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친환경 고효율, 두 마리 토끼 다 잡은 스크루식 증기 발전기와 증기 압축기KOBELCO의 스크루식 소형 증기 발전기, 스크루식 소형 증기 압축기 솔루션 소개
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2018.12.03 23:00
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장비의 효율과 친환경이라는 두 가지 요구를 달성하기 위해서는 여러 가지 방법이 있다. 단순히 장비에서 사용하는 에너지의 효율을 높이는 방법도 있지만 아깝게 낭비되는 에너지를 재 사용하는 것도 효율이나 환경이나 측면에서 방법이 될 수 있다. 이 방법을 이용한 대표 솔루션인 일본 KOBELCO의 STEAMSTAR(스크루식 소형 증기 발전기와 스크루식 소형 증기 압축기)를 통해 어떻게 ‘고효율’과 ‘친환경’이라는 두 가지 요구를 모두 만족할 수 있었는지 알아보자.

 

스크루식 소형 증기 발전기(MSEG)

증기는 일반적인 가열원으로 폭넓게 활용되고 있지만, 잉여 증기는 활용 가능성을 가지고 있음에도 불구하고 효율적으로 이용되지 않은 채 대기 중으로 방출되는 경우가 많다. 게다가 다양한 생산 프로세스에서 증기를 사용할 때에도 감압 밸브로 증기압을 억제했기 때문에 감압 시의 에너지도 그대로 낭비되었다.

KOBELCO의 스크루식 소형 증기 발전기(MSEG)는 이렇게 낭비되는 증기 에너지를 효율적으로 활용하기 위해 만들어진 솔루션이다. 즉 스크루 압축기 기술과 인버터 제어 기술을 결집한 스크루식 소형 증기 발전기로 재생 가능한 에너지를 이용한 증기 발전뿐 아니라 잉여 증기를 활용한 발전 및 프로세스 전 감압 밸브 대체를 통한 발전등에 다양하게 이용할 수 있다.

이를 실현할 수 있는 주요 특징 중 하나는 감압 밸브를 대체한다는 것이다. 이로써 최대 출력 160kW의 고효율 발전이 가능하다. 또한 공급 증기 압력도 최고 1.9mPaG까지 대응할 수 있다. 게다가 인버터 제어를 통해 증기량 변동에 맞추어 광범위한 단계로 효율적인 발전을 실현한다. 이에 기존형 터빈인 측류식에 비해 동일한 증기 조건에서 1.5배의 효율을 낼 수 있다.

게다가 MSEG는 발전기판과 제어판을 패키지 내에 일체화함으로써 업계 최초로 올인원 구조를 실현했다. 기존에는 터빈식 증기 발전기의 경우 발전기판, 제어판 등을 각각 설치해야 했다. 이에 넓은 공간이 필요했고, 이를 각장치를 연결하기 위해 복잡하게 배선을 구성해야 했다. 하지만 MSEG에서는 올인원 구조를 실현함으로써 공간 절약과 공사 비용 절감을 실현할 수 있었다(그림 2).

이 외에도 컬러 터치 패널 방식을 적용하여 작업자의 활용도를 향상시켰다는 장점이 있다. 이로써 작업자는 제어 압력을 간단하게 설정할 수 있을 뿐만 아니라, 기동 후 약 20초 만에 발전을 시작할 수 있다. 이에 작업자가 새로운 장비의 활용법을 습득하는데 오랜 시간을 소비할 필요가 없어졌으며, 작업 프로세스에서도 불필요한 대기시간을 줄이는 것이 가능하다.

이처럼 MSEG는 스크루 방식을 채택하여 고효율의 증기 발전을 달성할 뿐 아니라 축류 터빈에서는 달성하기 어려웠던 콤팩트한 디자인을 용적식 스크루로 실현했다는 것이 가장 큰 특징이다. 게다가 축류식에 비해 동일한 증기 조건에서 1.5배의 고효율을 낸다는 장점도 있다. 환경 측면에서 보면 연간 8,000시간 가동으로 704t/h의 CO2 삭감이 가능하다는 계산이 나온다. 또한 감압 프로세스의 증기 에너지와 대기로 방출되는 잉여 증기 에너지를 효과적으로 이용해서 발전할 수 있기 때문에 투자비를 회수하는 효과도 얻을 수 있다 .

 

스크루식 소형 증기 압축기(MSRC)

플래시 증기(즉 공장 프로세스 등에서 발생하는 증기 드레인이 대기압 주변에서 재 증발하여 발생하는 증기)나 작업 시 한 번 사용된 저압 증기는 상당한 열 에너지를 가지고 있음에도 불구하고 지금까지 재 사용하기 어려웠다.

이러한 열 에너지의 낭비를 막기 위한 솔루션이 바로 MSRC다. MSRC는 플래시 증기를 스크루식 압축기를 이용해 효율적으로 승압하여 다시 프로세스로 되돌림으로써 증기를 재 사용할 수 있게 하기 때문이다.

즉 [그림 3]에서 알 수 있듯 프로세스 중 고압 드레인에서 발생한 플레시 증기를 프로세스 라인으로 다시 되돌리는 원리로 되어 있다.

이로써 증기 보일러의 연료량을 대폭으로 절감할 수 있다. MSRC 160L의 경우 연간 보일러 연료비 절감액이 약 1,700만 엔이며, 연간 CO2 절감량은 약 660ton에 달해 에너지 절감은 물론 지구 온난화에 대응할 수 있는 일석이조의 솔루션이다.

특히 이 솔루션의 가장 큰 특징 중 하나는 고효율 톱니형 스크루를 적용하여 고효율 압축이 가능하다는 것이다. MSRC는 세계적인 수준인 고베 제강의 오일 프리 스크루 압축기 기술을 증기 분야에 응용하여 고효율의 증기 압축을 가능케 했다. 또한 전동 모터는 고효율 IPM 모터를 적용하고 인버터 제어 기술을 활용하여 MSRC 전체의 효율을 한 층 더 끌어올렸다.

이 외에도 증기를 압축할 때 발생하는 열을 냉각하기 위해 응축수를 주입하는 방식을 채택했다. 이로써 흡입 증기량 대비 10%의 재생 증기량을 증량할 수 있었다. 결과적으로 증기 보일러의 연료비를 절감함으로써 비용 절감에 기여할 수 있다. 게다가 플래시 증기량이나 증기압이 변동할 경우 인버터로 스크루 압축기의 회전 수를 제어하여 최적의 압축을 유지하여 효율적인 증기 재생 상태를 안정적으로 대응할 수 있다.

이 외에도 MSRC는 필요한 기기가 전부 패키지 안에 수납되어 있는 올인원 구조로 되어 있어 설치가 간단하다. 옥외 설치에도 대응할 수 있지만 방음 처리가 되어 있기 때문에 설치 장소를 가리지 않고 자유로운 시스템 구성이 가능하다. 물론 그만큼 설치 시 공사 비용의 절감에도 기여할 수 있다.

 

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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