Journal of the Society of Naval Architects of Korea
[ Original Article ]
Journal of the Society of Naval Architects of Korea - Vol. 56, No. 6, pp.497-506
ISSN: 1225-1143 (Print) 2287-7355 (Online)
Print publication date 20 Dec 2019
Received 21 Jun 2019 Revised 24 Jul 2019 Accepted 20 Sep 2019
DOI: https://doi.org/10.3744/SNAK.2019.56.6.497

황천 시 최소추진출력 관련 IMO 잠정 가이드라인의 진행 현황과 적용 결과 검토

성영재1, ; 옥유빈1
1현대중공업, 선박연구소
Progress of the 2013 Interim Guidelines for Determining Minimum Propulsion Power to Maintain the Manoeuvrability of Ships in Adverse Conditions
Young Jae Sung1, ; Yu Bin Ock1
1Hyundai Maritime Research Institute (HMRI), Hyundai Heavy Industries, Co., Ltd., Korea

Correspondence to: ojae@hhi.co.kr

Abstract

Literature survey was conducted on the 2013 Interim Guidelines for determining the minimum propulsion power to maintain the manoeuvrability of ships in adverse conditions. The International Maritime Organization (IMO) Marine Environment Protection Committee (MEPC) documents related with the Guidelines were reviewed. Compatibility of the present Guidelines can be checked by two different levels: (Level 1) minimum power lines assessment and (Level 2) simplified assessment. The IHS (Information Handling Services) sea-web data on the bulk carriers and the tankers, which were built after 2000, were used to examine the Level 1 assessment. KVLCC2 was used to examine the Level 2 assessment. Regarding the Level 2 assessment, effects of the adverse weather conditions, the added resistance due to waves, the wake fractions and the thrust deduction factors were discussed.

Keywords:

Literature survey, Interim guidelines, Minimum propulsion power, Adverse conditions, IMO, MEPC, Minimum power line, Simplified assessment, KVLCC2, Added resistance due to waves, Thrust deduction factors, Wake fraction

키워드:

문헌조사, 잠정 가이드라인, 최소추진출력, 황천 조건, 국제해사기구, 해양환경보호위원회, 최소출력선, Simplified 평가, KVLCC2, 파랑 부가저항, 추력감소계수, 반류비

1. 서론

국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)는 온실가스 저감을 목적으로 선박에서 배출되는 탄소 가스를 규제하는 방안을 지속적으로 논의해왔다. 그 결과, 신조 선박에 대해 에너지효율 설계지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index)를 채택하였다(Resolution MEPC.203(62), 2011; Re-solution MEPC.231(65), 2013; MEPC.1/Circ.795/Rev.2, 2014). EEDI는 선박이 화물 1톤을 1해리 운송할 때 배출되는 CO2의 양을 표시하는 지표이다. 이 지표가 단계 별로 정의된 기준을 만족하지 못하면 해당 선박의 운항이 금지된다. 금년(2019년)까지는 Phase 1(2015~2019년) 단계로 CO2 배출량을 기준 대비 10% 저감해야 되며, 내년(2020년)부터는 Phase 2(2020~2024년)가 적용되어 20%까지 저감해야 된다. 최근에는 Phase 3의 조기(2022년) 시행 및 Phase 4의 도입 필요성을 검토하는 등 규제 강화의 논의가 이루어지고 있다(MEPC 71/17, 2017).

조선업계는 다양한 친환경기술(저항 저감, 추진효율 개선, 엔진효율 향상, 보조동력 활용, 복합연료 추진, 전력 효율화 등)을 적용해 신조 선박의 EEDI를 개선하고 있다(Park et al., 2016). 하지만, EEDI 도입 초기부터 선속 또는 주기관의 최대연속정격 출력(MCR, Maximum Continuous Rating)을 낮추어, EEDI 규제를 만족시킬 가능성에 대해 우려가 있었다(MEPC 60/4/17, 2010). MCR이 지나치게 낮으면, 거친 해상에서 선박을 조종하기 위해 필요한 선속을 확보하기 어려워 안전에 큰 위험이 될 수 있다. 이에 MCR이 최소한의 적정수준 이상을 만족해야만 된다는 최소추진출력에 관한 잠정 가이드라인이 65차 해양환경보호 위원회(MEPC, Marine Environment Protection Committee)에서 채택되었다(MSC-MEPC.2/Circ.11, 2012; MEPC 65/22, 2013). 현재까지도 최종 가이드라인의 확정을 위해 활발한 논의가 진행 되고 있다(MEPC 73/5/1, 2018).

본 연구에서는 최소추진출력 잠정 가이드라인 채택과정에서 검토되었던 다양한 논의들을 요약 정리하고, 현재의 잠정 가이드라인을 적용하였을 때 나타나는 현상을 검토해 보았다. 현재의 잠정 가이드라인은 2단계 평가(최소출력선 평가, Simplified 평가)로 구성되어 있다. 최소출력선 평가는 재화중량 별 MCR 출력에 대한 규제로 IHS Sea-web 통계자료를 활용해 그 영향을 검토해 보았다. Simplified 평가는 황천에서 최소 전진속도를 유지할 때 필요한 마력을 추정하고, 주기관이 해당 조건에서 필요한 출력을 생성할 수 있는지를 검토하는 것이다. 선종과 무관하게 동일한 절차로 계산이 수행되므로, 조종성능연구의 대표적 공시 선형인 KVLCC2를 활용해 현 가이드라인의 영향을 검토해 보았다.


