최근 배출가스 규제, 해양오염방지협약 및 EEDI(Energy Efficiency Design Index) 등 규제 발효가 진행되고 있어 선박을 운영하는 많은 해운산업 및 조선업계에서 선박 에너지 절감 및 운항효율 향상에 대한 연구에 촉각을 새우고 있다[1].

이러한 환경규제에 따라 조선 산업에서 에너지 효율 향상 및 절감기술, 친환경 기술이 각광받고 있다. 에너지 효율 향상을 위한 연구는 선형 및 프로펠러 최적화를 통한 효율 향상, 발전기 최적화를 통한 에너지 효율 개선, 해운업계의 필요에 맞추어 선박 운항속도 개선, 최적 항로 개선 등으로 진행되고 있다. 표 1은 친환경 선박 기술 분류를 나타낸다.

이러한 에너지 효율 향상 및 에너지 절감을 위해 최근 선박냉각시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 이에 따라 기존 선박의 냉각시스템을 개선하고 소모되는 에너지를 절감할 수 있는 PCS(Pump Control System)를 제안한다. 또한 제안된 PCS를 바탕으로 시뮬레이터를 제작하여 선박 냉각시스템을 제어하고 센서 및 인버터 등에서 취득한 데이터를 저장하는 시스템을 개발한다.

선박은 주 추진기관, 발전기, 기름 청정기 등 많은 발열장치를 탑재하고 있으며, 이에 따라 장치의 수명과 안정성을 위해 기기들을 냉각할 수 있는 냉각시스템이 필수적으로 필요하다. 기존의 선박들은 해상에서 해수를 이용하여 기기들을 냉각시켰다. 그러나 해수를 이용하여 기기를 냉각시키는 직접 해수 냉각시스템은 해수가 포함하고 있는 염분 및 해양생물 등으로 인하여 기기 부식, 고장 및 오손 등의 잦은 고장이 발생하였다. 이러한 직접 해수 냉각시스템의 단점을 보완하기 위해 최근 건조되는 선박은 중앙 냉각시스템을 적용하고 있다. 중앙 냉각시스템은 각 기기로부터 발생하는 열을 청수를 이용하여 냉각시킨 후 뜨거워진 청수를 해수를 활용하여 다시 냉각하는 시스템이다. 중앙 냉각방식은 직접 냉각방식에 비하여 염분으로 인한 기기의 손상 및 해양생물로 인한 오손을 줄일 수 있으며, 해수 파이프 계통의 부식 및 해양생물로 인한 오손관리로 인적 및 물적자원을 효율적으로 관리 가능한 장점이 있다.

그러나 중앙 냉각시스템은 직접 냉각시스템에 비하여 구조가 복잡하다. 또한 선내 기기들을 냉각 할 시, 기기가 과냉각이 되면 저온부식 및 온도차로 인한 균열(Crack) 등이 발생할 수 있기 때문에 청수 온도를 적절하기 유지하는 것이 매우 중요하다. 따라서 중앙 냉각시스템은 중앙 열교환기로부터 해수로 인해 냉각되어 나오는 출구 측 청수 온도를 제어한다. 현재의 중앙 냉각시스템은 중앙 열교환기에 들어가게 되는 해수의 온도 및 유량제어가 불가능한 시스템이다. 따라서 청수의 온도를 제어하며, 중앙 열교환기 출구 측 청수 온도를 일정하게 유지하기 위해 그림 1과 같이 청수 측 3-Way 밸브를 사용하여 중앙 열교환기를 통과하는 청수량과 열교환기를 바이패스하는 청수량을 조절함으로서 청수온도를 제어한다[2].

그림 1은 선박 중앙냉각시스템의 구성도이다. 청수측 3-Way 밸브 개도는 선박 운영자가 직접 열교환기 출구 측 청수 온도를 확인하여 수동으로 밸브를 조작하는 방법과 온도차에 의하여 자동으로 동작하는 공압 방식의 3-Way V/V를 사용하게 된다.

이러한 기존 중앙 냉각시스템 방식은 해수펌프와 청수펌프가 외부환경(기기들 발열량, 해수온도, 청수 온도 등)의 변화와 무관하게 항상 정격으로 가동되어 에너지 효율이 좋지 못하다. 즉, 청수의 온도가 낮아 열교환기를 통한 냉각이 많이 필요하지 않을 시 해수 및 청수 펌프의 유량제어가 불가능하므로 해수 펌프 및 청수펌프에서 에너지를 절감할 수 없어 에너지 효율이 좋지 않게 된다. 제안하는 선박 냉각시스템은 외부환경(해수 온도, 청수 온도, 기기 발열량 등)에 따라 해수 및 청수펌프의 회전수와 3-way 밸브를 자동으로 제어하는 시스템이다. 이에 따라 선박 중앙 냉각시스템에서 소모되는 전력량을 절감할 수 있으며 제어 알고리즘에 따라 더 빠른 속도로 청수 온도를 추종 할 수 있다.

