1989년부터 세계적인 컴프레서 전문 메이커인 미국의 퀸시 콤프레서사의 제품을 국내에 수입, 판매 및 A/S를 전담해 오던 (주)한국유체는 2002년 1월 파주에 생산공장을 준공하고 콤프레서를 생산, 국내 시장에 공급하기 시작하였다.

  그리고 압축공기 라인의 효율성 제고를 위한 공압분석 지원사업을 통하여 올바를 콤프레서의 선정과 최적의 에어시스템의 구성을 통하여 고비용 에너지원인 압축공기의 오남용을 줄여 30% 이상의 에너지 절감을 실현하도록 분석사례집 “공압시스템 분석과 개선사례”를 발간하였다.

  본 내용에서는 (주)한국유체의 분석사업을 통하여 공압 시스템 에너지 효율을 얼마나 높일 수 있는가를 직접 보여주고 있다. <편집자 주>

1. 개요

  경기도 시흥시에 소재하고 있는 거울공장의 공압 콤프레셔 및 이에 연결된 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능 효율을 검증하기 위하여 2006년 2월 1일 오전 8시부터 3일 오전 10시까지 약 50시간 동안 공급 공기압의 압력 변화양상에 대한 측정을 수행하였다. 공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림1>과 같다.

<그림 1> 공압 시스템 작동성능 평가를 위한 측정기의 설치도

·콤프레셔실은 50HP 왕복동 콤프레셔 3기가 설치되어 2기가 운영되고 있으며, 1기는 백업상태이다.

·1.91㎥ 용량의 리저버 탱크와 드라이어 2기가 운영 중에 있으며, 필터는 설치되어 있지 않은 상황이다.

·배관은 100A 주배관에서 지관으로 갈라지며,페인팅라인 배관은 50A-25A-15A 순서로 순차적으로 배관이 축소되어 연결되어 있으며, 조립 라인은 40A로 분기되어 다시지관으로 연결되어 있다.

·보고받은 바에 의하면 필터의 관리가 이루어지지 않고 있으므로 공급 공기의품질은 열악할 것으로 추정된다.

2. 계측결과의 분석

<그림2>에서는 콤프레셔실에서 측정된 리저버 탱크내 압력(P1), 에어 드라이어 출구측 압력(P2), 페인팅 라인 공기필터 후단 압력(P3) 및 페인팅 라인 중간위치에서의 공급압력(P4) 등을 서로 비교하여 보여주고 있다.

  <그림 2> 공압 시스템의 위치별 압력변화 양상

·<그림2>에 따르면, 리저버 탱크에서 측정된 로딩압력은 공압수요의 과다에 관계없이 79psi를 보이고 있음을 알 수 있다. 그런데, 공장측에서 제시해 준 로딩 설정압력은 6.0kg/㎠(87psi)이므로 양자간에는 약 8psi의 차압이 존재함을 알 수 있다.

·이는 <그림1>의 콤프레셔 간 연결 배관에서도 알 수 있듯이 1차 헤더를 설치하지 않고 50A 배관으로 콤프레셔들을 서로 연결하였기 때문에 발생하는 현상으로, 콤프레셔 토출구 측에서 상호간의 압축공기 역류현상이 발생하면서 토출구측 압력은 높아지지만 생산된 압축공기가 원활하게 리저버 탱크측으로 밀려나오지 못해서 발생하는 현상이다.
이로 인하여 총 전력비 중 약 4%가 손실되고 있음을 알 수 있다.

·공압수요가 적은 때에는 98psi(6.8kg/㎠)에서 언로딩 되는 반면에, 공압수요가 증가한 시점에서는 92psi(6.3kg/㎠)에서 언로딩 되고 있음을 확인할 수 있다. 이 현상은 설정압력 이하에서 언로딩 되는 것이 아니라 콤프레셔 출구측에서는 설정압력에 도달하였지만 리저버 탱크까지 충분히 압축공기를 밀어내지 못함을 의미한다.

·이를 해결하기위해서는 콤프레셔 출구측에 1차 헤더를 설치하여야만 한다. 1차 헤더는 출구측 배관직경의 4배(200A 내외)가 적합하다.

·콤프레셔에서는 다량의 수분도 함께 압축되기 때문에 다량의 응축수가 발생된다. 이를 효과적으로 제거하지 않는다면, 수분이 방출되어 따른 도장품질이 저하되거나 배관라인 속에서 녹을 형성하여 밸브를 막는 등 기계고장의 원인이 되므로, 이를 효과적으로 제거해야만 한다. 이를 위해서 자동 드레인 등을 설치할 것을 권고한다.

·리저버탱크(P1)와 드라이어 후단(P2) 사이에는 압력차이가 거의 발생하지 않고 있음을 알 수 있다. 따라서, 드라이어의 용량에는 문제가 없음을 알 수 있다.

·하지만 두 드라이어를 그림에서와 같이 병렬로 연결해 놓으면 일반적으로 압축공기의 편류현상에 의해서 한쪽 드라이어에 과부하가 걸리게 되어 수명이 급격하게 저하된다. 이를 방지하기 위해서는 드라이어의 입구측에도 역시 헤더를 설치하는 것이 바람직하며, 이 또한 배관직경의 4배(200A)가 적당하다.

