® 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

경상남도에 소재하고 있는 방산업체 공압 시스템의 운전 조건과 작동효율 분석을 위하여 1차로 2003년 4월 17일 7 Comp실에 대한 작동성능 분석을 수행하였으며, 2차로 2003년 9월 19일 1,2 Comp실에 대한 작동성능 분석을 수행하였다.

분석 결과, 각 콤프레셔실마다 공압 수요와 공급 사이에 다소간의 불균형이 존재하며, 공압 수요의 변화에 대한 적응성이 부족하여 공급 공기압의 요동이 심하고 다량의 에너지 낭비 요인이 존재함을 발견하였다.

이에 따라 두 차례 작성한 보고서에서 공압 시스템의 작동 효율을 높여 에너지 소비를 절감하고, 공압 시스템 전체의 무인 운전을 가능케 하며, 공급 공기압을 안정화 시킬 수 있는 방안에 대한 논의를 수행하였다.

이를 근거로 하여, 방산업체에서는 공압 콤프레셔실들에 대한 전반적인 개선작업을 실시하기 위한 기본 계획을 수립하게 되었다.

(주)한국유체에서는 콤프레셔실들에 대한 전반적인 개선작업의 기초 시안을 마련하여 그 타당성을 검증받기 위하여 2003년 12월 6일부터 13일 사이에 미국 Bat Minnet에 소재하고 있는 Quincy Compressor사를 방문하여 공압 시스템 개선방안에 대한 기술자문을 구하였다.

그 결과, 방산업체의 공압 시스템은 두 보고서에서 명시한 바와 같이 개선이 가능한 다양한 낭비 요인이 존재하고 있음에 공감하였고, 구체적인 공압 시스템 개선 시안을 도출하게 되었다. 이 개선안의 시행을 통하여 공급 공기압을 안정화시킬 수 있으며, 공압 시스템의 작동 효율을 극대화시키면서도 최소한의 콤프레셔들만을 운영하여 에너지 효율을 높이고, 자동 백업기능을 갖춰 완전 무인운전을 가능케 할 수 있음을 확인하였다.

이를 토대로 하여 공압 시스템 개선안을 도출하여 2004년 1월 16일 1차 실무 미팅을 실시하였고, 실무 측면에서의 문제점들을 고려하여 새롭게 최종 개선방안을 도출하였다.

2. 현황

1) 1,2 Comp실의 공압 시스템 운전현황

방산업체 1,2 Comp실의 공압 시스템 작동성능의 검증을 위하여 2003년 8월 28일 오후 2시부터 29일 오후 2시까지 약 24시간 동안의 공압 시스템 작동 상태 변화 추이를 모니터링하였다. 공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림1>과 같다.

1 Comp실은 500HP, 300HP, 200HP, 100HP의 총 4기의 콤프레셔로 구성되어 있으며, 공압 수요의 변화에 따라 수작업으로 콤프레셔들을 기동 및 정지시키고 있다.

2 Comp실은 4대의 300HP 콤프레셔들로 구성되어 있으며, 두 대의 300HP콤프레셔가 4교대로 1일 2회 운영되고 있다.

각 콤프레셔들의 출구측에는 리저버 탱크가 설치되어 있으며, 리저버 탱크 후단에 12인치 직경의 1차 헤더가 설치되어 있고, 2차 헤더와의 사이에는 드라이어가 설치되어 있다.

1 Comp실과 2 Comp실 2차측 헤더 사이에는 6인치 배관으로 연결되어 있다.

<그림 2>에서는 1 Comp실의 1차측 헤더 압력을 1 Comp 실에 설치된 4기의 콤프레셔들의 소비전류와 함께 나타낸 그림이다.

