study of temperature dynamic characteristics of various
TRANSCRIPT
ํ๊ตญํด์๊ณตํํ์ง ์ 33๊ถ ์ 2ํธ, pp 139-145, 2019๋ 4์ / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715
๊ธฐํธ ์ค๋ช
IMO : International marine organization, ๊ตญ์ ํด์ฌ๊ธฐ๊ตฌ
SOx : Sulfur oxide, ํฉ์ฐํ๋ฌผ
MEPC : Marine environment protection committee,
ํด์ํ๊ฒฝ๋ณดํธ์์ํ
LNG : Liquified natural gas, ์กํ์ฒ์ฐ๊ฐ์ค
MGO : Marine gas oil, ๋ง๋ฆฐ๊ฐ์ค์ค์ผ
HFO : Heavy fuel oil, ๊ณ ์ ํฉ์
PI control : Proportional-integral control, ๋น๋ก-์ ๋ถ์ ์ด
Cascade control : ๋ค๋จ์ ์ด
MPC control : Model predictive control, ๋ชจ๋ธ์์ธก์ ์ด
SP : Set point
OP : Output percent
PV : Process variables
LMTD : Logarithmic mean temperature difference,
๋์ํ๊ท ์จ๋์ฐจ [โ]
1. ์ ๋ก
๊ตญ์ ํด์ฌ๊ธฐ๊ตฌ(IMO, International maritime organization)๋ ํด์
ํ๊ฒฝ๋ณดํธ์์ํ(MEPC, Marine environment protection committee)
70์ฐจ ํ์(2016.10.20.)์์ 2020๋ ๋ถํฐ ์ ์ธ๊ณ ํด์ญ์ ํญํดํ
๋ ์ ๋ฐ ์ฐ๋ฃ์ ์ ํฉ ํจ์ ๋์ 0.5%(m/m)์ดํ๋ก ๊ท์ ํ๊ธฐ๋ก ๊ฒฐ
์ ํ์๋ค. ๊ฐํ๋ SOX ๋ฐฐ์ถ ๊ท์ ์ ๋์ํ๊ธฐ ์ํด LNG(Liquified
natural gas)์ฐ๋ฃ์ฌ์ฉ, ๋ฐฐ๊ธฐ๊ฐ์ค์ธ์ ์ฅ์น ์ค์น(Scrubber), ์ ์ ํฉ
์ (MGO, Marine gas oil) ๋ฑ๊ณผ ๊ฐ์ ๋ค์ํ ๋์ ๊ธฐ์ ์ค, ์ ์ ํฉ
์ ์ฌ์ฉ์ ์ถ๊ฐ ์ค๋น๊ฐ ๋น๊ต์ ๋จ์ํ๊ณ ๋น์ฉ์ด ๋ฎ๋ค๋ ์ฅ์ ์ผ
๋ก ์ต๊ทผ ์ ์ฃผ๋ค์ด ๊ฐ์ฅ ์ ํธํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ๋ ์ค๋ฅด๊ณ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ
๋ MGO๋ 40โ์์ ์ ๋๊ฐ 1.5~3cSt๋ก ๊ณ ์ ํฉ์ (HFO, Heavy
fuel oil)์ ๋นํด ๋งค์ฐ ๋ฎ์์ ์์ง ์ ๊ตฌ ์ธก์ ์ ์ ๋๋ ์ค์ผ์
์ ๋๋ฅผ ์ต์ 2cSt์ด์์ผ๋ก ์ ์ง๋ ์ ์๋๋ก ํ๋ MGO chiller
์ค์น๊ฐ ํ์ํ๋ค. ์ด๋, ์์ง์ ๋ถํ ๋ณ๊ฒฝ์ ๋ฐ๋ผ MGO chiller์
์ถ๊ตฌ ์จ๋๊ฐ ยฑ2โ์ด์ ๋ณํ๊ฒ ๋๋ฉด ์์ง ์์คํ ์ ์ด์๋ ฅ์ ๋ฐ
์์ํฌ ์ ์์ผ๋ฏ๋ก ์ค์ ์จ๋์์ ํฌ๊ฒ ๋ฒ์ด๋์ง ์๋๋ก ์จ๋
Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 33(2), 139-145, April, 2019https://doi.org/10.26748/KSOE.2019.005
Study of Temperature Dynamic Characteristics of Various Control Methods for MGO Chiller System
Hee-Joo Cho *, Sung-Hoon Kim ** and Jungho Choi *
*Department of Naval Architecture and Offshore Engineering, Dong-A University, Busan, Korea**Mytec, Busan, Korea
MGO Chiller ์์คํ ์ ์ ์ด ๋ฐฉ์์ ๋ฐ๋ฅธ ์จ๋ ๋ํน์ฑ ์ฐ๊ตฌ
์กฐํฌ์ฃผ *โ ๊น์ฑํ **โ ์ต์ ํธ *
*๋์๋ํ๊ต ์กฐ์ ํด์ํ๋ํธ๊ณตํ๊ณผ**(์ฃผ)๋ง์ดํ
KEY WORDS: ํฉ์ฐํ๋ฌผ ๋ฐฐ์ถ ๊ท์ , MGO(Marine gas oil) chiller ์ ์ง์ค ์น ๋ฌ, PI control ๋น๋ก ์ ๋ถ ์ ์ด, Cascade control ๋ค๋จ ์ ์ด,
MPC control ๋ชจ๋ธ ์์ธก ์ ์ด, Dynamic modeling ๋ค์ด๋๋ฏน ๋ชจ๋ธ๋ง, ๋ํน์ฑ
ABSTRACT: It is important that an MGO Chiller System, which is one of the sulfur oxide emission control technologies, is designed to meet the fuel temperature requirements, even with sudden engine load changes. Three different control algorithms (PI, Cascade, and MPC) were applied to an indirect MGO chiller system to compare and analyze the outlet temperature dynamic characteristics of the system through a case study. The results
showed that the MPC control method had the best temperature following characteristics in the case study, and the temperature deviation range was reduced by approximately 5% compared to the PI control method.
