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

Depth 필터 생산공장의 공압 콤프레셔 및 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능효율을 검증하기 위하여 2002년 8월 16일 오전 11시~8월 17일 오전 11시까지 약 24시간 동안의 공압 시스템 작동 상태 변화 추이를 모니터링하였다. 공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림 1>과 같다.

공압 시스템은 1대의 리프트 밸브형 300HP 퀸시 스크루 콤프레셔와 1대의 로딩/언로딩형 200HP 아트라스 스크루 콤프레셔, 2대의 로딩/언로딩형 199HP 한신 스크루 콤프레셔, 2대의 로딩/언로딩형 35HP 스크루 콤프레셔, 1대의 로딩/언로딩형 20HP스크루 콤프레셔의 총 7기의 콤프레셔들로 구성되어 있다.

7대의 스크루 콤프레셔들은 통합제어시스템으로 상호 연결되어 있지 못하여, 공장 부하용량의 변화에 따라 일일이 수동으로 시스템을 구동 및 정지시켜야 하는 상태이다.

압력 측정은 300HP 콤프레셔와 5루베 용량의 리저버 탱크 사이의 배관압력(P2), 4인치 주배관의 끝단 압력(P3), 광폭 노즐 시험기와 인접한 지관에서의 압력(P4) 및 멜트블로잉기 입구측 레귤레이터 통과후의 압력(P5)과 같이 4개의 위치에 대하여 수행하였다. 압력 측정 위치들은 <그림 1>에 명기되어 있다.

2. 계측결과의 분석

<그림 2>에는 300HP 용량의 퀸시 PowerSync 콤프레셔의 소비전류의 변화와 콤프레셔 출구측 압력변화 양상을 보여주고 있다.

그림에 따르면 콤프레셔 설정 압력은 88psi이며, 탱크 압력의 변화에 따라 콤프레셔 스크류측에 설치된 4기의 리프트 밸브가 순차적으로 여닫히면서 소비전력이 변화함을 알 수 있다.

리프트밸브 하나가 열리면 소비전류는 약 30A 정도가 감소하며, 이는 콤프레셔 소비전류(냉각기 제외)의 약 12.5%에 해당하는 전력이다. 콤프레셔의 능동적인 작동에 의해 압력은 약 2psi의 변동 범위 내에서 안정적으로 유지되고 있음을 알 수 있다.

PowerSync와 같이 리프트 밸브가 장착된 스크루 콤프레셔는 공기 수요의 변화에 따라 능동적으로 리프트 밸브가 여닫기 때문에 공기탱크 내의 압력은 매우 안정적으로 유지할 수 있다.

그런데, 공기탱크와 주 배관 사이에는 드라이어와 필터라는 저항요소가 게재되어 있으므로, 주 배관 내에서의 압력 변화에 대해서 공기탱크 내에 저장되어 있는 공기가 빠르게 공급되지는 못하는 단점이 있다. 이에 대한 해결 방안은 4절에서 다시 논의할 예정이다.

콤프레셔 출구측과 공기탱크는 4인치 배관을 통해 직접 연결되어 있으므로 콤프레셔 출구측에서 측정한 압력 P2는 공기탱크 압력과 동일하다고 간주하여도 무방하다. 콤프레셔와 4인치 주 배관 끝단에서 측정한 압력 사이의 차이는 실험용 광폭노즐 구동시는 약 6psi, 광폭노즐을 실험하지 않는 경우는 약 5psi의 압력 차이가 발생하고 있다.

공기 탱크와 주배관 사이에는 드라이어와 공기 필터가 설치되어 있으며, 일반적으로 드라이어와 필터에 의해 3psi~5psi 정도의 압력 강하가 발생하므로, 드라이어와 공기필터의 운영상태는 매우 양호함을 알 수 있다. 또한 4인치 주 배관 전체의 용량이나 운영상태도 매우 건전함을 확인할 수있다.

광폭노즐 시험기의 공기 소비 패턴이 콤프레셔-탱크간의 압력 P2를 제외한 모든 배관과 기기에 영향을 끼치고 있음을 알 수 있다. 특히, 멜트블로잉기의 레귤레이션 후의 압력 P5에도 그대로 시험기에서의 공압 변화 패턴이 전사되어 약 0.4psi의 압력변화를 유발하고 있다.

0.4psi의 압력변화 값은 절대값으로는 매우 작은 압력값이지만, 멜트 블로잉기의 작동압력이 15psi로 매우 낮은 압력이므로, 이에 대해서 약 2.7%의 압력변화가 발생하는 셈이므로 이 압력변화가 Depth 필터의 제품 품질에 끼치는 영향에 대한 정량적인 판단이 필요하다.

