are always operated not only in harbor but also in navigation, was used in the experiment and the experiment was conducted by dividing into harbor and navigation. As a result of research, in the case the sea water temperature is under $18^{\circ}C$, the operation was possible with a 58.3 % decrease in pump R.P.M. and electric power consumption was saved by 50 %. In spite of the sea water temperature increasing upto $34^{\circ}C$, pump R.P.M. at 91.6 % was sufficient to operate with a 20 % electric power consumption saving effect. In the pipelines without MGPS, lowering R.P.M. along with lowering pressure results in the attachment of various marine growths.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 선박에서 항시 운전되는 해수펌프에 회전수를 제어할 수 있는 인버터를 설치하여 효율적인 유량제어를 통한 에너지 절감 효과를 제시하고 그에 따른 문제점을 파악하여 선박용 해수펌프를 효율적으로 운영하기 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
특히 실습선처럼 정박 중 잡용으로 사용되는 해수펌프의 경우는 사용되는 용량의 편차가 커서 펌프의 용량을 작게 할 수도 없는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 정박 중 육상전원을 사용하는 실습선처럼 전력소모의 큰 비중을 차지하는 동력용 해수펌프의 효율적인 회전수제어를 통해서 소비전력절감 효과를 확인하고, 해양생성물 부착 방지장치의 설치여부에 따른 해수펌프의 유량제어가 시스템에 미치는 영향에 대해 관하여 연구하였다. 그 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.
그래서 파이프 및 펌프 계통에 해양생성물의 부착을 방지하는 것이다. 해양생성물 부착방지 시스템이 없는 곳에 설치된 펌프의 경우 펌프의 회전수를 감소시키면 관내의 유속이 낮아져 해양생성물의 부착을 촉진시킬 수 있을 가능성을 갖고 관련 자료를 검토하였다.

제안 방법

펌프의 회전수와 전력은 휴대용 디지털 Stroboscope와 전류계를 이용하여 계측하였으며, 압력은 펌프의 출구측에서 계측하였다. 또한 기관실온도가 높은 상태에서 모터의 회전수를 낮추면 모터 냉각펜의 회전수가 줄어들어 냉각효율이 떨어지기 때문에 모터의 회전수변화와 주위온도 상승에 따른 모터의 발열상태를 파악하고자, 모터케이스 중앙부에 온도계를 부착하여 온도를 측정하였다.
본 연구에서는 두 가지에 초점을 두고 실험을 실시하였다. 설계여유 값을 갖고 설계된 선박용 해수펌프의 유량제어를 통하여 소비전력 절감효과를 확인하는 실험과 해양생성물 부착 방지시스템(MGPS)의 설치여부에 따른 해수펌프의 유량제어가 시스템에 미치는 영향에 관한 실험으로 구분하였다. 실험은 항해중이나 정박중 항시 운전되고 있는 목포해양대학교 실습선의 보조해수펌프와 냉동기 해수펌프를 이용하였다.
1은 실험 장치와 냉각계통을 나타낸 그림이다. 소비전력 절감효과에 대한 실험은 Fig. 1(a)와 같이 MGPS가 설치된 보조해수라인에서 실시하였으며 해수온도가 비교적 낮은 모항에 정박한 경우와 우리나라의 연근해보다 해수온도가 상대적으로 높은 동남아 지역을 항해하는 국제항해로 나누어 실험하였다. 정박 중 실험은 3월초부터 5월초까지 두 달에 걸쳐 모항에 있을 때 실시하였다.
1(a)와 같이 MGPS가 설치된 보조해수라인에서 실시하였으며 해수온도가 비교적 낮은 모항에 정박한 경우와 우리나라의 연근해보다 해수온도가 상대적으로 높은 동남아 지역을 항해하는 국제항해로 나누어 실험하였다. 정박 중 실험은 3월초부터 5월초까지 두 달에 걸쳐 모항에 있을 때 실시하였다. 국제항해 실험은 5월8일부터 5월30일까지 한국을 출발하여 필리핀, 베트남, 대만을 거쳐 한국으로 돌아오는 구간에서 실시하였다.
펌프의 회전수와 전력은 휴대용 디지털 Stroboscope와 전류계를 이용하여 계측하였으며, 압력은 펌프의 출구측에서 계측하였다. 또한 기관실온도가 높은 상태에서 모터의 회전수를 낮추면 모터 냉각펜의 회전수가 줄어들어 냉각효율이 떨어지기 때문에 모터의 회전수변화와 주위온도 상승에 따른 모터의 발열상태를 파악하고자, 모터케이스 중앙부에 온도계를 부착하여 온도를 측정하였다.
해수온도가 10°C이하 내려가면 펌프의 회전수를 50 % 미만으로 낮추어 운전이 가능하지만 앞서 설명한 것과 같이 소비전력 절감효과가 적어 최저 펌프회전 수를 50 %로 설정하였다.

