A Study on Optimum Engine Selection and Performance Analysis of 50,000 DWT LNG Fueled Bulk Carrier with High-Mn LNG Tank

국제해사기구(IMO)의 MEPC 70차, 71차 회의에서 선박연료의 황 규제(0.5% 이하)가 2020년부터 실제로 적용할 것을 결의함으로써 친환경 대책마련을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 최근 황 함유량이 거의 없는 LNG를 연료로 사용하여 황산화물 발생을 줄이는 방안이 증가하는 추세에 있다. 그 일환으로 포스코가 독자 개발한 고망간강 LNG 연료 탱크를 사용한 세계 최초의 5만톤 LNG 추진 벌크선‘그린아이리스호’가 2018년 2월말에 현대미포조선소로부터 선주사인 일신로지스틱스에 인도되었다. 이 선박은 포스코가 사용하는 석회석의 운송을 강원도 동해항에서 광양제철소까지 담당하며 2017년 1월 발효된 국제 가스 추진선 안전코드인 IGF코드(International Code of Safety for Ships using Gases or other Low-flash point Fuels)에 준거하여 한국선급과 영국 로이드 선급의 인증을 획득하였다. 본 논문에서는 ‘그린아이리스호’를 연구대상 선박으로 선정하고, LNG 연료 추진선의 기술적 특이점, 추진출력과 배치선도, 부하선도의 분석을 통해 추진엔진 선정의 적합성을 평가하고, LNG 연료탱크의 형식이나 용적 선정의 기준을 제시하였다. 선정된 엔진과 연료탱크의 운항 성능을 분석하기 위해, 실제 운항되고 있는 ‘그린아이리스호’의 엔진관련 데이터를 중심으로 운항데이터를 수집하여 엔진 성능 분석을 수행하였다. 선박 운항 시에 추진기관의 출력과 기관 성능을 나타내는 주요 인자들을 선박의 데이터 전자 기록 시스템을 활용하여 수집하였으며, LNG 연료 탱크 관련되어서는 추진기관과 별도로 연료탱크 주요 인자 기록 시스템을 활용하여 데이터를 수집하였다. 부하선도 및 수집 된 운항 데이터를 분석한 결과, 엔진의 선정 시 100% 출력인 연속최대출력(MCR)이 IMO의 최저출력요구조건을 만족하기 위하여 상향조정 되었으며, 실선 엔진부하측정을 통하여 부하선도는 연속 및 과부하 작동에 대한 출력 및 속도 제한 범위 내에 있음을 확인하였다. 그리고 선박의 설계점인 14 노트에서 요구되는 10% 시마진을 포함한 해상 시운전 출력점은 상업운전 실측치와 거의 일치하여 선형, 프로펠러 등 선박의 설계와 선박 설계속도에 요구되는 출력을 내도록 엔진의 선정이 적절하게 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 또한 고압의 연료분사시스템을 갖는 이중연료엔진에서 LNG의 연소 적정성과 안정성을 확인하고, 엔진성능인자인 최고폭발압력, 압축압력 및 소기공기압력 등이 해상시운전 결과와 동일한 경향을 보이고 있어 엔진이 정상 작동 중임을 확인하였으며, 선형, 프로펠러 등 선박의 설계와 선박 설계속도에 요구되는 출력을 내도록 엔진의 선정이 적절하게 이루어졌음을 확인하였다. 그리고 고망간강을 사용한 LNG 연료 탱크는 최대 탱크 압력이 설계 압력인 7 barg보다 낮은 약 4.9 barg, 평균 탱크 압력이 3.23 barg로 LNG 연료공급시스템과 탱크의 안정성이 증명되었다. | POSCO for their campaign of the clean environment and to encounter new era of gas fuel have developed alternative material of high manganese (High-Mn) steel, the new type of cryogenic steel which can be alternative to nickel-based alloy for cost competitive and new cryogenic steel for the storage of LNG as well as alternative extreme cold gases. As a big step forward for greener shipping industry, ILSHIN Logistics had chosen LNG as clean fuel amongst solutions to comply the new environmental requirement and ordered to build the world’s first LNG fueled 50,000 DWT bulk carrier with High-Mn LNG tank at Hyundai Mipo Dockyard(HMD) as a part of POSCO program to verify their newly developed cryogenic steel on actual ship in service. The vessel to carry limestone for POSCO from Donghae to Gwangyang (South Korea) which Korean Register (KR) and Lloyd’s Register (LR) provided dual classification and certification, verifying the compliance with the International Gas Fuel (IGF) Code. On this paper, the procedures at the stage acknowledging shipowner’s requirement throughout layout diagram and load diagram in order to achieve the most optimum solution of main engine for the ship specification. Since after ship’s actual voyage, various measurements onboard have been performed and examined for the detail analysis of engine performance so as to confirm the aimed performance at the design stage. The successful construction of this vessel and the verification through onboard measurements will be a very good trigger to draw the LNG industry’s attention to widespread adoption of LNG fueled ships as well as high-Mn steel in marine applications, for those who are hesitant to adopt LNG fueled systems due to higher CAPEX without compromising both safety and performance.제 1 장 서론 1 1.1 연구의 배경 1 1.2 연구 방법 및 목적 2 제 2 장 LNG 연료 추진선의 최근 동향과 관련 연구 4 2.1 환경법의 최근 동향에 따른 글로벌 주요 선박회사들의 대응 동향 4 2.2 LNG 연료 추진선의 현황과 선종의 추진기관별 분석 9 2.3 가스엔진의 기술 현황 13 2.4 LNG 연료 추진선에 대한 주요 해운국의 정책 19 제 3 장 대상 선박의 엔진, 연료 탱크 선정 및 엔진의 운항 데이터 평가 24 3.1 연구대상 선박 선정 24 3.1.1 선종 및 항로 선정 배경 24 3.1.2 연구대상 선박의 제원 25 3.2 추진엔진 선정의 적합성 평가 27 3.2.1 LNG 연료 추진선의 기술적 특이점 27 3.2.2 추진출력과 배치선도, 부하선도 분석 28 3.2.3 연료탱크 타입 및 용적의 선정 기준 31 3.2.4 LNG 연료 추진선의 주요 구성 요소 33 3.3 대상 엔진의 운항 성능 분석 36 3.3.1 성능 측정 방법 고찰 37 3.3.2 엔진 성능 분석 38 3.3.3 종합 분석 43 제 4 장 결론 48 참고문헌 50 감사의 글 53Maste