® 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>

<그림5>에서는 헤더3의 압력 변화와 앞서 작동상태에 문제를 제기했던 4번 콤프레셔의 소비전류 변화양상을 비교하여 나타낸 그림이다.

4번 콤프레셔는 매우 잦은 주기로 작동가 정지를 반복하고 있는데, 헤더 2의 압력과 비교해 보면 언로딩 압력이 약 80psi로 설정된 것으로 예상되며, 작동 상태에서 정지상태로 전환되는 과정에서의 소비전류 변화양상에 많은 의문점들이 존재한다.

우선, 콤프레셔의 로딩과 언로딩을 결정하는 압력계가 리저버 탱크가 아닌 드라이어 전단 배관상에 설치된 것으로 예상된다.

<그림1>을 살펴보면 3번과 4번 콤프레셔가 동일한 배관으로 묶인 후 리저버 탱크에 연결되는데, <그림2>에 따르면 3번 콤프레셔(전류1)는 가장 높은 압력으로 설정되어 있어 심지어는 다른 모든 콤프레셔들이 언로딩 되거나 정지한 기간에도 작동하는 콤프레셔이다. 이 콤프레셔들이 언로딩 되거나 정지한 기간에도 작동하는 콤프레셔이다.

이 콤프레셔에 같이 묶인 콤프레셔의 설정압력이 매우 낮게 설정되어 있다면 콤프레셔는 거의 제 기능을 발휘하지 못할 것이 자명하며, 특히 압력계의 설치위치가 리저버 탱크가 아닌 드라이어 전단의 배관라인상이라면 3번 콤프레셔의 고압이 4번 콤프레셔로 역류하여 4번 콤프레셔의 작동을 방해하므로, 비록 공압시스템 전반에 걸쳐서 공압이 떨어지더라도 공압의 역류로 인해 압력계가 배관에서의 압력상승 현상이 4번 콤프레셔의 작동을 방해하게 된다.

현재와 같이 콤프레셔 및 관련 공압 시스템을 순차적으로 증설하여 발생한 이러한 구조적인 문제들은 설정값의 변경, 압력계 설치위치의 이동 및 배관 구조 개선 등 부분적인 개선을 통하여 약간의 성능향상이 가능하지만 현재로서는 공압수요의 부족과 소용량 콤프레셔가 가지고 있는 근원적인 효율한계 등 때문에 콤프레셔 용량 증설이 필요하므로, 더 이상 소규모 증설만으로는 경제적 낭비가극심하여 소극적인 개선안을 추천하기는 어려울 것으로 판단된다.

4장에서 다시 논의하겠지만, 480HP급 콤프레셔 시스템을 운영하기 위해서는 약 2억4천만원(kW당 75원, 연간 8700시간 운영 기준)의 전기료가 필요하며, 소규모 콤프레셔 사용시 발생하는 효율손실만으로도 10%의 낭비가 발생하는 현실에서 콤프레셔 시스템을 600HP 수준으로 증설하기 위해서는 고효율/고마력 콤프레셔의 도입시 소요되는 비용에 대한 경제성 판단이 가능할 것으로 예상된다.

<그림5>의 하단 그래프를 살펴보면 황색 영역으로 표시한 부분과 적생 영역으로 표시한 부분을 확인할 수 있다. 일반적으로 콤프레셔가 설정 압력에 도달하면 입구 밸브를 닫고 공기압축을 중지하는데, 일정기간 동안은 콤프레셔를 공회전 시키며 대기상태로 있게 된다. 이를 언로딩이라 부르며, 공기압축을 수행하지 않고 공회전만 하기 때문에 소비전류는 감소하게 된다. 이러한 소비전류의 감소현상이 청색 영역에서는 명확하게 관찰되고 있다.

3. 문제점 분석과 대응방안

본 분석과정을 통하여 공압 시스템이 가지고 있는 문제점에 대해서 2절에서 분석을 수행하였다. 3절에서는 문제점에 대한 대응방안을 우선순위에 따라 살펴보기로 하겠다.

전반적인 분석 결과, 현재의 공압 시스템은 공압 수요의 증가에 대응하기 위하여 소극적으로 증설을 수행하였기 때문에 다수의 소용량 콤프레셔가 운영되는 상황에 처하게 되었다.

․소용량 콤프레셔라고 하여 마찰부위나 베어링 및 기타 손실요인이 대용량 콤프레셔보다 용량에 비례하여 줄어드는 것이 아니므로 근원적으로 효율이 떨어짐은 자명하다.

