KR101990469B1

KR101990469B1 - 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템

Info

Publication number: KR101990469B1
Application number: KR1020180006944A
Authority: KR
Inventors: 서현덕; 전경용
Original assignee: 주식회사 동화엔텍
Priority date: 2018-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2019-06-18
Also published as: CN108528672B; CN108528672A

Abstract

본 발명은 해수펌프가 설치되어 해수가 순환되는 해수공급라인과, 상기 해수공급라인과 청수쿨러에 의해 열교환되고 선박의 발열장치에 청수가 순환되게 하는 청수펌프가 설치되며 선박의 발열장치에 공급되는 청수의 온도를 일정하게 유지되게 하는 제1온도제어밸브가 설치되는 청수공급라인과, 상기 청수공급라인의 제1온도제어밸브 입구에서 분기되고 선박의 메인엔진에 청수가 순환되게 쿨러펌프가 설치되며 선박의 메인엔진에 공급되는 청수의 온도를 상기 제1온도제어밸브보다 상대적으로 낮게설정되어 일정하게 유지되게 하는 제2온도제어밸브가 설치되는 메인엔진쿨러라인으로 구성된 선박 냉각 시스템에 있어서, 상기 해수공급라인에 설치되어 해수의 온도를 감지하는 해수온도센서와; 상기 청수공급라인에 설치되어 청수의 온도를 감지하는 청수온도센서와; 상기 청수온도센서의 온도값과 상기 해수온도센서의 온도값을 입력받아 상기 온도값의 차이값을 산출하며, 상기 차이값을 기설정된 설정값과 비교하여 상기 설정값에 도달되도록 상기 해수펌프의 작동을 제어하여 상기 쿨러펌프 연료 소모량과 해수펌프의 연료 소모량의 비율을 조절되게 하는 컨트롤러;가 포함되는 것을 특징으로 하는 선박 연료절감을 위한 냉각 시스템을 제공한다.

Description

연료절감을 위한 선박 냉각 시스템{Ship cooling system for saving fuel energy}

본 발명은 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템에 관한 기술로, 메인엔진의 소기 쿨러로 공급되는 냉각수용 청수 온도를 낮게하여 메인엔진 연소 효율 향상시키되, 해수펌프를 가동하는 디젤 발전기의 연료 소모량을 적절히 조절하여 메인엔진과 디젤발전기의 연료소모량에 따른 총 비용을 절감할 수 있는 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템이다.

선박은 운항을 위해 메인엔진(Main Engine), 디젤엔진(Diesel engine), 전동기(motor) 등 다양한 장치들이 작동되게 되며 그에 따른 열이 필수적으로 발생하게 된다. 각 장치의 안정적인 작동을 위해 냉각이 필요하게 되며, 선박에는 통합적으로 냉각을 관리하기 위한 냉각 시스템이 설치되게 된다.

통상적으로 선박의 냉각시스템은 장치의 부식 문제로 청수(fresh water)를 이용하며, 청수는 해수(sea water)와 열교환하여 적절히 냉각하여 사용하게 된다.

도 1은 종래의 선박에 사용되는 선박의 중앙 집중 냉각 시스템을 도시하였다.

도 1을 참조하면, 냉각시스템은 해수펌프(13), 청수펌프(11), 열교환기(12), 발열장치(18)로 구성되며, 청수는 각각의 발열장치(18)로 공급되어 냉각기능을 수행하게 된다.

여기서, 해수의 최고 온도는 32℃와 냉각효율을 고려하여 발열장치로 공급되는 청수의 온도를 36℃로 유지되도록 설계되게 되며 온도제어밸브(15)에 의해 36℃로 유지할 수 있다.

여기서, 메인엔진에 공급되는 연소용 공기 온도가 낮을수록 엔진의 연소효율이 높아져 연료 소모량이 줄어 들게 되며, 별도의 온도제어밸브(19)가 설치될 수 있다.

그러나 종래와 같은 냉각시스템에서는 메인엔진에 낮은 온도의 청수를 공급할수록 메인엔진의 연소효율은 좋아지지만, 반대로 해수를 공급하는 디젤 발전기의 연료 소모량이 늘어나게 되는 문제점이 있다.

