® 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

냉각핀 생산공장의 공압 콤프레샤 및 공압시스템의 작동상태를 파악하여 성능효율을 검증하기 위하여 2002년 9월 30일 12시 ~10월 1일 오전 16시까지 약 28시간 동안의 공압시스템 작동상태 변화추이를 모니터링 하였다.

SmartReader Plus 3 전류 계측기는 콤프레샤의 소비전력 패턴을 측정하는 공압시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치위치는 <그림 1>과 같다.

공압시스템은 2대의 LG 100HP(GMS75)와 2대의 LG200HP(GHS200)의 총4기 600HP로 구성되어 있으며, 모든 콤프레샤들은 로딩/언로딩 방식이다.

현재 모든 콤프레샤들은 완전가동 상태이며, 백업시스템이 갖추어지지 않은 상황으로, 공압시스템에는 스팀 건조기, 웰더기 및 핀 프레스기가 각각 9세트씩 연결되어 있다.

- 스팀 건조기의 최적 작동압력 : 2~3㎏/㎠

- 웰더기 최적 작동압력 : 1~2㎏/㎠

- 핀 프레스 최적 작동압력 : 5㎏/㎠

4대의 스크루 콤프레샤들은 통합제어시스템으로 상호 연결되어 있지 못하여 공장 부하용량의 변화에 따라 일일이 수동으로 시스템을 구동 및 정지시켜야 하는 상태이다.

4대의 콤프레샤 모두의 입력전원선에 홀효과형 전류센서를 장착한 후 장비인 SmartReader Plus 3 전류계측기를 통하여 매 8초마다 한 세트의 전류신호를 측정하였다.

압력측정은 2대의 100HP 콤프레샤와 3루베 용량의 리저버 탱크가 연결된 라인에서 드라이와 후단 필터 사이에서의 압력 ①, 2대의 200HP 콤프레샤와 5루베 용량의 리저버 탱크가 연결된 라인에서 드라이어와 후단 필터 사이에서의 압력 ②, 주 배관에서 분기된 지관의 끝단 부분에서의 압력 ③, 및 건조기의 레귤레이터 전단에서의 압력 ④ 등 총 4개의 위치에 대하여 수행하였다. 압력측정 위치들은 <그림 1>에 명기되어 있다.

2. 계측결과의 분석

<그림 2>에는 4대의 콤프레샤 모두의 소비전력 변화양상을 보여주고 있다. 공압시스템은 주간에만 운영하므로, 그림에서 표시된 오전 8시에 공압시스템이 기동되었다.

<그림 2>의 ①에 따르면, 오전 8시에 공압시스템을 가동하였으나 공기수요는 많지 않아 2대의 200HP 콤프레샤는 곧장 언로드 상태가 되었으며, 녹색선으로 표시된 200HP 콤프레샤는 수동, 또는 Auto/Dual 기능에 의해 곧장 정지되었음을 알 수 있다.

이후, 공기수요가 점차로 증가하여 청색선으로 표시된 200HP 콤프레샤가 로딩/언로딩을 반복하며 공기수요를 맞추어주고 있었으나, 8시 40분 경에는 이마저 용량이 부족하여 ①의 적색선으로 표시된 것과 같이 주 배관을 포함한 공압시스템 전체의 공기압력이 떨어지고 있으나 녹색선으로 표시된 200HP 콤프레샤가 제때 공압수요에 맞춰 기동되지 못하고 있음을 확인할 수 있다.

공압시스템을 수동으로 운전하는 경우, 공압수요의 잦은 변동에 효과적으로 대응하지 못하기 때문에 항상 모든 콤프레샤를 기동시켜야만 한다.

①이 전형적인 공압수요 증가에 대해 콤프레샤가 효과적으로 기동되지 못하여 발생한 현상으로 공장전체의 공압 저하 현상을 유발하여 제품의 불량률을 증가시키고 공압시스템의 신뢰성을 떨어뜨리는 결과를 초래한다.

<그림 2>의 ②를 살펴보면 200HP 콤프레샤 중 1대는 약 1분 간격으로 계속 로딩/언로딩을 반복하고 있음을 알 수 있다. 이에 따라 나머지 콤프레샤들의 소비전력도 변화하며, 공압시스템도 이에 따라서 약 5psi의 압력변화가 발생하는 것을 확인할 수 있다.

이는 전형적으로 리저버 탱크의 용량이 콤프레샤의 용량에 비하여 현저히 작을 때 발생하는 현상으로, 콤프레샤의 기동과 동시에 리저버 탱크 내 압력이 곧장 상승하여 콤프레샤의 언로딩 압력에 도달하기 때문에 콤프레샤는 즉각 언로딩 되지만 공기수요가 많아 콤프레샤의 언로딩과 동시에 리저버 탱크의 압력이 떨어지는 현상이 반복되기 때문이다.

