2015년 11월호  특별기고

  

제조업 시설의 에너지 절감 기술 -에너지 절감을 위한 에어 컴프레서 인버터 제어 기술 ㈜두텍 마케팅팀

 

 

제조업 비율이 특히 높은 우리나라의 산업 구조에서 전기료와 유류비로 대표되는 에너지 비용은 제조 원가 상승의 큰 요인으로 작용할 수밖에 없다. 장기적 관점에서 각종 에너지 비용 상승이 날로 높아질 것으로 예상되면서 업계의 부담 또한 한층 심화될 것으로 보인다. 이처럼 에너지 비용 상승이 범세계적 이슈로 부상함에 따라 산업장비 시장에서도 절전형 장비가 주목을 받고 있다.

제조업 현장에서 가장 많은 에너지를 소비하는 장비를 꼽자면 단연 에어 컴프레서를 들 수 있을 것이다. 에어 컴프레서는 시설 내 주요 에너지원으로 사용되는 압축공기를 생산해 주는 주요 설비로서 공장자동화 시스템에서부터 각종 전동공구에 이르기까지 다양한 부문에 두루 사용된다. 그런 만큼 에어 컴프레서 운용에 소비되는 에너지 비용은 시설 전체 에너지 비용의 약 30% 정도를 차지하는 것이 보통이다. 본문에서는 두텍의 컴프레서 에너지 절감 제어장치를 중심으로 제조업 에너지 비용의 막대한 비율을 차지하는 에어 컴프레서의 에너지 절감 제어에 대해 살펴보고자 한다.

에어 컴프레서 인버터 제어를 통한 에너지 절감

에너지 절감형 에어 컴프레서의 핵심 기술은 인버터를 통한 컴프레서 제어이다. 이제 인버터 제어 기술은 냉장고, 에어컨 등 컴프레서를 사용하는 가전제품에도 속속 도입될 만큼 검증된 절전기술이라 할 수 있다. 인버터 제어는 주파수로 컴프레서 모터의 회전수를 미세 조절함으로써 장비의 운용 효율을 극대화시켜 주는 기술이다. 이러한 이유로 인버터 제어 기술이 적용된 에어 컴프레서는 높은 성능과 에너지 효율로 시점 점유율을 높여 가고 있다.

현재 국내에서 운용되고 있는 대부분의 장비는 인버터가 적용되지 않은 Y-△ 제어(또는 직입기동) 방식의 제품이며, 인버터 제어형 에어 컴프레서의 보급률은 극히 낮은 것이 현실이다. Y-△ 제어의 경우 압축공기 저장탱크 내 공기가 꽉 찬 상태일지라도 컴프레서는 전체 부하 시와 같이 거의100%의 속도로 회전하기 때문에 필연적으로 에너지 낭비가 발생할 수밖에 없는 구조이다.

이는 기술적 한계로 압축공기 수요량과 관계없이 컴프레서 모터가 정속으로만 작동하기 때문이다.하지만 제조업 현장에서 운용되는 대형 산업 장비의 수명은 보통 10년 이상에서 20년을 상회하는 경우도 많다. 그만큼 초기 도입 비용도 비싸며, 장비 전체를 교체 시 시설 중단에 따른 손실 또한 만만치 않을 것이다. 때문에 에너지 효율 문제만으로 기존 사용 중인 장비를 교체한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니다.

두텍에서 개발한 VSD+ 시리즈는 이러한 국내 현실을 반영해 개발된 에어 컴프레서 에너지 절감제어장치다. 기존 장비에 VSD+를 적용할 경우 컴프레서 제어 방식이 인버터 기반의 VSD(Variable Speed Drive, 가변 속도 제어) 방식으로 변환되어 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 속도 제어가불가능하던 기존 컴프레서 모터의 회전수를 압축공기 수요량에 맞춰 실시간 미세 조절함으로써 기동대기를 위한 불필요한 공회전을 없앨 수 있기 때문이다. 기존 장비의 제어부를 인버터 컴프레서에 최적화된 메인 제어장치가 완전히 대체함으로써 인버터 제어형 에어 컴프레서와 같이 효과적인 절전 운전이 가능해지는 것이다.
 