멜트 브로잉기의 레귤레이팅 압력이 오전 5시 25분을 전후하여 약 0.9psi만큼 스텝 형태로 상승하였다가 장시간에 걸쳐 점차로 하강하고 있음을 알 수 있다. 그런데 이 시점에서 주 배관에서는 아무런 압력변화가 발생하지 않은 것으로 보아, 이 스텝형태의 압력변화는 멜트 블로잉기 자체에서의 상태변화에 의한 것으로 유추된다.

그런데, 이 상승된 압력이 즉시 원래 상태로 떨어지는 것이 아니라 시간의 경과에 따라 서서히 감소하는 경향으로 보아 장시간의 경화한 후에는 결국 원래 압력인 15psi까지 감소될 것으로 예상된다. 이는 순간적인 압력변화가 제품의 품질에 끼치는 영향보다 더 심각한 필터 품질의 변화를 초래할 수 있으므로, 이 압력변화의 원인에 대한 보다 심도있는 고찰이 필요할 것으로 사료된다.








레귤레이터 전단 압력은 주 배관에서 분기된 지관의 종단 압력으로, 약 0.5psi 이내에서주 배관의 아바력 변화를 추종하고 있으므로 지관의 용량은 충분하며, 지관의 상태도 양호한 것으로 판단된다.

본 계측은 장기산에 걸쳐 수행된 것이 아니므로 보다 명확한 에너지 손실양을 정량적으로 판단하기 위해서는 장기간에 걸친 압력 계측 및 다수의 측정 위치에 대한 압력 측정을 통한 검증과정이 필요하겠지만, 지관 종단 압력과 레귤레이터 후단의 압력 사이의 차압이 약 68psi이다.

일반적으로 압력을 2psi만큼 낮추면 1%의 전력손실이 발생한다. 따라서 레귤레이터가 압력을 낮추면서 약 34%의 전력손실이 발생함을 알 수 있다. 300HP 콤프레셔의 연간 전력비용은 약 90,000,000원(연8000시간 구동, 50원/kw로 계산)에 달하므로, 압력손실로 약 30,000,000원의 손실이 발생한다고 추정할 수 있다.

광폭노즐 시험기 작동시 조차도 주 배관의 최저 압력은 80psi 이상이며, 인접 지관에서의 순간적인 압력 강하시에도 74psi 이상의 압력이 유지되므로, 주 배관라인을 과도하게 고압으로 유지하여 다량의 에너지 손실을 감수하고 있는 것으로 판단된다.

3. 문제점 분석과 대응방안

신양 SPnP 공압 시스템이 가지고 있는 문제점에 대해서 2절에서 분석을 수행하였다. 3절에서는 문제점에 대한 대응방안을 우선순위에 따라 살펴보기로 하겠다.

대응방안은 첫째, 공압 시스템의 에너지 효율을 높이는 방안을 기준으로 모색되어야만 한다. 이를 위해서는 소극적인 대앙방안과 적극적인 대응방안을 제시한다. 이를 통해서 제품의 불량률을 최소화하며, 공압 시스템의 작동 신뢰성을 높이면서도 에너지 손실을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

두 번째로 다수의 콤프레셔들에 대한 통합 제어 시스템의 도입을 통해 급작스러운 라인의 정지 등을 방지하고 최소 전력 소비를 위한 콤프레셔의 기동 스케쥴링 등을 가능케 하는 방안들을 제시한다.


① 광폭 노즐 시험기는 순간적으로 과도한 공기를 소모하면서 공압 시스템 전체에 지대한 압력변화를 초래한다. 따라서 우선적으로 시험기를 위해 35HP 콤프레셔 한 대를 전용으로배정하고 별도의 공압라인을 설치하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 2인치 배관정도면 용량이 충분할 것으로 사료된다.

② 주 배관 라인에는 리저버 탱크가 설치되어 있지 않다. 따라서 순간적으로 공기 소모량이 변화하면 주 배관 내에 존재하는 소량의 공기만으로 이 수요의 변화를 충족시키지 못하므로 주 배관상에 공기 리저버를 설치하여야 한다. 이를 위해서 <그림 4>와 같이 현재 공압 라인을 수정하는 것이 필요하다.

드라이어와 필터는 일종의 저항요소이므로 300HP 콤프레셔에서 생산된 압축공기는 탱크에 저장되나 주 배관 내에서의 급격한 압력변화에 대해서는 이 탱크에 저장된 압축공기가 효과적으로 공급되지 못한다. 따라서 300HP 콤프레셔를 구동하는 경우에는 밸브 A는 닫고 B는 열어두는 것이 타당하다.
 
이와 반대로 300HP 콤프레셔를 정지시키고 200HP 콤프레셔를 기동하는 경우에는 A는 열고 B는 닫다 5 루베 탱크를 주 배관에 직결시켜 놓는다. 이를 통해 주 배관의 공기 저장용량을 증대시키면 압력의 안정화가 가능하여 주 배관의 공기압력을 현재보다 낮출 수 있을 것으로 판단된다.

