[논문]터보냉동기의 고효율 운전을 위한 협조 방식 기반의 압축기 대수제어

정석권; 임승관; 류근수

doi:10.6110/kjacr.2015.27.5.233

[국내논문] 터보냉동기의 고효율 운전을 위한 협조 방식 기반의 압축기 대수제어
Operating Number Control of Compressors Based on Cooperative Logic for a High Efficiency Centrifugal Water Chiller 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.27 no.5, 2015년, pp.233 - 240

정석권 (부경대학교 냉동공조공학과) , 임승관 (부경대학교 대학원 냉동공조공학과) , 류근수 (하이에어코리아(주) 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper discusses compressors operating number control strategy using cooperative logic to cope with variable partial load for high efficiency of a centrifugal water chiller. The cooperative logic is composed of a speed-up and speed-down controller, enabling smooth operation of compressors and equivalent distribution of thermal load in each compressor. This centrifugal water chiller design can be operated with high efficiency without incurring excessive energy waste and large transient phenomena at partial load states. Simulations in MATLAB and experiments in a real chiller system were conducted and verified the high efficiency control of a centrifugal water chiller achieved by the suggested strategy.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이점에 주목, 부분부하시 고효율 운전이 가능한 협조 로직 기반의 압축기 대수제어 방법을 제안한다. 이를 위해 네 대의 압축기로 구성된 터보냉동기 시스템을 고려한다.
이 경우 에너지 소비와 제어량의 과도현상을 최소화하는 가속 패턴 즉 가속 기울기를 결정하는 것이 중요한 문제로 된다. 이 문제를 검토하기 위해 본 연구에서는 터보냉동기의 실용적 모델링에 의한 협조 방식의 대수제어 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 터보냉동기의 고효율 부분부하 운전을 위해 PI 피드백제어 및 압축기 협조제어 방식 기반의 대수제어법을 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제어 성능 및 COP를 분석함으로써 제안 방식의 타당성을 검증하였다.

가설 설정

2는 협조 방식에 의한 압축기 대수제어의 패턴을 보여주는 개념도이다. 본 연구에서 가정한 네 대의 압축기가 전부하에 대응하기 위해 순차적으로 기동하는 방식을 보인다. 우선 Comp.
여기서 k는 샘플링 시각, e(k)는 제어편차이다. k=0는 가속제어기로 전환된 시각이며 샘플링 주기는 Ts로 가정한다. 가속제어기는 이 e(k)를 적절한 크기의 양수 값이 되게 설계한다.

