선박 중앙냉각 시스템의 운전데이터 기반 모델을 이용한 효율적인 청수 온도 제어에 관한 연구

Abstract

현재 대형선박에서는 기관실 내 폐열을 선외로 배출하기 위해 해수로 간접 냉각하는 중앙냉각 시스템을 채용하고 있다. 그리고 중앙냉각 시스템에 냉각용 가변속 해수펌프를 적용함으로써 에너지 절감을 도모하고 있다. 또한, 가변속 해수펌프로 개조한 중앙냉각 시스템에 대한 에너지 절감의 평가에 관한 연구가 진행되었다. 냉각용 가변속 해수펌프와 3방밸브 각각의 제어 시스템이 동일한 출력변수인 청수 출력온도의 피드백 신호로 제어됨에 따라 특정한 운전 환경에서 두 제어 시스템이 간섭되어 비효율적으로 운전되는 경우가 있다. 그래서 중앙냉각시스템의 가변속 해수펌프와 3방밸브에 대한 효율적인 제어 방법에 관하여 연구가 필요하다. 본 연구에서는 중앙냉각 시스템을 시뮬레이션하기 위하여 실제 운전데이터에 기반하여 시뮬레이션용 모델을 만든다. 만들어진 모델을 검증하기 위하여 중앙냉각 시스템의 또 다른 실제 운전데이터를 활용한다. 중앙냉각 시스템 모델링시 참고한 선박에서 적용한 제어 방법과 같이 3방밸브 개도 조절용 PI 제어기와 해수펌프 회전속도 조절용 PI 제어기를 각각 구성한다. 그리고 각 제어기는 서로 독립적이라고 가정하고 IMC(Internal Model Control) 기반 PI 제어 방법으로 파라미터를 튜닝하여 시뮬레이션한다. 그 결과를 바탕으로 중앙냉각 시스템의 해수펌프 속도와 3방밸브의 운전 특성, 청수 출력온도에 대한 제어성능 등을 확인한다. 그리고 다입력단출력(MISO)인 중앙냉각 시스템의 청수 출력온도 제어성능을 조금 더 향상하고 효율적으로 해수펌프 회전속도를 제어하는 적분기를 추가한 Linear Quadratic(LQ) 제어 방법을 제안한다. 중앙냉각 시스템의 수학적 모델링을 통하여 LQ 제어기를 설계한다. 설계한 LQ 제어기는 두 대의 IMC 기반 PI 제어기 조합보다 중앙냉각 시스템의 청수 출력 온도 제어에 대하여 좋은 성능을 보이면서 해수펌프 회전속도도 효율적으로 제어하는 것을 확인한다.