선박 에너지 절감을 위한 기관실 팬 제어 시스템 구축 및 알고리즘에 관한 연구 A Study on the Development of the Engine Room Fan Control System and ERFCS Algorithm for Ships Energy Saving원문보기
강영민
(Department of Marine Engineering, Graduate school, Korea Marine Engineering University)
,
오진석
(Division of Marine Engineering, Korea Maritime University)
최근 선박에서 에너지 절감에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 그러한 연구의 일환으로 선박의 고정적인 부하를 제외한 변동 부하를 파악하고 제어함으로써 선박의 에너지를 절감할 수 있다. 기관실 팬 시스템은 대표적인 변동부하 중 하나이다. 기존 선박에서는 기관실 팬을 특별한 지침 없이 실 경험에 의해 정격운전으로 운용하고 있다. 이에 본 논문에서는 기관실 팬의 특성을 파악하고, 에너지 관리 시스템 중 하나로 ERFCS(Engine Room Fan Control System) 및 ERFCS 알고리즘을 제안하였다. ERFCS는 온도 및 압력에 따라 팬의 속도를 제어하며 부하 변화에 따라 팬의 운전 대수를 1대에서 4대 사이로 조절한다. 또한 기관실 팬의 최소 회전속도를 50%로 제한하여 낮은 RPM(Revolution Per Minute)에서 기계적 마찰, 발열 등의 이유로 팬이 손상을 입거나 낮은 압력으로 팬에 서징(surging) 현상이 발생하지 않도록 한다. 제안된 알고리즘과 ISO 8861을 바탕으로 LabVIEW를 사용한 팬 제어 시스템시뮬레이션을 개발하였다. 결론적으로, 구현된 시뮬레이션을 통해 제안된 팬 제어 시스템이 기존 사용 방식에 비해 46.4%만의 동력만으로도 운전이 가능함을 확인하였다.
최근 선박에서 에너지 절감에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 그러한 연구의 일환으로 선박의 고정적인 부하를 제외한 변동 부하를 파악하고 제어함으로써 선박의 에너지를 절감할 수 있다. 기관실 팬 시스템은 대표적인 변동부하 중 하나이다. 기존 선박에서는 기관실 팬을 특별한 지침 없이 실 경험에 의해 정격운전으로 운용하고 있다. 이에 본 논문에서는 기관실 팬의 특성을 파악하고, 에너지 관리 시스템 중 하나로 ERFCS(Engine Room Fan Control System) 및 ERFCS 알고리즘을 제안하였다. ERFCS는 온도 및 압력에 따라 팬의 속도를 제어하며 부하 변화에 따라 팬의 운전 대수를 1대에서 4대 사이로 조절한다. 또한 기관실 팬의 최소 회전속도를 50%로 제한하여 낮은 RPM(Revolution Per Minute)에서 기계적 마찰, 발열 등의 이유로 팬이 손상을 입거나 낮은 압력으로 팬에 서징(surging) 현상이 발생하지 않도록 한다. 제안된 알고리즘과 ISO 8861을 바탕으로 LabVIEW를 사용한 팬 제어 시스템 시뮬레이션을 개발하였다. 결론적으로, 구현된 시뮬레이션을 통해 제안된 팬 제어 시스템이 기존 사용 방식에 비해 46.4%만의 동력만으로도 운전이 가능함을 확인하였다.
Recently, there have been many studies pertaining to reducing energy consumption on ships. As part of those studies, the energy consumption of ships can be reduced by understanding and controlling the varying loads, excluding fixed loads. In existing ships, engine room fans are usually operated base...
Recently, there have been many studies pertaining to reducing energy consumption on ships. As part of those studies, the energy consumption of ships can be reduced by understanding and controlling the varying loads, excluding fixed loads. In existing ships, engine room fans are usually operated based on the actual experience of the crew without any special guidelines. To realize energy reduction, we investigate the characteristics of engine-room fans, and we propose an energy-management system called the engine room fan control system (ERFCS) and the ERFCS algorithm. The ERFCS controls the fan speed depending on the temperature and pressure, where one to four fans are operated depending on changes in the load. In addition, the minimum rotation speed of the engine-room fan was limited to 50% to prevent the surging phenomenon, which is due to fan damage or low pressure resulting from mechanical friction or heating at low fan speeds. We develop a fan control system simulation model using LabVIEW that is based on the proposed algorithm and ISO 8861. Finally, we perform simulations to confirm that operation of the proposed fan control system is possible using only 46.4% of the power required by the existing method.