제안 방법

제안한 압축기 대수제어의 효용성을 검토하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션과 1300 RT급 시스템을 대상으로 실험을 수행한다. 다양한 부분부하 하에서의 압축기 대수제어 실험을 수행하고, 이로부터 얻어진 제어 성능과 COP에 대한 결과 분석을 통해 제안 방식의 타당성을 검증한다.
대수제어의 핵심은 압축기 추가 기동시 과도한 에너지 소비와 불필요한 과도현상을 줄이는 것이다. 이를 위해 압축기의 추가 기동시, 후행(lag) 압축기가 원활하게 기동하도록 선행(lead) 압축기의 속도를 일정 회 전수까지 감소시키는 감속제어기를 설계한다. 또한 후행 압축기가 기동 후, 일정 회전수에 도달하면, 선행 압축기와 동일 기울기로 목표 회전수까지 가속시켜 운전 중인 압축기들이 동일한 부하 분담을 하도록 가속제어기를 설계한다.
이를 위해 압축기의 추가 기동시, 후행(lag) 압축기가 원활하게 기동하도록 선행(lead) 압축기의 속도를 일정 회 전수까지 감소시키는 감속제어기를 설계한다. 또한 후행 압축기가 기동 후, 일정 회전수에 도달하면, 선행 압축기와 동일 기울기로 목표 회전수까지 가속시켜 운전 중인 압축기들이 동일한 부하 분담을 하도록 가속제어기를 설계한다.
터보냉동기는 수냉식 1300 RT급 실험 설비를 사용하였다. 열부하는 냉각수 탱크와 냉수 탱크의 물을 유량제어를 통해 출구 측 6.7℃의 냉수와 35℃의 냉각수를 혼합시켜 냉수입구온도를 12.2℃로 일정하게 유지함으로써 실현하였다. 터보 냉동기의 주요 온도 정보는, 온도센서인 T-type 열전대(thermocouple)와 PT-1000(오차 0.
2℃로 일정하게 유지함으로써 실현하였다. 터보 냉동기의 주요 온도 정보는, 온도센서인 T-type 열전대(thermocouple)와 PT-1000(오차 0.08℃)을 Fig. 9에서와 같이 증발기 출구, 냉수출구, 냉수입구 측에 각각 부 착하였고, 계측된 정보는 실시간 PLC로 전송하였다.
실험에 사용한 부하는 4단계로 전부하시 냉수입구 와 출구온도 차인 ΔT = 5.5℃를 기준으로 하여 100%, 75%, 50%, 25% 부하에 해당하는 냉수출구온도 6.7℃, 8.1℃, 9.5℃, 10.8℃를 각각 설정하였다.
우선 설계한 PI 제어기가 다양한 부분부하시 냉수출구온도를 설정값으로 제어하는지 실험을 통해 확인하였다. 실험에 사용한 부하는 4단계로 전부하시 냉수입구 와 출구온도 차인 ΔT = 5.
다음, 설계한 압축기 대수제어기의 성능을 조사하기 위해 전부하 상태에서 압축기 기동 실험을 수행하고, 압축기의 협조 방식에 따른 냉수출구온도의 제어 성능을 확인하였다. 마지막으로 가속제어기의 기울기와 COP 관계를 검토하기 위해 가속 기울기 설계값으로 선정된 0.
42 세 가지 경우를 대상으로 실험한 결과를 보인다. 가속제어기의 기울기가 각기 다른 세 가지 경우의 평균 COP 분석을 통해 가속 기울기가 COP에 미치는 영향을 분석하였다. 단 COP 계산은 “COP = 냉동효과/압축일”로 계산하였으며 모든 부하를 동등한 비중으로 취급하였다.

대상 데이터

대수제어기는 가속(speed-up)제어기와 감속(speed- down)제어기로 구성되며 압축기의 추가 운전 시 불필요한 에너지 소비와 제어량의 과도현상을 줄이 도록 설계된다. 제안한 압축기 대수제어의 효용성을 검토하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션과 1300 RT급 시스템을 대상으로 실험을 수행한다. 다양한 부분부하 하에서의 압축기 대수제어 실험을 수행하고, 이로부터 얻어진 제어 성능과 COP에 대한 결과 분석을 통해 제안 방식의 타당성을 검증한다.
9는 제안한 대수제어 로직의 타당성을 검증하기 위한 터보냉동기 통합제어 시스템을 나타낸다. 시스템은 총 네 대의 압축기로 구성되며, 압축기 두 대당 한 대의 EEV(Electronic Expansion Valve)가 한 조로 구성되어 있다. 통합 제어장치로는 PLC(Programmable Logic Controller), 압축기 회전수 제어장치로는 전용 인버터, EEV 제어는 자기비례(proportional magnet) 전자제어 방식의 드라이브를 각각 사용하였다.
시스템은 총 네 대의 압축기로 구성되며, 압축기 두 대당 한 대의 EEV(Electronic Expansion Valve)가 한 조로 구성되어 있다. 통합 제어장치로는 PLC(Programmable Logic Controller), 압축기 회전수 제어장치로는 전용 인버터, EEV 제어는 자기비례(proportional magnet) 전자제어 방식의 드라이브를 각각 사용하였다. 터보냉동기는 수냉식 1300 RT급 실험 설비를 사용하였다.
통합 제어장치로는 PLC(Programmable Logic Controller), 압축기 회전수 제어장치로는 전용 인버터, EEV 제어는 자기비례(proportional magnet) 전자제어 방식의 드라이브를 각각 사용하였다. 터보냉동기는 수냉식 1300 RT급 실험 설비를 사용하였다. 열부하는 냉각수 탱크와 냉수 탱크의 물을 유량제어를 통해 출구 측 6.

