® 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 `압시스템 분석과 개선사례` 발간하였다.

이달부터 연재로 소개하고자 하는 `압시스템 분석과 개선사례` 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>

3. 1차 개선 방안

2장에서 살펴본 바와 같이 3개 콤프레셔실 모두에 다소간의 문제점들이 발견되고 있다. 기본적으로 ①모든 콤프레셔실들의 출력 공기압이 공압수요와 공급 사이의 불균형 때문에 심각한 수준으로 요동치고 있어 제품생산의 균일성에 심각한 영향을 끼치고 있음을 알 수 있다. 따라서 이에 대한 대응방안이 가장 시급하다.
 
다음으로, ②7 Comp실의 공압수요와 콤프레셔 출력용량 사이의 불균형에 따른 공압 불안정과 작동효율 저하가 발생하고 있다. 이를 개선하기 위해서는 각 콤프레셔실들 간의 콤프레셔 재배치를 통한 수급 균형 조절이 필요하다.

마지막으로, ③모든 콤프레셔실들의 운영은 완전 자동화 된 무인운전 시스템을 기반으로 개선되어야 만 한다. 이를 통하여 공압 시스템의 수요 변화에 따른 수급조절 능력의 향상과 콤프레셔 다운에 따른 즉각적인 백업 시스템의 기동 등 공압 시스템의 획기적인 신뢰성 향상이 가능해 진다. 따라서, 3개 콤프레셔실들의 공압시스템 개선방안은 이 세 가지 관점에 기초하여 수립되어야만 한다.

2003년 12월 6일~13일 사이에 미국 Bat Minnet에 소재하고 있는 Quincy Compressor사를 방문하여, 미국 Quincy Compressor사가 소유하고 있는 공압 시스템 전문 컨설팅 업체인 Air Science사의 Systems Business Director인 Jan Zuercher와의 논의를 통하여 기본적인 공압 시스템 개선방안을 도출하였다.

Jan Zuercher의 견해에 다르면, 1.5km 떨어져 있는 7 Comp실과 1 Comp실을 연결배관을 사용하여 연결하는 것은 공압 시스템의 효율향상에 큰 도움이 되지 못할 뿐만 아니라, 공압 시스템의 상호 반응시간 지연을 초래하여 헤더 공기압의 제어 효율을 떨어뜨리는 결과를 초래할 것으로 예상하였다.

따라서, 기본 개선안은 7 Comp실의 콤프레셔들을 재배치하여 7 Comp실의 수급 균형을 맞추며, 독자적인 무인 자동 운전시스템을 구축하여 공압 시스템의 작동효율 및 공압 시스템 작동 신뢰성 극대화와 헤더 공기압 안정화를 구현하고 7 Comp실로부터 이전된 2기의 500HP터보 콤프레셔와 기존 500HP스크류 콤프레셔로 1 Comp실을 구성하여 기저부하 공급 목적으로 콤프레셔실을 운영하며 2 Comp실은 기존과 마찬가지로 4기의 300HP스크루 콤프레셔로 첨두부하 공급용으로 운영하면서 1 Comp실과 2 Comp실을 무인 자동운전 시스템으로 상호 연결하여 운영하면 공압 시스템의 작동효율 및 공압 시스템 작동 신뢰성 극대화와 헤더 공기압 안정화의 구현이 가능할 것으로 판단된다.

3.1 7 Comp실 공압 시스템 상세 개선방안

2003년 4월 17일에 제출된 1차 보고서에 따르면 7 Comp실의 공압수요는 250HP~300HP임을 알 수 있다. 다라서 300HP 콤프레셔를 기저부하 목적으로 사용하면 최적의 작동효율과 에너지 소비 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 다음과 같은 작업 계획에 따라 콤프레셔실을 개선하여야 한다.

2기의 500HP 스크루 콤프레셔를 1 Comp실로 이전한 후 1 Comp실로부터 300HP, 200HP, 100HP 콤프레셔들을 이전하여 설치한다.

드라이어와 필터 등을 용량에 맞게 설치 운영하여야 한다.

헤더 배관을 개조하여 콤프레셔 - 1차헤더-필터-드라이어-필터-리저버탱크-능동형 유량조절기-2차헤더-지관의 순서로 설치하여야 한다.

리저버 탱크 용량을 21㎥으로 증설하여야 한다. 이 용량은 콤프레셔 자동 운전 시스템이 300HP 콤프레셔가 다운된 경우, 자동으로 백업 콤프레셔를 기동시키는 동안 필요한 압축공기를 리저버 탱크가 공급하기 위한 필요 최소 용량이다.

리저버 탱크와 2차헤더 사이에는 능동형 유량조절 시스템을 설치하여야 한다. 이를 통하여 2차 헤더 하류의 공압 수요 변화에 따라 유량 조절 시스템이 능동적으로 버터플라이 밸브를 여닫아 헤더 압력의 변화폭을 2psi(0.14kg/㎠) 이내로 안정화시켜 주며, 작동중인 콤프레셔가 다운된 경우에도 백업 콤프레셔가 기동되는 시간까지 리저버 탱크에 잔류한 압축공기를 사용하여 헤더 압력을 변화 없이 유지시켜 준다.
 
7 Comp실의 경우 QSPC 3×4가 적합한 용량이다.

콤프레셔 자동운전 시스템은 Trim 콤프레셔의 지정이 가능하며, LIFO(Last In First Out)기능을 갖추고 있어야만 한다.
 이러한 목적으로는 CAA-6-2시스템이 적합하다.

앞서 논의된 사안들을 종합하여 그림으로 나타내면 다음과 같다.

<그림11>의 공압시스템은 <그림12>와 같은 작동압력 프로파일을 형성한다.

