우리나라는 산업통상자원부를 통해 'LNG 벙커링(연료공급) 전용선 건조지원사업'을 한국가스공사를 중심으로 추진하고 있고, 동시 해양수산부는 부산신항내 LNG 벙커링 터미널 구축을 추진하고 있다. LNG 벙커링 전용선박은 LNG 연료를 터미널에서 대상 선박으로 공급하기 위한 필수 대상이고, 이에 따라 안정 운항에 대한 절차서의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 본 연구는 연안선박용 LNG벙커링 전용선박의 운항 절차서를 제안하기 위하여 부산 신항에서 부산항정박지로 운항하는 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박의 안정성을 평가하였다. 이를 위해 포텐셜 유동해석 기반의 운동해석을 수행하여 취득한 선체운동 응답진폭함수를 운항 해역의 5년간 관측된 실해역 자료와 부산 연안에 적합한 TMA스펙트럼과 합성하여 유의파고별 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 내항성능 평가를 수행하였다. 그 결과는 유의파고 2 m 이상에서 횡동요와 수평가속도가 내항성능에 주요 위험 요소가 됨을 알 수 있었다. LNG 벙커링 전용선박의 운항 가능 기간은 총 관측기간의 83.3 ~ 99.9 % 수준임을 알 수 있었다.
우리나라는 산업통상자원부를 통해 'LNG 벙커링(연료공급) 전용선 건조지원사업'을 한국가스공사를 중심으로 추진하고 있고, 동시 해양수산부는 부산신항내 LNG 벙커링 터미널 구축을 추진하고 있다. LNG 벙커링 전용선박은 LNG 연료를 터미널에서 대상 선박으로 공급하기 위한 필수 대상이고, 이에 따라 안정 운항에 대한 절차서의 필요성이 대두되고 있다. 따라서 본 연구는 연안선박용 LNG벙커링 전용선박의 운항 절차서를 제안하기 위하여 부산 신항에서 부산항 정박지로 운항하는 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박의 안정성을 평가하였다. 이를 위해 포텐셜 유동해석 기반의 운동해석을 수행하여 취득한 선체운동 응답진폭함수를 운항 해역의 5년간 관측된 실해역 자료와 부산 연안에 적합한 TMA스펙트럼과 합성하여 유의파고별 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 내항성능 평가를 수행하였다. 그 결과는 유의파고 2 m 이상에서 횡동요와 수평가속도가 내항성능에 주요 위험 요소가 됨을 알 수 있었다. LNG 벙커링 전용선박의 운항 가능 기간은 총 관측기간의 83.3 ~ 99.9 % 수준임을 알 수 있었다.
Through the Ministry of Trade, Industry, and Energy, South Korea is trying to support the "Building Project for Liquified Natural Gas (LNG) Bunkering Ship," centered on the Korea Gas Corporation, while the Ministry of Maritime Af airs and Fisheries is pushing to construct an LNG bunkering terminal a...
Through the Ministry of Trade, Industry, and Energy, South Korea is trying to support the "Building Project for Liquified Natural Gas (LNG) Bunkering Ship," centered on the Korea Gas Corporation, while the Ministry of Maritime Af airs and Fisheries is pushing to construct an LNG bunkering terminal at Busan New Port. LNG bunkering ships are essential for supplying LNG fuel from the terminal to the ships, resulting in the need for safety operation procedures. Therefore, in this study, the stability of a coastal LNG bunkering ship operating from Busan New Port to the anchorage in Busan Port was assessed to investigate the need for operational procedures for coastal LNG bunkering ships. Seakeeping analysis of the LNG bunkering ship was performed for each significant wave height by combining the response amplitude operator from the ship motion analysis under the potential flow theory with the actual observed sea data for five years and Texel, Marsen, and Arsloe (TMA) spectrum suitable for the Busan coast. The results showed that the roll and horizontal acceleration were the main risks that affected the navigation seakeeping performance above a significance wave height of 2 m. The operational periods of the LNG bunkering ship ranged from 83.3% to 99.9% of the total observation period.
