KR101766260B1 - 선박 에너지 효율 최적화 방법 - Google Patents

선박 에너지 효율 최적화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일면에 의하면, 선박의 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 에너지 효율을 최적화하는 시스템에 있어서: 주기엔진(ME), 보기엔진(GE), 폐열회수기(10)로 발전하는 발전수단; 주기엔진(ME)에 의한 추진력과 선내에서 생성되는 발전량을 검출하는 검출수단; 및 상기 발전수단과 검출수단의 신호를 입력하여 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 SFOC을 통합적으로 조절하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, FOC 측면에서 메인엔진, WHRS, 샤프트 발전기/모터, 발전엔진의 부하를 최적으로 배분하여 최소한의 연료로 같은 출력의 같은 전력을 생산하므로 연료절감과 환경오염물질 배출을 줄이는 효과가 있다.

Description

선박 에너지 효율 최적화 방법{Method for Ship Energy Efficiency Optimization}
본 발명은 선박 에너지 효율 최적화에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 최소한의 FOC를 적용할 수 있도록 메인엔진, WHRS, 샤프트 발전기/모터, 발전엔진의 부하를 최적으로 배분하여 구동하는 선박 에너지 효율 최적화 방법에 관한 것이다.
엔진룸의 연료소비의 효율화를 위해 엔진의 폐열을 활용한 WHRS(Waste Heat Recovery System)이 적용되고 있다. 이는 요구되는 추진력을 발생하는 메인엔진을 구동, 배기가스로 터빈발전, 추가필요시 샤프트발전, 추가필요시 발전엔진 발전의 순으로 전력 생산을 담당하고 잉여전력은 샤프트모터를 이용하여 다시 추진력에 사용되는 방식으로 운용된다.
전통적으로 선박에서는 추진시스템과 발전시스템이 분리되어 있다. 최근 들어 에너지 효율을 높이기 위해 추진시스템에서 폐열을 이용하여 발전도 담당하고 남는 전기는 추진에 사용하는 구조의 선박이 건조되고 있다.
이와 같이 선박의 추진시스템과 발전시스템을 구동하는 방법은, 필요한 추진력과 발전력을 생성하기 위해 정해진 시퀀스에 따라 동작한다. 예를 들어 필요한 추진력에 따라 ME 부하를 결정하고 이 때 발생할 수 있는 스팀으로 WHRS에서 발전을 하며 그래도 부족한 전기는 SG, GE의 순으로 구동하여 생성한다.
다만, 이러한 방식에 의하면 요구되는 추진력과 전력은 충당할 수 있으나 최적의 연료소비를 고려하지 않았기 때문에 최소의 연료로 요구되는 추진력과 전력을 충당하는 측면에서 개선의 여지가 크다. 예를 들어 메인엔진의 부하을 높여 전력을 더 생산하고 GE의 부하를 낮추는 방법이나 혹은 반대로 메인엔진의 부하를 낮추고 GE의 부하를 높이는 것이 연료사용에 더 효과적일 수 있다. 이에, 정해진 순서에 의해서만 구동되는 종래의 방식은 비효율적이다.
하기의 선행문헌 1은 연료 효율에 대해 최적화된, 선박의 컴퓨터 시뮬레이션 모델을 생성하는 단계를 포함하고, 이 단계에서 선박의 코어 컴포넌트들 및 구조 특성들을 묘사하는 방정식들의 풀로부터 방정식들을 선택하고, 선박의 코어 컴포넌트들 및 구조들에 대한 특성 데이터의 풀로부터 데이터를 선택한다.
하기의 선행문헌 2에 의하면, 원동기 및 제너레이터를 각각 포함하는 적어도 두개의 제너레이터 세트들, 전기 추진 유닛, 에너지 저장부, 및 메인 스위치보드를 포함하고, 이 메인 스위치보드에 의해 적어도 두개의 제너레이터 세트들, 전기 추진 유닛, 및 에너지 저장부가 서로 접속된다.
그러나, 상기한 선행문헌 1에 의하면 선박의 건조과정에서 에너지 최적화 시뮬레이션을 요지로 하므로 운항과정에 적용하기 한계를 보이고, 선행문헌 2에 의하면 제너레이터가 선박의 순간적인 필요에 의하여 전력을 초과 또는 불충분하게 생성한 경우를 요지로 하므로 FOC 절감효과가 미흡하다.