2. 최소추진출력 잠정 가이드라인 관련 IMO MEPC의 주요 논의사항

최소추진출력 잠정 가이드라인은 2013년 65차 MEPC에서 채택되었다. 이후 Fig. 1과 같이 3차례의 개정이 있었다. 초안 대비 1단계 기준이 강화되었고, 적용기간이 Phase 2(2020~2024년)까지 연장되었다(MEPC 65/22, 2013; MEPC 67/42, 2014; MEPC 68/21, 2015; MEPC 71/17, 2017; Lee, 2018). 이 과정에서 평가 방법과 황천의 정의 등이 주요하게 논의되었다. 한편 최근에는 파랑 중 부가저항 추정법과 자항요소(반류비와 추력감소계수) 추정법에 대한 의견이 제시되고 있다.

Fig. 1

Revision of 2013 interim guidelines for determining minimum propulsion power to maintain the manoeuvrability of ships in adverse conditions.

2.1 평가 방법

국제선급연합회(IACS, International Association of Classification Societies) 등은 MEPC 62차 회의에 잠정 가이드라인 초안을 제출하면서 2단계 평가를 제안하였다(MEPC 62/5/19, 2011; MEPC 62/INF.21, 2011). 1단계는 Simplified 평가로, 황천에서 일정한 선속으로 항해할 수 있는가를 검토하는 것이다. 2단계는 Comprehensive 평가로 황천에서 선회, 항로유지, 직진 등을 모형시험 또는 수치해석으로 평가하는 것이다. 이후 IACS는 파랑 중 부가저항에 대한 수치계산이 충분히 성숙되지 않았으므로, 경험식 또는 재화중량과 추진 출력의 상관관계를 이용하는 방법을 제안하였다(EE-WG 2/2/8, 2011). 이를 바탕으로 IACS 등은 MEPC 64차 회의에서 기존 2단계 평가 대신 3단계 평가를 제안하였다(MEPC 64/4/13, 2012; MEPC 64/INF.7, 2012). 1단계는 최소출력선 평가로 선종 별 배수량에 따른 최소 추진출력을 규정하는 것이다. 2단계와 3단계는 각각 MEPC 62/5/19에서 제안된 Simplified 평가와 Comprehensive 평가와 유사하다. 다만, Simplified 평가에서 파랑 중 부가저항을 규칙파 중 모형시험이나 경험식을 통해서 산정할 것을 제안하였다. 한편, Comprehensive 평가 방안으로 황천 중에 4 knots 선속으로 항로가 10도 이내로 유지되는지를 검토하는 것을 제안하였다.

그리스는 최소추진출력 논의의 초기부터 최소추진출력 보다는 최소설계속도에 대한 가이드라인 채택을 주장하였다(MEPC 63/4/15, 2012; MEPC 64/4/37, 2012). 하지만, 안전을 확보하기 위해 필요한 속도가 선박의 설계와 운항조건에 따라 달라지므로 일정하게 정의하기 곤란하고, 황천에서 조종성능과 명확한 상관관계 파악이 어렵다는 반론이 제기되었다(MEPC 63/4/11, 2012; MEPC 64/4/42, 2012).

한편, 그리스는 MEPC 64차에서 IACS 등이 제안한 최소 출력선 기준이 당시 건조되는 선박의 상용연속출력(NCR, Normal Continuous Rating)으로도 만족할 수 있으므로 실질적인 규제가 될 수 없기 때문에 강화를 주장하였다(MEPC 64/4/37, 2012). 이와는 반대로 일본과 한국은 완화를 주장하였는데, 해당 기준을 EEDI 적용 이전인 1999~2009년 건조 선박에 적용한 결과 10% 이상의 선박이 만족하지 못하는 결과를 제시하였다(MEPC 64/4/42, 2012). 일본과 한국은 1단계 기준은 EEDI 적용 이전의 모든 기존선이 만족할 수 있어야 하며, 2, 3 단계 기준도 일관성 측면에서 재검토되어야 한다고 주장하였다. 끝으로 Phase 0 기간 동안에는 기존의 정수 중 조종성 기준(Resolution MSC 137(76), 2002)을 사용하자는 의견도 제시하였다.

MEPC 64차에서는 이상의 제안을 검토하고, 2단계 평가(1단계: 최소출력선 평가, 2단계: Simplified 평가) 적용에 동의가 이루어졌다. 단, 최소출력선은 논의 시점에서 검토된 선박의 95%가 만족되는 수준으로 완화하기로 하였다(MSC-MEPC.2 /Circ.11, 2012). 그 결과, MEPC 65차 회의에서 최초의 잠정 가이드라인인 Resolution MEPC.232(65)가 채택 되었다.

그리스는 MSC-MEPC.2/Circ.11을 5척(30K, 57K, 79K, 176K 벌크선, 306K VLCC 1척)에 적용한 결과를 바탕으로 기준의 일관성 문제(1단계 평가는 모두 만족하지만, 2단계 평가는 일부만 만족)를 지적하였다. 이에 벌크선에 대해서 1단계 기준 강화를 주장하였다(MSC 93/21/5, 2014, MSC 93/INF.13, 2014). 덴마크 등은 1단계 기준의 타당성이 MEPC 64차와 65차에서 충분히 논의되었음으로 개정 반대의 입장을 밝혔다(MEPC 67/4/16, 2014). 한편, IACS 등도 Phase 1(2015~ 2019년)에서는 기존 안을 유지하자는 의견을 제시하였는데, SHOPERA(Energy Efficient Safe SHip OPERAtion)와 JASNAOE(Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers) 프로젝트 등 당시 진행 중인 연구결과를 바탕으로 한 Comprehensive 평가가 정립되기 전까지는 시간이 필요하다는 사유를 제시하였다(MEPC 67/4/25, 2014). 이에 MEPC 67차에서는 기존 안을 2019년까지 적용하는 것이 승인되었다 (Resolution MEPC.255(67), 2014).

