사업장 배출시설별 적용가능한 온실가스 감축 기술

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사업장 배출시설별 적용가능한 온실가스 감축 기술

글 / 홍성호(경기도환경보전협회 연구소장)

감축기술 5. 건조로 보온강화

가. 현황 및 문제점 (중소기업 적용사례 예시)

건조로 상부의 연결부위와 모서리부분에서 단열이 부족하여 방열이 되고 있으며, 앞쪽부위는 약 100℃, 모서리부위는 약 60℃ 정도로 나타나고 있다.

건조로 측면은 모터주위에서 최고 약 70℃이며, 붉은색 주위는 50~60℃, 파란색 주위는 40~50℃ 정도 를 나타내고 있다.

<건조기 방열 분포도>

상부 측면

나. 개선대책

건조기 보수시에 전체적으로 보온은 기기의 상태점검 및 운전현황 파악에 어려움이 예상되나 발열상태의 붉은색 부분은 단열을 강화하여 가스사용량을 줄이도록 한다.

감축기술 6.

수전역률 개선

역률 저하시에는 한전기본요금 추가부담, 변압기나 전력간선의 전력손실증가, 변압기 용량감소 등의 문제점 본 문서는 사업장 배출시설별로 적용가능한 온실가스 감축기술에 관한 내용으로 ‘온실가스 감축기술 1~4’는

<esco>지 81호에서 확인할 수 있다.

글 / 홍성호 (경기도환경보전협회 연구소장) ESCO Issue

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직하다.

또한, 말단 동력부하에 역률개선용 콘덴서를 부착할 경우 부하의 투입 및 차단에 따라 콘덴서도 같이 on/

off가 이루어지도록 개폐기 2차측에 설치하는 것이 바람직하다.

따라서 역률개선 대책은 부하별로 개폐기 2차측에 콘덴서를 분산 설치하여 선로 및 변압기 동손실을 절감 한다. 분산 관리에도 적정 역률이 95(%)미만 시 변압기 2차측에 추가로 콘덴서를 부착하여 집중관리를 병 행하도록 한다. 일반적인 역률보상용 콘덴서의 관리는 다음과 같다.

- 각종 전동기 및 변동부하는 개폐기 2차측에 측정역률에 적합한 콘덴서용량을 기기별로 개별 설치한다. 이 방 법의 장점은 전력부하가 정지하게 되면 콘덴서도 동시에 차단되어 콘덴서 과보상에 의한 진상역률을 방지할 수 있다.

- 부하별 콘덴서 설치와 미설치의 혼용으로 배전변압기 2차측(저압측)의 역률이 목표 역률에 미달될 경우 변압기 2차측에 목표 역률에 근접할 수 있는 용량의 저압콘덴서군을 추가로 집중 설치 관리하거나 자동역률 보상장치 를 이용한다.

- 수전단의 최종역률을 점검하여 목표역률 이상 유지를 위해 부족한 콘덴서 용량을 수전변압기 2차측에 추가 설 치하거나 자동역률 보상장치를 이용한다.

위와 같이 역률을 부하측을 중심으로 분산 관리하면 다음과 같은 장점이 있다.

- 배전선로 및 변압기의 동손실 감소 - 변압기 부하율 감소로 변압기 여유율 향상

- 콘덴서의 설치 수량 증대로 설비비는 크나 기타 부대비용이 거의 없고 보수율이 낮아 유지관리비가 감소함.

• 콘덴서회로의 구성

일반적으로 콘덴서회로의 구성은 진상용 콘덴서, 개폐기 조작반, 방전장치 및 직렬리엑터로 되어있다.

- 방전코일(Discharging Coil; DC)

콘덴서를 회로로부터 개방하였을 때 전하가 잔류함으로써 일어나는 위험의 방지와 재투입할 때 콘덴서에 걸리 는 과전압의 방지를 위해서 방전코일이 사용된다. 콘덴서 용량에 대하여 고압의 경우 5초 이내로 50V 이하로 방 전시킬 수 있는 성능을 갖추어야 한다.