Received 11 January 2019, revised 12 March 2019, accepted 11 April 2019
Corresponding author Jungho Choi: +82-51-200-7787, [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1522-6080
It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of Fall Conference of KSOE 2018 in Incheon.
โ 2019, The Korean Society of Ocean EngineersThis is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits
unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
139
140 Hee-Joo Cho, Sung-Hoon Kim and Jungho Choi
๋ฅผ ์ ์ดํ๋ ๊ฒ์ด ์ค์ํ๋ค(Kang et al., 2010).
MGO ์ถ๊ตฌ ์จ๋ ์ ์ง๋ฅผ ์ํด์ Ryu.(2013)์ 3-Way valve์
ํซ๊ฐ์ค๋ฐ์ดํจ์ค๋ผ์ธ์ ์ถ๊ฐํ์ฌ ์จ๋ ์ ์ด ์ฑ๋ฅ์ ๋ณด์ํ๊ณ ์
๋์ผ๋ก ์จ๋ ์ ์ด๊ฐ ๊ฐ๋ฅํ ์ง์ ๋๊ฐ ๋ฐฉ์ MGO cooler system
์ ๊ตฌ์ถํ์๊ณ , Kang et al.(2010)์ ๋์์์๋ HFO๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๊ณ
๊ทผํด์์๋ MGO๋ก ์ฐ๋ฃ๋ฅผ ๊ต์ฒดํ๋ Fuel change system์ ๋ค์ด
๊ฐ๋ MGO cooler์ ์ด์ ์ ์ด ํน์ฑ์ ํ๊ฐํ์๋ค. Lee et al.
(2011)์ ๊ฐ์ ๋๊ฐ ๋ฐฉ์ MGO cooler system์ ํซ๊ฐ์ค๋ฐ์ดํจ์ค
๋ผ์ธ๊ณผ ์ ์ํฝ์ฐฝ๋ฐธ๋ธ๋ฅผ ์ถ๊ฐํ์ฌ ๋ถํ ๋ณ๋ ์์๋ ์ ๊ธฐ์ ์ธ
์ด์ ์ด ๊ฐ๋ฅํ๋๋ก ํ์๋ค. ์ ํ ์ฐ๊ตฌ๋ค์ ํน์ง์ ์ ์ด ๋ฐฉ๋ฒ์ด
PI(Proportional-integral control)์ ์ด์ ํ์ ์ ์ด๊ณ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ์ค๋น
๋ฅผ ๋์ ํด์ผํ๋ค๋ ํ๊ณ๊ฐ ์๋ค. ๋ํ ๊ธ๊ฒฉํ ์์ง ๋ถํ๊ฐ ๋ณ๊ฒฝ
๋ ๋ MGO ์จ๋๋ฅผ ์ ์ดํ๋ ์ฐ๊ตฌ๋ ์ฐพ์๋ณด๊ธฐ ์ด๋ ค์ ๋ค. ํ๋
์จ์ด ๊ตฌ์ฑ์ ์ํ ์จ๋ ์ ์ด๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ์ ์ด ๋ฐฉ๋ฒ์ ๋ฐ๋ฅธ ์จ
๋ ์ ์ด์ ๊ดํ ์ฐ๊ตฌ๋ ํ์ํ๋ค. ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ์ ๋ณผ ๋, ์ผ๋ฐ์ ์ผ
๋ก ๋ง์ด ์ ์ฉ๋๋ PI ์ ์ด ์ด์ธ์ Cascade ์ ์ด, MPC(Model
predictive control)์ ์ด ๋ฑ ํน์ ๋ชฉ์ ์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐ๋ฐ๋ ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ๋ค
์ด ์๋ค(Qin et al., 2003). Pour et al.(2007)์ 3๊ฐ์ง ์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ
์ฆ์ ๋ฐ์๊ธฐ ์ด์ ์ ์ ์ฉํ์ฌ ์๋ต์ฑ์ ๋น๊ตํ์๋ค.
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ HYSYS modeling์ ํตํ์ฌ MGO chiller ์์คํ ์
๊ตฌ์ฑํ๊ณ ์ด์ ์กฐ๊ฑด ๋ณ๊ฒฝ์ ๋ํ ๋ค์ํ ์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์จ๋
์ ์ด ๋ํน์ฑ์ ๋ถ์ํ๊ณ ์๊ตฌ ์จ๋ ์กฐ๊ฑด ยฑ2โ๋ฅผ ๋ง์กฑ์ํค๋ ์ต
์ ์ ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฐพ๋ ๊ฒ์ ๋ชฉํ๋ก ํ๋ค.
2. ์ฐ๊ตฌ ๋ฐฉ๋ฒ
2.1 MGO Chiller SystemMGO chiller๋ ๋๊ฐ ๋ฐฉ๋ฒ์ ๋ฐ๋ผ ์ง์ /๊ฐ์ ๋๊ฐ์์คํ ์ผ๋ก
๊ตฌ๋ถํ ์ ์๋๋ฐ, ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์๋์ Fig. 1๊ณผ ๊ฐ์ด ์จ๋ ์
์ด ํน์ฑ์ด ์ข์ ๊ฐ์ ๋๊ฐ ๋ฐฉ์ MGO chiller system์ ๊ณ ๋ คํ์
๋ค. Service tank์์ ๋์จ ์ฝ 45โ์ Hot MGO๋ฅผ MGO chiller์
์ ์ฒญ์์ ์ด ๊ตํ์ ์์ผ 3cSt์ ์์ํ๋ 18โ๊น์ง ๋๊ฐํ๋ค.
