® 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

경기도 용인시에 소재한 밸브공장의 공압 콤프레셔 및 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능효율을 검증하기 위하여 2002년 9월 6일 정오 12시~9월 7일 오후 3시까지 27시간 동안의 공압 시스템 작동상태 변화 추이를 모니터링하였다.  공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치위치는 <그림 1>과 같다.

콤프레셔 룸에는 2대의 100HP 콤프레셔와 3대의 50HP 콤프레셔가 설치되어 있으며 콤프레셔 간에는 주배관을 통한 상호 연결이 되어 있지 않고 각자 독자적인 공압라인을 형성하고 있다.
전류의 측정은 2대의 100HP 콤프레셔와 2대의 50HP 콤프레셔들에 대해 수행하였다. 4대의 콤프레셔 전원선에 홀 효과형 전류센서를 장착한 후 SmartReader Plus 3 전류 계측기를 통하여 매 8초마다 한 세트의 전류신호를 측정하였다.

압력 측정은 콤프레셔 후단의 리저버 탱크 압력(P2), 드라이어와 필터를 통과한 후의 압력(P3), 레귤레이터를 통과한 후의 쇼트 블러스팅기 입구압력(P4)와 같이 3개의 위치에 대하여 수행하였다.
압력 측정 위치들은 <그림 1>에 명기되어 있다.





2. 계측결과의 분석

계측결과의 분석은 전류의 변화와 압력의 변화를 동시에 측정한 100HP 콤프레셔에 연결된 쇼트 블러스팅기를 중심으로 수행하였다.

100HP LG 콤프레셔는 로딩/언로딩 방식으로 구동되는 증속기어가 장착된 스크류형 콤프레셔로, 언로딩 설정압력은 110psi, 로딩 설정압력은 87psi이다.

이 콤프레셔는 공압 시스템의 공기 소모량이 감소하여 리저버 탱크의 압력이 110psi까지 상승하면 공기유입측 밸브가 닫히고(언로딩), 다시, 공기 소모량이 증가하여 리저버 탱크 압력이 설정압력인 87psi에 도달하게 되면 공기 유입측 밸브가 열리면서 최대 출력으로 공기를 압축(로딩)한다.

또한, 언로딩 후 일정시간이 경과하면 콤프레셔는 소비전력의 절감을 위해 작동을 정지한다. 일반적으로 언로딩시에 콤프레셔의 토출유량은 0이지만 최대 출력시의 50%에 달하는 전력을 소모한다.




<그림 2>를 살펴보면 많은 기간 동안 콤프레셔는 로딩과 언로딩을 반복하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이 로딩과 언로딩을 반복하고 있다는 것은 콤프레셔의 용량이 현 시스템의 공기 수요보다 과도하게 크며, 리저버 탱크는 이에 반해서 너무 부족함을 의미한다.

특히, 로딩과 언로딩이 10분 간격으로 발생한다는 것은 시스템 내에서 공기 소모가 거의 없다는 것을 의미하며 이는 <그림 2>의 (5)에서와 같이 리저버 탱크의 압력이 점차로 감소하여 로딩 압력인 87psi에 도달하여 콤프레셔가 동작하자마자 리저버 탱크 내의 압력은 급상승하여 곧 언로딩 압력에 도달하는 현상으로부터 명확하게 확인할 수 있다.

콤프레셔가 연속 작동하는 기간에 비해 언로딩 기간이 전체 측정기간 중 47%에 달함을 알 수 있다. 언로딩 기간 중에도 콤프레셔는 50%의 전력을 소모하므로 만약, 리저버 탱크의 용량을 증설하여 콤프레셔의 언로딩 기간 중 50% 시간 동안만이라도 콤프레셔를 정지시킬 수 있다면 연간 전력 소비량을 15% 절감할 수 있으며, 현재 독립적으로 작동하는 공압 시스템을 통합하여 운영하게 된다면 언로딩 기간의 80% 이상에 대해 콤프레셔를 정지시킬 수 있을 것으로 예상되므로 약 25%의 연간 전력 소비량을 절감할 수 있다.

