® 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

전북 익산시에 소재하고 있는 계육처리공장의 공압 콤프레셔 및 연결된 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능효율을 검증하기위하여 2003년 4월 23일 오후 4시부터 24일 오후 5시까지 약 25시간 동안의 공압 시스템 작동 상태 변화 추이를 모니터링하였다. 공압 시승템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림1>과 같다.

공압 시스템은 7기의 40HP 스크루 콤프레셔, 2기의 50HP 스크루 콤프레셔 및 1기의 스크루 콤프레셔로 구성되어 있으며, 모든 콤프레셔들을 운영하고 있었다. 따라서 현재 계육 처리공장의 공압 콤프레셔 용량은 480HP에 달하고 있다.

전류측정을 위하여 SmartReaderTM Plus3 전류 계측기를 설치하여 네 대의 콤프레셔의 소비전력 변화양상을 측정하였다. 소비전력이 측정된 콤프레셔는 <그림1>에서와 같이 3번, 4번 및 5번으로 표시된 3대의 40HP 콤프레셔와 7번으로 표시된 100HP 콤프레셔이다. 콤프레셔의 공급전압은 380볼트이다.

압력 측정은 리저버 탱크 후단에 설치된 헤더 2 내의 압력(압력1), 닭 머리 이송라인 입구의 압력(압력2), 닭 내장 이송라인 입구의 압력(압력2), 선별라인 입구의 압력(압력4), 그리고 Delta2000 포장기 입구의 압력(압력5) 등 5개소에서의 압력 변화를 측정하였다.

콤프레셔와 리저버 사이에 설치된 드라이어들은 고장 및 노후화 등 다양한 원인 때문에 현재 운영되지 않고 있으며 바이패스 유로를 통해 리저버 탱크로 공급되고 있다. 따라서 현재 공압 시스템에는 필터링되지 않은 습하고 오염된 공기가 직접 공급되고 있는 상황이다.

2. 계측결과의 분석

<그림2>에서는 4대의 콤프레셔들이 소비하고 있는 전류값의 변화양상으르 보여주고 있다.

<그림2>의 4월 24일 오전 7시를 전후하여 약 1시간 동안 소비전력 변화를 살펴보면 일시적으로 생산을 중단하여 공압 수요가 감소함에 따라 100HP 콤프레셔(전류4)는 오토/듀얼 기능에 의해 기동정지, 4번(전류2) 40HP 콤프레셔는 기동정지, 5번(전류3) 40HP 콤프레셔는 언로딩, 3번(전류1) 40HP 콤프레셔는 최대출력으로 정상작동 중임을 알 수 있다.

공압수요 감소에 대해 콤프레셔들이이와 같이 서로 상이한 작동형태를 보여주는 이유는 각 콤프레셔들마다 작동압력이 서로 다르게 설정되어 있음을 의미한다. 다수의 공압콤프레셔들을 동시에 운영하는 경우 기저부하 및 첨두부하 등과 같이 콤프레셔들의 역할에 따라 언로딩 압력과 로딩 압력의 설정이 서로 다를 수 있다.

일반적인 경우, 가장 용량이 큰 콤프레셔들을 기저부하용으로 운영하고, 용량이 작은 콤프레셔들 중에서는 효율이 좋은 콤프레셔일수록 기저부하용으로 운영하는 것이 전력효율을 높이는 길이다.

이를 위해서는 기저부하용 콤프레셔의 설정압력이 가장 높에 설정되어 있어야만 하며, 가장 먼저 언로딩 시킬 콤프레셔를 가장 낮은 압력으로 세팅하며, 언로딩 시킬 순서에 따라 순차적으로 언로딩 압력을 설정하여야만 한다.

그런데, <그림 2>에 따르면 3번 40HP 콤프레셔(전류1)가 최대출력으로 작동 중임에도 불구하고 100HP 콤프레셔(전류4)가 정지하므로, 모든 콤프레셔의 역할에 따른 설정압력 점검이 필요한 것으로 판단된다.

100HP 콤프레셔(전류4)는 최대 부하 상태에서 약 125~130A이며, 공급전압은 380 볼트이므로 이를 근거로 평균 소비전려겨을 계산하면

P=380(Volt)×128(A)×1.732(3phase)=84,244(Watt)

이며, 이를 마력수로 환산하면

HP=84,244(Watt/760(Watt/HP))=110.848HP 이므로

Service Factor=110.848/100=1.108 로 콤프레셔는 대체적으로 양호한 효율을 내고 있음을 알 수 있다.

5번 40HP 콤프레셔(전류3)는 최대부하 상태에서 54~58A의 전류를 소비하며 공급전압은 380볼트이므로 이를 근거로 평균 소비전력을 계산하면

P=380(Volt)×56(A)×1.732(3phase)=836,856(Watt)이며, 이를 마력수로 환산하면

HP=36,856(Watt/760(Watt/HP))+48.5HP 이므로 Service Factor=48.5/40=1.21로, 40HP 콤프레셔임을 감안하면 비교적 양호한 효율을 나타내고 있으나 100HP 콤프레셔에 비하면 약 10% 이상 성능효율이 떨어짐을 확연히 알 수있다.

