KR20140078117A - 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일면에 의하면, 주기(10)의 자켓 워터를 쿨러(21)로 냉각하는 시스템에서 제1 및 제2 펌프(25)의 작동을 수행하는 장치에 있어서: 상기 자켓 워터를 냉각하는 쿨러(21)의 하류측에서 바이패스관(13)을 단속하는 3방향밸브(15); 상기 주기(10)에서 온도센서(31)와 압력센서(33)를 통하여 신호를 생성하고, 인버터(35)를 통하여 펌프(25)의 작동 전원을 인가하는 입출력수단(30); 및 상기 주기(10)의 부하별 자켓 워터의 순환량을 산출하고, 상기 온도센서(31)와 압력센서(33)의 신호를 입력하며, 산출값 및 입력값에 대응하여 설정된 조건으로 3방향밸브(15)와 제1 및 제2 펌프(25)를 구동하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 선박의 메인 엔진 부하에 연동하여 자켓 워터의 최적 순환량을 유지하도록 펌프의 속도변동을 구현함에 따라 에너지 절감에 기여하고 그린가스를 감소할 수 있는 효과가 있다.

Description

주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치 및 방법{Pump speed control Apparatus and Method for M/E jacket cooling system}

본 발명은 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박의 메인 엔진 부하와 무관하게 100%로 작동하는 자켓 냉각용 청수순환 펌프에 대한 제어 방식을 개선하여 속도변동을 통한 최적화 냉각 펌핑으로 에너지 절감에 기여하기 위한 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 선박의 메인 엔진(10)(또는 '주기'라 칭함)을 냉각하는 시스템은 자켓 워터(또는 '냉각수'라 칭함)가 출수되는 고온수관(11)과 입수되는 저온수관(12) 상에 쿨러(21), 프리히터(23), 조수기(27) 등을 구비하고 펌프(25)로 자켓 워터를 순환시킨다. 현재 주기(10)의 부하와 무관하게 자켓 워터의 냉각을 위해 펌프(25)를 100% 출력으로 가동하는 방식이 보편적이다. 최근 선박의 연료 사용량과 유해가스(그린가스) 배출을 감소하기 위한 노력의 하나로 저 로드 운전(low load operation) 방식 등이 대두되고 있다.

이와 관련되는 선행특허로서 한국 공개특허공보 제0725900호는 1차냉각유체인 해수의 온도를 감지하는 해수온도센서와; 2차냉각유체인 청수의 온도를 감지하는 청수온도센서와; 제어신호에 따라 정해진 전압과 주파수의 교류를 출력하는 인버터와; 상기 인버터에 의해 회전되어 해수를 선박내부로 유입시켜 상기 청수의 온도를 낮추는 인버터펌프와; 최적에너지 절약을 위해 청수냉각 계통에 설치된 바이패스 자동온도조절밸브와; 상기 센서로부터 온도신호를 받고 상기 인버터펌프의 작동을 제어하는 제어부로 구성된다.

이에 따라, 해수의 최소압력이상으로 유지하면서 냉각성능을 발휘하는 최소의 회전속도로 제어하여 에너지의 낭비를 최소화하는 효과를 기대한다.

그러나, 1차냉각유체인 해수의 온도만 감지하여 회전속도를 제어하고 청수의 바이패스를 연동하는 것은 엔진의 부하변동에 따른 펌핑 속도를 최적화하는 측면에서 충분한 에너질 절감을 나타내기에 한계를 보인다.