따라서 메인엔진에 연료 소모량과 디젤 발전기의 연료 소모량을 적절히 조절하여 연료소모량에 따른 총 비용을 절감할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

KR

10-1314066

B1

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 메인엔진의 연소 효율 향상을 위한 연료 소모량과, 해수펌프를 가동하는 디젤 발전기의 연료 소모량을 적절히 조절하여 연료소모량에 따른 총 비용을 절감할 수 있는 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템을 제공하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위해 본 발명은 해수펌프가 설치되어 해수가 순환되는 해수공급라인과, 상기 해수공급라인과 청수쿨러에 의해 열교환되고 선박의 발열장치에 청수가 순환되게 하는 청수펌프가 설치되며 선박의 발열장치에 공급되는 청수의 온도를 일정하게 유지되게 하는 제1온도제어밸브가 설치되는 청수공급라인과, 상기 청수공급라인의 제1온도제어밸브 입구에서 분기되고 선박의 메인엔진에 청수가 순환되게 쿨러펌프가 설치되며 선박의 메인엔진에 공급되는 청수의 온도를 상기 제1온도제어밸브보다 상대적으로 낮게 설정되어 일정하게 유지되게 하는 제2온도제어밸브가 설치되는 메인엔진쿨러라인으로 구성된 선박 냉각 시스템에 있어서, 상기 해수공급라인에 설치되어 해수의 온도를 감지하는 해수온도센서와; 상기 청수공급라인에 설치되어 청수의 온도를 감지하는 청수온도센서와; 상기 청수온도센서의 온도값과 상기 해수온도센서의 온도값을 입력받아 상기 온도값의 차이값을 산출하며, 상기 차이값을 기설정된 설정값과 비교하여 상기 설정값에 도달되도록 상기 해수펌프의 작동을 제어하여 상기 쿨러펌프 연료 소모량과 해수펌프의 연료 소모량의 비율을 조절되게 하는 컨트롤러;가 포함되는 것을 특징으로 하는 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템을 제공한다.

상기 해수온도센서는 상기 청수쿨러와 상기 해수펌프 사이에 설치되고, 상기 청수온도센서는 상기 청수쿨러와 상기 제1온도제어밸브 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1온도제어밸브는 36℃로 설정되며, 상기 제2온도제어밸브는 10℃로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 해수 온도가 10℃ 내지 31℃인 경우에는 상기 설정값이 2℃ 내지 6℃인 것을 특징으로 한다.

상기 해수 온도가 10℃ 미만인 경우에는 상기 청수 온도가 10℃로 유지되게 상기 해수펌프의 작동을 제어하고, 상기 해수 온도가 31℃ 초과인 경우에는 상기 청수 온도가 36℃로 유지되게 상기 해수펌프의 작동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 과제의 해결 수단에 제공된 구성에 의하면, 메인엔진에서 절감할 수 있는 연료소모량이 조금 줄어 들지만, 디젤발전기에서 절감한 연료 소모량을 합산할 경우 결과적으로 연료소모량에 따른 총 비용을 줄일 수 있다.

도 1은 종래에 따른 연료유 절감을 위한 중앙 집중 냉각 시스템의 구조도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템의 구조도.
도 3은 메인엔진에 공급되는 연소용 공기 온도에 따른 엔진의 연소효율을 나타낸 그래프.

본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템의 구조도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명인 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템은 해수공급라인(100), 청수쿨러(Fresh Water Cooler, 200), 청수공급라인(300), 메인엔진쿨러라인(400)으로 구성되는 선박 냉각 시스템에 있어서, 해수온도센서(500), 청수온도센서(600), 컨트롤러(controller,700)의 구성을 포함하는 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템을 제공한다.

상기 해수공급라인(100)은 해수펌프(sea water pump, 120)가 설치되어 해수(sea water)를 청수쿨러(200)로 순환시킬 수 있다.

여기서 상기 해수공급라인(100)에 설치된 해수펌프(120)는 해수가 청수쿨러(200)를 거치도록 순환시키는 것으로 하나 이상으로 구성된다. 상기 해수펌프(120)를 복수 개 설치함으로써 작동량을 조절하여 청수의 냉각 온도를 조절할 수 있다.

상기 청수공급라인(300)은 청수쿨러(200)를 통해 선박의 발열장치(A)에 청수(fresh water)를 공급하는 순환라인이다. 여기서 발열장치(A)는 냉각청수 시스템(Cooling Fresh Water System)에 사용되는 각종 기기류이다.

상세하게, 상기 청수공급라인(300)은 상기 해수공급라인(100)과 청수쿨러(200)에 의해 열교환되어 냉각되게 되고 선박의 발열장치(A)에 청수가 순환되게 하는 청수펌프(320)가 설치되며 선박의 발열장치(A)에 공급되는 청수의 온도를 일정하게 유지되게 하는 제1온도제어밸브(340)가 설치된다. 여기서 제1온도조절밸브(340)는 온도조절용 3방향 콘트롤 밸브(3way control valve)이며, 상기 제1온도제어밸브(340)는 36℃로 설정한다.