1 Comp실은 공압 수요가 시간대별로 매우 심하게 변화하고 있으며, 이에 대응하여 수동으로 콤프레셔들을 기동 및 정지시키고 있는 실정이다. 공압 수요는 최소 200HP이며, 최대는 800HP에 달한다.

1차 헤더의 압력변화 양상을 고찰하기 위하여 전용 통계 분석 프로그램인 SPSS를 사용하여 분석해본 바, <그림2>에서와 같이 평균 압력은 84.967 psi이고 표준편차(σ)는 4.1588 psi이다. 즉, 1 Comp실의 1차 헤더 공기압은 95%의 신뢰도로 P(95%) = Pavg ±2 = 84.967±8.317(76.650psi~93.2846psi) 사이에서 요동치고 있다. 공기압의 편차는 16.634psi에 달하며, 이는 매우 심각한 수준이다.

콤프레셔들의 설정 압력은 약 90psi 내외인 것으로 보이며, 1차 헤더 압력이 약 80psi 까지 떨어지는 8월 28일 오후 3시 30분 경의 총 사용 마력은 1300HP이므로
부족한 용량 : 1300HP×(1-80psi/90psi)=144.4HP

로 약 150마력의 콤프레셔 용량 부족이 발생하고 있음을 알 수 있다.

1차 헤더 압력이 약 75psi까지 떨어지는 8월 29일 오전 2시 경의 총 사용마력은 800HP 이므로

부족한 용량 : 800HP×(1-75psi/90psi)=133.3HP

로 약 140 마력의 콤프레셔 용량 부족이 발생하고 있다.

콤프레셔의 용량 부족 발생시 콤프레셔들을 필요한 수요만큼 즉각적으로 기동 및 정지시키기 위해서는 콤프레셔 자동 통제 시스템의 도입이 필수적이다.

콤프레셔의 기동 및 정지에 따른 공압 생산량의 가감은 헤더 압력에 전사되어 나타나고 있다. <그림2>에서, 100HP 콤프레셔가 기동된 ① 시점에서 헤더 압력의 증가가 관찰되며, 500HP 콤프레셔가 정지한 ② 시점에서의 헤더압력의 감소도 확인할 수 있다.

이러한 현상은 ③~⑦에서도 관찰할 수 있으며, 능동적인 헤더 공기압력 조절 시스템 없이 단순히 콤프레셔의 기동 및 정지만으로 공압수요를 충당한다면 이와 같은 헤더 압력의 요동현상을 피할 수는 없다.

능동 유량조절 시스템은 <그림3>에서와 같이 버터플라이 밸브와 밸브 포지셔너 및 압력 계측기로 구성되어 있다. 이 유량조절기는 하류측에 설치된 압력센서가 측정한 압력과 목표압력의 차이에 비례하여 버터플라이 밸브의 열림 각도를 조절하므로써 공압 수요의 변화에 따라 능동적으로 하류측 압력을 안정화 시켜 준다. 이 시스템을 적용한 경험에 따르면, 공압 수요가 급변하는 경우에도, 하류측 압력 요동폭을 2psi 이내로 안정화 시켜주는 탁월한 압력 안정화 성능을 보여준다.

<그림4>에서는 1 Comp실과 2 Comp실의 1차 및 2차 헤더의 압력 변화 양상을 보여주고 있다. 1 Comp실과 2 Comp실 사이를 연결하고 있는 길이 1km의 6인치 배관에 의해 두 콤프레셔실의 압력은 거의 1psi 이내의 차압을 보이며 동일한 경향으로 압력이 변화하고 있음을 확인할 수 있다.

따라서 연결 배관의 작동상태는 매우 양호하다.

<그림4>의 좌측 하단에 확대하여 나타낸 그림에 따르면 공압 수요의 변화에 따라 연결 배관을 통하여 1 Comp실에서 2 Comp실로 흐르다가(분홍색 선이 청색선보다 높은 경우) 반대로 2 Comp실에서 1Comp실로 흐르는(청색선이 분홍색 선보다 높은 경우) 상황이 발생함을 확인할 수 있다. 따라서 현재 두 콤프레셔실 사이에서 발생하는 공압용량의 과부족시 연결배관을 통하여 압축공기는 양방향으로 흐르면서 이를 보충해 주고 있음을 알 수있다.

