Development of the simulator for marine auxiliary boiler system
It requires long time and high cost for an apprentice engineer to reach the level of getting various experiences of engine space machinery and preparing for emergency situations. Therefore reducing the time and cost, several types of simulator that give the very similar surroundings to the ship engine room, relevant to STCW-95 are used for systematic education and training to get many experiences and good judgement in emergency. Since most simulators that are operated in Korea were imported from foreign countries, it is difficult to directly implant the amendments of STCW Convention and reflect International Maritime Organization (IMO) model courses. This study describe a development of marine auxiliary boiler simulator that makes the apprentice engineer easier to understand the relationship between equipments in steam system such as auxiliary boiler, exhaust gas boiler, and steam turbine.
초록
처음 승선한 실습 기관사가 선박 기기에 대한 다양한 경험을 쌓고 비상시에 대비할 수 있을 정도의 수준에 도달하려면 긴 시일과 많은 비용이 든다. 따라서 현장과 유사한 환경에서 짧은 시간내 체계적인 교육과 훈련을 통해 다양한 경험과 비상시 적절한 판단을 가능케 하도록 STCW-95 권고안을 따르는 여러 형태의 시뮬레이터가 개발되어 교육 훈련 도구로써 활용되고 있다. 현재 국내에서 운용되고 있는 기관시뮬레이터는 전량 외국에서 도입된 것으로서 국제협약의 개정이나 기술발전사항 등을 바로 반영하기 힘든 상황이다. 본 연구에서는 실습기관사가 보조 보일러, 배기 보일러 및 증기터빈과 같은 증기계통의 각종 장치간의 연관성을 쉽게 파악할 수 있도록 하는 선박용 보조 보일러 시뮬레이터 개발에 대하여 논한다
Keywords:
Auxiliary Boiler, Exhaust Gas Boiler, Mass Balance, Heat Balance, 보조 보일러, 배기 보일러, 질량평형, 열평형1. 서 론
실습기관사가 승선 실습기간 중 보조 보일러 운전 상황을 경험하더라도, 배기 보일러를 비롯한 기관실내 증기 계통내 각종 장치간의 구체적 연관성을 쉽게 파악하기는 힘들다. 또한 보조 보일러는 대개 자동으로 운전되고 있기 때문에 수동 점화과정을 연습해 보는 것도 쉽지 않다. 따라서 보조 보일러를 포함한 증기 계통을 시뮬레이터로 실현하여 보일러의 자동/수동 및 점화/소화/운전 실습을 행하고 각 장치간의 관계를 파악할 필요가 있다. 먼저 질량평형과 열평형에 기초하여 증기계통에 대한 수학적 모델링을 행하고, 각 장치의 작동과 제어를 위한 흐름도를 구한다. 이후 흐름도를 토대로 프로그램 코딩과 시뮬레이터의 그래픽 화면을 구성한다. 완성된 시뮬레이터를 운전하여 IMO 모델코스에서 제시하는 내용에 대한 수용여부를 검토한다[1]-[3].
2. 본 론
2.1 증기계통의 구성
본 연구에서 모델로 고려한 증기계통내 주요장치로는 보조보일러, 주기관 배기가스 보일러, 터보발전기, 화물유펌프, 급수펌프, 응축기, 급수탱크 및 기타 증기 소비장치가 있다. 이들 장치의 사양과 계통도를 Table 1과 Figure1에 각각 보이고 있다[4][5].
Specification of boiler and equipments related to steam system
Model diagram for steam system
2.2 증기계통의 모델링
증기계통내 각 장치는 서로 밀접하게 관련되어 있으므로, 하나의 장치에 출입한 질량과 열량에 대한 질량평형(Mass balance)과 열평형(Heat balance)을 고려하여 모델링을 진행한다. 또한 수학적 특성 즉, 적분기, 함수발생기, PID 제어기, 리미터, 1차 계통, 열교환특성 등을 표현하기 위한 수식을 사용한다. Table 2에서는 모델링을 위해 사용한 중요 수식을 정리하고 있다. 다음으로 증기계통의 각 장치를 수학적으로 모델링하기 위해서는 실제 기기의 구체적 작동조건이나 요구조건을 포함하고 있어야 한다. Table 3에서는 증기계통내 각종 장치에 대하여 고려해야 할 여러 가지 사항을 보이고 있다.
Mathematical formulae
Considerations for steam system
이외에도 각 장치에서 나타나는 신호값(제어변수)들 간의 관계를 명확히 정리해야 한다. 본 연구에 적용된 한 가지 예로서 보일러 증기드럼내 증기압을 일정히 유지하기 위한 자동연소제어계통내 신호들 간의 상관관계를 Figure2에 보이고 있다[6].
