산업 현장에서 널리 사용되는 에너지원인 압축공기는 산업 생산 총 에너지 소비량의 10~35%를 차지합니다. 압축공기 시스템 에너지 소비량의 96%는 산업용 압축기의 전력 소비이며, 중국의 연간 산업용 압축기 전력 소비량은 국가 총 전력 소비량의 6% 이상을 차지합니다. 압축기 운영 비용은 구매 비용, 유지 보수 비용, 에너지 운영 비용으로 구성되며, 전 생애 주기 평가 이론에 따르면 구매 비용은 약 10%에 불과한 반면 에너지 비용은 77%에 달합니다. 이는 중국이 산업 및 경제 구조 조정을 추진하는 동시에 압축공기 시스템의 에너지 이용 효율을 적극적으로 개선해야 함을 보여줍니다.
압축 공기에 대한 이해가 깊어지고 기업의 에너지 절약 및 배출가스 저감 요구가 증가함에 따라, 기존 시스템을 에너지 절약형으로 전환하여 최상의 에너지 절약 효과를 달성하기 위해서는 적절한 기술을 선택하는 것이 시급합니다. 지난 2년간 중국 산업 기업에 대한 연구 결과에 따르면 에너지 절약형 개조에 대한 수요는 주로 다음 세 가지 측면에서 발생합니다.
공기 압축기의 에너지 소비는 기업 전력 소비에서 지나치게 높은 비중을 차지하며, 압축 공기 시스템의 공급 불안정, 압력 변동 등은 장비의 정상적인 작동에 영향을 미칩니다. 생산 규모가 확대됨에 따라 기업들은 기존 압축 공기 시스템을 수요 증가에 맞춰 최적화하고 전환해야 합니다. 기업 압축 공기 시스템의 특성과 적용 가능한 에너지 절약 기술이 각기 다르기 때문에, 전환 성공률을 높이기 위해서는 무분별한 에너지 절약 전환은 지양해야 합니다. 특히, 전체 시스템에 대한 종합적인 분석, 시험 및 평가를 바탕으로 적절한 에너지 절약 방안을 선택하는 것이 중요합니다. 본 연구에서는 다수의 산업 기업에서 사용되는 압축 공기 시스템을 조사하여 기존 및 신흥 에너지 절약 기술의 특성과 적용 범위를 분석하고 탐구했습니다.
시스템 에너지 절약 전략
공압 시스템 에너지 소비 평가 및 에너지 손실 분석 이론을 바탕으로 시스템 구성의 다양한 측면에서 출발하여 다음과 같은 종합적인 에너지 절약 조치를 취한다.
압축 공기 생성. 다양한 유형의 압축기의 적절한 구성 및 유지 관리, 작동 모드 최적화, 공기 정화 장비의 일상 관리. 압축 공기 수송. 배관망 구성 최적화, 고압 및 저압 공급 배관 분리; 공기 소비량 분배의 실시간 모니터링, 일일 점검 및 누출 최소화, 연결부 압력 손실 개선. 압축 공기 사용. 실린더 구동 회로 개선, 전해 알루미늄 산업용 실린더 성형에 사용되는 특수 공기 절약 밸브, 에너지 절약형 에어건 및 노즐 등 해당 산업을 위해 개발된 에너지 절약 제품 사용. 압축기 폐열 회수. 공기 압축 과정에서 발생하는 열을 열교환 등을 통해 회수하여 보조 난방 및 공정 가열 등에 활용.
압축 공기 생성
1. 에너지 절약형 단일 공기 압축기
현재 산업 현장에서 가장 널리 사용되는 공기 압축기는 왕복동식, 원심식, 스크류식으로 크게 구분됩니다. 왕복동식은 일부 오래된 기업에서 여전히 많이 사용되고 있으며, 원심식은 안정적인 작동과 높은 효율로 섬유 기업에서 널리 사용되고 있지만, 시스템 압력이 급격하게 변할 때 서지 현상이 발생하기 쉽습니다. 주요 에너지 절약 방안으로는 유입 공기의 청정도를 확보하는 것, 특히 섬유 기업에서는 공기 중의 단섬유를 제거하기 위해 굵은 여과를 철저히 하는 것이 중요합니다. 또한, 공기 압축기 입구 온도를 낮춰 효율을 향상시킬 수 있습니다. 윤활유는 원심분리기 로터의 진동에 큰 영향을 미치므로, 소포제와 산화안정제가 함유된 윤활유를 사용하는 것이 좋습니다. 냉각수 수질 관리에도 신경 써야 하며, 냉각수 배출량을 적절히 조절하고 계획적으로 물을 보충해야 합니다. 공기 압축기, 건조기, 저장탱크 및 배관망의 응축수 배출구는 정기적으로 배수해야 합니다. 공기 수요의 급격한 변화 등으로 인한 소음 발생을 방지하기 위해, 장비에서 설정한 비례 범위와 적분 시간을 적절히 조절하고 공기 소비량의 급격한 감소를 피해야 합니다. 에너지 절약 효과가 뛰어난 3단 원심분리기를 선택하고, 고압 모터를 사용하여 배관 손실을 줄이고 공기압 스테이션의 온도 상승을 최소화해야 합니다.