1. 한국 공개특허공보 제2008-0063273호 "선박들에서의 에너지 소스 이용의 최적화" (공개일자 : 2008.07.03.) 2. 한국 등록특허공보 제2014-0046441호 "선박 추진 엔진 연비에서의 향상" (공개일자 : 2014.04.18.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 최소한의 FOC를 적용할 수 있도록 메인엔진, WHRS, 샤프트 발전기/모터, 발전엔진의 부하를 최적으로 배분하여 구동하는 엔진룸을 구현하기 위한 선박 에너지 효율 최적화 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 의하면, 선박의 주기엔진과 보기엔진의 에너지 효율을 최적화하는 시스템에 있어서: 주기엔진, 보기엔진, 폐열회수기로 발전하는 발전수단; 주기엔진에 의한 추진력과 선내에서 생성되는 발전량을 검출하는 검출수단; 및 상기 발전수단과 검출수단의 신호를 입력하여 주기엔진과 보기엔진의 SFOC을 통합적으로 조절하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 주기엔진과 보기엔진에 대한 출력부하별 SFOC 데이터를 저장하고 설정된 주기로 갱신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 발전수단에 연결되어 전력을 저장하고 인출하는 축전지를 더 구비하여 SFOC의 감소를 도모하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일면에 의하면, 청구항 1의 시스템을 이용하여 에너지 효율을 최적화하는 방법에 있어서, 각 구성요소의 출력부하별 SFOC 기준치를 수집하는 단계(S10); 요구되는 추진력과 발전량을 입력하는 단계(S20); 각 구성요소의 출력부하와 SFOC의 조합을 도출하는 단계(S30); 출력부하-SFOC 조합 중에서 최적치를 선택하는 단계(S40); 및 각 구성요소를 최적치로 운전하는 단계(S50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구성요소는 주기엔진, 주기엔진의 샤프트발전기모터, 보기엔진, 보기엔진의 제너레이터, 폐열회수기의 제너레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20은 선속, 주기엔진의 회전수, 부하감지센서 중 적어도 하나로 추진력을 산출하고, 구성요소에 설치되는 발전감지센서로 발전량을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S30 내지 S50은 요구되는 추진력과 발전량을 만족하면서 최소한의 SFOC로 구동하도록 설정된 알고리즘을 기반으로 진행되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, FOC 측면에서 메인엔진, WHRS, 샤프트 발전기/모터, 발전엔진의 부하를 최적으로 배분하여 최소한의 연료로 같은 출력의 같은 전력을 생산하므로 연료절감과 환경오염물질 배출을 줄이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 최적화 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 최적화 방법의 주요 단계를 나타내는 플로우차트
도 3은 본 발명에 따른 최적화 방법의 작동 개념을 나타내는 그래프
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일면에 의하면, 선박의 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 에너지 효율을 최적화하는 시스템에 관하여 제안한다. 주기엔진(ME)은 프로펠러와 연결되는 동시에 샤프트발전기모터(SG/SM)를 지닌다. 보기엔진(GE)은 다수로 설치되고 각각의 제너레이터(G)를 지닌다.
본 발명에 따르면 발전수단이 주기엔진(ME), 보기엔진(GE), 폐열회수기(10)로 발전하는 구조이다. 도 1은 주기엔진(ME)이 샤프트발전기모터(SG/SM)로 발전하고, 보기엔진(GE)이 제너레이터(G)로 발전하고, 폐열회수기(10)이 제너레이터(G)로 발전하는 상태를 예시한다. 이러한 각각의 구성요소에서 생성된 전기는 선박의 전력부하(LE)로 활용된다. 주기엔진(ME)의 배기가스는 폐열회수기(10)로 송출되어 스팀을 생성하고 스팀터빈을 구동하는 동시에 이코노마이저(12)로 송출되어 선박의 스팀부하(LS)로 활용된다.
또, 본 발명에 따르면 검출수단이 주기엔진(ME)에 의한 추진력과 선내에서 생성되는 발전량을 검출하는 구조이다. 도 1에서 검출수단은 rpm센서(22), 부하감지센서(24), 발전감지센서(26)로 예시된다. rpm센서(22)는 주기엔진(ME)의 샤프트 회전수를 검출하고, 부하감지센서(24)는 전력부하(LE)를 검출하고, 발전감지센서(26)는 각 제너레이터(G)의 전력량을 검출한다.
또, 본 발명에 따르면 제어수단이 상기 발전수단과 검출수단의 신호를 입력하여 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 SFOC(Specific Fuel Oil Consumption)을 통합적으로 조절하는 구조이다. 제어수단은 마이크로프로세서, 메모리, I/O인터페이스를 지니는 마이컴 회로의 제어기(32)를 포함한다. 제어수단으로 제어기(32) 외에 통신부(34)와 DB서버(36)를 포함하여 구성할 수도 있다. 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 SFOC을 통합적으로 조절하는 알고리즘은 메모리에 탑재되며 후술하는 도 2 및 도 3을 참조하여 명확하게 이해될 수 있다.
