[논문]황천 시 최소추진출력 관련 IMO 잠정 가이드라인의 진행 현황과 적용 결과 검토

성영재; 옥유빈

doi:10.3744/snak.2019.56.6.497

황천 시 최소추진출력 관련 IMO 잠정 가이드라인의 진행 현황과 적용 결과 검토
Progress of the 2013 Interim Guidelines for Determining Minimum Propulsion Power to Maintain the Manoeuvrability of Ships in Adverse Conditions 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.56 no.6, 2019년, pp.497 - 506

Abstract ▼ AI-Helper

Literature survey was conducted on the 2013 Interim Guidelines for determining the minimum propulsion power to maintain the manoeuvrability of ships in adverse conditions. The International Maritime Organization (IMO) Marine Environment Protection Committee (MEPC) documents related with the Guidelines were reviewed. Compatibility of the present Guidelines can be checked by two different levels: (Level 1) minimum power lines assessment and (Level 2) simplified assessment. The IHS (Information Handling Services) sea-web data on the bulk carriers and the tankers, which were built after 2000, were used to examine the Level 1 assessment. KVLCC2 was used to examine the Level 2 assessment. Regarding the Level 2 assessment, effects of the adverse weather conditions, the added resistance due to waves, the wake fractions and the thrust deduction factors were discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 최소추진출력 잠정 가이드라인 채택과정에서 검토되었던 다양한 논의들을 요약 정리하고, 현재의 잠정 가이드라인을 적용하였을 때 나타나는 현상을 검토해 보았다. 현재의 잠정 가이드라인은 2단계 평가(최소출력선 평가, Simplified 평 가)로 구성되어 있다.
본 연구에서는 황천 시 최소추진출력 잠정 가이드라인 관련해 IMO MEPC 논의 내용을 살펴보고, 최소추진 출력선 평가와 Simplified 평가를 각각 통계자료와 KVLCC2에 대해서 적용해 보았다.
본 장에서는 최소추진출력 잠정 가이드라인에 정의된 1 단계(Level 1) 평가인 최소출력선 평가를 IHS Sea-web 등록된 자료에 적용하고 결과를 검토해 보았다. Sea-web은 IMO의 선박 식별 번호를 발행하는 IHS Maritime & Trade가 제공하는 자료를 바탕으로 구성된 데이터베이스이다(https://maritime.
com/). 이 데이터베이스에서 2000~2015년 사이에 건조된 1,517척의 벌크선과 874척의 탱크선에 대한 자료를 구해서 최소출력선 평가를 적용해 보았다. 검색된 선박을 건조 년도와 재화중량에 따라 구분하면 Fig.

가설 설정

Simplified 평가를 위해 추가적으로 필요한 주기관 출력은 Sea-web 자료에서 구한 2000~2004년 건조 VLCC의 평균값 (Fig. 6 참조)을 사용하였으며, 풍하중 면적(AFW: 수면 상부 정면 투영면적, ALW: 수면 상부 측면 투영면적) 등은 유사선의 값으로 Table 4와 같이 가정하였다.

