에너지 소비와 에너지 공급의 증가는 21세기 우리가 해결해야 할 가장 중요한 문제 중 하나이다. 여기에는 단순히 자원의 문제뿐만 아니라 에너지 소비로 인한 환경 문제도 포함된다. 가장 심각한 환경 문제는 화석연료를 소모함으로써 야기되며, 이를 해결하기 위한 많은 종류의 대책들이 에너지 공급과 수요 측면에서 깊이 연구개발되고 있다. 지난 해 12월 덴마크 코펜하겐에서는 국제 기후변화협약(UNFCCC) 당사국 총회가 열려 각국 대표들이 자리를 함께 했다. 과연 이번 회의의 목표는 무엇이었을까? 바로 CO₂가스 저감을 통해 지구온난화를 막자는데에 대한 인식의 공유이다. 기후변화에 따른 온실가스 감축 및 제한을 통해 우리가 직면한 현실 즉, 에너지의 사용에 관심을 갖지 않으면 안 되는 상황에 처하게 된 것이다. 에너지 사용은 지구 온실가스 배출과 밀접한 관계가 있다. 우리나라는 그동안 정부나 공공기관 차원에서 에너지 절감을 위해 많은 정책과 프로그램을 개발, 시행해왔다. 이번 제15차 당사국 총회는 비록 국가 간의 이해관계로 인해 구속력 있는 기후협약을 도출하는 데는 실패했지만, 에너지 절감은 세계적인 추세이며 우리와 같이 에너지의 대부분을 해외에 의존하고 있는 현실에서는 선택이 아닌 필수여야 한다. 현재 고효율 기자재 개발 및 보급, VA(Voluntary Agreement), ESCO 사업 및 GEF(녹색에너지가족) 운동 등의 정책이 시행되고 있으며, 지속적으로 새로운 프로그램들이 개발되어 시행될 것으로 전망된다. 지식경제부의 지휘 하에 한국전력공사 및 에너지관리공단에서는 다양한 정책을 발표하고 있다. 궁극적인 목표는 국가 전반에 걸쳐 누수되는 에너지를 줄이고 첨두부하를 줄임으로써, 일련의 에너지 절감 목표를 달성할 뿐만 아니라 지속적으로 늘고 있는 에너지 공급을 위한 국가 기간산업의 과투자를 줄이는데도 그 의미가 있다고 본다.
[그림 1] IEA CO₂가스 방출 시나리오
[그림 2] 제조 산업에서의 에너지 절감 잠재력
[그림 3] 펌프의 스로틀밸브 제어와 속도 제어 방식
<그림 1>에서와 같이 지금의 트렌드로 진행될 때 현재의 CO₂가스는 30Gt에서 2030년에는 40Gt으로 증대될 것이라고 한다. 이러한 추이를 줄일 수 있는 방안은 에너지 절약, 신재생에너지 및 바이오에너지 사용, 원자력 이용, 카본 저장시스템 운용 등을 통해 가능하며, 이 중 가장 효과가 높은 것이 바로 에너지 절약이다. <그림 1>에서 보듯이 에너지 절약을 통해 CO₂가스를 저감하는 방안이 전체의 54%로 가장 커다란 부분을 차지하고 있으며, 세부적으로 에너지 절감을 할 수 있는 방안이 <그림 2>에 나타나 있다. 에너지 절감 분야 중 제조 산업에서는 모터시스템, 열병합발전, 스팀시스템, 공정 통합, 열 재생, 에너지 재활용 등 다양한 분야에서 에너지 절감을 행할 수 있으나, 이 중 가장 큰 것이 모터시스템의 효율 개선이다. 모터시스템의 효율 개선은 먼저 모터 자체의 효율을 높여 전기 소모량을 줄여주는 방안이 있다. 일반적인 모터의 효율은 용량에 따라 차이가 있지만 약 70~96% 정도를 나타내며, 이에 대한 효율 규정은 국제 규정 IEC 60034-30으로 최근 개정 공표됐다. 여기에서는 각각의 모터에 대한 효율 등급을 표준 효율 등급 IE1, 고효율 IE2, 프리미엄 효율 IE3로 규정하고 있다. 국내에서도 이 규정에 근거한 MEPS를 도입해 2007년도부터 규정을 하고 있다. 최고 IE3 등급에서 최저 IE1 등급의 차이를 보면 7.5㎾의 경우 약 4.4%가 나며, 300㎾의 경우 약 1.1%가 좋다. 이렇게 수 %의 효율만을 높여도 연간 또는 모터의 수명이 다할 때까지 절약되는 에너지는 모터 구입가의 몇 배에 해당한다.
