공기 수요의 변동이 심한 압축 공기 시스템 최적화

공기 시스템에 대량의 공기(약 100m³/분 이상)가 필요하고 하루 중 공기 수요의 변동이 심한 경우, 많은 최종 사용자들은 대형 가변 속도 스크류 컴프레서가 시스템 수요에 맞춰 압축 공기 흐름을 정밀하게 조절함으로써 상당한 에너지 절감 효과를 제공할 수 있다고 믿습니다. 

그림 1에 표시된 경우를 예로 들어 보겠습니다. 하루 동안의 유량 수요가 최대 공기 수요의 최대 90%까지 변동하는 상황에서, 본 연구는 설치된 컴프레서 수, 컴프레서 크기 및 압축 기술 유형(예: 오일프리 원심식 및 오일프리 로터리) 측면에서 6가지 대안 솔루션의 에너지 소비량을 비교합니다.

그림 1: 24시간 동안 최대 수요의 90%까지 변동하는 유량 프로파일

본 분석에서는 에어 컴프레서의 제어 시스템과 다양한 제어 로직이 에너지 소비에 미치는 영향도 함께 고려했습니다. 

동일한 6가지 솔루션의 에너지 소비량을 서로 다른 공기 수요 패턴에 적용하여, 생산 요구가 변동할 때 각 시스템이 어떻게 작동하는지를 시뮬레이션했습니다. (변동성이 다른 4개의 일일 공기 수요 패턴도 함께 검토되었습니다.)

올바른 압축 공기 솔루션 선택

그러나 하루 동안 공기 수요가 크게 변동하는 대규모 시스템에서는, 많은 최종 사용자들이 대형 가변 속도 스크류 컴프레서만이 시스템 수요에 정확히 맞춰 압축 공기 흐름을 제어함으로써 큰 절감 효과를 제공한다고 믿습니다.

관련 사례 연구

사례 1(그림 1-2)의 경우, 공기 수요는 밤과 낮 교대 근무 사이에 약 30m³/분에서 220m³/분으로 매우 변동이 심하며, 이는 유량의 90%에 해당하는 변동성을 나타냅니다.

그림 2는 사례 1의 유량 프로파일을 더 구체적으로 보여줍니다. Y축은 요청 흐름을 왼쪽의 절대 수치로, 오른쪽의 최대 요청 시스템 흐름의 백분율로 나타냅니다. X축은 전체 관찰 기간의 백분율로 시간을 표시합니다. 이 데이터가 주어지면 연구자는 사례 1의 공장이 거의 50%의 시간 동안 평균 유량보다 낮게 작동한다고 추론할 수 있습니다. 이 흐름 스펙트럼은 공기 수요가 적은 6시간 야간 교대 근무 2회와 공기 수요가 많은 6시간 주간 근무 2회로 구성된 생산 현장의 전형적인 모습입니다.

그림 2: 높은 변동성(90%) 흐름 스펙트럼

분석된 나머지 네 가지 사례는 그림 3~6에 나와 있으며, 대표적인 사례는 다음과 같습니다:

사례 2 (그림 3): 변동성이 90%에 달하는 또 다른 매우 가변적인 스펙트럼이지만, 사례 1에 비해 평균 흐름보다 적은 시간 동안만 요청됩니다. 이 스펙트럼은 일반적으로 공기 수요가 적은 8시간 야간 교대 근무와 공기 수요가 많은 8시간 주간 교대 근무가 있는 프로덕션의 경우입니다.

그림 3: 중간 시간 동안의 높은 변동성(90%) 흐름 프로파일

사례 3(그림 4): 사례 1 및 사례 2와 유사하지만 이전보다 변동성이 낮습니다(최대 흐름의 90%가 아닌 약 65%). 앞의 두 경우와 구분하기 위해 중간 정도의 변동성을 가진 경우라고 부릅니다. 사례 1의 경우, 약 50%의 시간 동안 평균 흐름보다 적은 양이 요청되기 때문에 이러한 변동성이 오랫동안 발생합니다.

사례 4(그림 5): 중간 정도의 변동성 흐름 패턴(사례 3과 같이 최대 흐름의 약 65%); 사례 3에 비해 평균 흐름보다 적은 흐름이 30%만 요청됩니다.

사례 5(그림 6): 변동성이 하루 종일 최대 흐름의 약 30%에 불과한 낮은 변동성 흐름 패턴으로, 하루 24시간 동안 거의 일정한 생산량을 나타냅니다.