์ด๋, ์์ง์์ ์๊ตฌํ๋ MGO ์ฐ๋ฃ ์กฐ๊ฑด์ ISO 8217;2017(ISO,
2017)์ ์ํด 40โ์ผ ๋, ์ต์ 2cSt์ ์ ๋๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ ๊ฒ์ ์๊ตฌ
ํ๊ณ ์์ผ๋ Port operation ์ด์ ์ ํญ์ ์ ๋๋ฅผ ์ ๊ฒํด์ผ ํ๊ธฐ
๋๋ฌธ์ 3cSt์ด์์ ์ ๋์์ ์์ง์ ์๋ํ๊ธฐ๋ฅผ ๊ถ์ฅํ๋ค. ๋ฐ๋ผ
์ 40โ์์ 2cSt๋ฅผ ๊ฐ์ง๋ MGO๋ฅผ 3cSt๋ก ๋ง๋ค๊ธฐ ์ํด MGO
chiller์์ 18โ๊น์ง ๋๊ฐ์์ผฐ๋ค(Kjeld, 2009). ๋๋งค๋ก ์ฌ์ฉ๋๋
์ฒญ์๋ ๋๋งค์ ์ํด ๋๊ฐ์ด ๋๋ฉฐ, ๋๋งค ์ฌ์ดํด์ On/Off ์ ์ด๋ก
์ด์ ์ด ๋์ด ์ฒญ์ ํฑํฌ ์จ๋๊ฐ ์๊ตฌ ์จ๋๋ณด๋ค ๋์ ์ ๋๋งค ์ฌ
์ดํด์ Compressor๋ฅผ ์๋์์ผ ์จ๋๋ฅผ ๋ฎ์ถ๊ณ , ๋ฎ์ ์์๋
Compressor๋ฅผ ์๋ ์ค์ง์ํจ๋ค.
2.2 ์ ์ด์ ์ข ๋ฅ
Cool MGO์ ์จ๋(PV, Process variables)๋ฅผ ์๊ตฌ ์จ๋(SP, Set
point)๋ก ๋๊ฐ์ํค๊ธฐ ์ํด์ ์ฒญ์(FW, Fresh water)์ ์ ๋์ด ์กฐ
์ ๋๋ค. ์ ๋์ ์กฐ์ ํ๊ธฐ ์ํ ์ ์ด ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ ์ ์ด
์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ด ๊ณ ๋ ค๋์๋ค.
PI(Proportional-integral control)์ ์ด๋ Feedback control์ ํ ๋ฐฉ
๋ฒ(Astrom and Haggland, 1995)์ผ๋ก์ ์ธ๋์ด ๋ฐ์ํ๋ฉด PV์ SP
์ ์ฐจ์ธ ๋ฅผ ๊ธฐ์ค์ผ๋ก ์๋ ์ (1)๊ณผ ๊ฐ์ด OP(Output percent)
๋ฅผ ๊ตฌํ๋ค(Doyle et al., 1992).
(1)
๋ ๋น๋ก ์์๋ก์ ์ด๋ฅผ ์ฆ๊ฐ์ํค๋ฉด SP์์ Offset์ ์ค์ฌ
์ค์ ๊ฐ์ ๋น ๋ฅด๊ฒ ๋๋ฌ์ํฌ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ๋ฌดํํ ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐ
์ํค๋ฉด Closed loop system์ ๋ถ์์ ์ฑ์ ์ด๋ํ์ฌ ๋ฐ์ฐํ ์ํ
์ด ์๋ค. ๋ ์ ๋ถ ์์๋ก์ Error์ ๋๋ฑํ ์๋งํผ ์ด๋ํ๋๋ฐ
ํ์ํ ์๊ฐ์ผ๋ก ์ ์๋๋ค. ๋ฅผ ํฌ๊ฒ ์ค์ ํ๋ฉด ์ ๋ถ ์์ด ์ ์ด
์ ธ์ ์๋ต ์๊ฐ์ด ์ค์ด๋๋ PV๊ฐ์ด SP์ ๋๋ฌํ ์ ์์ ๋งํผ
์ถฉ๋ถํ ์๊ฒ ํด์ผ ํ๋ค(Choi and Jeong, 2016). PI์ ์ด๋ ์ผ๋ฐ์
์ผ๋ก ๊ฐ์ฅ ๋ง์ด ์ฌ์ฉ๋๋ ์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ ์ด์ง๋ง ๋น ๋ฅธ ์ ์ด๋ฅผ
์๊ตฌํ๊ณ ์ด์ ์์ญ์ด ์ข์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ Overshoot์ด ๋ฐ์ํ ์ ์
๋ค๋ ๋จ์ ์ด ์๋ค.
Cascade์ ์ด๋ 1์ฐจ Controller์ ์ถ๋ ฅ ์ ํธ์ ์ํด 2์ฐจ Controller
์ ์ค์ ๊ฐ์ ์์ง์ฌ์ ํํ๋ ์ ์ด๋ก ๊ธฐ์กด PI์ ์ด์ SP ๊ฐ์ ๊ฐ
๋ณ์ผ๋ก ํ์ฌ ์๋ต ์ฑ๋ฅ์ ๋น ๋ฅด๊ฒ ํ๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์จ๋ ๋ณํ
์ ์์ธ์ด ์์ง์์ ์๋ชจ๋๋ ์ฐ๋ฃ์ ์ ๋ ๋ณํ์จ์ด๋ฏ๋ก ์ ๋ ๋ณ
ํ์จ์ ๋ฐ๋ผ SP๊ฐ ๋ณ๋์ด ๋๊ฒ ์๋ Fig. 2์ ๊ฐ์ด ๊ตฌ์ฑํ์๋ค.
