전 세계 90 %의 인구가 WHO의 연평균 미세먼지 노출 기준(10 ㎍/㎥)을 초과한 공기를 흡입하고 있다. 전 세계적으로 육상뿐만 아니라 해양에서 발생하는 질소산화물에 대한 규제를 통해 2차 오염물질, 초미세먼지 저감에 대해 노력하고 있으며 국내에서는 선박에서 미세먼지 발생의 주요한 원인인 황 함유량 저감과 환경친화적 선박의 개발 및 보급 등을 통해 깨끗한 해양환경 조성을 위한 노력을 하고 있다. 디젤엔진 유해 배출가스 저감을 위한 기술 중 압력 손실이 적고 높은 집진 효율 및 NOx의 제거와 유지 관리의 장점이 많은 전기 집진기의 수요와 중요성이 증가하고 있다. 본 연구는 총톤수 999톤급 선박의 2,427 kW 선박용 디젤엔진의 미세먼지 저감을 목적으로 개발된 전기 집진기를 예지보전단계에서 고장모드영향분석을 통해 장비 품질을 높여 선박 내에서의 내구연한을 높이고자 위험 우선순위 도출하였다. 위험 우선순위는 고장모드 241(poor dust capture efficiency)이 RPN 180으로 가장 높았다. Collecting electrode에서 가장 많은 고위험 고장모드를 검출하여 집중관리 부품으로 관리해야 할 필요가 있었으며 원인으로 진동과 핀 풀림으로 인한 유격 불량이 가장 많이 검출되었다. 핀 풀림 역시 근본적으로는 선체 또는 장비에서 발생하는 진동이 원인이 되어 발생할 수 있는 사항이기 때문에 핀 풀림이 발생하는 개소에 보완이 필요하겠다.
전 세계 90 %의 인구가 WHO의 연평균 미세먼지 노출 기준(10 ㎍/㎥)을 초과한 공기를 흡입하고 있다. 전 세계적으로 육상뿐만 아니라 해양에서 발생하는 질소산화물에 대한 규제를 통해 2차 오염물질, 초미세먼지 저감에 대해 노력하고 있으며 국내에서는 선박에서 미세먼지 발생의 주요한 원인인 황 함유량 저감과 환경친화적 선박의 개발 및 보급 등을 통해 깨끗한 해양환경 조성을 위한 노력을 하고 있다. 디젤엔진 유해 배출가스 저감을 위한 기술 중 압력 손실이 적고 높은 집진 효율 및 NOx의 제거와 유지 관리의 장점이 많은 전기 집진기의 수요와 중요성이 증가하고 있다. 본 연구는 총톤수 999톤급 선박의 2,427 kW 선박용 디젤엔진의 미세먼지 저감을 목적으로 개발된 전기 집진기를 예지보전단계에서 고장모드영향분석을 통해 장비 품질을 높여 선박 내에서의 내구연한을 높이고자 위험 우선순위 도출하였다. 위험 우선순위는 고장모드 241(poor dust capture efficiency)이 RPN 180으로 가장 높았다. Collecting electrode에서 가장 많은 고위험 고장모드를 검출하여 집중관리 부품으로 관리해야 할 필요가 있었으며 원인으로 진동과 핀 풀림으로 인한 유격 불량이 가장 많이 검출되었다. 핀 풀림 역시 근본적으로는 선체 또는 장비에서 발생하는 진동이 원인이 되어 발생할 수 있는 사항이기 때문에 핀 풀림이 발생하는 개소에 보완이 필요하겠다.
Currently, 90 % of the world's population breathes air with a fine dust content exceeding the World Health Organization's annual average exposure limit (10 ㎍/㎥). Global efforts have been devoted toward reducing secondary pollutants and ultra-fine dust through regulations on nitrogen ox...
Currently, 90 % of the world's population breathes air with a fine dust content exceeding the World Health Organization's annual average exposure limit (10 ㎍/㎥). Global efforts have been devoted toward reducing secondary pollutants and ultra-fine dust through regulations on nitrogen oxides released over land and sea. Domestic efforts have also aimed at creating clean marine environments by reducing sulfur emissions, which are the primary cause of dust accumulation in ships, through developing and distributing environment-friendly ships. Among the technologies for reducing harmful emissions from diesel engines, electrostatic precipitator offer several advantages such as a low pressure loss, high dust collection efficiency, and NOx removal and maintenance. This study aims to increase the durability of a ship by improving equipment quality through failure mode effects analysis for the preventive maintenance of an electrostatic precipitator that was developed for reducing fine dust particles emitted from the 2,427 kW marine diesel engines in ships with a gross tonnage of 999 tons. With regard to risk priority, failure mode 241 (poor dust capture efficiency) was the highest, with an RPN of 180. It was necessary to determine the high-risk failure mode in the collecting electrode and manage it intensively. This was caused by clearance defects, owing to vibrations and consequent pin loosening. Given that pin loosening is mainly caused by vibrations generated in the hull or equipment, it is necessary to manage the position of pin loosening.