- 직렬리엑터(Serise Reactor; SR)

역률개선용으로 콘덴서를 사용하면 회로의 전압이나 전류파형의 왜곡을 확대하는 수가 있고 때로는 기본 파 이상의 고조파를 발생하는 수가 있다. 이러한 고조파의 발생으로 야기되는 문제점을 보완하기 위하여 콘 덴서용 직렬리엑터를 설치 운용한다.

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고조파전압은 변압기의 이상 소음을 증대시키고, 콘덴서회로에 이상 전류를 발생시켜 콘덴서의 운전에 지장 을 주기도 하고 고조파 전류에 의한 계기전류의 오동작을 일으키게 하는 수도 있다. 일반적으로 3상 회로에 포함돼 있는 고조파 차수는 제5고조파가 가장 많고 다음이 제7고조파, 제9고조파로 나타났다. 제5고조파 를 제거하기 위해서는 직렬리엑터의 인덕턴스를 L, 콘덴서의 커패시턴스를 C라고 하면

5ωL＞5ωC

1 ωL＞ =

5²ωC 1 0.04

ωC 1

즉 콘덴서 리엑턴스의 4%이상 되는 직렬리엑턴스가 필요하게 된다.

실제로는 주파수의 변동이나 경제적인 면에서 6%를 표준으로 하고 있다. 단 제3고조파가 존재할 때는 13%

가량의 직렬리엑터를 넣는 수도 있다.

전력부하의 역률개선에 필요한 용량[Q(kVAR)] 산정은 아래의 식을 이용한다.

2

Q(kVAR)= 측정전력(kW)×

( ) ( ) ( ) ( )

1- 1-

현재역률(%) - 100

목표역률(%) 100 현재역률(%)²

100

목표역률(%) 100

• 변압기 부하율 감소로 변압기 여유율 향상

※ 여유율 =

P2 QCOSф1

P2 - P1 Q(COSф2-COSф1)

×100 = ×100

• 배전선 손실경감

¹⁰⁰⁰_S

선로손실(PL) = 3×I²×R×L(W)

= 3×부하전력²(A)×선로저항(ρ ) (Ω/m)×선로길이(m)(W) 단, ρ: 고유저항(Ω∙ m)

S : 단면적(mm²) - 절감율(h) =

( )^{1 -}( )개선시 목표^{현재의역률}역률 ² ^×100 - 절감량 = PL × h

산정식: 현재 전력부하의 역률개선의 필요한 콘덴서 용량(Q)산정은 아래의 식을 이용한다.

Q(kVAR)=P(kW)×

( )

( ) ( )^1-cos^cosθ⁰²^θ⁰ ^- ^1-cos^cosθ¹²^θ¹ ^(kVA)

단, P = 부하전력(kW)

cosθ0 = 개선 전 역률 cosθ1 = 개선 전 역률 ESCO Issue

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실내에 설치되어 실내공기를 흡입하여 압축공기를 생산하는 경우가 많음.

실내공기는 압축기에서 발생되는 냉각열 및 공정에서 발생하는 열이 실내에 방출되어 공기압축기실의 온도 가 상승하고 있으며, 공기압축기의 흡입구는 닥터를 설치하지 않아 실내의 고온을 흡입하여 실내온도는 외 기온도보다 높은 공기를 흡입하고 있다.

공기압축기는 설치장소의 조건에 따라 운전효율의 향상 및 기계적 수명의 연장을 기할 수 있으며 특히 흡입 온도가 높게 되면 효율이 저하되고 압축 장애가 발생될 우려가 있다.