1. 한국 공개특허공보 제0725900호 "선박의 엔진냉각용 펌프의 제어시스템"(공개일자 : 2005. 6. 22.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 선박의 메인 엔진 부하에 연동하여 자켓 워터의 최적 순환량을 유지하도록 펌프의 속도변동을 구현함에 따라 에너지 절감에 기여하고 그린가스를 감소할 수 있는 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치 및 방법를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 의하면, 주기의 자켓 워터를 쿨러로 냉각하는 시스템에서 제1 및 제2 펌프의 작동을 수행하는 장치에 있어서: 상기 자켓 워터를 냉각하는 쿨러의 하류측에서 바이패스관을 단속하는 3방향밸브; 상기 주기에서 온도센서와 압력센서를 통하여 신호를 생성하고, 인버터를 통하여 펌프의 작동 전원을 인가하는 입출력수단; 및 상기 주기의 부하별 자켓 워터의 순환량을 산출하고, 상기 온도센서와 압력센서의 신호를 입력하며, 산출값 및 입력값에 대응하여 설정된 조건으로 3방향밸브와 제1 및 제2 펌프를 구동하는 제어수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 입출력수단은 주기에 유입되는 자켓 워터의 온도를 검출하기 위한 온도센서를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 제어수단은 온도센서와 압력센서의 신호를 받아 펌프를 제어하는 로컬제어기와, 로컬제어기의 신호를 받아 3방향밸브를 제어하는 원격제어기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 원격제어기는 온도센서(31)의 입력을 기준으로 쟈켓 워터의 일부를 쿨러로 바이패스하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일면에 의하면, 청구항 1의 시스템에서 제어수단에 의하여 제1 및 제2 펌프의 작동을 수행하는 방법에 있어서: (a) 엔진의 부하상태를 입력하여 필요한 냉각수량을 산출하는 단계; (b) 상기 (a) 단계의 산출치에 따라 제1 펌프(25)를 변속 제어하는 단계; (c) 냉각수온이 설정치 이상이면 3방향밸브를 작동하여 수온을 조절하는 단계; 및 (d) 냉각수압이 설정치 이하이면 제2 펌프를 변속 제어하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 (a) 단계는 주기의 기저장된 성능데이터를 기반으로 해당 부하에 소요되는 자켓 워터의 순환량을 판단하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 선박의 메인 엔진 부하에 연동하여 자켓 워터의 최적 순환량을 유지하도록 펌프의 속도변동을 구현함에 따라 에너지 절감에 기여하고 그린가스를 감소할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 주기 자켓 워터 시스템의 요부를 나타내는 블록도
도 2는 본 발명에 따른 주기 자켓 워터 시스템의 요부를 나타내는 블록도
도 3은 본 발명에 따른 제어방법의 주요 단계를 나타내는 플로우차트

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일면에 의하면, 주기(10)의 자켓 워터(냉각수)를 쿨러(21)로 냉각하는 시스템에서 제1 및 제2 펌프(25)의 작동을 수행하는 장치에 관련된다. 주기의 냉각 시스템은 자켓 워터가 출수되는 고온수관(11)과 입수되는 저온수관(12) 상에 쿨러(21), 프리히터(23), 조수기(27) 등을 구비하고 병렬로 설치된 제1 및 제2 펌프(25)로 자켓 워터를 순환시킨다. 일측의 제1 펌프(25)는 상시 가동용이고 타측의 제2 펌프(25)는 제1 펌프(25)의 고장에 대비한 대기용이다. 프리히터(23)는 주기(10)의 시동초기 자켓 워터를 가온하고, 조수기(27)는 자켓 워터의 열을 이용하여 선내에 용수를 생성한다.

본 발명에 따르면 상기 자켓 워터를 냉각하는 쿨러(21)의 하류측에서 바이패스관(13)을 단속하는 3방향밸브(15)가 설치된다. 3방향밸브(15)는 쿨러(21)를 거쳐 저온수관(12)으로 유입되는 자켓 워터를 저온수관(12)으로 보내거나 바이패스관(13)을 거쳐 다시 쿨러(21)로 보내도록 설치된다. 액추에어터로 구동되는 3방향밸브(15)의 개도율에 따라 쿨러(21)로 재순환(바이패스)되는 자켓 워터의 순환량이 가변될 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 입출력수단(30)이 상기 주기(10)에서 온도센서(31)와 압력센서(33)를 통하여 신호를 생성하고, 인버터(35)를 통하여 펌프(25)의 작동 전원을 인가하도록 설치된다. 온도센서(31)는 고온수관(11)의 상류측으로 주기(10) 상에 또는 이에 인접하도록 설치되고, 압력센서(33)는 저온수관(12)의 하류측으로 주기(10) 상에 또는 이에 인접하도록 설치된다. 인버터(35)는 제1 펌프(25) 및 제2 펌프(25)의 구동모터에 대한 속도제어를 수행한다.

물론, 도시에는 생략되나, 상기 인버터(35)를 통한 자동제어 외에 수동으로 펌프(25)를 운전하도록 바이패스 모드(by-pass mode)를 구성하거나 혹은 별도의 펌프 스타터(pump starter)를 두어 본 발명의 냉각 시스템에 문제가 생겨도 정상적으로 변경 전 시스템으로 운전이 가능하도록 구성할 수 있다.