이와 같이 콤프레샤가 로딩과 언로딩을 반복하여 콤프레샤의 출력효율은 극도로 악화되며, 공압시스템 전체는 극심한 유량부족 현상을 겪게 된다.

Quincy 및 기타 콤프레샤 제조사들이 제시하고 있는 가장 효율적인 로딩/언로딩 주기는 4분(시간당 15회)이며, 이를 위해서는 리저버 탱크의 용량을 현재의 약 4배 정도 증설할 필요가 있다. 이는 백업 시스템 구축에도 직접적인 연관관계가 있으므로 3장에서 다시 논의하겠다.

<그림 2>의 ③은 중식 시간대의 콤프레샤 소비전력과 공기압력의 변화를 보여주고 있다.

HP 콤프레샤는 언로딩 상태가 되지만 Auto/Dual 기능이 갖추어지지 않아 시스템이 정지하지 못하고 최대부하의 약 50%에 해당하는 전력을 소모하고 있음을 보여주고 있다. 또한, 공압수요의 감소에 따라 공압시스템 전체의 압력도 설정압력인 약 100psi(7㎏/㎠)까지 상승함을 관찰할 수 있다.

그럼에도 불구하고 2대의 100HP 콤프레샤는 끊임없이 작동하는 것으로 미루어보아 공압시스템 전반에 걸쳐서 다량의 리크가 발생하는 것으로 추정된다.

이는 <그림 3>의 ④에서 확인할 수 있는데, 콤프레샤가 작동을 정지한 후 불과 25분만에 공압시스템 전체의 압력이 리크로 인하여 대기압으로 낮아짐에서 명확하게 확인할 수 있다.

대부분의 경우, 이와 같은 대량의 리크는 드레인에서 발생하므로 이를 방지하기 위해서는 드레인에 대한 명확한 점검이 필요하며, 향후 Quincy DD-960과 같이 리크가 없는 드레인을 사용하는 것이 바람직하다.

<그림 4>에서는 4개소에서 측정한 공기압력의 변화 양상을 보여주고 있다.

2대의 100HP 콤프레샤의 설정압력은 103psi(7㎏/㎠), 그리고 2대의 200HP 콤프레샤의 설정압력은 95psi(6.57㎏/㎠)이다.

따라서 콤프레샤의 출력단과 리저버 탱크 내의 압력은 약 95~103psi 정도로 유지되는 것이 정상이며, 이는 공압라인상의 측정위치 1, 2, 3 및 4번 모두 공기수요가 영 또는 극도로 감소하였을때 압력이 이 값까지 상승하는 것으로부터 확인할 수 있다.

오전 8시 40분경에 발생한 공압수요 증가에 대해 정지해있는 200HP 콤프레샤가 약 15분 이상 지연되어 작동함에 따라 공압시스템 전반에 걸쳐서 장시간동안 약 15psi 정도의 압력강하가 발생하고 있음을 확인할 수 있다.

공압시스템 전체에 걸친 압력강하 현상은 공압기기의 오작동과 그 기간중에 생산되는 제품 전체에 걸쳐서 심각한 품질상의 문제를 유발할 수 있다.

따라서 공압 라인상의 압력변화를 감지하여 콤프레샤를 자동적으로 기동시킬 수 있는 시스템이 필요하며, 이 목적으로는 Quincy QLC 시스템이 적합하다.

공압 라인상의 측정위치 1, 2 및 3번에서 측정한 압력이 모두 동일하게 발생하는 것으로 미루어보아 주배관과 3번 측정위치에서의 지관의 유지상태는 양호한 것으로 판단된다.

특히, 드라이어 후단에 연결된 1마이크로미터 및 0.01마이크로미터 필터의 작동상태는 아주 양호하다.

그럼에도 불구하고 1, 2 및 3번 측정위치에서의 공기압력이 설정압력인 95~103psi보다 매우 낮은 약 83psi 정도로 유지되고 있다. 이는 최저 설정압력인 95psi에 비해서도 무려 12psi나 낮은 압력이다.

애프터쿨러와 드라이어의 용량부족이 그 원인으로 추정되는데, <그림 2>의 ②에서와 같이 콤프레샤는 용량이 남아 계속적으로 로딩과 언로딩을 반복함에도 불구하고 배관라인상에서는 과도한 차압이 발생하는 이유는 콤프레샤와 배관 사이에 위치한 유로 저항요소들의 용량 부족으로 인하여 압축된 공기가 원활하게 통과되지 못하고 있음을 의미한다.

일반적으로, 필터와 드라이어 등 부속 요소들로 인한 압력강하는 3~5psi 이내로 유지하는 것이 바람직하므로, 현재 용량부족으로 인하여 약 7psi의 압력손실을 입고 있다. 1psi에 약 0.5%의 전력손실이 초래되므로 약 3.5%의 전력손실을 발생하고 있다.