Through the Ministry of Trade, Industry, and Energy, South Korea is trying to support the "Building Project for Liquified Natural Gas (LNG) Bunkering Ship," centered on the Korea Gas Corporation, while the Ministry of Maritime Af airs and Fisheries is pushing to construct an LNG bunkering terminal at Busan New Port. LNG bunkering ships are essential for supplying LNG fuel from the terminal to the ships, resulting in the need for safety operation procedures. Therefore, in this study, the stability of a coastal LNG bunkering ship operating from Busan New Port to the anchorage in Busan Port was assessed to investigate the need for operational procedures for coastal LNG bunkering ships. Seakeeping analysis of the LNG bunkering ship was performed for each significant wave height by combining the response amplitude operator from the ship motion analysis under the potential flow theory with the actual observed sea data for five years and Texel, Marsen, and Arsloe (TMA) spectrum suitable for the Busan coast. The results showed that the roll and horizontal acceleration were the main risks that affected the navigation seakeeping performance above a significance wave height of 2 m. The operational periods of the LNG bunkering ship ranged from 83.3% to 99.9% of the total observation period.
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문제 정의
따라서 이 연구는 STS방식으로 운영될 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박이 향후 부산 신항 LNG 터미널↔부산항 정박지를 운항할 것을 가정하고, 연안항해를 할 때 운항 구간의 해상 상태에 따른 선박의 내항성능을 정량적으로 평가하고자 한다. 선박운동 계산은 주파수 영역에서 유한수심 기반으로 포텐셜 유동 운동해석을 수행하였으며, 부산 해역의실측 파고 자료와 부산항 인근의 천수역에 적합한 TMA 파랑 스펙트럼을 적용하여 선박의 내항성능 평가를 수행하였다.
이 연구에서는 포텐셜 유동 운동해석과 실제 운항 구간의 해상상태를 취득하여 유의파고별 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 내항성능을 평가하였다. 내항성능 평가시 파주파수, 파 조우각, 선속, 횡동요 감쇠계수 그리고 적재조건에 맞춘 횡동요 회전반경을 다양하게 고려하여 선박 운동계산을 수행하였고 실측 해양파 데이터를 적용하여 내항성능평가를 수행하였다.
가설 설정
일반 상선에서의 운동해석은 운항수심을 무한수심(Infinite depth)으로 가정하여 수행하나, 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 경우는 연안항해의 특성상 수심이 상대적으로 낮아 천수 효과가 발생하기 때문에 유한수심(Finite depth)을 적용하여 수행하였다. 따라서 수심을 고려하기 위해 Fig.
제안 방법
고유한 운동특성을 나타낸다. Table 6을기준으로 한 내항성능을 평가하기 위해 총 7가지 선박운동 RAO인 횡동요, 종동요, 수직 가속도, 수평 가속도 RAO 그리고 갑판침수를 구하기 위한 갑판침수 평가 위치에서 파와의 상대 수직변위 RAO 및 슬래밍을 구하기 위한 슬래밍 평가 위치에서 파 수직 변위 RAO와 상대 속도 RAO를 계산하였다.
갑판침수(Deck wetness)는 Table 6에 주어진 것과 같이 발생 확률로부터 얻어지는 시간당 발생 횟수로 평가를 수행하였다. 갑판침수의 발생 확률은 Ochi and Motter(1974)에 의하여 파도의 높이가 선수 불워크(Bulwark) 상부의 수직 변위를 초과할 확률 로 식(13)과 같고, 시간당 갑판침수 발생횟수는 값에 평균 영점 통과 파주기 로 나눈 식(14) 와 같이 제안하였다.