덴마크와 일본은 MEPC 68차에서 그리스의 규제 강화 의견이 선박의 안전확보 차원에서 도움이 된다는 점을 인정하고, 기준 강화 방안을 제시하였다(MEPC 68/3/7, 2015; MEPC 68/INF.32, 2015). 단, 그리스가 제안한 황천 기준을 2단계 평가에 적용할 경우, 기존 대비 1.5~5배 큰 출력의 주기관이 필요하므로, 1단계 평가인 최소출력선만 강화하는 의견을 제시하였다. 그리스도 이에 동의하여 개정된 Resolution MEPC.262(68)이 채택되었다. 그 결과 기존 대비 벌크선은 약 15~25%, 탱크선은 약 5~55% 가량 출력이 강화된 기준의 적용을 받게 되었다.

덴마크 등은 MEPC 69차에서 최소추진출력 가이드라인 개정에 관한 SHOPERA와 JASNAOE 연구의 진행상황을 소개하고, 최종 안은 MEPC 71차 회의에 제출 예정이라고 언급하였다(MEPC 69/INF.23, 2016). 한편 평가 방법은 3단계 평가(Comprehensive, Simplified, Simplest 평가)중 하나를 선택할 수 있는 형태라고 하였다. 이때 Simplest 평가는 기존 Simplified 평가와 유사한 형태이지만, 주기관 출력 이외에 추진이나 조타 특성까지 고려할 수 있는 간단한 수식에 의한 평가라고 언급하였다.

MEPC 70차에서 덴마크 등은 SHOPERA와 JASNAOE 연구 프로젝트의 진행 현황을 잠정 보고서를 제출하였다(MEPC 70/5/ 20, 2016; MEPC 70/INF.30, 2016; MEPC 70/INF.33, 2016; MEPC 70/INF.35, 2016). 평가 방법으로는 복잡성과 정확성이 증가하는 방식의 3단계 평가(최소출력선, 최소출력확인, 최소출력 평가)를 제안하였다. 최소출력선은 기존 잠정 가이드라인과 동일하다. 최소출력확인(Minimum power check)에 대한 세부 사항은 MEPC 71차에 제출 예정이며, 최소출력평가는 0~60 도 선수 사파 조건에서 6 knots 선속을 유지하는가를 평가하는 방식이다. 덴마크 등의 제안에 대해 다양한 논의가 있었지만, 최종 문건이 제출되는 MEPC 71차 이후에 검토하는 것으로 결정되었다(MEPC 70/18, 2016).

덴마크 등은 MEPC 71차에서 SHOPERA와 JASNAOE 연구를 바탕으로 한 개정안을 제출하였다(MEPC 71/5/13, 2017; MEPC 71/INF. 28, 2017). 개정안에서는 2단계 평가(최소출력선, 최소출력평가)를 제안하였는데, 최소출력평가는 0~30 도 선수 사파 범위의 외란 조건에서 전후방향 1자유도 방정식을 풀어 2 knots 선속을 유지하는지를 평가하는 형태이다. 하지만, 황천과 피항 조건 등에 대해 다양한 의견들이 있으므로, MEPC 71차에서는 개정 안을 확정하는 것은 시기상조라고 결정되었다.

2.2 황천의 정의

IACS는, 복수의 추진시스템을 가진 선박에서 1개의 시스템이 손상된 경우, 주어진 환경 조건에서 조종성능 확보를 위한 최저 선속 관련 선급 규정을 조사하였다(EE-WG 1/4, 2010). BV (Bureau Veritas)와 GL(Germanischer Lloyd)은 BF(Beaufort scale) 5에서 최소 7 knots(GL은 7 knots 또는 설계 선속의 절반), DNV(Det Norske Veritas)는 BF 8에서 최소 6 knots 유지를 규정하고 있었다. 이후 IACS는 선장과의 인터뷰를 바탕으로 황천을 해상상태 7~8(BF 9~10)로 제안하였다. 이는 각각 약 2%(1주일에 한번) 또는 약 0.5%(1달에 한번)의 확률로 조우할 수 있는 조건으로 평가되었다(MEPC 62/5/19, 2011; MEPC 62/INF.21, 2011).

이후, IACS 등은 추가적인 연구결과를 바탕으로 잠정 가이드라인 초안에 황천을 BF 8(유의파고 6 m, 평균풍속 19 m/s)로 제시하였다(MEPC 64/4/13, 2012; MEPC 64/INF.7, 2012). 덴마크와 일본은 MEPC 65차 회의에서 2단계 평가의 일관성을 확보하기 위해서 유의파고를 5.5m로 정의하자고 제안하였다. MEPC 65차에서 채택된 잠정 가이드라인은, 황천을 유의파고 5.5 m, 평균풍속 19 m/s로 정의하고, 선박의 길이에 따라 다르게 적용하도록 하였다(250 m 이상에서는 정의대로 적용, 200 m 이하에서는 유의파고 4.0 m, 평균풍속 15.7 m/s(BF 7수준), 200~250 m 길이의 선박은 선형 보간).