각 위치별 평균 압력을 구하기 위하여 SPSS를 사용한 통계처리를 수행한 결과 2 Comp실의 1차 헤더압력이 1 Comp실 1차 헤더압력보다 약 2.15psi 높으므로, 평균적으로는 2 Comp실에서 1 Comp실로 압축공기가 공급되고 있는 실정이다. 그러나 차압이 매우 작으므로, 유동량은 매우 소량에 불과하다.

측정된 모든 압력이 동일한 경향을 보이므로, 연결된 배관이 매우 훌륭하게 작동하고 있음을 알 수 있다. 그런데, 공압 시스템의 압력 조절 능력 부재로 인하여 공압 생산과 수요의 과부족에 따른 공압 요동이 두 시스템 모두에 영향을 끼치는 바람직하지 못한 상황이 발생하고 있다. 다라서 모든 헤더에서 공압은 약 17psi 수준의 요동을 일으키고 있으며, 이는 매우 심각한 수준의 공압 요동으로 제품 생산의 품질에 직접적인 영향을 끼칠 수 있다.

헤더 압력의 요동은 공압 수요의 변화와 압축공기 생산의변화 모두에 그 원인이 있다. 현재 콤프레셔 시스템은 공압 수요 변화에 대하여 능동적으로생산량을 조절할 수 있는 시스템이 아니므로, 공압 수요 변화에 대응할 수 있는 능동 유량조절 시스템의 도입을 통한 헤더 압력의 안정화가 필수적이다.

1 Comp실 공압수요의 변화는 일간 200HP~800HP까지 극심하게 변화하는 반면, 2 Comp실은 600HP로 비교적 일정한 상태이다. 두 Comp실의 공압 수요 부족현상이 약 150HP 정도 존재하고 있음을 감안하여야 한다.

현재 1,2 Comp실 사이에 설치된 6인치 배관의 전달 용량은 약 4000scfm으로, 800HP 용량에 해당하므로, 연결 비관의 길이가 약 1km에 달함을 감안하더라도 1Com실에서 발생하는 용량의 과부족을 수용하는 것에는 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.

2) 7 Comp실의 공압 시스템 운전현황

방산업체 7 Comp실의 공압 시스템 작동성능의 검증을 위하여 2003년 4월 11일 오전 10:00~14일 오전 9시까지 약 71시간 동안의 공압 시스템 작동 상태 변화 추이를 모니터링하였다. 공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림5>와 같다.

공압 시스템은 2기의 500HP 터보 콤프레셔와 1기의 200HP 스크루 콤프레셔로 구성되어 있으며, 측정 당시 200HP 콤프레셔는 운영되지 않는 상태였다.

두 대의 500HP 터보 콤프레셔는 매 12시와 6시를 교대시간으로 하여 6시간 간격으로 교대로 운영되고 있다.

전류측정을 위하여 SmartReaderTM Plus 3전류 계측기를 설치하여 두 대의 터보 콤프레셔의 소비전력 변화양상을 측정하였다. 콤프레셔의 공급전압은 3,300volt이다.

압력 측정은 콤프레셔 뒤에 설치된 두 기의 리저버 탱크 후단 2차 헤더 내의 압력(압력1), 드라이어 후단의 3차 헤더 내의 압력(압력2), 구룡Ⅱ라인 입구측에 설치된 리저버 탱크 내의 압력(압력3), 신단조 라인 입구측에 설치된 리저버 탱크내의 압력(압력4), 그리고 컴핑 라인 입구측에 설치된 리저버 탱크내의 압력(압력5) 등 5개소에서의 압력 변화를 측정하였다.

2차 헤더와 3차 헤더 사이에 설치된 드라이어는 고장난 상태로 사용되지 않는 상태였으며, 5인치 우회배관을 통하여 압축공기는 2차 헤더에서 직접 3차 헤더로 공급되고 있다.

현재 공압 시스템에는 필터가 전혀 설치되어 있지 않은 상태이다.