이때, 시스템의 복잡성이 높아지는 경우 제어기(32)는 상당량의 데이터를 통신부(34)를 통하여 DB서버(36)에서 인출 및 저장할 수 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)에 대한 출력부하별 SFOC 데이터를 저장하고 설정된 주기로 갱신하는 것을 특징으로 한다. 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 출력부하별 SFOC(Specific Fuel Rate) 데이터는 도 3에 예시되는 그래프에 해당한다. 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)은 포인트 A에서 포인트 B로 갈수록 SFOC이 줄어든다. 다만 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 노후화 등의 원인으로 SFOC 데이터를 업데이트하는 것이 바람직하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 발전수단에 연결되어 전력을 저장하고 인출하는 축전지(15)를 더 구비하여 SFOC의 감소를 도모하는 것을 특징으로 한다. 축전지(15)는 엔진의 SFOC 감소를 시도하는 과정에서 유휴 동력을 전기로 생성하여 저장하며, 추진력이나 전력부하(LE)의 급격한 증가시에 전력을 제공하여 엔진의 SFOC 증가를 억제한다.
본 발명의 다른 일면에 의하면, 청구항 1의 시스템을 이용하여 에너지 효율을 최적화하는 방법에 관하여 제안한다. 전술한 주기엔진(ME), 샤프트발전기모터(SG/SM), 보기엔진(GE), 폐열회수기(10), 제너레이터(G) 등과 더불어 검출수단과 제어수단의 동일성을 유지한다.
본 발명의 단계 S10은 각 구성요소의 출력부하별 SFOC 기준치를 수집하는 과정으로 진행된다. 도 3에 예시하는 그래프와 같은 기준치 데이터가 제어기(32)의 메모리에 저장되고 주기적으로 갱신된다. 다수의 보기엔진(GE)에 있어서도 출력부하별 SFOC 기준치는 각각 다르게 설정된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구성요소는 주기엔진(ME), 주기엔진(ME)의 샤프트발전기모터, 보기엔진(GE), 보기엔진(GE)의 제너레이터, 폐열회수기(10)의 제너레이터를 포함하는 것을 특징으로 한다. SFOC 데이터는 기본적으로 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)에 직접 관련되는 것이나, 샤프트발전기모터와 다수의 제너레이터에 의한 간접적인 영향을 고려하는 것이 좋다.
본 발명의 단계 S20은 요구되는 추진력과 발전량을 입력하는 과정으로 진행된다. 요구되는 추진력과 발전량은 제어기(32)의 메모리에 설정된 주기로 저장되고 갱신된다. 요구 추진력은 기본적으로 주기엔진(ME)에 의하여 감당하지만 샤프트발전기모터(SG/SM)와 제너레이터들이 병용된다. 요구 발전량은 기본적으로 제너레이터들이 감당하지만 주기엔진(ME)의 샤프트발전기모터(SG/SM)와 축전지(15)가 병용된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S20은 선속, 주기엔진(ME)의 회전수, 부하감지센서(24) 중 적어도 하나로 추진력을 산출하고, 구성요소에 설치되는 발전감지센서(26)로 발전량을 산출하는 것을 특징으로 한다. 추진력은 오퍼레이터가 요구하는 선속이나 rpm센서(22)의 신호를 이용하여 연산할 수 있다. 발전량은 다수의 제너레이터에 설치된 발전감지센서(26)의 신호를 개별적으로 입력하여 통합적으로 연산할 수 있다. 이외에 발전량의 산출에 부하감지센서(24)의 신호를 대체적/병행적으로 이용할 수도 있다.
본 발명의 단계 S30은 각 구성요소의 출력부하와 SFOC의 조합을 도출하는 과정으로 진행된다. 본 발명의 시스템의 경우에는 주기엔진(ME)에서 추진/발전을 수행할 수 있고, 보기엔진(GE) 등의 제너레이터를 통하여 추진/발전을 수행할 수 있다. 이에, 필요한 추진력과 발전력(발전량)을 만족하기 위한 방법의 조합이 여러 개가 존재할 수 있다. 특정의 요구 추진력에서 주기엔진(ME)의 부담을 각각 60%, 70%, 80%, 90%로 유지하는 조건마다 폐열회수기(10)와 보기엔진(GE)이 분담하는 부하의 조합이 다수로 설정될 수 있고, 특정의 요구 발전력에서 보기엔진(GE)이 감당하는 부담을 각각 60%, 70%, 80%, 90%로 유지하는 조건마다 주기엔진(ME)과 폐열회수기(10)가 분담하는 조합이 다수로 설정될 수 있다. 물론 폐열회수기(10)가 주기엔진(ME)에 종속되어 비례적 관계를 유지하므로 조합의 수를 어느 정도의 범위로 한정할 수 있다.
