제조업에서 생산설비에 사용되는 중요한 에너지원 중 하나는 전력에너지이며, 에너지 다소비 업종의 생산설비 즉, 플랜트에서는 사용하는 에너지의 절감과 효율 운전은 매우 중요한 관심사항이다. 본 논문에서는 생산 플랜트의 한 공정에서 가장 빈번히 사용되는 유도전동기를 모델로 하여 실제 진단, 계측을 통하여 측정값을 얻고, 기존의 운전 중인 설비들을 고효율 기기로 교체하였을 경우의 경제성을 분석하였다. 이를 위해서 현재 운전 중인 설비와 고효율설비로 교체하였을 경우에 대하여 각각 설비들의 연간 운전비용과 자본회수계수에 의한 연간 투자비용을 계산하였고, 이를 합산한 연간 총 운용비용을 비교하여 고효율설비의 경제적 타당성을 입증하였다.
제조업에서 생산설비에 사용되는 중요한 에너지원 중 하나는 전력에너지이며, 에너지 다소비 업종의 생산설비 즉, 플랜트에서는 사용하는 에너지의 절감과 효율 운전은 매우 중요한 관심사항이다. 본 논문에서는 생산 플랜트의 한 공정에서 가장 빈번히 사용되는 유도전동기를 모델로 하여 실제 진단, 계측을 통하여 측정값을 얻고, 기존의 운전 중인 설비들을 고효율 기기로 교체하였을 경우의 경제성을 분석하였다. 이를 위해서 현재 운전 중인 설비와 고효율설비로 교체하였을 경우에 대하여 각각 설비들의 연간 운전비용과 자본회수계수에 의한 연간 투자비용을 계산하였고, 이를 합산한 연간 총 운용비용을 비교하여 고효율설비의 경제적 타당성을 입증하였다.
This paper is about the economic analysis of the replacement of electric facilities in the production facilities. As the interest of energy is increasing, the efficiency of facilities become more important. So, in this paper, we diagnosed facilities, especially electric motors, in the plant and calc...
This paper is about the economic analysis of the replacement of electric facilities in the production facilities. As the interest of energy is increasing, the efficiency of facilities become more important. So, in this paper, we diagnosed facilities, especially electric motors, in the plant and calculated the operating efficiency, power loss with the load factor. And when we replace these facilities into high-efficiency motors, we also calculated new energy efficiency, energy loss and economic analysis through capital recovery factor. As a result, we economically proved that using high-efficiency motor is more beneficial than using non-high-efficiency motors in the model process.
This paper is about the economic analysis of the replacement of electric facilities in the production facilities. As the interest of energy is increasing, the efficiency of facilities become more important. So, in this paper, we diagnosed facilities, especially electric motors, in the plant and calculated the operating efficiency, power loss with the load factor. And when we replace these facilities into high-efficiency motors, we also calculated new energy efficiency, energy loss and economic analysis through capital recovery factor. As a result, we economically proved that using high-efficiency motor is more beneficial than using non-high-efficiency motors in the model process.
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문제 정의
고효율 설비로 교체하였을 경우의 경제적 이득과 개선된 에너지 효율을 산정하기위하여는 대상을 선정하여야 하는데, 가정용의 경우에 사용주체의 수가 매우 많고, 개별관리가 어려운단점이 있는 반면, 산업용 설비는 설비가 집중되어있고 효율과 에너지 사용의 감시, 통계 및 분석이 용이하다는 장점이 있다. 따라서 본 논문에서는 운전중인 생산설비에서 내에서 고효율설비 사용 시의 경제성을 분석한다.
다음 표 1에는 편의상 3상 평균전압, 평균전류만을 표현하였으며 기타 계측 및계산 값들의 전체 결과를 보여준다. 본 논문에서는편의상 계측시간 현재, 해당 공정에서 운전 중인 전동기중 소용량의 전동기를 제외한 특정 용량이상 대표적인 전동기 9기에 대하여 계측 및 계산하였다. 예를 들어 본 공정에서 1번 전동기는 부하율 58.
가설 설정
2.2절에서 고려한 것처럼 전력 단가를 60.25[원 /kWh]라 하고 본 설비가 연간 330[일] 가동되는 설비라고 가정하면 연간 운전시간은 7, 920[시간]이다. 예를 들어 1번 전동기의 경우 운전 중인 일반 전동기의 경우 환산 투자비용이 98기천원/년], 운전비용이 30, 826[천원셰으로 총 운용비용이 31, 813[천원/년] 이지만, 고효율 전동기일 때는 환산 투자비용이 1, 126[천워년], 운전비용이 29, 642[천원년]으로 총운용비용이 30, 768[천원/년]이므로 약 1, 045[천원/년] 의 총 운용비용이 절감된다.
