집진기, 미스트 콜렉터 및 흄 집진 시스템의 공기량 최적화

작성자: Lori Lehner, Donaldson Torit 기술 교육 관리자

필터 수명 연장, 에너지 절약, 비용 절감

집진기, 미스트 콜렉터 및 흄 집진기의 공기량 제어를 최적화하면 필터 수명 연장, 에너지 및 전체 비용 절감과 같은 주요 이점을 누릴 수 있습니다. 또한 많은 응용 분야에서 적절한 공기량은 품질과 직결됩니다. 스테인리스 스틸 웰딩 공정에서 공기량이 너무 많으면 실드 가스가 웰딩에서 빠져나가므로, 품질이 낮은 심이 형성될 수 있습니다. 반대로 공기량이 너무 적으면 조작자가 6가크롬과 같은 위험한 화합물에 노출될 수 있습니다.

가연성 분진이 발생할 수 있는 재료 가공 공정에서는 적절한 공기량이 특히 중요합니다. 공기량이 너무 많으면 귀중한 제품이 공정에서 빠져나가 폐기물 스트림으로 갈 수 있으며, 반대로 공기량이 너무 적으면 분진이 공정을 빠져나가 시설 내 가연성 분진 위험이 잠재적으로 증가할 수 있기 때문입니다.

공기량이 필터 수명에 미치는 영향은 대개 작동 중에 간과되지만, 필터를 처음 설치할 때는 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 작동 중에 새 필터의 초기 압력 저항이 낮으면 시스템을 통과하는 공기량이 증가할 수 있습니다. 이는 작동 자체에는 문제가 되지 않을 수 있지만 필터의 총 작동 수명을 크게 줄일 수 있습니다(종종 절반 이상). 설계 공기량을 유지하기 위한 공기량 제어 전략은 전체 필터 성능 수명을 연장해 줍니다.

에너지 절감액과 전체 비용은 공기량 제어 전략에 따라 다양하며 다음 논의에서 간략히 설명하겠습니다.

공기량을 제어하는 전통적인 방법은 집진기 팬의 배출구 댐퍼를 수동으로 조정하는 것입니다. 시간의 흐름에 따라 시스템 변경 조건에 맞춰 적절하게 그리고 자주 조정한다면 공기량을 제어하는 효과적인 방법이 될 수 있습니다. 안타깝게도 모든 조작자가 배출구 댐퍼를 올바르게 조정하는 방법을 알고 있는 것은 아니며, 그 결과 종종 공장의 필터 수명이 단축되고 제품 품질이 저하되며 시설 관리 및 운영 비용이 증가하는 결과가 발생합니다.

공기량 제어를 최적화하는 대안적 접근법은 다음과 같습니다.

• 흡입구 베인 댐퍼 사용
• 시브를 교체하여 팬 조정
• 주파수 변조 드라이브(VFD)가 장착된 디지털 제어 시스템 사용

다음은 각 항목의 장점 및 단점입니다.

흡입구 베인 댐퍼

흡입구 베인 댐퍼는 팬에 공기가 유입될 때 미리 공기를 회전시켜 팬이 과하게 작동하지 않도록 방지하여 에너지를 절감해줍니다. 이 옵션은 비교적 적은 자본 비용으로 일정 수준의 마력과 에너지 절감 효과를 제공합니다. 흡입구 베인 댐퍼의 단점은 시간이 지남에 따라 변화하는 시스템 조건에 맞춰 여전히 댐퍼를 수동 조절해야 하며 댐퍼에 대한 잠재적인 유지 관리가 필요하다는 것입니다. 

모터 및/또는 팬의 시브를 교체하여 팬 조정

공기량을 제어하는 또 다른 옵션은 모터 및/또는 팬에 새로운 시브를 설치하여 팬 회전 속도를 실제로 변경하는 것입니다. 팬의 회전 속도가 낮아져 제동 마력이 줄기 때문에 운영 비용이 절감됩니다. 이 방법은 비용 효율적일 수 있지만, 다양한 조건에서 팬 속도를 조절하기란 쉽지 않습니다. 또한 시스템 조건이 시간이 지남에 따라 변경되므로, 공기량을 미세하게 조정하기 위해 댐퍼를 계속 사용해야 합니다. 

보통 시스템 설계 중 시스템 속도를 유지 관리하는 데 보수적 수치를 적용하므로 시브 교체 전략은 드문 일이 아닙니다. 보수적인 설계 추정치를 파악하고 제거하면, 에너지 절약 효과를 얻을 수 있습니다. 설계자는 덕트 설계에서 예상치 못한 저항이 발생할 것을 고려하여 대개 팬에 정적 용량을 1~2 인치 더 포함합니다. 

보수적인 설계 관행의 한 예는 곡물 산업입니다. 많은 설계자가 필터에 분진이 축적되면서 일어나는 시스템의 정적 변화 때문에 최소 이송 속도로 분당 4,500 피트를 사용합니다. 조작자는 덕트에 분진이 쌓이지 않도록 배출구 댐퍼(있다고 가정할 경우)를 조정하지 않을 수 있으며, 이는 가연성 분진과 중량의 위험을 초래할 수 있습니다. 시스템 설계자는 종종 예상하지 못한 공기량의 감소를 해결하기 위해 요구사항보다 더 높은 보수적인 속도를 사용합니다.

주파수 변조 드라이브(VFD)를 통한 디지털 제어

집진기의 공기량을 최적화하는 가장 효과적인 방법은 주파수 변조 드라이브(VFD)를 사용하는 디지털 제어입니다.¹ 이 방법은 덕트의 속도 압력 또는 집진기 흡입구의 정압과 같은 시스템 매개변수를 모니터링합니다. 이 두 가지 모두 체적 유량과 같이 원하는 작동 매개변수와 직접적인 관련이 있을 수 있습니다. VFD를 사용하는 디지털 제어 시스템은 시스템 상태를 모니터링하며, 시간이 흐르면서 변화하는 시스템 조건에 맞춰 자동으로 공기량을 조정할 수 있습니다.