동일 중량의 공기를 흡입하여 압축 시 흡입온도가 높을수록 그 체적이 증가하여 적은 실공기량의 흡입으로 소비전력의 증대가 수반된다. 공기는 온도가 상승하면 팽창하고 온도가 떨어지면 수축한다. 압축기 1회전 당 흡입 할 수 있는 공기의 양은 일정하기 때문에 흡입공기의 온도가 상승하여 공기가 팽창된 상태로 흡입되면 팽창된 만큼의 유량 저하가 발생한다.

산술적으로 압축기의 흡입온도가 10도 상승할 때마다 압축기의 유량은 대략 3%씩 감소한다. 이는 온도에 따른 흡입공기의 팽창에 의한 것으로 압축기의 좋고 나쁨과는 무관한 물리학적인 현상이다. 그러므로 압축 기로 흡입되는 공기는 가능한 한 온도가 낮고 깨끗한 공기가 흡입될 수 있도록 하는 것이 중요하다. 조금만 유의한다면 똑같은 비용을 들여서 더 많은 압축공기를 생산 할 수 있다.

다음은 공기압축기의 흡입온도와 소비전력의 관계를 나타낸 그래프인데 흡입온도를 10℃ 낮출 때 약 3%의 절감 효과가 있음을 알 수 있다.

< 절감률 계산식 >

ε = (1 - T 1

T ² ) × 100 여기서

ε : 절전율(%)

T ₁ : 온도저하 전 흡입공기 절대온도(℃) T ₂ : 온도저하 후 흡입공기 절대온도(℃)

흡입온도를 저하시키는 방법으로는 아래와 같이 많은 방법이 있다.

① 외부공기 흡입 ③ 전기 냉동기 이용으로 냉각 ② 냉각수로 냉각 ④ 흡수식 냉동기 이용으로 냉각

또한, 실내공기를 흡입할 경우에도, 공기 압축기 및 드라이어와 같은 압축공기 시스템은 많은 양의 열을 발 생시키기 때문에, 적절한 환기장치를 설치해 주어야 한다. 본 보고서에서는 압축기 흡입공기를 외부공기를 흡입하여 흡입온도 저하방법을 검토하기로 한다.

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<외기도입 개선도>

절감률 산출 (△t : 12℃, 실내 예상평균온도:25℃, 실외 예상평균온도: 11℃로 가정) ε = (1 - T ¹

T 2

) × 100 = (1 -

273 +25 273 +11 ) × 100 = 4.7 (%)

여기서 ε : 절전율(%)

T1 : 개선 전 년평균 흡입공기 절대온도(0K) T2 : 개선 후 년평균 흡입공기 절대온도(0K)

감축기술 8. 형광등에 고조도 반사갓 채용

가. 현황

고조도 반사갓이 채용되어 있지 않은 형광등이 대부분으로 기존 반사갓은 백색에너멜 등으로 도장되어 있 어 단시간내 변질, 변색되기 때문에 반사율이 급격히 떨어져 에너지를 낭비요인이 되고 있다.

관리자의 에너지절약에 깊은 관심으로 작업자가 없는 곳은 소등을 시켜도 누군가가 다시 켜놓아 에너지관 리에 어려움이 많다.

나. 개선방안

고조도 반사갓이 적용되어 있지 않은 32W 형광등기구 고조도 반사갓을 채용함으로서 광효율을 개선시켜 조도를 향상시킨다. 이는 격등 및 1등만 사용함으로서 발생할 수 있는 조도하락을 개선하여 작업환경을 보 다 쾌적하게 유지 할 수 있음

ESCO Issue

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공기압축기에는 깨끗한 공기의 흡입을 위해(Filter)를 설치하며 이 여과기의 엘레멘트를 통하여 미세한 먼지 가 제거되어 맑은 상태로 실린더 내부로 흡입된다. 흡입 여과기가 막히게 되면 흡입이 불량하게 되어 압축효 율이 불량해지고 여과 불량으로 실린더에 장애가 발생할 수 있으므로 엘레멘트를 자주 청소해 주어야 한다.