제안 방법

28, 2017). 개정안에서는 2단계 평가(최소출력선, 최소 출력평가)를 제안하였는데, 최소출력평가는 0~30 도 선수 사파 범위의 외란 조건에서 전후방향 1자유도 방정식을 풀어 2 knots 선속을 유지하는지를 평가하는 형태이다. 하지만, 황천과 피항조건 등에 대해 다양한 의견들이 있으므로, MEPC 71차에서는 개정 안을 확정하는 것은 시기상조라고 결정되었다.
일본과 한국은 1단계 기준은 EEDI 적용 이전의 모든 기존선이 만족할 수 있어야 하며, 2, 3 단계 기준도 일관성 측면에서 재검토되어야 한다고 주장하였다. 끝으로 Phase 0 기간 동안에는 기존의 정수 중 조종성 기준(Resolution MSC137(76), 2002)을 사용하자는 의견도 제시하였다.
2단계와 3단계는 각각 MEPC 62/5/19에서 제안된 Simplified 평가와 Comprehensive 평가와 유사하다. 다만, Simplified 평가에서 파랑 중 부가저항을 규칙파 중 모형시험이나 경험식을 통해서 산정할 것을 제안하였다. 한편, Comprehensive 평가 방안으로 황천 중에 4 knots 선속으로 항로가 10도 이내로 유지되는지를 검토하는 것을 제안하였다.
점성 해석도 고려할 수 있지만, 계산 시간 및 선급 별로 인정 여부의 차이로 인해 활발히 사용되지는 않고 있다. 본 연구에서는 Table 6에 정리한 파랑 중 부가저항 추정식을 적용하였다(STAWAVE2는 선속이 적용 가능한 범위를 벗어나지만, 비교 목적으로 사용하였다).
본 연구에서는 Table 7의 자항요소를 Fig. 5에서 언급된 Simplified 평가 절차에 적용하여 소요마력을 계산하고 결과를 검토하였다. 자항요소 변화에 따른 평가 결과를 비교하면 Fig.
Simplified 평가는 황천에서 최소 전진속도를 유지할 때 필요한 마력을 추정하고, 주기관이 해당 조건에서 필요한 출력을 생성할 수 있는지를 검토하는 것이다. 선종과 무관하게 동일한 절차로 계산이 수행되므로, 조종성능연구의 대표적 공시 선형인 KVLCC2를 활용해 현 가이드라인의 영향을 검토해 보았다.
2단계는 Comprehensive 평가로 황천에서 선회, 항로유지, 직진 등을 모형시험 또는 수치해석으로 평가하는 것이다. 이후 IACS는 파랑 중 부가저항에 대한 수치계산이 충분히 성숙되지 않았으므로, 경험식 또는 재화중량과 추진 출력의 상관관계를 이용하는 방법을 제안하였다(EE-WG 2/2/8, 2011). 이를 바탕으로 IACS 등은 MEPC 64차 회의에서 기존 2단계 평가 대신 3단계 평가를 제안하였다(MEPC 64/4/13, 2012; MEPC 64/INF.
현재의 잠정 가이드라인은 2단계 평가(최소출력선 평가, Simplified 평 가)로 구성되어 있다. 최소출력선 평가는 재화중량 별 MCR 출력에 대한 규제로 IHS Sea-web 통계자료를 활용해 그 영향을 검토해 보았다. Simplified 평가는 황천에서 최소 전진속도를 유지할 때 필요한 마력을 추정하고, 주기관이 해당 조건에서 필요한 출력을 생성할 수 있는지를 검토하는 것이다.
35, 2016). 평가 방법으로는 복잡성과 정확성이 증가하는 방식의 3단계 평가(최소출력선, 최소출력확인, 최소출력 평가)를 제안하였다. 최소출력선은 기존 잠정 가이드라인과 동일하다.
다만, Simplified 평가에서 파랑 중 부가저항을 규칙파 중 모형시험이나 경험식을 통해서 산정할 것을 제안하였다. 한편, Comprehensive 평가 방안으로 황천 중에 4 knots 선속으로 항로가 10도 이내로 유지되는지를 검토하는 것을 제안하였다.

대상 데이터

Simplified 평가 적용을 위해서는 선박의 제원과 성능 정보가 필요하다. 본 연구에서는 수치해석 및 조종성능 연구의 공시 선형으로 활용되는 KVLCC2를 이용하였다. KVLCC2는 선박해양 플랜트연구소(KRISO, Korea Research Institute of Ships and Ocean)에서 설계한 초대형 원유운반선으로 ITTC 조종성분과 위원회에서 주관하는 SIMMAN 워크샾 등을 통해서 선형과 모형시험 결과가 공개되어 있다(Kim et al.
3은 IHS Sea-web에 등록된 2000년 이후 건조 선박에 대해 최소출력선을 적용한 결과이다. 분석을 위해 선박은 건조년도에 따라 5년 단위로 구분해서 표시하였다(△: 2000~2004년, ■: 2004~2009년, ◇: 2010~2014년, ●: 2015년 이후).

이론/모형

국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 온실가스 저감을 목적으로 선박에서 배출되는 탄소 가스를 규제하는 방안을 지속적으로 논의해왔다. 그 결과, 신조 선박에 대해 에너지효율 설계지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)를 채택하였다(Resolution MEPC.203(62), 2011; Re-solution MEPC.231(65), 2013; MEPC.1/Circ.795/Rev.2, 2014). EEDI는 선박이 화물 1톤을 1해리 운송할 때 배출되는 CO₂의 양을 표시하는 지표이다.
7~8과 같은 결과를 얻을 수 있다. 이때, 자항요소는 MEPC.262(68)의 경험식을 사용하였고, 파랑 중 부가저항은 i-STAP을 사용해서 추정하였다. i-STAP은 KRISO에서 개발한 ISO 15016:2015 기반의 선속시운전 해석용 프로그램이다(Shin et al.
, 2016). 파랑 중 부가저항 계산은 Maruo 방법과 NMRI의 경험식으로 계산하는 옵션을 이용하였다.