대상 데이터

정박 중 실험은 3월초부터 5월초까지 두 달에 걸쳐 모항에 있을 때 실시하였다. 국제항해 실험은 5월8일부터 5월30일까지 한국을 출발하여 필리핀, 베트남, 대만을 거쳐 한국으로 돌아오는 구간에서 실시하였다. 주파수는 60 Hz를 기준으로 5 Hz 단위로 부하에 따라 조정하였다.
실험에 사용된 보조해수펌프의 절연등급은 F등급이고, 모터의 외부에서 축에 직결된 별도의 냉각용 팬을 이용하여 모터를 냉각시키는 전폐형 전동기이다. 절연등급 F의 권선 코일 허용최고온도(Temperature Rating)는 155°C이고, 허용온도상승(Temperature Rise)은 주위온도를 40°C로 기준 할 때 100°C이다.
설계여유 값을 갖고 설계된 선박용 해수펌프의 유량제어를 통하여 소비전력 절감효과를 확인하는 실험과 해양생성물 부착 방지시스템(MGPS)의 설치여부에 따른 해수펌프의 유량제어가 시스템에 미치는 영향에 관한 실험으로 구분하였다. 실험은 항해중이나 정박중 항시 운전되고 있는 목포해양대학교 실습선의 보조해수펌프와 냉동기 해수펌프를 이용하였다. Fig.

성능/효과

1. 해수온도가 18°C이하인 경우 50 %의 소비전력 절감효과가 있었으며, 해수온도 범위가 31°C~34°C에서는 20 %의 소비전력 절감효과가 있었다.
2. 사용 중인 해수펌프의 회전수를 낮출 수 있는 한계는 해수온도, 냉각수의 압력 및 냉각효율 등을 고려할 때, 50 %가 펌프운전에 무리 없이 사용 가능함을 알 수 있었다.
3. 모터의 회전수 변화와 주위온도 상승에 따른 모터 발열은 전기절연 내열성등급(KS C IEC 60085)의 허용온도범위 내에 있어 운전에 문제가 없음을 확인하였다.
이후 베트남을 거쳐 대만으로 항해하는 구간에서 해수온도가 34°C까지 상승하였으나 이후부터 점차 감소하였다. 국제항해중 평균소비전력 절감효과는 29.3 %였으며, 평균회전수는 83.7 %로 나타났다.
평균 해수온도가 14°C이하인 달은 5개월로 나타났으며 해수온도가 가장 높은 8월에는 25°C였다. 따라서 모항 정박중 전부하 대비 최저 47 %, 최고 60 %의 범위에서 운전이 가능할 것으로 보이며, 연평균 48 %의 소비전력 절감효과가 있을 것으로 판단된다. 항시 운전되는 펌프가 있는 선박이나, 선박 특성상 정박기간이 긴 실습선이나 관공선에서 인버터를 이용하여 펌프의 용량을 효율적으로 제어한다면 에너지 절감에 큰 도움이 될 것이다.
따라서 설계기준 해수온도인 32°C를 넘는 34°C까지는 유량의 설계여유 값이 있는 것으로 보이며 인버터를 이용한 유량제어는 효율적인 소비전력 절감에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
소비전력은 주파수가 높은 영역에서 단위 주파수당 변화의 폭이 크게 나타났으나 30 Hz 이하에서는 작게 나타났다. 따라서 소비전력절감을 위해 펌프의 회전수를 50 % 미만으로 운전하는 것은 큰 효과가 없음을 알 수 있었다.
이처럼 해양생성물 방지장치가 없는 곳에서 펌프의 회전수를 낮추어 유속이 감소하면 해양생성물의 부착을 증가시키는 결과를 확인하였다. 따라서 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서는 에너지 절감만을 위해 펌프의 회전수를 제어하여 운전하는 것은 선박운항관리에 더 큰 문제를 야기할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서 다양한 유속과 압력의 변화가 해양생성물 부착과 어떤 관계가 있는지에 대한 체계적인 데이터를 얻고자 연구를 계속 진행 중에 있다.
그림과 같이 담치류를 비롯한 해양생성물이 다량으로 부착되어 파이프의 내부를 상당부분 막고 있다. 이처럼 해양생성물 방지장치가 없는 곳에서 펌프의 회전수를 낮추어 유속이 감소하면 해양생성물의 부착을 증가시키는 결과를 확인하였다. 따라서 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서는 에너지 절감만을 위해 펌프의 회전수를 제어하여 운전하는 것은 선박운항관리에 더 큰 문제를 야기할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
이후 4°C간격으로 펌프의 회전수와 소비전력이 증가함을 보였으며 해수온도가 가장 높은 34°C에서는 펌프의 회전수 및 소비전력이 각각 91.6 %와 80 %로 나타났다.

