가변 제어 기술을 활용한 축류형 터보기계의 성능평가 및 운전 시나리오에 따른 에너지 절감 분석

1. 서 론

최근 전 세계적으로 기후 변화 대응을 위한 탄소 중립 실현을 위해 산업용 설비의 에너지 효율화는 선택이 아닌 필수적인 과제가 되었다. 특히 제조업, 발전 플랜트, 터널 환기 시스템 및 각종 환경 설비 등 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되는 펌프와 송풍기는 대표적인 에너지 다소비 기기로 분류된다. 선행 연구들에 따르면 이러한 유체기계가 전체 산업 전력 소비량에서 차지하는 비중은 30 %를 웃도는 것으로 보고되고 있다.⁽¹⁾ 따라서 이들의 운전 효율을 극대화하는 것은 매우 시급하고 중요한 기술적 과제라 할 수 있다.

현장에서 운용 중인 대다수의 기존 펌프 및 송풍기 시스템은 초기 설계 단계에서 최대 부하 조건을 기준으로 설계되어, 실제 운전 시 발생하는 다양한 부하 변동에 유연하게 대처하지 못하는 한계를 안고 있다. 일반적으로 고정 속도 또는 고정 형상 방식으로 운전되는 이러한 기기들은 시스템의 요구 유량이 정격 용량의 70 % 수준으로 감소하는 부분부하 조건에서도 별도의 제어 없이 100 %의 회전수로 가동된다. 이 과정에서 밸브나 댐퍼를 이용한 인위적인 유로 저항 증가로 유량을 제어하게 되는데, 이는 유체역학적인 손실을 일으켜 불필요한 전력 낭비를 초래한다.⁽²⁾ 더불어, 설계점을 벗어난 영역에서의 장시간 운전은 유동 박리 및 서지 현상과 같은 유동 불안정성을 유발하여 소음과 진동을 증폭시키고, 결과적으로 설비의 수명을 단축시키는 기계적 결함의 원인이 된다.

이에 반해, 운전 환경에 따라 기기의 성능을 능동적으로 최적화할 수 있는 가변 제어 시스템은 이러한 비효율을 근본적으로 해결할 수 있는 대안이 될 수 있다. 입구안내깃(Inlet Guide Vane, IGV)의 각도 제어 기술이나 회전하는 임펠러의 각도를 변경하는 가변 피치 제어 기술을 적용한 가변형 시스템은 실제 부하 요구량에 맞춰 유량과 압력을 조절할 수 있다. 이는 불필요한 에너지를 획기적으로 줄일 뿐만 아니라, 펌프와 송풍기가 안정적인 영역에서 운전되도록 유도한다.^(3∼7)

본 연구에서는 이러한 가변 제어 기술이 접목된 축류형 터보기계에 대해 성능평가 장치를 구축하여 평가하고 각각의 운전 시나리오를 정립하여 가변 제어 기술 유무에 따른 에너지 절감량을 비교 분석하였다.

2. 성능평가 대상

2.2 가변 피치 적용 축류송풍기

축류송풍기는 비속도 2534급이며, 축류펌프와 마찬가지로 성능평가 장치와 연결이 가능한 크기로 제작되었다.

회전하는 임펠러의 각도를 변경할 수 있도록 임펠러 허브 내부에 특수한 구조의 연결 장치를 개발하여 송풍기가 운전 중에도 각도 제어가 가능하도록 구현하였다. 펌프와 마찬가지로 서보 실린더의 길이 제어를 통해 임펠러의 각도가 변경되며 변경할 수 있는 각도는 62∼84°이다. 임펠러의 각도는 축 방향을 기준으로 쉬라우드의 시위선(chord line)이 이루는 각도로 정의한다. 그러나 실제 형상에서 시위선을 직접 식별하기 어려우므로, 임펠러 압력면의 전연(leading edge)과 후연(trailing edge)을 연결하는 평판을 시위선과 평행한 기준면으로 간주하고 경사계를 사용하여 축 방향과의 각도를 측정하였다.