내항성능 평가는 Survival기준과 Operation기준을 초과하는 결과 값이 어떤 유의파고에서 발생하는지 확인하여 유의 파고 구간에 따른 평가를 수행하였다. Survival기준은 두 적재조건 모두 횡동요 감쇠 계수 5%의 수평 가속도 항목을 제외한 모든 항목의 유의파고 구간에서 만족하였으며, 수평가속도는 횡동요 감쇠 계수 5%일 때 만재 조건에서 유의 파고 2m 이하, 평형수 적재조건에서 유의파고 1.
선박의 내항성능을 평가하였다. 내항성능 평가시 파주파수, 파 조우각, 선속, 횡동요 감쇠계수 그리고 적재조건에 맞춘 횡동요 회전반경을 다양하게 고려하여 선박 운동계산을 수행하였고 실측 해양파 데이터를 적용하여 내항성능평가를 수행하였다. 유의파고 구간별로 선박의 내항성능 평가항목이 최대가 되는 값을 기준으로 분석하였으며 내항성능 평가 기준인 Survival기준과 Operation기준을 고려하여 부산 신항 LNG 터미널↔부산항 정박지를 운항하는 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 유의파고 구간에 따른 선박의 안정성과 운영 적합성을 제시하였다.
수행하였다. 따라서 수심을 고려하기 위해 Fig. 3의 부산신항 LNG 터미널↔부산항 정박지 운항 구간을 검토하여 천수 효과를 가장 크게 받을 수 있는 최저수심 30m를 운동 계산에 적용하였다.
따라서 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박의 내항성능 평가를 위한 적재조건(Loading Condition)은 만재 조건(Full Load Condition)과 평형수 적재조건(Ballast Condition)을 Table 2와같이 지정하여 내항성능 평가를 수행하였다. 또한 Table 2는개별 적재 조건에서 해당 선박의 배수량과 흘수를 표시한것이며, LNG 연료의 비중이 해수보다 작기 때문에 공선 상태인 평형수 적재조건이 만재 조건보다 배수량이 큰 것이 특징이다.
한다. 선박운동 계산은 주파수 영역에서 유한수심 기반으로 포텐셜 유동 운동해석을 수행하였으며, 부산 해역의실측 파고 자료와 부산항 인근의 천수역에 적합한 TMA 파랑 스펙트럼을 적용하여 선박의 내항성능 평가를 수행하였다. 이를 통하여 안전한 운항을 위한 유의파고 한계치와 선박의 운항 가능 기간을 구체화하였다.
연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박에 대한 운동해석을 위해 적재조건은 Table 2의 만재 조건과 평형수 적재 조건을 사용하였으며, 주파수 영역에서 선박 운동을 수행하여 응답진폭함수(Response Amplitude Operator, RAO)를 구하였다. 내항성능 평가에 필요한 선체운동 응답 스펙트럼 은 선박 운동 응답진폭함수(RAO)와 Table 4로 명시된 5년간 해상상태의 파랑 스펙트럼 을 식(8)과 같이 주파수 영역 상에서 합성곱정리를 적용해 구하였다.
수집한 자료에서 해사안전법 제38조에 따른 선박의 출항통제 조건인 유의 파고 5m 이상의 풍랑/폭풍해일 경보가 발령날 경우와 해당 해역이 과거 태풍의 영향권이였던 경우를 포함한 총 53개를 제외하여 43, 042개의 유효값을 선박의 내항성능 평가에 사용하였다(Ministry of Oceans and Fisheries of Republic of Korea, 2020).유효값을 각각 0.5m 간격의 유의파고와 0.5초 간격의 평균 영점 통과 파주기로 분류하여 Table 5와 같이 파랑 발생 빈도 테이블을 정리하였다.
선박운동 계산은 주파수 영역에서 유한수심 기반으로 포텐셜 유동 운동해석을 수행하였으며, 부산 해역의실측 파고 자료와 부산항 인근의 천수역에 적합한 TMA 파랑 스펙트럼을 적용하여 선박의 내항성능 평가를 수행하였다. 이를 통하여 안전한 운항을 위한 유의파고 한계치와 선박의 운항 가능 기간을 구체화하였다.
of shipping, 2017). 포텐셜 기반의 운동해석시 고려해야 하는 횡동요 감쇠 계수(Roll Damping Coefficient)는 비선형값이나 통상적인 선박에 적용되는 범위로 감쇠 계수 5%와 10%를 적용 하였다.