표 3의 전체적인 결과로써 기존의 전동기의 경우의 총 운용비용은 87, 891[천원/년]이고, 고효율 전동기의 경우 85, 花3[천원/년]으로 운용비용이 약 2, 428[천원/년] 절감된다고 판단된다. 본 논문에서는 운전비용과 전동기 초기 투자비용 외에 설치, 수리 및 각종 보전비용은 고효율인 경우에도 동일하다고 가정하여 운용비용의 계산에서 제외하였다.
5년) 정도로 산정하고 투자비용의 이율을 년 5[%]라고 할 때 고효율 전동기들에 대한 자본회수계수를 사용하여 연간 소요금액을 계산하였다[12]. 본공정에서 계산한 전동기가격의 전체 합은 일반형일때 21, 68이천원]이고 고효율형일 때 30, 95이천원]으로 초기 투자비용의 차이는 9, 342[천원]으로 가정하였다.
제안 방법
다음의 표 3에서 본 논문의 모델 공정에서 이미 설치되어 운전하고 있는 전동기와 동일 용량의 고효율전동기의 손실, 효율, 연간 투자비용, 전력사용에 따른 연간 운전비용을 비교하였다. 표 3의 투자 비용은 전동기의 초기 구입 시의 가격을 식 (4)의 자본 회수계수를 적용하여 예상수명을 7.
본 논문에서 계측한 전동기의 실제 운전 환경 조건은 생산설비에서의 건조공정과 그 전후 공정이므로주위온도를 고려한 권선온도를 140[℃]로 고려하였다. 또한 절연등급은 F종이므로 예상수명곡선으로부터 전동기의 평균 연속운전수명을 약 60, 000시간 (약 7.5년) 정도로 산정하고 투자비용의 이율을 년 5[%]라고 할 때 고효율 전동기들에 대한 자본회수계수를 사용하여 연간 소요금액을 계산하였다[12]. 본공정에서 계산한 전동기가격의 전체 합은 일반형일때 21, 68이천원]이고 고효율형일 때 30, 95이천원]으로 초기 투자비용의 차이는 9, 342[천원]으로 가정하였다.
또한 전동기의 절연등급에 따른 예상수명곡선으로부터 대략적인 수명을 판단할 수 있다{12]. 본 논문에서 계측한 전동기의 실제 운전 환경 조건은 생산설비에서의 건조공정과 그 전후 공정이므로주위온도를 고려한 권선온도를 140[℃]로 고려하였다. 또한 절연등급은 F종이므로 예상수명곡선으로부터 전동기의 평균 연속운전수명을 약 60, 000시간 (약 7.
본 논문에서는 각 전동기마다 정격, 전압, 전류를파악 및 계측하여 운전효율을 구하고 전동기들의 불평형률을 계산하였다. 다음 표 1에는 편의상 3상 평균전압, 평균전류만을 표현하였으며 기타 계측 및계산 값들의 전체 결과를 보여준다.
본 논문에서는 설비(특히 전동기)를 고효율 설비로 바꾸었을 때 경제적 이득을 손실전력량과 투자 비용의 자본회수계수를 고려하여 계산하였다. 이를 위하여 한 생산설비에서 운전 중인 전동기들의 계 측 값으로 전동기의 사용전력과 손실을 계산하였고, 이설비들을 고효율 전동기로 교체 시의 증가한 투자 비용을 연간 투자비용으로 환산하고, 손실저감에 따른 사용전력 요금의 절감액도 연간 환산하여 공정 전체의 연간 총 운용비용을 간략하게 계산하였다.
따라서 표 2 는 표 1에서 이미 계산한 공정 내에서 운전 중인 일반 전동기들의 실제 출력전력을 이용하여, 고효율전동기가 일반전동기와 동일한 출력을 낼 때의 입력, 손실전력 등을 계산한 것이다. 이 경우에도 표 1의 계산의 경우와 마찬가지로 교체하려고 하는 국내 한 제조사의 개별 고효율 전동기의 정격효율에 의해 파악한 효율특성으로 각각 운전효율과 손실전력을 계산하였다. 따라서 표 2의 상황은 실제 계측상황이 아니므로 계측 값은 존재치 아니한다.
자본회수계수를 고려하여 계산하였다. 이를 위하여 한 생산설비에서 운전 중인 전동기들의 계 측 값으로 전동기의 사용전력과 손실을 계산하였고, 이설비들을 고효율 전동기로 교체 시의 증가한 투자 비용을 연간 투자비용으로 환산하고, 손실저감에 따른 사용전력 요금의 절감액도 연간 환산하여 공정 전체의 연간 총 운용비용을 간략하게 계산하였다.