Table 1은 축류펌프와 축류송풍기의 설계 사양을 나열한 것이며, 비속도(specific speed), 유량계수(flow coefficient), 압력계수(pressure coefficient), 축동력계수(shaft power coefficient)의 계산식은 각각 식 (1), (2), (3), (4)와 같다.

$\[ N_s=\frac{N\sqrt{Q}}{H^{3/4}} \]$

(1)

$\[ \Phi =\frac{C_{m2}}{u_2} \]$

(2)

$\[ \Psi =\frac{P}{\frac{1}{2}\rho u_2^2} \]$

(3)

$\[ \lambda =\frac{L}{\frac{1}{2}\rho A_2{u}_2^3} \]$

(4)

Table 1

Specification of axial pump and axial fan

여기서 $$ N,Q,H,C_{m2},u_2,P,\rho ,L $$ 및 $$ A_2$$는 각각 회전수, 체적유량, 양정, 자오면 기준 임펠러 출구 절대속도, 임펠러 출구 원주속도, 전압, 밀도, 축동력 및 출구 면적이며, 단위는 각각 min^-1, m³/min, m, m/s, m/s, Pa, kg/m³, W 및 m²이다.

Fig. 1은 가변 제어 기술이 적용된 축류펌프와 축류송풍기이며, Fig. 2는 최소 및 최대 가변 상태의 전면에서 바라본 모습이다.

Fig. 1

Test model

Fig. 2

Front view at minimum and maximum angle situation

3. 성능평가 방법 및 결과

3.1 성능평가 장치

축류펌프의 성능평가를 위해 KS B 6301 원심 펌프, 사류 펌프 및 축류 펌프의 시험 및 검사 방법⁽⁸⁾ 규격에 따라 폐루프로 구성된 시험장치를 구축하였다(Fig. 3 (a)). 펌프의 입구와 출구로부터 각각 내경의 2배 거리에서 압력을 측정할 수 있도록 배관에 90도 간격의 구멍을 뚫어 위치별 평균 압력이 측정되도록 연결하였으며, 차압계를 이용하여 펌프의 양정을 도출할 수 있도록 구성하였다. 유량의 경우 펌프 토출부로부터 정류계를 거쳐 유동이 안정적으로 흐를 수 있도록 충분한 직관을 확보한 뒤 전자유량계를 이용하여 측정하였다. 펌프의 회전속도는 노출된 축 부분에 약간의 반사 테이프를 부착하였고 회전수 측정계로부터 나온 광원을 반사하여 검출된 수로부터 회전속도를 산출할 수 있도록 구성하였다. 모터로 인가되는 전력은 전력분석계를 이용하였고, 인버터 후단에 결선하여 측정하였다. 유량 제어는 전자유량계 후단에 버터플라이밸브를 설치하여 제어하였다.

Fig. 3

Test facility

축류송풍기의 성능평가는 KS B 6311 송풍기의 시험방법⁽⁹⁾ 규격에서 제시하는 덕트형 시험설비를 제작하여 진행하였다(Fig. 3 (b)). 총길이는 덕트 내경의 약 10배 수준이며, 규격에서 제시하는 정류격자와 피토관 및 유량을 제어하는 스로틀 장치로 구성되어 있다. 피토관의 경우 총 24개의 피토관을 고정시켜 규격에서 요구하는 지점에서 각각의 전압과 정압이 동시에 측정될 수 있도록 하였다. 측정된 압력은 유량으로 환산되어 송풍기의 성능을 평가할 수 있다. 피토관은 유속이 2 m/s 이하인 경우 정확도가 떨어져 측정된 동압으로부터 유량을 산출할 수 있는 제한이 있어 본 성능평가 장치의 최소 측정 가능 유량은 한계가 있다. 대기의 밀도를 산출하기 위해 건습구 온도를 측정하였고, 송풍기의 회전속도와 모터로 인가되는 전력은 펌프 성능평가 장치와 동일한 방식을 사용하였다.