여기서, 통상적으로 해수의 최고 온도 32℃로 정의하여 설계하기 때문에 냉각 효율을 고려하여 발열장치(A)로 공급되는 청수의 온도를 36℃ 유지하도록 설계되고 있다.

상기 메인엔진쿨러라인(400)은 선박의 메인엔진(B) 상세하게 메인엔진의 소기(scavenge) 냉각을 위한 에어 쿨러(air cooler)에 청수를 공급하는 라인이다.

상세하게, 상기 메인엔진쿨러라인(400)은 상기 청수공급라인(300)의 제1온도제어밸브(340) 입구에서 분기되고 선박의 메인엔진(B)에 청수가 순환되게 쿨러펌프(420)가 설치되며 선박의 메인엔진에 공급되는 청수의 온도를 상기 제1온도제어밸브(340)보다 상대적으로 낮게 설정되어 일정하게 유지되게 하는 제2온도제어밸브(440)가 설치되게 된다. 여기서 제2온도제어밸브(440)는 3방향 콘트롤밸브(3way control valve)이다. 상기 제2온도제어밸브(440)는 10℃로 설정되어 상기 메인엔진(B)의 냉각을 위해 유지되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2온도제어밸브(440)를 10℃로 설정하는 이유는 메인엔진(B)에 공급되는 연소용 공기 온도가 낮을 수록 엔진의 연소 효율이 높아져 연료 소모량이 줄어 들게 되므로 10℃로 선박용 엔진 메이커사의 'MAN'에서 권고하고 있다.

도 3은 메인엔진에 공급되는 연소용 공기 온도에 따른 엔진의 연소효율을 나타낸 그래프이다. 가로축은 계약연속최대출력(SMCR, Specified Maximum Continuous Rating)이며, 세로축은 연료소비율(SFOC, Specific Fuel Oil Consumption),(g/kWh)이다. 통상 냉각수 용도로 36℃로 유지하는 것보다 10℃로 낮추는 경우 kwh당 2g의 연료를 절감할 수 있다.

그러나, 메인엔진의 소기 냉각으로 연료소비는 감소하지만 디젤엔진의 발전기의 연료 소모량이 많이 발생하게 되므로 메인엔진의 연료 소모량(쿨러펌프의 가동량)과 디젤엔진의 발전기의 연료 소모량(해수펌프의 가동량)을 조절하여 총 연료 소모량을 최소화하기 위해 조절이 필요한데 다음과 같이 도 2에서 해수온도센서(500), 청수온도센서(600) 및 컨트롤러(700)의 구성에 의해 해결할 수 있다.

상기 해수온도센서(500)는 상기 해수공급라인(100)에 설치되어 해수의 온도를 감지하여 상기 컨트롤러(700)로 신호를 전송한다. 여기서, 상기 해수온도센서(500)는 상기 청수쿨러(200)와 상기 해수펌프(120) 사이에 설치되어 상기 청수쿨러(200)로 유입되기 전 온도가 측정된다.

상기 청수온도센서(600)는 상기 청수공급라인(300)에 설치되어 청수의 온도를 감지하여 상기 컨트롤러(700)로 신호를 전송한다. 여기서 상기 청수온도센서(600)는 상기 청수쿨러(200)와 상기 제1온도제어밸브(340) 사이에 설치되어 청수쿨러(200)에 의해 열교환된 청수의 온도가 측정된다.

상기 컨트롤러(700)는 상기 청수온도센서(600)의 온도값과 상기 해수온도센서(500)의 온도값을 입력받아 상기 온도값의 차이값을 산출하며, 상기 차이값을 기설정된 설정값과 비교하여 상기 설정값에 도달되도록 상기 해수펌프의 작동을 제어하여 상기 쿨러펌프(420) 연료 소모량과 해수펌프(120)의 연료 소모량의 비율을 조절되게 할 수 있다.

여기서, 상기 컨트롤러(700)는 에너지 절감 컨트롤러(Energy Saving System Controller)이다.

여기서, 상기 해수 온도가 10℃ 내지 31℃인 경우에는 상기 설정값이 2℃ 내지 6℃인 것을 특징으로 한다. 즉, 청수의 온도가 해수의 온도보다 2℃ 내지 6℃(2℃,3℃,4℃,5℃,6℃)로 높게 되도록 설정하는 것이다.