성능/효과

중국이 71차 회의에서 제안한 추력감소계수만 반영한 경우(□), 기존 경험식 대비 낮은 회전수에서 유사한 비율의 마진을 가지고 만족하는 것으로 나타났다. 7차 회의에서 제안한 반류비와 추력감소계수를 적용하면 (●), 프로펠러 회전수가 증가하고, 주기관이 제공 가능한 출력대비 마진이 줄어드는 결과가 나타났다. 이상과 같이 자항요소의 변화에 따라 평가 결과에 영향이 있으므로, 적절한 자항요소를 선정하는 방법에 대해서도 체계적인 검토가 필요하다.
파랑 중 부가저항은 전체 저항의 70% 이상을 차지하는 중요한 성분이지만, 추정 방법에 따라서 편차가 있는 것으로 나타났다. KVLCC2를 대상으로 파랑 중 부가저항 추정 결과를 비교하면 최대 40% 가량의 차이를 보였는데, ClassNK의 Prime Ship 적용 시에 가장 보수적인 결과를 나타내었다. 모형시험을 통해 파랑 중 부가저항을 추정하는 것도 하나의 대안이 될 수는 있지만, 매우 낮은 선속에서 시험을 수행해야 하므로 일반적인 예인수조에서는 측면 반사파의 영향을 낮출 수 있는 방법에 대해서 주의를 기울여야 할 것이다.
11과 같다. KVLCC2의 경우에는 ClassNK의 Prime Ship에 의한 계산이 가장 보수적인 결과를 보이고 있으며, SHOPERA의 연구결과를 바탕으로 추정된 MEPC 70/INF.33이 상대적으로 여유 있게 만족하는 것으로 나타났다.
8에 비교하였다. 가장 나쁜 황천 조건인 MSC 93/21/5를 적용할 경우, 주기관 출력 대비 큰 출력이 요구되므로 Simplified 평가를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 다른 조건에서는 전체 저항이 유사한 크기이므로, 여유 마력도 6~14%의 유사한 크기로 가이드라인을 만족하는 것으로 나타났다.
262(68)이 채택되었다. 그 결과 기존 대비 벌크선은 약 15~25%, 탱크선은 약 5~55% 가량 출력이 강화된 기준의 적용을 받게 되었다.
11, 2012). 그 결과, MEPC 65차 회의에서 최초의 잠정 가이드라인인 Resolution MEPC.232(65)가 채택 되었다.
232(65) 대비 상당히 강화 되었다. 그 결과, 기존선인 2000~2010년 건조 선박에 해당 기준을 적용하면,기존 안의 불만족 비율이 1% 미만인데 반해 강화된 안의 불만족 비율은 벌크선은 10% 이상, 탱크선은 25% 이상인 것으로 나타났다. 이는 EEDI 적용 이전에 운항되는 대부분의 선박은 황천에서도 안전하게 운행되었기에 문제가 없었다는 관점과는 배치되는 결과이다.
가장 나쁜 황천 조건인 MSC 93/21/5를 적용할 경우, 주기관 출력 대비 큰 출력이 요구되므로 Simplified 평가를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 다른 조건에서는 전체 저항이 유사한 크기이므로, 여유 마력도 6~14%의 유사한 크기로 가이드라인을 만족하는 것으로 나타났다. 해당 선박이 잠정 가이드라인에 따른 최소출력선 평가(Level 1)를 만족하므로(Fig.
32, 2015). 단, 그리스가 제안한 황천 기준을 2단계 평가에 적용할 경우, 기존 대비 1.5~5배 큰 출력의 주기관이 필요하므로, 1단계 평가인 최소출력선만 강화하는 의견을 제시하였다. 그리스도 이에 동의하여 개정된 Resolution MEPC.
최소출력확인(Minimum power check)에 대한 세부 사항은 MEPC 71차에 제출 예정이며, 최소출력평가는 0~60 도 선수 사파 조건에서 6 knots 선속을 유지하는가를 평가하는 방식이다. 덴마크 등의 제안에 대해 다양한 논의가 있었지만, 최종 문건이 제출되는 MEPC 71차 이후에 검토하는 것으로 결정되었다(MEPC 70/18, 2016).
반류비나 추력감소계수와 같은 자항요소도 일반적인 운항 선속과는 다른 값을 가질 것으로 추정되지만, Simplified 평가에서 제안하고 있는 추정식은 설계 속도에서의 값과 유사한 결과를 주고 있다. 중국은 제한된 모형시험 결과를 바탕으로 반류비와 추력감소계수를 기존 대비 약 1/3 작은 값을 쓰는 것을 제안하였다.
21,2011). 이후 IACS는 3가지 수치해석으로 부가저항을 계산해 보았는데, 각각의 결과에 상당한 차이가 있음을 발견하였다. 이를 바탕으로 파랑 중 부가저항을 수치해석으로 평가하는 것이 충분히 성숙되지 않았으며, 현 시점에서의 사용은 적절하지 않다고 주장하였다.
반류비나 추력감소계수와 같은 자항요소도 일반적인 운항 선속과는 다른 값을 가질 것으로 추정되지만, Simplified 평가에서 제안하고 있는 추정식은 설계 속도에서의 값과 유사한 결과를 주고 있다. 중국은 제한된 모형시험 결과를 바탕으로 반류비와 추력감소계수를 기존 대비 약 1/3 작은 값을 쓰는 것을 제안하였다. 하지만, KVLCC2에 적용한 결과 추력감소계수 감소량 대비 반류비의 감소량이 크기 때문에 주기관 출력 대비 마진이 감소하는 경향이 나타났다.
5 m, 풍속 19 m/s) 수준의 현재 기준이 타당한 것으로 판단된다. 파랑 중 부가저항은 전체 저항의 70% 이상을 차지하는 중요한 성분이지만, 추정 방법에 따라서 편차가 있는 것으로 나타났다. KVLCC2를 대상으로 파랑 중 부가저항 추정 결과를 비교하면 최대 40% 가량의 차이를 보였는데, ClassNK의 Prime Ship 적용 시에 가장 보수적인 결과를 나타내었다.
기본 제원과 기준 선속이 동일하므로 정수 중 저항은 동일하다. 풍속과 유의파고가 증가하면 전체 저항이 증가하는데, 파랑 중 부가저항이 전체 저항의 70% 이상을 차지하는 가장 중요한 성분이라는 것을 알 수 있다.

