선박연료유 유종변경시스템 구축에 따른 기 운 상태 평가에 한 연구

정해종*, 권기생, 김용복(한국해양수산연수원), 조인천((주)남북수산)

A study on evaluation of vessel engine's operational condition following by

installing fuel oil change system

H. J. Jeong, K. S. Kwon, Y. B. Kim(KIMFT), I. C. Jo(NAMBUK FISHERIES CO., LTD.)

ABSTRACT

An Alaska Pollack fishing has become less competitive caused by

shortening fishery work because of reduced quarter quantity in north pacific

sea and continuously increasing international oil price that made oil be bigger

portion of the cost.

Therefore, M.V Nam Buk Ho has installed Mixing Clean Heater to change

the type of fuel into low quality low price fuel "bunker A or MF 30 class" oil

from the high price and good quality marine gas oil or marine diesel oil that

has been used at main engine so far.

This study it established a system and evaluates fuel oil changing system

of the vessel conducting fishing work in a severely cold sea, estimates the

ship's engine operation and suggests problems and solutions.

As a result, the Cylinder liner, Cylinder Cover, Piston, Connecting Rod,

Crank Pin & Bearing etc maintained a normal conditions according to KR

CMS engine result after changing fuel oil from marine diesel oil to MF 30

with mixing Clean Heater for 6 months and the vessel has generated

substantial economical benefits by using about 1,200 tons of MF30 instead of

marine diesel oil, without any abnormal condition.

Key Words : 쿼터량(Quota quantity), 주기 (Main Engine),

M.G.O(Marine Gas Oil), M.D.O(Marine Diesel Oil), MF 30 혼합유

(Marine Fuel 30 Mixed Oil), 연료유미립가열교반기(Mixing Clean

Heater), KR(korean Register of Shipping), 기 계속검사(CMS;

Continuous Machinery Survey)

1. 서론

본 선박은 34년째 북태평양 러시아 해역에서 조업하는 5,549톤 의 트롤 어선으로 7년 에는 1년 약

2007년도 한국해양과학기술협의회 공동학술대회

10개월 동안 조업을 하 으나, 2002년부터 쿼터량 감소로 인한 조업단축으로 인한 어획부진 요인과 최근 지

속 인 국제유가 상승으로 출어비용 연료비가 차지하는 비 이 계속 증가되어 명태어업의 채산성을 약화

시키는 주요한 요인이 되고 있다. 이러한 여건에서 본선의 연료비 감을 하여 지 까지 주기 과 발 기

의 연료유로 사용하고 있던 가격이 비싼 M.G.O(Marine Gas Oil) 는 M.D.O(Marine Diesel Oil))를 가격

이 싼 Bunker A 는 MF 30 혼합유로 유종을 변경을 검토하게 되었다.

따라서 산업자원부와 해양수산부에서 범 정부차원에서 에 지 약 정책으로 추진하고 있는 연료유미립가

열교반기(Mixing Clean Heater)를 도입하여1) 사용함으로써 국가선박인 해양수산연수원 실습선인 한반도호에서

연료유의 유종변경으로 막 한 연료비 감을 하고 있다는 것을 확인하고, 본선에서도 주기 과 발 기에 사

용하던 M.G.O 는 M.D.O를 가격이 렴한 MF 30으로 유종 변경을 하는 경우에는 6개월간 약 3억원 이상

의 부가가치를 창출할 수 있다고 단하여 연료유미립가열교반기(Mixing Clean Heater)를 설치하게 되었다.

본 연구에서는 이러한 혹한지역에서 조업하는 선박의 경우에 한 유종변경을 한 시스템 구축과 그에

따른 선박의 주기 의 운 상태를 조사․평가하고, 아울러 문제 을 도출하여 개선방안을 제시하고자 한다.