์ด๋ฌํ ๋ฐฉ๋ฒ์ OP๊ฐ์ ๋น ๋ฅด๊ฒ ์๋์์ผ Overshoot์ด ๋ฐ์ํ๋
Fig. 1 Schematic diagram of indirect MGO chiller system
Study of Temperature Dynamic Characteristics of Various Control Methods for MGO Chiller System 141
Fig. 2 Flow-temperature cascade control algorithm
Fig. 3 MPC control algorithm
๊ฒ์ ๋ง์์ค๋ค.
MPC(Model predictive control)๋ ๊ณผ๊ฑฐ์ ๋ฐ์ดํฐ๋ก ๋ฐ๋ณต ๊ณ์ฐ์
์ํํ์ฌ ์ต์ ์ ์ ์ด ๊ฐ์ ์ ํํ๋ ์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ผ๋ก ์์
์ฐ์ ์ด๋ ํํ ํ๋ํธ์์ ๋ง์ด ์ฌ์ฉ๋๋ ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ์ด๋ค(Qin
and Badgwell, 2003). MPC controller๋ ์ผ์ ์๊ฐ ์ด์ ์ ๋ชจ๋ธ์
๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ํ์ฌ Input๊ฐ์ ๋๋ต์ ์ผ๋ก ๋์ถํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ผ๋ก์ ๊ธ๊ฒฉ
ํ ์ธ๋ ๋ฐ์ ์ Overshoot์ด ๋ฐ์ํ์ง ์๊ณ ๋น ๋ฅด๊ฒ SP์ ์๋ ดํ
์ ์๋๋ก ํ๋ ํน์ง์ด ์๋ค(Tuan et al., 2017). Pour et al.(2007)
์ MPC-PID cascade์ ์ด๋ฅผ ์์ Fig. 3๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌ์ฑํ์ฌ ๊ธฐ์กด์
์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ๊ณผ ๋น๊ตํ์๋ค. MPC-PID cascade์ ์ด๋ ํ์ฌ์ SP
๊ฐ PV์ ์ด๋ ํ ์ํฅ์ ์ฃผ๋์ง ์ผ์ ์๊ฐ๋์ ๊ธฐ๋ก์ ํ๊ณ ์ด๋ฅผ
๋ฐ์ํ์ฌ ์ต์ ์ ๋ฏธ๋ SP๊ฐ์ ์ ์ถํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ค. ์ดํ ์ด SP๊ฐ
์ ๊ฐ์ง๊ณ PID์ ์ด๋ฅผ ์ํํ๊ฒ ๋๋ค. MPC-PID cascade์ ์ด๋ ์ธ
๋์ ์ํ ์จ๋ ๋ณํ์จ์ ๋จผ์ ๊ฐ์งํ๊ณ ์ด๋ฅผ ๋ฐ์ํ์ฌ ์ ์ด๋ฅผ
ํ๋ Feedforward control์ ํ ์ข ๋ฅ์ด๋ค. MPC-PID cascade์ ์ด๋
Direct MPC์ ์ด๋ณด๋ค ์๋๋ ๋๋ฆฌ์ง๋ง Overshoot๊ฐ ๋ฐ์ํ์ง ์
๊ณ , ๊ณ ์ ์ ์ด ๋ฃจํ์ ์ ํฉํ ๋ฐฉ๋ฒ์ด๋ค(Lee et al., 2000).
2.3 ์ค๊ณ ๊ธฐ์ค
์๋์ Fig. 4๋ ์์ฉํ๋ก๊ทธ๋จ์ธ Aspen HYSYS๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ
MGO chiller system์ Dynamic model๋ก ๊ตฌํํ ๋ชจ์ต์ด๋ค.
Modeling์ ์ฌ์ฉ๋ ์ํ๋ฐฉ์ ์(EOS, Equation of state)์ Oil
& Gas, ์์ ํํ ๋ถ์ผ์์ ๊ฐ์ฅ ๋ง์ด ์ ์ฉ๋๋ PR(Peng-
robinson)์ ์ฌ์ฉํ์๋ค. ๊ฐ ์ฅ๋น๋ค์ Steady model์ ํตํ์ฌ ์ฅ
๋น ์ฌ์ด์ง์ ํ์์ผ๋ฉฐ ์ค๊ณ์ ํ์ํ ๊ฐ์ ์ Table 1์ ์ ๋ฆฌํ
์๋ค. ์ด์์ ์ธ ๋๋งค ์ฌ์ดํด์์ ๋๋งค๋ Evaporator ์ถ๊ตฌ์์ ํฌ
ํ์ฆ๊ธฐ ์ํ์ด๊ณ , Condenser ์ถ๊ตฌ์์ ํฌํ์ก ์ํ์ด๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋
์ค์ ๋๋งค ์ฌ์ดํด์์๋ ์ ํํ๊ฒ ํฌํ์ฆ๊ธฐ, ํฌํ์ก ์ํ๋ก ์
์ดํ๊ธฐ ์ด๋ ต๊ณ , ๋ฐฐ๊ด, ์ฅ๋น, ๋ฐธ๋ธ์์์ ์๋ ฅ๊ฐํ๋ฅผ ํผํ ์ ์
์ผ๋ฏ๋ก Compressor์ Expansion valve์ ํ๋จ์ 10โ ์จ๋ ๋ง์ง
์ ๊ฐ์ ํ์ฌ ๋ณด์์ ์ผ๋ก ์ค๊ณํ์๋ค(Boles and Cengel, 2012).