통상적으로 500시간 정도 운전후 청소를 하며 먼지가 많은 장소에는 200시간 정도 운전후 청소를 하여야 한다. 청소방법은 압축공기로 엘레멘트 내부에서 불어주며 오염 상태가 다소 심한 경우에는 물로 세척 후 공 기로 불어준다. 수세인 경우에는 5회까지 가능하며 이 이상 초과한 경우나 오염이 심하여 청소 효과를 기대 하기 어려운 경우에는 신품으로 개체해야 한다. 그림은 소비전력과 흡입압력과의 관계를 나타낸 것을 흡입 압력이 높아질수록 소비동력도 상승됨을 알 수 있다.

<소비전력과 흡입압력 단계 그래프>

Unloading 공기압축기 소비전력을 최소화 할 수 있는 운전방법은 압축공기 배관등을 점검하여 압축공기가 누설되지 않도록 점검하여 조치하는 것이 필요하다.

흡입압력 저하에 따른 전력절감율의 산출방법 <계산식>

^P¹¹ P 1

(α+1)k

P ²

P 2 K-1

ε = 1 - K-1 × 100 - 1

{

⁽⁽ ⁾⁾ - 1

}

여기에서

ε : 전력절감율(%)

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P₁ : 개선전 흡입공기의 절대압력(kg/㎡․a→10⁴kg/㎠․a) P¹₁ : 개선후 흡입공기의 절대압력(kg/㎡․a→10⁴kg/㎠․a) P₂ : 토출공기의 절대압력(kg/㎡․a→10⁴kg/㎠․a) a : 중간냉각기의 수(이론단열 공기압출 a=0) k : 공기의 단열지수(1.4)

공기압축기 계통의 효율적 운전방안

최근 공기압축기는 여러 가지 용도에 이용되고 있으며, 특히 산업체에서 널리 보급되고 있다. 산업체에서는 각종 제어개통의 작동유체로서 또 프로세스에 직접 사용하기도 한다. 이와 같이 널리 사용되고 있는 공기압 축기의 효율적인 운전은 산업체의 원가절감의 한 방편으로서 또는 에너지의 생산에 따른 공해배출물의 감 소방안으로서 필할 수 없는 선택수단이 되고 있다.

1. 압축기의 구별

수기압 이하의 저압공기를 다량으로 요구하는 경우에는 회전식의 송풍기가 채용되고 그 이상의 압력이 필 요할 경우에는 회전식 또는 왕복식 압축기가 사용된다.

수주 1m(1/10at) 이하의 압력을 일으키는 것을 송풍기, 같은 정도의 진공압력을 만드는 것을 추기기라하며, 그 어느 것이나 1단 압축이다. 압력이 2~3at에 달하는 것을 터보 송풍기라 하고, 날개바퀴(익근차) 2~3을 갖는 2~3단 압축이지만 가스는 도중에서 냉각되지 않는다. 압력이 3~7at에 달하는 것은 이것을 터보 압축 기라고 하며, 날개바퀴를 다수 갖추고 10수잔 압축하여 3~4단 압축할 때마다 가스는 중간 냉각기에 의해서 냉각된다. 왕복식 압축기는 압력이 비교적 높아 소용량이 적은 경우에 채용된다. 1단 압축으로 7at, 그 이상 의 압력에 대해서는 2~3단, 1000at 정도가 되면 6~7단 압축이 된다.

