KR20190066353A

KR20190066353A - 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템

Info

Publication number: KR20190066353A
Application number: KR1020170165998A
Authority: KR
Inventors: 추정훈; 이정섭; 김수철; 정용진
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-13
Also published as: KR102411481B1

Abstract

본 발명은 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템에 있어서: 저온수관(12)과 고온수관(13)을 개재하여 청수냉각기(10)와 연결되는 다수의 장비(20); 상기 장비(20)로 순환되는 청수 유량의 개별적 변동이 가능하도록 설치되는 유량제어밸브(30); 및 상기 청수냉각기(10)와 유량제어밸브(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에, 해수 온도 변화 등 선박 내외부 환경 변화 및 선박 각 장비의 가동유무와 같은 운전조건에 따라 각 장비에 필요한 만큼의 청수를 공급하여 청수펌프 가동을 최소화함으로써 발전기 연료 절감을 통한 선박에너지효율 향상이 기대된다.

Description

청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템 {Cooling system for a ship using flow control}

본 발명은 선박의 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박에 탑재되는 주요 장비들에 청수를 순환시켜 냉각을 수행하는 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템에 관한 것이다.

통상적인 선박의 냉각시스템은 청수 냉각기(Fresh Water Cooler), 청수 온도계(Fresh Water Temperature Indicator), 온도 제어기(Temperature Controller)에 3-way Valve, 해수 펌프, 청수 펌프 등을 연결하여 구성되고, 청수(Fresh Water)의 온도를 피드백 받아 기준으로 정해진 온도와 비교 및 3-way Valve, 해수 펌프(Sea Water Pump)를 제어하여 원하는 청수의 온도를 유지한다.

그러나, 청수 펌프는 각종 장비의 가동 여부에 따라 변화하는 압력수두를 능동적으로 대처하기 힘들기 때문에 일정한 최대 속도로 구동되며, 이로 인해 에너지 낭비가 심한 실정이다.

이에 대한 대비책으로 검토할 수 있는 선행기술문헌으로서, 한국 공개특허공보 제2016-0114326호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1222799호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 엔진의 냉각수와 해수를 열교환하는 중앙 청수 쿨러; 메인 엔진으로 냉각수를 공급하는 메인 엔진 청수 펌프; 발전 엔진으로 냉각수를 공급하는 발전 엔진 청수 펌프를 포함하되, 메인 청수 펌프와 발전 엔진 청수 펌프에 VFD(Variable Frequency Drive) 모터장치가 각각 구비된다. 이에, 냉각 흐름의 그룹화와 유량/온도 제어로 에너지 절감 효과의 극대화를 기대한다.

선행문헌 2는 냉각 해수 이송 펌프 구동 모터의 회전수를 제어하는 인버터 장치, 청수 온도 조정 밸브의 하류측 청수의 수온을 계측하는 청수 온도 검출기, 청수 온도 검출기에서 계측된 수온에 의해 청수 온도 조정 밸브의 개도를 조정하는 조정밸브 제어 장치 등을 구비한다. 이에, 간소한 구성으로 선내 전력이 삭감될 수 있는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행문헌 1과 선행문헌 2는 기관실 내의 주기와 보기에 대한 냉각 제어를 요지로 하므로 선내에 다양하게 산재되는 장비들의 냉각에 적용하기 위한 개선의 여지가 있다.

한국 공개특허공보 제2016-0114326호 "선박 엔진룸의 냉각수 시스템" (공개일자 : 2016.10.05.) 한국 등록특허공보 제1222799호 "냉각 해수 이송 펌프의 회전수 제어 장치" (공개일자 : 2010.07.08.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 분류된 장비 그룹의 주요 장비 온도값을 측정하여 정해진 목표온도를 넘으면 유량제어밸브 개방량을 증가시키고, 목표온도를 넘지 않으면 유량제어밸브 개방량을 감소시켜서 최적의 청수 유량으로 각종 장비를 냉각시키는 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템에 있어서: 저온수관과 고온수관을 개재하여 청수냉각기와 연결되는 다수의 장비; 상기 장비로 순환되는 청수 유량의 개별적 변동이 가능하도록 설치되는 유량제어밸브; 및 상기 청수냉각기와 유량제어밸브를 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 장비는 허용온도, 작동특성, 배치위치에 따라 그룹화하고 동일한 분기관을 개재하여 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 유량제어밸브의 하류측에 가변속 제어 방식을 지닌 복수의 청수펌프를 병렬로 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단은 마이컴 회로의 제어기, 저온수관과 분기관에 설치되는 온도검출기, 고온수관에 설치되는 유량검출기, 해수펌프와 청수펌프에 연결되는 펌프구동부, 유량제어밸브에 연결되는 밸브구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제어기는 전체 장비에 대하여 취합된 청수량에 대응하여 복수의 청수펌프에 대한 선택적 가동을 유발하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 해수 온도 변화 등 선박 내외부 환경 변화 및 선박 각 장비의 가동유무와 같은 운전조건에 따라 각 장비에 필요한 만큼의 청수를 공급하여 청수펌프 가동을 최소화함으로써 발전기 연료 절감을 통한 선박에너지효율 향상이 기대된다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 주요 구성을 나타내는 배관 블록도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 제어수단을 나타내는 회로 블록도
도 3은 본 발명에 따른 시스템에 의한 작동 흐름을 나타내는 차트

