KR102253293B1 - 기관실 급기 시스템 - Google Patents

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KR102253293B1
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겐이치 시바타
히로유키 야마모토
유이치 후지와라
유키 후지이
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츠네이시 조센 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 선외로부터 직접 공기를 흡인하는 주기관과, 주기관의 배열(排熱) 및 버너에 의해 증기를 생성하는 보일러를 구비한 선박에 있어서, 외기온 저하 시의 주기관과 보일러의 합산의 연비를 개선할 수 있는 기관실 급기 시스템을 제공한다.
[해결수단] 주기관(10)과, 주기관(10)의 배열 및 버너(25)에 의해 증기를 생성하는 보일러(20)를 구비한 선박의 기관실 급기 시스템으로서, 선외로부터의 공기(6)를 인입하기 위한 선외 급기구(5)와, 선외 급기구(5)로부터 인입한 공기(6)를 주기관(10)에 직접 공급하기 위한 급기 경로(50)와, 급기 경로(50)에 마련된, 기관실 내부로부터의 공기(9)를 인입하기 위한 기관실내 급기구(8)와, 선외로부터의 공기(6)와 기관실 내부로부터의 공기(9)의 혼합 비율을 조정하는 조정 수단(30)과, 주기관(10)의 연비와 보일러(20)의 연비를 합산한 연비가 향상되도록 조정 수단(30)을 제어하는 제어 수단(40)을 갖는다.

Description

기관실 급기 시스템{ENGINE ROOM AIR SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 선박의 기관실 급기 시스템에 관한 것이다.
종래, 선박의 기관실에 설치된 주기관은, 기관실 내부의 공기를 흡입하면서 가동되고 있다. 그리고, 기관실에 공기를 공급하기 위해 급기팬이 마련되어, 선외의 공기를 인입하도록 되어 있다.
그러나, 통상, 기관실 내부의 공기는 기기로부터의 방열에 의해 일반적으로 외기보다 온도가 높아지고, 배에 따라서는 10℃ 정도 높아지는 케이스도 있다. 또한, 급기팬이 고장나면 주기관에 공기가 공급되지 않아, 주기관의 운행에 지장을 초래한다.
이에 대하여, 특허문헌 1에는, 윙부와 윙 필러부를 갖는 선박의 기관실에의 급기 구조에 관한 발명이 기재되어 있다. 그리고, 선외로부터 공기를 인입하기 위한 급기구를 윙 필러부에 마련하고, 인입한 공기를 윙 필러부의 내부의 급기 경로를 경유하여 주기관의 공기 흡입구에 직접 공급하도록 되어 있다. 이에 의해, 공기 도입용의 급기팬을 마련하는 일 없이, 기관실 내부보다 저온으로 청정한 공기를 주기관에 공급하여, 주기관의 연비를 향상시키도록 되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-119368호 공보
그런데, 선박의 기관실 내에는, 주기관의 배열(排熱)을 이용하여 증기를 생성하는 보일러가 설치되어 있고, 선내에서의 증기 수요에 대응하도록 되어 있다. 이러한 보일러는, 주기관의 배출 가스량이나 배출 가스 온도에 따라서는, 충분한 증기를 생성할 수 없기 때문에, 선내 수요에 대응하기 위해 부족분의 증기를 버너에 의한 재가열에 의해 생성하도록 되어 있다.
한편, 특허문헌 1에 기재된 발명과 같이, 선외로부터 인입한 공기를 주기관의 공기 흡입구에 직접 공급하도록 구성한 경우, 겨울철 등 외기온 저하 시에는, 주기관에 공급되는 급기 온도의 저하와 함께 주기관의 배출 가스 온도도 저하하여, 주기관의 배열만으로는 보일러로 충분한 증기를 생성할 수 없게 되어 버려, 보일러의 압력이 저하하여 버너에 의한 재가열이 필요해지기 때문에, 주기관과 보일러의 합산의 연비 악화가 염려된다.
