Introduction

Fig. 1은 2015년 부산시 기장군 인근의 월별 해수 온도 및 염도 측정 결과를 나타낸 그래프 이다. 해수 온도는 2월에 12℃로 가장 낮고 8월에 25.7℃까지 상승하였다. 염도는 7월에 35,125mg/liter로 가장 낮았고 2월에 36,866 mg/liter로 가장 높았다. 우리나라는 4계절이 뚜렷하며 여름철 집중 강우와 겨울철 가뭄 현상으로 해수의 수온 및 염도가일 년 내내 변화 된다. 해수 온도는 중동 지역보다 약 10℃ 이상 낮은 반면 계절별 온도 변화는 최대 13.7℃까지 많은 차이가 발생하므로 해수담수화 설비에서 에너지 절감을 위한 최적 운전 방안이 필요하다.

Fig. 1 
Monthly seawater temperature and salinity of the site in Busan city

본 연구 대상인 고압펌프는 2013년 설치 당시 인버터를 설치하지 않았고 고정된 일정한 속도에서 운전하도록 설계되었다. 그래서 인버터를 설치하여 변속 제어할 경우 기술적 문제점 발생 여부를 펌프와 모터 공급 업체에 문의 하여 가능성을 검토하였다. 펌프의 최소 운전 가능 유량(Minimum flow)은 200 m³/hr 이고, 정상운전 조건에서 송출 유량은 835 m³/hr 이다. 원심펌프이므로 변속 운전에 따른 유량 변화를 충분히 소화 할 수 있다고 판단하였다. 모터의 경우 3상 유동전동기로서 공급 업체에 의뢰하여 주파수 변동에 따른 회전속도 변화가 가능한지 검토하였으며, 변속 운전이 가능하다는 긍정적인 답변을 받았다. 그리고 인버터를 설치할 경우 필요한 추가적인 비용과 향후 운전기간 동안 절감 가능한 에너지 비용을 비교 평가하여 경제성 분석을 실시하였다. 그 결과 비록 인버터 추가 설치비용이 저렴한 것이 아니지만 에너지 절감 금액이 클 것으로 예상하여 수년 이내에 추가 설치비용을 회수할 수 있을 것으로 판단하였다.

Fig. 4는 고압 펌프용 모터에 설치된 인버터의 주파수 변화에 따른 펌프 임펠러 회전수와 소비전력, 출구 압력 변화를 실측하여 나타낸 그래프이다. 펌프 임펠러 회전수는 주파수를 5.2 Hz부터 시작하여 6.3 Hz씩 증가시키면서 60 Hz까지 측정한 것을 백분율로 나타낸 것이다. 펌프의 회전수는 주파수 증가에 따라 일정한 간격으로 직선적으로 증가하였으며, 펌프 출구 압력은 60 Hz에서 42 bar를 나타내었다. 펌프의 동력은 17.7 Hz까지는 완만하게 증가하였으나 그 이후부터급격하게 증하였으며, 60 Hz에서 1,284 kW를 나타내었다. 회전수가 50%이고, 펌프 송출 압력이 약 15 bar 미만에서는 회전수 변화에 따른 동력 소모량의 변화는 적은 반면 주파수가 30 Hz 이상이며 회전수가 50% 이상에서는 동력 소모량의 변화가 회전수 변화에 따라 크게 변하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4 
Variation of Power consumption and revolution speed and pressure as per frequency

Fig. 5(a)는 인버터 설치 전, 후 해수 온도 변화에 따른 고압 펌프의 송출 압력 변화를 나타내었고, Fig. 5(b)는 해수 온도 변화에 따른 역 삼투 막으로 공급되는 해수의 압력 및 생산수의 유량을 나타낸 것이다. 인버터를 설치하기 전인 2014~2015년에는 3,570 rpm의 일정한 속도로 고압펌프가 운전되었으므로 해수 온도 변화에 관계없이 펌프 송출 압력은 약 40 bar로 일정하게 유지되었다. 그러나 2015년 12월 인버터를 추가 설치 한 후 2016년 운전한 결과 해수 온도가 증가함에 따라 고압 펌프의 송출 압력이 감소하는 추세를 확인 할 수 있다. 이는 동일한 담수 회수율 48.4%로 담수 생산량을 약 395~403 m³/hr 범위에서 일정하게 유지한 상태로 운전한 결과 해수 온도가 높을 경우 역 삼투 막에 공급되는 압력이 낮아 펌프 회전수가 자동으로 조절되기 때문이다.

Fig. 5 
(a) Pump discharge pressure vs. seawater temperature and (b) Membrane feed pressure and permeate flow rate vs. seawater temperature