<그림 2>에서 9월 7일 AM 6:00, AM10:09, AM10:59, AM11:31 에서의 콤프레셔 소비전력 변화를 살펴보면 약 3~5분 정도 콤프레셔 시스템이 다운된 것을 알 수 있다.

공기의 수요가 없는 경우 콤프레셔는 언로딩되며, 일정시간이 경과하면 콤프레셔는 소비전력의 절감을 위해 정지하도록 제어시스템이 구성되어 있다.

그러나 이런 정상적인 시스템 정지의 경우에는 <그림 2>의 (2)에서와 같이 리저버 탱크의 압력 증가에 따라 콤프레셔 소비전력이 지수함수적으로 감소하다가 일정시간이 지난 후에 콤프레셔가 정지하면서 소비전력이 0이 된다.

그런데 <그림 2>의 (1), (3) 및 (4)의 경우에는 리저버 탱크의 압력 증가 현상이 없는데도 갑자기 콤프레셔가 다운되었음을 알 수 있다.

콤프레셔가 다운되었음에도 불구하고 공기 소모가 계속되어 공기압이 떨어진다는 것은 쇼트 블러스트기가 작동하고 있음을 의미한다.

따라서 소비전력 과다에 의한 정전보다는 콤프레셔 컨트롤러의 오작동이나 콤프레셔의 순간적인 고장이 원인이며, 콤프레셔 시스템의 전반적인 신뢰성에 대한 검토가 필요하다.



<그림 3>의 (1)에 따르면 리저버 탱크에서의 압력과 드라이어/필터 통과후 압력은 약 10psi의 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 이는 연결관의 직경 부족에 의한 과도한 유로저항, 드라이어, 필터 및 애프터쿨러 등의 용량부족 등에 의한 것으로 추정된다.

정상적인 시스템에서는 리저버 탱크 압력과 드라이어/필터 통과 후 압력 사이의 차이는 5psi 이하여야 한다.

현재, 개별적으로 운영되는 공압 시스템을 통합하여 운영하면서 드라이어와 필터 등을 용량에 맞게 설치하여 운영한다면 약 5psi의 압력손실은 줄일 수 있다.

일반적으로 공압 시스템에서 압력손실 2psi에 전력소비는 총 전력비용의 1%가 발생한다. 따라서 5psi의 압력손실을 막으면 2.5%의 전력수요 절감이 가능하다.

쇼트 블러스트기는 약 62psi의 공압에 의해 작동하고, 가끔씩 작동을 중지함을 알 수 있다. 작동 중지는 비주기적이며 중지기간도 일정치 않지만 이 기간 중에는 공기를 소모하지 않는다.

이와 같이 순간적으로 공기소모가 감소하면 콤프레셔는 즉각적으로 언로딩 상태로 들어가며, 블러스트기가 작동을 개시하면 즉각적으로 콤프레셔가 로딩된다.
이와 같이 콤프레셔가 기기의 작동상태에 즉각적으로 반응한다는 것은 리저버 탱크가 전혀 리저버로서의 역할을 수행하지 못함을 의미한다.

리귤레이터 통과 후의 압력이 공기 수요 변화에 따라 62psi에서 70psi로 상승함에 따라 레귤레이터 전단 압력은 83psi에서 110psi 까지 상승하며, 그에 따라서 탱크압력도 93psi에서 110psi 까지 상승함을 관찰할 수 있다. 압력의 요동을 막으며, 컴프레서의 생성압력과 그에 따른 탱크 압력을 기기의 실제 사용압력에 최대한 근접하도록 낮출 수 있으며, 이는 전력비의 절감에 직결된다.

리저버 탱크의 용량을 개별적인 공압 시스템에 대해서 증설하기 보다는 시스템을 통합하여 전체적으로 충분한 용량의 리저버를 설치하는 것이 공압의 안정화에 도움이 된다.
리저버의 용량 증설을 통하여 현재 110psi~88psi 구간에서 운영되는 탱크 압력을 90psi~80psi 영역까지 낮출 수 있을 것으로 판단되며, 이는 7.5%의 전력수요 절감이 가능함을 의미한다.