또한 압축공기 수요량에 맞춘 즉각적 운전 대기가 가능해짐에 따라 공기 저장 탱크 및 압축공기라인의 압력 수준을 기존 ±2bar에서 ±0.1bar 수준으로 대폭 낮출 수 있어 추가적인 에너지 절감을 꾀할 수 있다. 통상적으로 압축공기 라인 압력 1bar를 강하하면 5~7%의 전력 비용 절감이 가능하다. 이와 더불어 기존 제어 방식의 경우 첫 기동 시 순간적으로 평상 운전 시의 100배에 달하는 전기를 소모하게 된다. 반면 인버터 제어의 경우 소프트 스타트 및 소프트 스탑 방식으로 작동되어 피크 전력 감소로 시설 전체의 수전설비 용량 절감 효과를 얻을 수 있으며, 주요 구동부의 피로 부하까지 현저히 낮출 수 있다는 부가적 혜택까지 얻을 수 있다.

 

에어 컴프레서의 인버터 제어를 통한 에너지 절감 효과는 적용하는 현장 조건에 따라 달라지게 된다. 공기 수요 패턴이 일정치 않아 부하 운전과 무부하 운전이 빈번히 반복되는 경우 효과가 높다고 할 수 있으며, 유효 절감률 범위 내 5%에서 40% 정도의 절감 효과를 기대할 수 있다.

또한 압축공기 수요량에 맞춘 즉각적 대응 운전이 가능해짐에 따라 공기 저장 탱크 및 압축공기라인의 압력 수준을 기존 ±2bar에서 ±0.1bar 수준으로 대폭 낮출 수 있어 추가적인 에너지 절감을 꾀할 수 있다. 통상적으로 압축공기 라인 압력 1bar를 강하하면 5~7%의 전력 비용 절감이 가능하다. 이와 더불어 기존 제어 방식의 경우 첫 기동 시 순간적으로 평상 운전 시의 100배에 달하는 전기를 소모하게 된다. 반면 인버터 제어의 경우 소프트 스타트 및 소프트 스탑 방식으로 작동되어 피크 전력 감소로 시설 전체의 수전설비 용량 절감 효과를 얻을 수 있으며, 주요 구동부의 피로 부하까지 현저히 낮출 수 있다. 
 

 

에어 컴프레서의 인버터 제어를 통한 에너지 절감 효과는 적용하는 현장 조건에 따라 달라지게 된다. 공기 수요 패턴이 일정치 않아 부하 운전과 무부하 운전이 빈번히 반복되는 경우 효과가 높다고 할 수 있으며, 유효 절감률 범위 내에서 5%에서 40% 정도의 절감 효과를 기대할 수 있다. 

 

 

전문 계측 시스템을 통한 에너지 절감률 예측 

평상시 에어 컴프레서의 운용 효율이 낮을수록 인버터 제어를 통한 에너지 절감 효과를 크게 볼 수 있다. 에어 컴프레서의 운용 효율은 해당 장비의 부하율을 측정함으로써 확인해 볼 수 있으며, 이 작업에는 두텍의 전문 계측 시스템인 에어 컴프레서 부하율 측정기 UX300이 사용된다. 에어 컴프레서 부하율 측정장치 UX300은 장비의 구동 전류를 실시간으로 측정해 장비 운용 중 부하, 무부하 운전 비율이 어느 정도인지 분석해 준다. 장비 운용 패턴은 현장 조건에 따라 다르기 때문에 통상 7일 이상의 기간을 두고 실측을 진행하며, 특별한 변수가 없는 한 인버터 적용 시 에너지 절감률을 ±5% 내외의 오차로 예
 

에어 컴프레서 부하율 측정기 UX300

 

또한 인버터 적용 이후의 에너지 절감률은 범용 전력 분석기를 활용해 객관적 수치로 파악할 수 있다. VSD+의 경우 기존 장비의 제어반을 그대로 살린 상태에서 추가적으로 설치하는 방식을 사용하기 때문에 인버터 제어 시와 기존 제어반 제어시의 전력 사용량을 각각 비교함으로써 실제 전력 절감률을 명확히 분석할 수 있는 것이다.
 