특히, 이 전류측정 겨로가에는 애프터 쿨러 등 부가장비의소비전류는 포함되지 않았다. 따라서 0.05~0.1 정도의 Service Factor를 추가적으로 고려해야만 한다.

40~50HP급 콤프레셔 9대를 운영하며 380HP를 소비하는 것은 100HP급 콤프레셔를 운영하는것애 비하여 단지 콤프레셔의 효율만으로도 10%(38HP) 정도의 전력 낭비가 초래된다. 전력비를 75원/kw, 콤프레셔 시스템을 연간 8,700을 운영한다면 낭비되는 전력비용은

38(HP)×0.76(kw/HP)×75(원/kwh)×8700(Hr/Year)=18,884,200원(효율차이에 의해서낭비된 전력비용)

앞서 계산사례에서 알 수 있듯이 동일한 마력을 소비하는 콤프레셔 시스템이라도 소수의 대용량 콤프레셔를 운영하는 것이 다수의 소용량 콤프레셔를 운영하는 것에 비하여 최소한 10% 이상의 전력 효율을 높일 수있음을 확연하게 알 수 있다. 이를 위한 보다 상세한 콤프레셔 시스템 개선안에 대해서는 4장에서보다 자세히 다룰 예정이다.

<그림2>의 우측 상단에는 상용 통계처리 프로그램인 SPSS V.10.0을 사용하여 소비전력의 평균 수요와 표준편차를 T-검정 방법을 사용하여 구한 결과를 보여주고 있다. 통계처리 결과,

1. 콤프레셔 3(전류1)의 평균 소비전류(Iavg)는 55.46A이며 표준편차(σ)는 2.33A이므로 95%의 확률로 I(95%)=Iavg ±2σ=55.46A±4.66A의 전류를 소비하고 있다. 이를 Service Factor로 환산하면 1.1~1.3의 범위이므로 콤프레셔는 거의 소비전류의 변동없이 최대부하로 사용되고 있음을 알 수 있다.

2. 콤프레셔 4(전류2)의 평균 소비전류(Iavg)는 35.92A이며, 표준편차(σ)는 20.31A이므로 95%의 확률로 I(95%)=Iavg ±2σ=35.92±40.62A의 전류를 소비하고 있다. 이를 Service Factor로 환산하면 0~1.65의 범위로 매우 비현실적인 수치이다. 이는 <그림2>를 살펴보면 즉시 이해할 수 있는 결과로, 콤프레셔 4는 거의 정상적으로 작동하지 못하고 있음을 의미한다.

Service Factor를 앞서 구한 1.21로 가정한다면 약 64% 정도밖에 사용하지 못하고 있는 상황이며, 잦은 로딩과 언로딩 때문에 발생하는 과전류 소비를 감안한다면 실제 작동효율은 50% 이하일 것으로 예상된다.

3. 콤프레셔 5(전류3)의 평균 소비전류(Iavg)는 52.37A이며 표준편차(σ)는 5.4A이므로 95%의 확률로 I(95%)=Iavg±2σ=52.37±10.8A의 전류를 소비하고 있다. 이를 Service Factor로 환산하면 0.9~1.36의 범위이므로 콤프레셔는 부하의 변동하에서 약 94% 정도 사용되고 있다. <그림2>를 살펴보면 4월 24일 오전 7시를 전후하여 약 1시간 동안 콤프레셔가 언로딩 되면서 발생한 결과이다.

4. 콤프레셔 7(전류4)의 평균 소비전류(Iavg)는 122.66A이며, 표준편차(σ)는 22.89A이므로 95%의 확률로 I(95%)=Iavg±2σ=122.66±45.78A의 전류를 소비하고 있다. 이를 Service Factor로 환산하면 0.66~1.46의 범위이므로 콤프레셔는 비교적 큰 부하 변동 하에서 약 96% 정도 사용되고 있다. 이 또한 4월 24일 오전 7시를 전후하여 약 1시간 동안 콤프레셔가 언로딩 되면서 발생한 결과이다.

SPSS를 사용한 확률 통계 처리 결과 콤프레셔 4(전류2)를 제외한 측정대상 콤프레셔들은 매우 양호한 상태로 운전되고 있다. 그러나 콤프레셔 4는 비교적 심각한 운전상태를 보이고 있다. 이에 대해서는 <그림5>에서 보다 상세하게 논의하겠다.

<그림3>에서는 헤더2에서 측정한 압력(압력1)의 시간별 변화양상을 보여주고 있다. 그림에 따르면 헤더 압력은 102psi에서 60psi까지 42psi의 압력변동폭을 나타내며 매우 심하게 변화하고 있다. 이는 전형적으로 콤프레셔의 출력용량 부족에 기인하는 현상이다.

공장의 생산이 일시적으로 중단된 것으로 예상되는 4월 24일 오전 7시를 전후하여 약 1시간 동안에는 고압의 수요가 감소하여 <그림2>에서와 같이 콤프레셔들이 정지하며, 공압은 102psi까지 급격하게 상승함을 관찰할 수 있다. 이 압력이 아마도 콤프레셔들의 설정 압력일 것이며, 콤프레셔 시스템을 100psi가지 헤더(주배관)압력이 떨어진다면 이는 콤프레셔아ㅢ 출력용량 부족임이 자명하다.