이에 대해 그리스는 BF 8은 일반적인 항해 조건이며, 운항 중에는 BF 9나 10도 만나기 때문에 황천 기준을 강화해야 한다는 입장을 밝혔다. 기준 강화의 또 다른 배경으로 비손상 복원성 코드(2008 IS code, 2008)에서 평균 풍속 26 m/s 이상의 조건을 상정하고 있는 점을 들어, 황천 기준을 최소 BF 9(유의파고 7 m, 평균풍속 23 m/s)이상으로 규정할 것을 주장하였다(MEPC 64/4/37, 2012; MSC 93/21/5, 2014; MSC 93/INF.13, 2014). 반면, 일본과 한국은 BF 8이상의 황천과 조우할 확률이 3% 이하이고, 실제 해상에서 자주 만날 수 있는 상황을 고려하는 것이 타당하다는 관점에서 BF 7(유의파고 4 m, 평균풍속 15.5 m/s) 수준을 제안하였다(MEPC 64/4/42, 2012).

덴마크 등은 2008 IS Code는 주기관의 사용 여부와 상관없이 안정성을 확보해야 한다는 관점의 기준이므로 최소추진출력에 적용하기는 과하다는 의견을 제시하였다(MEPC 67/4/16, 2014). 이후 덴마크와 일본은 BF 9의 황천 기준을 적용할 경우, 37K DWT와 45K DTW 벌크선에서 각각 기존 대비 3.2~5배, 1.5~2.3배 출력이 큰 주기관을 장착해야 하는 문제점도 지적하였다(MEPC 68/3/7, 2015; MEPC 68/INF.32, 2015). 덴마크 등은 SHOPERA와 JASNAOE의 연구 경과 보고를 통해 잠정 가이드라인의 황천 조건 유지를 주장하였다. 그 근거로는 SHOPERA에서 수행한 해상사고 통계분석 결과 많은 사고가 잠정 가이드라인에서 정의한 황천보다 좋은 조건에서 발생한 점을 언급하였다. 하지만, 잠정 가이드라인의 개정안을 제출한 MEPC 71차 회의에서는 추가적인 안전의 여유를 고려한다는 취지에서 길이 250 m 이상의 선박에서는 BF 9 수준(유의파고 6.0 m, 평균풍속 22.6 m/s), 200 m 이하에서는 BF 8 수준(유의파고 4.5 m, 평균풍속 19 m/s)의 조건을 제시하였다(MEPC 71/5/13, 2017; MEPC 71/INF.28, 2017; MEPC 71/INF.29, 2017). 이에 대해 지나치게 보수적이라는 의견이 제시되어 현행대로 황천 조건을 유지하는 것으로 의결되었다(MEPC 71/17, 2017).

2.3 부가저항과 자항요소 추정

IACS 등은 MEPC 62차에 제출한 잠정 가이드라인 초안을 통해 파랑 중 부가저항을 추정하는 방법으로 모형시험, 포텐셜 또는 점성 수치해석, 경험식을 제시하였다(MEPC 62/INF.21, 2011). 이후 IACS는 3가지 수치해석으로 부가저항을 계산해 보았는데, 각각의 결과에 상당한 차이가 있음을 발견하였다. 이를 바탕으로 파랑 중 부가저항을 수치해석으로 평가하는 것이 충분히 성숙되지 않았으며, 현 시점에서의 사용은 적절하지 않다고 주장하였다.

중국은 MEPC 71차 회의에서 반사파의 영향을 고려한 파랑 중 부가저항 추정법(규칙파 중 파랑 부가저항의 2차 전달함수를 계산하는 방법)을 제안하였다(MEPC 71/5/8, 2017). 이후 3척(90K BC, Aframax tanker, VLCC)의 선박에 대한 저속 파랑 중 모형시험 결과와의 비교를 바탕으로 제안한 추정법의 타당성을 주장하였다(MEPC 72/5/9, 2018). 하지만, MEPC 72차 회의는 중국이 제안한 추정법의 검증을 위해 보다 많은 실험결과와의 비교가 필요하다고 결론을 내렸다.

Simplified 평가에 사용되는 자항 요소인 추력감소계수와 반류비에 대해서, IACS 등은 모형시험 또는 경험식으로 구할 수 있다고 제안하였다. 단, 보수적인 추정 방법으로 반류비, w 는 Table 2와 같이 추정할 수 있으며, 추력감소계수, t 는 t = 0.7w 로 추정할 수 있다고 하였다(MEPC 64/4/13, 2012). 이후 승인된 잠정 가이드라인에는 이 내용이 그대로 반영되었다.

Recommended values for wake fraction, w

중국은 MEPC 71차 회의에서 기존 추정식으로 구한 추력감소 계수가 설계속도에서 구한 값이므로 저속에서는 달라질 필요가 있음을 주장하였다. 한편, 황천에서의 추력감소 계수는 Bollard pull에서의 값(단축선에서 약 0.04)보다는 크고 정수 중 설계속도 에서의 값(단축선에서 약 0.2)보다는 작을 것으로 추정하였다. 이에 잠정적으로 0.1을 사용할 것을 주장하였다(MEPC 71/5/8, 2017). 이후 1척에 대한 모형시험 결과를 바탕으로 추력감소계수, t 는 0.1, 반류비, w 는 0.15로 사용할 것을 제안하였다(MEPC 72/5/9, 2018). 하지만, MEPC 72차 회의에서는 부가저항에 대한 제안과 마찬가지로 검증을 위해서는 보다 많은 시험 결과와의 비교가 필요하다고 결론을 내렸다.