Recently, there have been many studies pertaining to reducing energy consumption on ships. As part of those studies, the energy consumption of ships can be reduced by understanding and controlling the varying loads, excluding fixed loads. In existing ships, engine room fans are usually operated based on the actual experience of the crew without any special guidelines. To realize energy reduction, we investigate the characteristics of engine-room fans, and we propose an energy-management system called the engine room fan control system (ERFCS) and the ERFCS algorithm. The ERFCS controls the fan speed depending on the temperature and pressure, where one to four fans are operated depending on changes in the load. In addition, the minimum rotation speed of the engine-room fan was limited to 50% to prevent the surging phenomenon, which is due to fan damage or low pressure resulting from mechanical friction or heating at low fan speeds. We develop a fan control system simulation model using LabVIEW that is based on the proposed algorithm and ISO 8861. Finally, we perform simulations to confirm that operation of the proposed fan control system is possible using only 46.4% of the power required by the existing method.
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문제 정의
기존의 기관실 팬 시스템의 경우 항상 필요한 공기량 보다 더 많은 공기량을 공급하며, 기관실의 팬 속도 제어가 불가능하였으므로 필요한 에너지 보다 더 많은 에너지를 소모하였다. 따라서 본 논문에서는 팬의 속도를 제어함으로서 배의 에너지를 절약하는 기관실 팬 제어 시스템을 개발하고자 한다.
본 논문에서는 기관실 팬의 특성 분석 및 기존의 기관실팬 제어 방식과 ERFCS 알고리즘에 따른 제어 방식을 비교 하였다. 또한 실험 결과를 통해 기존의 on/off 제어 방식에 비해 인버터를 사용한 ERFCS 알고리즘을 통한 제어방식이 효율적임을 확인하였다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서는 대형 선박에 적용할 수 있는 에너지 절약 방법에 대한 연구가 우선적으로 진행되어야한다. 본 논문은 제어 알고리즘을 적용 하여 기관실 팬을 체계적으로 관리함으로써 전력 소모량을 감소시키고자 한다. 기존의 팬 시스템은 팬을 일정한 속도로 운전하지만, 본 논문에서 제안한 팬 제어 시스템은 상황에 따라 기관실 온도 및 공기의 질을 유지하기 위해 팬 속도를 제어한다.
가설 설정
1%가 감소하게 된다. 외부 기체밀도는 같다고 가정한다. Table 1은 팬의 회전속도가 변화할 때 송풍기 법칙에 따른 체적유량, 압력, 축동력의 변화를 나타낸다.
ERFCS 알고리즘은 온도 및 압력 조건에 따라 팬을 제어 한다. 이 때 상대습도는 항상 60% 이상이라고 가정한다.
팬 모델은 신호가 주어졌을 경우 인버터를 통하여 팬이 정속도로 동작하기까지 시간지연을 가정하여 구성하였다. Figure 9에서는 기관실 팬 회전속도 신호를 0%에서 60%, 60%에서 20%로 바꾸었을 때 팬 회전속도가 변하는 정도를 그래프로 나타내었다.
제안 방법
기관실 팬 제어 시스템 시뮬레이션을 통해 ERFCS 알고 리즘 구현 및 성능에 대한 검증을 진행한다. 이를 위해 LabVIEW를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
기관실의 압력과 온도를 시뮬레이션하기 위해 주기관 1 대와 발전기 4대, 보일러 1대를 사용한 컨테이너선을 기준 으로 시뮬레이션을 진행하였다.
본 논문은 제어 알고리즘을 적용 하여 기관실 팬을 체계적으로 관리함으로써 전력 소모량을 감소시키고자 한다. 기존의 팬 시스템은 팬을 일정한 속도로 운전하지만, 본 논문에서 제안한 팬 제어 시스템은 상황에 따라 기관실 온도 및 공기의 질을 유지하기 위해 팬 속도를 제어한다. 최종적으로 개발된 시스템이 선박용 EMS(Energy Management System)를 구성할 수 있도록 시스템을 구축하도록 한다.
사용자화면에서는 주기관, 발전기, 보일러의 부하 및 외부 대기압을 실시간으로 설정할 수 있으며 시뮬레이션 관련 값들을 확인할 수 있다. 시뮬레이션은 데이터 설정 화면 에서 데이터 값을 입력하여 원하는 환경을 구성한 후 시뮬 레이션을 실행한다. 시뮬레이션 결과 값의 경우 인디케이터 및 그래프를 통해 값을 확인할 수 있다.
시뮬레이션의 알고리즘 분석을 위해 선박의 부하 중 가장 큰 부하인 주기관의 부하를 조절하여 기관실 기압과 외부대기압의 차압 변화 및 팬의 속도 변화 그래프와 전력소 비량 그래프를 표시하였다.
만약 팬이 공급하는 유량보다 기관실에서 소모되는 공기량이 많을 시, 추가적으로 팬을 운전한다. 제안하는 ERFCS와기존 선박의 팬 시스템의 소모 전력량을 비교하기 위해 선박 부하 중 주기관 부하를 50%, 발전기부하를 50%, 보일러 부하를 50%로 설정하였다. 이와 같은 부하 조건에서 기관실 양압 유지를 위해 필요한 팬 유량은 5236.
