다시 뛰는 공정도시 서울!

문서번호 전략연구과-2726 결재일자 2023. 4. 18. 공개여부 부분공개(5,6) 방침번호 시 민 주무관 전략연구과장 미래전략연구센터장 김규하 김효일 04/18 차동훈 미국수도협회 웨비나(Webinar) 참가결과 보고 2023. 4 서울물연구원 (전략연구과) 미국수도협회 웨비나(Webinar) 참가결과 보고 최신기술 동향 조사를 위해 수도사업자의 에너지 관리를 주제로 한 미국수도협회(AWWA) 웨비나에 참가하고 결과를 보고드림 Ⅰ 웨비나 개요 ○ 일시 : 2023. 3. 1. ○ 주관 : 미국 수도협회(AWWA) ○ 방법 : 온라인 참가 ○ 주제 : Preparing Water Utilities for the Future of Energy Management ― Part I: What Energy Information Should I Be Tracking?(수도사업자의 에너지 관리 미래 대비-1부 : 추적해야 하는 에너지 정보는 무엇인가?) 연 번 제 목 발표자 1 Energy Bills How to Read and Use the Information in Them Angela M. Hintz 2 Pumping Efficiency Opportunity Evaluation Through Simplified Data Analytics Peter Virag 3 Leveraging Energy Management Concepts to Improve Asset Management Programs…with a Touch of Pump SOS Eric Dole, PE, PSAP Ⅱ 주요 내용 1강(에너지 고지서-읽고 정보를 활용하는 방법) ○ 요금에 영향을 미치는 요인 - 용 도 : 상업용, 산업용, 가정용, 농업용 등의 다른 요금 구조 - 전압 변화 : 전압 변화가 클수록 에너지 효율 저감 - 지역 차이 : 지역별로 요금에 차이 - 에너지 공급업체/요금 구조 : 송전/배전 업체 동일 여부 등 - 사용 패턴 : 피크 및 피크 이외 시간 사용 및 수요 ○ 비가정용 요금 체계 구성 - 다음과 같이 3가지로 구성됨 요금 구성 특 성 기본 요금 사용량에 관계없이 부과 사용 요금 사용량에 대하여 부과 수요 요금 15분 또는 30분 피크 수요에 근거하여 부과 ○ 수요 요금(Demand Charge)의 중요성 - 수요 요금은 지난 12개월 동안의 피크 수요에 의해 결정됨 - 아래 그림과 같이 설비 수요를 분산시킴으로써 피크 수요를 낮출 수 있음 ○ 대규모 시설물에서 역률(Power Factor)의 중요성 - 역률은 교류 전원에서 전압과 전류의 위상차가 발생하여 피상 전력이 커지는 것을 나타내는 비율로 아래 그림과 같이 역률을 높이면 무효 전력(reactive power)이 낮아져 에너지를 저감할 수 있음 - 콘덴서나 콘덴서 뱅크를 전압과 전류의 위상차가 발생하는 부하에 병렬로 연결함으로써 역률을 높일 수 있음 2강(단순화된 데이터 분석을 통해 펌프 효율 개선 가능성 계산) ○ Opportunity Score - 시스템 레벨(정수장, 가압장 등)에서 에너지 대시보드(Dash Board)를 통해 구할 수 있음 - 에너지 효율을 나타내는 지표로 아래 식으로 산출가능함 (kWh/kgal) × 생산량 ※ kgal : 킬로 갤런 - 생산량이 많은 대상에서 전력원단위(kWh/kgal)를 작게 개선하는 것이 생산량이 작은 대상에서 전력원단위를 크게 개선하는 것보다 효과적임 <수계별 Opportunity Score 예시> ○ 시간에 따른 Opportunity Score 변화 - 시간에 따른 전력원단위(kWh/kgal)의 증가는 아래 3가지 중 하나 또는 3가지 모두의 조합이 원인으로 발생함 ① 설비 노화에 따른 효율 감소 : 하루 24시간 7일 내내 운전하면 펌프 효율은 0.5~1% 감소함 ② 펌핑 조건의 변화 : 전양정 및 유량이 설계 조건과 달라짐 ③ 운영 조건의 변화 : 과거와는 다른 운영 조건에서 동작함 - 생산량은 시간에 따라 감소함 ⇒ 펌프 효율이 감소함에 따라 초기 설계 조건과 다른 조건에서 운전됨 <시간 경과에 따른 변화-효율 감소, 공급능력 감소> - 날씨의 영향을 덜 받고 생산량이 많은 여름철(6월~8월)만 별도로 분석 하는 것도 에너지 개선 검토에 유용함 <기간 경과에 따른 전력원단위 데이터 ？ 여름철> ○ 이상값(Outlier) 식별을 위한 Hot Spot analysis method - 펌프에 의한 에너지 사용량을 왜곡시키지 않도록 여름철 데이터 활용 (난방 에너지 등 계절적 요인이 작음) - 월별 차이를 최소화하도록 3개월 데이터 활용 - 전양정(TDH, Total Dynamic Head) 데이터 필요 - 사용량 및 요금 고지서 필요 ※ 이상 효율의 원인들 · 설계 이후 펌핑 높이의 변화(지하수에서 생산량 감소) · 밸브의 교축(시스템 압력보다 펌핑 압력이 높음) · 현재 조건과 맞지 않는 펌프/모터의 크기(펌프 선도 문제) · 시간 경과에 따른 펌프의 노화(10년 이상 펌프 사용) ○ 자산 평가 단계 - 1단계 : 선별(Screening - ASHRAE Level 1 Energy Audit) ？ Level 1(데스크탑) - 제한된 입력 데이터로 선별 접근 · 3개월치 여름철 사용량 고지서 ？ kWh, $ · 동일 기간 생산량 데이터 · 가정 또는 대략적인 모터 및 펌프 효율 · 가정 또는 대략적인 펌핑 높이 및 시스템 압력 <검토항목 : 전양정, 3개월 송수량, 변속펌프 여부, 전력 사용량, 전력 요금> <이상적인 조건의 전력 사용량 및 전력원단위와 비교> ※ 현행 서울시 운영 사례 - 아래와 같이 분기(3개월)별로 5일간의 데이터를 활용하여 운전 효율 및 전력원단위를 산출하고 있음 - 엑셀 프로그램을 통해 수작업 계산하므로 임의의 분석 기간 지정이 안되고 변화 추이 분석 및 개선 가능성에 대한 검토가 곤란함 <서울시 송수계통별 펌프 운전효율 분석 사례 ？ 