후속연구

4. 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서는 펌프의 회전수를 낮추어 운전함으로 인한 압력과 유속감소는 시스템 내에 해양생성물의 부착과 서식을 촉진시키는 결과를 얻게 되었고, 이에 대한 각별한 주위와 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
따라서 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서는 에너지 절감만을 위해 펌프의 회전수를 제어하여 운전하는 것은 선박운항관리에 더 큰 문제를 야기할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그리고 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서 다양한 유속과 압력의 변화가 해양생성물 부착과 어떤 관계가 있는지에 대한 체계적인 데이터를 얻고자 연구를 계속 진행 중에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해중생물이 선저에 부착하는 현상이 가장 심한 시기와 온도는 무엇인가?	한편 해중생물이 선저에 부착하는 계절은 생물의 활동과 번식이 가장 심한 5월에서 8월까지이고, 우리나라에서는 해수온도 23°C~25°C일 때 가장 심하다. 또한 정박중인 선저에 부착하기 쉽다.
	해운업은 연료비의 절감이 어려운 해운환경의 특성상 어떠한 방향으로 에너지 절감을 꾀하여야 하는가?	해운업계 또한 예외일 수 없으며 국제유가의 상승과 업체 간 과열경쟁으로 인하여 선박운항의 가장 큰 비중을 차지하는 연료비의 절감이 어려운 해운환경에 절대적일 수밖에 없다. 따라서 선박설비의 효율향상과 제어방법을 개선하여 에너지를 절감할 수 있는 방안을 강구할 필요가 있다.
	일반적인 상선과 여객선의 기관구역에 설치되는 장비 및 설비의 설계조건에서 기준이 되는 온도는 어떠한가?	선박용 해수펌프는 설계를 할 때 온도와 용량에 대한 설계여유 값을 감안하여 설계를 하게 된다. 기관구역에 설치되는 장비 및 설비들의 설계조건은 일반적인 상선과 여객선들이 기관실온도 45°C와 해수온도 32°C를 기준으로 설계를 하고 있다(HHI Co., LTD, 2003).

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Sung, C. G., G. B. Kim, J. Y. Seo, C. H. Lee, T. K. Ryu, G. M. Han, J. W. Choi and Y. H. Kim(2005), Optimal Conditions for the Embryonic Development of Mussel Mytilus galloprovincialis, Korean Journal of Malacology, Vol. 21, No. 1, pp. 25-31.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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