본 발명은 상기 종래의 과제를 해결하는 것이며, 선외로부터 직접 공기를 흡인하는 주기관과, 주기관의 배열 및 버너에 의해 증기를 생성하는 보일러를 구비한 선박에 있어서, 외기온 저하 시의 주기관과 보일러의 합산의 연비를 개선할 수 있는 기관실 급기 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 기관실 급기 시스템은, 주기관과, 상기 주기관의 배열 및 버너에 의해 증기를 생성하는 보일러를 구비한 선박의 기관실 급기 시스템으로서, 선외로부터의 공기를 인입하기 위한 선외 급기구와, 상기 선외 급기구로부터 인입한 공기를 상기 주기관에 직접 공급하기 위한 급기 경로와, 상기 급기 경로에 마련된, 기관실 내부로부터의 공기를 인입하기 위한 기관실내 급기구와, 상기 선외로부터의 공기와 상기 기관실 내부로부터의 공기의 혼합 비율을 조정하는 조정 수단과, 상기 주기관의 연비와 상기 보일러의 연비를 합산한 연비가 향상되도록 상기 조정 수단을 제어하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제어 수단이, 상기 보일러의 압력에 기초하여 상기 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제어 수단이, 상기 주기관의 급기 온도에 기초하여 상기 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 제어 수단이, 상기 주기관의 배출 가스량, 배출 가스 온도 및 부하 중 적어도 하나에 기초하여 상기 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게는, 상기 선외 급기구가, 윙 필러부에 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기관실 급기 시스템은, 주기관과, 주기관의 배열 및 버너에 의해 증기를 생성하는 보일러를 구비한 선박의 기관실 급기 시스템이다. 그리고, 선외로부터의 공기를 선외 급기구로부터 인입하고, 선외 급기구로부터 인입한 공기를 급기 경로에 의해 주기관에 직접 공급하도록 되어 있다. 또한, 급기 경로에는 기관실 내부로부터의 공기를 인입하기 위한 기관실내 급기구가 마련되어 있고, 선외로부터의 공기와 기관실 내부로부터의 공기의 혼합 비율을 조정 수단으로 조정하도록 되어 있다. 또한, 주기관의 연비와 보일러의 연비를 합산한 연비가 향상되도록 제어 수단이 조정 수단을 제어하도록 되어 있다. 따라서, 외기온 저하 시에 주기관의 배출 가스 온도가 저하하여 보일러의 버너에 의한 재가열이 필요해진 경우에, 기관실 내부의 공기의 혼합 비율을 높여 주기관으로의 급기 온도를 상승시켜 배출 가스 온도를 상승시킴으로써, 보일러의 버너에 의한 재가열을 억제하여 주기관과 보일러의 합산의 연비를 개선할 수 있다.
또한, 제어 수단이, 보일러의 압력에 기초하여 조정 수단을 제어하도록 한 경우에는, 보일러의 압력을 판단 기준으로 하여, 합산의 연비가 향상되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어 수단이, 주기관의 급기 온도에 기초하여 조정 수단을 제어하도록 한 경우에는, 주기관의 급기 온도를 판단 기준으로 하여, 합산의 연비가 향상되도록 제어할 수 있다.
또한, 제어 수단이, 주기관의 배출 가스량, 배출 가스 온도 및 부하 중 적어도 하나에 기초하여 조정 수단을 제어하도록 한 경우에는, 주기관의 배출 가스량, 배출 가스 온도 및 부하 중 적어도 하나를 판단 기준으로 하여, 합산의 연비가 향상되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기관실 급기 시스템에 따르면, 선외로부터 직접 공기를 흡인하는 주기관과, 주기관의 배열 및 버너에 의해 증기를 생성하는 보일러를 구비한 선박에 있어서, 외기온 저하 시의 주기관과 보일러의 합산의 연비를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템을 구비한 선박의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템의 구성도이다.
도 3은 종래예에 따른 기관실 급기 시스템의 구성도이다.
도 4는 연비의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
다음에, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템에 대해서 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템을 구비한 선박(100)의 모식도이다. 또한 도 1은 선박(100)의 거주구 부분을 후방에서 보면서 수직 방향으로 둥글게 자른 상태를 나타내고 있다.