2. 남북호의 제원 연료유종 변경을 한 시스템의 구축

2.1 남북호의 제원2)~4)

1) 선명 : 남북호(NAM BUK HO)

2) 선종 : 트롤어선

3) 선 항 : 부산

4) 총톤수 : 5,549 Gross Tons

5) 주기 : Maker; KOBE HATSUDOKI CO., LTD. 9MET, 45/75c, 5700PS, 230RPM

발 기 : Maker; YANMAR 6GL x 1,100PS x 3set

6) 조업구역 : 북태평양

Fig. 1 M.V NamBuk(5,549 G/T)

2.2 연료유종 변경을 한 시스템의 구축

본 연구에서는 기존 선박용 주기 인 디젤기 에 연료유로 사용하던 Marine Gas Oil(M.G.O) 는

Marine Diesel Oil(M.D.O)를 값이 렴한 유 혼합유인 MF 30 의 유종으로 변경하여 운 하기 하여

처리 장치인 M.C.H를 설치한 연료유 공 계통의 시스템 변경 개략도와 구성요소는 Fig. 2와 같다.

Fig. 2 Fuel oil piping diagram

1) 연료유미립교반가열기(Mixing Clean Heater)의 설치

본선은 연료유의 처리를 하여 재 개발된 여러 가지의 처리 장치 조연제 등을 조사하 다. 이들

산업자원부에서 신기술로 인증 받고, 해양수산부에서 정책 으로 추진하고 있고, 에 지 감형 연료유미립교반가

열기(Mixing Clean Heater, Type 100LB)가 이미 설치한 선박의 연료유 감효과를 고려하여 2006년 7월 15일 본

선에 설치하 다.

Fig. 3 Mixing clean heater system

2) 침 탱크(Settling tank)의 신설

․ 질 연료 에는 일정량(통상 1% 이하)의 수분이 잔존하고 있어 이들 수분을 제거해 주어야 한다.

본선에서는 Fig. 4에서 보는 것과 같은 수분 침 탱크를 설치하 다. 침 탱크의 제원은 다음과 같다.

- 높이 : 1,200mm

- 직경 : 300mm

- 용량 : 60ℓ

- 드 인 배출 주기 : 1～2회/1시간(주기 운 평균 드 인 배출 주기)

Fig. 4 Settling tank with pump system

3) 필터의 설치

연료 혼합 안정성과 열 안정성의 문제 는 본래 연료 의 불순물을 제거하기 하여 연료유미립교반

가열기 ․후의 치에 1차 100Mesh와 2차 320Mesh 필터를 설치하 다.

Fig. 5 Duplex filter system

4) 온도 상승을 한 보온 장치의 신설

M.G.O 는 M.D.O는 겨울철에도 가열할 필요가 없었으나 MF 30 이하의 연료유인 경우는 필수 으로

가열하여야 한다. 특히 M.C.H에서 일정온도 이상으로 가열된 경우도 기 실의 온도가 하된 경우에는 연료

가압펌 (Booster pump)까지 온도 하가 심하므로 온도 하를 방지하기 한 보온(Lagging)이 필수 이어

서 M.C.H에서 주기 는 발 기까지 보온조치를 하여 연료유 공 온도의 하를 방지하고자 하 다.

3 . 유종변경 ․후의 기 운 상태

본 선박의 유종변경 ・후 주기 의 운 조건에 한 특성은 Table 1과 같고5), 다음과 같이 분석・고찰하

다.

1) 유종 변경 의 운 상태

주 조업지가 북태평양이고, 조업 시 겨울철 기온도는 혹한 시 -15℃에서 -20℃정도로 낮았으며, 해수의

온도도 5℃ 이하로 연료의 질이 좋은 M.G.O 는 M.D.O를 통상 사용해 왔다.

부산에서 북태평양 러시아해역으로 항해 2006년 1월 1일 12시부터 1월 2일 12시까지 24시간 동안의

주기 의 운 에 한 특성은 Table 1과 같으며, 운 조건은 조업해역으로 항해 이었다.