전동기 제작시의 용량(전동기 명판 기재)과 전동기의 사용 용량을 계측하여 비교함으로써 현재 사용 중인 전동기의 적정운전 여부를 판단할 수 있다. 이에 따라서 현재 사용 중인 전동기의 유지 보수 계획, 나아가서 향후 전동기 교체시의 새로운 전동기의 용량을 결정하는 기준을 제시할 수 있다.
성능/효과
이득이 증가한다. 따라서 연간 운전시간이 변화할 때의 총 운용비용을 비교해 보면, 전동기들이연간 약 1, 650[시간]이상 운전할 때에만 고효율전동기에서의 연간 총 운용비용이 더 경제적인 것으로판단되었다. 본 공정은 상시 운전되는 공정이므로필요한 최소한의 운전시간을 중분히 상회하기 때문에 고효율기기로 설비 교체시의 충분한 경제성을 갖추었다고 판단된다.
또한 본 논문의 전동기에서 연간 운전시간이 길면길수록 고효율 전동기의 절감양이 증가하므로 경제적인 이득이 증가한다. 따라서 연간 운전시간이 변화할 때의 총 운용비용을 비교해 보면, 전동기들이연간 약 1, 650[시간]이상 운전할 때에만 고효율전동기에서의 연간 총 운용비용이 더 경제적인 것으로판단되었다.
표 1의 전체를 요약하면, 본 공정의 전체 전동기들의 정격용량은 410[kW]이고 전체 사용 중인 부하 용량은 약 177[kW]이고 각 전동기들의 해당 설비이용률에서 손실전력의 합은 약 17.8[kW]이고 이에 따른 전체 전동기들의 운전 효율은 약 9아:%]로 산정된다. 표 1에는 편의상 3상 전압, 전류의 평균값만을 기입하였으며 각 상 전압에 의해 계산한 전압 불평 형률을 적시하지 아니하였지만, 각 상 전압으로 계산한 전압불평형률은 모든 전동기에서 0.
5년 동안 지속적으로 절감된다고볼 수 있다. 표 3의 전체적인 결과로써 기존의 전동기의 경우의 총 운용비용은 87, 891[천원/년]이고, 고효율 전동기의 경우 85, 花3[천원/년]으로 운용비용이 약 2, 428[천원/년] 절감된다고 판단된다. 본 논문에서는 운전비용과 전동기 초기 투자비용 외에 설치, 수리 및 각종 보전비용은 고효율인 경우에도 동일하다고 가정하여 운용비용의 계산에서 제외하였다.
후속연구
428[천원/년]이 절감된다. 따라서 향후 본 공정에서 전동기 교체 시에는 반드시 고효율 전동기로 교체하는 것이 경제적이라고 판단되며, 이 계산과정은향후 타 플랜트의 고효율기기 교체시의 경제성분석에도 동일하게 적용 가능한 것으로 판단된다.
손실 값이 매우 크지는 않지만 본 설비의 특성상 연중 계속해서 일일 3교대로 생산설비가가동 중이므로 이 손실전력량은 무시할 수 없는 에너지가 된다. 따라서 향후에 설비의 유지, 보수 또는전동기의 교체 시에 기존의 일반 전동기 대신 고효율 전동기를 사용하게 되면 손실전력이 감소하여 경제성 측면에서 유리하게 되며, 이에 대한 판단이 필요하다. 이는 단순히 고효율 전동기의 초기 투자비용이 설비의 사용에 따른 손실전력량 절감에 의해서몇 년 후에 회수되는 가에 대한 것뿐 아니라, 이율을고려한 현 투자비용을 미래가치로 환산하는 과정을포함해야 한다.
이에 따라서 현재 사용 중인 전동기의 유지 보수 계획, 나아가서 향후 전동기 교체시의 새로운 전동기의 용량을 결정하는 기준을 제시할 수 있다. 표 1에서 볼 수 있는 것처럼 플랜트에서는 전동기의 정격용량과 운전용량의 차이가 큰 경우가 많으므로 이 경우 전동기들은 유지, 보수, 교체 계획이 반드시 필요하다고 볼 수 있다.
참고문헌 (13)
박형준, 정찬수 외, '플랜트의 에너지 효율산정에 관한 연구', 한국 조명전기설비학회 추계학술대회 논문집, pp. 329 - pp. 333, 2006
박형준, 정찬수, '생산설비에서 에너지효율 산정', 한국 조명전기설비학회 논문지, 2007. 07
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