선박(100)의 상갑판 상에는, 조타실이나 선원의 거실 등을 갖는 거주구(1)가 설치되어 있다. 거주구(1)로부터 선폭 방향에는, 좌현 및 우현을 향하여, 윙부(2, 2)가 돌출되어 있다. 또한, 윙부(2, 2)를 하방으로부터 지지하기 위해, 윙부(2, 2)와 상갑판 상부 사이에는, 윙 필러부(3, 3)가 설치되어 있다. 도 1에 나타낸 윙 필러부는, 1개의 기둥형 부재이지만, 이러한 구성에 한정되지 않고, 예컨대 2개의 기둥형 부재를 접사다리와 같은 팔(八)자로 배치한 구성으로 하는 등 그 형상은 여러 가지이다.
윙 필러부(3, 3) 중 한쪽(우현측: 도 1의 우측)의 윙 필러부(3)의 상부에는, 선외 급기구(5)가 마련되어 있다. 선외 급기구(5)는, 윙 필러부(3)의 전면(선박의 진행 방향측의 면)에 마련함으로써, 선박 항행 중에 받는 바람을 선외 급기구(5)로부터 유입하기 쉬워지기 때문에 바람직하다. 단, 본 실시형태에 있어서는, 후술하는 바와 같이 주기관이 선외로부터 직접 공기를 흡입하기 때문에, 반드시 전면에 마련할 필요는 없고, 측면이나 후면이어도 좋다. 또한, 선외 급기구(5)의 높이는, 해수 비말의 혼입을 억제하기 위해, 상부에 마련하는 것이 바람직하다.
윙 필러부(3)의 내부는 공동(空洞)으로 되어 있고, 선외 급기구(5)로부터 인입된 공기의 통로로 되어 있다. 윙 필러부(3)의 하단부는, 상갑판의 하방에 매설된 급기관(7)의 일단에 접속되어 있다. 그리고, 급기관(7)의 타단이 기관실(60)의 내부와 통하고 있다. 기관실(60)에는, 주기관(10)이 설치되어 있다. 주기관(10)에는 연소용 공기를 흡입하기 위한 공기 흡입구(도시하지 않음)가 마련되어 있고, 급기관(7)과 공기 흡입구가, 접속관(도시하지 않음)에 의해 직접 접속되어 있다. 이와 같이, 윙 필러부(3)와 급기관(7)에 의해, 선외 급기구(5)로부터 인입한 공기를 주기관(10)에 직접 공급하기 위한 급기 경로(50)가 구성되어 있다.
주기관(10)의 운행 시에는, 선외 급기구(5), 윙 필러부(3), 급기관(7), 접속관을 경유하여, 선외의 공기가 주기관(10)의 공기 흡입구에 직접 공급된다. 또한, 기관실(60) 내부의 공기는, 굴뚝(4)을 경유하여 선외로 배출된다.
기관실(60) 내에 있어서의 급기 경로(50)의 도중에는, 기관실 내부로부터의 공기(9)를 인입하기 위한 기관실내 급기구(8)가 마련되어 있다. 기관실내 급기구(8)에는, 후술하는 조정 수단(3방 전환 댐퍼)이 마련되어 있고, 기관실 내부로부터의 공기(9)를 급기 경로(50)에 유입시켜, 선외 공기(6)와 기관실내 공기(9)를 혼합시킴으로써 혼합 비율을 조정할 수 있도록 되어 있다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템의 구성도이다. 선외 급기구(5)로부터 인입된 선외 공기(6)는, 급기 경로(50)를 경유하여 주기관(10)에 공급된다. 또한, 급기 경로(50)에 마련된 기관실내 급기구(8)로부터 인입된 기관실내 공기(9)도 급기 경로(50)를 경유하여 주기관(10)에 공급된다. 기관실내 급기구(8)에는, 조정 수단으로서 3방 전환 댐퍼(30)가 마련되어 있어, 주기관(10)에 공급되는 선외 공기(6)와 기관실내 공기(9)의 혼합 비율을 조정할 수 있게 되어 있다.
주기관(10)으로부터 배출된 배출 가스(11)는, 보일러(20)를 경유한 후에 배출된다. 보일러(20)는, 펌프(22)에 의해 증기 드럼(21)에 공급된 물로부터, 배출 가스(11)의 배열에 의해 증기를 생성한다. 생성된 증기는, 선내의 증기 수요에 보내져 사용된다.
