® 자료제공: (주)한국유체

1989년부터 세계적인 콤프레셔 전문 메이커인 미국의 퀸시 콤프레서사의 제품을 국내에 수입, 판매 및 A/S를 전담해 오던 (주)한국유체는 2002년 1월 파주에 생산공장을 준공하고 콤프레셔를 생산, 국내 시장에 공급하기 시작하였다.

그리고 압축공기 라인의 효율성 제고를 위한 공압분석 지원사업을 통하여 올바른 콤프레셔의 선정과 최적의 에어시스템의 구성을 통하여 고비용 에너지원인 압축공기의 오남용을 줄여 30% 이상의 에너지 절감을 실현하도록 분석사례집 `공압시스템 분석과 개선사례`를 발간하였다.

이달부터 연재로 소개하고자 하는 `공압시스템 분석과 개선사례`는 2002년부터 (주)한국유체의 기술자문을 맡고 있는 강원대학교 기계메카트로닉스 공학부 장인배 교수의 지원으로 작성된 분석보고서들 중 일부를 발췌하여 요약한 내용으로, (주)한국유체는 본 분석사업을 통하여 공압 시스템 에너지 효율을 얼마나 높일 수 있는가를 직접 보여주고 있다.
<편집자 주>

1.개요


부직포 생산공장의 공압 콤프레셔 및 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능 효율을 검증하기 위하여 공압 시스템 모니터링 장비인 SmartReaderTM Plus 3 전류 계측기 1세트와 SmartReaderTM Plus 4 압력 계측기 4 세트를 설치하여 2002년 8월 29일 오후 6시 ~ 8월 30일 오전 10 시까지 20시간 동안의 공압 시스템 작동상태 변화 추이를 모니터링하였다.

공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 그림 1과 같다.

■ 공압시스템은 150HP QSF 1기, 100HP QMA 1기, 50HP QMA 2기 및 50HP QSF 1기의 총 5기로 구성되어 있으며, 3기의 50HP급 콤프레셔들은 백업용으로 운영하고 있는 상태이다.

■ 전류 측정은 150HP QSF와 100HP QMA에 대하여 수행하였다.

2대의 콤프레셔 전원선에 홀효과형 전류 센서를 장착한 후 장비인 SmartReaderTM Plus 3 전류 계측기를 통하여 매 8초마다 한 세트의 전류신호를 측정하였다.

■ 압력 측정은 콤프레셔 후단의 리저버 탱크 압력(P2) , 드라이어 후단의 헤더라인 입구측 압력(P3), set takeup line 입구측 압력(P4) 및 set takeup line 커터측 압력(P5)과 같이 4개의 위치에 대하여 수행하였다. 압력 측정 위치들은 그림 1에 명기되어 있다.

■ 공압 시스템의 주 배관은 2 ½☺ 배관을 사용하고 있으며, 지관은 ½☺ 용량입니다. 리저버 탱크는 1.5㎥의 용량을 갖고 있으며, 탱크 입/출구측 파이프 직경은 40mm 이다.

2. 계측결과의 분석

그림 2에서 측정된 2대의 콤프레셔에서의 소비전류의 변화를 보여주고 있으며, 그림 3에서는 공압 시스템 내 각 위치별 압력 변화양상을 보여주고 있다.

이 두 그래프들로부터 다음과 같은 분석 결과가 도출되었다.

■ 그림 2에 따르면, 두 콤프레셔들은 주/야간에 걸쳐서 꾸준히 작동하고 있으며 두 콤프레셔 모두 주간에는 야간에 비하여 평균 약 4%정도 전류를 더 소비하고 있다.

공기의 소모량의 증가에 따른 콤프레셔 소비전류의 증대는 당연한 현상이므로 이 소비전류 증감 현상은 타당한 것으로 판단된다.

■ 100HP 용량의 QMA 콤프레셔는 기저 부하용으로 사용되어 소비전력의 리플 현상이 없어 꾸준하고도 안정적으로 전류를 소비하고 있다.

이에 반하여 150HP용량의 QSF 콤프레셔는 첨두 부하용으로 사용되어 리저버 탱크 내의 압력변화에 대하여 정확히 반대로 소비전류 패턴이 변화함을 알 수 있다.

리저버 탱크내의 압력은 5분 주기로 1분간 약 2.5psi 만큼의 압력증가 현상이 나타나는데, 압력 증가시 부하 감소로 콤프레셔의 소비전력이 감소한다.

■ 리저버 탱크 압력의 주기적인 상승에 따른 콤프레셔 소비전력의 변화량은 약 5%에 달하며 매우 급격하게 발생한다.

소비전력의 감소는 모터와 스크류 콤프레셔 주축 및 베어링에 주기적인 부하 변동을 가하므로, 시스템 수명의 감소와 콤프레셔 시스템 유지 보수 비용의 증대를 초래한다.