 

인버터 제어를 통한 에너지 절감 효과를 크게 볼 수 있다. 에어 컴프레서의 운용 효율은 해당 장비의 부하율을 측정함으로써 확인해 볼 수 있으며, 이 작업에는 두텍의 전문 계측 시스템인 에어 컴프레서 부하율 측정기 UX300이 사용된다. 에어 컴프레서 부하율 측정장치 UX300은 장비의 구동 전류를 실시간으로 측정해 장비 운용 중 부하, 무부하 운전 비율이 어느 정도인지 분석해 준다. 장비 운용 패턴은 현장 조건에 따라 다르기 때문에 통상 7일 이상의 기간을 두고 실측을 진행하며, 특별한 변수가 없는 한 인버터 적용 시 에너지 절감률을 ±5% 내외의 오차로 예측할 수 있다. 

또한 인버터 적용 이후의 에너지 절감률은 범용 전력 분석기를 활용해 객관적 수치로 파악할 수 있다. VSD+의 경우 기존 장비의 제어반을 그대로 살린 상태에서 추가적으로 설치하는 방식을 사용하기 때문에 인버터 제어 시와 기존 제어반 제어 시의 전력 사용량을 각각 비교함으로써 실제 전력 절감률을 명확히 분석할 수 있는 것이다.

 

 

다양한 모델에 적용 가능한 범용성과 안정성

VSD+의 인버터 제어 시스템은 현장에서 운용 중인 대부분의 장비와 무리 없이 호환되며, 에어 컴프레서 용량에 따라 최소 30hp에서 최대 350hp까지 대응 가능하다. 메인 전원부 및 온도, 압력 센서 등을 제외한 모든 제어 관련 장치가 일체형 캐비닛 내에 집적된 구조를 취하고 있어 간단한 결선만으로 기존 장비에 신속히 장착할 수 있다. 또한 압력 제어가 가능한 팬, 펌프, 블로워 등의 각종 토크 부하 장치에도 적용 가능해 활용 범위가 광범위하다.

에어 컴프레서는 현장 내 각종 장비를 구동시키는 압축공기를 생산해 주는 만큼 어느 장비보다 안정적으로 운용되어야 한다. VSD+는 적용 장비의 안정성을 높이기 위해 인버터 고장 등 유사시 외장으로 장착된 인버터 제어장치를 끄고 기존 장비의 제어장치를 원복시킬 수 있도록 바이패스(by-pass) 운전 기능을 갖추고 있다. 이와 더불어 메인 제어장치 내에 하드웨어 왓치독(watchdog)기능을 탑재해 노이즈 발생 등의 이유로 제어장치가 재부팅되었을 때 신속하게 이전 동작으로 돌아갈 수 있다. 이러한 안전장치를 통해 제조 설비의 갑작스런 정지로 인한 손실을 사전에 방지할 수 있는 것이다.

 

 

산업 부문의 에너지 절감은 필수적 선택

앞서 언급했듯 범세계적으로 에너지 절감에 대한 이슈가 날로 커지고 있다. 한정된 자원을 사용하고 있는 현실에서 에너지 비용 또한 지속적으로 높아질 수밖에 없기 때문이다. 특히, 우리나라의 제조업 부가가치 생산 비중은 OECD 25개국 중 1위로 에너지 소비가 매우 높은 산업 구조를 취하고 있다. 이러한 상황을 고려해 볼 때 에너지 비용 절감에 힘을 기울이지 않는다는 것은 직면한 현실을 외면하는 판단이라 할 수 있을 것이다. 제조업체에서 에너지 비용 절감을 실현한다는 것은 비단 개별 기업의 제조 원가 합리화뿐만 아니라 국내 기업의 국제 경쟁력 강화라는 측면에서도 큰 의미가 있음을 주지해야 할 시점이다.