Study on the Optimized Retrofit Design Procedure Establishment of Exhaust Gas Cleaning System for Existing Bulk Carrier

2020년 1월부터 모든 벙커연료의 황 함유량을 0.5%이하로 제한하는 ‘IMO 2020규제’가 상수가 됨에 따라 신조 시장에서는 저유황유 사용 또는 LNG 벙커링 인프라 부족 등으로 인해 스크러버 탑재를 선호하고 있으며, 일부 선박은 향후 LNG 연료 추진선박으로 개조할 수 있도록 설계되어 진다. 현존하는 선박의 경우 세 가지 방안 중 현재의 연료유 가격 조건에서는 배기가스 세정장치를 개조 탑재하는 것이 경제적, 기술적, 환경적으로 선주사에 가장 이득이 되는 것으로 확인되었으며, 2020년까지 현존선의 배기가스 세정장치 설치 수요가 증가할 것으로 전망되고 있다. 그러나 현존선의 개장 공사에 대해 검토 절차 및 설계 시 주요 변수에 대한 이론적인 정보가 부족한 실정으로, 설계 당시에는 인지하지 못한 요소들이 개장공사(retrofit) 시에 변수로 작용하는 경우가 발생하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 현존선의 배기가스 세정장치 탑재를 위해 설계 시 고려해야 하는 주요 제한 조건을 충족하기 위한 수행과정을 기술하였다. 이러한 과정을 토대로 최적화 설계 절차를 수립하고자 하였으며, 구조 해석 및 성능 분석을 통해 수립된 절차의 신뢰성에 대한 평가를 진행하였다. 세정 수 측정에 대한 성능 분석은 IMO에서 요구하는 Res. MEPC.259(68) Appendix 3에 따라 표본을 채취하여 pH의 경우 ANSYS 프로그램을 기반으로 한 CFD 분석을 통해 요건 충족 여부를 확인하였으며, 다환 방향족 탄화수소(PAH), 탁도(Turbidity), 질산염(Nitrate), 온도(Temperature) 등의 요소에 대해서는 해상 시운전 시 배기가스 및 세정수의 배출 모니터링 시스템을 통해 IMO에서 요구하는 배출 요건을 충족하고 있음을 확인하였다. 본 기술은 현시점에서 가장 최적화된 경제적인 방법으로 배기가스 세정장치 연구를 다루고 있으며, 향후 기술 발전을 고려하면 영구적인 방법이 될 수 없을 것이다. 그러나 “IMO 2020”은 곧 선박의 변화를 의미하기 때문에 향후 LNG 연료 추진에 대한 수요 증가로 현존 선박의 사양에 대한 개조 시장이 확대가 될 것으로 전망하고 있는 추세이다. 따라서 본 논문은 현시점에서 배기가스 세정 장치를 탑재한 선박의 실증 사례를 통해 설계 시 고려해야 하는 주요 제한 조건을 충족하기 위한 수행과정에 대한 정보를 전달하고자 하며, 연료 규제에 의한 선박 개조 공사 시장이 확대됨에 따라 선박의 운항 목적에 따른 경제적이고도 적합한 설계 방안을 제시할 수 있을 것이라 기대한다. | As the IMO 2020 regulation, which limits sulfur content to less than 0.5% of all bunker fuel from January 2020, becomes a constant, the new building ship market prefers to install scrubbers due to the lack of LNG bunkering infrastructure, or install the exhaust gas cleaning system(EGCS) referred to as scrubber and some ships will be designed to be converted into LNG propulsion for the future. In the case of existing ships, it is confirmed that under the current fuel oil price conditions, retrofitted exhaust cleaning systems are the most beneficial for ship owners, both economically, technically and environmentally. It is also expected that the demand for the installation of exhaust gas cleaning system on existing ships will increase by 2020. Many studies have been conducted on exhaust gas cleaning system, however, little is known about the theoretical information on the consideration for general procedure of engineering and installation of existing vessel's retrofit. In the absence of a design procedure, some unrecognized elements at the time of design process may act as critical variables during retrofit. To solve this problem, this study describes the implementation process to meet the major constraints that must be considered in the design for the existing vessel's retrofit. The optimized design procedure was established based on these processes. The reliability assessment of procedure was conducted through structural and performance analysis during engineering procedure. This study performed analysis of the performance of the discharged water and exhaust gas was emitted according to IMO.259 (68) Appendix 3. In the case of the pH at the wash water discharge, It was simulated by using CFD analysis based on ANSYS program. For the factors such as polycyclic aromatic hydrocarbon(PAH), turbidity, nitrate and temperature, were confirmed throughout parameter checks and continuous monitoring during sea trial and verified to comply IMO requirements. As a result, this study offers to convey information on the process of establishing procedures to meet the major considerations in design through the case of existing vessel's installed exhaust gas cleaning system. In particular, this study aimed to suggest the economically and suitable design process according to vessel's operation purpose as the existing vessel's retrofit market will be expanded.Abstract ⅶ 1. 서 론 1.1 연구 배경 및 목적 1 1.2 연구의 범위 및 방법 4 1.3 연구의 내용 및 논문의 구성 5 2. 배기가스 세정장치의 개요 및 초기 설계 절차 수립 2.1 배기가스 세정장치의 개요 6 2.2 배기가스 세정장치 개장 초기 설계 절차수립 및 모델선 검토 9 2.2.1 배기가스 세정장치 개장 초기 설계 절차수립 9 2.2.2 모델선 선정 및 검토 11 3. 주요 제한 조건 및 절차에 따른 수행 결과 3.1 개요 14 3.2 고정식 소화설비 14 3.3 의장수 16 3.4 선교의 안전 17 3.5 국제해상충돌예방규칙 18 4. 개장 공사 설계 절차의 신뢰성 검증 4.1 설계 구조 안정성 및 선박 복원성 검토 19 4.1.1 선박 복원성 26 4.1.2 경하중량 검토 결과 26 4.2 선급 승인을 통한 신뢰성 평가 29 4.2.1 화재 탐지기 배치 30 4.2.2 전기 부하 해석 및 개정 31 4.2.3 해수시스템 계통도 개정 32 4.2.4 배기관 시스템 계통도 개정 36 4.3 배기가스 세정장치의 세정수 배출요건 준수 검증 38 4.3.1 pH 회복 이론 39 4.3.2 화학적 중화 40 4.4 해상 시운전을 통한 성능 검증 44 4.4.1 해상 시운전 실시 45 4.4.2 최종 설계 절차 수립 48 5. 결론 49 참고문헌 51 감사의 글 53Maste