통계처리 프로그램인 SPSS를 사용하여 분석한 결과, 헤더2의 평균 압력(Pavg)은 76psi이고 표준편차()는 6.7psi이므로 헤더2 내의 압력은 95%의 확률로 다음의 범위 내에 위치한다.

P(95%)=Pavg±2σ=76psi±13.4psi=62.6psi~89.4psi

480HP로 운영되는 콤프레셔 시스템의 설정 압력이 102psi인 경우 여타의 조건이 일정하다면 소요 유량과 압력은 비례관계에 있으므로,

1. 최저압력인 62.6psi의 경우 소요 마력: 480HP×102psi/62.6psi=782HP

2. 최대압력인 89.4psi의 경우 소요 마력: 480HP×102psi/89.4psi=547HP

그러나 <그림2>에서 확인할 수 있듯이 4번 콤프레셔와 같은 비정상 운전상태가 존재하고 저마력 콤프레셔의 비효율성까지 감안한다면 콤프레셔 용량의 부족분은 이정도로 심각하지는 않을 것으로 판단된다. 보다 상세한 부복용량 산정은 4장에서 논의하기로 하겠다.

<그림3>을 살펴보면 헤더2의 압력은 약 80~85초 주기로 압력이 톱니형태로 오르내리는 현상을 관찰할 수 있다. 이 현상은 공압 수요가 거의 없는 기간에는 약 2psi 내외로 변동하지만 공압수요의 감소에 따라그 변동폭이 점차로 증가하여 약 8~9psi 정도에 이르기도 한다.

대부분의 경우, 이러한 주기적인 공압의 요동 현상은 다량의 공기를 주기적으로 소비하는 설비에 의하여 유발되는데, 이러한 설비로는 대표적으로 흡착식 드라이어와 집진기를 예로 들 수 있다. 현재 드라이어를 사용하고 있지 않기 때문에 이 압력 요동의 원인이 집진기라고 추측되는데, 정확한 원인 파악을 위해서는 세밀한 계측과 검증이 필요하다.

압력의 요동은 기기의 작동성능을 변화시켜 품질의 불균일을 초래하므로, 일반적으로 콤프레셔의 토출 압력을 높이는 방법을 통해 이를 해결하려고 시도한다. 그러나, 압력 요동의 근원적인 해결없이 단순히 공급압력을 높이면 압력의 요동폭만 증가하고 압력의 순간적인 저하는 더 심해지는 것이 보통이다. 따라서 이 주기적인 압력 요동의 원인을 정확히 파악하여 이를 근원적으로 해결하여야만 신뢰성 높고 안정된 공압을 얻을 수 있다.

공압이 안정되어 변동이 없고 신뢰성이 높다면 공급 압력은 그리 높지 않아도 생산에 지장이 없게 된다. 일반적으로 콤프레셔의 압축압력을 2psi만큼 높이면 약 1%의 동력소비가 증가한다. 다라서 공급압력의 안정화는 에너지 소비효율 향상과 에너지 절감의 측면에서 매우 중요한 사안이다.

<그림4>에서는 순간적으로 다량의 공기를 소비하는 사례인 집진기의 경우 니들밸브와 리저버 탱크를 사용하여 주 배관의 압력에 아무런 영향을 주지 않고 집진기를 구동할 수 있는 방법을 보여주고 있다.

<그림4>에서와 같이 니들밸브와 리시버를 기기와 레귤레이터 사이에 새롭게 설치한다. 주 배관에서 공급된 공기는 백하우스나 필터 리시버 등이 필요로 하는 최소한의 공기압력으로 세팅된 레귤레이터를 거쳐 기기가 아니라 리저버 탱크가 필요로하는 최소한의 유량으로 세팅된 니들밸브를 거쳐 리시버 탱크를 충진한다.

기기는 주기적으로 다량의 공기를 소비하는데, 이대 필요로 하는 공기는 배관을 통해 공급받는 것이 아니라 새롭게 설치된 리시버 탱크로부터 공급받는다. 이에 따라서 주배관 압력은 기기의 작동에 따라 아무런 영향을 받지 않게 된다.

따라서 니들 밸브는 기기가 다음 번 작동 전까지 리시버 탱크에 공기를 채워 넣을 수 있는 최소한만 열어두면 리시버 탱크는 다음 주기 전까지 최소한의 유량 만으로 탱크를 채워 넣을 수 있다.

<그림4>에서와 같이 공압 수요가 최대 수요에 근접한 시점에서 발생하는 8~9psi만 제거할 수 있어도 그만큼 설정 압력을 낮출 수 있으므로 최대 약 4~4.5%의 공압 수요 절감이 가능해 질 것으로 예상된다. 이 절감 비율은 공압 수요가 최대인 경우에 대한 절감이 가능한 비율이므로 매우 의미있는 수치이다.