따라서, 탱크 압력변화 현상에 대한 보다 자세한 고찰이 필요하다. 이에 대해서는 아래에서 다시 논의하겠다.

■ 현재 5대의 콤프레셔 시스템은 상호 네트워크 없이 독자적으로 구동되고 있다.

따라서, 3대의 백업용으로 50HP 콤프레셔들은 주 콤프레셔의 고장시 자동으로 기동되는 것이 아니므로, 현재 운전중인 콤프레셔들 중 하나가 고장 등의 이유로 정지하게 되며 일단 공장 전체의 공압 공급 중단을 겪은 후에 시스템을 복구할 수밖에 없다.

대부분의 경우, 공압 공급 중단에 의한 공장 손실액은 콤프레셔 자동 기동 시스템을 네트워크으로 상호 연결하여, 주 콤프레셔의 정지시 자동적으로 백업 콤프레셔를 구동시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 Quincy QLC 시스템이 사용목적에 적합하므로 이를 추천한다.


■ 일반적인 경우, 주 콤프레셔의 운전이 정지된 후 자동적으로 백업 콤프레셔가 작동하여 압축공기 공급을 개시하는 데에는 약 15초의 시간이 필요하다.

이 기간동안에는 리저버 탱크가 공장내 압축공기 수요를 충당하여야만 하는데, 이경우 리저버 탱크가 공장내 압축공기를 소비하면서 점차로 공급압력이 떨어지게 된다.

150HP 콤프레셔의 기동 정지를 가정하여 15초 동안 리저버 탱크가 공기수요를 백업할 수 있으려면 주 배관라인의 허용 압력강하량이 5psi인 경우 15㎥의 리저버 탱크가 필요하며, 혀용 압력강하량이 10psi인 경우 약 7㎥의 리저버 탱크가 필요하다.

■ 허용 압력 강하량이 10psi라 함은 주 배관을 필요한 압력보다 10psi만큼 높게 유지함을 의미한다.

허용 압력 강하량을 높게 유지하면 전력의 손실이 증가합니다. 일반적으로 2psi 압력을 상승시킬 때 마다 1%의 소비전력의 증가를 초래한다.

■ 리저버 탱크의 용량 중설의 필요성에 대해서는 다음의 압력 측정 결과 분석에서 다시 언급하겠다.

■ 그림 3에서는 4개소에서 측정한 압력의 시간대별 변화 양상을 보여주고 있다. 공압 콤프레셔는 약 95psi로 압력이 설정되어 있으며, 콤프레셔의 소비전력 변화의 범위 내에서 공기압이 조절되고 있습니다.

공장 내에서는 소모량의 차이는 있지만 꾸준하게 공기를 소모하고 있어 콤프레셔의 언로딩은 발생하지 않고 있다.

■ ②에 따르면 탱크 내 압력 P2와 드라이어 및 필터를 거친 주배관 압력 P3 사이에는 8~10psi로, 과도한 차압이 발생하고 있음을 알 수 있다. 이에 대해서는 두 가지 원인을 예상할 수 있는데, 일반적으로 드라이어와 필터를 거면서 발생하는 차압은 3~5psi 정도가 적당하다.

따라서 과도한 차압의 발생은 필터의 막힘에 그 원인이 있지만 이 공장의 경우에는 필터 교체후 시간이 얼마 흐르지 않은 점으로 미루어 보아 차압의 원인은 유로저항인것으로판단된다.

현재 탱크의 입/출구측 직경은 40mm로 직경이 62.5mm인 주 배관에 비해 단면적이 64%밖에 되지 않는다.

따라서, 충분한 용량의 콤프레셔와 주 배관라인을 설치하였음에도 불구하고 탱크 입/출구의 단면적 감소에 따른 유로저항으로 약 5psi 정도의 압력손실이 발생함을 유추할 수 있다.

따라서 이에 대한 개선을 통하여 약 2.5%의 전력 절감이 가능함을 예상할 수 있다.

■ 주간에는 야간에 비하여 압축공기의 수요가 증가하여 ⑥에서와 같이 주 배관에서는 약 3~5psi 정도의 압력이 강하하며, 공기 수요가 피크를 이루는 오전 10시 이후에는 ④에서와 같이 추가적으로 약4psi 이상의 약력 강하가 발생함을 알 수 있다.

이는 탱크 압력에도 영향을 끼쳐 ⑤와 같이 탱크내 압력이 약 1.5~2psi 정도의 강하가 초래됨을 알 수 있다. 공장 내 압축공기 소모량(수요)의 중대에 따라 주배관의 압력이 떨어진다는 것은 드라이어와 필터 전단에 위치한 리저버 탱크가 원활하게 압축 공기를 공급하고 있지 못함을 의미한다.

