기후변화 억제에 관한 다자간 국제협정으로 2015년 파리협정(COP21)이 채택된 이후 유엔의 지속가능한 개발 목표인 ‘SDGs’에서도 에너지 관련 항목이 선정됐다.

 

일본에서는 온실효과 가스 배출량을 2030년까지 26% 감축(2013년도 대비)하는 중기 목표를 세우고 있다. 이처럼 환경 문제가 주목을 받으면서 기업들은 에너지 절약 대책을 추진하게 됐다.

 

태양광 발전과 같은 재생가능 에너지를 도입해 전기의 에너지 절약은 충분히 대책이 되어 있는 한편, 열의 에너지 절약은 도입 비용이나 비용 대비 효과가 불투명해서 대책이 불충분한 경우가 있다. 산업 부문의 용도별 에너지 소비량에서는 전체의 56%를 열에너지가 차지하고 있어 열의 에너지 절약을 추진함으로써 에너지 절약 효과를 더욱 기대할 수 있다.

 

 

한편, 공장에서 열에너지는 보일러 설비에서 공급되는 증기가 일반적이다. 공장 내 증기 흐름의 한 예를 그림 1에 나타냈다.

 

 

보일러에서 만들어진 증기가 헤더를 통과해 반송 배관에서 각 건물로 분배된다. 배관 중간에는 증기가 식어서 액체로 되돌아온 드레인 물이 체류하기 때문에 스팀 트랩을 설치해 배관 내의 드레인 물을 배출하고 있다. 건물 내의 설비 근처까지 운반되어 온 증기는 감압 밸브에 의해 압력과 온도를 조절한 후에 사용한다. 이렇게 제조된 증기는 일반적으로 약 54%만 유효하게 활용할 수 있다. 이 증기의 유효 이용률을 향상시킬 수 있다면 에너지 절약 효과를 더욱 기대할 수 있다.

 

에너지 절약을 추진하기 위해서는 유량계를 설치하고 현재의 증기 사용량을 ‘가시화’하는 것이 중요하다. 단, 유량계를 설치할 때는 몇 가지 과제가 있으며, 이하와 같이 생각한다.

 

∙ 설치할 때에 설비를 멈추고 배관 시공을 해야 하며, 설치 후에 누출이 발생할 우려가 있다.

∙ 배관 내에 장애물이 있어 압력 손실이 발생.

∙ 설비 가동이 적을 때의 저유량을 계측할 수 없다.

∙ 워터해머에 의해 기존의 유량계가 부서져 버린다.

 

후지전기는 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 증기용 초음파 유량계를 라인업하고 있다.

 

제품의 주된 사양

 

액체용 초음파 유량계로 축적한 경험과 실적을 바탕으로 클램프 온식 증기용 초음파 유량계를 개발해 상품화하고 있다. 이 제품은 변환기, 검출기, 프리앰프 및 케이블로 구성되어 있다(그림 2).

 

 

검출기는 센서, 센서를 고정하는 장착기구, 노이즈 제거 프레임이 한 세트로 되어 있다. 또한 센서, 프리앰프 및 변환기는 구경에 관계없이 공통이며, 일시적으로 복수 구경을 측정한 경우에는 구경에 맞는 노이즈 제거 프레임과 장착기구를 준비해야 측정할 수 있다. 증기를 포함하는 기체는 액체에 비해 소리가 전파되기 어렵기 때문에 프리앰프와 노이즈 제거 프레임이 필요하다.

 

그 밖에 노이즈 제거 프레임에 의한 노이즈 저감, 시뮬레이션에 의한 센서 장착 위치 최적화․증기 알고리즘 구축 등을 통해 초음파 전파 효율을 개선함으로써 고감도, 고정도로 클램프 온식의 측정이 가능해졌다.

 

측정 방식은 전파시간차법을 채용하고 있다. 전파시간차법은 한 쌍의 센서 사이에서 측정 유체를 가로지르듯이 비스듬하게 초음파 펄스를 전파해 왕복시킨다. 측정 유체에 흐름이 있으면 왕복하는 초음파의 음속이 변화해 전파 시간에 차이가 생긴다. 이 전파 시간차를 이용해 측정한다.

 

후지전기가 측정할 수 있는 증기는 보일러 설비 등에 많이 사용되고 있는 포화 증기로, 온도 범위 120～180℃, 압력 범위 0.1～0.9MPa(G)이다. 주된 사양을 표 1에 나타냈다.

 

 

특징

 

제품은 이하와 같은 특징을 가지고 있다.

 

1. 배관공사가 불필요해 설비 가동 중에도 설치가 가능

배관 외측에서 센서를 고정하는 클램프 온식이므로 배관 내에 증기가 흐르고 있는 설비 가동 중에도 설치가 가능하다. 따라서 배관 시공비용과 기간을 줄일 수 있다.

 

또한 배관을 시공하지 않기 때문에 설치 후에 플랜지 접합면에서 증기가 누출될 가능성이 없어 점검 작업의 수고를 줄일 수 있다.

 

2. 압력 손실 없음

클램프 온식은 센서가 증기의 흐름을 저해하지 않기 때문에 압력 손실이 없다. 증기를 측정할 수 있는 다른 유량계인 차압식 유량계나 와류식 유량계는 인라인식으로, 양쪽 다 측정 원리상 증기의 흐름을 저해하는 장애물이 있어 압력 손실이 발생한다. 압력 손실이 있는 경우는 압력 손실로 손실되는 분량을 고려해 펌프를 추가로 가동시켜야 한다. 따라서 압력 손실이 없는 장비는 얼마 안 되지만 에너지 절약에 기여할 수 있다. 또한 장애물이 없어 워터해머 현상으로 인한 기기 고장의 위험이 없다.