Currently, 90 % of the world's population breathes air with a fine dust content exceeding the World Health Organization's annual average exposure limit (10 ㎍/㎥). Global efforts have been devoted toward reducing secondary pollutants and ultra-fine dust through regulations on nitrogen oxides released over land and sea. Domestic efforts have also aimed at creating clean marine environments by reducing sulfur emissions, which are the primary cause of dust accumulation in ships, through developing and distributing environment-friendly ships. Among the technologies for reducing harmful emissions from diesel engines, electrostatic precipitator offer several advantages such as a low pressure loss, high dust collection efficiency, and NOx removal and maintenance. This study aims to increase the durability of a ship by improving equipment quality through failure mode effects analysis for the preventive maintenance of an electrostatic precipitator that was developed for reducing fine dust particles emitted from the 2,427 kW marine diesel engines in ships with a gross tonnage of 999 tons. With regard to risk priority, failure mode 241 (poor dust capture efficiency) was the highest, with an RPN of 180. It was necessary to determine the high-risk failure mode in the collecting electrode and manage it intensively. This was caused by clearance defects, owing to vibrations and consequent pin loosening. Given that pin loosening is mainly caused by vibrations generated in the hull or equipment, it is necessary to manage the position of pin loosening.
본 연구는 총톤수 999톤급 선박의 2,427 kW 선박용 디젤엔진의 미세먼지 저감을 목적으로 개발된 전기집진기로서 선박에 장착하기 전 각각의 설비 상태를 정량적으로 파악하여 설비의 이상 상태나 앞으로 일어날 수 있는 사태를 예상하고 적절하게 유지하고 보수하는 예지보전(preventive maintenance)단계에서 고장모드영향분석(FMEA; Failure Mode Effects Analysis)을 통해 위험 우선순위를 도출하여 선박에서 설비의 안정적 운영과 내구연한을 높이고자 하였다.
제안 방법
ESP 제작사의 예지보전 단계에서의 FMEA를 크게 두 가지의 아이템, TR-Set 와 ESP Mechanism으로 구분을 하였다. 세부적으로 111개의 잠재적 원인 및 효과를 찾아내어 위험우선순위 분석을 Table 7에 나타내었다.
FMEA 팀을 활용하여 ESP 초기 운영단계에서의 고장모드분석을 기초로 심각도와 발생도를 기준으로 1차적으로 위험평가를 시행하였다. 심각도와 발생도 결과를 바탕으로 위험평가를 하였고 그 결과를 Table 7 CRI와 Fig.
팀원이 3-4명보다 적다면, 중요한 하위 부문이 간과되거나 적절히 처리되지 못할 위험이 있고 팀원이 7-8명 이상으로 구성되면 동적인 그룹 효과가 크게 악화되어 팀원들이 토론에 동참하고 있다는 느낌을 가지지 못해 결과적으로 FMEA 모임에 혼란을 줄 수 있다(Bertsche, 2008; Kosha, 2012). 본 연구에서는 ESP 제작사 연구원, A/S 팀 부장, 기계시스템학과 교수, 선박검사 및 안전분야 전문가, 선박 기관장, 기부속 업체 부장 6명으로 팀을 꾸려 FMEA를 수행하였으며 최소 15년 이상의 경력을 보유하였다. FMEA 회의 결과 전기집진기의 최종 목표를 달성하기 위한 고장모드는 포집 효율 불량 관련 요소들(Table 7; 211, 255, 257, 261, 262, 263, 271, 272, 273, 274, 275, 277, 278, 279), 배기가스 불량 관련 요소들(161, 222, 241, 251, 261, 263, 271, 273, 274, 278), 콤팩트형 저배압 미세먼지 전기집진 복합장치 관련 요소들(241)을 구분하여 중요 고장모드로 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 ESP 제작사 연구원, A/S 팀 부장, 기계시스템학과 교수, 선박검사 및 안전분야 전문가, 선박 기관장, 기부속 업체 부장 6명으로 팀을 꾸려 FMEA를 수행하였으며 최소 15년 이상의 경력을 보유하였다. FMEA 회의 결과 전기집진기의 최종 목표를 달성하기 위한 고장모드는 포집 효율 불량 관련 요소들(Table 7; 211, 255, 257, 261, 262, 263, 271, 272, 273, 274, 275, 277, 278, 279), 배기가스 불량 관련 요소들(161, 222, 241, 251, 261, 263, 271, 273, 274, 278), 콤팩트형 저배압 미세먼지 전기집진 복합장치 관련 요소들(241)을 구분하여 중요 고장모드로 분석하였다.
