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오늘은 원심 압축기 기술에 대해서 알아보겠습니다.
압축기 중에서 원심 압축기에 대한 내용이오니 여러 관리방법을 참고하시고 도움이 되었으면 좋겠습니다.
1. 압축기의 개요
압축기는 기체의 압력을 증가시키는 일을 하며, 그 때의 압축기가 한 일을 흡입압력과 토출압력의 Ratio(비)로 나타냅니다.
(1) 압축비의 정의 = 절대 흡입압력에 대한 토출 절대압력의 비를 말합니다
(2) 압축열
▶압축기가 강제로 기체분자 접근 - 분자의 운동속도 증가 - 기체온도상승으로 압축열이 발생
▶경질기체는 중질기체에 비하여 동일압축비에 대한 온도상승이 큼
▶토출온도를 낮추기 위해 압축비 감소 또는 흡입온도 감소, 압축기 냉각 등의 조치가 필요
(3) 압축공정
가. 단열(Adiabetic) 변화 공정
압축기가 운전 중에 외부와의 열 이동이 없는 공정으로 단지 이론적으로 가능한 공정 (보일의 법칙)
나. 등온 (Isothermal) 변화 공정
압축공정시 압축열이 제거되어 Gas의 온도가 일정하게 유지되는 공정으로 통 상적으로 잘 채택되지 않습니다. (압축열을 생성과 함께 바로 제거시키는 것은 어렵다 - 보일 - 샤를의 법칙)
다. 다면(Polytropic) 공정 변화 단열 및 등온공정이 아닌 원심압축기에서 실제로 많이 사용되고 있는 공정
(4) 회전속도(speed)에 관련된 용어의 정의
가. Rate Speed (정격회전속도) 압축기의 설계를 위한 운전조건으로 회전속도
나. Normal Operation Speed(정상운전속도) 정상 운전시의 회전속도로 최적 효율지점
다. Maximum Continuous Speed(최대연속운전속도) 정상 상태에서 연속 운전 가능한 최대 운전속도로 보통 Rated Speed의 105 % 정도 이내를 말합니다.
라. Trip Speed 회전 속도가 상승할 때 자동 Trip 되도록 Setting 한 속도로 Max. Continuous Speed의 110% 정도에 맞추어져 있습니다.
마. Critical Speed 압축기 Rotor의 고유 진동수가 압축기의 회전수와 같아져 심한 진동을 유발하는 회전속도
2. 압축원리
강제변위 압축기(positive Displacement Compressor) 일정량의 기체를 Cylinder 덮개(casing)속에 잡아넣어 작은 용적으로 변위압력을 증가 시키고 왕복식 압축기(reciprocating Compressor) 일정 용적의 기체를 Cylinder 속으로 끌어들인 후 Piston으로 기체를 작은 용적으로 변위 시켜 압력을 증가합니다.
3. 원심 압축기의 장단점
(1) 장점
- 초기 설치비가 싸다.
- 운전의 신뢰성이 높고 정비비용이 적다.
- 설치공간이 상대적으로 작다.
- 맥동이 없어 관련배관이 쉽다.
- 작동 Valve가 없어 먼지나 조그마한 양의 액체가 포함되어도 운전될 수 있다.
- 광범위한 유량범위를 비교적 일정한 압력으로 송출할 수 있다.
(2) 단점
- 압축유체의 분자량 변화에 민감하다.
- 저용량에서 압축효율이 상대적으로 낮다.
- 안정적인 작동을 위해서는 최소 400~600ACFM 정도의 유량흐름이 필요하다.
4. 일상점검
원심 압축기는 습동(動)부분이 적기 때문에 안정된 운전이 가능하다. 따라서 특 히 부식성이 강한 Gas나 오염이 심한 Gas를 취급하는 경우를 제외하고는 정기적 인 개방점검은 3년 이내에 한 번 정도로 충분합니다.
그러나 고속회전기이기 때문에 일상운전시의 기록과 그 분석을 통해 이상현상을 사전에 파악하여 처리함으로써, 돌발적인 고장을 일으키지 않도록 주의 깊게 관리 해야만 합니다.
(1) 원심 압축기의 점검, 정비
가. Gas의 온도
온도의 변화(보통 상승)는 서서히 나타나는 경우와 급격히 나타나는 경우가 있다. 전자는 흡기 온도나 냉각수가 들어가는 쪽의 온도 상승이나, Cooler의 Scale 퇴 적, 토출 압력의 변화, 냉각수량의 감소 등이 있습니다. 급격한 온도 상승은 냉각수의 정지나 Valve의 이상 등 큰 사고로 될 우려가 크므로, 즉시 압축기를 세우고 조치해야 합니다.