 

3. 유량 제로부터 측정이 가능

초음파 유량계는 원리적으로 불감대라고 하는 입력이 어떤 일정 크기가 될 때까지 출력이 나오지 않는 현상이 없다. 따라서 정도는 약간 떨어지지만 유량은 제로에서부터 측정할 수 있다. 증기 배관은 밸브의 누출 등으로 인해 원래는 흐르지 않고 있을 터임에도 불구하고 흐르고 있는 경우가 있다. 기존의 다른 방식의 경우, 불감대가 있어 측정할 수 없었던 것을 동 제품으로는 측정할 수 있는 가능성이 커진다.

 

4. 질량 유량 환산이 가능

포화 증기는 온도 혹은 압력의 어느 한쪽을 알면 체적 유량으로부터 질량 유량으로 환산이 가능하다. 동 제품도 변환기 내에 질량 연산에 필요한 값의 데이터 테이블을 가지고 있기 때문에 온도계 또는 압력계의 외부 신호(DC 4～20mA)를 입력하거나, 옵션 기능을 선택해 백금 측온 저항체를 직접 접속함으로써 질량 유량을 출력하는 것이 가능하다.

 

열수지 분석 시스템에 대한 적용

 

클램프 온식 증기용 초음파 유량계를 도입해 측정함으로써 지금 사용하고 있는 증기량을 파악하고 에너지 절약의 실마리를 찾는 것이 가능하다. 한편 증기의 에너지 절약을 하기 위해서는 증기 설비의 열수지를 파악해 에너지 절약 대책을 구체화할 필요가 있다. 그래서 후지전기는 클램프 온식 증기용 초음파 유량계와 함께 열수지 자동 분석 시스템을 제안하고 있다.

 

이 시스템은 증기 설비 단위로 열에너지 흐름(열수지)을 가시화하고, 열 손실의 요인을 표면화한다. 설비의 대상은 포화 증기를 많이 사용하는 살균, 세정, 건조 설비이다.

 

1. 시스템 구성

증기용 초음파 유량계를 포함한 최대 15개의 온도·유량 센서를 필요에 따라 설치한다. 센서 데이터 및 설비 감시 시스템으로부터 취득한 운전·생산 데이터를 현장에 설치한 데이터 수집 분석 BOX에 집약한다. 데이터 수집 축적 BOX는 PLC 및 터치 패널로 구성된다. 그리고 집약한 데이터는 사무소의 분석 소프트웨어를 인스톨한 PC에서 데이터베이스 구축해 분석한다(그림 3).

 

 

2. 분석 기능

동 시스템은 실시간으로 증기 사용량·배열량 등을 수치로 가시화해 열수지 상태를 정량적으로 파악한다(그림 4). 그 결과를 데이터로 축적한다.

 

 

제품명이나 운전 모드로 추출 조건을 설정하면, 과거 데이터에서 ‘평소 상태’를 자동으로 추출해 상한 임계값을 자동으로 계산한다.

 

‘평소 상태’에 임계값을 설정하고, ‘평소와 다른 상태’ 즉 히트 밸런스가 무너진 상태가 발생하면 자동으로 감지한다.

 

‘평소와 다른 상태’ 데이터를 ‘평소 상태’와 후지전기의 독자적인 분석 기술로 비교 분석해 취득하고 있는 데이터 중에서 차이에 대한 영향도가 높은 데이터를 추출한다. 영향도가 높은 에너지 효율 악화의 요인 후보를 순위로 표시한다. 이 에너지 효율 악화 요인 후보가 에너지 절약의 힌트가 되거나 설비 고장의 징조가 된다.

 

예를 들어 밸브가 시간이 지남에 따라 열화하고, 생산에는 영향을 미치지 않아 일반적으로는 알아채지 못하는 수준으로 물의 과다 사용이 발생하고 있다고 하자. 배수 배열, 증기 입열이 평소보다 증가해 평소와 다른 열수지 상태를 감지한다. 이 검지된 데이터를 이용해 배수 배열 증가 후의 데이터와 ‘평소 상태’의 데이터를 비교해 ‘평소와 다른 상태’의 요인 분석을 한다. 에너지 효율 악화의 요인 후보 순위가 표시되고 센서 위치를 도면으로 확인하면, 물의 과다 사용이 판명되고 부근의 제어 밸브가 원인임이 밝혀진다. 그 결과 낭비되는 폐열을 대책함으로써 에너지 절약과 생산에 영향을 미치기 전에 밸브 고장을 미연에 예지할 수 있게 됐다.

 

3. 효과

요인 분석과 그 효과를 이하에 든다.

 

· 생산 로트마다 에너지 원단위의 편차 요인 분석 : 에너지 원단위를 악화시키는 요인을 파악해 운영 개선 등을 통해 에너지 절약을 실현할 수 있다.

· 열수지의 경시 변화를 분석 : 경시 열화가 큰 기기나 포인트를 파악해 조기에 메인티넌스를 함으로써 불필요한 열소비를 방지할 수 있다.

 

맺음말

 

후지전기는 최근의 에너지 절약 수요로부터 열에너지의 ‘증기’에 주목해 설비에서 많이 사용되고 있는 포화 증기를 측정할 수 있는 세계 최초의 클램프 온식 증기용 초음파 유량계를 개발했다. 또한 증기의 ‘가시화’뿐만 아니라, 에너지 절약 대책의 구체적인 입안으로 연결할 수 있는 증기 유량 설비 전체를 부감한 시스템 구축도 가능하다. 앞으로도 공장이 직면한 에너지 문제를 해결할 수 있는 제품을 시장에 출시해 갈 예정이다. 또한 에너지 문제에 대해 증기 유량계를 이용한 에너지 절약을 추진하는 데 도움이 되기를 바란다.