3.2 성능평가 결과

가변 제어를 통해 펌프의 경우 IGV 각도를 0.0°, 11.3°, 22.5°, 33.8°, 45.0°로, 송풍기의 경우 임펠러의 각도를 62.0°, 65.0°, 73.0°, 80.0°, 84.0°로 각각 고정하고 유량 제어 밸브 및 스로틀 밸브를 이용하여 유량 변화에 따른 압력과 동력 등의 상태를 측정하여 성능평가를 실시하였다. 성능평가 결과는 Fig. 4와 같이 유량계수, 압력계수, 동력계수로 표현된 성능곡선으로 확인할 수 있다.

Fig. 4

Performance curves

Fig. 4의 (a) 좌편의 축류펌프 유량-압력 곡선을 살펴보면 IGV 각도가 0.0°일 때 유량계수 약 0.156∼0.205 영역에서 양의 기울기를 확인할 수 있고, 0.156 이하부터 다시 음의 기울기를 보인다. 유량-압력 곡선에서 양의 기울기로 전환되는 시점부터 동일한 압력을 보이는 유량까지의 구간을 말 안장처럼 보인다고 하여 새들(saddle) 구간으로 부르며, 이는 축류형 터보기계의 대표적인 특징이다. 새들(saddle)이 발생하는 유량부터는 진동과 소음이 크게 발생하여 장시간 운전 시 기계의 파손이 우려되므로 해당 구간에서 운전되지 않도록 주의해야 한다. IGV 각도가 커질수록 전체적인 유량과 압력이 줄어들며 새들(saddle) 구간의 크기(유량 및 압력 폭)가 줄어듦을 확인할 수 있다. 또한 새들(saddle) 발생 유량점이 유량계수 약 0.174로 낮아져 펌프를 안정적으로 작동시킬 수 있는 유량 범위가 넓어진다. 유량-동력 곡선(Fig. 4 (a), 우)에서도 비슷한 새들(saddle) 형태를 확인할 수 있었다.

축류송풍기는 유량-압력 곡선(Fig. 4 (b), 좌)에서 뚜렷한 새들(saddle) 형태를 찾을 수는 없으나 임펠러 각도가 62.0°인 경우 성능평가를 수행하는 과정에서 유량계수가 약 0.157인 지점부터 특정 소음이 커짐을 확인하였고, 이는 유량-동력 곡선(Fig. 4 (b), 우)에서 새들(saddle) 형태가 나타나는 것을 통해 유량계수 약 0.157 이하가 새들(saddle) 구간임을 입증하였다. 임펠러 각도가 커질수록 새들(saddle)의 형태는 사라짐을 확인하였다. 축류펌프와 달리 임펠러 각도에 따라 성능곡선의 변화가 크며 각도 제어만으로 유량을 크게 변화할 수 있어서 안정적으로 운전할 수 있는 범위가 넓다는 장점을 확인할 수 있었다.

4. 운전 시나리오

4.1 축류펌프 운전 시나리오

축류펌프는 많은 유량을 내보내야 하는 하수처리장이나 유입펌프장에 주로 사용된다. 국내 운영 중인 하수처리장 세 곳(S, K, H 하수처리장)과 유입펌프장 한 곳(인천환경공단 배수펌프장)의 1년 동안 측정된 시간별, 일별 및 월별 유량 정보를 취득하였다(Fig. 5).

Fig. 5

Flowrate per hour

이 중 시간별 정보가 있는 두 곳의 하수처리장(S, H 하수처리장) 데이터의 계절별(1월-겨울, 4월-봄, 7월-여름, 10월-가을) 정보를 기반으로 해당 월평균 운전 시나리오를 정립하였다. 유량은 하수처리장별 최대 유량으로 정규화하여 표시하였다. S 하수처리장의 경우 계절별 유량과 패턴이 유사한 특징을 보이며, 11시 이후 최대 유량의 80 % 이상의 유량을 처리하는 것을 확인할 수 있었다. H 하수처리장의 경우 봄, 가을의 유량과 패턴은 유사하나, 겨울의 유량이 상대적으로 적고 여름 중 특히 늦은 밤시간(22시 이후)에 처리하는 유량이 많았다. 두 곳 모두 대체로 여름철 유입 유량이 가장 많았으며, 계절에 상관없이 새벽 시간에 유입 유량이 줄어들고 출근 시간부터 증가하는 추세를 보였다.