사용한 연료유는 Marine Diesel Oil이었으며, 항해 주기 의 회 수는 175 RPM 이었고, Load Index는

40, Governor position은 5.4이며, 기 실의 온도는 20℃, 해수온도는 3.5℃로 매우 추운 날씨가 계속되었다.

운 배기가스 온도는 2번 실린더의 평균온도가 310℃로 최고 온도이었고, 8, 9번 실린더의 평균온도가

220℃로 최 온도이었으며, 평균 배기가스 온도는 243.67℃이 다. 과 기(Turbo charger)의 입․출구 온도

는 1호기 과 기의 경우 395/295℃, 2호기 과 기의 경우 370/275℃이고, 3호기 과 기의 경우는 385/290℃이

다.

2) 유종변경 후 운 상태

조업을 완료 후 러시아 해역에서 부산으로 항해 2006년 12월 22일 12시에서 23일 12시까지 24시간 동

안 항해를 하면서 사용한 연료는 MF 30 혼합유을 사용하 다. 항해 주기 의 회 수는 연료변경 과 동

일한 175RPM 이었고, Load Index는 39이며, Governor position은 5.4로 수치상으로는 유종변경 ․후의 운

조건은 비슷한 상태이며, 기 실의 온도는 23℃, 해수온도는 2.7℃로 Table 1과 같다.

운 배기가스의 평균 온도는 1, 8번 실린더가 233℃로서 최 온도를 기록하 고, 2번 실린더의 평균

온도는 297℃로 최고온도를 나타내었다. 주기 의 평균 배기가스 온도는 254.44℃로 유종 변경 243.67℃보

다 약 10.8℃가 상승하 다. 그리고 각 실린더의 평균 배기가스의 연료유 유종변경 ․후 비표는 Fig. 6과

같다. 한 Table 1과 같이 과 기(Turbo charger)의 입․출구 온도는 1호기 과 기에서의 온도는 420/310℃로

유종 변경 인 395/295℃보다 입․출구 온도가 25℃/15℃ 상승하 으며, 2호기 과 기에서 온도는 380/285℃로 유

종 변경 인 370/275℃보다 입․출구 온도가 10℃/5℃ 상승하 으며, 3호기 과 기에서 온도는 395/300℃로 유종

변경 인 385/290℃보다 입․출구 온도가 각각 10℃ 상승하 다.

Table 1. 연료유 유종변경 ・후 주기 의 운 상태 비표

유종변경 의 “Abstract of chief engineer log book on Jan. 1～ 2 2006(Voy. 1-177)” for Main engine

유종변경 후의 “Abstract of chief engineer log book on Dec. 22～23 2006(Voy. 2-157)” for Main engine

Hour 20:00 Hour 20:00

RPM 175 RPM 175

Load Ind 40 Load Ind 39

Gov.Ind 5.4 Gov.Ind 5.4

E/R Temp ℃ 20 E/R Temp ℃ 23

S.W Temp ℃ 3.5 S.W Temp ℃ 2.7

Jacket C.W Out ℃ Exhaust Gas Temp' ℃ Jacket C.W Out ℃ Exhaust Gas Temp' ℃

Cyl. 1 60 230 Cyl. 1 66 233

Cyl. 2 64 310 Cyl. 2 64 297

Cyl. 3 66 253 Cyl. 3 62 273

Cyl. 4 66 243 Cyl. 4 62 250

Cyl. 5 66 250 Cyl. 5 66 247

Cyl. 6 66 227 Cyl. 6 66 253

Cyl. 7 68 240 Cyl. 7 70 257

Cyl. 8 64 220 Cyl. 8 62 233

Cyl. 9 64 220 Cyl. 9 64 247

Average 64.89 243.67 Average 64.67 254.44

Turbo charger In/Out Temp ℃ Turbo charger In/Out Temp ℃

No.1 395/295 No.1 420/310

No.2 370/275 No.2 380/285

No.3 385/290 No.3 395/300

F.O cons. for 24Hrs about 16.1 ㎘ F.O cons. for 24Hrs about 12.3 ㎘

0

50

100

150

200

250

300

350

Cyl. 1

Cyl. 2

Cyl. 3

Cyl. 4

Cyl. 5

Cyl. 6

Cyl. 7

Cyl. 8

Cyl. 9

Ave

rage

Exhaust Gas Temp' ℃ for MDO

Exhaust Gas Temp' ℃ for MF 30

Fig. 6 Comparison table of Exhaust Gas Temp'[℃]