즉, 상기 컨트롤러(700)는 청수의 온도를 해수의 온도보다 2℃ 내지 6℃도 높게 되도록 해수펌프(120)의 작동을 제어한다. 해수펌프(120)의 가동량이 많게 하면 온도차가 2℃로 줄게 되고 가동량을 상대적으로 작게 하면 6℃로 맞출 수 있다. 해수펌프(120)의 가동량은 해수펌프(120)를 작동하기 위한 디젤엔진의 연료 소모량과는 비례된다.

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이렇게 제어하는 이유는, 2℃ 내지 6℃ 만큼의 온도여유가 있기 때문에 해수펌프(120)는 그 만큼 전력량 소비가 줄어들어 디젤발전기 연료 소모량을 줄일 수 있기 때문이다. 이때 메인엔진에서 절감할 수 있는 연료소모량이 조금 줄어 들지만 디젤 발전기에서 절감한 연료 소모량을 합산할 경우 메인엔진에서만 연료소모량을 줄일때보다 훨씬 시너지 효과가 크다.

그리고, 1℃ 이하로 제어하는 것은 제어가 까다롭고 그 기능에 비해 디젤연료 감소량이 미미하고, 7℃ 이상으로 제어하는 것은 디젤연료 사용량이 많아져 총 합산 연료 소모량의 절감 효과가 크지 않다.

한편, 선박이 극지방으로 항해하는 경우 해수 온도가 10℃ 미만이 되는데, 이러한 경우에는 청수 온도를 10℃로 유지되도록 상기 해수펌프의 작동을 제어한다.

그리고 선박이 적도지방으로 항해하는 경우 상기 해수 온도가 31℃ 초과하게 되는데, 이러한 경우에는 상기 청수 온도가 36℃로 유지되게 상기 해수펌프의 작동을 제어한다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 특허청구범위의 보호범위에 속하는 것 으로 보아야 할 것이다.

100: 해수공급라인
120: 해수펌프
200: 청수쿨러
300: 청수공급라인
320: 청수펌프
340: 제1온도제어밸브
400: 메인엔진쿨러라인
420: 쿨러펌프
440: 제2온도제어밸브
500: 해수온도센서
600: 청수온도센서
700: 컨트롤러

Claims

해수펌프가 설치되어 해수가 순환되는 해수공급라인과, 상기 해수공급라인과 청수쿨러에 의해 열교환되고 선박의 발열장치에 청수가 순환되게 하는 청수펌프가 설치되며 선박의 발열장치에 공급되는 청수의 온도를 일정하게 유지되게 하는 제1온도제어밸브가 설치되는 청수공급라인과, 상기 청수공급라인의 제1온도제어밸브 입구에서 분기되고 선박의 메인엔진에 청수가 순환되게 쿨러펌프가 설치되며 선박의 메인엔진에 공급되는 청수의 온도를 상기 제1온도제어밸브보다 상대적으로 낮게설정되어 일정하게 유지되게 하는 제2온도제어밸브가 설치되는 메인엔진쿨러라인으로 구성된 선박 냉각 시스템에 있어서,
상기 해수공급라인에 설치되어 해수의 온도를 감지하는 해수온도센서와;
상기 청수공급라인에 설치되어 청수의 온도를 감지하는 청수온도센서와;
상기 청수온도센서의 온도값과 상기 해수온도센서의 온도값을 입력받아 상기 온도값의 차이값을 산출하며, 상기 차이값을 기설정된 설정값과 비교하여 상기 설정값에 도달되도록 상기 해수펌프의 작동을 제어하여 상기 쿨러펌프 연료 소모량과 해수펌프의 연료 소모량의 비율을 조절되게 하는 컨트롤러;가 포함되고,
상기 해수 온도가 10℃ 내지 31℃인 경우에는 상기 설정값이 청수의 온도가 해수의 온도보다 2℃ 내지 6℃ 높게 되도록 설정되어 상기 해수펌프의 작동을 제어하고,
상기 해수 온도가 10℃ 미만인 경우에는 상기 청수 온도가 10℃로 유지되게 상기 해수펌프의 작동을 제어하고,
상기 해수 온도가 31℃ 초과인 경우에는 상기 청수 온도가 36℃로 유지되게 상기 해수펌프의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 해수온도센서는 상기 청수쿨러와 상기 해수펌프 사이에 설치되고,
상기 청수온도센서는 상기 청수쿨러와 상기 제1온도제어밸브 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1온도제어밸브는 36℃로 설정되며,
상기 제2온도제어밸브는 10℃로 설정되는 것을 특징으로 하는 연료절감을 위한 선박 냉각 시스템.
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