PCS(Pump Control System)는 기존의 선박 냉각시스템과 달리 제어시스템을 구성하여 에너지를 절감하는 시스템이다[3]. 기존 냉각시스템에 해수펌프 제어를 위한 인버터(Inverter), 청수펌프 제어를 위한 인버터, 제어기에서 제어가 가능한 3-way 밸브, 해수 및 청수 온도 측정기, 제어기 등이 시스템의 제어를 위해 추가로 설치된다. PCS 시뮬레이터는 육상에서 PCS의 실험이 가능하도록 선박의 중앙 냉각시스템을 축소하여 제어시스템을 추가한 시뮬레이터이다. 선박은 매우 고가의 운송수단으로 높은 안정성 및 신뢰성을 기반으로 운영된다. 이에 따라 실 선박 실험은 실험장비 구축 및 선박인증 등으로 인하여 실험비용이 매우 비싸며 실험으로 인하여 선박 운항에 지장이 발생할 수 있기 때문에 실 선박과 유사한 PCS 시뮬레이터가 필요하다[4].

PCS 시뮬레이터를 통해 실제 선박과 유사한 환경에서 펌프 및 시스템의 여러 특성들을 확인 할 수 있다. 시뮬레이터에서 여러 특성들을 실험한 후 데이터를 확보하여 분석할 수 있도록 PCS 제어 및 데이터 저장시스템 개발하였다. 다음 그림 2는 PCS의 구성도로 이를 바탕으로 PCS 시뮬레이터를 개발한다.

PCS 시뮬레이터는 선박의 중앙 냉각시스템을 실험하기 위해 표 2와 같이 구성 요소를 가진다.

기본 구성요소는 실 선박의 중앙 냉각시스템과 유사한 형태의 시뮬레이터 제작을 위해 해수펌프(Main Cooling Sea Water Pump) 3대와 청수펌프(Central Cooling Fresh Water Pump) 2대로 구성되어있다. 또한 해수와 청수의 열 교환을 위해 중앙 열교환기 1대가 설치되어 있으며 각 선박 기기의 발열을 모사하기 위해 전기히터가 설치되어 있다. 실 운항 중인 선박은 해수를 외부에서 끌어와 청수를 냉각 후 선외로 배출하는 개회로로 이루어져 있기 때문에 열교환기 해수 입구 측 온도 변화가 작다. 그렇기에 시뮬레이터의 해수계통은 해수탱크에서 보조 탱크로 물이 이동하며 재활용을 위해 보조 펌프가 설치되어 있다. 또한 청수와 열 교환 이후 해수 측 온도가 지속적으로 증가 할 가능성이 있기 때문에 이를 방지하기 위해 해수 탱크에서 해수 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각기가 설치되어있다. 또한 원격 제어가 가능한 청수 측 3-Way 밸브 1대가 설치되었다. 시뮬레이터의 제어시스템을 구성하기 위한 제어 및 데이터 측정을 위한 구성요소는 표 3과 같다.

제안하는 중앙 냉각시스템의 기능을 구현하기 위해 추가적으로 해수펌프 제어용 인버터 3대, 청수펌프 제어용 인버터 2대, 기타 펌프 인버터 1대, 시스템 상황 및 알고리즘 개발을 위핸 센서(온도, 압력 등) 등으로 구성되어 있다.

PCS의 제어 및 데이터 저장시스템은 사용자가 편리하게 시스템을 확인하기 위해 GUI(Graphic User Interface) 기반으로 개발을 진행하였으며 개발 기간을 단축시키기 NI사의 LabVIEW 2014를 활용하여 PC기반의 시스템을 구축하였다[5,6]. 그림 3은 제어 및 데이터 저장시스템의 구성도를 나타낸다.

데이터는 PCS 시뮬레이터에서 데이터를 측정하고 이를 cDAQ-9188 장비를 통해 PC에 전송한다. 입력 받은 데이터는 LabVIEW에서 필터를 거쳐 텍스트 파일로 저장된다. 제어의 경우 PC에서 전송된 제어신호가 cDAQ 장비를 통하여 전송되어 제어를 수행한다.

PCS 시뮬레이터를 위한 입출력 신호는 크게 DI 16개, DO 13개, AI 19개, AO 10개로 설계되었다. 입출력 신호는 24V 디지털 입출력과 0~10V 아날로그 출력, 4~20mA 아날로그 출력, 4~20mA 아닐로그 입력을 사용한다. 표 4에서는 사용되는 입출력 신호들을 간략하게 정리하였다.

본 연구에서는 PC를 제어기로 사용하였으며 이를 위해 NI사에서 나온 LabVIEW를 활용하여 프로그래밍을 진행하였다. 제어 프로그램은 펌프 속도, 3way V/V 위치, 히터 발열량 등을 제어할 수 있도록 구성된 제어 화면, 센서에서 들어오는 신호를 확인하고 노이즈나 비정상적인 데이터를 제거하는 필터 설정 화면, 압력과 온도 데이터 등을 실시간으로 확인할 수 있는 모니터링 화면, 원하는 시간에 데이터를 저장할 수 있는 데이터 저장 화면으로 구성된다.