에너지 절약형 컴프레서 솔루션

에너지 소비 관점에서 보면 사례 1-5에 설명된 상황에 맞는 6가지 대체 컴프레서 솔루션이 있습니다:

• 솔루션 A는 원심 컴프레서 1대와 최대 유량이 시스템 최대 유량 수요의 절반인 대형(700kW) 가변 속도 스크류 컴프레서 1대를 고려합니다.
• 솔루션 B는 최대 유량이 시스템 최대 유량 수요의 절반인 원심식 컴프레서 두 대를 사용합니다. 원심식 컴프레서는 더 작은 조절 범위로 최고의 효율을 내도록 설계하거나 턴다운이라고도 하는 넓은 조절 범위로 설계 효율을 낮출 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 이 두 번째 솔루션에서 컴프레서는 최고 효율을 위해 설계되었으며 가장 효율적인 최신 부하 공유 제어 기능을 갖추고 있습니다.
• 솔루션 C는 넓은 조절 범위로 설계된 두 개의 원심식 컴프레서를 활용합니다. 또한 이 솔루션에서는 여러 대의 원심식 컴프레서가 있는 다음의 모든 솔루션과 마찬가지로 원심식 컴프레서에는 부하 공유 제어 기능이 있어 시스템의 조절 범위를 확장함으로써 항상 원심 컴프레서의 블로우 오프 감소를 허용합니다.
• 솔루션 D는 최대 유량이 시스템 최대 유량 수요의 1/3인 원심식 컴프레서 3대를 고려합니다. 넓은 턴다운 및 부하 공유 제어를 위해 설계되었습니다.
• 솔루션 E는 혼합 기술을 고려하지만, 이 경우 부하 공유 제어 기능이 있는 원심 컴프레서 두 대와 소형(160kW) 가변 속도 스크류 컴프레서 한 대가 있습니다. 이 시나리오에서는 컴프레서가 스케줄러에 의해 제어되지 않습니다. 즉, 소형 가변 속도 스크류 컴프레서는 최대 공기 수요를 감당할 때만 사용됩니다.
• 솔루션 F는 E와 동일한 컴프레서를 사용하지만 이 경우 세 개의 컴프레서가 스케줄러에 의해 제어됩니다. 스케줄러를 사용하면 다양한 관점에서 시스템을 최적화하기 위해 미리 정의된 일정에 따라 각 컴프레서를 작동(예: 로드, 언로드 또는 끄기)할 수 있으며, 이 경우 에너지 소비 관점에서 시스템을 최적화할 수 있습니다.

그림 1의 원래 유량 프로필로 돌아가서, 원심식 컴프레서 1개와 대형 가변 속도 회전 컴프레서 1개를 사용하는 솔루션 A는 시스템에서 요청하는 유량과 정확히 일치할 수 있습니다. 따라서 낭비되는 공기가 없으므로 탁월한 조합입니다. 그럼에도 불구하고 우리가 확인해야 할 것은 에너지 소비 관점에서 가장 효율적인 솔루션인지 여부입니다. 그림 4와 같이 최대 시스템 수요와 동일한 최대 유량을 가진 단일 원심식 컴프레서를 사용하는 것은 낭비되는 공기의 양이 많기 때문에 실행 가능한 솔루션이 아닙니다. 이러한 이유로 이 구성은 앞서 논의한 솔루션에 포함되지 않았습니다.

그림 4: 220m3/min 원심식 컴프레서 한 대만으로 공기 분출 가능

시스템에 여러 대의 원심식 컴프레서가 설치되어 있는 경우 부하 공유 제어 시스템을 설치하면 원심 컴프레서의 블로우 오프 현상을 줄일 수 있습니다. 그림 8과 9는 최대 유량이 시스템 최대 공기 수요의 절반인 두 개의 동일한 컴프레서의 조절 범위 측면에서 부하 공유 제어 시스템이 없는 경우와 있는 경우의 차이를 보여줍니다.

그림 5: 부하 공유 제어가 없는 두 대의 110 m³/min 원심식 컴프레서를 사용한 공기 블로우 오프

그림 6: 부하 공유 제어 기능이 있는 두 대의 110m³/min 원심식 컴프레서를 사용한 공기 블로우 오프

원심식 컴프레서의 자연 조절 범위("턴다운"이라고도 함)를 초과하는 가변 유량 수요의 경우, 시스템에 두 대 이상의 원심식 컴프레서를 사용하는 경우 공기 분출이 감소하므로 최첨단 부하 공유 제어 시스템을 사용하는 것이 항상 유리합니다.