4.2 축류송풍기 운전 시나리오

축류송풍기는 큰 환기량이 요구되는 곳에 주로 사용되며 대표적으로 터널과 지하철이 있다. 실제로 운영되는 정보를 구할 수 없어 터널의 경우 하루 동안 통과하는 자동차의 양, 지하철의 경우 승하차 인원수에 필요한 환기량이 비례한다고 가정하여 운전 시나리오를 정립하였다. Ertan 등⁽¹⁰⁾은 유라시아 터널 교통량, 오염 물질의 배출 수준 등을 측정하여 터널 내부에 설치된 다수의 제트팬의 효율적인 운영 방법론을 제시하였다. 여기서 제시된 터널의 시간당 평균 교통량을 살펴보면 새벽 시간(02시∼06시)은 교통량이 거의 없다가 출근 시간(08시)부터 교통량이 많아지며, 퇴근 시간(17시∼20시)때 가장 많은 교통량을 보인다(Fig. 6 (a)).

Fig. 6

Traffic per hour

국내는 서울의 전체 교통을 운영하고 관리하는 종합교통 관제센터⁽¹¹⁾에서 제공하는 통계자료를 활용하였고, 서울시 터널 중 교통량이 가장 많은 관악 터널의 정보를 이용하였다. Fig. 6 (b)와 (c)는 각각 서울 관악 터널의 2024년 1월 주중 및 주말 시간별 교통량 통계 자료이다. 주중의 경우 출근 시간인 오전 7시∼10시에 가장 많은 교통량을 보이며, 주말의 경우 오전 10∼12시 사이에 교통량이 가장 많았다. 새벽 시간(오전 1∼5시)은 유라시아 터널과 마찬가지로 교통량이 거의 없음을 확인할 수 있었다.

지하철 시간대별 승하차 인원 정보는 서울 열린데이터 광장 홈페이지⁽¹²⁾에 공개된 데이터를 활용하였고, 이 중 2023년 일평균 승하차 인원 순위 중 상(2위-강남역), 중(142위-이태원역), 하(271위-창신역)에 해당하는 역을 선정하였다. 역마다 차이가 있으나, 승하차 인원은 출퇴근 시간에 주로 몰림을 확인할 수 있다.

이와 같이 조사한 결과를 바탕으로 총 6가지 경우에 대해 평균 운전 시나리오를 정립하였다.

Fig. 7

Number of passengers per hour

5. 에너지 소비 저감량

가변 제어 기술 적용 상태에 대해 앞서 정립한 운전 시나리오를 따라 펌프와 송풍기를 운전하여 각각의 에너지 소비량을 산출하여 그 차이를 비교하였다. 운전 시나리오의 최대유량은 설계유량과 같다고 가정하였으며, 송풍기의 경우 시험장치의 최소 측정 가능 유량 이하 구간(유량계수 약 0.058 이하)은 송풍기의 작동 없이 자연환기가 가능하다는 가정을 추가하였다.

비가변 상태의 경우 유량 제어는 시험장치의 유량 제어장치를 이용해 운전하였다. 가변 제어 상태의 경우 해당 기술로 제어할 수 있는 유량 범위 내에서는 가변하여 운전하였고, 범위를 벗어나는 경우는 비가변 상태와 마찬가지로 유량 제어장치를 이용하였다. 각각의 운전점에 대해 안정화 상태를 확인 후 10초 동안 20개 데이터를 저장하며, 이를 평균한 값을 사용하였다.