앞서의 과도한 압력손실의 또 다른 원인으로는 지관의 직경 부족을 예상할 수 있다. 건조기는 다량의 공기를 소비하는 기기임에도 불구하고 지관의 직경이 1인치에 불과하여 다량의 공기를 원활하게 통과시키지 못하고 있는 것으로 추정된다.

일반적으로, 공압 라인 내에서 압축공기의 유속은 최대 12m/s 이내로 유지하는 것이 바람직하며, 이 속도를 넘어서면 관로 내에서 와류가 발생하여 과도한 압력손실과 유량의 공급부족 현상이 발생한다.

현재 라인상에 설치되어 운영되고 있는 기기들은 각기 최적의 작동압력이 서로 다름에 따라 가장 높은 필요 압력에 기준하여 주 배관의 공압을 유지하고 있다.

그런데 최대의 유량을 소비하는 건조기의 소요압력은 2~3㎏/㎠(30~44psi)이므로 과도한 압력손실을 감수하고 있음을 알 수 있다.

전력효율을 높이기 위해서는 저압 전용 콤프레샤로 저압 라인을 구성하는 것이 효과적이며, Quincy Low Pressure 콤프레샤의 경우, 최대 설정압력 4k/㎠에서 동급 고압 콤프레샤에 비하여 약 50% 정도 더 많은 유량을 공급할 수 있다.

따라서 저압 전용라인의 구축은 공압시스템의 작동효율을 극대화시킬 수 있으므로, 기존의 고압라인과 더불어 저압전용 라인의 설치를 세심하게 고려할 필요가 있다.

3. 문제점 분석과 대응방안

이 공장의 공압시스템이 가지고 있는 문제점에 대해서 2장에서 분석을 수행하였다. 이번에서는 문제점에 대한 대응방안을 우선순위에 따라 살펴보기로 하겠다.

대응방안은 첫째, 현 공압라인상에서 발생하는 유량부족 현상과 과도한 차압발생 현상을 개선하기 위한 방안을 살펴본다. 이를 통해서 제품의 불량률을 최소화하며, 공압시스템의 작동 신뢰성을 높이면서도 에너지 손실을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

두 번째로, 다수의 콤프레샤들에 대한 통합제어시스템의 도입을 통해 급작스러운 라인의 정지 등을 방지하고 최소 전력소비를 위한 콤프레샤 기동 스케줄링 등을 가능케 하는 방안들을 제시한다. 여기에는 백업 시스템의 구축을 위한 방안도 제시되어 있다.

우선, 현 공압라인 상에서 발생하는 유량부족 현상과 과도한 차압 발생현상을 개선하기 위해서는 다음과 같은 사항들을 개선해야 한다.

① 리저버 탱크의 용량부족으로 인하여 라인상에서는 극심한 유량부족 현상이 발생함에도 불구하고 콤프레샤는 언로딩되는 현상이 반복되고 있다. 언급한 바와 같이 콤프레샤의 작동효율을 극대화시키기 위해서는 로딩/언로딩 주기가 시간당 15회(4분 주기) 정도가 적당하며, 이를 위해서는 리저버 탱크 용량을 현재보다 약 4배 정도 증설하는 것이 필요하다.

그런데 이 용량의 증설은 백업시스템의 구축에도 밀접한 관계가 있으므로 정확한 증설 용량은 ⑦번 항목에서 제시한다.

② 보다 정확한 측정과 조사가 필요하지만, 측정결과를 살펴보면 애프터쿨러와 드라이어의 용량부족으로 인하여 탱크 내 압력과 배관압력 사이에 과도한 차압이 발생되고 있는 것으로 추정된다.

따라서 드라이어와 애프터쿨러의 용량에 대한 확인이 필요하다. 또한 용량부족시에는 이에 대한 증설이 시급하다.

③ 주배관에서 건조기로 연결되는 1인치 배관의 용량부족으로 인하여 과도한 손실이 발생되고 있는 것으로 추정된다.

건조기와 같이 오픈 블로잉 형태의 기기에서는 관로 단면적에 따라 유속과 압력이 급격하게 변화한다.

따라서 건조기에 연결되는 관로 및 레귤레이터 등은 필요한 용량보다 한 등급 큰 사이즈로 라인을 구성하는 것이 손실을 방지하는 최적의 방안이다.

④ 현재 2대의 100HP 콤프레샤를 기저 부하용으로 사용하고 있으며, 2대의 200HP 콤프레샤들을 첨두 부하용으로 사용하고 있다.

따라서 100HP 콤프레샤들의 작동압력은 7㎏/㎠으로 설정되고 있고 200HP 콤프레샤들은 6.5㎏/㎠으로 설정되어 있다.