솔루션 B~F에 설명된 각 솔루션은 시스템에서 낭비되는 공기의 양을 달리할 수 있습니다. 솔루션 F(그림 7)와 같이 공기 분출이 최소화되는 경우도 있습니다. 원심식 컴프레서 1개와 대형 가변 속도 스크류 컴프레서 1개를 사용하여 솔루션 A의 제로 블로우 오프에 매우 근접합니다. 그럼에도 불구하고 최고의 시스템을 결정하는 것은 공기 분출을 최소화하는 것이 아니라 에너지 소비를 최소화하는 것입니다.

그림 7: 솔루션 F의 경우 부하 공유 제어 기능을 갖춘 최고 효율을 위해 설계된 두 대의 100m³/min 원심식 컴프레서와 스케줄러가 있는 한 대의 25m3/min(160kW) 가변 속도 스크류 컴프레서를 사용한 공기 블로우 오프입니다

그림 8은 솔루션 A~F에 사용된 각 컴프레서의 8barg 압력에서의 성능을 고려하여 장시간 변동성이 높은 사례 1의 흐름 패턴에 대한 일일 에너지 소비량을 비교한 것입니다. 또한 최고의 솔루션인 솔루션 A와 나머지 5가지 솔루션 간의 상대적 효율성도 보여줍니다. 솔루션 A의 효율은 100을 기준으로 삼습니다.

그림 8: 시스템 비교, 일일 에너지 소비량

솔루션 A가 탁월한 솔루션은 아니지만 부하 공유 기능이 있는 원심식 컴프레서 두 대와 스케줄러가 있는 소형 160kW 가변 속도 스크류 컴프레서 한 대로 구성된 솔루션 F가 에너지 절약 측면에서 가장 좋은 솔루션입니다. 솔루션 F를 사용하면 솔루션 A에 비해 약 3%를 절약할 수 있습니다.

넓은 조절 범위와 부하 공유 제어 기능을 갖춘 두 개의 원심식 컴프레서로 구성된 솔루션 C는 약간의 공기 분출에도 불구하고 효율이 솔루션 A보다 0.3% 낮기 때문에 운영 관점에서 더 바람직한 옵션입니다. 실제로 연간 운영 일수가 300일이고 평균 에너지 비용이 0.10유로/kWh($0.13/kWh)라고 가정하면 솔루션 A를 사용하면 솔루션 C에 비해 연간 1500유로($19,500)만 절약할 수 있지만 이러한 절감액이 이 시스템의 운영상 단점을 정당화하지는 못합니다: 솔루션 A는 예비 부품이 완전히 다른 두 개의 컴프레서를 사용하며 백업 컴프레서가 필요한 경우 한 개만 선택할 수 있어 동일한 작동 효율을 보장하지 못합니다. 두 개의 동일한 원심식 컴프레서를 사용하는 솔루션 C는 이 두 가지 문제를 모두 해결합니다.

그림 9는 사례 1에 따른 공기 흐름 패턴의 경우 6가지 컴프레서 솔루션의 연간 순수 에너지 비용 비교¹를 보여줍니다. 또 다른 중요한 고려 사항은 향후 생산량 변화가 일일 공기 소비량에 영향을 미칠 경우를 대비하여 6가지 솔루션의 동작을 평가하는 것입니다.

그림 9: 사례 1의 연간 에너지 비용 비교.

사례 2~5의 흐름 패턴은 그림 3~6에 표시된 것처럼 다양한 생산 조건에서 다양한 가변 공기 흐름 프로파일을 나타내며, 가장 가변적인 솔루션부터 가장 가변성이 적은 솔루션까지 거의 모든 솔루션을 포괄합니다.

표 1은 사례 1에서 5까지와 같이 가변 흐름 프로필을 가진 솔루션 A와 다른 5가지 솔루션 간의 상대적 효율성을 요약한 것입니다.