③ 현재 공장 전체에는 과거에 설치되었던 2인치 배관과 새롭게 설치한 4인치 배관이 병렬로 설비되어 있다. 따라서 과도한 비용 지출 없이도 저압 라인과 고압 라인을 분리하여 운영할 수 있을 것으로 판단된다. 현재 대부분의 유량은 저압측에서 소비하고 있으므로, 4인치 배관을 저압 전용으로 사용하며, 2인치 배관을 고압 전용으로 사용할 것을 추천한다.

A. 저압 라인은 300HP콤프레셔로 전용라인을 형성하며 콤프레셔 토출 압력은 57psi(설정 가능한 최저압력입다)로 설정한다. 드라이어와 필터에 의한 압력 손실을 고려하면 저압 라인은 약 50psi 내외로 운영할 수 있으며, 지관에서도 45psi 이상으로 유지가 가능하다.
따라서 멜트 블로잉 생산에는 문제가 없을 것으로 예측된다.

B. 저압 라인에서의 압력손실은 이전에 비하여 절반 정도로 줄일 수 있으며, 이에 따라서 전력 손실도 약 17% 정도 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

C. 저압 라인 운영시 순간적인 공기 수요 증대에 따른 압력 강하를 방지하기 위하여 저압 라인상에 3루베 용량의 리저버를 설치할 것을 추천한다. 저압단에서의 순간적인 수요증가는 큰 압력변동을 유발하므로 리저버 탱크가 매우 중요하다.

D. 고압 라인은 20HP나 35HP 콤프레셔로 80~90psi 수준으로 운영하면 공장내 모든 고압의 공압수요를 충족시킬 수 있다. 특히, 고압에 대한 수요는 그리 크지 않으므로 2~3 루베 전후의 용량을 갖는 리저버 탱크를 장착하면 로딩/언로딩 방식으로 운영하면서도 최대한의 전력소비 절감을 꾀할 수 있을 것으로 판단된다.

④ 현재 운영되고 있는 300HP PowerSync는 압력 조절 및 용량 제어에 매우 효과적인 콤프레셔이다. 따라서, 순간적인 공압 수요 증가에 따른 압력 강하 발생시 이를 능동적으로 대처할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 그러므로 이를 사용하면 저압 라인은 독자적으로 매우 효과적으로 운영할 수 있을 것으로 판단된다.

그러나 이 콤프레셔의 고장 발생시 공장 전체의 기동 중단과 그에 따른 손실을 방지하기 위해서는 백업 시스템의 자동 기동을 포함한 몇 가지 대안이 필요하다.

E. 백업용으로 사용하는 200HP 및 여타 콤프레셔들에 자동 기동 기능을 부여하는 것이 타당하다. 이를 위해서는 콤프레셔 간의 네트워크를 구성하는 것이 필요하며, 현재 퀸시 QLC시스템이 서로 다른 기종의 콤프레셔들을 네트웍 시켜 구동 스케쥴링 및 백업 시스템 자동 기동 등의 기능을 갖추고 있으므로 이 시스템의 적용을 추천한다.

F. QLC 시스템을 채용하면 300HP 콤프레셔 독자적으로 운영하면서 용량 부족 현상이 발생하게 되면 프로그램된 우선 순위에 따라 백업 콤프레셔들이 자동적으로 기동된다. 역으로 수요가 급감하게 되면 프로그램에 의거하여 200HP 혹은 그 이하급의 콤프레셔를 구동하면서 300HP 콤프레셔를 정지시키는 기능을 부여할 수 있다.

G. 자동 기동을 위해서는 약 15초의 시간이 필요하다. 이 시간동안 필요한 공기 수요는 리저버 탱크에서 충당하여야 한다. 이를 위해서는 약 15 루베 정도의 리저버 탱크 용량이 필요한데, 콤프레셔 룸의 공간적 제약 등으로 설치가 쉽지 않을 것으로 판단된다.

따라서 리저버 탱크의 용량을 증설하지 않고 이 기간 동안의 공기 수요 충당을 위해서는 고압 라인에서의 공기를 크로스오버(crossover)시킬 수 있는 장비가 필요하다.

이를 위해서는 부록에 명기된 교차 유량 조절기 QSPC 2×3을 추천한다. 이를 사용하여 구성된 시스템은 <그림 5>와 같다.

신양 SPnP 공압 시스템에 대하여 앞서와 같이 개선안을 제안하였다. 이 개선안들은 소극적이니 방법과 적극적인 방법으로 나뉘어져 있다. 개선안의 사안별 적용에는 신중을 기해야 하며, 시행시 심도 깊은 논의를 필요로 한다.