3) 연료유 유종변경 ․후의 부하 특성

(1) 유종변경 부하 특성

본 선박에서 사용 인 M.D.O로 정상 으로 운 시 회 수 145RPM, Load 35, 소기압력은 0.35㎏f/㎠을 유지한

생태에서 최고 폭발압력과 배기가스 등을 촬취한 결과는 Fig. 7과 같다.

Fig. 7 P_max data base with Marine Diesel Oil

(2) 본선에서 유종을 M.D.O에서 MF 30으로 변경 후 정상 조업(Trawling) 주기 의 회 수를 145RPM

으로 조정한 상태에서 Load는 36.5, 소기압력은 0.33㎏f/㎠의 압력을 유지한 상태에서 최고 폭발압력과 배기

가스 등을 촬취한 결과는 Fig. 8과 같다.

Fig. 8 P_max data base with Marine MF 30 fuel oil

(3) 상기 연료유 유종변경 ․후의 상태를 비교하면 동일한 회 수에서 부하 변화는 35에서 36.5로 1.5가

증가되었고, 각 실린더 연료펌 랙 포지션(Rack position)의 평균치는 36.11에서 36.00으로 약 0.11정도 감소

하 다.

그리고 유종변경 ․후의 각 실린더의 최고폭발압력(p_max)을 비교하면 Fig. 9와 같이 MF 30으로 유종

변경 후가 다소 높게 나타나며, 각 실린더의 최고폭발압력(p_max) 평균치는 약 60.44㎏f/㎠에서 약 61.33㎏f/

㎠으로 약 0.91㎏f/㎠ 증가하 다.

체 으로 M.D.O보다 질유인 MF 30을 사용한 결과 연료소모량은 어들고, 출력은 약간 높아지며 이

에 따라 각 실린더 배기가스 과 기 후의 온도는 상승하 다.

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

cyl. 1

cyl. 2

cyl. 3

cyl. 4

cyl. 5

cyl. 6

cyl. 7

cyl. 8

cyl. 9

AVER

AGE

MDO p_max(㎏f/㎠)

MF 30 p_max(㎏f/㎠)

4 . 유종변경시스템 구축에 따른 기 운 상태 평가

4.1 설치 운 문제 과 해결방법

1) 연료유 계통

(1) 문제 : 질 연료사용으로 인한 정 도의 유지가 문제되었다.

(2) 해결 : 연료유 이 라인을 보온재로 Lagging하여 온도 하를 최 한 방지하 다.

2) 연료펌 의 고착

(1) 문제 : 온도 하로 인하여 연료유 펌 (F.O pump)가 고착되었다. 재에도 주의를 하지 않으면 동

일한 상이 발생할 우려가 있다

(2) 해결 : 계속 M.C.H를 운 하여 연료를 순환시켜 연료계통 이 라인의 연료가 속히 온도 하를

방지하 다.

3) 연료유 에 함유된 수분의 제거

(1) 문제 : MF 30에는 수분이 최 1%정도 함수되어 있어서 수분함유로 인한 부식 는 폄 의 고착

등 문제가 발생한다.

(2) 해결 : 수분을 제거하기 하여 원통형 침 탱크(Cylinder type settling tank)를 특수 제작하여 사용

하 다.