설계유량을 기준으로 가변 제어 기술로 제어할 수 있는 유량 범위는 펌프의 경우 유량계수 0.213∼0.246(설계유량 기준 약 86.7∼100 %)이고, 송풍기는 유량계수 0.106∼0.237(설계유량 기준 약 45.1∼100 %)로 확인하였다. 소비 동력은 가변 제어 기술로 제어할 수 있는 최소 유량에서 가장 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 또한 가변 제어 기술로 제어 가능한 최소 유량 이하의 유량은 최대 각도(펌프 IGV 45°, 송풍기 임펠러 84°)로 운전해야 소비 동력을 최소화 할 수 있음을 확인하였다.

Fig. 8∼12는 운전 시나리오를 따라 비가변 상태와 가변 제어 기술 적용 상태로 운전했을 때 측정되는 소비 동력 비교 그래프이며, 유량은 파란색, 비가변 상태의 소비 동력은 주황색, 가변 제어 기술 적용 상태의 소비 동력은 회색으로 표현하였다.

Fig. 8과 9는 각각 S 하수처리장과 H 하수처리장의 계절별 대표 월평균 운전 시나리오에 따른 비가변 상태와 가변 상태의 축류펌프 소비 동력 비교 그래프이다.

Fig. 8

Comparison of power consumption according to S sewage treatment plant scenarios

Fig. 9

Comparison of power consumption according to H sewage treatment plant scenarios

하수처리장별로 최대유량인 시간을 제외한 나머지 시간은 가변 제어 상태의 소비 동력이 낮게 측정되는 것을 확인할 수 있으며, 소비 동력 차이가 가장 많이 나는 유량은 유량계수 0.213으로 해당 유량 근처에서 장시간 운전하는 시나리오일수록 에너지 소비량의 차이가 크게 나타난다.

Fig. 8과 같이 S 하수처리장의 경우 여름철을 제외한 나머지 계절별 운전 시나리오 형태가 유사하여 비가변 상태와 가변 상태의 에너지 소비량 차이가 비슷하였고, 여름에는 10∼24시 동안 유입 유량이 설계유량 기준 96.7 % 이상으로 많아 가변 제어 각도를 최대로 활용하지 못해 에너지 소비량 차이가 상대적으로 줄어들어 에너지 소비 저감율은 약 10.2 %로 확인하였다.

Fig. 9와 같이 H 하수처리장은 여름철 01시, 21∼24시 구간에서 설계유량 기준 87.9 % 이상의 유입 유량이 발생하여 가변 제어 기능을 충분히 활용하지 못하고, 나머지 구간에서는 가변 제어 각도를 최대로 사용하여 소비 동력을 줄일 수 있었다. 다만 S 하수처리장과 달리 계절별 유량 사용 범위가 차이 나는 것이 특징이며 대부분 비가변 상태 기준 새들(saddle) 구간에서 작동하게 되어 위험 운전으로 분류할 수 있다. 따라서 H 하수처리장은 설계유량이 더 작은 펌프와 혼용하여 낮은 유량에서 안정적으로 작동될 수 있도록 운영될 필요가 있다.

Fig. 10과 11은 각각 유라시아 터널과 관악 터널의 주중 및 주말 운전 시나리오, Fig. 12는 지하철역(강남, 이태원, 창신)의 운전 시나리오에 따른 비가변 상태와 가변 상태 축류송풍기 소비 동력 비교 그래프이다. 운전 시나리오가 펌프에 비해 상대적으로 변동이 심하기 때문에, 임펠러 각도를 제어할 수 있는 송풍기의 경우 각도에 따라 동력 변화가 큰 장점으로 인해 비가변 상태와의 소비 동력 차이는 극대화 될 수 있다.

Fig. 10

Comparison of power consumption according to eurasia tunnel scenario

Fig. 11

Comparison of power consumption according to gwanak tunnel scenarios

Fig. 12

Comparison of power consumption according to subway station scenarios

비가변 상태의 경우 송풍기가 작동하면 대부분 동력계수 0.045 수준의 동력을 사용하게 되고, 가변 제어 상태의 경우 유량 변동에 따라 소비 동력이 변화하는 것을 확인할 수 있다. 실제 송풍기 운영 정보가 아닌 한계점이 있지만 해당 시나리오에 따르면 비가변 상태인 경우 대부분 위험 운전 영역에서 송풍기가 작동하게 되며, 가변 제어를 통해 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다.