[그림 4] 일반 화력발전소 계통도
또 다른 방안으로 모터의 속도 제어 방식이다. <그림 3>의 펌프는 드라이브를 이용한 속도 제어 방식과 일반 스로틀밸브를 이용한 유량 제어의 경우 약 44%의 에너지 절감을 가져온다는 결론에 이른다. 즉, 모터의 효율 증대보다 수십 배의 효과를 거둘 수 있는 방식이 속도 제어용 드라이브로, 국내에서는 인버터로 많이 알려져 있는 장치를 적용하면 막대한 에너지 절감 효과를 거둘 수 있다. 사용자 입장에서 볼 때 연간 약 40%의 전력 절감은 전력요금으로 1~2년이면 투자비 회수가 가능하다. 이는 그동안 고효율 인버터 제도 및 ESCO 제도 등에서 이미 증명됐다.
[그림5] 화력발전소의 팬
발전 설비의 에너지 절감과 계통
본고에서는 화력발전 설비의 에너지 절감 방안에 대해 논하고자 한다. 일반적인 화력발전소는 발전 용량의 5~15%의 전기를 소요하게 되며, 이것의 80%가 공정에서 모터를 구동하는 데 사용된다. 여기서는 에너지 절약효과가 큰 팬 펌프, 그리고 컴프레서용 모터에 드라이브를 적용함으로써 발전 효율을 향상시키는 것이 가능하다. 일반적으로 발전 설비에 사용되는 모터는 대용량으로, 고압 모터를 사용하게 된다. 최근 들어 국내 몇몇 발전소에서는 공정에 드라이브를 적용해 커다란 에너지 절감효과를 거두고 있다. 따라서 석탄화력발전소의 효율향상을 위한 AC 드라이브 적용을 검토한다.
발전 설비의 팬
1. 발전 설비의 팬 구성 발전 설비의 팬 구성은 <그림 5>와 같다.
2. 기존 제어 방식의 문제점 기존 시스템의 팬은 댐퍼(Damper)를 사용해 적정량의 공기를 조절한다. 기계적으로 운전자가 필요에 따라 연속적으로 제어할 수 없기 때문에 일정한 댐퍼로 고정하거나 필요에 따라 약간의 조정을 통해 사용되어 불필요한 공기의 배출 및 공정상 과다 또는 과소한 풍량으로 운전된다. 그리고 팬의 설계 용량 대비 약 60~80% 정도의 댐퍼량으로 조정되어 운전을 설계하나, 실제로는 현장여건에 따라 40~100%의 댐퍼 조정이 필요할 수 있다.
