직접냉각방식 MGO Cooler의 온도 제어기 설계 및 성능 평가

Abstract

대기 오염을 줄이기 위한 노력은 육상뿐만 아니라 해상에서도 활발히 진행되고 있다. 세계 각국은 해안가의 환경오염을 줄이기 위한 차원에서 필요한 제반 규정들을 도입하고 있으며, 이 규정을 준수하기 위해 선박들은 연안에서의 엔진 연료는 일반적으로 HFO(Heavy Fuel Oil) 대신에 MGO(Marine Gas Oil)를 사용한다. 하지만 MGO는 점도가 엔진 제작사에서 요구하는 연료유 요구 조건 보다 더 낮다. 따라서 MGO를 연료로 사용하기 위해서는 MGO cooler 시스템을 이용, MGO의 온도 제어를 통해 점도를 소정의 범위 이내로 조절할 필요가 있다. 본 연구에서는 직접냉각방식 MGO cooler 시스템의 온도 제어기 설계와 그 성능 평가에 초점을 맞추었다. 시스템의 제어변수는 MGO 출구 온도와 1분 동안의 온도 변화량이고 조작변수는 3방조절밸브 개폐와 압축기의 동력이다. 3방조절밸브는 연료 계통 배관에 설치되어 MGO cooler 시스템 측으로 유입되는 연료의 유량을 조절(바이패스)함으로써 MGO 출구 온도의 제어 성능을 향상시킨다. 정밀한 온도 제어를 위해 PID 제어기를 이용하였고, 3방조절밸브의 용량 제어 모델링을 통해 최적화된 PI 제어기를 설계하였다. 실험을 통해 설계한 제어기의 타당성을 검증하고 제어 성능을 분석하였다. 실험 결과, MGO cooler 제어 시스템은 설계에서 요구한 제반 성능을 만족시켰고, 메인 엔진 구동 시 연료 계통을 보호하기 위한 최소 요구 조건인 분당 2℃ 미만의 온도 변화 속도 역시 충족함을 확인하였다. 이 연구에서 얻어진 결과들은 향후 MGO cooler 시스템 제작에 필요한 기초 설계 자료로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대 된다.

Recently, several efforts to reduce the air pollution are proceeding not only in onshore but also in offshore fields. Nations of the world have adopted the regulations for reducing the air pollution at the near coast. Marine gas oil(MGO) is generally used in the ships that are sailing near the coast instead of heavy fuel oil(HFO) for a fuel oil of main engines to comply with the regulations. However, MGO viscosity is basically lower than that of a criterion for fuel oil recommended by engine makers. Therefore, it is necessary to control the MGO temperature to satisfy the viscosity criterion within permissible range using a MGO cooler system. It is not desirable to make change the MGO temperature rapidly to obtain target viscosity. Because it causes harmful stress and finally spoils the fuel oil supplying pipe system of a main engine. To solve this problem, the temperature variation rate is also controlled when the MGO temperature is controlled. This study is focussed on the temperature controller design for direct type MGO cooler system and control performance evaluation of the designed controller. In this system, two main control variables, MGO outlet temperature and temperature variation rate per minute of the outlet temperature, are simultaneously controlled by regulating only opening angle of a 3-way valve installed on fuel transfer pipe system. The proportional and integral(PI) controller is especially designed to operate for both general PI controller to control target temperature and a special down controller to regulate temperature variation rate in a certain temperature area. Some conditions to switch between general PI and the down controller are defined. The PI controller is designed based on the transfer function obtained from dynamic characteristic experiments on real experimental system and its gains are re-tuned and optimized through starting experimental data. The validity of the designed controller was verified through three kinds of experiments, starting experiment, load change experiment, and reference change experiment. Finally, the control performance was analyzed and evaluated in the view point of design specifications for both target temperature and temperature variation rate. The designed MGO cooler control system was successfully satisfied with its design specification. Hence, MGO outlet temperature variation rate was below than 2.0℃ per minute which is minimum requirement for protecting fuel components by using a main engine and the steady state error of MGO outlet temperature was kept within ±1℃. Finally, automatic control system without an operator for starting the MGO cooler system is expected with this study.