1.서 론

최근 모든 산업분야에서 에너지 절감에 대한 중요성이 날 로 커지고 있다. 해운업계 또한 예외일 수 없으며 국제유가 의 상승과 업체 간 과열경쟁으로 인하여 선박운항의 가장 큰 비중을 차지하는 연료비의 절감이 어려운 해운환경에 절 대적일 수밖에 없다. 따라서 선박설비의 효율향상과 제어방 법을 개선하여 에너지를 절감할 수 있는 방안을 강구할 필 요가 있다.

선박용 해수펌프는 설계를 할 때 온도와 용량에 대한 설 계여유 값을 감안하여 설계를 하게 된다. 기관구역에 설치 되는 장비 및 설비들의 설계조건은 일반적인 상선과 여객선 들이 기관실온도 45℃ 와 해수온도 32℃ 를 기준으로 설계를 하고 있다(HHI Co., LTD, 2003). 그러나 실제 운항되는 선박 은 항로와 계절에 따라 해수온도가 변하기 때문에 대부분의 선박들은 펌프용량의 많은 부분이 사용되지 못하고 운전되 는 실정이다. 특히 실습선과 같은 관공선들은 모항 정박 중 에 육상 전력을 사용하므로 국가정책에 따라 전력소모를 줄 이고자 안간힘을 쓰고 있는 현실이다. 그래서 전등 하나라 도 불필요한 전원을 차단하기 위해 교육하고 계몽해가며 운 영하고 있다. 그러나 선박에서 동력용 펌프의 효율적인 운 전은 흔히 절전의 방법으로 많이 실천하고 있는 조명용 절 전과는 비교가 안 될 정도로 큰 효과를 얻을 수 있다.

특히 계속해서 운전되는 해수펌프의 효율적인 회전수 제 어운전은 에너지 절감 및 기관실 기기의 효율적인 운영측면 에서 큰 이득을 얻을 수 있다. 이와 더불어 부가적인 절약 요인인 펌프의 수명연장, 부속품의 절감 등 쉽게 산정하기 어려운 여러 가지 장점을 가지고 있다. 그러나 항해를 많이 하는 상선의 경우 해수펌프의 유량제어는 연료절감에 대한 기대치보다 초기설치 비용과 운용의 번거로움으로 인해 활 용이 보편화되지는 않은 실정이다. 선박용 해수펌프의 회전 수제어에 관한 연구는 Hong et al.(2007)의 선박용 중앙냉각 시스템 해수펌프의 회전수제어에 관한 ESS(Energy Saving System)의 실증사례가 있으며, 산업용은 주로 냉난방 시스템 에서 압축기의 회전수를 제어하여 소비동력을 절감하는 연 구 자료들이 있다(Baek et al., 2011; Son, 2010). 한편 기관실 로 유입되는 모든 해수는 Sea Chest에서 부터 해양생성물 부 착방지 시스템(MGPS)을 통과한 후 펌프로 유입되게 된다. 그래서 파이프 및 펌프 계통에 해양생성물의 부착을 방지하 는 것이다. 해양생성물 부착방지 시스템이 없는 곳에 설치 된 펌프의 경우 펌프의 회전수를 감소시키면 관내의 유속이 낮아져 해양생성물의 부착을 촉진시킬 수 있을 가능성을 갖 고 관련 자료를 검토하였다.

한편 해중생물이 선저에 부착하는 계절은 생물의 활동과 번식이 가장 심한 5월에서 8월까지이고, 우리나라에서는 해 수온도 23℃~25℃ 일 때 가장 심하다. 또한 정박중인 선저에 부착하기 쉽다. 3.7 knots 이상의 선속에서는 부착하지 못한 다고 보고되고 있다(Jeon, 1995). Sung et al.(2005)은 담치류가 해양환경에 미치는 영향과 발생의 최적 조건 등에 관하여 연구하였으며, Shin et al.(2013)은 비교적 유속이 완만한 곳 에서 담치류들이 군락을 이루며 서식한다고 하였다.

