제지공장 :: Today - 여기에뉴스

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

충청남도 아산시에 소재하고 있는 제지공장 콤프레셔실의 공압 콤프레셔 및 이에 연결된 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능 효율을 검증하기 위하여 2003년 9월 17일 오전 11시 50분부터 20일 오전 10시까지 약 70시간 동안의 공압 시스템 작동상태 변화 추이를 모니터링하였다. 공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림1>과 같다.

콤프레셔실은 250HP, 200HP, 50HP의 총 3기의 콤프레셔로 구성되어 있으며, 250HP 콤프레셔가 주로 운영되고 있다. 200HP 콤프레셔는 심하게 노후되어 더 이상의 사용이 어려운 실정이다.

각 콤프레셔들의 출구 배관이 리저버 탱크로 연결되기 전에 헤어 없이 하나의 배관으로 연결되어 있다.

리저버 탱크의 용량은 2.65㎥로, 250HP 콤프레셔 시스템의 규모에 비해 매우 작은 수준이다.

리저버 탱크 후단에 설치된 두 대의 드라이어 중 QA-1200은 고장난 상태로 방치되어 있으며, HYD-300은 전 후단에 필터가 설치되어 있지 않다.

250HP 콤프레셔와 HYD-300 드라이어는 덕트가 설치되어 있지 않아 냉각된 열이 콤프레셔룸 내로 유입되고 있는 실정이다.

<그림1>에 제시된 공압 시스템 개략도는 단지 전체 시스템 중 계측기가 설치된 위치를 표시하기 위하여 작성된 도면이므로, 실제 공압 시스템 전체를 나타내고 있지는 않다.

현재 공압 시스템이 처한 문제점들을 파악하여 이를 개선하면서도 전력효율을 높이고 콤프레셔 시스템의 작동 신뢰성을 높이는 방안이 본고에서 이루고하 하는 궁극적인 목표이다.

계측된 공압 데이터 분석의 신뢰성을 높이기 위하여 상용 통계처리 프로그램인 SPSS를 사용하였다. 일표본 T 검정법은 측정 데이터의 평균과 표준편차를 정량적으로제시하여 주므로, 콤프레셔의 공압 설정값과의 비교를 통하여 공압 수요 대비 생산의 부족분을 산출할 수 있으며, 압축공기 생산의 안정성 판단의지표를 제공한다.

2. 계측결과의 분석

<그림2>에서는 콤프레셔실 내에 설치된 리저버 탱크 내의 압력 변화를 250HP 콤프레셔의 소비전력 변화와 함께 비교하여 도시하고 있다.

250HP 콤프레셔는 440V 하에서 평균 277.9A를 소비하고 있으므로 평균 축마력(BHP)는

(440V×277.9A×1.732)/(760kW/HP)=278.66HP

따라서 250HP 콤프레셔의 % Loss는 BHP와 GPH사이의 비율이며 % Loss=278.66.250=1.146이므로 이 콤프레셔는 거의 최대부하 상태에서 작동되고 있음을 알 수 있다.

콤프레셔의 설정 압력은 90Psi이며 생산되고 있는 공압의 평균 압력은 SPSS분석에 따르면 79.3490psi이므로, 생산목표의 88.1%의 압력밖에 생산하지 못하고 있음을 알 수 있다.

즉, 이는 콤프레셔 용량이 약 11.9% 부족함을 의미하고 250×1.19=297.5HP이므로, 현재 공장을 정상적으로 운영하기 위해서는 300HP 규모의 콤프레셔 시스템이 필요함을 알 수 있다.

특히, 2004년 9월 17일 오후 5시경 리저버 탱크 압력이 순간적으로 70psi까지 떨어지는 현상을 목격할 수 있다. 공압 수요의 순간적인 증가에 따른 공압수요의 부족을 리저버 탱크가 충당하기에는 리저버 탱크의 용량이 매우 부족하기 때문에 현재 상태로는 별도의 콤프레셔르 frl동하지 않고는 이러한 공압수요의 부족을 해결할 수 없다.

순간적인 공압수요의 부족은 리저버 탱크의 저장용량으로충당하는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 현재의 리저버 탱크 용량을 크게 증가시켜야만 한다.

통계분석 전용 프로그램인 SPSS를 사용하여 리저버 탱크 내 공기압력 변화를 분석한 결과 95%의 확률로 공압은 77.1534psi~81.5446psi사이에서 변화하며 편차는 4.3912psi이다. 공압수요의 편차자 5psi 이내로 나타나고 있음은 공압수요의 변동폭이 비교적 작음을 의미하며, 이 경우 헤더 압력의 안정화는 단지 리저버 탱크의 용량 증가만으로 달성할 수 있다.