1 Comp실에 설치된 3기의 500HP콤프레셔의 작동압력은 모든 105psi에서 언로딩 95psi에서 로딩되도록 설정한다. 이에 따라서 1차 헤더 압력은 105~95psi만큼 요동치게 된다.

1,2 Comp실 드라이어와 필터 시스템의 최대 차압은 5psi 이내로 유지한다. 일반적으로 필터가 막히지 않을 경우의 정상 차압은 3psi 이내로 유지되며, 차압이 5psi에 접근하면 필터를 교체해 주어야 한다.

2 Comp실에 설치된 4기의 300HP 콤프레셔들의 작동압력은 110psi에서 언로딩, 100psi에서 로딩되도록 설정한다 이에 따라서 1차 헤더의 압력은 110psi~100psi만큼 요동치게 된다.

드라이어와 필터의 차압을 고려하면 2 Comp실 리저버 탱크의 압력은 300HP 콤프레셔들의 로딩-언로딩에 따라 105psi-95psi 사이를 요동친다. 그러나 능동 유량조절 밸브가 2차 헤더 측으로공압 수요에 정확히 일치하는 양만큼의 공기를 넘겨주면서 2차헤더 압력을 정확히 90psi로 유지시켜 준다.

2 Comp 실 2차 헤더에 직접 연결된 연결배관 내의 압력도 정확히 90psi로 유지된다. 배관 길이에 의한 차압은 매우 미미하므로, 차압의 영향은 무시할 수 있으며, 특히 1 Comp실 2차 헤더측 입구에 설치된 능동 유량조절기가 1 Comp실 2차 헤더 압력을 정확하게 80psi로 유지시켜줄 수 있다.

4. 최종 개선 방안

2004년 1월 16일 방산공장 측과의 실무 협의를 통하여 1차 개선방안의 실현 가능성에 대하여 협의를 하였고, 회사측의 향후 공장 증설 계획 및 개선 계획 등을 고려하여 <그림 13>과 같은 개선안을 도출하게 되었다.

3개 공압 시스템을 모두 단일 배관으로 연결하여 공압 수요의 과부족을 충당한다. 이를 위하여 1,2 콤프레셔실은 기존에 연결된 6인치 배관을 사용하며, 1,7 콤프레셔실 사이에는 새로이 10인치 배관을 설치한다.

7 Comp실은 기저부하용으로 운영하며, 이를 위하여 2 콤프레셔실에서 500HP스크루 콤프레셔를 이전하여 2기의 터보 콤프레셔와 1기의 스크루 콤프레셔로 7 콤프레셔실을 운영한다. 2기의 터보 콤프레셔를 기저부하용으로 연속 운전하며, 스크루 콤프레셔를 백업용으로 사용한다.

기저부하 운영을 위하여 Last In First Out 기능을 갖춘 CAA-6-2시스템을 사용하여 콤프레셔 자동운전 시스템을 구축한다.

공압수요는 약 300HP이므로 QSPC 4×6 능동 유량조절 시스템을 사용하며, 2차 헤더 압력은 90psi로 설정한다.

1기의 200HP콤프레셔를 7콤프레셔실로부터 이전받아 300HP 1기, 200HP 2기, 100HP 1기로 1 콤프레셔실을 구성한다. CAA-6-2시스템을 사용하여 콤프레셔 자동운전 시스템을 구축한다.

평상시에는 1 콤프레셔실의 운영을 중단하며, 2 콤프레셔실이나 7 콤프레셔실의 정기 정비나 기타 특수 상황에서만 일시적으로운영한다.

1콤프레셔실의 공압 수요는 최대 600HP(3,000scfm)이므로, QSPC 4×6능동 유량조절 시스템을 사용하며, 2차 헤더 압력은 85psi로 설정한다.

2 콤프레셔실은 현재와 동일하게 4기의 300HP 콤프레셔로 운영하며, 첨두부하에 대응한다. CAA-6-2시스템을 사용하며, 동일 사양의 콤프레셔들을 운영하므로 First In First Out 기능이 적합하다.

2 콤프레셔실의 공압 수요는 최대 900HP(4,500scfm)이므로, QSPC 5×6 능동 유량조절 시스템을 사용하며, 2차헤더 압력은 85psi로 설정한다.

상기 개선안에 대해 미국 Air Science사측에 문의를 한 결과 하나의 CAA10-3시스템을 사용하여 공압 시스템을 통합제어하는 것이 가능하다는 결론을 제시하였다. 이에 따라, 다음과 같은 최종 개선안을 도출하게 되었다.

상기 시스템을 구축하기 위해서는 100HP 콤프레셔를 통합 시스템에서 제외시켜야만 한다.

계획상에는 CAA-10-3 메인 판넬을 1 콤프레셔실에 설치하는 것으로 되어 있으나 Signal Booster를 사용하면 어느 콤프레셔실에도 메인 판넬을 설치할 수 있다.

Air Science사의 소요 리저버 용량계산 결과, 500HP 콤프레셔 다운시 5psi 차압발생 이내에 백업 콤프레셔를 기동하기 위해서는 최소한 7 콤프레셔 = 55㎥, 1 Comp=55㎥, 2 Comp=41㎥의 리저버 탱크가 필요하다.

그러나 현실적으로 이러한 용량의 리저버 탱크를 설치하기는 무리가 따르므로 500HP 콤프레셔가 다운되는 최악의 상황 발생시 백업 콤프레셔가 기동될 때 까지 소요되는 15~20초 기간 동안 약 10psi 내외의 압력강하 현상을 감수하면서 리저버 탱크 용량을 필요 최소한으로 줄였다.