3. 최소출력선 평가 적용 결과 검토

본 장에서는 최소추진출력 잠정 가이드라인에 정의된 1 단계(Level 1) 평가인 최소출력선 평가를 IHS Sea-web 등록된 자료에 적용하고 결과를 검토해 보았다. Sea-web은 IMO의 선박 식별 번호를 발행하는 IHS Maritime & Trade가 제공하는 자료를 바탕으로 구성된 데이터베이스이다(https://maritime.ihs.com/). 이 데이터베이스에서 2000~2015년 사이에 건조된 1,517척의 벌크선과 874척의 탱크선에 대한 자료를 구해서 최소출력선 평가를 적용해 보았다. 검색된 선박을 건조 년도와 재화중량에 따라 구분하면 Fig.2와 같다.

Fig. 2

Constitution of bulk carriers and tankers for the examination of minimum power line assessment.

최소출력선은 재화중량(DWT)에 따른 최소출력선을 식 (1)과 같은 형태로 규정하고 있다.

Minimum power line value [kW] = a × (DWT [tons]) + b(1) 

여기서 a와 b는 선종과 크기에 따라 규정된 매개변수로 Table 3과 같이 변화되어 왔다.

Parameters a and b for determination of the minimum power line values for the different ship types

Fig. 3은 IHS Sea-web에 등록된 2000년 이후 건조 선박에 대해 최소출력선을 적용한 결과이다. 분석을 위해 선박은 건조 년도에 따라 5년 단위로 구분해서 표시하였다(△: 2000~2004년, □: 2004~2009년, ◇: 2010~2014년, ●: 2015년 이후).

Fig. 3

Minimum power line assessment

붉은 색 점선은 IACS 등이 제안한 기준이며, 파란 색 파선은 일본과 한국이 기준 완화를 주장하며 제안한 값이다. 검은 색 일점 쇄선은 Resolution MEPC.232(65)에서 정의한 기준이며, 검은 색 실선은 기준 강화 의견을 반영하여 MEPC.262(68)에서 정의한 선이다.

각각의 기준을 만족하지 못하는 선박의 비율은 Fig. 4와 같다. 동일한 기준을 적용할 경우, 최근 건조한 선박의 불만족 비율이 높아지는 것을 알 수 있다. 이는 지속적인 선형과 추진기 설계 개선 및 에너지 절감장치 적용 등을 통한 추진효율 증가와 EEDI Phase 1 적용으로 인한 주기관 출력 감소의 영향으로 추정된다. 한 가지 유의할 점은 Resolution MEPC.262(68) 적용 시, 2015년에 건조된 선박의 불만족 비율이 크게 증가하는 것처럼 보이는 점이다. 해당 기준은 2015년 5월에 채택된 후 6개월의 유예기간을 두기로 함에 따라 2015년 12월부터 적용되어야 하는 기준이다. 즉, 실질적으로는 2016년 이후 건조 선박부터 적용되는 기준으로 볼 수 있다. 하지만, 취합된 자료는 2015년도에 인도된 선박이 다수이므로 적용 시점에 다소 차이가 있는 점을 고려해야 한다. Resolution MEPC.262(68)을 2016년 이후 건조선에 적용하면, Fig. 4에 표시된 불만족 비율 보다는 낮아질 것으로 예상된다.

Fig. 4

Ratio of unsatisfactory ships assessed by the minimum power lines.

2010년 이전의 자료만 검토하면, IACS 등의 안을 적용 시 불만족 선박이 약 10% 내외이고, 일본과 한국의 안은 모든 선박이 만족함을 알 수 있다. 이는 MEPC 64차 회의에서 논의된 것과 동일한 경향이다. 단, Resolution MEPC.232(65)가 5% 가량의 불만족율을 상정하고 만든 기준이지만, 실제 불만족율은 1% 미만으로 나타나는 점을 관찰할 수 있다. 이는 그리스 등에서 주장한 기준 강화 배경이 어느 정도 수긍 가능한 것이라는 것을 보여준다. 한편, Resolution MEPC.262(68)이 기존 대비 상당히 강화된 기준이라는 점도 확인할 수 있다. 특히 2000~2004년에 건조된 선박에 적용 시, 벌크선은 약 19%, 탱크선은 약 44%의 불만족율을 보이고 있다. 이는 최소추진출력 논의 과정에서 EEDI 적용 이전에 운항되는 대부분의 선박은 황천에서도 안전하게 운행하였기에 문제가 없었다는 기존의 관점과 상이한 결과로 판단된다.


4. Simplified 평가 적용 결과 검토

Simplified 평가는 황천 중 선수 파도/바람 조건에서 최소 전진속도를 유지할 때 필요한 마력을 추정하고, 주기관이 해당 조건에서 필요한 출력을 생성할 수 있는지를 검토하는 것이다. 개략적인 계산 과정은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5

Schematic procedure for the simplified assessment of 2013 interim guidelines for determining minimum propulsion power of ships in adverse conditions

Simplified 평가 적용을 위해서는 선박의 제원과 성능 정보가 필요하다. 본 연구에서는 수치해석 및 조종성능 연구의 공시 선형으로 활용되는 KVLCC2를 이용하였다. KVLCC2는 선박해양 플랜트연구소(KRISO, Korea Research Institute of Ships and Ocean)에서 설계한 초대형 원유운반선으로 ITTC 조종성분과 위원회에서 주관하는 SIMMAN 워크샾 등을 통해서 선형과 모형시험 결과가 공개되어 있다(Kim et al., 2005; SIMMAN 2014).