·드라이어 출구측 압력과 페인팅 라인 공조필터 후단 사이에도 압력차이는 거의 발생하지 않고 있음을 알 수 있다. 그런데 필터가 정상적으로 압축공기에서 이물질을 걸러내기 위해서는 약 2psi 내외의 차압이 발생해야 한다. 그런데, 그림에 따르면 양자 간의 차압은 거의 없는 것으로 보아, 필터가 제거되었거나 파열되어 필터로서의 역할을 하지 못하는 것으로 판단된다.

·마지막으로, 페인팅 라이 중간에서 측정한 공기압(P4)은 단속적으로 사용되고 있음을 알 수있다. 그런데, 공장측에서 제시해 준 배관 도면 상에서는 별도의 레귤레이터가 표시되어 있지 않음에도 불구하고 측정된 공기압은 30psi 내외임을 알 수 있다.

·도면 상에서 배관 라인은 급격하게 감소하고 있기 때문에, 과도한 관로저항에 의해서 차압이 발생할 우려가 있다. 따라서 만약 레귤레이터가 설치되어 있지 않음에도 불구하고 이와 같은 차압이 발생한다면 시급히 관로를 정비해야만 하므로, 이에 대한 점검을 권고한다.

3. 문제점 분석과 대응방안

거울공장의 공압 시스템이 가지고 있는 문제점에 대해서 2절에서 분석을 수행하였다. 3절에서는 문제점에 대한 대응방안을 우선 순위에 따라 살펴보기로 하겠다.

·현재 측정된 데이터에 따르면, 콤프레셔 출구측과 리저버 탱크 사이에 헤더가 설치되어 있지 않기 때문에 과도한 차압이 존재하고 있다. 이 때문에 약 4%의 전력손실이 발생하고 있으므로, 200A 직경의 헤더를 두 콤프레셔 출구측에 설치할 것을 권고한다.

·왕복동 콤프레셔는 단열압축(adiabatic compression) 공정을 사용하기 때문에 압축공기이 과도한 온도상승이 발생하여 다량의 에너지 손실이 발생하므로, 이론 토출량에 비해서 실제 냉각후 토출량은 동급 스크루 콤프레셔의 65~70%에 불과하다. 따라서 현재의 운영중인 2기의 왕복동식 50HP 콤프레셔를 1기의 75HP 스크루 콤프레셔로 대체하여도 공장의 압축공기 공급에는 문제가 없을 것으로 판단된다.

·이를 통하여 연간 1800 만원의 전력비용 절감이 가능할 것으로 판단된다.
(8000시간/연간 작동시간)×(70원/kW)×(25마력/0.76)=18,421,052원

·따라서 추가적인 공장 증설이 예정되어 있지 않다면, 75HP 스크루 콤프레셔 1기를 신규도입하여 공압 시스템을 유지하면서 2기의 50HP 콤프레셔를 백업용으로 사용한다면 공압시스템의 효율성을 획기적으로 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.

·만약 추가적인 공장 증설이 단기간(2년) 내로 예정되어 있다면 100HP 콤프레셔가 적합하다.

·드라이어 2기를 병렬로 사용하기위해서는 공급단에 헤더의설치가 필수적이다.

·응축수의 배출을 위한 자동 드레인의 설치는 드라이어와 함께, 녹발생 방지를 통한 연결기기의 보호와 페인팅 품질향상을 위해서 필수적인 사항이므로이에 대한 설치를 권고한다.

·필터는 압축공기에 섞에 들어가는 이물질을 제거하여 기기의고장방지와 페인팅 품질향상에 중요한 역할을 한다. 따라서 필터의 설치와 이에 대한 주기적인 관리는 공압 시스템 운영에 있어서 필수적인 사안이다. 따라서 이에 대한 설치와 관리에 관심을 기울여 줄 것을 권고한다.

·드라이어를 병렬로 설치하여 운영하는 경우에는 편류에 의하여 한 쪽 드라이어에 과부하가 발생하게 되어 수명저하와 고장의 원인이 된다. 이를 방지하기 위해서는 입구측에 배관직경의 4배 내외인 헤더를 설치하여야 한다.

·일반적으로 페인팅 라인에서는 도자의 안착률을 증가시키기 위해서 저압을 사용하며, 균일한 공급압력의 유지는 도장품질의 균일화를 위한 필수 요건이다.

·또한, 생산용 기기로 공급되는 공기압이 심하게 요동치면 공압 작동기기의 작용력이 수시로 변하여 제품의 품질 불균일과 공압기기 오동작의 원인이 된다. 따라서, 이를 균일한 압력으로 안정화 시킬 필요가 있는데,이러한 목적으로 능동형 유량조절기가 개발되어 공급되고 있다.

·현재 운영 중인 공압 시스템에 대한 검토 결과, 현재 운영중인 2기의 50HP 콤프레셔를 스크루식 75HP 콤프레셔 1기로 대체할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 통하여 연간 1800만원의 전력비용 절감이 가능할 것으로 판단된다. 하지만, 이는 배관라인의 정비와 필터, 드레인 시스템의 설치 등과 병행하여 시행되어야 공압품질의 향상이 가능하다.