최근 국제 원유가의 폭등으로 선박의 연료비 부담이 상대적으로 가중되고 있으며, 또한 연료의 연소과정에서 발생하는 온실가스에 대한 국제적 규제 움직임도 가속되고 있다. 이에 따라 에너지 효율 개선을 위해서 선체의 설계변경, 마찰저항을 줄이기 위한 도료개발, 엔진의 열효율을 개선하기 위한 첨가제 개발, 연료를 절감하기 위하여 저속운전 등 다양한 방법들이 적용되고 있다. 따라서 최근 고유가 시대에 선박의 고속화와 대형화 및 에너지 절감형 선형의 개발이 필수요건이 되고 있다. 또한 선체 표면의 국부 영역에서 저항 값들의 정성 및 정량적인 변화와 보다 세밀한 분석은 불가피하다고 판단되어진다. 따라서 본 연구는 에너지 효율 개선을 위한 기초연구로서 현재 운항중인 선박의 선체에서 자생하는 해양생물로 인한 마찰저항을 확인하기 위하여 도크 전 후의 엔진성능을 분석하고 그 결과를 도크와 도크사이 2.5년의 데이터와 비교함으로서 주기관의 성능, 마찰저항과 부하변화 및 연료소비량과 선속에 미치는 연구 결과 등을 보고한다.
최근 국제 원유가의 폭등으로 선박의 연료비 부담이 상대적으로 가중되고 있으며, 또한 연료의 연소과정에서 발생하는 온실가스에 대한 국제적 규제 움직임도 가속되고 있다. 이에 따라 에너지 효율 개선을 위해서 선체의 설계변경, 마찰저항을 줄이기 위한 도료개발, 엔진의 열효율을 개선하기 위한 첨가제 개발, 연료를 절감하기 위하여 저속운전 등 다양한 방법들이 적용되고 있다. 따라서 최근 고유가 시대에 선박의 고속화와 대형화 및 에너지 절감형 선형의 개발이 필수요건이 되고 있다. 또한 선체 표면의 국부 영역에서 저항 값들의 정성 및 정량적인 변화와 보다 세밀한 분석은 불가피하다고 판단되어진다. 따라서 본 연구는 에너지 효율 개선을 위한 기초연구로서 현재 운항중인 선박의 선체에서 자생하는 해양생물로 인한 마찰저항을 확인하기 위하여 도크 전 후의 엔진성능을 분석하고 그 결과를 도크와 도크사이 2.5년의 데이터와 비교함으로서 주기관의 성능, 마찰저항과 부하변화 및 연료소비량과 선속에 미치는 연구 결과 등을 보고한다.
The cost of fuel in ships has recently increased due to a rapid increase in international oil prices and international restrictions regarding the greenhouse effect generated from the burning of fuel. Therefore, different methods for changing the hull designs for improving energy efficiency, developi...
The cost of fuel in ships has recently increased due to a rapid increase in international oil prices and international restrictions regarding the greenhouse effect generated from the burning of fuel. Therefore, different methods for changing the hull designs for improving energy efficiency, developing coating for reducing friction resistances, developing additives for improving engine thermal efficiency, and low-speed operation for reducing fuel consumption have been considered. The developments of high-speed, large-scale, and energy-saving vessels are deemed essential to adapt to the recent high oil price era. Therefore, it is important to analyze Precisely the qualitative and quantitative changes in the resistance value of the local areas of the hull surface. In this study, the engine performance before and after docking was analyzed to examine friction resistance caused by marine growth on the hull as a basic study for improving the energy efficiency. The result was then presented by comparing it with the previous data for 2.5 years between docks to investigate the performance of the main engine, the change in friction resistances and loads, the fuel consumption and ship speed.
The cost of fuel in ships has recently increased due to a rapid increase in international oil prices and international restrictions regarding the greenhouse effect generated from the burning of fuel. Therefore, different methods for changing the hull designs for improving energy efficiency, developing coating for reducing friction resistances, developing additives for improving engine thermal efficiency, and low-speed operation for reducing fuel consumption have been considered. The developments of high-speed, large-scale, and energy-saving vessels are deemed essential to adapt to the recent high oil price era. Therefore, it is important to analyze Precisely the qualitative and quantitative changes in the resistance value of the local areas of the hull surface. In this study, the engine performance before and after docking was analyzed to examine friction resistance caused by marine growth on the hull as a basic study for improving the energy efficiency. The result was then presented by comparing it with the previous data for 2.5 years between docks to investigate the performance of the main engine, the change in friction resistances and loads, the fuel consumption and ship speed.
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문제 정의
본 연구는 에너지 효율 개선을 위한 기초연구로서 현재 운항중인 선박에서 선체에 자생하는 해양생물로 인한 마찰저항이 주기관의 성능, 부하변화 및 연료소비량과 선속에 미치는 영향을 연구하기 위하여 입거 전·후의 연소분석을 수행하였으며, 그 결과를 출거(dock out)에서 다음 입거까지 2.5년의 데이터와 비교 분석하고, 그 결과를 보고하고자 한다.
