선박의 냉각계통에 적합한 전력절감 시스템에 관한 연구

Abstract

현재 대부분의 선박에서 운용중인 해수냉각시스템은 3방향 제어 밸브를 제어함으로서 냉각수온도를 제어하는 방식으로 되어있다. 3방향 제어 밸브를 제어하여 온도를 조절한다는 것은 에너지를 절감한다는 측면에서 보면 비효율적이다. 본 논문에서는 이런 비효율적인 해수냉각시스템을 개선하기 위하여 선박의 전기 에너지 절감에 관하여 연구하게 되었다. 필요해수유량에 따라 펌프회전수를 조절하기 위하여 인버터를 활용하였고 이에 따른 전기 에너지의 절약과 기계적인 수명연장을 위하여 연구를 하게 되었다.

선박의 각종 설비에 사용되는 펌프의 소비전력은 상당히 크므로 전력 절감을 위하여 이들 펌프 및 시스템운전의 효율 향상이 무엇보다도 중요하다. 각종 설비에 사용되고 있는 펌프는 요구 사양에 맞도록 설비하여야 한다는 것은 당연한 데도 실제로는 다음과 같은 이유 등으로 필요로 하는 양정 유량보다 큰 성능을 가지는 펌프를 설치하여 사용하는 경우가 대부분이다.

1) 배관설비의 경년에 따른 관로 손실의 증대를 감안하여 전양정에 상당량의 여유를 주는 경우가 많다.

2) 장래의 송수량이나 배수량의 증대를 감안하여 유량에 여유를 갖도록 설비하는 경우가 많다.

그러므로 필요 이상으로 송수하거나, 펌프의 토출 압을 밸브로 조절하면서 운전하여 펌프 자체의 효율은 높더라도, 운전되고 있는 펌프 설비 전체의 시스템 효율이 낮아지게 되어 불필요하게 많은 전력을 소비하게 된다.

선박의 냉각 시스템은 일반적으로 해수를 이용하여 청수를 냉각하는 방식으로 되어 있으며 이러한 냉각시스템은 청수 냉각기(Fresh water cooler) 출구 측에 3방향 제어 밸브를 부착, 제어하여 적절한 온도를 유지하도록 구성되어 있다. 이 때 해수의 온도가 낮으면, 청수 냉각기의 효율이 커지므로 적은 유량의 해수를 이용하여도 충분한 냉각 효과를 가지게 되므로 3방향 제어 밸브는 바이패스(Bypass)시키는 양이 많아지도록 동작하게 된다.

그러나 해수 온도의 변화에 따라 해수 펌프의 회전수를 조절하여 유량을 적절히 변화 시키면 3방향 제어 밸브 의 움직임을 거의 무시하고도 일정한 청수온도를 유지할 수 있을 것이다. 또한 선박에 사용되는 해수 펌프는 설계 시 고려되지 않은 관로의 손실 증대나 배수량의 증대 등을 감안하여 약 30% 정도 여유용량을 갖도록 설치하는 것이 일반적이다.

본 논문은 이러한 점에 착안하여, 인버터를 사용하여 선박의 냉각시스템에 사용되는 대용량해수 펌프의 회전수를 제어하고 이에 따라 필요한 유량만을 냉각기에 공급함으로서 해수 펌프의 소비전력을 줄이는 방법을 제안한다. 또한 실험을 통한 에너지 절감 효과를 확인하였다.