이론/모형
심각도, 발생도, 검출도의 순위 단계 및 범위는 FMEA의 절차가 사용되고 있는 산업 분야마다 조금씩 다르게 사용되고 있다. 많은 FMEA 심각도, 발생도 및 검출도 등급 구분 기준 중 본 연구에서는 Table 3-5에서 나타낸 것과 같이 자동차 산업에서 사용하고 있는 10개의 등급으로 심각도, 발생도 및 검출도 등급 기준을 분류한 FMEA 기법을 활용하여 전기집진기 예지보전 단계에서의 FMEA를 수행하였다(Jumbad and Salunke, 2016). 그 이유는 다른 FMEA 등급 기준과 비교하여 예지보전단계에서 좀 더 세밀한 구분을 통해 고장모드를 확인하기 위함이다.
성능/효과
1. 고장모드 241(먼지 포집 효율 불량)은 케이스와 프레임 부속품에서 발생하며 심각도와 발생도가 각각 6으로 Fig. 3을 통해 Class B로 구분되었으며 검출도는 5로 위험우선순위가 RPN 180으로 가장 높았다. 잠재적인 효과로는 배기 불량, 배기가스 누설이었으며 원인으로는 선박, 배출장치 및 고유진동에 따른 진동이었다.
4. 고위험 고장모드의 원인으로 진동과 핀 풀림으로 인한 유격 불량이 가장 많이 검출되었다. 핀 풀림 역시 근본적으로는 선체 또는 장비에서 발생하는 진동이 원인이 되어 발생할 수 있는 사항이기 때문에 핀 풀림이 발생하는 개소에 와셔+이중너트 또는 방지 풀림 특수너트를 적용(Kang et al.
후속연구
3. Case & frame(241), Door(255, 257), Discharge electrode(261, 262, 263), Collecting electrode(271, 272, 274, 275, 276, 277, 278, 279), Earthing(281)이 고위험 고장모드였으며 electrode 에서 가장 많은 고위험 고장모드를 검출하여 집중관리 부품으로 관리해야 할 필요가 있으며 검출도 값이 대부분 높아 모니터링 시스템 개발, 운영자 고장상태 관련 교육 및 사전예방 메뉴얼 주기 설정 등을 통해 검출도를 낮추거나, 심각도와 발생도 값을 낮추기 위한 대책을 마련해야 한다.
이를 해결하기 위해서 FMEA 최적화를 수행해야 한다. FMEA 결과를 통해 RPN 값이 높은 고장모드는 쉽게 도출할 수 있고 개선의 필요성이 정량화되지만 개별값이 특정하게 높은 고장모드는 별도의 FMEA 분석을 통해서 개선 여부에 대한 검토를 해야 할 필요가 있다.
고위험 고장모드의 원인으로 진동과 핀 풀림으로 인한 유격 불량이 가장 많이 검출되었다. 핀 풀림 역시 근본적으로는 선체 또는 장비에서 발생하는 진동이 원인이 되어 발생할 수 있는 사항이기 때문에 핀 풀림이 발생하는 개소에 와셔+이중너트 또는 방지 풀림 특수너트를 적용(Kang et al., 2018)하는 등 보완을 통해 발생도를 낮추는 노력이 있어야 하겠으며 추후 고위험 고장모드 원인을 설계에 반영하여 실증적 검증에 관한 추가 연구가 보완되어야 하겠다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
집진기의 효율을 높이기 위한 선행 조건은?
미세먼지에 대한 이슈가 커지면서 집진기의 효율을 높이기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 장비의 효율을 높이기 위해서는 장비가 정상적으로 고장 없이 운영이 잘 돼야 하는 품질 적인 면이 선제적으로 이루어져야 할 것이다. 자동차와 일부 산업계에서는 설계단계에서부터 FMEA를 적용하여 장비의 품질을 높이려는 연구가 많이 이루어지고 있으나 해상에서는 선박에 설치되는 장비의 품질을 높이기 위한 연구가 부족하다.
연평균 미세먼지 노출 기준은?
전 세계 90 %의 인구가 WHO의 연평균 미세먼지 노출 기준(10 ㎍/㎥)을 초과한 공기를 흡입하고 있다. 전 세계적으로 육상뿐만 아니라 해양에서 발생하는 질소산화물에 대한 규제를 통해 2차 오염물질, 초미세먼지 저감에 대해 노력하고 있으며 국내에서는 선박에서 미세먼지 발생의 주요한 원인인 황 함유량 저감과 환경친화적 선박의 개발 및 보급 등을 통해 깨끗한 해양환경 조성을 위한 노력을 하고 있다.
공기 역학 경 2.5 ㎛ 이하 미세먼지 기준 한국의 대기질 순위는?
5 ㎛ 이하 미세먼지(PM2.5; Fine Particulate Matter) 기준으로, 한국은 대기 질이 안 좋은 국가 26위(총 90개국), 서울은 27위(총 85개 도시)로 발표되었다(IQAir, 2020). 미세먼지 발생량에 따르면 한국 및 서울은 연평균 24.
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