Simplified 평가를 위해 추가적으로 필요한 주기관 출력은 Sea-web 자료에서 구한 2000~2004년 건조 VLCC의 평균값 (Fig. 6 참조)을 사용하였으며, 풍하중 면적(AFW: 수면 상부 정면 투영면적, ALW: 수면 상부 측면 투영면적) 등은 유사선의 값으로 Table 4와 같이 가정하였다.

Fig. 6

DWT vs. M/E total power for VLCC (Averaged values during 2000~2004: 26,341 kW, 2005~2009: 27,821 kW, 2010~2014: 27,851 kW, and after 2015: 25,711 kW)

Assumed parameters of KVLCC2 for the simplified assessment

4.1 황천의 정의에 따른 영향

2.2절에서 정리한 황천의 정의에 대한 논의를 길이 250 m 이상의 선박에 대해 정리하면 Table 5와 같다. 이 정의에 따라서 KVLCC 2를 대상으로 Simplified 평가를 수행하면 Fig. 7, 8과 같은 결과를 얻을 수 있다. 이때, 자항요소는 MEPC.262(68)의 경험식을 사용하였고, 파랑 중 부가저항은 i-STAP을 사용해서 추정하였다. i-STAP은 KRISO에서 개발한 ISO 15016:2015 기반의 선속시운전 해석용 프로그램이다(Shin et al., 2016). 파랑 중 부가저항 계산은 Maruo 방법과 NMRI의 경험식으로 계산하는 옵션을 이용하였다.

Adverse weather conditions for ship's with LPP>250 m

Fig. 7

Relative magnitude of resistance components under different adverse weather conditions (100%: Total resistance by the Resolution MEPC.262(68))

Fig. 8

Ratio of required vs. available power under different adverse weather conditions

Table 5에 기술된 황천 조건에서 각 저항 성분(정수, 공기, 파랑 중 부가저항)의 상대적인 크기는 Fig.7에 비교하였다. (Resolution MEPC.262(68) 조건에서 추정된 전체 저항 대비 상대적인 크기이다). 기본 제원과 기준 선속이 동일하므로 정수 중 저항은 동일하다. 풍속과 유의파고가 증가하면 전체 저항이 증가하는데, 파랑 중 부가저항이 전체 저항의 70% 이상을 차지하는 가장 중요한 성분이라는 것을 알 수 있다.

각각의 황천 조건에서 필요한 마력과 공급 가능한 출력의 비는 Fig. 8에 비교하였다. 가장 나쁜 황천 조건인 MSC 93/21/5를 적용할 경우, 주기관 출력 대비 큰 출력이 요구되므로 Simplified 평가를 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 다른 조건에서는 전체 저항이 유사한 크기이므로, 여유 마력도 6~14%의 유사한 크기로 가이드라인을 만족하는 것으로 나타났다. 해당 선박이 잠정 가이드라인에 따른 최소출력선 평가(Level 1)를 만족하므로(Fig. 6 참조) Simplified 평가(Level 2)도 만족하는 것이 일관성 측면에서 타당하다. 하지만, 그리스가 제안한 MSC 93/21/5안은 반대의 경향(Level 1은 만족하지만 Level 2는 불만족)이 나타나므로, 현재의 평가 체계에서는 적절하지 않다는 것을 확인할 수 있다.

4.2 파랑 중 부가저항 추정법의 영향

잠정 가이드라인에는 평가 대상 속도에서의 파랑 중 부가저항을 모형시험이나 기관(Administration)에서 인정하는 방법으로 추정할 것을 명시하고 있다. 모형시험은 선속이 4~6 knots로 매우 낮은 조건이므로, 폭이 좁은 예인수조에서 모형시험을 수행할 경우 반사파의 영향에 각별히 주의를 기울일 필요가 있다(Lee et al., 2019). 조선소에서는 선급이 인정하는 경험식 또는 비점성 해석 기반의 부가저항 전달함수 추정법을 활용하고 있다. 점성 해석도 고려할 수 있지만, 계산 시간 및 선급 별로 인정 여부의 차이로 인해 활발히 사용되지는 않고 있다. 본 연구에서는 Table 6에 정리한 파랑 중 부가저항 추정식을 적용하였다(STAWAVE2는 선속이 적용 가능한 범위를 벗어나지만, 비교 목적으로 사용하였다).

Estimation methods for the added resistance in waves

모형시험 결과가 있는 6 knots 선속에 대해 무차원화된 부가저항 전달함수를 비교하면 Fig. 9과 같다. MEPC 62차 회의와 Lee 등(2019)등이 논의된 바와 같이 추정법에 따라 파랑 중 부가저항 전달함의 크기에 유의미한 차이가 나타났다. 각각의 부가저항 추정법을 적용하였을 경우 계산된 소요 마력과 공급 가능한 출력의 비는 Fig. 11과 같다. KVLCC2의 경우에는 ClassNK의 Prime Ship에 의한 계산이 가장 보수적인 결과를 보이고 있으며, SHOPERA의 연구결과를 바탕으로 추정된 MEPC 70/INF.33이 상대적으로 여유 있게 만족하는 것으로 나타났다.