디지털 제어식 VFD의 주요 이점은 시스템 조건 변화에 따라 설계 공기량이 자동으로 유지된다는 것입니다. 설계 공기량이 설정된 후에 기술자가 초기 시동 중 제어 변수에 대해 디지털 컨트롤러를 설정합니다. 따라서 나중에 시스템 조건이 변화하더라도(예: 필터에 분진이 쌓여 압력 강하 증가) 댐퍼를 수동으로 조정할 필요가 없습니다. 디지털 제어식 VFD 공기량 시스템은 후드에서 적절한 포집량을 유지하고, 생산성을 높게 유지하며, 제품이 공정에 있어야 할 곳을 벗어나지 않게 하고, 작업자의 호흡 구역에 양질의 공기가 제공되도록 돕습니다.  또한 일관된 이송 속도를 보장하여 덕트 내 물질이 축적되는 것을 방지하고, 덕트 내 화재와 같은 유지 관리 및 잠재적 위험 가능성을 최소화합니다. 

또한 디지털 제어식 VFD 시스템은 피크 수요량을 줄임으로써 모터 소프트 스타트와 유사한 에너지 절약 효과를 선사합니다. 디지털 제어식 VFD를 사용할 때의 또 다른 이점은 소음 감소입니다.  과도한 공기량과 이로 인한 속도를 방지하면 배출구 댐퍼를 사용하는 것에 비해 소음이 크게 줄어듭니다. 열 용사 공장을 운영하는 한 고객은 디지털 제어식 VFD 시스템을 갖춘 집진기를 설치한 후로 소음이 극적으로 감소하여 기존의 집진기도 모두 VFD로 리트로핏(retrofit)할 계획이라고 말했습니다.

디지털 제어식 VFD 시스템의 단점은 자본 비용입니다. VFD 제어 시스템을 고려할 때 DSIRE™(Database of State Incentives for Renewables & Efficiency)와 지역 전기 및 가스 기업와 같은 사이트에서 환불금을 찾아보십시오.  이러한 인센티브는 대개 상당한 수준이어서 디지털 제어식 VFD 시스템에 드는 자본 비용의 상당 부분을 상쇄해 줄 수 있습니다.  일부 기업의 경우 장비를 구매하기 위해 구매 주문서를 발행하기 전 승인된 경우라 하더라도 신청서를 제출해야 하니 참고하시기 바랍니다.

필터 수명이 끝나갈 때 시스템 정적 하중이 필요한 10 "wg 대신 평균 7 "wg인 경우에는 VFD를 사용하여 팬의 평균 속도를 1,680 RPM까지 줄일 수 있습니다.  이 시점에서 연간 운영 비용은 더 낮을 수밖에 없습니다.

필터의 작동 수명 대부분에 걸쳐 팬은 총 12,500달러의 비용을 소요하므로, 연간 4,500달러 차이가 납니다. 따라서 해당 비용을 모두 절약할 수 있습니다. 결국 이 팬 덕분에 정압 인치당 1,500달러가 절약된다는 의미이며, 절감 효과는 수년 동안 지속됩니다.

동일한 시나리오에서 kWh당 0.20달러를 사용할 경우, 연간 18,000달러 또는 정압 인치당 6,000달러가 절약됩니다.

집진기 공기량과 정확히 일치하는 팬 곡선에도 예상치 못한 장애물과 필터 조건의 변화를 수용하기 위해 1~2 인치의 추가 정압이 포함됩니다. 시스템이 설계 공기량을 자동으로 유지하므로, 덕트 내 물질이 공기 흐름 밖으로 빠져나갈 위험이 감소하고 덜 보수적인 이송 속도를 선택할 수 있습니다.

더 높은 비용 절감

VFD 공기량 컨트롤러를 갖춘 시스템은 초기에는 비용이 더 많이 들지만, 에너지 절감액만을 기준으로 했을 때 ROI(투자 수익)는 대개 2년 미만입니다. 여기에는 긴 필터 수명과 효율적인 공정 제어를 통해 얻을 수 있는 추가적인 절감 효과는 포함되지 않았습니다. 

시스템을 더욱 최적화하고 더 많은 에너지를 절약할 수 있는 방법은 다음과 같습니다.

• 고품질 필터 여과지를 사용하면 분진이 필터 깊숙이 포집되지 않고 표면에만 포집됩니다. 따라서 세척 성능이 향상되고, 압력 강하가 감소하며, 필터 수명이 길어집니다. 정압의 인치마다 비용이 소요되며 표면 포집 여과지를 사용하면 대개 일반 여과지보다 평균 정압을 1~2 인치까지 절감할 수 있다는 사실을 명심하십시오.
   
  
• 더 많은 에너지를 절약하기 위해 시스템을 다음과 같이 수정합니다.
  • 덕트관이 일자가 되도록 불필요한 L자 관을 제거합니다.
  • 팬 바로 앞에 있는 모든 L자 관을 모두 잘 설계된 흡입구 박스로 교체합니다.
  • 모든 T 피팅을 전형적인 30도 브랜치 입구로 교체하고 비효율적이거나 손상된 후드를 재설계하거나 교체합니다.

VFD 공기량 컨트롤러는 집진기, 흄 집진기 또는 미스트 콜렉터의 공기 흐름을 최적화하여 필터 수명을 연장하고 에너지를 절약하며 궁극적으로 비용을 절감하므로, 가장 신뢰할 수 있는 옵션임이 입증되었습니다.