표 1: 에너지 효율성 비교: 솔루션 A의 효율성이 참조로 사용되었습니다. 음의 빨간색 또는 주황색 백분율은 시스템이 솔루션 A보다 효율이 낮음을 나타내고 양수 및 녹색 수치는 시스템이 솔루션 A보다 효율이 높음을 나타냅니다. 노란색은 두 시스템이 어느 정도 동일하다는 것을 의미합니다. 마지막 행은 시스템의 효율성(또는 연간 에너지 비용), 유연성 및 운영 용이성, 즉 일반적인 예비 부품과 동등한 효율의 백업 컴프레서를 고려한 6가지 솔루션의 순위를 보여줍니다.

컴프레서 성능을 8barg의 압력, 연간 300일의 작동 일수, 평균 에너지 비용 0.10유로/kWh($0.13/kWh)에서 다시 생각해 보겠습니다. 솔루션 F는 솔루션 A에 비해 운영자가 사례 1에서 연간 15,000유로(19,500달러), 사례 5에서 연간 약 40,000유로(52,000달러)를 절약할 수 있습니다. 솔루션 C는 에너지 비용이 사례 1에서 연간 약 1,500유로(1,950달러)로 약간 높지만 사례 5에서는 솔루션 A에 비해 연간 약 25,000유로(32,500달러)를 절약할 수 있습니다. 5에서는 솔루션 A에 비해 연간 약 25,000유로($32,500)를 절감할 수 있습니다. 사례 1을 평가하면서 어떻게 공기 손실 없이 시스템에서 요구하는 공기 흐름을 정확히 제공할 수 있는 솔루션 A가 솔루션 C와 거의 동일한 효율을 가질 수 있는지 궁금할 수 있습니다. 그림 13과 14에서 그 답을 확인할 수 있습니다.

그림 10은 다양한 원심 모델과 대형 가변 속도 스크류 콤푸레셔²의 8barg에서 비출력을 비교한 것입니다. 설계 지점에서 작동하는 75m³/min 원심식 컴프레서는 500kW 가변 속도 스크류 컴프레서보다 19% 더 효율적이고, 115m³/min 원심식 컴프레서는 700kW 가변 속도 스크류 컴프레서보다 14% 더 효율적이며, 140m³/min 원심식 컴프레서는 900kW 가변 속도 스크류 컴프레서보다 19% 더 효율적입니다.

그림 10: 8barg에서의 특정 패키지 전력 비교

요약하면, 실제 무게나 균형, 시간 비율 또는 다양한 작동 조건에 대한 지식이 있어야만 작업자가 대형 가변 속도 스크류 에어 컴프레서가 시스템에 적합한지 판단할 수 있습니다. 이는 종종 무시되거나 오해되는 중요한 개념입니다. 이 개념을 명확히 하기 위해 다른 실제 사례를 들어 설명하겠습니다.

70m³/min에서 120m³/min에 이르는 다양한 크기의 구형 4barg 원심식 컴프레서 5대를 보유한 고객이 있었습니다. 작년에 고객은 운영 비용을 절감하기 위해 컴프레서 룸을 업데이트하기로 결정했습니다. 고객은 감사를 실시했고 첫 번째 단계는 시스템의 효율성을 개선하는 것이라고 말했습니다. 이를 위해 고객은 원심식 컴프레서 한 대를 500kW 가변 속도 스크류 에어 컴프레서로 교체하기로 결정했습니다.

추가 조사 결과, 제조업체는 오전 8~10시 사이에 다음 날 생산할 유리 종류를 준비하기 위해 생산 라인 하나를 가동 중단해야 한다는 사실을 확인했습니다. 이 두 시간 동안 60m³/min의 공기가 초과되었습니다. 기존 원심식 컴프레서는 분당 20m³만 조절할 수 있었기 때문에 원심식 컴프레서는 분당 40m³의 공기를 불어내고 있었습니다. 이 컴프레서를 500kW 가변 속도 스크류 컴프레서로 교체하면 블로우 오프가 발생하지 않아 시스템 효율을 개선하고 운영 비용을 절감할 수 있었다고 그는 말했습니다.

안타깝게도 이는 잘못되고 오해의 소지가 있는 접근 방식이었습니다. 500kW 가변 속도 스크류 컴프레서가 플랜트 가동 중단 시간 동안 블로우 오프(blow-off)를 방지하는 것은 사실이지만, 고객은 그림 12와 같이 실제 성능 비교를 고려하지 않았습니다. 고객은 새로운 2단 원심식 컴프레서와 원하는 2단 500kW 가변 속도 스크류 컴프레서의 에너지 비용을 비교했어야 합니다.

그림 12: 4barg에서 레귤레이션 범위의 특정 패키지 전력 비교