HYSYS simulation์ ๋์ ๋ฌผ์ง์ ์กฐ์ฑ์ ๋ฐ๋ผ ์ฅ๋น์ ํฌ๊ธฐ
์ ๋ฌผ์ฑ์น๊ฐ ๋ฌ๋ผ์ง๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ณต์ ๋ด ๋์ ๋ฌผ์ง์ ์กฐ์ฑ์ ์
ํํ๊ฒ ์ ์ํ๋ ๊ฒ์ด ์ค์ํ๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ MGO์ ์กฐ์ฑ์ ๋ช ํํ
์๋ ค์ ธ ์์ง ์์ผ๋ฏ๋ก, ISO8217:2017์ ์ฐ๋ฃ์ ์ ํน์ฑ์ ์ฐธ๊ณ ํ
์ฌ MGO์ ์ ์ฌํ ๋์ ์ฑ, ๋ฐ๋, ๋น์ด์ ๊ฐ์ง๋๋ก Hydrocarbon
Table 1 Assumption
Equipment Assumption
Heat Exchanger
Phase change : Min approach 5 โ
No phase change : LMTD 10 โ
Pressure drop : 0.33 kPa (Shell, Tube side)
PumpAdiabatic efficiency : 75 %Heat exchanger pressure drop considered(Pipe not considered)
Compressor Adiabatic efficiency : 75 %
Valve Isenthalpic process
Vessel Volume : 1 m3
Refrigerants R-134a
MGOC10H22 : C14H30 : C16H34 : C16H32
0.4 : 0.09 : 0.48 : 0.03
Fig. 4 MGO chiller control system
142 Hee-Joo Cho, Sung-Hoon Kim and Jungho Choi
๊ณ์ด๋ก ๊ตฌ์ฑํ์ฌ ๊ฐ์ ํ์๋ค. ISO8217:2017์ ๋ฐ๋ฅด๋ฉด DMA
(Distillate marine fuel grade A) ์ฐ๋ฃ ๊ธฐ์ค 40โ์ผ ๋ ๋์ ์ฑ์ด
2~6cSt, 15โ์ผ ๋ ๋ฐ๋๊ฐ 838.2kg/m3, ๋น์ด์ด 0.48cal/gยทโ์ด๋ค.
๊ฐ์ ํ ์ฐ๋ฃ์ ๋ 40โ์ผ ๋ ๋์ ์ฑ์ด 2.35cSt, 15โ์ผ ๋ ๋ฐ๋๊ฐ
838.2kg/m3, ๋น์ด์ด 0.471cal/gยทโ๋ก MGO์ ์ ์ฌํ๋ค.
2.4 ํ๋ ํ๋ผ๋ฏธํฐ
๊ฐ ์ ์ด ๋ฐฉ๋ฒ ๋ณ ์จ๋ ๋ณํ์จ์ ๋ณด๊ธฐ ์ํด Master ์ ์ด๊ธฐ์ธ
PI์ ์ด๊ธฐ์ , ๊ฐ์ ๊ฐ๊ฐ 13.1, 4.5๋ก PI, Cascade, MPC์ ์ด์
๋ชจ๋ ๋์ผํ๊ฒ ์ ์ฉํ์ฌ ํ๋ ํ๋ผ๋ฏธํฐ๊ฐ ์จ๋ ๋ณํ์จ์ ์ํฅ
์ ์ฃผ๋ ๊ฒ์ ๋ฐฉ์งํ์๋ค.
Cascade ์ ์ด๋ Delay 2๋ถ์ ์ ์ฉํ์ฌ 2๋ถ์ ์ ๋๊ณผ ํ์ฌ ์
๋์ ๋น๊ตํ์ฌ SP์ ๋น ๋ฅด๊ฒ ๋๋ฌํ๋๋ก ํ์์ผ๋ฉฐ, MPC ์ ์ด๋
(Process gain value)์ (Process time constant value)๋ฅผ 2๋ก
์ค์ ํ๊ณ Step response length๋ฅผ 150์ผ๋ก ํ์ฌ ์ด 150๊ฐ์ Model
step response๋ฅผ ์ป์ด ๋ฏธ๋์ SP๋ฅผ ์์ธกํ์๋ค.
2.5 ์ผ์ด์ค ์ ์
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์์ง์ ๋ถํ ๋ณ๋์ด ์ฌํ ๋ณด์กฐ์์ง(Wรคrtsilรค engines
12V50DF)์ ์ด์ ์กฐ๊ฑด์ ์ฐธ์กฐํ์ฌ ๋์ ๋ถํ ๋ณ๋์ ๋ฐ๋ฅธ Normal,
Instant, Emergency mode์์์ ์จ๋ ๋ณํ ํน์ฑ์ ๋ถ์ํ์๋ค. ์ด์
์๋๋ฆฌ์ค๋ณ ์ฐ๋ฃ์ ๋ณํ์จ์ ์๋์ Table 2์ ๋์ํ์๋ค.