스크류 공기 압축기는 널리 사용되고 있으며, 다음은 스크류 공기 압축기 제어 방식 비교 요약입니다. 현재 공기 압축기의 부하/배출 및 정압 조절 문제를 분석한 결과, 흡입 밸브를 기계적으로 조절하는 방식은 공기 공급량을 빠르고 지속적으로 조절하기 어렵다는 결론을 내릴 수 있습니다. 가스량이 지속적으로 변할 경우 공급 압력이 크게 변동하는 것이 불가피합니다. 순수 주파수 제어 방식은 주파수 변환기를 추가하여 공장의 공기 소비량 변동에 맞춰 공기 압축기의 공기 생산량을 조절합니다. 하지만 이 방식은 공장의 공기 소비량 변동이 크지 않은 상황(단일 기계 공기 생산량의 40%~70% 변동 범위 내)에 적합하며, 이때 에너지 절약 효과가 가장 큽니다.
2. 공기 압축기 그룹 전문가 제어 시스템
공기 압축기 그룹 전문 제어 시스템은 공기 압축기 그룹 제어 및 에너지 절약의 새로운 기술로 자리 잡았습니다. 이 제어 시스템은 압력 요구량 변화에 따라 각 공기 압축기의 시동 및 정지, 부하 및 부하 해제 등을 정밀하게 제어하여 시스템이 항상 적정 수량과 용량의 압축기를 가동하도록 합니다.
가정용 제어 시스템은 주파수 변환기를 통해 공장 저압 가스 공급 시스템 내 단일 공기 압축기의 속도를 변경하여 공기 압축기 장치의 가스 생산 시간을 제어함으로써 공장 저압 가스 공급 시스템의 가스량 변동을 최소화합니다. 일반적으로 어떤 공기 압축기 주파수 변환 방식을 선택할지는 전문 시스템 업체에서 종합적인 테스트와 계산을 거쳐 결정해야 합니다. 위의 분석 및 비교를 통해 우리 압축 공기 시스템의 에너지 효율이 개선될 여지가 많다는 것을 알 수 있습니다. 압축기 주파수 변환은 기업 자체 압축 공기 시스템의 운영 방식과 결합될 때만 에너지 절약 효과를 발휘하며, 사용 전에 전문가의 철저한 테스트와 평가가 필요합니다. 공기 압축기 그룹 전문 제어 시스템은 특히 여러 대의 공기 압축기가 동시에 가동되는 경우에 적합하며, 단계별 조합 구성을 통해 기업의 요구 사항을 효과적으로 충족할 수 있습니다.
3. 압축 공기 건조 공정 개선
현재 기업에서 가장 일반적으로 사용되는 압축 공기 건조 및 처리 장비는 냉각식, 무열 재생식, 미세 열 재생 복합식이며, 주요 성능 비교는 아래 표에 나와 있습니다.
에너지 절약형 방어선 전환은 다음 원칙을 따릅니다. 기존 공기 처리 시스템의 순도가 너무 높으면 그에 맞는 낮은 순도의 처리 시스템으로 변경합니다. 건조 공정을 개선하고 건조 처리 단계의 압력 손실(일부 시스템의 건조기에서 최대 0.05~0.1MPa의 압력 손실 발생)을 줄여 에너지 소비를 절감합니다.
압축 공기 운송
1. 배관 시스템의 압력 손실은 작동 압력의 1.5%를 초과해서는 안 됩니다. 현재 많은 공기압력 스테이션은 1차 및 2차 배관이 없고, 불필요한 엘보와 벤드가 너무 많으며, 압력 맥동이 잦고 압력 손실이 심각합니다. 일부 공기압력 배관은 트렌치에 매설되어 누출 여부를 감시할 수 없습니다. 어떤 경우에도 시스템 압력 요구량을 충족하기 위해 운영 관리자는 전체 시스템의 작동 압력을 0.1~0.2MPa씩 높여 인위적인 압력 손실을 발생시킵니다. 공기 압축기 배기 압력이 0.1MPa 증가할 때마다 공기 압축기의 전력 소비량은 7~10% 증가합니다. 동시에 시스템 압력 증가는 공기 누출을 증가시킵니다. 에너지 절약 개선 조치: 분기 배치 방식의 배관을 루프 배치 방식으로 변경하고, 고압 및 저압 공기 공급을 분리하며, 고압 및 저압 정밀 오버플로우 장치를 설치합니다. 에너지 절약형 개보수 공사 시 국부 저항이 큰 배관을 교체하여 배관 저항을 줄이고, 산세척, 녹 제거 등을 통해 배관 내벽을 청소하여 배관 벽면이 매끄럽도록 해야 합니다.