데이터처리

본 논문에서는 터보냉동기의 고효율 부분부하 운전을 위해 PI 피드백제어 및 압축기 협조제어 방식 기반의 대수제어법을 제안하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 제어 성능 및 COP를 분석함으로써 제안 방식의 타당성을 검증하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

이론/모형

대수제어 시뮬레이션을 위해서는 터보냉동기의 동특성에 대한 모델이 필요하다. 압축기의 입력인 속도 지령값(demand, De)과 냉동기의 최종 출력인 냉수출구온도 T₁ 간의 압축기 대수별 전달함수 G_i(s)(i=1～4)가 섭동법에 의해 실험적인 방법으로 구해졌다. ⁽⁶⁾ 전달함수는 전형적인 1차 지연 요소인 K/(rs+1) 형태로 나타났으며 그 특성값인 DC 게인 K와 시정수 r를 Table 1에 정리하였다.
Table 3과 Table 4는 실험장치의 주요 사양과 실험 조건을 각각 나타낸다. PI 제어기 타당성 검증을 위한 냉수출구온도 지령값은 미국 냉동협회(AHRI550/590)에서 규정한⁽²⁾ 6.7℃로 설정하였다.

성능/효과

시뮬레이션 결과, 냉수출구온도 T1은 설정값 6.7℃ 에 정상상태오차 ±0.1℃ 이내로 제어됨을 보였다.
냉수출구온도의 정상상태오차는 ±0.1℃로, 설계된 압축기 대수제어 로직은 전부하 및 부분부하시에도 KS 조건(10)을 만족함을 시뮬레이션을 통해 알 수 있었다.
또한 압축기 대수제어시 선·후행 압축기가 협조 방식에 의해 제어되고 있음을 확인할 수 있다. 특히, 가속제어기의 기울기가 0.62일 때 평균 COP가 4.88로 나타나 나머지 다른 두 가지 가속 기울기에 비해 가장 높게 나타났다. Fig.
62에서 ±20% 증·감시킨 경우의 (a) 압축기의 D_e, (b) 냉수입·출구온도, (c) COP를 나타낸 것이다. 가속제어기 기울기를 20% 감소시킨 경우의 평균 COP는 4.78, 20% 증가시킨 경우의 평균 COP는 4.79로 나타났다. 결국 평균 COP는 설계된 가속 기울기 값이 기울기를 20% 감소시킨 경우 대비 약 2% 증가한 것으로 나타났다.
79로 나타났다. 결국 평균 COP는 설계된 가속 기울기 값이 기울기를 20% 감소시킨 경우 대비 약 2% 증가한 것으로 나타났다.
그러나 이는 시제품 터보냉동기의 성능상의 문제일 뿐 제어 문제와는 별개라는 점에 유의할 필요가 있다. 제안된 대수제어법은 시제품 터보냉동기가 갖는 최대 성능을 발휘, 고효율로 운전 가능한 방법임을 확인하였다.
(2) 설계한 PI 제어기는 부분부하에서의 냉수출구온도를 설정값에 매우 엄밀하게 추종시켰으며, 정상상태오차는 ±0.2℃ 이내로 KS 기준(±0.5℃)을 충분히 만족하였다.
(1) PI 제어기 및 협조 로직에 기반한 압축기 대수제어 시뮬레이션은 다양한 부하에서의 터보냉동기 제어 시의 실제 거동을 잘 모사하였다.
(3) 설계한 협조 로직(speed-up and speed-down)의 가・감속제어기는 부분부하에 적합한 압축기 대수를 일정한 기울기로 상승 및 하강할 수 있도록 제어함으로써 터보냉동기의 COP 증가에 기여하였다.