이상의 에너지 효율 개선을 위한 기초연구로서 현재 운항중인 선박의 선체에서 자생하는 해양생물로 인한 마찰저항이 엔진의 연소상태와 연료소비량에 미치는 연구 성과로 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
본선은 연료유 공급탱크의 온도를 약 80℃정도 유지하고 있으며, 엔진에 공급되는 연료는 연료의 점도에 따라 차이가 있으나 점도 11cst ~ 13cst를 유지하기 위해서 연료유 가열장치는 105 ~ 115℃ 정도 유지하게 된다. 따라서 본 실험에서는 유량계 입구의 온도 즉 연료유 공급탱크의 온도를 기준으로 연료소모량을 계산하였다[5]. 또한 연료 소모량 측정과 동시에 연소분석장치로 지시마력과 연소상태를 분석하였다.
또 입거 전·후의 분석 결과를 출거(Dock out)에서 입거까지2.5년 동안의 운항시간에 따른 부하변동과 연료소모량 및 선속의 변화와 비교하였다.
따라서 본 실험에서는 유량계 입구의 온도 즉 연료유 공급탱크의 온도를 기준으로 연료소모량을 계산하였다[5]. 또한 연료 소모량 측정과 동시에 연소분석장치로 지시마력과 연소상태를 분석하였다. Table 2에서는 사용된 연료의 사양을 보여주고 있다.
또한 해상에서는 저항으로 작용하는 변수들이 상당히 있으며, Table 3에 배수량과 선체의 저항에 영향을 미치는 해상상태에 대한 변수들을 비교하였다.
또한, 본 연소분석 실험은 실험대상 선박에서 가장 많이 사용되는 속도인 160rpm (Maneuvering Full)과 175rpm의 두 모드에서 수행하였으며, 입거 전·후 항해 중 연소분석장치를 통하여 연소압력을 수집하였다.
본 실험에서는 연소압력 분석 장치를 이용하여 실린더 내 압력을 직접 측정하는 방법을 사용하였으며, 이 연소압력 분석 장치는 엔진의 연소실에서 연소의 과정을 직접 눈으로 확인하기 어렵기 때문에 연소과정의 압력 데이터를 크랭크 각도별로 수집하여 직접정보(평균유효압력, 압력상승률, 체적에 대한 압력변화, 사이클 변화, 녹킹 및 실화 등)와 간접정보(열발생률, 연소가스온도 등)를 해석하는 장치이다[4]. 본 실험에서 출력은 연소압력을 수집하여 지시마력으로 계산하였다.
기관의 출력을 얻는 방법으로는 실린더 내 압력을 직접 측정하여 얻는 방법과 추진축에서 토크를 직접 측정하는 방법이 있다[3]. 본 실험에서는 연소압력 분석 장치를 이용하여 실린더 내 압력을 직접 측정하는 방법을 사용하였으며, 이 연소압력 분석 장치는 엔진의 연소실에서 연소의 과정을 직접 눈으로 확인하기 어렵기 때문에 연소과정의 압력 데이터를 크랭크 각도별로 수집하여 직접정보(평균유효압력, 압력상승률, 체적에 대한 압력변화, 사이클 변화, 녹킹 및 실화 등)와 간접정보(열발생률, 연소가스온도 등)를 해석하는 장치이다[4]. 본 실험에서 출력은 연소압력을 수집하여 지시마력으로 계산하였다.
Figure 1은 실험장치의 개략도를 보여주고 있으며, 실험대상 선박의 엔진은 Table 1에 주요 사양을 나타낸다. 엔진의 실린더 번호는 선수 측을 기점으로 1번 실린더로 정하였으며, 윤활유 주유기(lubricator) 끝단에 각도센서를 장착하고, 1번 실린더의 동적 TDC 위치에 1회전에 1회 펄스를 발생하는 각도센서의 Z 펄스를 일치시켰다.
또한, 본 연소분석 실험은 실험대상 선박에서 가장 많이 사용되는 속도인 160rpm (Maneuvering Full)과 175rpm의 두 모드에서 수행하였으며, 입거 전·후 항해 중 연소분석장치를 통하여 연소압력을 수집하였다. 여기서 해양생물로 인한 선저오염의 영향을 비교하기 위하여 최대폭발압력, 출력, 부하변동, 연료소모량과 선속의 변화 등을 분석하였다. 또 입거 전·후의 분석 결과를 출거(Dock out)에서 입거까지2.
연료소모량은 본 실험 선박에서 사용되는 유량계(flowmeter)를 이용하였으며, 30분 동안에 사용된 연료의 양을 계측하였다. Figure 2는 벙커를 사용하는 선박의 연료유공급 계통도를 보여주고 있다.
이론/모형
따라서 엔코더의 A펄스(3600 PPR sampling interval:.0.2°CA)를 트리거로 압력 데이터를 수집하는 ‘각도기준 계측방법’을 이용하였다[2].