그런데 현재 콤프레샤의 추가적인 증설없이 용량 부족현상을 개선하기 위해서는 2대의 200HP 콤프레샤들의 설정압력은 현재보다 약간 높게 설정하고, 2대의 100HP 콤프레샤들의 설정압력을 이보다 낮게 설정하여 200HP 콤프레샤들을 기저부하용으로, 그리고 100HP 콤프레샤들을 첨두 부하용으로 사용한다면 현재보다는 용량부족 현상을 개선할 수 있다.

하지만 이 개선안은 현상의 개선일 뿐 근본적인 원인 개선은 되지 못한다.

⑤ 과도한 리크의 발생으로 인하여 다량의 손실이 발생하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 배관전반에 대한 점검이 필요하며, 특히 드레인에 대해서는 세심한 점검이 시행되어야 한다.

궁극적으로는 리크가 없는 드레인을 설치하는 것이 바람직하며, 이 목적으로는 향후 Quincy DD-960과 같이 리크가 없는 드레인을 추천한다.

현재의 공압시스템은 완전 가동상태에서도 유량부족 현상이 발생하고 있다. 따라서 현 공압 라인상에 추가적인 콤프레샤의 증설이 필요한 실정이다.

특히, 백업 시스템의 부재로 인하여 콤프레샤들 중 하나만이라도 다운이 되면 공장 전체의 가동이 중지될 위험성이 상존하므로 백업 시스템의 도입도 신중히 고려해야 한다.

⑥ 앞서의 ④항에서도 언급했듯이 기저 부하용 콤프레샤와 첨두 부하용 콤프레샤의 선정과 운영에 따라서도 공압시스템의 작동효율은 크게 변한다.

또한 공압수용의 변화에 따라서 즉각적으로 콤프레샤들을 기동 및 정지시킬 수 있다면 최소한의 공압 수요만을 충족시킬 수 있어 최대한의 전력효율을 취할 수 있다.

이러한 목적으로는 Quincy QLC 시스템을 추천한다. QLC는 콤프레샤의 기종에 관계없이 모든 종류의 콤프레샤에 로딩/언로딩 기능과 Auto/Dual(기동 정지) 기능을 부여하며, 다수의 콤프레샤들을 최소한의 공압수요로 운영할 수 있어 전력비용 절감과 공압시스템의 작동 신뢰성 향상에 크게 기여한다.

특히, 다수의 콤프레샤들 중 일부가 다운되었을 때 자동적으로 백업용 콤프레샤를 기동할 수 있는 기능이 있어 공압시스템의 안정적 운영을 가능케 한다.

⑦ Quincy QLC 시스템을 도입하기 위해서는 리저버 탱크의 용량증설이 필수적이다. 앞에서도 리저버 용량증설을 언급하였으나, 증설규모는 QLC 시스템을 도입한 경우를 기준으로 결정하는 것이 효율적이다.

QLC 시스템은 운영중인 콤프레샤의 다운시 백업 콤프레샤를 기동하기 위하여 최대 약 15초의 시간을 필요로 한다. 따라서 이 기간 중에는 리저버 탱크에 저장된 압축공기로 공장 전체의 시스템이 유지되어야만 한다.

현재 시스템의 경우 200HP 콤프레샤 1대가 다운되었을 때, 이를 15초 내에 자동적으로 백업시스템으로 대체하면서 공압라인 전체의 압력강하를 10psi(0.68㎏/㎠) 이내로 유지하기 위해서는 약 10m3의 리저버 탱크 용량이 필요하다.

⑧ 현재 공압시스템은 심각한 용량부족 현상을 겪고 있다. 또한 백업용 콤프레샤의 미비로 인하여 현재 운영중인 콤프레샤들 중 하나라도 다운되면 장기간 동안 공장 전체의 생산차질이 불가피하다.

따라서 추가적으로 콤프레샤를 도입하여 백업 시스템을 구축하는 것이 시급하다. 현 공압시스템은 약 50~100HP 정도의 수요가 부족한 상황이며(총 650~700HP 필요), 백업용으로 200HP 용량의 콤프레샤 신규 도입이 필요한 실정이다.

공압시스템의 전반적인 계측을 통하여 측정된 결과를 토대로 앞서와 같이 공압시스템의 개선안을 제시하였다. 제시된 안들 중 ①~⑤항은 소극적인 개선안으로, 권고안을 시행한다면 공압시스템의 성능향상을 꾀할 수 있으나, 궁극적인 해결책이 될 수는 없다.

⑥~⑧항의 권고안은 현재 공압시스템의 문제점들에 대한 근본적인 해결책으로 비록, 즉각적인 자금소요가 발생한다 해도 이는 공압시스템의 신뢰성 향상과 공압품질 향상을 가져온다.