후속연구

본 연구에서 사용된 터보냉동기는 초기 개발 단계의 시제품이었던 관계로 고효율 인증에 충분한 COP(5 이상)가 확보되지 않은 문제점이 있다. 그러나 이는 시제품 터보냉동기의 성능상의 문제일 뿐 제어 문제와는 별개라는 점에 유의할 필요가 있다.
본 연구에서 제안한 협조 방식 대수제어 설계법은 압축기 대수제어의 체계적 설계에 유용한 수단이 될 것으로 평가된다. 또한 본 연구에서 제안한 압축기 대수제어 방식은 제어 정도, COP 등을 종합적으로 고려한 결과, 터보냉동기 시스템의 고효율 운전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서 제안한 협조 방식 대수제어 설계법은 압축기 대수제어의 체계적 설계에 유용한 수단이 될 것으로 평가된다. 또한 본 연구에서 제안한 압축기 대수제어 방식은 제어 정도, COP 등을 종합적으로 고려한 결과, 터보냉동기 시스템의 고효율 운전에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하절기에 건물의 냉방부하의 전력 수요 차지 비율은?	최근 지구 온난화 현상의 가속화 및 건축물의 고층화, 대형화 등으로 인해 전력 소비량이 급증, 안정적인 전력 수급이 국가 현안이 되고 있다. 특히 건물의 냉방부하가 하절기 전력 수요량의 20% 이상을 차지하고 있어, 공조용 터보냉동기의 고효율 운전이 한층 중요한 이슈가 되고 있다. 터보냉동기는 고속 회전하는 압축기 임펠러의 원심력을 이용, 냉매가스를 압축함으로써 냉동 효과를 얻기 때문에 전기모터가 장착된 압축기에서의 전력 소모가 매우 크다.
	터보냉동기의 전력 소모가 큰 이유는?	특히 건물의 냉방부하가 하절기 전력 수요량의 20% 이상을 차지하고 있어, 공조용 터보냉동기의 고효율 운전이 한층 중요한 이슈가 되고 있다. 터보냉동기는 고속 회전하는 압축기 임펠러의 원심력을 이용, 냉매가스를 압축함으로써 냉동 효과를 얻기 때문에 전기모터가 장착된 압축기에서의 전력 소모가 매우 크다. 하지만 이 냉동기는 긴 수명, 저렴한 초기 투자비, 양호한 유지 및 보수성뿐만 아니라 대용량에서는 효율(COP 5 이상)이 좋아 일정 기저부하를 갖는 상업용 건축물 및 대형 빌딩의 중앙 공조용, 또는 원자력 발전소나 플랜트의 냉수 냉각용으로 현재 널리 이용되고 있다.
	터보냉동기가 일정 기저부하를 갖는 상업용 건축물 및 대형 빌딩의 중앙공조용, 원자력 발전소나 플랜트의 냉수 냉각용으로 널리 쓰이고 있는 이유는?	터보냉동기는 고속 회전하는 압축기 임펠러의 원심력을 이용, 냉매가스를 압축함으로써 냉동 효과를 얻기 때문에 전기모터가 장착된 압축기에서의 전력 소모가 매우 크다. 하지만 이 냉동기는 긴 수명, 저렴한 초기 투자비, 양호한 유지 및 보수성뿐만 아니라 대용량에서는 효율(COP 5 이상)이 좋아 일정 기저부하를 갖는 상업용 건축물 및 대형 빌딩의 중앙 공조용, 또는 원자력 발전소나 플랜트의 냉수 냉각용으로 현재 널리 이용되고 있다. (1)

참고문헌 (15)

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Jang, Y. S., Shin, Y. G., Kim, Y. G., and Baik, Y. J., 2001, Field performance test and prediction of power consumption of a centrifugal chiller, Vol. 25, No. 12, pp. 1730-1738.
Kang, H. S., 1988, Chiller optimization control, SAREK, Vol. 17, No. 6, pp. 642-645.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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