성능/효과
1. 선체에 마찰손실을 유발하는 해양생물의 영향을 확인하기 위하여 해양생물이 가장 많이 부착하는 입거 전의 경우와 선체저항이 가장 적은 출거 후의 비교에서 최고폭발압력은 160rpm에서 2MPa, 175rpm에서 1.5MPa 차이가 발생하였고, 기관출력은 160rpm에서 17.4%,175rpm에서 18% 차이가 발생하였다. 또 연료소모량은 시간당 160rpm에서 16.
2. 입거 전후의 측정 결과와 출거와 입거 사이의 2.5년 동안의 운전시간에 따른 분석 결과가 잘 일치하고 있음을 확인하였으며, 동일한 엔진 회전수에서 운전시간의 경과에 따라 부하 증·감을 나타내는 T/C 회전수, 소기압력 및 연료소모량이 선형적으로 증가하고 있으며, 선속은 반대로 감소함을 알 수 있었다.
4%,175rpm에서 18% 차이가 발생하였다. 또 연료소모량은 시간당 160rpm에서 16.6%, 175rpm에서 12.1%의 차이가 발생함을 알았다.
5년 동안 운전시간의 변화에 따른 결과는 비교적 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 본선은 선체에 해양생물 자생을 방지하는 MGPS(Marine Growth Protection System)장치가 장착되어 있는 선박 임에도 불구하고 선체에 자생하는 해양생물로 인한 선저오염이 주기관의 부하와 연료소모량에 미치는 영향이 상당함을 알 수 있었다.
그러나 선속은 반대로 감소하고 있음을 알 수 있다. 여기서 입거 전후의 계측결과와 출거에서 입거까지 2.5년 동안 운전시간의 변화에 따른 결과는 비교적 잘 일치하고 있다는 것을 알 수 있었다. 또한 본선은 선체에 해양생물 자생을 방지하는 MGPS(Marine Growth Protection System)장치가 장착되어 있는 선박 임에도 불구하고 선체에 자생하는 해양생물로 인한 선저오염이 주기관의 부하와 연료소모량에 미치는 영향이 상당함을 알 수 있었다.
1% 감소하였다. 이 결과로부터 선체에 붙어 있는 해양생물의 마찰저항이 상당함을 확인 하였다. 또한 160rpm보다 175rpm에서 연료소모량의 감소율이 적은 것은 Equation (2)와 같이 선속은 부하의 3승에 비례하기 때문으로 생각된다[8].
같은 속력을 내는 엔진의 연료 소모량을 단위 시간으로 나타내었다. 입거 전의 선체에 해양생물이 많이 붙어 있는 상태와 비교하여 출거 후는 160rpm에서 연료소모량이 시간당 약 16.6% 감소하였으며, 175rpm에서는 약 12.1% 감소하였다. 이 결과로부터 선체에 붙어 있는 해양생물의 마찰저항이 상당함을 확인 하였다.
후속연구
그래서 선체에 자생하는 해양생물의 마찰저항은 입가를 기점으로 전후가 가장 큰 차이가 나는 것으로 생각된다. 따라서 이러한 특징을 잘 활용하면 연료절감 뿐만 아니라 도료개발의 기초자료로 활용하는데 도움이 될 것으로 생각된다. 또한 해상에서는 고려해야할 변수가 상당히 존재하고 있기 때문에 비교대상의 상태와 변수에 대하여 최대한 정확한 분석과 데이터 비교가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
입거 시 가장 중요한 작업은 무엇인가?
5년에 한번 씩 입거하게 되는 것이다. 입거 시 가장 중요한 작업 중 하나는 선체의 이물질을 제거하고 새로 도료(painting)를 입히는 작업과 프로펠러(propeller) 연마(grinding)를 하게 된다.
선박의 정기검사 주기는?
선박은 5년을 주기로 정기검사와 그 중간에 중간검사를 위하여 입거(dry docking)를 하게 된다. 즉 2.
선체에 자생하는 해양생물의 마찰저항이 입거를 기점으로 전후가 가장 큰 차이가 나는 이유는?
5년에 한번 씩 입거하게 되는 것이다. 입거 시 가장 중요한 작업 중 하나는 선체의 이물질을 제거하고 새로 도료(painting)를 입히는 작업과 프로펠러(propeller) 연마(grinding)를 하게 된다.
참고문헌 (8)
G. R. Park and K. H. Cho, "A study on the comparision of effects and application of marine fuel reduction methods," Journal of the Korea Society of Marine Engineering. vol. 38 no. 9, pp. 1057-1063, 2014 (in Korean).
K. S. Jung, J. Y. Choi, E. S. Jeong, and J. S. Choi, "Correction of TDC position for engine output measuring in marine diesel engine," Journal of the Korea Society of Marine Engineering. vol. 36 no. 4, pp. 459-466, 2012 (in Korean).
K. lida, K. Akishino, and K. Kido, "IMEP estimation from instantaneous crankshaft torque variation," SAE Paper no. 900617, 1990.
K. S. Jung, "Improvement of combustion efficiency for marine auxiliary diesel engine," Journal of the Korea Society of Marine Engineering. vol. 38 no. 3, pp. 233-239, 2014 (in Korean).
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