․480HP규모의 콤프레셔 시스템을 소용량의 콤프레셔로 운영함에 따라 효율저하에 따라 10% 이상의 손실이 발생하고 있다. 따라서, 이에 대한 개선이 시급한 실정이다.

․콤프레셔들의 설정압력에 대한 점검을 통하여 대용량 콤프레셔의 설정압력을 가장 높게 유지하고 저용량 콤프레셔일수록 낮게 설정하여 용량이 작은 콤프레셔부터 언로딩 되도록 콤프레셔 시스템의 압력 설정을 전반적으로 점검할 필요가 있다.

․각 콤프레셔들의 작동을 위한 압력계의 설치위치를 리저버 탱크 위치로 옮기거나 최소한 점검할 필요가 있다. 특히 4번 콤프레셔의 작동상태는 정상 작동상태가 아닌 것으로 판단된다.

․궁극적인 해결방안은 대용량 콤프레셔로 교체하는 것이다. 현재, 공압 수요의 부족과 맞물려있으므로 다음 항목에서 상세하게 논의할 예정이다.

또한, 언로딩 후 일정시간이 지나도 콤프레셔가 로딩되지 않으면 내장된 프로세서가 이를 감지하고 콤프레셔 모터를 정지시키는데, 이를 Auto/Dual기능이라고 부른다. 정상적인 콤프레셔는 청색 영역에서 나타나는 것과 같이 작동전류에서 언로딩 상태의 전류감소 영역을 거쳐 일정시간 후 콤프레셔가 정지하는 과정을 반복하여야 한다.

그러나, 황색으로 표시된 영역에서와 같이 많은 경우 콤프레셔는 언로딩 과정을 거치지 않고 그냥 작동이 정지되는현상을 발견할 수 있다. 이는 입구밸브 모듈레이션 방식의 콤프레셔에서는 정상적인 작동상태가 아니므로 이에 대한 원인 파악과 개선이 필요하다.

․이는 현재 콤프레셔 시스템을 근거로 도출된 결과이므로 만약 이를 고효율/대용량 콤프레셔 시스템으로 교체한다면 약 10% 이상의 소요동력 감소가 가능할 것으로 판단된다.(최대 동력수요 703HP~최소 동력수요 492HP)

․3장에서 논의한 바와 같이 공압 시스템의 개선을 통한 공압 안정화가 가능하다면 약 9psi의 압력 강하가 가능하여 최대수요 발생시 약 4.5%, 최소수요 발생시 약 1%의 동력 절감이 가능하다.(최대 동력 수요 651HP~최소 동력수요 472HP)

․300HP급 고효율 대용량 콤프레셔는 40HP급 소용량 콤프레셔에 비하여 동일 마력당 약 15% 정도 많은 유량이 토출된다. 따라서, 1대의 300HP 콤프레셔와 1대의 200HP 콤프레셔 및 1대의 기존 100HP 콤프레셔로 공압 시스템을 구축하면 약 690HP의 공압수요까지 공급이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 만약, 토출 유량이 부족하다면 한 대의 50HP 콤프레셔를 추가로 운영하면 공압수요의 충당이 가능하다.

이런 상황을 종합적으로 판단해 보면 한 대의 300HP 콤프레셔와 한 대의 200HP 콤프레셔를 신규로 도입하여 기존의 100HP 콤프레셔와 함께 651HP~472HP의 공압수요 변화에 대하여 공압 시스템을 운영하여야 한다.(필요에 따라서 추가로 기존의 50HP 콤프레셔 운영)

․300HP 콤프레셔는 입구밸브 모듈레이션 방식으로 선정하여 기저부하용으로 사용하고, 한 대의 200HP 콤프레셔는 리프트밸브 방식으로 선정하여 공압수요의 변화에 따라 즉각적으로 리프트밸브를 여닫으면서 공압 수요에 반응하도록 한다면 기존의 100HP 콤프레셔와 함께 공압 시스템을 운영하면서 4개의 리프트 밸브 중 하나가 열릴 때마다 600HP- 575HP- 550HP-525HP- 500HP로 단계적으로 토출유량이 감소하면서 전력수요도 즉각적으로 줄어들어 최대의 에너지 효율로 공압 시스템을 운영할 수 있다. 또한 500HP~160HP 사이는 300HP 콤프레셔의 입구밸브 모듈레이션으로 용량 조절이 가능하다.