Block diagram of boiler steam pressure control
다음으로는 각 장치에 대한 모델의 작동과 제어를 위한 흐름도를 작성한다. 보일러 운전을 위한 다수의 제어 흐름도가 작성되었으며 그 중 Figure3은 보일러 버너제어를 수행하는 흐름도이다.
Flow diagram for burner control
2.3 그래픽 사용자 인터페이스
2.2절에서 설명한 각 장치의 운전 제어 흐름도를 토대로 장치간의 연관관계를 정리하고 프로그램 코딩과 시뮬레이터의 그래픽 화면 구성작업을 수행한다. 이후 그래픽 화면에 사진, 그림, 음향 등을 덧붙여 현실감과 교육 효과를 높일 수 있도록 한다[5][7]. 만들어진 그래픽 화면의 한 예로서 Figure 4는 보일러가 정상 운전중일 때의 모습이며, Figure5는 보일러 화면상에 표시된 차압전송기(DPT)를 클릭하면 팝업 윈도우를 열어 해당 장치의 사진을 보여주는 모습이다.
Auxiliary boiler normal operation
Pop-up window for displaying DPT
Figure6은 보일러 버너 점화 및 운전연습을 위하여 제작한 미믹보드(mimic board)이다. 미믹보드에 설치된 버튼과 스위치를 이용하여 Figure 4의 화면에서 마우스로 수행할 수 있는 조작을 똑 같이 실행할 수 있다. 관련 동작 상태는 미믹보드의 LED 표시램프를 통해 확인하게 된다.
Auxiliary boiler mimic board
Figure7은 항해중 주기관이 전속운전중일 때 배기 보일러로 증기를 생산하고 있는 모습이다. 이렇게 생산된 증기를 이용하여 터보발전기(turbo generator, TG)를 정상운전하고 있는 모습을 Figure 8에서 보이고 있다. 화면에서 조속기의 부하제한(load limit)을 100%로 설정하여 전력부하의 증감에 따라 증기공급량을 최대한도로 제어 가능하도록 하고 있다.
Exhaust gas boiler operation at sea
Steam turbo generator operation
Figure9는 항내 정박중, 싣고 온 액체화물을 육상으로 하역하기 위하여 보조 보일러에서 생산된 증기를 이용하여 화물유펌프 터빈(cargo oil pump turbine, COPT)과 급수펌프 터빈(feed water pump turbine, FWPT)을 운전하는 모습을 보이고 있다.
Cargo oil pump turbine operation
3. 결 론
본 연구에서는 선박내 열에너지를 공급하는 보조 보일러 시스템에 대응한 교육용 시뮬레이터를 개발하였다. 실제 선박의 증기계통에 설치된 각종 장치를 컴퓨터 그래픽 화면으로 구현하여 현장감 있는 교육 효과를 얻게 되었다. 개발된 선박용 보조 보일러 시뮬레이터는 STCW-95 권고안을 포괄하고 있으며, IMO 모델 코스 2.07에 따른 교육 훈련과 수학적 모델을 이용한 연구가 가능함을 확인하였다. 본 연구를 통해 시뮬레이터 관련 국제협약의 개정 내용과 기술발전사항 등을 곧바로 반영할 수 있는 기반을 마련하게 되었다.
References
- STCW Convention and STCW Code 1978/2010, International Maritime Organization, (2011).
- SOLAS Consolidated edition, Part 1, International Maritime Organization, (2001).
- IMO Model Course 2.07 Engine-Room Simulator, International Maritime Organization, (2003).
- L. Goldsworthy, B. Jung, P. Niekamp, S. Earl, "Development of the Australian maritime college pc-based machinery space simulator,", MARTECH 2002, p1-17, Singapore, (2002).
- B. Jung, "A survey for the development of machinery space simulator,", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 27(1), p91-99, (2003), (in Korean).
- S. G. Dukelow, The Control of Boiler, The Instrumentation, Systems, and Automation Society, (1991).
-
B. Jung, M.-O So, P.-Y Eum, S.-H Paek, and C.-H Kim, "Development of the marine engine room simulator,", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 31(7), p872-880, (2007), (in Korean).
[https://doi.org/10.5916/jkosme.2007.31.7.872]
- Y.-W Jeon, "The recent trends of maritime training in the 1995 STCW Convention,", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 25(4), p716-726, (2001), (in Korean).