4.2 유종변경으로 인한 장․단

1) Sludge 발생량 감소

본선은 용량이 큰 연료유 청정기(F.O purifier(Alfa-laval)가 설치되어 있으며, 형식은

FMAPX309-BGV-10-70)이며, 청정기에서 충분히 Sludge와 수분을 분리한 후 Service tank→1차 Strainer→

F.O heater→2차 Strainer→Booster Pump→Mixing Cleaner heater→3차 Strainer(320mesh)를 통해서 M/E에

공 되므로 Sludge로 인해서 nozzle의 막힘 는 Blow-by, 오염 등은 문제될 것이 없을 것으로 단된다.

한 Sludge의 과다 발생은 원료유를 공 받은 tank에 따라 상이하 다.

2) Filter의 막힘

본선에 신설한 필터에서 연료유미립교반가열기(M.C.H)를 운 하지 않았을 경우에는 2차 필터의 오손의

막힘이 매우 심각한 수 이었으나 M.C.H를 운 한 후 필터의 막힘은 히 어들어 원만한 운 을 할

수 있었다.

1, 2차 Strainer에서는 M.D.O 사용 시보다 약 20～30%정도 많이 막혔으나 M.C.H 후방의 3차 Strainer에

서는 Filter의 상태가 양호하 다. M.C.H를 사용하지 않았을 경우에는 3차 필터의 막힘과 슬러지 발생이

과다하게 나타났다.

3) Strainer의 소제 주기

M.D.O 사용 시는 3～4일에 Filter의 막힘과 계없이 정비 Schedule 차원에서 주기 으로 소제하 으나

MF 30을 사용하고부터는 2일에 1회 청소하여 주는데 M.C.H 방의 1,2차 Strainer는 M.D.O 사용시 비 약

20～30% 정도 Filter의 막힘 상이 발생하 다.

4) 실린더 라이 피스톤과 실린더 헤드 등

본선의 유종변경은 2006년 7월 15일 Mixing Clean Heater를 설치하여 2006년 7월 19일 출항 후 2006년

12월 27일 부산항에 입항하 으며, 유종변경을 하여 처리장치인 연료유미립교반가열기를 약 6개월 동안

사용하 으며, 북태평양 조업 과정에서 운반선으로 제 작업 (Main Engine Stop) Cylinder liner, Piston

그리고 Piston ring 등을 찰하 으나 이상이 없었으며, 2007월 3월 13일 주기 과 발 기에 한 KR의 기

계속검사(Continuous Machinery Survey) 결과로도 아무런 문제 이 없는 것으로 나타났다.

연료 Pump 고착, Injector의 Carbon Flower 상, 흡․배기밸 련 운 결과는 다음과 같다.

(1) Plunger barrel의 고착 -> 없었음.

(2) Injector Carbon Flower -> 유종 변경 (M.D.O 연소시와 동일함)

(3) 배기밸 의 카본 -> M.D.O 사용 시 보다는 다소 많았음.

(4) Main Bearing 는 Crank Pin Bearing의 상태 -> KR의 기 계속검사(Continuous Machinery

Survey) 결과는 이상 없음으로 나타남.

5) Turbo-charger 계통의 문제

조업 북태평양에서 피항 시 Turbo-charge를 개방․검사하 으나 M.D.O 사용 시 때와 크게 다른 을

발견하지 못했으며, Carbon 형성도 정상으로 깨끗함을 발견함.

6) Blow-by 상

Mixing Clean Heater를 설치한 후 등 이 낮은 MF 30을 사용하 으나 Blow-by 상 때문에 문제된

이 없는 것으로 조사됨.

4.3 향후 해결 보완사항

1) 시동(Engine starting)

본선의 특성상(어선) M/E을 수시로 Full Speed에서 Dead Slow까지 RPM을 변동시켜야 하고 Stop/Start

를 자주 반복해야 되는데 상선과는 달리 시간을 정하여 Bunker Change를 할 수 없고, MF 30 사용 Main

engine을 갑작스럽게 Stop 한 후 재 Starting시 시동이 쉽게 되지 않았으므로 이와 같은 문제는 Bosch

Pump까지 Heating Oil을 순환시켜야 될 것 단된다.