공장 내에서 생산이 5psi 이상인 주배관 압력 변동에 영향을 받지 않게 하기 위해서는 주배관 압력을 필요 압력보다 최소한 5psi 이상 높게 유지함을 의미하고 이는 최소한 2.5%의 전력을 낭비하고 있음을 의미한다.

주배관 압력의 변화는 전력 소모의 원인이 될 뿐만 아니라 제품 품질의 균일성을 저해한다. 이와 같은 압력 변동을 방지하기 위해서는 주 배관라인상에 리저버 탱크를 설치하여야 하며, 그 용도는 앞서 설명한 백업 시스템용 리저버 증설과도 부합된다.

■ 주 배관과 지관 사이의 압력차는 ③에서와 같이 약 2psi 정도가 발생하고 있으며 이는 매우 정상적이므로, 지관의 상태는 양호함을 알 수 있다.

■ 현재 압축공기 시스템 전반에 걸쳐서 가장 심각한 문제는 ①에서와 같이 5분 주기로 4분간은 압력이 낮아져서 안정화 되고 있다가 1분간 갑자기 압력이 상승하는 현상이 공압 시스템 전반에 걸쳐 발생하고 있다는 점이다.

①을 확대한 그림을 살펴보면 지관 압력 P4와 주배관 압력 P3가 크기와 형태가 동일한 것으로 미루어 보아 측정을 수행한 set takeup line 이 압력변화의 원인이 아님은 확실하다.

특히, 리저버 탱크의 압력 변화폭은 주 배관의 절반 정도인 것으로 보아 리저버 탱크나 콤프레셔 등도 압력 변동의 원인이 아니다.

그런데, 이 압력의 변동폭이 5psi 내외이므로, 그 원인이 되는 기기에서는 이보다 훨씬 더 큰 압력변동을 수반할 것임은 자명하다.

이 압력의 변동은 콤프레셔의 소비전력 변화양상에도 영향을 끼쳐, 앞서 언급한 것처럼 콤프레셔의 기기 수명에도 영향을 줄 정도이므로, 생산라인 전체에 걸쳐 기기의 수명이나 제품의 품질 등에 지대한 영향을 끼칠 것이다.

따라서, 그 원인의 파악과 대처는 무엇보다도 중요하다.

3. 문제점 분석과 대응방안

대응방안은 첫째, 공압 시스템 전반의 공기압 안정화 방안을 모색하여야만 한다. 유로저항이나 리저버 용량 부족 등과 같은 용량 부족은 압력의 요동을 심화시켜 결과적으로 제품의 균일화를 저해하고 주 배관을 높은 압력으로 유지하도록 만들어 전력비를 상승시키는 원인이 된다. 따라서, 다음과 같이 공압 시스템을 개선할 것을 제안한다.

①현재 설치되어 있는 리저버 탱크의 입/출구 직경 확대를 권고한다. 리저버 탱크의 입/출구 직경 감소에 따른 유로저항의 증대로 탱크와 주 배관 사이에 과도한 차압이 발생하여 전력 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 공기수요 증대에 따른 주배관의 압력 강하게도 효과적으로 반응하지 못하고 있다.

②주 배관라인상에 리저버 탱크를 설치할 것을 추천한다.

공압 수요의 갑작스러운 증대는 주 배관의 압력 요동을 증대시키므로, 이를 방지하기 위해서 리저버 탱크를 설치하여야 한다. 일반적으로 리저버 탱크를 설치하지 않고 주배관 압력을 필요 압력보다 약 10psi정도 높게 유지하는 사례를 많이 볼 수 있는데, 이는 약 5%의 전력비 손실을 초래하며, 제품의 균일성을 저해하는 원인이 되므로 피해야 한다.

③리저버 탱크의 용량이 충분치 못하여 야간에는 압축 공기 생산에 여유가 있음에도 불구하고 콤프레셔가 언로딩되지 않고 있음을 알 수 있다. 만약, 리저버 탱크의 용량이 증설된다면, 콤프레셔는 리저버 탱크를 채우고 난 후 언로딩되어 상당한 전력 절감효과를 꾀할 수 있을 것으로 예상된다.

④현재 5대의 콤프레셔 시스템은 상호 네트워크으로 연결되어 있지 못하여 주콤프레셔 고장시 공장 전체의 압축공기 공급중단에 따른 손실을 피할 수 없다. 이를 방지하기 위해서는 앞서 추천한 QLC 시스템을 설치하고 리저버 탱크를 증설할 필요가 있다. 7㎥ 정도의 용량으로 탱크를 설치하면 150HP 콤프레셔 고장시 15초 이내에 10psi 이내의 압력 강하를 수반하면서 자동적으로 시스템이 복귀된다. 이미 1.5㎥ 의 탱크가 있으므로, 5.5㎥의 리저버 탱크를 주 배관 라인상에 설치할 것을 추천한다.