그림 4는 펌프 속도, 3way V/V 위치, 히터 전류 등을 제어하는 제어 화면이다[7].

그림 5는 입력된 데이터를 필터링하기 위한 필터 설정 화면이다. 필터 설정 화면에서는 입력 신호 컨디셔닝을 위한 필터 값을 설정한다. Butterworth, Chebyshev, Eliptic, Bessel 등의 필터 토폴로지나 필터의 종류 및 주파수를 설정하여 원하는 신호를 얻을 수 있도록 필터를 설정한다. 본 연구에서는 발복실험을 통하여 필터 최적 계수를 선정하였다.

그림 6은 PCS 정보를 모니터링 하는 화면이다. 입력된 신호를 차트를 통해 보여주며 펌프 속도, 펌프 토출 압력, 3way V/V 위치, 온도 값을 확인할 수 있으며 개별적으로 필터를 사용하여 신호 컨디셔닝을 할 수 있다.

데이터는 데이터 저장 버튼을 누른 후 설정된 시간 간격에 따라 저장된다. 저장되는 데이터는 필터 사용시 필터 된 데이터가 텍스트 파일 형식으로 저장되며 엑셀로 분석 가능하도록 호환가능하다. 그림 7는 LabVIEW로 작성한 프로그램의 블록 다이어그램 부분을 나타낸다.

시스템 설계를 기반으로 PCS 시뮬레이터를 구현하였다. 다음 그림 8은 실제로 구현된 PCS 시뮬레이터를 나타내는 사진이다. 왼쪽에 펌프 및 열교환기가 있으며 오른쪽에 3대의 물탱크가 구성되어 있다.

청수 파이프라인의 경우 물이 청수 탱크에서 2대의 청수 펌프를 통하여 계속 순환되며 중앙 열교환기를 통해 해수라인과 열 교환을 한다. 해수 파이프라인의 경우 해수 대신 청수를 사용하며 3대의 해수 펌프를 이용하여 해수 탱크에서 중앙의 열교환기를 거쳐 기타 탱크로 물이 이동한다. 기타 펌프에서는 기타 펌프의 물을 해수탱크로 옮기는 역할을 수행한다. 청수 탱크에는 히터, 해수탱크에는 히터 및 쿨러가 있어 원하는 온도 환경을 구성할 수 있도록 한다.

그림 9는 결선이 완료된 cDAQ-9188 장비로서 USB를 통해 PC와 통신을 한다. cDAQ 장비를 통하여 데이터를 획득하는 시간이나 전송하는 주기를 설정할 수 있다.

저장된 데이터는 프로그램이 있는 위치에 Data Save 폴더를 생성하고 그 안에 연도와 일자가 표시된 폴더를 추가 생성하며 폴더 내부에 저장시간 및 분을 이름으로 가지는 텍스트 파일로 생성된다. 그림 10은 저장된 텍스트 파일로 엑셀에서 불러와 작업을 진행한다.

데이터의 1열에는 시간정보가 시간, 분, 초로 저장되며 2열에는 들어온 데이터의 번호가 생성된다. 따라서 엑셀에서 그래프를 생성 할 시 시간 값이나 데이터 개수 중에 원하는 값을 선택하여 그래프에 표시할 수 있다.

그림 11은 취득 데이터 중 인버터의 속도 전류 피드백과 압력 센서의 전류 피드백, 3way 밸브 위치의 전류 피드백을 엑셀에서 그래프로 나타내었다. x축은 저장 시간, 분, 초를 나타내며 y축은 전류의 양을 나타낸다. 펌프의 속도 변화와 이에 따른 압력 변화를 알 수 있으며 3way 밸브 위치가 변화하였음을 파악할 수 있다.

본 논문에서는 기존의 선박 냉각시스템의 효율을 향상시키기 위해 해수펌프, 청수펌프 및 3-Way V/V를 활용한 에너지 절감형 선박 중앙냉각시스템을 제안하였다. 또한 제안하는 선박 중앙시스템의 실험을 위해 실선박과 유사한 시뮬레이터를 개발하였다. 시뮬레이터는 제안하는 PCS의 신뢰성 확보를 위해 실 선박과 유사한 상황 및 주변 환경을 갖추도록 구현하였다. 제안하는 PCS의 알고리즘 개발 및 보정이 용이하도록 실험 데이터를 사용자가 손쉽게 파악할 수 있게 데이터 필러를 통하여 실시간 확인 및 데이터 저장을 통하여 추후 사용자가 실험 결과를 확인 할 수 있도록 구현하였다. 추후 시뮬레이터를 활용하여 제안하는 PCS 제어 알고리즘 보정을 통하여 실 선박에 적용 가능한 시스템 개발에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.