Table 2는 펌프와 송풍기의 운전 시나리오별 비가변 상태와 가변 제어 상태의 에너지 소비량 및 에너지 소비 저감율을 정리한 표이다. 터보기계는 동일 비속도 조건에서도 기기 크기에 따라 절대적인 에너지 소비량이 크게 달라진다. 본 연구에서는 이를 고려하여 에너지 소비량을 기기 규모에 독립적인 시간별 동력계수값의 합으로 표현하였다. 평가 대상인 펌프(설계 동력 15 kW)와 송풍기(설계 동력 4.4 kW)의 시나리오별 해석 결과, 펌프는 S 하수처리장 겨울철 조건에서 비가변 대비 가변 시 전력 소비가 452.92 kWh에서 368.28 kWh로 감소하였고, 송풍기는 유라시아 터널 조건에서 75.98 kWh에서 31.80 kWh로 감소하였다. 동력계수 특성을 바탕으로 종합해 볼 때, 소요 동력이 더 큰 대형 터보기계에 동일한 운전 시나리오와 가변 제어 기술을 적용한다면 그 절대적인 에너지 절감 효과는 본 연구의 산출 결과보다 훨씬 더 큰 규모로 나타날 것이다.

Table 2

Energy consumption comparison results of pump and fan

6. 결 론

본 연구에서는 가변 제어 기술이 적용된 축류펌프 및 축류송풍기의 성능평가를 수행하였으며, 실제 운전 환경을 반영한 시나리오를 기반으로 에너지 절감 효과를 분석하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

• 1) 축류펌프와 축류송풍기에 각각 가변 입구안내깃(IGV)와 가변 피치 기술을 적용하였고, KS 규격에 따른 시험평가 장치를 구축하여 성능을 평가하였다. 펌프의 IGV 각도는 0∼45°, 송풍기의 임펠러는 62∼84° 범위에서 제어가 가능하였다.
• 2) 성능평가 결과 축류형 터보기계의 대표적인 특징인 새들(saddle)을 확인할 수 있었고, 가변 각도 증가에 따라 새들(saddle)이 감소하여 안정적인 운전이 가능한 범위가 확대되는 것을 확인하였다.
• 3) 국내 하수처리장 세 곳과 유입펌프장 한 곳의 시간별, 일별 및 월별 실측 유량 데이터를 분석하여 축류펌프의 계절별 운전 시나리오를 수립하였고, 터널 교통량 및 지하철역 승하차 인원 데이터를 활용하여 축류송풍기의 운전 시나리오를 정립하였다.
• 4) 축류펌프는 설계유량 대비 약 86.7∼100 % 구간에서 가변 제어가 가능하였으며, S 하수처리장의 경우 계절에 따라 10.2∼19.3 %, H 하수처리장의 경우 15.3∼17.0 %의 에너지 저감율을 나타냈다. 다만 H 하수처리장의 경우 대부분의 운전점이 새들(saddle) 영역에 위치하여 설계유량이 더 작은 펌프와 혼용 운전이 필요함을 확인하였다.
• 5) 축류송풍기는 설계유량 대비 약 45.1∼100 % 구간에서 가변 제어가 가능하였으며, 운전 시나리오에 따른 에너지 저감율은 50.3∼66.4 %로 매우 높게 나타났다. 비가변 상태 대부분이 위험 운전 영역에 해당하였으나, 가변 제어를 통해 안정적인 운전이 가능함을 확인하였다.

Acknowledgments

이 논문은 2025년도 정부(기후에너지환경부)의 재원으로 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행된 연구임(RS-2021-KP002413, AI/ICT 기반 가변형 유체기기 설계⋅상태 진단을 위한 기반⋅플랫폼 기술 및 운영관리 시스템 개발)

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