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기술력

엑서지 분석기법

엑서지 분석기법에 대한 설명입니다.

공정을 이해하기 위한 가장 중요한 도구는 엑서지 기법입니다. 엑서지기법은 열역학 2법칙으로 유용한 일(Available work, Availability)을 나타내는 개념에서 출발하며 화학, 생물학, 열·일의 전달 등을 포함하는 모든 공정에 적용될 수 있습니다. 기존의 열역학 1법칙은 에너지의 양적 정량화만 가능할 뿐 에너지의 질적 정량화와 에너지의 손실 지점의 정의는 적용할 수 없습니다. 열역학 2법칙에 기반하는 엑서지(Exergy)개념을 적용할 경우 각 흐름에 대한 엑서지 계산을 통해 에너지의 양과 질을 동시에 평가하는 방법으로서 전체 공정에서 투입되는 Input 및 Output상의 열·물질 수지를 통하여 설계상의 엑서지 오류를 파악 및 분석을 통해 에너지 손실 지점 및 손실량을 명확히 정의할수 있으며, 이를 통한 손실 저감방안 도출 및 효율 개선이 가능합니다.

엑서지 진단 가이드라인

1. 공정에서 열역학적 구동력을 과다하게 크거나 적게 사용하지 말 것.

2. 서로 다른 온도, 압력 및 화학성분을 가진 물질의 혼합을 최소로 할 것.

3. 고온에서 열을 외기 또는 냉각수로 버리지 말 것.

4. 냉동흐름을 고온의 증기 또는 냉각수를 이용하여 가열하지 말 것.

5. 열교환을 위한 흐름을 선정하는 경우에, 한 흐름의 배출온도가 다른 흐름의 투입온도와 비슷한 흐름을 선정할 것.

6. 두 흐름간에 열 교환을 수행하는 경우에, 두 흐름간의 열 용량이 비슷하다면 보다 효율적임. 두 흐름간의 열용량 차이가 큰 경우에는 열 용량이 큰 흐름을 분기할 것.

7. 두 흐름간의 열 교환 시에 중간 열 전달 매체의 사용을 최소로 할 것.

8. 열(또는 냉매)은 그것의 온도가 외기로부터 멀리 떨어질수록 가치 있음.

9. 열 교환기에서 경제적으로 최적 ΔT는 온도가 감소할수록 적어짐.

10. 증기 또는 가스들의 교축을 최소로 할 것.

11. 유량이 클수록 에너지를 줄일 수 있는 기회는 더 커짐.

12. 공정개선을 위한 엑서지 계산시 복잡한 방법은 피할 것.

13. 엑서지 손실의 일부는 피할 수 없는 양이므로, 개선할 수 있는 양에만 노력을 집중할 것.

14. 투자비를 감소시키기 위하여 필요한 엑서지 소모는 인정할 것.

15. 모든 대향류 열전달은 병류등에 비하여 열역학적으로 효율적임.

16. 마찰 또는 비 가역 열 전달로 인한 엑서지 손실은 공정의 온도가 낮은 경우에 보다 커진다. 특히 외기보다 온도가 낮은 경우에 이러한 손실을 최소로 할 것.

17. 팬이나 압축기는 공정에서 가장 온도가 낮은 부분에 위치하여야 함.

18. 배관, 밸브 및 연소기 등의 누설을 제거할 것.

19. 기계적 에너지에 의하여 구동되는 시스템에서, 터빈의 응축기가 냉동기 등에서 환경으로의 열 방출은 플랜트 내부의 비가역성을 반영하는 것임.

20. 팽창된 증기의 압축을 피할 것.

21. 엑서지 손실을 줄이는 과정에서 여타 엑서지 손실을 증가시키지 말 것.

22. 열역학적 공정들에서 공정의 수요를 늘리지 말 것.

23. 둘 이상의 유용한 생성물은 생산하는 cogeneration을 도입할 것.

24. 제시된 대안이 시스템의 여타 부분에 미치는 영향을 고려할 것.

25. 비 엑서지 비용은 공정을 따라 증가함을 고려할 것.

26. 엑서지 손실 저감 시 공정상에서 손실이 가장 큰 위치와, 엑서지 가치가 가장 큰 부분에 집중할 것.

엑서지 분석 가이드라인들은 사용하기 쉽고 너무 단순하여 좋은 결과를 내기 어려울 것처럼 보이지만 이 엑서지 분석 가이드라인은 아주 효과적이고 강력한 분석 도구입니다. 어떤 공정의 진단을 하기 위해서 먼저 공정을 이해하여야 합니다. 그 다음 설계상의 엑서지 오류를 찾아야 하며 모든 엑서지 오류가 개선된 경우 열역학적 구동력을 변화시키면서 연료와 투자비 측면에서 분석을 진행하여야 합니다. 그 다음 다시 엑서지 오류를 찾고 필요하다면 위의 과정을 반복하여 진행합니다.