Table 2 Case definition
Case Load change percent
Steady mode
Maximum load[100 % Load]
2132 kg/h
Minimum load[20 % Load]
426 kg/h
Dyn.-normalmode
Load Change[50 % ~ 100 % / 247 s]
1066~2132 kg/h
Dyn.-instantmode
Load change [33 %]
35~1769 kg/h
Dyn.-emergencymode
Load change [20 % ~ 100 % / 17 s]
426~2132 kg/h
3. ์ฐ๊ตฌ ๊ฒฐ๊ณผ
3.1 Steady state ์ด์ ์ผ์ด์ค
์์ง ๋ถํ๊ฐ Maximum๊ณผ Minimum์ผ ๋, MGO chiller system
์ด ์ด๋ป๊ฒ ์๋ํ๋์ง ์์๋ณด๊ธฐ ์ํด ๋จผ์ Steady mode์ ๋ํน
์ฑ์ Fig. 5์ ๋์ํ์๋ค. Maximum load์ผ ๋์๋ ์จ๋ ์ถ์ข ์ฑ
์ด ์ข์ SP์ PV๊ฐ ์ผ์นํ๋ ๋ชจ์ต์ ๋ณด์ด๋ Minimum load์ผ
๋์๋ SP์ PV์ ์ฐจ์ด๊ฐ ๋ฐ์ํ๊ณ ์ด๋ฅผ ์ค์ด๊ธฐ ์ํด OP๊ฐ์ด
๋ณํํ๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค.
๊ฐ์ ๋๊ฐ ๋ฐฉ์์ ์ด์ฉํ๋ MGO chiller ์์คํ ์์ ๋๋งค ์ฌ
์ดํด์ ์ฒญ์์ ์จ๋์ ๋ฐ๋ผ ๊ฐํ์ ์ผ๋ก ์ด์ ์ด ๋๋ฉฐ ์ด๋ Fig.
6์์์ ๊ฐ์ด MGO chiller์์์ Duty์ Evaporator์์์ Duty
์ ์ฐจ์ด๋งํผ ์ฒญ์์ ์จ๋๊ฐ ๋ณํ๊ฒ ๋๋ค. Maximum load์ผ ๊ฒฝ์ฐ
์ด Duty์ ์ฐจ์ด๋ ์ ์ง๋ง Minimum load์์ Duty์ ์ฐจ์ด๊ฐ ์ปค
์ง๋ฏ๋ก ์ฒญ์์ ์จ๋ ๋ณํ์จ์ด Maximum load ์ด์ ๋๋น ์ปค์ง๊ฒ
(a) Minimum load
(b) Maximum loadFig. 5 Temperature control characteristic in steady mode
Fig. 6 F.W tank temperature variation in minimum load
๋๋ค. MGO chiller์์ ์ฒญ์์ ์ ๊ตฌ ์จ๋ ๋ณํ๊ฐ ์๋์ ์ผ๋ก ์ฌ
ํ๊ฒ ๋๊ณ ์ ์ด ์ ์ฅ์์๋ ๊ฐํนํ ์ด์ ์กฐ๊ฑด์ด ๋๋ฏ๋ก MGO
์ถ๊ตฌ ์จ๋๊ฐ ์ฒญ์ ์จ๋์ ๋ฐ๋ผ์ ๋ณํ๊ฐ ๋ฐ์ํ๋ค. ๋ถํ์ ๋ฐ๋ฅธ
์ฒญ์/๋๋งค ์ฌ์ดํด์ ํน์ฑ์ ๋ก๋ ๋ณ๋ ์ ์ฆ๊ฐ/๊ฐ์์ ๋ํ ํน
์ฑ์ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ํ๋ด๊ฒ ๋๋ค.
Study of Temperature Dynamic Characteristics of Various Control Methods for MGO Chiller System 143
3.2 Dynamic ์ด์ ์ผ์ด์ค
Fig. 7์ ์์ง ๋ถํ๋ฅผ 50%์ 100% ๋ก๋๋ก ๋ถํ ๋ณ๊ฒฝ์จ์ ์
์ ์ด์ ๋ชจ๋๋ก ๋ณ๊ฒฝํ์ ๋ ๊ฐ ์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์์ ์๊ฐ์ ๋ฐ
๋ฅธ ์จ๋ ๋ณํ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. ๋๋งค ์์คํ ์ด ์ ์ง ์ํ๋ก ์กด
์ฌํ๋ 50% Load์ ๊ฒฝ์ฐ ๋ถํ์ ์ฆ๊ฐ๋ ์ฒญ์์ ์จ๋๋ฅผ ์์น์
ํค๊ณ , ๋๋งค ์์คํ ์ด ๊ฐ๋ํ์ฌ ์ ์ ์ํ์ ์ด๋ฅด๊ธฐ๊น์ง ์ฒญ์์
์จ๋๋ ๊ณ์ ์์นํ๊ฒ ๋๋ค. ์ด๋ SP์ PV์ ์ฐจ์ด๊ฐ ๋ก๋ ์ฆ๊ฐ
์์ ๋ ํฌ๊ฒ ๋ฐ์ํ๋ ์์ธ์ด ๋๋ค. PI์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ
์จ๋์ ๋ณํ์จ์ 16.8โ~19.1โ์ด๊ณ Cascade, MPC์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ
์ฆ์ ์ ์ฉํ์ ๋์ ์จ๋ ๋ณํ์จ์ ๊ฐ๊ฐ 16.8โ~19.0โ, 17.7โ~
18.3โ์ด๋ค.
Cascade์ ์ด์ MPC์ ์ด๋ PI์ ์ด์๋ ๋ฌ๋ฆฌ ์ธ๋์ ์ํ ์
๋๊ณผ ์จ๋ ๋ณํ๋ฅผ ๋ฐ์ํ์ฌ SP๋ฅผ ๋ณ๊ฒฝํ๋ฉฐ PV๊ฐ์ด ๋น ๋ฅด๊ฒ SP
์ ๋๋ฌํ ์ ์๊ฒ ํ๋ค. ์ธ ๊ฐ์ง ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ ๋ชจ๋ ์๊ตฌ ์จ๋ ยฑ
2โ๋ฅผ ๋ง์กฑํ๋ MPC์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ถ์ข ์ฑ์ด ๊ฐ์ฅ ์์ ์ ์ผ
๋ก ๋ํ๋๋ค.