<그림 3>의 (3)을 살펴보면 탱크 압력과 레귤레이터 전단의 압력이 동일함을 발견할 수 있으며, 이는 블러스팅기가 정지하여 공기를 소모하지 않고 있음을 의미한다.
그럼에도 불구하고 탱크 압력은 110psi에서 급격하게 감소하고 있음을 관찰할 수 있는데, 이는 리크가 극심하게 발생하고 있음을 반증하는 것으로, 현재 공기 수요의 상당부분이 리크로 소비되고 있음을 알 수 있다.

이에 따라서, 콤프레셔는 정지하여도 무방한 기간 동안에도 단리 리크 때문에 콤프레셔는 주기적으로 리크를 보충하기 위해서 로딩되고 있다.

많은 경우, 이러한 종류의 리크는 드레인의 고장이나 결함때문이며, 이에 대한 개선이 필요하다.
<그림 3>의 (4)에서와 같이 리저버 탱크의 압력과 레귤레이터 전단의 압력이 일정한 차이가 발생함은 블러스트 기가 작동하고 있음을 의미한다. 이 기간 중에도 콤프레셔가 주기적으로 언로딩 될 정도로 충분한 유량이 공급됨에도 불구하고 레귤레이터 후단의 압력은 설정압력인 62psi 아래로 떨어지고 있음을 발견할 수 있다.

이는 레귤레이터 후단의 라인 시스템의 용량부족 현상에 기인한 것으로 다량의 유량을 소비하는 공압 시스템의 경우 일반적으로 레귤레이터 후단에 리저버 탱크를 설치하여야 이러한 현상을 방지할 수 있다.

<그림 3>의 (5)를 살펴보면 레귤레이터 후단의 용량부족 현상을 명확하게 확인할 수 있다. 그림에 따르면 블러스트기가 공기를 소모하지 않는 기간에 라인 압력은 70psi로 일정하게 유지되지만, 일단 기기가 작동을 시작하면 압력이 62psi 까지 떨어짐을 알 수 있다.

이는 레귤레이터 설정압력을 70psi로 맞춰 놓았지만 공압 라인의 용량 부족으로 인하여 압력강하가 발생하였음을 암시하는 것이다. 이를 개선하기 위해서는 레귤레이터와 연결관로의 확장과 더불어 레귤레이터 후단에 0.5㎥ 내외의 리저버 탱크를 설치하는 것이 바람직하다.

이를 통해서 기기로의 공급압력이 안정화되면 주 배관의 압력을 더욱 낮출 수 있다.
일반적으로 주배관 압력은 레귤레이팅 된 압력보다 약 5psi 정도 높게(67~70psi) 유지하는 것이 바람직하며, 따라서 리저버 탱크 압력은 약 75~85psi 정도의 범위에서 운영할 수 있다.

<그림 3>의 (6)에서와 같이 콤프레셔의 다운에 의하여 블러스팅기는 작동 중에 공기압이 15~20psi 까지 떨어지는 현상을 겪고 있다. 공압 노즐의 분사력을 이용하는 블러스팅에서 압력의 강하는 제품의 불량을 일으키고 품질의 균일화를 저해하는 인지이다.

따라서 이러한 컴프레서 다운 현상을 근원적으로 방지하고 보다 효율적으로 시스템을 운영할 수 있는 근원적인 시스템 개선 방안을 모색하는 것이 궁극적으로는 경제적이라는 점은 명확하다.

3. 문제점 분석과 대응방안

우선, 현 시스템을 개선하는 소극적인 대응방안은 다음과 같다. 소극적인 개선으로도 현재 시스템보다는 눈에 띄는 전력비 절감 등이 가능하지만 공압 시스템이 가지고 있는 근원적인 문제점들은 해결하지 못함을 양지해 주어야 한다.

① 리저버 탱크의 용량 부족으로 인하여 콤프레셔는 과도할 정도로 짧은 주기 동안 로딩과 언로딩을 반복하며 전력을 소비하고 있다.
따라서, 리저버 탱크의 용량 증설이 시급하다. 현재로는 약 3㎥ 이상으로 증설할 필요가 있다. 이를 통해 약 15%의 전력비 절감이 가능할 것으로 추정된다.