엑서지 분석(계산)

(예시) 가이드라인 1, 2, 5, 6 위배 사례 - 지역난방 열사용 시설의 열교환기

Hot stream(T2), Cold stream(T1)의 온도에 따른 열교환 과정이 위 그림과 같다고 가정했을 때 T2와 T1사이의 면적을 엑서지가 소모되는 면적으로 볼 수 있습니다. T2와 T1의 온도차에 의한 기울기가 같아질수록 엑서지의 손실은 저감됩니다.

위 식과 같이 두 흐름의 기울기가 같아지면 아래 그림과 같이 엑서지 손실이 저감됩니다.

열교환기의 엑서지 손실은 엑서지 손실 부분과 엑서지 소모 부분으로 구분하여야 합니다.

엑서지 파괴 = 엑서지 손실 + 엑서지 소모

Hot·Cold stream의 공급·환수온도 제어 등을 통해 엑서지 손실은 더욱 저감이 가능하지만 가이드라인 1번에서 볼 수 있듯이 과도한 엑서지 손실의 저감은 펌프 동력비 증가 및 투자비 증가 등 다른 손실의 원인이 될 수 있습니다.

A동의 열교환기 측정 데이터로 △T1은 8℃, △T2는 52℃로 약 6.5배의 온도차를 보이고 있으며 가이드라인 1, 2의 오류 사례가 될 수 있습니다.

B동의 열교환기 또한 가이드라인 1, 2의 오류 사례지만 가이드라인 4를 기준했을 때 A동에 비하여 두 유체의 기울기의 차이가 적게 나타난 사례입니다. B동의 열교환기 측정 데이터로 △T1은 16℃, △T2는 45℃로 약 2.8배의 온도차를 보이고 있습니다. A동의 난방부하는 2,806.3MJ/hr, B동의 난방부하는 1,640.9MJ/hr로 각각의 운전 방식으로 열교환을 한다고 가정하였을 때 온도 및 유량의 값은 다음 표에 나타내었습니다.

엑서지 손실량을 비교해보면 차이는 0.96배로 크지 않지만 Cold stream의 난방 유량 차이는 2.0배로 크게 나타났습니다. Hot stream의 공급온도 6℃ 감소, Cold stream 환수온도 7℃ 감소로 △T2/△T1은 6.5에서 2.8배로 온도차 그래프의 기울기의 차이가 감소하였고 그로인해 난방부하 2,806.3MJ/hr일 때 Hot stream 유량 2m3/hr 증가, Cold stream 유량 41.9m3/hr 감소하였고, 1,640.9MJ/hr일 때 Hot stream 유량 1.2m3/hr 증가, Cold stream 유량 24.5m3/hr 감소한 것으로 나타났습니다. 정확한 비교를 위해서 Hot stream 난방수의 증가와 Cold stream 난방수 감소의 차이로 Hot stream 난방수 증가로 인한 난방 요금 증가와 Cold stream 난방수 감소로 인한 펌프 동력비 감소를 비교해볼 필요가 있습니다. 또한 측정 데이터에서 Hot stream의 공급온도는 104℃에서 98℃로 감소된 것은 보온의 문제이거나 측정 오차로 인한 차이로 추정 되지만 Hot stream의 공급온도 감소로 Cold stream과의 온도차 기울기(△T2/△T1)를 1에 가깝게 조정하는 것 또한 가능하다고 판단됩니다. 어떤 경우에는 열교환기에서 엑서지 손실이 감소되어도 연료의 절감은 발생하지 않을 수 있습니다. 또 다른 경우 열교환기에서 절감된 엑서지는 공정 내부의 다른 위치의 엑서지를 더욱 절감시키는 경우도 발생합니다. 위의 비교에서처럼 두 흐름의 기울기를 같게 되도록 개선하는 과정에서 엑서지 손실은 소량 증가하였지만 Cold stream의 난방 유량 감소 및 Hot stream의 연료비 절감의 효과를 발생할 수 있습니다. 이처럼 엑서지 손실 저감으로 인해 다른 부분의 손실 여부와 손실이 발생한다면 어떤 방법이 경제적이고 합리적인 방법인지 비교를 해야만 합니다.

정리

열교환의 경우 두 흐름의 온도차 기울기가 같을수록 엑서지 손실은 저감됩니다.
사례 : 서로 다른 운전방식의 열교환기 온도차 비교
         두 흐름의 기울기의 차이가 적을수록 난방 유량의 사용량이 적어짐
         두 흐름의 온도차 기울기 변화를 위해 유량제어 방식 필요
         엑서지 파괴 = 엑서지 손실 + 엑서지 소모
         엑서지 손실 저감에 있어 그로인해 저감되는 것과 다른 부분의 손실 여부를 판단하여 경제적이고 합리적인 방법 선택