2. 왕복 압축기의 형식

가. 실린더의 배열 및 조합에 의한 경우 횡형, 입형, L형, V형 또는 W형, 병렬형, 대향형 나. 압축방법에 의한 경우

단동형 : 피스톤의 한쪽만으로 인해서 압축이 이루어지는 것 복동형 : 피스톤의 양쪽으로 압축이 이루어지는 것 다. 압축단수에 의한 경우

1단, 2단, 다단형으로 구분 라. 설치방법에 의한 경우

고정식, 반가반식, 가반식 마. 취급 가스의 종류에 의한 경우

공기, 수소, 질소, 산소 등 ESCO Issue

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안 된다. 때문에 터보압축기는 증기 터빈이나 전동기에 직결하여 운전되고, 원동기도 소형이 되며 설치 면적 도 적고 공사비도 싸진다. 반면 왕복압축기는 기기(汽機)나 내연기(內燃機와) 같은 저속기에 직결시키거나 또는 고속도 원동기로부터 감속 장치를 거쳐서 운전되지 않으면 안 되기 때문에 원동기, 압축기가 다 같이 커져서 큰 축세륜차를 필요로 하고 설치면적도 크게 되며, 왕복운동부의 타력에 의해서 진동이 일어나므로 강한 기초가 필요하게 되고 비용이 많이 든다. 터보압축기는 연속적으로 균일한 압축가스를 송출하기 때문 에 로(爐) 그 외에 송풍하는데 적당하며 압축가스의 저장 탱크가 불필요하다. 또 왕복압축기에 일어나기 쉬 운 가스변의 누설에 의한 효율의 저하가 없다. 터보압축기는 운전 중 윤활을 필요로 하는 것은 외부의 축받 이 뿐이지만 왕복압축기는 실린더 내부에 급유하여 피스톤 운동을 원활하게 하지 않으면 안 된다. 터보압 축기의 하나의 결점은 하나의 날개바퀴로 가스류에 주는 압력이 그다지 높지 않다는 것이며, 1단 압축시 토 출압력을 흡입압력의 1.2배 이상으로 하는 것이 입압력과 토출압력의 비는 6.2 이상으로 되지 않는다. 그림 은 각종 압축기가 사용되는 범위를 면적으로 표시한 것으로서 횡축에 흡입량 종축에 속도를 취하고 있다.

<압축기 적용범위를 나타내는 면적>

4. 압축기 송풍기의 구분

용적형(容積形) : 왕복(往復)식, 회전(回傳)식 회전형(回傳形) : 원심(遠心)식, 축류식

왕복식은 크랭크 기구에 의해서 실린더 내에서 왕복하는 피스톤으로 인하여 가스를 압축하는 것, 회전식은 케이싱 내에 1개 또는 수개의 특수 피스톤을 장치하고 이것을 회전시킬 때에 케이싱과 피스톤사이의 면적이 감소되어 가스를 압축하는 것, 원심식은 케이싱 내에 들어 있는 날개바퀴의 회전에 의하여 가스가 원심력으 로 인하여 날개바퀴의 중심부로부터 흡입되어 외부로 토출되는데 이 때 속도 및 압력이 높아지는 것, 축류 식은 익형단면을 갖는 날개를 “보스”에 반경 방향으로 설치하고 이것을 회전시키면 가스가 축방향으로 유동 해서 속도 및 압력이 상승하는 것이다. 이러한 것을 작동압력에 의하여 분류하면 다음과 같다.

a) 송풍기 : 풍압 0~500mmAq로써 가스의 압축성, 온도변화를 고려하지 않아도 되는 것.

b) 브로와 : 풍압 500~1.0kg/㎠ 정도로써 가스의 압축을 할 때 냉각을 고려하지 않아도 되는 것.

c) 압축기 : 압력 1.0kg/㎠ 이상으로 가스의 압축에 의해서 온도가 상승하기 때문에 냉각을 고려할 필요가 있는 것.

d) 진공펌프 : 대기압보다 낮은 압력에서 대기압으로 압축하여 진공을 얻는 것을 목적으로 하는 것.

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5. 압축기의 성능측정 방법

가. 압축기의 시험장치와 측정 장치의 배열

- 흡입 압력계를 설치 측정한다(Ps kg/㎡a) - 토출 압력계를 설치 측정한다(Pd kg/㎡a)

- 전력계를 설치하여 소비전력을 측정한다(Lo kW) - 구동기기(모터 등)의 효율을 파악한다(시험성적서 등) - 압축공기량을 측정 : 오리피스 또는 노즐의 직전, 직후의 압력을 측정한다.

