펌프 총 운영 비용의 85%에 달하는 에너지 비용
산업 현장 전반에서 펌프가 널리 사용되고 있으며, 전 세계 에너지의 약 10%가 다양한 유형의 펌프에 의해 소비되는 것으로 추정됩니다. 따라서 펌프는 에너지 절감이라는 핵심 과제에 집중하기에 가장 최적의 분야입니다.
원심 펌프(로터 또는 임펠러 이용)는 매우 일반적으로 사용되며 비용 부담이 적어, 특히 다음과 같은 저점도 유량을 중심으로 식품 및 음료 산업 분야에 광범위하게 적용되고 있습니다: 원유 수유, 저온 살균, 무균/UHT 멸균 처리, 주스, CIP(자동세척), 및 여과 공정. 하지만 비교적 저렴한 원심 펌프라 하더라도, 총소유비용(Total Cost of Ownership)의 85%가 에너지 소비량에서 발생한다는 사실을 알고 계셨습니까? 당사가 이를 귀사에게 유리한 강점으로 전환하는 솔루션을 제시해 드립니다.
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성능 향상, 장비 수명 연장 및 지속가능성 실현
VFD 도입을 통한 획기적인 에너지 절감 효과
다수의 식품 및 음료 생산 라인에서는 공정 변수 및 특정 레시피나 원료 조건에 맞추기 위해 다양한 유량으로 펌프를 운전해야 합니다. 스로틀 방식을 사용하는 경우, 단순히 밸브를 조여 유량을 제한하게 됩니다.
그러나 이러한 방식은 두 가지 심각한 부작용을 초래합니다. 첫째, 펌프의 역압을 증가시켜 열을 발생시키며, 이는 생산 제품 변질, 또는 메카니컬 씰과 같은 펌프 부품의 마모 및 손상을 유발할 수 있습니다. 둘째, 운전 효율이 크게 저하되어 펌프 자체에 손상을 입힐 수도 있습니다.
다행히 펌프에 가변 주파수 드라이브(VFD) 또는 주파수 변환기를 조합하는 간단한 방법만으로도 엄청난 에너지 절감을 달성할 수 있는 방법이 있습니다. 공급되는 전원 주파수를 제어함으로써 펌프의 회전 속도를 자유롭게 조절할 수 있습니다. 이 솔루션을 통해 다양한 점도, 양정 압력 및 유량을 가진 여러 형태의 유체를 하나의 펌프로도 매우 효율적으로 처리할 수 있습니다.
표에서 이 두 가지 공정 제어 방식을 비교해 보십시오. 펌프의 최대 용량인 70m3 /hr 유량에서 26 kW의 전력을 소비한다고 가정하면, 두 시스템은 동일합니다. 하지만 유량을 용량의 60%로 줄이고자 할 때, 스로틀 방식은 여전히 21 kW의 에너지를 소비하는 반면 VFD 시스템은 단 9 kW만 소비합니다! VFD는 적은 투자로 막대한 비용 절감 효과를 창출합니다.
| Flow (m3/hr) | % Flow | Throttled systems | VFD systems |
|---|---|---|---|
| 70 | 100% | 26 kW | 26 kW |
| 56 | 80% | 23 kW | 16 kW |
| 42 | 60% | 21 kW | 9 kW |
| 35 | 50% | 20 kW | 6 kW |
VFD는 펌프를 최적 운전 영역에 유지시켜 성능, 설비 수명 및 지속가능성을 한층 향상시킵니다
처음부터 적절한 펌프를 선정하는 것은 해당 공정에 맞는 성능 범위를 제공하는 장비를 선택하는 것을 의미하며, 이는 훌륭한 출발점입니다. 그러나 대부분의 펌프는 공정 요구사항, 제품 변경, 원료 품질 또는 특수 성분 투입 등에 따라 운전 성능을 변화시켜야 합니다. 모든 펌프는 아래 그림과 같이 신뢰성 곡선 상에 나타낼 수 있는 고유의 성능 프로필을 가지고 있습니다.