Fig. 9

Non-dimensional quadratic transfer function of the wave added resistance of KVLCC2 at 6 knots

Fig. 10

Relative magnitude of total resistance by the various wave added resistance estimation.

Fig. 11

Ratio of required vs. available power by the various wave added resistance estimation

모든 경우에 Simplified 평가를 만족하고 있는 것으로 나타나지만, 추정법에 따라 기준 대비 마진에 차이를 보이고 있다.

4.3 자항요소 추정법의 영향

자항요소도 경험식과 모형시험 등을 통해서 추정할 수 있다. 중국이 MEPC 71차 회의에서 언급한 바와 같이, 황천 중에 저속으로 운항하는 선박의 자항요소는 정수 중 설계 선속에서의 값과 차이가 있을 것으로 예상된다(MEPC 71/5/8, 2017). 최근 국내에서도 이를 고려해, 프로펠러 과부하 상태에서 시험을 수행하고 자항요소를 구한 경우가 있었다(Lim et al., 2019).

본 연구에서는 Table 7의 자항요소를 Fig. 5에서 언급된 Simplified 평가 절차에 적용하여 소요마력을 계산하고 결과를 검토하였다. 자항요소 변화에 따른 평가 결과를 비교하면 Fig. 12와 같다.

Wake fraction and thrust deduction factors applied for KVLCC2

Fig. 12

Effects of wake fraction and thrust deduction factors

Fig. 12에서 점선은 주기관에서 구현할 수 있는 출력을 나타내고, 심볼은 Table 7의 자항요소를 적용했을 때 추정된 소요 마력이다. 잠정 가이드라인에서 제안하고 있는 자항요소 추정식을 적용할 경우(△) 정수 중 설계 선속에서 구한 값(◆)과 유사한 값이므로 소요마력에 차이가 보이지 않았다. 중국이 71차 회의에서 제안한 추력감소계수만 반영한 경우(□), 기존 경험식 대비 낮은 회전수에서 유사한 비율의 마진을 가지고 만족하는 것으로 나타났다. 72차 회의에서 제안한 반류비와 추력감소계수를 적용하면(●), 프로펠러 회전수가 증가하고, 주기관이 제공 가능한 출력 대비 마진이 줄어드는 결과가 나타났다. 이상과 같이 자항요소의 변화에 따라 평가 결과에 영향이 있으므로, 적절한 자항요소를 선정하는 방법에 대해서도 체계적인 검토가 필요하다.


5. 검토 결과

본 연구에서는 황천 시 최소추진출력 잠정 가이드라인 관련해 IMO MEPC 논의 내용을 살펴보고, 최소추진 출력선 평가와 Simplified 평가를 각각 통계자료와 KVLCC2에 대해서 적용해 보았다.

IACS 등이 최소추진출력 규제에 대한 초안을 제출한 이후, 그리스를 중심으로 지속적인 기준 강화의 의견이 있었다. 하지만, 기존 운항 중인 선박에 대한 고려, 현실적으로 채택 가능한 주기관 선정, 단계적으로 강화되는 기준의 일관성 등을 종합적으로 고려하여 의결된 Resolution MEPC.262(68)이 EEDI Phase 2(2020~2024년)까지는 적용될 예정이다. 이 가이드라인은 Level 1의 최소출력선과 Level 2의 Simplified 평가로 구성되어 있다. 최소출력선은 선종 별로 재화중량에 따른 최소추진출력을 규정하는 형태이고, Simplified 평가는 정해진 황천 조건을 정면으로 항해할 때 일정한 선속을 유지하는데 소요되는 마력을 주기관이 감당할 수 있는지 평가하는 형태이다. 보다 현실적인 운항 시나리오를 고려하는 Comprehensive 평가의 도입도 지속적으로 제기되고 있으나, 관련 기관이 모두 동의할 수 있는 시나리오를 도출은 여전히 논의 중이다.

최소추진출력선 기준은 Resolution MEPC.262(68)이 채택되면서 Resolution MEPC.232(65) 대비 상당히 강화 되었다. 그 결과, 기존선인 2000~2010년 건조 선박에 해당 기준을 적용하면, 기존 안의 불만족 비율이 1% 미만인데 반해 강화된 안의 불만족 비율은 벌크선은 10% 이상, 탱크선은 25% 이상인 것으로 나타났다. 이는 EEDI 적용 이전에 운항되는 대부분의 선박은 황천에서도 안전하게 운행되었기에 문제가 없었다는 관점과는 배치되는 결과이다.

Simplified 평가에서는 황천 조건과 파랑 중 부가저항의 추정이 기준 만족여부를 결정하는데 가장 중요한 요소이다. 황천 조건은 최소추진출력선 평가와의 일관성을 고려할 때, BF 8(유의파고 5.5 m, 풍속 19 m/s) 수준의 현재 기준이 타당한 것으로 판단된다. 파랑 중 부가저항은 전체 저항의 70% 이상을 차지하는 중요한 성분이지만, 추정 방법에 따라서 편차가 있는 것으로 나타났다. KVLCC2를 대상으로 파랑 중 부가저항 추정 결과를 비교하면 최대 40% 가량의 차이를 보였는데, ClassNK의 Prime Ship 적용 시에 가장 보수적인 결과를 나타내었다. 모형시험을 통해 파랑 중 부가저항을 추정하는 것도 하나의 대안이 될 수는 있지만, 매우 낮은 선속에서 시험을 수행해야 하므로 일반적인 예인수조에서는 측면 반사파의 영향을 낮출 수 있는 방법에 대해서 주의를 기울여야 할 것이다.