나. 압축기의 단열 효율계산

nad =

압축기의 구동동력(Ls) ×100 압축기의 구동동력(Lad)

단 Ls=Lo×구동기 효율 다. 이론단열 공기동력 계산

여기서 Ps : 흡입공기의 절대압력(kg/㎡a)

6. 압축기의 최적관리 가. 압축기의 설치환경

공기압축기는 설치 장소의 조건에 따라 운전효율 향상과 기계적 수명을 연장할 수 있다. 설치환경이 적당 한 장소로는

1) 바닥이 평평하고 수평일 것

2) 기초 진동이 심한 장소에는 방진메트를 깔아줄 것 3) 습기 먼지가 적고 통풍이 잘된 곳일 것

4) 점검 및 보수가 용이하도록 벽면과 최소한 30cm이상 띄울 것 5) 빗물이나 유해가스가 침입하자 않는 장소

6) 실내온도가 높게 되면 압축기의 효율이 저하하고, 압축에 장애가 발생할 우려가 있으므로 반드시 환풍기를 설치하 는 것이 좋다.

7) 압축기의 설치위치는 압축공기 사용 장소에서 가장 가까운 곳으로 배관 손실을 줄일 수 있는 곳이어야 한다.

나. 압축기의 설치환경

공기압축기에 흡입되는 공기는 온도가 낮을수록 전력절감 효과가 있다.

소비전력과 흡입온도와의 관계를 나타낸 그래프로서 흡입온도가 낮을수록 소비동력도 저하됨을 알 수 있으 며 이를 위해 흡입구를 실외로 빼내는 것이 좋다. 이 경우 빗물 등에 의해 장애가 없도록 유의해야 하며 또 한 충분한 굵기의 유도관을 서리하여 흡입압력이 낮아지지 않도록 주의를 해야 한다.

<소비 전력과 흡입온도 관계>

Lad = K-1^(a+1)k 6,120^PsQs {^{( )}Ps^Pd ^(a+1)k^(K-1) - 1}kW ESCO Issue

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여기서 ε : 전력절감율(%) T₁: 개선전 흡입공기온도(°K) T₂: 개선후 흡입공기온도(°K)

흡입압력 저하에 따른 전력절감율의 산출방법

여기에서 ε : 전력절감율(%)

P₁ : 개선전 흡입공기의 절대압력(kg/㎡·a→10⁴kg/㎠·a) P′₁: 개선후 흡입공기의 절대압력(kg/㎡·a→10⁴kg/㎠·a) P₂ : 토출공기의 절대압력(kg/㎡·a→10⁴kg/㎠·a) a : 중간냉각기의 수(이론단열 공기압출 a=0) k : 공기의 단열지수(1.4)

<계산예>

흡입압력-500mmAq일 때 이를 계산하여 -100mmAq로 하였다면 개략적인 전력절감율은? (단, 1단 압축일 경우이며 토 출압력 4kg/㎠·g)

라. 토출압력관리

공기의 압력은 압축공기 상용기기의 필요 압력에 따라 결정되나 높은 압력으로의 압축은 전동기의 소요 동력이 더 필요하므로 가능하면 낮추어 사용하는 것이 좋다.

✽ ‘사업장 배출시설별 적용가능한 온실가스 감축 기술’은 다음호에 계속 연재될 예정입니다.

- 1 - 1

(K-1) (a+1)k (K-1) (a+1)k

<계산식> ε = ×100 P1

P'1

(

[{

( )

)

]}

P2

5

0.4- 1 1.4 0.4- 1 1.4

ε = ×100 = 3.10(%)

0.95 0.99

(

[{

( )

)

]}

5