압력 스위치(24)는, 증기 드럼(21) 내의 압력을 검출하여, 미리 정해진 압력 이하가 된 경우에, 재가열 수단인 버너(25)를 가동시킨다. 또한, 압력 컨트롤러(26)는, 증기 드럼(21) 내의 압력을 검출하고, 필요에 따라 덤프 밸브(27)를 개폐한다.
압력 변환기(28)는, 증기 드럼(21) 내의 압력을 검출하고, 검출한 압력을 제어용의 전류 신호로 변환한다. 그리고, 변환된 제어용 신호에 기초하여, 제어 수단(40)이 조정 수단(30)(3방 전환 댐퍼)의 제어를 행한다. 제어 수단(40)의 제어는, 주기관(10)의 연비와 보일러(20)의 연비를 합산한 연비가 향상되도록 행해진다.
합산한 연비를 향상시키기 위해서는, 예컨대, 증기 드럼(21) 내의 압력을 감시하면서, 버너(25)를 극력 기동시키지 않도록 댐퍼 제어함으로써 행할 수 있다. 즉, 보일러(20)의 재가열이 발생하는[버너(25)를 기동시킬 필요가 있는] 증기 드럼(21) 내의 압력을 기준 압력으로 하여, 조정 수단(30)(3방 전환 댐퍼)의 개방도를 비례 제어하여, 기준 압력보다 내려가면 기관실내 공기(9)로부터의 급기를 늘리고, 기준 압력보다 올라가면 선외 급기(6)의 급기를 늘리도록 하면 좋다.
도 3은 종래예에 따른 기관실 급기 시스템의 구성도이다. 본 실시형태와 비교하면, 기관실내 급기구(8), 조정 수단(3방 전환 댐퍼)(30), 제어 수단(40)이 마련되어 있지 않고, 주기관(10)에는 선외 급기구(5)로부터의 선외 공기(6)만이 공급되도록 되어 있다.
[실시예]
도 4에 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 실시예를 나타낸다. 시뮬레이션 조건은 이하와 같다.
<주기 연비>
I.S.O. 조건(기관실 온도: 25℃, 냉각수 온도: 25℃)에 있어서의 주기 연비율을 베이스로 하여, 외기온(=흡기 온도)의 변화를 주기 연비율에 고려하여 주기 연비로서 산출하였다.
<보일러 연비>
주기 부하: C.S.O.(상용 항해 속력), 기관실 온도: 25℃에 있어서의 주기의 배출 가스량·온도로부터 보일러를 선정하였다. 선내 필요 증기량은 상용 항해 중(주기 부하 C.S.O.) 또한 겨울철의 온도 조건(외기온: 2℃, 해수: 5℃, 기관실 온도: 25℃)으로 산출하였다.
외기온을 그래프에 기재된 온도로 한 경우의 주기 배출 가스량·온도에 대하여, 선정한 보일러로부터 얻어지는 증기량을 확인하고, 선내 필요 증기량에 대한 부족분을 산출하여 재가열에 의한 연비 악화분으로서 계상하여 그래프를 작성하였다.
<실시예>
도 2에 나타내는 구성(본 발명의 실시형태)의 기관실 급기 시스템
<비교예 1>
도 3에 나타내는 구성(종래예)의 기관실 급기 시스템(선외 공기만을 흡입)
<비교예 2>
통상의 기관실 급기 시스템(기관실내 공기만을 흡입)
도 4에 나타내는 바와 같이, 실시예는 외기온이 낮은 조건부터 높은 조건까지 양호한 연비인 데 대하여, 비교예 1은 외기온이 낮은 경우의 연비가 악화되고, 비교예 2는 외기온이 높은 경우의 연비가 악화되는 것을 알았다.