현재, 리저버 탱크의 용량은 2.65㎥로, 콤프레셔의 생산용량에 비해 매우 부족한 실정이다. 일반적으로 리저버 탱크의 용량은 콤프레셔가 15초간 생산할 수 있는 압축공기 용량을 수요할 수 있어야만 안정적으로 공압 시스템이 압력을 유지할 수 있다.

300HP 규모의 공압 시스템에서는 분당 생산용량이 1500scfm이므로, 15ch 동안 생산량은 375scfm(약 11㎥)에 달한다. 따라서 현재의 리저버 탱크는 필요 용량의 24%에 불과하다.

리저버 탱크 의 용량 증설은 주 배관 공기압의 안정화를 통한 제품 생산의 균일성과 신뢰성 확보를 위하여 매우 중요하고도 필수적인 사안이다.

그러나 대부분의 경우 콤프레셔실이 협소하여 충분한 용량의 리저버 탱크를 설치하기 어려운 현실에서 가용 공간에 맞춰 리저버 용량을 줄여야만 한다면, 공압수요의 변화에 따라 생산량이가변도는 콤프레셔를 도입하는 것이 대안이 될 수 있다.

일반적인 로딩-언로딩 타입의 콤프레셔는 압축공기의 생산량 가변이 불가능한 반면 리프트 밸브 방식이나 입구밸브 모듈레이션 방식의 콤프레셔는 공압수요의 변화에 따라 압축공기의 생산량 가변이 가능하여 효과적으로 주 배관 공기압을 안정화시킬 수 있어 리저버 탱크의 필요 용량을 로딩-언로딩 방식에 비하여 절반 이하로 줄일 수 있다.

따라서 신규로 도입하여야 하는 300HP 용량의 콤프레셔를 리프트 밸브 방식이나 입구밸브 모듈레이션 방식으로 선정한다면, 리저버 탱크 용량을 약 5㎥로만 증설하여도 주 배관 압력을 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

<그림3>에서는 각 측정위치별 공압의 변화양상을 보여주고 있다. 그림에 따르면 리저버 탱크의 공기압<압력1>과 가장 인접한 위치인 포프릴 전측 압력탱크 후단<압력2> 사이의 압력 사이에는 6.9646psi의 차압이 존재함을 알 수 있다.

두 측정 위치 사이에는 필터, 드라이어 및 압력탱크와 배관 등이 설치되어 있으며, 일반적으로 차압 3~5 psi 이내로 유지되어야 한다. 이 차압은 배관의 길이 차이가 많이 차이나는 <압력4> 및 <압력5>에서도 동일하게 발생하고 있으므로, 배관에서 발생하는 차압은 아닌 것으로 판단된다.

따라서, 드라이어와 필터의 용량부족이 의심되며, 이에 대한 점검과 개선이 시급하고도 필수적이다.

<압력3>의 측정압력은 37.4651psi로, 리저버 탱크 평균 압력인 79.3490psi에 비하여 41.8839psi 차압이 발생하고 있다. <그림1>의 배관도를 살펴보면 <압력3>이 설치된 배관 라인은 순차적인 배관 증설을 통하여 설치된 것으로 보이며, 지관의 과도한 증설로 인하여 압축공기 이송의 효율성이 매우 떨어지는 구조이다.

그러나 <압력3>에서와 같은 과도한 차압은 매우 이례적인 상황이므로, 배관과 측정위치 사이에 레귤레이터가 설치되어 있거나 심각한 리스크가 발생하고 있는 것으로 추정된다. 따라서 이에 대한 점검이 필요하다.

<압력2>와 <압력4> 및 <압력5>의 차이가 1psi 이내로 유지되고 있으므로, <압력3>이 측정된 배관라인을 제외하고는 주 배관의 용량과 건전성은 매우 양호한 것으로 판단된다.

<압력3>이 측정된 1M/C 측 배관라인을 주 배관과 연결하여 정비할 필요가 있는 것으로보이며,이에 대해서는 실무차원에서의 점검을 추천한다.

3. 문제점 분석과 대응방안

현재 제지공장 콤프레셔실이 처한 문제점에 대한 대응방안을 우선순위에 따라 살펴보기로 한다.

■현재 공압 시스템은 평균 12%의 용량부족 현상이 발생하고 있으며, 이를 개선하기 위해서는 300HP 규모의 콤프레셔 시스템을 신규로 도입하여 운영할 필요가 있다.