따라서 본 연구에서는 선박에서 항시 운전되는 해수펌프 에 회전수를 제어할 수 있는 인버터를 설치하여 효율적인 유량제어를 통한 에너지 절감 효과를 제시하고 그에 따른 문제점을 파악하여 선박용 해수펌프를 효율적으로 운영하 기 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

2.실험장치 및 방법

본 연구에서는 두 가지에 초점을 두고 실험을 실시하였 다. 설계여유 값을 갖고 설계된 선박용 해수펌프의 유량제 어를 통하여 소비전력 절감효과를 확인하는 실험과 해양생 성물 부착 방지시스템(MGPS)의 설치여부에 따른 해수펌프 의 유량제어가 시스템에 미치는 영향에 관한 실험으로 구분 하였다. 실험은 항해중이나 정박중 항시 운전되고 있는 목 포해양대학교 실습선의 보조해수펌프와 냉동기 해수펌프를 이용하였다. Fig. 1은 실험 장치와 냉각계통을 나타낸 그림 이다. 소비전력 절감효과에 대한 실험은 Fig. 1(a)와 같이 MGPS가 설치된 보조해수라인에서 실시하였으며 해수온도 가 비교적 낮은 모항에 정박한 경우와 우리나라의 연근해보 다 해수온도가 상대적으로 높은 동남아 지역을 항해하는 국 제항해로 나누어 실험하였다. 정박 중 실험은 3월초부터 5 월초까지 두 달에 걸쳐 모항에 있을 때 실시하였다. 국제항 해 실험은 5월8일부터 5월30일까지 한국을 출발하여 필리 핀, 베트남, 대만을 거쳐 한국으로 돌아오는 구간에서 실시 하였다. 주파수는 60 Hz를 기준으로 5 Hz 단위로 부하에 따 라 조정하였다.

Fig. 1(b)는 MGPS가 설치되지 않은 냉동기 응축용 해수펌 프의 계통도이다. 회전수를 감소시킬 경우 관내에 유속 감 소로 인한 담치류와 같은 해양생성물의 부착정도를 알아보 기 위해 1월부터 5월까지 회전수를 66.7 %로 낮추어 운전하 였다. Table 1은 실험에 사용된 펌프, 모터 및 인버터의 사 양을 나타낸 것이다. 펌프의 용량은 각각 55m³/h와 15m³/h 이며 모터의 회전수는 60 Hz에서 1800 rpm이며 절연등급은 F등급이다. 인버터는 11 kW용량으로 3상 440 V를 사용하며 0.1-400 Hz까지 주파수를 제어할 수 있다. Fig. 2는 실험에 사 용된 인버터의 사진이다.

3.결과 및 고찰

3.1.회전수 변화에 따른 펌프의 성능특성

Fig. 3은 보조해수펌프에 설치된 인버터의 주파수 변화에 따른 펌프의 회전수와 소비전력, 출구압력의 변화를 실측하 여 나타낸 그래프다. 펌프의 회전수는 60 Hz를 기준하여 5 Hz 단위로 주파수를 감소시키며 20 Hz까지 측정한 값을 백분율 로 나타낸 것이다. 펌프의 회전수는 일정한 간격으로 정비 례하여 감소하였으며 20 Hz에서 33.3 %의 회전수를 나타냈 다. 펌프 출구압력은 60 Hz에서 0.29 Mpa를 나타냈으며 주파 수가 감소함에 따라 압력 또한 낮아졌다. 소비전력은 주파 수가 높은 영역에서 단위 주파수당 변화의 폭이 크게 나타 났으나 30 Hz 이하에서는 작게 나타났다. 따라서 소비전력 절감을 위해 펌프의 회전수를 50 % 미만으로 운전하는 것은 큰 효과가 없음을 알 수 있었다.