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

본 발명은 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템에 관하여 제안한다. 선박에서 해수를 이용하여 냉각된 청수를 냉각수로 사용하는 시스템을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따르면 다수의 장비(20)가 저온수관(12)과 고온수관(13)을 개재하여 청수냉각기(10)와 연결되는 구조이다. 도 1을 참조하면 청수냉각기(10)의 일측에 해수의 순환을 위한 해수관(11)이 연결되고, 청수냉각기(10)의 타측에 청수의 순환을 위한 저온수관(12)과 고온수관(13)이 연결된다. 저온수관(12)과 고온수관(13)은 장비(20)를 기준으로 구분되지만 폐회로이다. 해수의 순환을 위해 해수펌프(15)가 설치되고 청수의 순환을 위해 청수펌프(25)가 설치된다. 장비(20)는 청수를 냉각수로 사용하는 것을 대상으로 하므로 기관실에 한정되지 않는다.

한편, 청수냉각기(10)는 복수로 설치되고 3방밸브(17)를 개재하여 저온수관(12) 및 고온수관(13)에 연결된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 장비(20)는 허용온도, 작동특성, 배치위치에 따라 그룹화하고 동일한 분기관(22)을 개재하여 병렬로 연결하는 것을 특징으로 한다. 장비(20)는 스턴튜브 LO(Stern Tube Lubricating Oil) 쿨러, 샤프트베어링 쿨러, 카고드레인 쿨러 외에 각종 공조기 등을 포함한다. 물론 기관실의 주기(엔진)과 보기(엔진)을 언급하지 않았으나 이를 배제하는 것은 아니다. 도 1에서 동일한 분기관(22)에 설치된 "Machinery 1", "Machinery 2", "Machinery 3"은 허용온도, 작동특성, 배치위치가 유사한 것을 그룹화한 장비(20)를 나타낸다. 예컨대, 스턴튜브 LO(Stern Tube Lubricating Oil) 쿨러, 샤프트베어링 쿨러 등은 동일한 분기관(22)에 병렬로 연결하는 것이 바람직하다. 허용온도는 장비에 요구되는 냉각 온도이고, 작동특성은 작동 주기(듀티) 등을 포함하는 항목이고, 배치위치는 동일 분기관(22)에 대한 배관 용이성을 고려함이다.

또, 본 발명에 따르면 유량제어밸브(30)가 상기 장비(20)로 순환되는 청수 유량의 개별적 변동이 가능하도록 설치되는 구조이다. 도 1에서 저온수관(12)에 연결되는 분기관(22) 상에 각각의 장비(20)에 대응하는 동수의 유량제어밸브(30)가 설치된 상태를 예시한다. 유량제어밸브(30)는 후술하는 제어기(42)의 출력 신호로 개도율을 조절하고 그 신호를 제어기(42)에 보낸다. 이에, 분기관(22)에 배치된 각각의 장비(20)에 대한 개별적인 청수 유량 변동이 가능하다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 유량제어밸브(30)의 하류측에 가변속 제어 방식을 지닌 복수의 청수펌프(25)를 병렬로 설치하는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참조하면 고온수관(13) 상에 2개의 청수펌프(25)가 병렬로 설치된다. 청수펌프(25)의 설치 수량은 100% 가동을 요하지 않는 범위로 설정한다. 청수펌프(25)의 가변속 제어를 위해 인버터 회로(도시 생략)를 탑재할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 제어수단(40)이 상기 청수냉각기(10)와 유량제어밸브(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하는 구조이다. 제어수단(40)의 알고리즘은 디지털 회로를 기반으로 아날로그 회로를 부가하여 구현된다. 청수냉각기(10)에 대한 제어는 해수펌프(15), 3방밸브(17)의 제어를 포함한다. 유량제어밸브(30)에 대한 제어는 청수펌프(25)의 제어를 포함한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 제어수단(40)은 마이컴 회로의 제어기(42), 저온수관(12)과 분기관(22)에 설치되는 온도검출기(44), 고온수관(13)에 설치되는 유량검출기(45), 해수펌프(15)와 청수펌프(25)에 연결되는 펌프구동부(47), 유량제어밸브(30)에 연결되는 밸브구동부(48)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 제어기(42)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 구비한다. 온도검출기(44), 유량검출기(45) 등은 입력인터페이스에 연결되고, 펌프구동부(47), 밸브구동부(48) 등은 출력인터페이스에 연결된다. 제어기(42)의 메모리에는 메인/서브루틴 프로그램 외에 룩업테이블 등의 데이터가 저장된다. 룩업테이블은 각각의 장비(20)에 대한 온도 설정값, 유량 설정값을 비롯하여 제어에 필요한 항목으로 마이크로프로세서에 의한 연산의 정확성과 신속성을 높인다.