Fig. 8์ ๋์ ค ๋ฐ์ ๊ธฐ์ ๊ธฐ๋ฅ ์ค ํ๋์ธ Instant load change
(50~88%)์ผ ๋ ์๊ฐ์ ๋ฐ๋ฅธ ์จ๋ ๋ณํ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค.
Dyn.-normal ์ด์ ์ผ์ด์ค์ ์ ์ฌํ๊ฒ Load up์์ ์จ๋ ๋ณํ
์จ์ด Laod down๋ณด๋ค ํฌ๊ฒ ๋ํ๋๋ฉฐ PI, Cascade, MPC ์ ์ด ์
๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ ์ฉํ์ ๋ ์จ๋์ ๋ณํ์จ์ ๊ฐ๊ฐ 17.0โ~19.1โ,
17.0โ~19.0โ, 17.3โ~18.7โ๋ก ๋ํ๋๋ค. Dyn.-instant mode์์
๋ ์ธ ๊ฐ์ง ์ ์ด ๋ฐฉ๋ฒ ๋ชจ๋ ์๊ตฌ ์จ๋ยฑ2โ๋ฅผ ๋ง์กฑํ๋ ๋ถํ ์ฆ
๊ฐ ์ MPC์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ๊ฒฝ์ฐ ์จ๋ ๋ณํ๋ Dyn.-normal case
์ ๋ค๋ฅด๊ฒ ์จ๋์ ์ง๋์ ๊ฐ์ง๊ณ ๊ฐ์ ํ๋ฉด์ ์๋ ดํ๋ ๊ฒฝํฅ์
๋ณด์ธ๋ค. ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก MPC ์ ์ด์ ๊ฒฝ์ฐ Instant load change์ ๋
์ข์ ์๋ ด์ฑ์ ๋ณด์ด๋, MPC-PID cascade๋ก ๊ตฌ์ฑ๋ ๊ฒฝ์ฐ ์ ์ด์
ํน์ฑ์ PI์ ์ด๊ฐ Master ์ ์ด๊ธฐ์ ์ญํ ์ ํ๋ฏ๋ก PI์ ์ด์ ์ ์ฌ
ํ ๊ฒฝํฅ์ ๋ณด์ธ๋ค.
Fig. 9์ ์์ง ๋ถํ๋ฅผ 20%์ 100% ๋ก๋๋ก ๋ถํ ๋ณ๊ฒฝ์จ์ ๋น
์ ์ด์ ๋ชจ๋๋ก ๋ณ๊ฒฝํ์ ๋ ๊ฐ ์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์์ ์๊ฐ์ ๋ฐ
๋ฅธ ์จ๋ ๋ณํ๋ฅผ ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค. Dyn.-normal์ด์ ์ผ์ด์ค์๋ ๋ค
๋ฅด๊ฒ Load down์์๋ ์จ๋์ ๋ณํ์จ์ด ํฌ๊ฒ ๋ํ๋๋ฉฐ PI,
Cascade, MPC์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ ์ฉํ์ ๋ ์จ๋์ ๋ณํ์จ์ ๊ฐ
๊ฐ 15.5โ~20.8โ, 15.7โ~20.5โ, 16.1โ~19.9โ๋ก ๋ํ๋๋ค. ์ด
์ค MPC์ ์ด ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ๋ง์ด ์จ๋ ๋ณํ์จ ์กฐ๊ฑด์ ๋ง์กฑํ๋ฉฐ ์ข์
์๋ ด์ฑ์ ๋ณด์ฌ์ค๋ค.
Table 3๋ ๊ฐ ์ด์ ์๋๋ฆฌ์ค ๋ณ ๊ฐ๋ณ ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ ์ ์ฉ ์ MGO
(a) Normal load up (b) Normal load down
Fig. 7 Temperature control characteristic in dyn.-normal mode
(a) Instant load up (b) Instant load down
Fig. 8 Temperature control characteristic in dyn.-instant mode
144 Hee-Joo Cho, Sung-Hoon Kim and Jungho Choi
Table 3 Comparison of temperature change due to load change in
the various control method
Scenario Load up Load down
Control method
load change mode
PI Cascade MPC PI Cascade MPC
Dyn.-normal mode 19.1 19.0 18.3 16.8 16.8 17.7
Dyn.-instant mode 19.1 19.0 18.7 17.0 17.0 17.3
Dyn.-emergency mode 20.8 20.5 19.9 15.5 15.7 16.1
์ ์จ๋ ์์ญ์ ๋์ํ์๋ค. ๋ชจ๋ ์ด์ ์๋๋ฆฌ์ค์์ Cascade์
์ด ๋ฐฉ๋ฒ์ด PI์ ์ด๋ณด๋ค ์ข๊ฒ ๋ณด์ด๋ ์ ์๋ฏธํ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ณด์ด์ง๋
์๋๋ค. MPC์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ์ ๊ฒฝ์ฐ PI์ ์ด ๋๋น ์ฝ 5% ํฅ์๋ ์จ๋
๋ถํฌ๋ฅผ ๋ณด์ธ๋ค. ํนํ MPC์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ๋ง์ด Dyn.-emergency mode
์์ ์๊ตฌ ์จ๋ยฑ2โ๋ฅผ ๋ง์กฑํ๋ค. ์ด๋ฌํ ์จ๋ ๋ณํ์จ์ ์ค์ ์
๋ฐ์ ์ ์ฉ๋์์ ๋ ๋ฐธ๋ธ์ Actuator type์ด๋ Pump์ ๋ฐ์ ์
๋์ ๋ฐ๋ผ ๋ ์ปค์ง ์ ์๋ค.
4. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ ์์ง ๋ถํ ๋ณ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ฐ์ ๋๊ฐ ๋ฐฉ์์ MGO
chiller์ ๋ํ์ฌ ์ ์ฉ ๊ฐ๋ฅํ ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ์ ์ ์ฉํ์ฌ ์ถ๊ตฌ ์จ๋
๋ํน์ฑ์ ๋ถ์ํ์๋ค.
(1) MPC์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ์ ์จ๋ ์ถ์ข ์ฑ์ด ๊ฐ์ฅ ์ข๊ฒ ๋ํ๋๊ณ PI์
์ด ๊ธฐ๋ฒ์ด ๊ฐ์ฅ ์ ์ข์ ์จ๋ ์ถ์ข ํน์ฑ์ ๋ณด์ธ๋ค.
(2) Dyn.-normal, Dyn.-instant์ ๊ฐ์ ์ด์ ๋ชจ๋์์๋ ๋ชจ๋ ์
์ด ๊ธฐ๋ฒ์ด ์์ง์ ์๊ตฌ ์กฐ๊ฑด์ ๋ง์กฑํ๋ Dyn.-emergency mode
์์๋ MPC์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ๋ง์ด ์๊ตฌ ์กฐ๊ฑด์ ๋ง์กฑํ๋ค.
(3) Dyn.-instant load up์ด์ ๋ชจ๋์์ MPC์ ์ด์ ์ด์ ํน์ฑ
์ด ๋ค๋ฅธ ์ ์ด ๊ธฐ๋ฒ๊ณผ ๋ค๋ฅด๊ฒ ์ง๋์ด ์ด์ ์จ๋ ์์ญ ๋ด์์ ๋ฐ
์ํ๋๋ฐ, ์ด๋ฅผ ์ค์ด๊ธฐ ์ํ ์ถ๊ฐ์ ์ธ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ํ์ํ๋ค.
ํฅํ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ค์ฆ ์ค๋น๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ์ฌ ์ค์ฆ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ
์ํ ํ ์์ ์ด๋ค.
ํ ๊ธฐ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ ์ฐ์ ํต์์์๋ถ์ ใ๋ง์ดํ ์ ์ง์์ผ๋ก ์ํ๋ ์ฐ๊ตฌ
๊ฒฐ๊ณผ ์ค ์ผ๋ถ์์ ๋ฐํ๋ฉฐ, ์ฐ๊ตฌ๋น ์ง์์ ๊ฐ์ฌ๋๋ฆฝ๋๋ค(P0003359).
References
Astrom, K., Haggland, T., 1995. PID Controllers: Theory, Design
and Tuning. Second edition, International Society of Automation.
Boles, M.A., Cengel, Y.A., 2012. Thermodynamics: An Engineering
Approach. 4th Edition, McGraw-Hill, Korea.
Choi, D.K., Jeong, S.K., 2016. PI Controller Design Based on
Characteristic Parameters and Zero Position Adjustment for
an Oil Cooler System. Journal of the Korean Society for Power
System Engineering, 20(4), 83-90. https://doi.org/10.9726/
kspse.2016.20.4.083
Doyle, J.C., Francis, B.A., Tannenbaum, A., 1992. Feedback Control
Theor. Macmillan Pub. Co., New York.
ISO, 2017. Petroleum Products-Fuels(class F)-Specifications of
Marine Fuels. ISO 8217:2017.
Kjeld, A., 2009. Operational Guidelines to Operating MAN B&W
2-Stroke Engines on Disillate Fuels. Journal of the JIME, 44(6),
888-893. https://doi.org/10.5988/jime.44.888
Kang, T.W., Choi, W.J., Bae, J.R., Jang, J.W., Han, S.J., Ryu, K.S.,
Park, C.K., 2010. Evaluation of Control Characteristics for
Indirect Type MGO Cooler System. Journal of the Korea Society
of Marine Engineering, 97-100.
Lee, H.Y., Han, S.J., Ryu, K.S., Park, C.K., Choi, W.J., Bae, J.R.,
Jang, J.W., Kang, T.W., 2011. MGO Viscosity Control for
Indirect Type MGO Cooler System. Proceedings of The Korean
Society of Mechanical Engineers Fall Conference, 1066-1069.
Lee, Y., Lee, J.H., Park, S., 2000. On Interfacing Model Predictive
Controllers with Low-level Loops. Industrial and Engineering
Chemistry Research, 32(1), 92-102. https://doi.org/10.1021/
(a) Emergency load up (b) Emergency load down
Fig. 9 Temperature control characteristic in dyn.-emergency mode
Study of Temperature Dynamic Characteristics of Various Control Methods for MGO Chiller System 145
ie990372k
Pour, N.D., Montazeri, A., Poshtan, J., Jahed Motlahgh, M.R., 2007.
Two Case Studies for Applying Model Predictive Controllers
on Chemical Precesses. The-33rd Annual Conference of the
IEEE Industrial Electronics Society(IECON), 580-585. https://
doi.org/10.1109/IECON.2007.4460024
Qin, S.J., Badgwell, T.A., 2003. A Survey of Iindustrial Model
Predictive Control Technology. Control Engineering Practice,
11(7), 733-764. https://doi.org/10.1016/S0967-0661(02)00186-7
Ryu, K.S., 2013. Design and Evaluation of Temperature Controller
for Direct Type MGO Cooler System. Graduate School of
Industry, Pukyong National University, 4-8.
Tuan, T.T., Tufa, L.D., Mutalib, M.I.A., Olakunle, K.R., 2017. An
Hysys Simulation of Dynamic Process using Linear Offset Free
MPC with an Empirical Model. Indian Jounal of Science and
Technology, 10(7), 1-5. https://doi.org/10.17485/ijst/2017/v10i7/
111454