3.2.해수온도 변화에 따른 펌프의 회전수

Fig. 4는 모항에 정박해 있는 동안 해수온도 변화에 따른 펌프의 회전수와 소비전력을 나타낸 것이다. 정박 중 해수 온도는 8~14℃ 까지 변화하였으며 펌프의 회전수는 50 %로 감소시켜 운전하였다. 해수온도가 10℃ 이하 내려가면 펌프 의 회전수를 50 % 미만으로 낮추어 운전이 가능하지만 앞서 설명한 것과 같이 소비전력 절감효과가 적어 최저 펌프회전 수를 50 %로 설정하였다. 따라서 해수온도가 14℃ 이하일 때 는 소비전력은 47 %로 감소하였다. 목포항의 월평균 해수온 도가 14℃ 이하인 경우는 5개월로 그 기간 모항에 있을 경우 소비전력 절감효과가 클 것으로 판단된다.

Fig. 5는 국제항해 기간 중 일별 해수온도와 펌프의 회전수, 소비전력을 나타낸 그래프다. 모항인 목포를 출발할 당시 해 수온도는 15℃ 이고, 이때 펌프의 회전수는 58.3 %, 소비전력은 50 %였다. 그러나 출항 후 해수온도는 급격히 상승하여 5월11 일에 설계기준 온도인 32℃ 까지 상승하였으며 이때의 펌프의 회전수는 91.6 %, 소비전력은 80 %까지 상승하였다. 필리핀에 정박하여 있는 동안 해수온도는 32℃ 를 유지하였으나 출항 직 후 온도가 상승하여 34℃ 까지 상승하였으며 펌프의 회전수는 91.6 %로 운전이 가능하였다. 이후 베트남을 거쳐 대만으로 항해하는 구간에서 해수온도가 34℃ 까지 상승하였으나 이후부 터 점차 감소하였다. 국제항해중 평균소비전력 절감효과는 29.3 %였으며, 평균회전수는 83.7 %로 나타났다.

Fig. 6은 국제항해중 해수온도 변화에 따른 펌프의 회전수 및 소비전력을 나타낸 것이다. 해수온도가 15℃~18℃ 에서는 펌프의 회전수는 58.3 %, 이때 소비전력은 50 % 감소하였다. 이후 4℃ 간격으로 펌프의 회전수와 소비전력이 증가함을 보 였으며 해수온도가 가장 높은 34℃ 에서는 펌프의 회전수 및 소비전력이 각각 91.6 %와 80 %로 나타났다. 따라서 설계기 준 해수온도인 32℃ 를 넘는 34℃ 까지는 유량의 설계여유 값 이 있는 것으로 보이며 인버터를 이용한 유량제어는 효율적 인 소비전력 절감에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

3.3.기관실온도와 모터의 발열

Fig. 7은 국제항해중 일별 기관실온도와 모터온도, 펌프 회전수를 비교한 그래프다. 일반적으로 모터의 주위온도는 -10℃ 에서 +50℃ 의 범위에서 사용하는 것이 일반적이나 사용 주위온도를 초과하는 장소에서 사용하는 경우에는 모터 운 전에 따른 온도상승과 주위 온도가 더해져 모터권선 코일의 절연열화와 베어링의 수명을 단축시킬 수 있다(Seong et al., 2013; Lim, 2004). 따라서 모터내부에 발생된 손실 열을 유효 하게 방출하여 절연물이 손상되지 않도록 하는 것이 모터의 수명을 결정 하는 매우 중요한 사항이며, 모터의 사용 및 정 격은 그 발열에 의해 온도가 규정 이상으로 올라가지 않도록 한국산업표준(KS)의 전기절연 내열성등급(KS C IEC 60085)에 7개의 절연등급(Insulation Class)으로 정해져 있다.