후속연구

7차 회의에서 제안한 반류비와 추력감소계수를 적용하면 (●), 프로펠러 회전수가 증가하고, 주기관이 제공 가능한 출력대비 마진이 줄어드는 결과가 나타났다. 이상과 같이 자항요소의 변화에 따라 평가 결과에 영향이 있으므로, 적절한 자항요소를 선정하는 방법에 대해서도 체계적인 검토가 필요하다.
하지만, KVLCC2에 적용한 결과 추력감소계수 감소량 대비 반류비의 감소량이 크기 때문에 주기관 출력 대비 마진이 감소하는 경향이 나타났다. 적절한 값을 선정하는 방법에 대해서도 향후 체계적인 검토가 필요하다고 판단된다.
이후 3척(90K BC, Aframax tanker, VLCC)의 선박에 대한 저속 파랑 중 모형시험 결과와의 비교를 바탕으로 제안한 추정법의 타당성을 주장하였다(MEPC 72/5/9, 2018). 하지만, MEPC 72차 회의는 중국이 제안한 추정법의 검증을 위해 보다 많은 실험결과와의 비교가 필요하다고 결론을 내렸다.
15로 사용할 것을 제안하였다 (MEPC 72/5/9, 2018). 하지만, MEPC 72차 회의에서는 부가저항에 대한 제안과 마찬가지로 검증을 위해서는 보다 많은 시험결과와의 비교가 필요하다고 결론을 내렸다.
IACS 등이 최소추진출력 규제에 대한 초안을 제출한 이후, 그리스를 중심으로 지속적인 기준 강화의 의견이 있었다. 하지만, 기존 운항 중인 선박에 대한 고려, 현실적으로 채택 가능한 주기관 선정, 단계적으로 강화되는 기준의 일관성 등을 종합적으로 고려하여 의결된 Resolution MEPC.262(68)이 EEDI Phase2(2020~2024년)까지는 적용될 예정이다. 이 가이드라인은 Level 1의 최소출력선과 Level 2의 Simplified 평가로 구성되어있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에너지효율 설계지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)란 무엇인가요?	2, 2014). EEDI는 선박이 화물 1톤을 1해리 운송할 때 배출되는 CO2의 양을 표시하는 지표이다. 이 지표가 단계 별로 정의된 기준을 만족하지 못하면 해당 선박의 운항이 금지된다.
	조선업계에서 신조 선박의 EEDI를 낮추기 위해 적용하는 친환경기술에는 어떤 것들이 있나요?	조선업계는 다양한 친환경기술(저항 저감, 추진효율 개선, 엔진효율 향상, 보조동력 활용, 복합연료 추진, 전력 효율화 등)을 적용해 신조 선박의 EEDI를 개선하고 있다(Park et al., 2016).
	주기관의 최대연속정격 출력(MCR, Maximum Continuous Rating)이 지나치게 낮으면 어떤 문제가 발생하나요?	하지만, EEDI 도입 초기부터 선속 또는 주기관의 최대연속정격 출력(MCR, Maximum Continuous Rating)을 낮추어, EEDI 규제를 만족시킬 가능성에 대해 우려가 있었다(MEPC 60/4/17, 2010). MCR이 지나치게 낮으면, 거친 해상에서 선박을 조종하기 위해 필요한 선속을 확보하기 어려워 안전에 큰 위험이 될 수 있다. 이에 MCR이 최소한의 적정수준 이상을 만족해야만 된다는 최소추진출력에 관한 잠정 가이드라인이 65차 해양환경보호 위원회(MEPC, Marine Environment Protection Committee)에서 채택되었다(MSC-MEPC.

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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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