본 발명의 단계 S40은 출력부하-SFOC 조합 중에서 최적치를 선택하는 과정으로 진행된다. 전술한 것처럼 각각의 구성요소는 부하별로 SFOC 효율이 다르다. 그러므로 요구되는 추진력과 발전력을 생성하는 데에 최소한의 FOC로 구동하는 최적의 조합을 선택해야 한다. 선박의 운항중에 요구되는 추진력과 발전력이 변동되는 것에 연동하여 최적치를 변경한다. 이와 같이 하여 운항중에 축적된 데이터는 출력부하-SFOC 조합의 수를 점차 한정시켜 연산 시간을 축소할 수 있다.
본 발명의 단계 S50은 각 구성요소를 최적치로 운전하는 과정으로 진행된다. 제어기(32)는 선택된 조합의 조건으로 각 구성요소의 부하를 조절하며, 이는 단계 S20에서 입력된 요구 추진력과 발전량에 대응하여 연동된다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 단계 S30 내지 S50은 요구되는 추진력과 발전량을 만족하면서 최소한의 SFOC로 구동하도록 설정된 알고리즘을 기반으로 진행되는 것을 특징으로 한다. 이러한 알고리즘은 시스템 구성요소의 출력별 연료소비량을 파악하고 있다가, 요구되는 추진력과 전력을 생산할 수 있는 시스템 부하 조합을 만들고, 각 조합별로 연료 소비량을 파악하여 이 중 최소의 연료소비가 되는 조합을 선정하여 운전하는 일련의 서브루틴 프로그램이다.
이에, 도 3에 예시하듯이 주기엔진(ME)의 부하를 줄이고 보기엔진(GE)의 부하를 올려 동일한 추진력과 발전력을 충당할 수 있다. 즉, 변경된 운전조건 B가 변경전 운전조건 A에 비해 LOAD-FOC 효율이 높다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
ME: 주기엔진 GE: 보기엔진
G: 제너레이터 LS; 스팀부하
LE: 전력부하 10: 폐열회수기(WHRS)
12: 이코노마이저 15: 축전지
22: rpm센서 24: 부하감지센서
26: 발전감지센서 32: 제어기
34: 통신부 36: DB서버

Claims (7)

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  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 선박의 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 에너지 효율을 최적화하는 시스템으로서, 주기엔진(ME)의 샤프트발전기모터, 보기엔진(GE)의 제너레이터, 폐열회수기(10)의 제너레이터로 발전하는 발전수단; 주기엔진(ME)에 의한 추진력과 선내에서 생성되는 발전량을 검출하는 검출수단; 및 상기 발전수단과 검출수단의 신호를 입력하여 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)의 SFOC을 통합적으로 조절하는 제어수단;을 포함하고, 상기 제어수단은 주기엔진(ME)과 보기엔진(GE)에 대한 출력부하별 SFOC 데이터를 저장하고 설정된 주기로 갱신하며, 발전수단에 연결되어 전력을 저장하고 인출하는 축전지(15)를 더 구비하여 SFOC의 감소를 도모하는 선박 에너지 효율 최적화 시스템을 이용하여 에너지 효율을 최적화하는 방법에 있어서,
    각 구성요소의 출력부하별 SFOC 기준치를 수집하는 단계(S10);
    요구되는 추진력과 발전량을 입력하는 단계(S20);
    각 구성요소의 출력부하와 SFOC의 조합을 도출하는 단계(S30);
    출력부하-SFOC 조합 중에서 최적치를 선택하는 단계(S40); 및
    각 구성요소를 최적치로 운전하는 단계(S50);를 포함하여 이루어지되,
    상기 구성요소는 주기엔진(ME), 주기엔진(ME)의 샤프트발전기모터, 보기엔진(GE), 보기엔진(GE)의 제너레이터, 폐열회수기(10)의 제너레이터를 포함하고,
    상기 단계 S20은 선속, 주기엔진(ME)의 회전수, 부하감지센서(24) 중 적어도 하나로 추진력을 산출하고, 구성요소에 설치되는 발전감지센서(26)로 발전량을 산출하며,
    상기 단계 S30 내지 S50은 요구되는 추진력과 발전량을 만족하면서 최소한의 SFOC로 구동하도록 설정된 알고리즘을 기반으로 진행되는 것을 특징으로 하는 선박 에너지 효율 최적화 방법.
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