․특히, 리프트 밸브 작동방식은 공압의 변화에 따라 리프트 밸브를 여닫기 때문에 정교한 압력 조절이 가능하다.

․국내에 설치된 QSI-1500 Power$ync의 사례를 <그림6>에서 살펴보면 공압 수요의 변화에도 불구하고 리프트 밸브가 수시로 여닫히면서 공급압력의 편차가 2psi 이내로 유지되고 있음을 확인할 수 있다.

․리프트 밸브 방식의 콤프레셔를 도입하므로써 공급 알력이 안정화 되면 콤프레셔의 설정압력을 최소화할 수 있기 때문에 추가로 전력비용 절감이 가능해 진다. 따라서 리프트 밸브 방식의 200 HP급 신규 콤프레셔의 도입은 공급 공기압의 안정(2psi 이내)과전력비용의 절감 측면에서 매우 효과적인 대안이 될 수 있다.

현재 콤프레셔실에 설치된 드라이어는 고장이나 노후 등의 이유로 방치된 상태이며, 우회로를 통해 압축 공기가 헤더 측으로 곧장 공급되고 있는 상황이다.

․공기중에는 다량의 수분이 포함되어 있으므로, 공기의 압축시에는 다량의 수분이 함께 압축되었다가, 공압 배관 및 공압기기 내에서 수분으로 응축되어 유출된다. 500HP급 콤프레셔의 경우, 상대습도가 95%인 하절기의 경우 시간당 약 2.5kg의 수분이 관로 내에서 응축된다.

․응축된 수분은 관로 내에 고여서 발생한 녹이 공압 기기들에 유입되어 심각한 손상을 유발할 우려가 있고, 동절기에는 응축수가 관로 및 기기의 동파를 유발할 우려가 있다.

따라서, 드라이어 시스템은 필수적으로 가동되어야만 하며, 이는 매우 시급하게 개선되어야만 하는 사안이다.

․드라이어와 더불어 본 공압 시스템에는 필터가 설치되어 있지 않다. 따라서, 공압 라인 내부는 이미 매우 심각한 상태로 오염되어 있을 것으로 예상된다.

․먼지 등 대부분의 분진은 경도가 철에 준하거나 그보다 높아, 기기에 유입되면 마모가 촉진되고, 유분과 함께 굴곡부에 응착되면 관로나 오리피스 등을 막아버릴 우려도 있다. 따라서 드라이어 전/후에 필터를 설치할 것을 권고한다.

콤프레셔 및 공압 시스템에 대한 전반적인 분석 결과 개별적인 공압 시스템 각각은 자기 용량에 맞춰 기안되어 설치된 점은 분명하고, 비교적 안정된 작동성능을 보이고 있다. 그러나 현재 공압 수요의 한계상황에 도달하게 되었고 더 이상의 소극적인 용량증설만으로는 과도한 낭비 요인들을 해결하기 어렵기 때문에 이에 대한 적극적인 개선안을 추천하게 되었다.

현재의 추천안은 600HP급이지만 실제로 공압 수요가 충족된 상황에서 공압이 안정화 되면 공급압력을 최소한으로 낮출 수 있어 공압수요의 획기적인 절감이 가능할 것으로 예상된다. 따라서, 최종적으로는 100HP 콤프레셔의 기동마저도 중단시킨 채, 300HP와 200HP 콤프레셔만을 사용한 500HP 규모의 용량만으로도 공압 공급의 안정화를 통해 운영이 가능할 것으로 예상된다. 하지만 이는 공압 시스템 전반에 걸친 공압 변동 요인들의 개선을 통해서만 구현될 수 있는 사안이다.

공압 콤프레셔들을 교체함에 있어 배관라인의 개선은 매우 중요한 사안이다. 소극적인 개선은 결과적으로 지속적인 낭비를 초래하므로 결과적으로는 커다란 손실로 작용한다. 따라서, 소용량 드라이어들에 대한 교체작업도 동시에 수행되어야만 하며, 콤프레셔실 내의 배관라인들도 전반적으로수정하여야만 한다. 이에 대한 보다 상세한 논의는 한국유체 기술부와 상의하기 바란다.

마지막으로, 기존의 콤프레셔들 중 일부를 백업 시스템으로 남겨 놓아야만 한다.
일반적으로 콤프레셔는 거의 고장이 발생하지 않는 시스템이지만 만일의 경우 콤프레셔 시스템이 다운된다면 장기간 공장의 조업 중단을 피할 수 없기 때문에백업 시스템은 필수적이고도 중요한 사항이다.