2) 연료유의 이송(Double Bottom Tank의 F.O 이송)

북태평양에서는 11～12월의 해수 온도가 5℃ 이하까지 내려감으로 인하여 Double Bottom Tank의 기름을

Transfer Pump를 이용하여 Settling Tank로 이동하는데 어려움이 많았으므로 Heating Coil을 설치하여 보완

되어야 할 것으로 사료된다.

본 선박의 경우 F.O Transfer Pump의 용량이 시간 당 30㎘/h 인데 해수온도 5℃이하에서는 0.8㎘/h 정도

밖에 Pumping이 되지 않았다. 그러므로 부분 어선의 경우 M.D.O와 M.G.O를 사용하도록 설계되어 있어서

Double bottom tank에 heating coil이 설치되어 있지 않으므로 이에 한 보완 조치가 강구되어야 할 것으로

단된다.

3) Service tank에서 Mixing Clean Heater까지의 온도 유지

M.D.O 사용 시엔 문제가 없으나 등 이 낮은 MF 30을 사용할 시 Service Tank와 M.C.H까지 piping 간

격이 원거리일 경우에는 F.O Pipe Line의 기름 유속 하로 Air Pocket 상이 발생할 우려가 있으므로 이에

한 책이 요구된다.

6 . 결론

본 연구에서는 북태평양의 혹한지역에서 조업하는 어선의 유종변경을 한 효과 인 시스템 구축과 그에

따른 선박기 의 운 상태를 조사․평가하고, 제시된 개선방안을 요약하면 다음과 같다.

1) 연료유 유종변경 ․후 주기 의 유사한 운 조건에서 운 상태결과는 주기 의 평균 배기가스 온도가

약 10.8℃ 증가하 고, 과 기(Turbo charger)의 입․출구 온도도 약 10～25℃/5～15℃정도 상승하 다. 체 으

로 M.D.O보다 질유인 MF 30을 사용한 결과 연료소모량은 어들고, 출력은 약간 높아지며 이에 따라 각

실린더 배기가스 과 기 후의 온도는 상승하 다.

2) 부하특성 평가에서도 주기 이 동일 회 수 145RPM일 때 각 실린더의 최고폭발압력(p_max) 평균치는

약 60.44㎏f/㎠에서 약 61.33㎏f/㎠으로 약 0.91㎏f/㎠ 증가한 반면 연료펌 의 Rack Position은 약 0.11감소하

다.

3) 어선의 경우 M/E을 수시로 Full Speed에서 Dead Slow까지 RPM을 변동과 Stop/Start를 자주 반복해야

하는 운 조건 변동에 따른 보완 책을 제시하 으며, M.D.O와 비교하여 ․ 질 혼합유인 MF 30 혼합유

를 사용할 경우 유종의 특성상 정온도 유지 연료펌 고착 방지를 한 보온유지 등이 요구된다.

4) MF 30으로 유종을 변경하여 조업을 마치고 입항 후 주기 을 개방하여 KR의 기 계속검사

(Continuous Machinery Survey) 결과 특별한 이상이 없는 것으로 나타났다.

5) 본선은 유종변경을 하여 연료유미립가열교반기를 사용하여 M.D.O를 MF 30으로 성공리에 유종 변경

한 결과 6개월 조업 시 연료비를 폭 감하 다.

참고 문헌

[1] Mixing clean heater instruction book, Yoo Nam Machinery CO. 2006

[2] Fuel oil piping diagram M.V NamBuk Ho, 1960

[3] Main engine instruction book, Maker-UEC, 1960

[4] Diesel generator instruction book, Maker-Yanmar, 1960

[5] Chief engineer log book, M.V NamBuk, 2006

[6] Technical report for New Excellent Product, Ministry of Industrial and technical, 2006