이때, 상기 입출력수단(30)은 주기(10)에 유입되는 자켓 워터의 온도를 검출하기 위한 온도센서(32)를 더 구비하는 것이 좋다. 저온수관(12)의 자켓 워터가 적절하게 냉각되지 않아 펌프(25)의 제어가 원활하지 않을 수 있으므로 적정온도의 자켓 워터가 공급되는지 확인을 위한 모니터링 용도이다. 모니터링은 후술하는 제어수단(40)의 로컬제어기(42)와 원격제어기(45)에서 수행할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 주기(10)의 부하별 자켓 워터의 순환량을 산출하고, 상기 온도센서(31)와 압력센서(33)의 신호를 입력하며, 산출값 및 입력값에 대응하여 설정된 조건으로 3방향밸브(15)와 제1 및 제2 펌프(25)를 구동한다. 주기(10)의 부하별 자켓 워터의 적정 순환량은 주기(10)의 제조사에서 제공되는 성능데이터(예컨대 CEAS)를 활용한다. 제어수단(40)의 입력단에는 온도센서(31)와 압력센서(33)가 연결되고 출력단에는 3방향밸브(15)와 제1 및 제2 펌프(25)가 연결된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 온도센서(31)와 압력센서(33)의 신호를 받아 펌프(25)를 제어하는 로컬제어기(42)와, 로컬제어기(42)의 신호를 받아 3방향밸브(15)를 제어하는 원격제어기(45)를 구비한다. 로컬제어기(42)는 주기(10)에 인접하도록 설치되는 국부 제어용이고, 원격제어기(45)는 조타실에 설치되는 종합 제어용(예컨대 CAMS)이다. 원격제어기(45)는 주기(10)의 운전(냉각 포함)과 관련되어 로컬제어기(42)에 수집되는 모든 정보를 서버(도시 생략)에 입력하고 설정된 조건으로 디스플레이(도시 생략)로 출력한다.

이때, 상기 원격제어기(45)는 온도센서(31)의 입력을 기준으로 쟈켓 워터의 일부를 쿨러(21)로 바이패스하는 기능을 담당한다. 고온수관(11)의 온도센서(31)의 신호는 로컬제어기(42)에 입력된 후 독립된 채널의 컨버터(converter)를 통하여 CAMS의 원격제어기(45)에 전송되도록 구성한다. 이에 따라, 로컬제어기(42)의 고장과 무관하게 원격제어기(45)에서 3방향밸브(15)를 설정조건으로 제어하여 적절한 냉각수온을 유지한다.

본 발명의 다른 일면에 의하면, 청구항 1의 시스템에서 제어수단(40)에 의하여 제1 및 제2 펌프(25)의 작동을 수행하는 방법에 관련된다. 주기(10)의 제어수단(40)을 비롯한 냉각 시스템은 전술한 도 2의 설명을 참조한다. 하기의 제어방법은 로컬제어기(42) 또는 원격제어기(45) 중 적어도 하나에 저장되는 프로그램에 의하여 수행된다.

본 발명의 단계 (a)는 엔진의 부하상태를 입력하여 필요한 냉각수량을 산출한다. 주기(10)의 부하가 증가됨에 따라 자켓 워터의 순환량도 비례하여 증가하므로 현재의 주기(10)의 부하 조건에 맞추어 에너지 절감 측면에서 펌프(25)를 최적의 속도로 운전하기 위함이다.

이때, 상기 (a) 단계는 주기(10)의 기저장된 성능데이터를 기반으로 해당 부하에 소요되는 자켓 워터의 순환량을 판단한다(S15). 주기(10)의 부하별 자켓 워터의 적정 순환량은 주기(10)의 제조사에서 제공되는 성능데이터(예컨대 CEAS)로서 로컬제어기(42) 또는 원격제어기(45) 중의 적어도 하나에 저장된다. 물론 성능데이터의 적어도 일부를 수식화하여 연산하는 방식도 병용할 수 있다.

본 발명의 단계 (b)는 상기 (a) 단계의 산출치에 따라 제1 펌프(25)를 변속 제어한다(S20). 자켓 워터의 적정 순환량이 설정된 주기의 실시간으로 산출되면 온도센서(31)와 압력센서(33)의 입력값을 고려하면서 부하에 적합한 상태로 인버터(35)를 통한 제1 펌프(25)의 가변속 제어를 수행한다.