[그림 6] Centrifugal Fan Damper 제어 특성곡선(좌)과 AC Drive 제어특성곡선(우)
[그림 7] 석탄 화력발전소 Pump
하지만 댐퍼는 기계적인 문제 및 운전자가 연속적으로 상태를 보면서 즉각적인 동작을 할 수 없으므로 댐퍼를 제어하는 것은 불가능하다. 그러므로 실제로 필요한 풍량 및 압력을 연속적으로 제어할 수 없다. 또한 본 공정에서 댐퍼를 사용해 풍량을 제어할 때에는 낮은 댐퍼 개도율로 인해 실제적으로 댐퍼 제어의 한계 범위를 벗어나 정상적인 풍량제어가 불가하다. 댐퍼는 대기로 공기를 방출하기 때문에 방출되는 양에 해당하는 에너지가 소모되며, 댐퍼 조정 방식은 <그림 6>의 그래프에서 보는 것처럼 비효율적인 전력 소모가 많고 기계구조를 정기적으로 유지 보수해야 한다. 또한 기동 시 직입회로를 사용해 전동기를 비롯한 기계계와 전기계에 충격을 주어 악영향을 미친다. 전동기 및 팬은 항상 풀(Full) 속도로 회전하고 있어 이로 인해 막대한 전력이 손실되고 있다.
[그림 8] Boiler Feed pump operation, 스로틀밸브 vs AC Drive
발전 설비 펌프 구성
1. 펌프 구성 <그림 7>은 석탄발전소 펌프의 구성 사례이다.
2. 기존 제어 방식의 문제점 기존 시스템의 펌프는 감압밸브(Throttle Valve)를 사용해 적정량의 유량을 조절한다. 기계적으로 운전자가 필요에 따라 연속적으로 제어할 수 없기때문에 일정한 스로틀밸브로 고정하거나 필요에 따라 약간의 조정을 통해 사용되어 불필요한 유량 및 공정상 과다 또는 과소한 유량으로 운전된다고 볼 수 있다. 그리고 펌프의 설계 용량 대비 약 60~80% 정도를 스로틀밸브로 조정되어 운전을 설계하나, 실제로는 현장 여건에 따라 40~100%의 유량 조정이 필요할 수 있다. 하지만 스로틀밸브는 기계적인 문제 및 운전자가 연속적으로 상태를 보면서 즉각적인 동작을 할 수 없으므로 댐퍼를 제어하는 것은 불가능하다. 그러므로 실제로 필요한 유량 및 압력을 연속적으로 제어할 수 없다. 또한 본 공정에서 스로틀밸브를 사용해 유량 제어 시에는 낮은 스로틀밸브 개도율로 인해 실제적으로 유량 제어의 한계 범위를 벗어나 정상적인 유량 제어가 불가하다. 스로틀밸브 조정 방식은 <그림 8>의 그래프에서 보는 것처럼 비효율적인 전력 소모가 많으며 기계구조를 정기적으로 유지 보수해야 한다. 또한 기동시 직입회로를 사용해 전동기를 비롯한 기계계와 전기계에 충격을 주어 악영향을 끼친다. 전동기 및 펌프는 항상 풀(Full) 속도로 회전하고 있어 이로 인해 막대한 전력이 손실되고 있다.
[그림9] 일반적인 팬부하 곡선 및 제어방식에 따른 소요 전력
팬의 부하 특성
1. 펌프와 팬의 특성 AC 드라이브의 가장 대표적인 예로 산업 동력의 70% 이상을 차지하는 펌프나 팬, 블로아의 회전속도 제어로서, 이들 부하의 특성이 유량이나 풍량에 따라 이승 저감 토크 특성을 갖고 있기 때문에 부하토크가 회전속도의 제곱에 비례하고, 축 동력은 3승에 비례하게 된다. 기존에는 전동기를 정속 운전하며 필요한 풍수량을 입출구 댐퍼나 베인의 각도를 조절해 제어해 주던 것을 현재는 AC 드라이브를 사용하여 필요한 풍수량에 따라 모터의 회전수를 제어해 줌으로써 <그림 9>에서 보는 것처럼 큰 전력절감 효과를 얻을 수 있다.
[그림10] 일반적인 펌프부하 곡선 및 제어방식에 따른 소요 전력
예를 들면, <그림 9>에서 풍량이 70%인 경우 AC 드라이브는 45%의 전력이, 댐퍼는 94%의 전력이 필요하므로 댐퍼 제어에 비해 약 49%의 전력이 절감된다.