2. 누출, 누출 감지 및 차단
대부분의 공장 가스 누출은 심각한 수준이며, 누출량은 20~35%에 달합니다. 누출은 주로 밸브, 연결부, 밸브 연결관, 솔레노이드 밸브, 나사 연결부, 그리고 각 가스 사용 장비의 실린더 전면 덮개 등에서 발생합니다. 일부 장비는 과압 상태에서 작동하며, 자동으로 압력이 해제되고 가스가 자주 배출됩니다. 누출로 인한 피해는 상상을 초월합니다. 예를 들어, 자동차 스폿 용접 작업장의 가스 배관에 직경 1mm의 작은 구멍이 생겨 용접 슬래그가 쌓이면 연간 최대 355kWh의 전력 손실이 발생하는데, 이는 3인 가구 두 가구의 연간 전기 사용량과 거의 맞먹는 수준입니다. 에너지 절약 방안으로는 주요 발전 작업장의 가스 공급 배관에 유량 측정 관리 시스템을 설치하여 공정 사용량을 제한하고, 공정 가스 소비량을 조정하며, 밸브와 연결부의 수를 최소화하고 누출 지점을 줄이는 것, 그리고 관리를 강화하고 전문 장비를 사용하여 정기적으로 점검하는 것이 있습니다. 요컨대, 기업은 병렬 접속식 지능형 가스 누출 탐지기, 누출 지점 스캐닝 건 등의 전문 테스트 장비를 사용하여 압축 공기 시스템의 오작동, 위험, 누출 및 누출을 방지하는 조치를 취하고, 이에 따라 유지 보수 작업 및 부품 교체 작업을 수행할 수 있습니다.
압축 공기 사용
에어건은 제조 마무리 공정, 기계 가공 및 기타 공정 현장에서 널리 사용되며, 일부 산업 현장에서는 전체 공기 공급량의 50%를 소비하기도 합니다. 사용 과정에서 공기 공급 배관이 너무 길거나, 공급 압력이 너무 높거나, 노즐로 직선형 구리관을 사용하거나, 현장 작업자가 허가 없이 작업 압력을 높이는 등의 현상이 발생하여 막대한 공기 낭비를 초래합니다.
공압 장비에서 가스를 사용할 때 발생하는 비합리적인 현상도 두드러지게 나타나고 있는데, 예를 들어 공작물 이탈 시 가스 역압 감지, 진공 발생기 가스 공급, 그리고 작동 중지 시 가스 공급 중단 등이 있습니다. 이러한 문제는 특히 화학 탱크 및 기타 가스 혼합에 사용되는 장비, 그리고 타이어 제조와 같은 분야에서 흔히 발생합니다. 에너지 절약 개선 방안으로는 새로운 공압 노즐 에너지 절약 장치 및 펄스형 에어건의 사용, 알루미늄 산업과 같은 특정 산업 분야에서 특수 공압 장비의 사용 촉진, 쉘링 실린더 특수 공기 절약 밸브의 사용 등이 있습니다.
공기 압축기 폐열 회수
전 생애주기 평가에 따르면, 공기 압축기가 소비하는 전기 에너지의 80~90%가 열로 변환되어 발산됩니다. 아래 그림은 공기 압축기의 전기 열 소비 분포를 보여주는데, 환경으로 방출되는 열과 압축 공기 자체에 저장된 열을 제외하면 나머지 94%의 에너지는 폐열 회수 형태로 활용될 수 있습니다.
폐열 회수는 열교환기 및 기타 적절한 공기 압축 공정 열 회수 장치를 통해 공기 또는 물을 가열하는 데 사용되며, 보조 난방, 공정 난방 및 보일러 보충수 예열 등에 활용됩니다. 적절한 개선을 통해 열에너지의 50%~90%를 회수하여 활용할 수 있습니다. 열 회수 장치를 설치하면 공기 압축기의 작동 온도를 최적 작동 온도로 효과적으로 제어하여 윤활유의 작동 상태를 개선하고 공기 압축기의 배기량을 2%~6% 증가시킬 수 있습니다. 공랭식 공기 압축기의 경우, 압축기 자체의 냉각 팬을 끄고 순환수 펌프를 사용하여 열을 회수할 수 있으며, 수랭식 공기 압축기의 경우 냉수 또는 공간 난방에 사용할 수 있으며 회수율은 50%~60%에 달합니다. 폐열 회수는 전기 가열 장비에 비해 에너지 소비가 거의 없고, 연료 가스 장비에 비해 배출가스가 전혀 없으므로 깨끗하고 환경 친화적인 에너지 절약 방법입니다. 압축공기 시스템의 에너지 손실 분석 이론을 바탕으로, 기업의 비합리적인 가스 사용 현상과 에너지 절약 방안을 분석 및 정리하였다. 기업의 에너지 절약 전환 과정에서, 먼저 각 시스템에 대한 상세한 시험 및 평가를 수행하고, 이를 토대로 적절한 최적화 방안을 적용하여 에너지 절약 목표를 달성함으로써 전체 압축공기 시스템의 운영 효율을 향상시킬 수 있다.
게시 시간: 2024년 3월 2일