Fig. 6 (a)는 인버터 설치된 고압 펌프의 성능곡선을 나타낸 것이다. 정상 운전시 송출 유량은 835 m³/hr으로 유지되며 온도에 따라 송출 압력은 변화하게 된다. 송출 압력의 변화에 따라 Motor Speed도 변화 되는데, R₁과 R₂인 83~100% 범위의 Motor Speed에서 운전되므로 동력 소모량의 변화 또한 나타나게 된다. Fig. 6(b)는인버터 설치 전과 후의 해수 온도 변화에 따른 고압 펌프의 동력 소모량을 나타낸 그래프이다. 인버터를 설치하기 전에는 설계 당시 확정된 일정 속도로 운전되었으므로 해수 온도 변화에 상관없이 약 1,260~1,290 kW의 전력 에너지를 소모하였다. 그러나 인버터를 설치한 후에는 964~1,155 kW 범위에서 전력 에너지를 소비하였고, 해수 온도가 증가할수록 전력 소모량이 감소하는 경향을 나타내고 있어 타당성 검토 당시 예상한 바와 같이 에너지 소모량 측면에서 운전이 최적화 되고 있다고 볼 수 있다. 각각의 해수 온도에서 운전된 고압 펌프의 에너지 소모량 측정 데이터를 기반으로 년간 에너지 소비량 절감 정도를 예측하여 Table 2에 나타내었다. 고압 펌프가 해수 온도 변화에 따라 변속으로 운전 되는 경우와 고정된 일정한 속도로 운전되는 경우 모두 일일 기준 24시간 동안 일 년 내내 운전된다고 가정하였다. 전력비용은 한전에서 발표한 산업용 전력 요금체계를 기준으로 1 kWh당 평균 110원으로 가정하였다. 2016년 운전 결과 기준으로 년간 전력에너지 절감 비용은 약 171,741천원으로 인버터 설치 전과 비교하여 약 14% 절감하는 것으로 계산 되었다. 고압 펌프 가변속 운전을 위하여 추가로 설치된 인버터 시스템의 설치비용이 많이 드는 단점이 있지만 에너지 비용 절감 금액을 감안 하면 수 년 내에 투자비를 회수 할 수 있다. 2014년 시운전 후 2016년까지 해당 플랜트는 주위 민원 발생으로 연속적으로 운전되지 못하였고 필요에 따라 간헐적으로 운전되었다. 그래서 역 삼투압 막은 보존 약품을 사용하여 장기 보존을 하여야 하였으며, 수일간의 운전 후 또 다시 보존 과정을 되풀이 하여 역 삼투막 운전 연수는 작다. 향후 장기간 연속 운전이 될 경우 막의 오염 상태에 따라 필요한 압력도 증가할 것이므로 에너지 절감 비용의 크기는 매년 줄어 든 후 막 교체 등으로 운전 안정화된 후에는 일정하게 유지될 것으로 예상된다. 따라서 에너지 절감효과는 향후 수년 동안 지속적으로 관찰하여 평가 할 필요가 있다.

Fig. 6 
(a) Performance curve of inverter installed HP pump (b) Comparison of power consumptions of HP pump vs. seawater temperature

펌프의 운전 효율을 포함한 성능 특성 평가 방법은 열역학적 방법과 수력학적 방법으로 평가할 수 있다. 열역학적 방법에 의한 평가 방법은 펌프의 효율을 측정 할 때 온도와 압력만으로 측정이 가능하다. 그러나 해수 담수화 플랜트에서 고압펌프 전, 후의 해수온도 변화가 크지 않기 때문에 열역학적 방법보다 수력학적 방법으로 펌프의 효율을 평가 하였다. 효율 계산은 아래 식(1)와 식(2)를 통해 식(4)와 같이 계산하였다.

식(4)에서 T는 모터에 공급된 전력에너지(kW)이고, η_m은 모터의 효율을 나타내므로 E_m은 펌프에 공급되는 축 동력이라고 할 수 있다. 모터 효율은 100% 부하율 기준으로 94.5%를 사용하였고 모터에 공급된 전력에너지(T)는 운전제어실의 모니터에 표시된 값을 사용하였다. 인버터를 설치 한 경우 축 동력 계산에는 인버터의 효율(η_i) 97%도 고려하였다. 식(1)에서 언급된 압력과 유속 및 유량 정보는 현장에 설치된 계기로부터 읽은 값을 사용하여 펌프의 효율을 계산하였다. Fig. 7에 해수 온도 변화에 따른 펌프의 효율 변화를 인버터 설치 전과 후의 경우에 대하여 비교하여 나타내었다. 고압 펌프는 인버터 설치 전의 경우 약 73~75% 효율 범위 내에서 운전된 반면 인버터 설치 후에는 약 79~81% 범위에서 운전되어 인버터 설치 후 운전 효율이 증가하였음을 알 수 있다. 그 이유는 2015년 11월말 인버터를 설치한 후 역 삼투 막에 공급되는 해수의 압력은 막 오염(Fouling)증가 등의 원인에 의해 오히려 증가하였으나, 펌프 임펠러 회전 속도 최적 제어에 따른 전력 소비량이 감소하였기 때문이다. Table 1에 나타낸 바와 같이 펌프 제조 공장에서 출하하기 전 고정된 최대 속도에서 시험한 고압펌프의 효율은 83%였다. 펌프를 실제 현장에 설치한 후 운전한 결과 운전 조건이 상이한 점은 있으나 고정된 일정한 속도에서 밸브 제어 방식으로 운전할 경우 효율은 약 10% 정도 더 작아 서상호 등의 논문에서 언급한 성능 허용 오차 보다 미달하였다.⁽¹⁾ 그러나 인버터를 설치 후 변속 제어를 하였을 경우 펌프 자체의 효율에 허용 오차 범위 5%내에서 운전되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 7 
Comparison of H.P pump efficiencies vs. seawater temperature