대상 데이터
TMA 스펙트럼에 필요한 유의파고와 첨두 파주기에 대한 데이터는 Fig. 3과 같이 운항 경로에 인접한 다대포항 파고 부이(위도 35.02°, 경도 128.95°)에서 관측된 기상청자료를 활용하였다. 기상청에서 제공한 파주기는 평균 영점 통과 파주기이기 때문에(Korea Meteorological Administration, 2018), 식 (7)을 사용하여 첨두 파주기로 변환하여 식(1)의 TMA 스펙트럼에 적용하였다.
다대포항 파고부이에서 취득한 자료기간은 2015년 1월 1일부터 2019년 12월 31일까지 5년간 1시간 간격으로 취득하였으며, 그 중 708개가 유실되어 총 43, 095개의 유의파고와 평균 영점 통과 파주기에 대한 자료를 확보하였다. 수집한 자료에서 해사안전법 제38조에 따른 선박의 출항통제 조건인 유의 파고 5m 이상의 풍랑/폭풍해일 경보가 발령날 경우와 해당 해역이 과거 태풍의 영향권이였던 경우를 포함한 총 53개를 제외하여 43, 042개의 유효값을 선박의 내항성능 평가에 사용하였다(Ministry of Oceans and Fisheries of Republic of Korea, 2020).
대상 선박의 운항은 만재 상태로 부산 신항 LNG 터미널에서 출항하며 목적항인 부산항 정박지로 이동하여 LNG를 공급하고, 다시 공선 상태로 부산 신항 LNG 터미널로 회항한다.
영점 통과 파주기에 대한 자료를 확보하였다. 수집한 자료에서 해사안전법 제38조에 따른 선박의 출항통제 조건인 유의 파고 5m 이상의 풍랑/폭풍해일 경보가 발령날 경우와 해당 해역이 과거 태풍의 영향권이였던 경우를 포함한 총 53개를 제외하여 43, 042개의 유효값을 선박의 내항성능 평가에 사용하였다(Ministry of Oceans and Fisheries of Republic of Korea, 2020).유효값을 각각 0.
이 연구에서 사용된 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 주요제원 및 LNG 화물창 형식은 Table 1과 같으며, Fig. 1은 대상 선박에 대한 측면 배치도로 IMO Type-C LNG 화물 창이 선체 중앙부 길이에 위치하는 것을 확인할 수 있다.
이론/모형
(2008)을 참고하여 Bouws et al.(1985)에 의해 고안된 TMA 스펙트럼을 채택하였다. TMA 스펙트럼은 JONSWAP 스펙트럼에 Kitaigordskii et al.
(1975)가 개발한 형상함수를 곱한 형태로 유한수심의 영향을 반영한 스펙트럼이다. JONSWAP 스펙트럼은 Goda(2000) 가 제안한 형태를 사용하였으며, Kitaigordskii의 형상함수는 Thompson and Vincent(1983)이 제안한 근사식을 이용하여 TMA 스펙트럼을 식(1)에서 식(7)과같이 적용하였다.
선속은 선박이 항내를 벗어나는 시점의 속도인 4노트부터 운항속도 8노트까지의 속도를 고려하였고, 선체 횡동요 회전반경은 화물 적재조건에 따라 Common Structural Rules for Bulk Carriers and Oil Tankers(2017)에 만재 조건 및 평형수 적재조건의 유조선 횡동요 회전반경 값을 참고하였다(Korean register of shipping, 2017). 포텐셜 기반의 운동해석시 고려해야 하는 횡동요 감쇠 계수(Roll Damping Coefficient)는 비선형값이나 통상적인 선박에 적용되는 범위로 감쇠 계수 5%와 10%를 적용 하였다.