5일 주기 전력원단위 검토> - 월간 동력비와 관련하여 피크값 및 역률 데이터를 검토하고 있으나, 미국의 사례와 같이 개선 우선순위 등을 분석하는 것이 곤람함 <서울시 정수센터 월간 동력비 현황 분석 자료> ？ Level 2(데스크탑/현장) - 설치 위치의 세부사항 검토 · 펌핑 레벨 · 시설물 내 압력 손실(필터 등) · 시스템 압력 · 모터 명판 · 펌프 곡선 · 펌프 운영 시간 ※ 아래와 같이 관망해석 프로그램을 활용하여 개선 가능성 검토 <관망관리 프로그램(WaterGEMS)을 활용한 개선 가능성 검토-붉은 글씨> ？ Level 3(현장) - 개선 효과가 높은 지점의 펌프에 대한 집중 검토 · 다른 전기적 부하 목록 작성 · 압력 측정값과 전양정 가정값 검증 · 동작 시 펌프의 전기적 부하(현재 판넬 측정값 또는 클램프 미터 사용) · 명백한 원인이 있는지 확인(부하 50% 이하에서 동작하는 변속펌프, 밸브의 개도, 사용연수, 생산량 변화, 작업자 의견 등) <수계별 펌핑 에너지 개선을 위한 분석 결과> - 2단계 : 엔지니어링, 유지보수, 운영 솔루션으로 개선 효과 검토 ？ 인프라(지하수 관정, 건물 등) 또는 펌핑 문제 ？ 정례 투자계획의 충분한 절감, 정례적인 유지보수 활동, 고장 때까지 사용 후 적합한 크기의 펌프로 교체 ？ 설비 교체 및 수리를 위한 엔지니어링 설계 솔루션 - 3단계 : 수리 실행 - 4단계 : 운영 및 비용 절감 측면에서 효과적인 솔루션이었는지 검증 3강(자산관리 프로그램 개선을 위한 에너지 관리 개념 확대 ？ 펌프 SOS 적용) ○ 효율적인 펌핑 ？ 손쉬운 성과물 - 전형적인 75마력 펌프의 생애주기 비용은 다음 그림과 같고 운영비용 55%, 유지관리 비용 28%로 초기 구축비용 17% 대비 대부분의 비용을 차지함. ○ 펌프 SOS 프로젝트 - 지역 전기회사가 수요관리(DSM, Demand Side Management) 측면에서 펀드를 조성하여 지원하는 활동 - 목적 ？ 합리적인 결정을 위해 실행 가능한 정보 수집 ？ 운영 중인 펌프의 수명 연장 및 주요 자본 투자의 지연 ？ 펌프 시스템의 분석 향상 ？ 생산성 향상 및 경영 효율 제고 ？ 운영 효율 개선 ？ 의사 결정을 위한 비즈니스 사례 분석(투자회수기간 산정) - 사례 ？ 아래와 같이 최고 효율점(BEP, Best Efficiency Point)이 아닌 운전점 (OP PT, Operation Point)에서 운영하던 펌프를 운전점에 맞는 사양의 펌프로 교체한 결과, 효율은 향상(50%→75%)되고 동력은 감소 216 HP→144 HP)하여 연간 385,002 ㎾h를 절감하였음 ○ 에너지 효율 및 공정 최적화 과정 - 아래와 같은 단계를 따름 · 성능관련 데이터 검토 ⇒ 개선 가능성 검토 ⇒ 에너지 감사 ⇒ 세부 보고서 작성(투자수익률 계산) ⇒ 운영자 훈련 ※ ASHRAE(The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) 미국공조냉동공학회 EEM : Energy Efficiency Measure ○ 효과적인 펌프 효율 측정 - 운영 중 전력을 사용하는 것이 얼마나 효율적인지 확인 - 현재 효율을 더 효율이 좋은 설비 또는 수리적으로 개선된 관망에서 운영할 때와 비교 검토 - 동일 유량과 양정 조건을 충족하면서 현재 운영 시간과 전력량을 활용하는 방안 검토 - 더 효율적인 시스템으로 연간 전력량을 감소시키기 위해 동력 절감을 정량화(개념도 필요) - 자본 지출, 전력량 감소, 잠재적 회수를 반영한 간단한 투자수익률 추산 ○ 핵심 성능 인자(Key Performance Indicator, KPI) 추적을 통한 펌핑의 비효율성 분석 - 아래와 같이 펌프 KPI 전용 분석 프로그램(Dashboard)을 통해 성능 인자 변화 추이를 시각화하여 분석 Ⅲ 보고자 의견 ********************************************************************** ***************************************************************************** **************************************************************** ************************************************************************************************************** ********************************************************************* ******************************************************************************************************************** ****************************************************************************** **********************

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20230419045507

본청

전략연구과-2726

D0000047869699