나. 냉각수의 온도
냉각수 온도 상승의 원인으로는 대부분 Cooler의 오염이 차지한다. 이러한 오염은 냉각수의 수질 관리가 제대로 되지 않을 때는 급속히 발생하기도 합니다. 급격한 냉각수 온도의 상승은 큰 사고로 이어질 우려가 큽니다. 이러한 사고의 방지를 위하여 보통은 단수(水) Relay, 온도 검출 경보나, Interlock이 설치되어 있습니다.
과냉각도 역시 문제가 됩니다. 과냉각이 되면, 압축기 내에서 결로현상 現)을 일으켜서, 이상 마모의 원인이 되기 때문에 조심하지 않으면 안 됩니다. 수온은 정규의 관리 범위 내에 있어야 합니다.
다. 윤활유의 온도
윤활유의 온도 상승의 원인으로는 냉각수계의 문제와 윤활유 자체의 이량이나 점도가 부적당한 외에 Bearing이나 접동부의 눌어 붙음에 의한 기계 손상을 생각 할 수 있습니다. 기계 손상은 이음이나 진동을 수반하기 때문에 즉시 정지하고 처치를 취하지 않으면 안됩니다.
유온 관리는 일반적으로 실온-30-40℃ 정도라고 하는데, 여름철에 MAX 70도 정도입니다. 이것도 일상 정상으로 운전하고 있는 값을 기준으로 판단해야 합니다.
(2) 원심 압축기의 압력 상승에 대한 대비 방법
가. 토출 압력의 변화
압력의 저하 원인으로는, 사용량이 과대하며 Valve의 상태가 나쁘고 Unloader의 복귀 불량이 있으며 대량의 Leak을 나타냅니다.
○ 압력 상승의 원인으로는,
•Unloader의 동작 불량
•토출 쪽에 Valve의 제거
나. 중간 압력(다단 압축)의 변화
토출 압력의 변화, Unloading을 했을 때, 흡기 온도의 변화, 냉각수계의 변화, Valve의 상태가 나쁜 것 등이 중에서 특히 주의해야 할 것이 Valve의 상태가 나쁜 것입니다. 중간 압력이 올라 가는 것은 고압쪽 Valve의 Leak이고, 중간 압력이 내려가는 것은 저압쪽 Valve의 Leak이 원인입니다.
다. 윤활유의 압력 변화
윤활유의 압력이 저하한다고 하는 것은, 윤활유의 공급량이 감소하고 있을 가능성 이 높고 큰 사고로 이어질 우려가 있습니다.
(3) 이음, 진동과 이상
가. 이음
압축기에서 발생하는 소리는 Gas의 흐름에 의해서 생기는 유체음(體)과 전 동도 포함한 각 기계 부분의 집동이나 회전에 의한 것 입니다.이음의 점검은 일상의 점검 진단 중에서도 특히 경험을 필요로 하는 사항인데, 정상시의 점검 진단에 있어서, 압축기의 소리를 몸으로 알아둘 필요가 있습니다. 특히 중대하다고 생각되는 이음의 발생부는 다음과 같습니다.
• Valve 누르개 Bolt의 헐거움은, 톡톡한 이음이 발생 Bolt에 손을 대면 체감할수 있습니다.
• Valve Bolt는 Valve의 분해 조립으로 느슨하게 하거나, 죄거나 하는 빈도가 많고, 또 헐거움이 발생하면 Valve 낙하 등 사고의 원인이 됩니다.
• Piston 헤드의 Nut는, 느슨해지면 Cylinder Cover에 닿아서 톡톡 하는 이음을 발생합니다.
· Piston 정상 쪽 Clearance 조정 불량에 의한 타격음이 발생한다.
• Piston의 눌어붙음이나 Metal 류의 손상은 진동을 수반한다.
(4) Leak
가. Gas의 Leak
압축 Gas의 Leak에는 내부 Leak과 외부 Lea가 있습니다. 내부 Leak의 원인은 Valve 의 부조(調)와 Piston Ring의 불량이고 대부분의 경우는 Valve 부조인데, 앞에서 설명한 Gas의 온도 압력에 의해 관리할 수 있습니다.