연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박에 대한 내항성능 평가는 Table 6과같이 NORDFORSK(1987) 및 NATO(2000)에서 제안한 내항성능 평가 기준을 적용하였으며, 내항성능을 정량적으로 평가하기 위해서 총 6가지 선박 응답 항목에 대하여 Operation과 Survival기준을 사용하였다. Operation 기준은 운항자가 운항중 업무를 정상적으로 수행할 수 있는지 여부를 나타내며 Survival 기준은 선박의 안정성이 문제가 되는 여부를 구분하고 있다.
운동해석 조건은 Table 4와같으며, 해당 파 조우각과 파 주파수 간격은 ABS(American Bureau of Shipping)선급의 Guidance notes on ‘Safe hull-Dynamic Loading Approach’ for Container Carriers(2005)에 근거하였다.
운동해석을 수행하기 위해 3차원 Panel method를 사용하였다. Fig.
성능/효과
구간에 따른 평가를 수행하였다. Survival기준은 두 적재조건 모두 횡동요 감쇠 계수 5%의 수평 가속도 항목을 제외한 모든 항목의 유의파고 구간에서 만족하였으며, 수평가속도는 횡동요 감쇠 계수 5%일 때 만재 조건에서 유의 파고 2m 이하, 평형수 적재조건에서 유의파고 1.5m 이하일 때 Survival기준을 만족 하였다. 각 평가항목에서 유의파고 4.
결과표이다. 각 적재조건에 따른 결과 값을 비교하면 평형수 적재조건에서보다 만재 조건에서 대체로 작은 값을 나타내었다.
결과적으로 현재 건조되고 있는 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박은 유의파고 0.5m 이하에서 모든 내항성능 평가 기준을 만족하였다. 그리고 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 안전운항과 관련하여 전체 해상에 대하여 유의파고 0.
0m 이하에서 Operation기준을 만족하였다. 내항성능 평가항목의 결과와 파 조우각의 관계를 살펴보면 횡동요와 수평가속도의 최댓값은 파 조우각 90도 및 105도에서 각각 발생하였고, 종동요, 수직가속도, 갑판침수 그리고 슬래밍은 파 조우각 180도에서 최댓값이 발생하였다.
3%로 1년 365일로 환산한다면 약 304일 정도임에 따라 해당 기간 동안 안전한 연료유 공급이 가능하다. 또한, 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박 자체의 안정성의 기준이 되는 Survival기준은 유의파고 1.5m에서 모든 내항성능 평가 기준을 만족하였으며, 이에 따른 운항 가능 기간은 98.8%로 1년 중 약 360일 정도가 됨을 확인할 수 있다.
5m 이하에서 Operation기준을 만족하였다. 수평가속도와 횡동요는 적용된감쇠 계수에 따라 만족하는 유의파고 한계치가 달라졌으며, 특히 횡동요 감쇠 계수를 5% 적용시 유의파고 0.5m 이하에서, 10% 적용시 1.0m 이하에서 Operation기준을 만족하였다. 내항성능 평가항목의 결과와 파 조우각의 관계를 살펴보면 횡동요와 수평가속도의 최댓값은 파 조우각 90도 및 105도에서 각각 발생하였고, 종동요, 수직가속도, 갑판침수 그리고 슬래밍은 파 조우각 180도에서 최댓값이 발생하였다.
내항성능 평가시 파주파수, 파 조우각, 선속, 횡동요 감쇠계수 그리고 적재조건에 맞춘 횡동요 회전반경을 다양하게 고려하여 선박 운동계산을 수행하였고 실측 해양파 데이터를 적용하여 내항성능평가를 수행하였다. 유의파고 구간별로 선박의 내항성능 평가항목이 최대가 되는 값을 기준으로 분석하였으며 내항성능 평가 기준인 Survival기준과 Operation기준을 고려하여 부산 신항 LNG 터미널↔부산항 정박지를 운항하는 연안선박용 LNG 벙커링 전용 선박의 유의파고 구간에 따른 선박의 안정성과 운영 적합성을 제시하였다.