좀 더 구체적으로, 인버터(35)를 통한 해당 펌프(25)의 가변속 제어는 저 부하 운전에 따른 손상을 방지하기 위한 것으로서, 펌프의 최저 운전 점 보다 높은 범위에 설정을 하도록 한다. 다시 말해, 펌프의 운전 범위가 20~60㎐의 운전 범위라면 25㎐ 이상으로 설정치를 잡아 두고 인버터(35)가 펌프를 25㎐ 이상으로 운전이 되도록 펌프의 최저 운전 부하를 지정하도록 한다.

본 발명의 단계 (c)는 냉각수온이 설정치 이상이면(S25) 3방향밸브(15)를 작동하여 수온을 조절한다(S30). 냉각수온이 너무 높다고 판단되면 자켓 워터의 일부를 다시 쿨러(21)로 보내어 냉각수온을 낮춘다. 이를 위해 제어수단(40)은 3방향밸브(15)의 개도율을 조절할 수 있다. 주기적인 프로그램 실행중에 냉각수온이 정상 범위로 3방향밸브(15)에 대한 작동은 정지한다.

본 발명의 단계 (d)는 냉각수압이 설정치 이하이면(S35) 제2 펌프(25)를 변속 제어한다(S40). 주기(10)로 유입되는 냉각수압이 너무 낮다고 판단되고 제1 펌프(25)가 100% 부하라면 대기중인 제2 펌프(25)를 가동한다. 주기적인 프로그램 수행중에 냉각수압이 정상 범위로 들어오면 단계 S45로 진행하여 제2 펌프(25)의 가동을 정지한다.

이와 같이 본 발명은 펌프(25)에 대한 가변속 제어를 통해 사용 전력을 줄임에 따라 디젤 발전기의 발전량이 감소되고, 최종적으로 발전기에 소모되는 연료유 감소와 NOx, SOx, CO₂ 등의 그린가스 감소가 가능하다.

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.

10: 주기 11: 고온수관
12: 저온수관 13: 바이패스관
15: 3방향밸브 21: 쿨러
25: 펌프 30: 입출력수단
31, 32: 온도센서 33: 압력센서
35: 인버터 40: 제어수단
42: 로컬제어기 45: 원격제어기

Claims (6)

1. 주기(10)의 자켓 워터를 쿨러(21)로 냉각하는 시스템에서 제1 및 제2 펌프(25)의 작동을 수행하는 장치에 있어서:
   상기 자켓 워터를 냉각하는 쿨러(21)의 하류측에서 바이패스관(13)을 단속하는 3방향밸브(15);
   상기 주기(10)에서 온도센서(31)와 압력센서(33)를 통하여 신호를 생성하고, 인버터(35)를 통하여 펌프(25)의 작동 전원을 인가하는 입출력수단(30); 및
   상기 주기(10)의 부하별 자켓 워터의 순환량을 산출하고, 상기 온도센서(31)와 압력센서(33)의 신호를 입력하며, 산출값 및 입력값에 대응하여 설정된 조건으로 3방향밸브(15)와 제1 및 제2 펌프(25)를 구동하는 제어수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 입출력수단(30)은 주기(10)에 유입되는 자켓 워터의 온도를 검출하기 위한 온도센서(32)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어수단(40)은 온도센서(31)와 압력센서(33)의 신호를 받아 펌프(25)를 제어하는 로컬제어기(42)와, 로컬제어기(42)의 신호를 받아 3방향밸브(15)를 제어하는 원격제어기(45)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 원격제어기(45)는 온도센서(31)의 입력을 기준으로 쟈켓 워터의 일부를 쿨러(21)로 바이패스하는 것을 특징으로 하는 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어장치.
5. 청구항 1의 시스템에서 제어수단(40)에 의하여 제1 및 제2 펌프(25)의 작동을 수행하는 방법에 있어서:
   (a) 엔진의 부하상태를 입력하여 필요한 냉각수량을 산출하는 단계;
   (b) 상기 (a) 단계의 산출치에 따라 제1 펌프(25)를 변속 제어하는 단계;
   (c) 냉각수온이 설정치 이상이면 3방향밸브(15)를 작동하여 수온을 조절하는 단계; 및
   (d) 냉각수압이 설정치 이하이면 제2 펌프(25)를 변속 제어하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어방법.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 (a) 단계는 주기(10)의 기저장된 성능데이터를 기반으로 해당 부하에 소요되는 자켓 워터의 순환량을 판단하는 것을 특징으로 하는 주기 자켓 워터 시스템의 펌프 가변속 제어방법.

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