배관은 5인치, 4인치 및 3인치 관을 사용하여 구성되어 있으며, 3인치 헤더와 공압 소비위치 사이는 수백미터 정도 거리가 떨어져 있다.

7 Comp실과 1 Comp실 사이는 약. 1.5km 떨어져 있으며, 현재 1 Comp실을 폐쇄하고 2, 7 Comp실에서 압축공기를 공급하는 경우의 경제성과 타당성 여부를 검토하는 단계이다.

<그림 6>에서는 7 Comp실에 설치된 두 대의 500HP 콤프레셔가 교대로 운전되면서 소비하는 전류의 시간대별 변화 양상을 보여주고 있다.

두 대의 500HP 콤프레셔는 매 6시와 12시에 교대로 기동 및 정지되고 있음을 <그림 6>을 통하여 알 수 있다. 콤프레셔의 기동시에는 ③과 같이 순간적으로 소요전력이 증가하는 피크 현상이 관찰되며, 이때의 소비전류는 평균 소비전류의 약 3.8배에 달하는 295A 정도를 필요로 한다.

<그림 6>에 따르면 7 Comp실에서 생산되는 공기 수요는 매우 많이 남고 있으며, 500HP 용량이 필요한 경우는 <그림 6>의 ① 중 일부 기간에 불과하다. ⑥의 경우 압축공기의 수요가 500HP 에 달하게 되므로, 콤프레셔는 연속적으로 작동하면서 소비전류도 최대치 근처에서 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다.

이에 반하여 공압의 수요가 많이 남는 ⑤와 ⑦의 경우에는 콤프레셔의 압축공기 생산량이 수요를 크게 초과하여 리저버 탱크내 압력이 blow off line에 도달함에 따라 압축기는 서지 현상의 발생을 방지하기 위하여 입구측 가이드 베인(IGV:Inlet Guide vane)을 닫고 무부하 운전상태로 들어가게 된다.

본 터보 콤프레셔 기종은 무부하 운전시에는 최대 부하시에 비하여 약 24%의 전류를 소비하고 있다.

콤프레셔가 무부하 운전을 하는 동안 리저버 탱크 내의 압축공기가 급격하게 소모되면서 공압이 떨어져 재부하 설정 압력에 도달하게 되면 콤프레셔는 다시 입구측 가이드 베인을 열고 공기 압축을 개시한다. ⑤ 및 ⑦의 경우에서 알 수 있듯이 콤프레셔의 압축공기 생산량에 비하여 공압 수요가 낮은 경우 무부하 운전과 부하운전을 반복적으로 시행하게 된다.

공압 수요가 작은 ②의 경우를 보면 공압 수요가 한 번도 500HP에 근접하지 않아 압축기는 무부하 운전과 부하 운전을 반복하여 시행하고 있음을 확인할 수 있다. 무부하 운전과 부하 운전기간을 측정하면 공압 수요를 추정할 수 있는데, ②의 경우에는 약 253HP만을 필요로 하는 상태이다.

<그림 2>에서 알 수 있듯이 대부분의 기간 동안 공압의 수요는 약 250 ~ 300HP 정도를 필요로 하고 있다. 따라서 부하운전 기간 동안에는 전류를 정상적으로 소비하지만 무부하 운전 기간 동안에는 약 24%의 전류를 낭비하고 있음을 알 수 있다. 이를 근거로 하여 연간 낭비되는 전기비용을 환산해 보면 다음과 같다.