외부 Leak은 본체 둘레의 접합면이나, Cooler, 배관의 접속부 등에서 발생합니다. 소량의 Leak은 간과하기 쉽지만, 동력 손실면에서 확실히 해야 합니다. Gas가 나오는 소리를 알 수 있는 경우에는, 수% 이상의 Leak이므로 즉시 보수하지 않으면 안됩니다.
나. 윤활유의 Leak
각 밀봉부로부터의 Oil Leak 그 자체는 압축기에 있어 바로 큰 사고로 이어지는 것은 아니지만, 설비의 오손 등, 설비를 바르게 관리하는 자세로 볼 수는 없습니다. 대 부분 밀봉장치로서 Oil seal 이나 ㅇ Ring. Packing을 사용하고 있으나 Leak을 완전 히 없앨 수는 없습니다. 그러나 스미는 정도의 Leak는 정기적으로 담아내면 됩니다. 문제 가 되는 것은 방울져 떨어지는 이상의 Leak입니다.
(5) 과전류
압축기의 전동기에 과전류가 발생하는 것은 전원계통에 이상이 있거나, 실제 압 죽기 부하가 증가는 경우 등 두 가지가 있습니다.
전원 계통의 이상은 통상적으로 저전압에 의해서 발생하며 드물게는 전자접촉기 의 이상에 의한 경우도 있습니다. 실제로 압축기의 부하가 커지는 경우는 압축기의 토 출입력이 상승하는 경우입니다. 압축기의 제어 계통에 문제가 없을 경우, 실제적인 압축기의 토출압력 상승에 의한 부하의 증가는 무급유식 압축기에서는 드물게 발 생하며, 급유식 압축기에서는 가끔씩 발생하는 문제입니다.
(6) Oil 소모량 과다
급유식 압축기에서 에 소모가 많아지면 소모된 애은 압축공기와 함께 배관으로 유출되어 압축기 후단 라인을 심하게 오염시키는 경우가 있습니다. 이러한 과다 애의 유출문제는 대부분 Oil Sump Element 의 노후화에 따른 과다 차압 발생이나 Element 의 파손이 주된 원인이지만 압축기의 운전 온도가 높을 때에도 이 소모량은 많아지는 경향을 나타납니다. 또한 압축기에 맞지 않는 등급 사용하거나 하는 경우에 도예소모량은 많아질 수 있습니다.
(7) 유량저하
이와 같은 경우는 보통 압축기의 흡입 계통에 문제가 있는 경우가 많습니다. 압축기의 유량이 서서히 감소하는 경향을 보일 때는 Suction Filter Element가 먼 지로 오염된 경우입니다. 유량의 변화 (실제로 사용하는 입장에선 말단의 압력이 저하되는 현상)가 계절적인 차이를 느끼거나 하루 중 오전과 한낮의 차이가 발생한 다면 이는 흡입 온도의 상승에 따른 문제입니다. 그러나 압축기의 유량이 갑자기 감소하는 경향을 보이면 이러한 경우는 보통 Suction Valve의 제어 계통에 이상이 있거나 배관 계통의 Leak가 원인이 됩니다. 급유식 Screw 압축기의 유량저하 원인으로 압축기본체(에어엔드)의 효율 저하가 지적되는 경우는 거의 없습니다.
(8) 점검 기록 방법
누군가가 "효율적인 압축공기 시스템을 유지하는데 있어서 가장 중요한 점은 무엇입니까? 하고 묻는다면 가장 적절한 대답은 "예방정비"가 됩니다. 이는 압축기를 사용하면서 문제가 발생하고 난 다음 정비를 시행 할 경우에 발생하는 추가적인 비용을 절감하는 적극적이면서 예측 가능한 정비방법이기 때문입니다. 예방정비를 실행하는 방법 중의 하나는 압축기의 운전 상태를 기록하고 그 운전 자료로부터 압축기의 상태에 대한 경향을 분석하는 것입니다.
이를 위해 일상 또는 정기 점검의 Point를 선정해서, 정기적으로 점검 및 기록하는 것은 우선은 장황하고 번잡하게 생각될지도 모릅니다. 그러나, 정상 상태의 Data 를 계속해서 얻음으로써, 약간의 이상도 초기에 감지할 수 있고, 설비를 관리하는 데에도 중요한 일 입니다.
이상으로 오늘은 유틸리티 설비 보전 중에서 원심 압축기에 대해서 알아보겠습니다. 압축기에 대한 방대한 내용이지만 좋은 정보를 익히면서 도움이 많이 되셨으면 좋겠습니다.