반류비나 추력감소계수와 같은 자항요소도 일반적인 운항 선속과는 다른 값을 가질 것으로 추정되지만, Simplified 평가에서 제안하고 있는 추정식은 설계 속도에서의 값과 유사한 결과를 주고 있다. 중국은 제한된 모형시험 결과를 바탕으로 반류비와 추력감소계수를 기존 대비 약 1/3 작은 값을 쓰는 것을 제안하였다. 하지만, KVLCC2에 적용한 결과 추력감소계수 감소량 대비 반류비의 감소량이 크기 때문에 주기관 출력 대비 마진이 감소하는 경향이 나타났다. 적절한 값을 선정하는 방법에 대해서도 향후 체계적인 검토가 필요하다고 판단된다.

2018년 말에 개최된 MEPC 73차 회의에서는 황천 시에 적용 가능한 Emergency MCR을 도입하여, 평상시에는 DMCR 이하에서만 운항 가능하도록 S/W적인 제한을 두자는 의견이 있었다. 이상과 같이 앞으로도 최종안 확정까지 활발한 논의가 진행될 것으로 예상되므로, 국내 조선업계에서는 진행상황을 예의주시 할 필요가 있다.

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Fig. 1

Fig. 1
Revision of 2013 interim guidelines for determining minimum propulsion power to maintain the manoeuvrability of ships in adverse conditions.

Fig. 2

Fig. 2
Constitution of bulk carriers and tankers for the examination of minimum power line assessment.

Fig. 3

Fig. 3
Minimum power line assessment

Fig. 4

Fig. 4
Ratio of unsatisfactory ships assessed by the minimum power lines.

Fig. 5

Fig. 5
Schematic procedure for the simplified assessment of 2013 interim guidelines for determining minimum propulsion power of ships in adverse conditions

Fig. 6

Fig. 6
DWT vs. M/E total power for VLCC (Averaged values during 2000~2004: 26,341 kW, 2005~2009: 27,821 kW, 2010~2014: 27,851 kW, and after 2015: 25,711 kW)

Fig. 7

Fig. 7
Relative magnitude of resistance components under different adverse weather conditions (100%: Total resistance by the Resolution MEPC.262(68))

Fig. 8

Fig. 8
Ratio of required vs. available power under different adverse weather conditions

Fig. 9

Fig. 9
Non-dimensional quadratic transfer function of the wave added resistance of KVLCC2 at 6 knots

Fig. 10

Fig. 10
Relative magnitude of total resistance by the various wave added resistance estimation.

Fig. 11

Fig. 11
Ratio of required vs. available power by the various wave added resistance estimation

Fig. 12

Fig. 12
Effects of wake fraction and thrust deduction factors

Table 2.

Recommended values for wake fraction, w

Block coefficient One propeller Two propellers
0.5
0.6
0.7
0.8
0.14
0.23
0.29
0.35
0.15
0.17
0.19
0.23

Table 3.

Parameters a and b for determination of the minimum power line values for the different ship types

Reference Ship Type a b
MEPC 64/4/13 (IACS et al.) BC (DWT < 275,825 ton)
BC (DWT 275,825 ton)
0.0606
0.0273
4195.2
13366.0
Tankers 0.0603 5495.5
MEPC 64/4/42 (Japan & ROK) BC (DWT < 275,825 ton)
BC (DWT 275,825 ton)
0.0606
0.0273
2648.0
11818.8
Tankers 0.0603 3294.0
Resolution MEPC.232(65) BCs 0.0687 2924.4
Tankers 0.0689 3253.0
Resolution MEPC.262(68) BC (DWT < 145,000 ton)
BC (DWT 145,000 ton)
0.0763
0.0490
3374.3
7329.0
Tankers 0.0652 5960.2

Table 4.

Assumed parameters of KVLCC2 for the simplified assessment

Parameters Value Parameters Value
(AFW: Frontal windage area, AFW: Lateral windage area)
AFW [m2]
ALW [m2]
920
3,300
Deadweight [ton]
MCR [kW]
RPM [-]
302,273
26,341
81

Table 5.

Adverse weather conditions for ship's with LPP>250 m

Reference H1/3 [m] TP [s] VW [m/s]
(H1/3: Significant wave height, TP: Peak period, VW: Mean wind speed)
Resolution MEPC.262(68) 5.5 7.0~15.0 19.0
MEPC 64/4/13 (IACS) 6.0 8.0~15.0 19.0
MSC 93/21/5 (Greece) 7.0 - 23.0
MEPC 71/5/13 (Denmark et al.) 6.0 8.8~12.2 22.6

Table 6.

Estimation methods for the added resistance in waves

Type Name Motion induced Reflection correction
Empirical STAWAVE2 (Boom et al., 2013) Jinkine's method Experimental data
MEPC 70/INF.33
2D Strip SLE (HMRI, 2009) Maruo method Faltinsen
i-STAP (Shin et al., 2016) NMRI empirical
PrimeShip
3D Panel WISH (Park et al., 2014) Pressure integration

Table 7.

Wake fraction and thrust deduction factors applied for KVLCC2

Reference w [-] t [-]
Resolution MEPC.262(68) 0.350 0.245
Calm sea at Fn=0.141 0.347 0.233
MEPC 71/5/8 (China) 0.350 0.100
MEPC 72/5/9 (China) 0.150 0.100