펌프는 신뢰성 곡선의 한계 범위 내에서 작동하지만, 최고효율 포인트(BEP)에서 멀어질수록 운전 신뢰성이 떨어지고 고장이 더 빈번하게 발생합니다(우측 축의 MTBF 참조). 이 지점에서도 또 다른 차이가 드러납니다. 스로틀 개도를 줄여 유량을 감소시킬 경우, 최고효율 포인트(BEP)을 벗어나 에너지 손실이 발생할 뿐만 아니라 펌프 진동과 역압 증가를 유발하여 임펠러, 베어링, 씰 등의 부품 마모 및 손상으로 이어집니다. 손실되는 에너지는 열로 전환되어 식품 종류의 품질 저하를 일으킬 수 있습니다.
반면 VFD 시스템은 펌프에 공급되는 주파수와 회전속도를 직접 제어하므로, 열에 민감한 제품에 전단 응력이나 온도 영향을 주지 않습니다. 이는 향상된 신뢰성과 내구성을 바탕으로 유지보수 비용을 절감할 뿐만 아니라, 제품 손실 방지 및 탄소 배출량 감소를 통해 한 차원 높은 지속가능성을 제공합니다. 또한 다이어그램에서 알 수 있듯이, VFD를 사용해 유량을 조절하면 펌프가 효율이 더 높은 '최적 운전 영역'에서 작동하게 되므로 전반적인 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.
펌프 신뢰성 곡선, 최고효율 포인트(BEP) = 최적 운전 포인트(BOP)
이 다이어그램에서 펌프는 최고효율 포인트(BEP)를 가지며, 권장되는 운전 범위는 해당 점을 기준으로 -10%에서 +5% 이내를 유지하는 것입니다. 펌프 신뢰성과 펌프 곡선의 감도 관계.
계산 방식은 생각보다 간단합니다
대부분의 원심 펌프는 전기 모터로 구동되기 때문에 펌프 속도는 곧 모터 속도인 경우가 많으며, 임펠러의 유속과 지름에 의해 양정 또는 펌프 토출 압력이 결정됩니다. 그러나 속도를 변경하면 다음의 펌프 상사 법칙(Affinity Laws)에 따라 펌프의 양정, 유량 및 소요 전력이 변화합니다.
- 유량(용량/시간)은 속도의 변화에 비례하여 변합니다. 속도가 2배가 되면 유량도 2배가 됩니다. 속도가 1/3로 줄어들면 유량도 1/3로 줄어듭니다.
- 펌프의 양정(압력)은 속도 변화의 제곱에 비례하여 변합니다. 속도가 2배가 되면 양정은 4배(22)가 됩니다. 속도를 80%로 운전하면 양정은 정격 속도 시 양정의 64%(0.802)가 됩니다.
- 소요 전력(kW)은 속도 변화의 세제곱에 비례하여 변합니다. 속도가 2배가 되면 소요 전력은 8배(23)가 됩니다. 속도를 절반(50%)으로 줄이면 펌프 구동에 필요한 전력은 1/8(0.503)에 불과합니다.
"계산은 간단합니다. 펌프를 지속적으로 100%로 가동하는 것이 아니라면, VFD 도입을 통해 매우 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 유량을 제어함으로써 절감할 수 있는 전력량이 엄청나기 때문입니다. 반면 스로틀 개도를 줄여 펌프를 제어하면 최고효율 포인트(BEP)에서 즉시 벗어나게 됩니다. 그 결과 추가적인 진동과 역압이 발생하고 메카니컬 씰의 수명이 단축되어, 막대한 수리 비용이 발생하는 고장과 가동 중단 시간 증가로 이어집니다."
- 안젤로 메네실로(Angelo Mennecillo), 테트라팩® 플랜트 부품 제품 매니저