실험에 사용된 보조해수펌프의 절연등급은 F등급이고, 모 터의 외부에서 축에 직결된 별도의 냉각용 팬을 이용하여 모터를 냉각시키는 전폐형 전동기이다. 절연등급 F의 권선 코일 허용최고온도(Temperature Rating)는 155℃ 이고, 허용온 도상승(Temperature Rise)은 주위온도를 40℃ 로 기준 할 때 100℃ 이다. Fig. 7에서 기관실온도가 최고 44℃ 까지 상승하고 펌프의 회전수가 전부하의 91.6 %일 경우에 모터케이스의 온도는 64℃ 를 나타냈다. 그러므로 허용 온도상승은 96℃ 되 고, 일반적으로 케이스온도는 권선부의 온도보다 10~30℃ 가 낮으므로 실제 권선부의 온도는 74~94℃ 가 된다. 따라서 모 터 회전수가 낮아짐으로 인하여 모터 발열에 대한 냉각에는 문제가 없음을 알 수 있다.

3.4.평균해수온도를 적용한 소비전력 절감효과

Fig. 8은 모항인 목포항의 월별 평균해수온도와 해수온도 변화에 따른 펌프의 회전수, 소비전력을 위의 정박과 국제항 해의 결과를 적용하여 나타낸 그래프다. 평균 해수온도가 14℃ 이하인 달은 5개월로 나타났으며 해수온도가 가장 높은 8 월에는 25℃ 였다. 따라서 모항 정박중 전부하 대비 최저 47 %, 최고 60 %의 범위에서 운전이 가능할 것으로 보이며, 연평 균 48 %의 소비전력 절감효과가 있을 것으로 판단된다. 항시 운전되는 펌프가 있는 선박이나, 선박 특성상 정박기간이 긴 실습선이나 관공선에서 인버터를 이용하여 펌프의 용량을 효 율적으로 제어한다면 에너지 절감에 큰 도움이 될 것이다.

3.5.회전수제어가 시스템에 미치는 영향

Fig. 9는 해수 흡입구 측에 해양생성물 방지장치가 없는 실습선의 냉동기 냉각해수펌프에 에너지 절약과 실험적 차 원에서 인버터를 설치하고 회전수를 67 %로 낮추어 5개월간 운전 후 펌프출구 파이프를 개방한 사진이다. 그림과 같이 담치류를 비롯한 해양생성물이 다량으로 부착되어 파이프 의 내부를 상당부분 막고 있다. 이처럼 해양생성물 방지장 치가 없는 곳에서 펌프의 회전수를 낮추어 유속이 감소하면 해양생성물의 부착을 증가시키는 결과를 확인하였다. 따라 서 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서는 에너지 절 감만을 위해 펌프의 회전수를 제어하여 운전하는 것은 선박 운항관리에 더 큰 문제를 야기할 수 있다는 것을 알 수 있었 다. 그리고 해양생성물 부착 방지장치가 없는 계통에서 다 양한 유속과 압력의 변화가 해양생성물 부착과 어떤 관계가 있는지에 대한 체계적인 데이터를 얻고자 연구를 계속 진행 중에 있다.

4.결 론

대부분의 선박용 해수펌프는 설계여유 값을 가지고 제작 된다. 그러므로 실제 운전을 해보면 상당부분 용량에 여유 가 있는 것을 알 수 있다. 특히 실습선처럼 정박 중 잡용으 로 사용되는 해수펌프의 경우는 사용되는 용량의 편차가 커 서 펌프의 용량을 작게 할 수도 없는 어려움이 있다. 따라 서 본 연구에서는 정박 중 육상전원을 사용하는 실습선처럼 전력소모의 큰 비중을 차지하는 동력용 해수펌프의 효율적 인 회전수제어를 통해서 소비전력절감 효과를 확인하고, 해 양생성물 부착 방지장치의 설치여부에 따른 해수펌프의 유 량제어가 시스템에 미치는 영향에 대해 관하여 연구하였다. 그 결과를 다음과 같이 정리할 수 있다.