노후되어 압축공기 생산에 더 이상 투입이 어려운 200HP 콤프레셔를 폐기하여야 한다.

공압 수요의 변화에 따라 능동적으로압축공기 생산량을 조절할 수 있는 리프트 밸브 방식이나 입구밸브 모듈레이션 방식의 300HP 용량 콤프레셔를 신규로 도입하는 것이 콤프레셔실의 면적이 협소한 이 공장의 경우에 적합하다.

리프트밸브 방식의 콤프레셔는 공압 수요의 변화에 따라 토출구측에 설치된 4개의 밸브를 차례로 열어 입구측으로 토출유량을 귀환시키므로, 탁월한 에너지 절감효과와 주 배관 압력 안정화 효과를 보인다. 그러나 초기 도입비용이 높으므로, 경영 관점에서의 도입 여부 판단이 필요하다.

입구밸브 모듈에이션 방식의 콤프레셔는 공압수요의 변화에 따라 공기 인입구에 설치된 입구밸브를 여닫아 토출유량을 조절한다.

이 방식은 리프트밸브 방식에 비하여 에너지 절감효과나 주 배관 압력 안정화 효과는 떨어지지만 초기 도입비용이 상대적으로 낮고 로딩 - 언로딩 방식의 콤프레셔 시스템에 비해서는 에너지 절감 효과나 주 배관 압력 안정화 효과는 탁월하다.

300HP 콤프레셔를 신규로 도입하여 기저 부하용으로 운영하며, 공압수요의 부족 발생시 간헐적으로 50HP 콤프레셔의 다운 시 일시적으로 이를 50HP 콤프레셔와 더불어 운영하는 것이 현재 공압 시스템을 최적으로 운영하는 방안인 것으로 판단된다.

■콤프레셔실 내의 배관과 덕트 등이 부적절하게 설치되어 있으며, 리저버 탱크와 필터 및 드라이어는 용량이 부족한 것으로 판단된다. 따라서 콤프레셔실 내부의 총체적인 개선작업은 필수적이고도 시급한 사안이다.

2장에서 언급하였듯이 리저버 탱크의 용량이 매우 부족한 실적이다. 정상적으로 300HP 콤프레셔를 도입한다는 전제 하에 5㎥ 용량의 리저버 탱크를 설치할 것을 권고한다.

각 콤프레셔들의 출구 배관은 직접 리저버 탱크에 연결하여야만 한다. 현재와 같이 콤프레셔의 출구 배관을 별도의 헤더배관 없이 하나의 배관으로 연결한다면 출력용량이 큰 콤프레셔가 토출한 유량이 출력용량이 작은 콤프레셔 측으로 역류하여 용량이 작은 콤프레서는 기동과 동시에 설정압력에 도달하여 언로딩되는 콤프레서들 간의 상호 간섭현상이 발생하므로, 저용량 콤프레셔의 정상적인 운전이 불가능해 진다.

드라이어와 필터는 300HP 용량에 맞게 신규로 도입하여 설치하여야만 한다. 저용량 드라이어를 병렬로 연결하여 설치하는 경우, 압축공기는 한쪽으로 편중되어 흐르면서 과도한 압력손실을 초래하며, 수분 제거 효율을 낮추기 때문에 생산현장에서 수분이 응출되며, 과도한 차압발생에 따른 효율저하를 겪게 된다.

각 콤프레셔들과 드라이어는 덕트를 설치하여 냉각 후의 공기를 외부로 배출하여야만 한다. 만약 덕트 설치가 용이하지 않은 경우에는 천정에 팬을 설치하여 실내 온도를 적정 수준 이하로 유지하여야만 한다. 콤프레셔 실 내의 온도가 과도하게 높게 유지되는 경우, 고온의 공기를 흡입함에 따른 콤프레셔의 압축효율 저하와 기기의 수명감소 등이 발생할 우려가 있다.

■앞서 추천한 콤프레셔 룸 내의 공압 시스템 개선방안을 요약하여 나타내면 <그림4>와 같다. 그림에서와 같이 덕트를 사용하여 냉각에 사용된 공기를 콤프레셔실 외부로 방출하여야만 하며, 콤프레셔드르이 압축공기 토출구는 직접 리저버 탱크와 연결하여 콤프레셔들간의 압축공기 토출구는 직접 리저버 탱크와 연결하여 콤프레셔들간의 상호 간섭현상을 방지하여야만 한다.

또한 드라이어와 필터도 출력용량에 맞게 설치하여야만 하며, 배관도 전체적으로 정비하여야만 고효율의 콤프레셔 시스템을 안정되게 유지할 수 있다.