이때, 온도검출기(44)는 분기관(22)에서 각 장비(20)의 하류측에 설치하고, 유량검출기(45)는 분기관(22)과 청수펌프(25) 사이에 설치하는 것이 좋다.

도 2를 참조하면, 제어기(42)에 PID부(46)가 설치된 상태로 예시하지만, IC소자의 디지털 방식으로 구현될 수도 있다. 어느 경우에나 각 장비(20)의 목표온도(Set Temperature)는 청수냉각기(10)와 3방밸브(17)를 거쳐 나온 청수의 온도와 각 장비의 사용 여부에 따라 변화될 수 있으며 메모리에 저장되고 갱신된다.

이때, 상기 제어기(42)는 전체 장비(20)에 대하여 취합된 청수량에 대응하여 복수의 청수펌프(25)에 대한 선택적 가동을 유발하는 것을 특징으로 한다. 각각의 유량제어밸브(30)의 개방/폐쇄 상태(개도율)에 대응하여 청수펌프(25)로 청수를 공급함을 요체로 한다.

도 3을 참조하여 작동의 일예를 살피면, 청수펌프(25)를 가동하여 장비(20)에 청수를 공급하면서 설정 온도를 검출 및 비교하여 유량제어밸브(30)로 개도율을 변동하고, 전체 유량제어밸브(30)의 개방량 취합한 정보 또는 유량검출기(45)의 신호 중 적어도 하나로 필요 청수량을 계산하고, 현재 청수펌프(25)의 수두압력을 감안하여 복수 중에서 적어도 하나의 선택적 가동으로 청수를 공급한다. 예를 들어, 필요 청수량이 1대의 청수펌프(25)의 공급량을 초과할 때 2대의 청수펌프(25)를 구동하는 알고리즘을 적용할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 청수냉각기 11: 해수관
12: 저온수관 13: 고온수관
15: 해수펌프 17: 3방밸브
20: 장비(Machinery) 22: 분기관
25: 청수펌프 30: 유량제어밸브
40: 제어수단 42: 제어기
44: 온도검출기 45: 유량검출기
46: PID부 47: 펌프구동부
48: 밸브구동부

Claims

청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템에 있어서:
저온수관(12)과 고온수관(13)을 개재하여 청수냉각기(10)와 연결되는 다수의 장비(20);
상기 장비(20)로 순환되는 청수 유량의 개별적 변동이 가능하도록 설치되는 유량제어밸브(30); 및
상기 청수냉각기(10)와 유량제어밸브(30)를 설정된 알고리즘으로 제어하는 제어수단(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 장비(20)는 허용온도, 작동특성, 배치위치에 따라 그룹화하고 동일한 분기관(22)을 개재하여 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 유량제어밸브(30)의 하류측에 가변속 제어 방식을 지닌 복수의 청수펌프(25)를 병렬로 설치하는 것을 특징으로 하는 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어수단(40)은 마이컴 회로의 제어기(42), 저온수관(12)과 분기관(22)에 설치되는 온도검출기(44), 고온수관(13)에 설치되는 유량검출기(45), 해수펌프(15)와 청수펌프(25)에 연결되는 펌프구동부(47), 유량제어밸브(30)에 연결되는 밸브구동부(48)를 구비하는 것을 특징으로 하는 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 제어기(42)는 전체 장비(20)에 대하여 취합된 청수량에 대응하여 복수의 청수펌프(25)에 대한 선택적 가동을 유발하는 것을 특징으로 하는 청수 유량제어를 활용한 선박냉각시스템.