⑴ 펌프와 팬의 주요 법칙
⑵ 펌프와 팬의 정속도 운전 특성 정속도로 운전 시의 운전 특성은 흡입유량에 따른 양정, 동력, 효율 등으로 표시되며 보통 양정은 유량이 증가함에 따라 감소하고 소요 동력은 다소 증가한다. 따라서 운전 중 구동전동기가 과부하 상태로 될 수 있는 경우는 매우 드물며, 과부하가 걸리는 경우에도 이를 해소하기가 용이하다. 통상 유량을 줄이면(밸브 또는 댐퍼를 조절) 소요 동력은 감소한다. 또한 기동 시에 필요한 토크도 다른 일반부하에 비해 작다. 그 이유는 위의 식에서 알 수 있는 바와 같이 토크가 속도의 제곱에 비례하기 때문에 기동시 저속 영역에서 요구되는 부하 토크가 작고, 따라서 구동전동기의 토크 대부분이 가속용 토크로 이용될 수 있기 때문이다. 다만, 대형의 원심 팬은 임펠러의 관성질량이 크기 때문에 기동에 긴 시간이 소요되는 것이 보통이다. 특히 유도전동기의 기동전류를 제한하기 위해 감압기동(리액터, 기동보상기, Y/△) 방법 사용 시에는 전동기의 토크가 단자전압의 제곱에 비례해 감소하기 때문에 기동 시간은 그만큼 연장된다. 그러나 AC 드라이브 등을 사용해 기동전류를 제한할 필요 없이 주파수를 제어하여 기동할 때에는 정격 토크 이상을 낼 수 있으므로 기동 시간을 상당히 단축할 수 있다. 이상과 같은 이유로 원심식 펌프나 팬용 AC 드라이브의 과부하 내량은 통상 과부하 내량이 필요치 않거나 또는 110% 1분이 표준이다.
◈ 참고자료 1. Challenges and opportunities aplenty, How to meet the challenge of climate change, Anders H Nordstrom, Sweden, ABB Review 3/2009 2. Global energy challenges, Ernest Moniz, physics at Massachusetts Institue of Technology, USA, ABB Review 2/2009 3. A worthwhile investment, The drive to reduce emissions and energy consumption, Jukka Tolvanen, Timmo Miettinen, Helsinki Finland, ABB Review 2/2009 4. IEC Standard, IEC60034-30 (2008) Rotating electrical machines part 30 efficiency classes of single-speed, threephase, cage-induction motors 5. http://www.iea.org/work/2009/standards/thies.pdf, Energy efficiency and renewable resources, 16thMarch 2009, paris, Bernhhard Thies, DKE 6. ABB ACS 1000, ACS 2000, ACS 5000, ACS 6000, Mega Drive LCI catalogue & Manual 7. ABB Drive in power generation V2, 2009 Oct. ABB Switzerland, MV drives 8. ABB technical guide book No4, Guide to variable speed drives. 8.2 2002, Helsinki Finland 9. Reductions of On-Site Power Consumption During Plant Performance Upgrading, Power Gen Asia 7th Oct 2009, Pritesh Dalal
스로틀밸브(Throttle Valve) 게이트밸브의 일종이다. 원판을 회전시켜 관로를 열고 닫음으로써 유체와의 마찰에 의해 유체의 압력을 낮추는 데 사용하는 밸브이다. 댐퍼(Damper) 진동 에너지를 흡수하는 장치. 제진기(制振器) 또는 흡진기(吸振器)라고도 한다. 완충기가 주로 최초의 1행정에 대한 힘의 상태를 문제로 하는 데 비해, 댐퍼는 그 후의 진동 경과 및 정상상태에서의 진동을 그 대상으로 한다. 임펠러(Impeller) 터보형 펌프 · 송풍기 또는 압축기의 주요 부분으로, 원주상(圓周上)에 같은 간격으로 배치된 수십 개의 깃(또는 날개)을 가지고 회전하는 원판 또는 원통.
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