데이터처리
기관실 팬 제어 시스템 시뮬레이션을 통해 ERFCS 알고 리즘 구현 및 성능에 대한 검증을 진행한다. 이를 위해 LabVIEW를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이 션에 사용된 기관실 팬 사양은 Table 2와 같다.
이론/모형
시뮬레이션의 경우 National Instruments사의 LabVIEW를통해 수행하였으며 사용자 화면은 Figure 10과 같다.
두 개의 팬이 기하학적으로 상사라면, 팬의 크기와 회전수와 상관없이 동일한 비속 도를 갖는다. 즉, 비속도가 같다면 기하학적으로 상사이기 때문에 상사법칙을 사용하여 팬을 비교 분석 할 수 있다. 송풍기의 회전수가 N [rad/sec], 기체의 유량이 Q [m3/sec], 비중량이 γ [kg/m3], 전압이 pt[Pa] 일 때, 송풍기의 비속도 Ns는 식 (1)과 같다.
성능/효과
1,2번 팬은 회전속도가 같기 때문에 하나의 선으로 나타난다. 1,2번 팬의 회전속도가 99% 이상이 되었을 경우, 3번 팬이 작동하며 3대의 회전속 도가 66%에서 다시 상승하는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 기관실 팬의 특성 분석 및 기존의 기관실팬 제어 방식과 ERFCS 알고리즘에 따른 제어 방식을 비교 하였다. 또한 실험 결과를 통해 기존의 on/off 제어 방식에 비해 인버터를 사용한 ERFCS 알고리즘을 통한 제어방식이 효율적임을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 팬 제어 시스 템은 선박뿐만 아니라 기타 팬 제어 시스템을 필요로 하는 산업에 적용할 수 있다.
3%의회전속도로 운전되고 있으며 5586m3/min의 유량이 기관실에 공급되고 있다. 이를 송풍기법칙에 관한 수식 (2)에 대입하면 기존 팬 시스템의 동력(L)은 120kW이며 제안하는팬 제어 시스템 동력은 52.93kW에 연구 [9]에 따른 인버터 손실인 2.785kW를 더해 55.715kW로 기존의 선박 대비 46.4%만의 동력만으로 운전된다.
후속연구
또한 실험 결과를 통해 기존의 on/off 제어 방식에 비해 인버터를 사용한 ERFCS 알고리즘을 통한 제어방식이 효율적임을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 팬 제어 시스 템은 선박뿐만 아니라 기타 팬 제어 시스템을 필요로 하는 산업에 적용할 수 있다. 추후 연구를 더욱 진행하여 HILS 를 기반으로 실험이 이루어진다면 더욱 최적화된 알고리즘을 얻을 수 있을 것이라 생각된다.
본 논문에서 제안한 팬 제어 시스 템은 선박뿐만 아니라 기타 팬 제어 시스템을 필요로 하는 산업에 적용할 수 있다. 추후 연구를 더욱 진행하여 HILS 를 기반으로 실험이 이루어진다면 더욱 최적화된 알고리즘을 얻을 수 있을 것이라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박의 에너지를 절감할 수 있는 방법은?
최근 선박에서 에너지 절감에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 그러한 연구의 일환으로 선박의 고정적인 부하를 제외한 변동 부하를 파악하고 제어함으로써 선박의 에너지를 절감할 수 있다. 기관실 팬 시스템은 대표적인 변동부하 중 하나이다.
송풍기란 무엇인가?
송풍기란 회전 임펠러를 구동시켜 공기를 이송하는 장치 이다. 압력의 크기에 따라 토출압력 1,000mmAq(10kPa) 이하의 것들을 팬으로 규정한다.
전기 모터에 의해 구동되는 팬의 특징은?
대부분의 팬은 전기 모터에 의해 구동된다. 정속도 (constant velocity)에서 팬을 시험하고, 댐퍼(damper) 등으로 유로 내의 저항을 조절하여 체적 유량을 조절함으로써 성능을 변화시켜 시험을 반복하는 것이 일반적이다.
참고문헌 (9)
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A. Ekman, P. Degens, R. Morton, and S. Scott, "Focus on Cold Storage Evaporator Fan VFDs Is a Market Transformation Success," 2003 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Industry, 2003.
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S. V. Giannoutsos, "Evaluation of energy savings from the application of variable frequency drives to E/R ventilation fans and cooling sea water pumps onboard tanker vessels," Proceedings of the 5th MARINELIVE International Workshop on Prime Movers, 2013.
Shipbuilding - Engine-room ventilation in diesel-engined ships - Design requirements and basis of calculations, ISO 8861, 1998.
J. B. Maxwell, "How to avoid overestimating variable speed drive savings," Proceedings of the Twenty-Seventh Industrial Energy Technology Conference, pp. ESL-IE-05-05-05, 2005.
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