② 과도한 리크 발생으로 다량의 공기가 소모되고 있다. 이는 드레인의 결함으로 추정되며, 이를 개선하기 위해서는 공기의 로스가 발생하지 않는 Demand Activated Drain 시스템의 DD-961을 추천한다.

③ 블러스트기 입구측에 설치된 레귤레이터와 연결 배관의 사이즈가 부족하여 유량 부족 현상이 발생하는 것으로 추정된다. 이를 개선하면, 불필요한 압력 강하를 상당부분 개선할 수 있다.

④ 레귤레이터 후단에 소용량의 리저버 탱크를 설치할 것을 추천한다. 이를 통해 국부적인 유량 부족 현상을 개선하여 주 배관의 공급 압력을 현저하게 낮출 수 있다.

상기 대응방안은 소극적인 대처방안으로 근본적인 시스템의 개선책이 아님에 유의해야 한다. 또한 개선 순서가 뒤바뀌면 본 보고서에서 제시된 수준의 전력수요 절감이 불가능하다.
현 시스템은 근원적으로 시스템이 개별적으로 구성되어 있기 때문에 각 라인마다 상당부분이 손실을 감수하고 있다.

다수의 콤프레셔들을 묶어 하나의 공압 시스템을 구성한 후 이를 통합적으로 운영하면 필요 최소한의 공기수요를 공급할 수 있으므로 최대한의 전력수요 절감이 가능하다.

⑤ 현재 독자적으로 운영되는 공압 시스템을 통합 운영체계로 전환시키는 것이 필요하다. 모든 콤프레셔들을 하나의 고압라인으로 묶어 주 배관라인을 구성한 후, 리저버 탱크와 드라이어 및 필터 시스템을 300HP급 규모로 구축하는 것이다.
주 배관은 4인치 용량으로 설치하여야 하며, 리저버 탱크는 5m3 내외가 적당하다. 일반적으로 개별적으로 운영되던 시스템을 통합하면 약 20% 내외의 전력비 절감이 가능하다.

⑥ 주 배관 라인상에 3m3 내외 용량의 리저버 탱크를 설치하여 다량의 공기를 소모하는 블러스트/집진기 등에 의한 압력 요동 현상을 미연에 방지하여야 한다.

⑦ 5대의 콤프레셔들은 공정 제어기능이 있는 통합 컨트롤러를 사용하여 상호 네트워크를 구성하는 것이 바람직하다. 이 목적으로는 Quincy QLC 시스템이 적합하며, QLC 시스템은 공압 수요에 따라 항상 최소한의 콤프레셔 시스템들을 구동시키고 나머지 콤프레셔들은 즉각 작동을 중지/개시시킴으로써 최소한의 전력만을 소모하도록 해준다.

⑧ 현재 시스템은 전혀 백업이 갖추어지지 않은 실정이다. 이 경우, 컴프레서 중 일부가 장기간의 수리를 필요로 하는 고장이 발생하였을 때 아무런 대책이 없음이 현실이다.
따라서 적절한 용량의 백업 시스템을 갖출 필요가 있으며, 100~150HP급 콤프레셔를 구입하여 첨두 부하용으로 상요하고 현재 100HP급 콤프레셔 한 대와 50HP급 콤프레셔 한 대를 백업용으로 전환시킬 필요가 있습니다.

이를 통해 통합 운영 시스템 내에서 콤프레셔의 고장이 발생하였을 때 즉각적으로 백업 시스템이 구동되어 공압 공급의 중단을 피할 수 있다.

이 용도로는 Quincy QSI-500(150HP)이나 동급 용량의 PowerSync가 적합하며, 특히 PowerSync는 순각적인 공기수요의 변화에도 리프트 밸브를 여닫으며 최적의 공기수요를 충당하므로 전력비 절감과 안정된 압축공기 공급에 유리하다.

통합 시스템을 구축하기 위해서는 시스템의 전반적인 개선을 수행하여야만 한다. 부분적인 통합은 오히려 시스템의 효율성 저하를 초래하오니 양지하여야 한다. 특히 주 배관의 증설없이 시스템을 통합하면 과도한 관로 저항으로 인하여 시스템의 효율이 극도록 악화된다.