12은 유한수심 30m와 무한수심에 대한 각 적재조건에서의 좌우동요 RAO를 나타낸 것으로 파란색 선은 유한수심에서의 좌우동요 RAO이며 주황색 선은 무한수심에서 계산한 좌우동요 RAO를 나타내고 있다. 유한수심의 RAO는 천수효과로 0.75rad/sec 이하의 저주파수 대역에서 무한수심의 RAO보다 좌우동요 운동 응답 값이 큰 차이를 보이고 있는 것을 알 수 있다.
10은조우각 180도일 때 두 적재조건에서 각선 속의 종동요 RAO를 나타내며, 종동요 RAO는 횡동요 감쇠 계수에 영향이 거의 없으므로 감쇠 계수 5%의경우만 나타내었다. 이러한 종동요 RAO는 선속이 빠를수록 최대 응답 값이 발생하는 것을 알 수 있고, 최대 응답 값은 파 조우각 180도와 선속 8노트에서 만재시0.95rad/sec, 평형수 적재시 1rad/sec에서 첨두값 각각 4.66deg/m와 4.90deg/m가 나타났다.
파랑 발생빈도를 기준으로 연안선박용LNG 벙커링 전용선박의 운항가능 기간을 산출한다면 Table 10과 같다. 즉, 횡동요 감쇠 계수 5%일 때 Operation 기준 한계 값인 유의파고 1m 미만이 발생하는 확률은 83.3%이고, 횡동요 감쇠 계수 10%일 때의 Operation 기준 한계 값인 유의파고 1.5m 미만이 발생하는 확률은 96.2%이다. 횡동요 감쇠 계수 5%일때 Survival 기준 한계 값인 유의파고 2m 미만이 발생하는 확률은 98.
2%이다. 횡동요 감쇠 계수 5%일때 Survival 기준 한계 값인 유의파고 2m 미만이 발생하는 확률은 98.8%이고, 횡동요 감쇠 계수 10%일 때의 Survival 기준은 모든 유의파고에 대하여 만족한다.
후속연구
마지막으로, 추후에 연구에서는 본 연구에서 수행한 운동성능의 검증을 위하여 시운전 또는 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박의 선형으로 모형시험을 수행하여 결과를 비교할 필요가 있다.
본 연구에서 적용한 횡동요 감쇠 계수는 모든 조건에서 통상적인 값 5%와 10%를 적용하여 계산 하였으나, 추후에시운전 또는 모형시험이 수행되어 정확한 횡동요 감쇠 계수가 적용될 필요가 있다.
이 연구를 바탕으로 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박이 일반 상선의 황천 항해와 마찬가지로 안전 유의파고를 초과하는 해상에서 운항할 경우를 대비한 운항 점검표의 개발뿐만 아니라향후 확대될 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박의 운항빈도를 고려하여 출항 전 인근 해역의 유의파고를 실시간으로 확인하고 Survival기준의 만족 또는 Operation기준의 만족여부를 판단하여 최종적으로 출항통제 및 관리가 효과적으로 적용될 수 있도록 관련 연구를 추진할 필요가 있다. 마지막으로, 추후에 연구에서는 본 연구에서 수행한 운동성능의 검증을 위하여 시운전 또는 연안선박용 LNG 벙커링 전용선박의 선형으로 모형시험을 수행하여 결과를 비교할 필요가 있다.
5% m/m 이하의 선박 연료유로 전환하여 운항하여야 한다. 향후 글로벌 해운산업은 선박기인 황산화물, 질소 산화물(Nitrogen Oxides, NOx), 이산화탄소, 미세먼지 등과 같은 대기오염물질의 심각성을 인식하고, 관련 규제를 준비해야 한다(IMO(2018), Initial IMO Strategy on Reduction of GHG Emissions from Ships: Resolution Mepc.304(72), London: IMO).
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