본 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템은, 주기관(10)과, 주기관(10)의 배열 및 버너(25)에 의해 증기를 생성하는 보일러(20)를 구비한 선박(100)의 기관실 급기 시스템이다. 그리고, 선외로부터의 공기를 선외 급기구(5)로부터 인입하고, 선외 급기구(5)로부터 인입한 공기를 급기 경로(50)에 의해 주기관(10)에 직접 공급하도록 되어 있다. 또한, 급기 경로(50)에는 기관실 내부로부터의 공기를 인입하기 위한 기관실내 급기구(8)가 마련되어 있고, 선외로부터의 공기와 기관실 내부로부터의 공기의 혼합 비율을 조정 수단(30)으로 조정하도록 되어 있다. 또한, 주기관(10)의 연비와 보일러(20)의 연비를 합산한 연비가 향상되도록 제어 수단(40)이 조정 수단(30)을 제어하도록 되어 있다. 따라서, 외기온 저하 시에 주기관(10)의 배출 가스 온도가 저하하여 보일러(20)의 버너(25)에 의한 재가열이 필요해진 경우에, 기관실 내부의 공기의 혼합 비율을 높여 주기관(10)으로의 급기 온도를 상승시켜 배출 가스 온도를 상승시킴으로써, 보일러(20)의 버너(25)에 의한 재가열을 억제하여 연비를 개선할 수 있다.
또한, 제어 수단(40)이, 보일러(20)의 압력에 기초하여 조정 수단을 제어함으로써, 보일러(20)의 압력을 판단 기준으로 하여, 합산의 연비가 향상되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템에 따르면, 선외로부터 직접 공기를 흡인하는 주기관과, 주기관의 배열 및 버너에 의해 증기를 생성하는 보일러를 구비한 선박에 있어서, 외기온 저하 시의 주기관과 보일러의 합산의 연비를 개선할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태에 따른 기관실 급기 시스템에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 그 외 여러 가지의 변경이 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는, 선외 급기구를 윙 필러부에 마련하였지만, 선외로부터의 공기를 인입할 수 있는 것이면 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 제어 수단이 조정 수단을 제어하는 경우의 판단 기준을 보일러 압력으로 하였지만, 그 외에도 주기관의 급기 온도, 주기관의 배출 가스량, 배출 가스 온도, 부하 등으로 할 수도 있다. 그 경우에는, 주기관의 급기 온도, 주기관의 배출 가스량, 배출 가스 온도, 부하 등에 대하여, 보일러(20)의 재가열이 발생하는[버너(25)를 기동시킬 필요가 있는] 기준값을 설정하고, 기준값을 상회하는지 하회하는지에 따라, 조정 수단(30)(3방 전환 댐퍼)의 개방도를 비례 제어하면 좋다.
1 거주구
2 윙부
3 윙 필러부
4 굴뚝
5 선외 급기구
6 선외 공기
7 급기관
8 기관실내 급기구
9 기관실내 공기
10 주기관
11 배출 가스
20 보일러
21 증기 드럼
22 펌프
23 물 또는 증기
24 압력 스위치
25 재가열 수단(버너)
26 압력 컨트롤러
27 덤프 밸브
28 압력 변환기
30 조정 수단(3방 전환 댐퍼)
40 제어 수단
50 급기 경로
60 기관실
100 선박

Claims (4)

  1. 주기관과, 이 주기관의 배열(排熱) 및 버너에 의해 증기를 생성하는 보일러를 구비한 선박의 기관실 급기 시스템으로서,
    선외로부터의 공기를 인입하기 위한 선외 급기구와, 이 선외 급기구로부터 인입한 공기를 상기 주기관에 직접 공급하기 위한 급기 경로와, 이 급기 경로에 마련된, 기관실 내부로부터의 공기를 인입하기 위한 기관실내 급기구와, 상기 선외로부터의 공기와 상기 기관실 내부로부터의 공기의 혼합 비율을 조정하는 조정 수단과, 상기 주기관의 연비와 상기 보일러의 연비를 합산한 연비가 향상되도록 상기 조정 수단을 제어하는 제어 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 기관실 급기 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 보일러의 압력에 기초하여 상기 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 기관실 급기 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 주기관의 급기 온도에 기초하여 상기 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 기관실 급기 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 주기관의 배출 가스량, 배출 가스 온도 및 부하 중 적어도 하나에 기초하여 상기 조정 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 기관실 급기 시스템.
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