500(HP)×1.75(S.F.)×0.76(kW/HP)×(Won/kWh)×8700(Hr/Year)×(1/2)

=164,390,850(250HP 공압수요에 대해 실제로 사용된 비용)

164,390,850×0.24-39,453,804(무부하 운전으로 낭비된 전력비용)

총전기비용=203,844,654원=

164,390,850원(생산)+39,453,804원(낭비 19.3%)

<그림 7>에서는 콤프레셔의 소비전류 변화 양상을 2차 헤더압력(압력1)과 비교하여 보여주고 있다. 공압 수요가 많이 남는 ①의 경우, 리저버 탱크 내의 압력이 서지 압력에 도달함에 따라 콤프레셔는 무부하 운전을 개시하게 되며, 무부하 운전 기간동안 리저버 탱크내의 공기가 급격하게 소비되면서 리저버 탱크 내 압력이 재부하 압력에 도달하게 된다. ①에 따르면 서지 압력은 약 107psi이고, 재부하 압력은 약 91psi로 차압이 약 15~16psi로 설정되어 있음을 알 수 있다.

일반적으로, 콤프레셔의 차압은 약 5psi 이내에서 설정하여야 심각한 압력 요동을 방지하여 공압 장비의 작동 신뢰성을 높이고 제품의 생산품질을 균일화할 수 있다.

공압 시스템에 연결된 모든 공압기기들의 레귤레이터는 콤프레셔의 최저 설정 압력보다 낮게 조절되어 있다. 따라서 차압을 크게 설정하였다고 함은 공압 시스템을 과도하게 높은 압력으로 유지함을 의미한다.
 
그런데, 일반적으로 콤프레셔의 생산압력을 2psi 높이면 약 1%의 소비전력이 증가한다. 따라서, 현재 설정 압력인 91~96psi로 낮출 수 있다면 11psi의 압력 강하가 가능해져 약 5.5%의 소비전력 절감이 가능해 진다. 이를 앞서의 유효 전력 생산비용인 164,390,850원에 비교해 보면 9,041,496원의 비용 절감 효과가 있다.

공압 수요가 500HP에 근접하여 콤프레셔가 최대 부하 상태에서 운전되는 경우, 공압은 매우 안정되어 ②의 경우, 약 1~2psi의 압력변화를, 그리고 ③의 경우 3~5psi의 압력 변화를 나타내고 있음을 알 수 있다. 옵션 사항인 입구밸브 모듈레이션 장치가 설치되어 있지 않은 터보 압축기의 경우, 자체적인 출력 조절 기능이 없기 때문에 최대 부하 상태에서 운전되는 경우에는 토출압력이 매우 일정하게 유지되는 반면, 공압 수요가 남는 경우에는 콤프레셔의 로딩 및 언로딩이 반복될 수 밖에 없다.

④에서와 같이 리저버 탱크 압력이 상승함에 따라 블로우 오프 밸브를 열어 일단 잔여 압축공기를 벤틸에이션시켜 소모하기 시작하며, 그래도 유량이 남아 리저버 탱크 압력이 서지 압력에 도달하게 되면 입구측 게이트 베인을 닫고 언로딩 상태로 전환된다.

<그림 8>에서는 7 Comp실에 설치되어 있는 터보 콤프레셔의 작동성능 곡선을 보여주고 있다.

<그림 8>에서 알 수 있듯이 터보 콤프레셔는 최대 성능곡선상에서 작동할 때 최고의 효율을 보장받을 수 있다. 그런데, 소요 유량이 감소하여 최대 토출량의 87% 아래로 내려가게 되면 블로우 오프 밸브가 작동하여 토출 유량 중 남는 유량을 대기중으로 방출하기 시작한다.

공압 수요가 더 줄어 최대 토출량의 73% 아래로 내려가게 되면 입구측 게이트 베인을 완전히 닫아 무부하 운전상태로 전환된다. 따라서 터보 압축기는 공압 수요가 최대 토출 유량의 87% 이상인 경우에 최대의 효율을 보장 받으며 사용할 수 있다. 그러나 7 Comp실과 같이 공압 수요가 콤프레셔 용량의 50% 내외인 경우에는 터보 압축기를 사용함에 따라 심각한 전력 수요의 낭비를 감수하고 있음을 알 수 있다.

터빈 압축기의 경우 생산량이나 효율성의 측면에서 기저 부하용으로 적합한 콤프레셔이다. 따라서 이를 기저 부하용으로 사용할 수 있는 방안을 검토하여야만 한다.