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
전북 완주군에 소재하고 있는 알루미늄 휠 생산공장의 공압 콤프레셔 및 이에 연결된 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능 효율을 검증하기 위하여 2003년 5월 14일 12시~16일 오후 5시까지 약 53시간 동안의 공압 시스템 작동상태 변화 추이를 모니터링 하였다. 공압 시스템의 구성도와 측정을 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림 1>과 같다.
공압 시스템은 7기의 100HP스크루 콤프레셔로 구성되어 있으며, 모든 콤프레셔들을 운영하고 있다. 따라서 현재 알루미늄 휠 생산공장의 공압 콤프레셔 용량은 700HP에 달한다.
전류측정을 위하여 Smart ReaderTM Plus 3 전류 계측기를 설치하여 네 대의 콤프레셔의 소비전력 변화양상을 측정하였다. 소비전력이 측정된 콤프레셔는 <그림1>에서와 같이 1번·2번·3번 및 4번으로 표시된 4대의 100HP 콤프레셔이다. 콤프레셔의 공급전압은 380 볼트이다.
압력 측정은 리저버 탱크 후단에 설치된 헤더내의 압력(압력1), 저압주조라인 입구측 압력(압력2), 수분제거용 에어 블로워 입구측 압력(압력3), 또다른 수분제거용 에어 블로워 입구측 압력(압력4), 그리고 실버부스 도장라인 입구측 압력(압력5) 등 5개소에서의 압력변화를 측정하였다.
콤프레셔에서 생산된 압축공기는 리저버 탱크를 거쳐 냉동식 드라이어와 필터 및 흡착식 드라이어를 통과하여 헤더로 공급된다.
2. 계측결과의 분석
<그림2>에서는 4대의 콤프레셔들이 소비하고 있는 전류값의 변화양상을 보여주고 있다.
측정된 각 콤프레셔드르이 소비전류를 상용통계처리 프로그램인 SPSS V10.0을 사용하여 T-검정을 수행하여 평균 소비 전류량을 구하여 <그림2>의 우측 상단에 표시하였다.
<그림2>의 하단에는 각 콤프레셔의 소비전류 변화 양상을 확률밀도 함수로 표시해 놓았다. 그림에 따르면 1번·2번 및 4번 콤프레셔는 대략적으로 가우시안(Gaussian)분포를 보이고 있으므로, 정상적으로작동하고 있으나, 3번 콤프레셔는 로딩 및 언로딩, 그리고 콤프레셔 정지 등을 반복하고 있으므로, 확률밀도 함수곡선에서와 같이 로딩시의 봉우리와 언로딩 시의 봉우리, 그리고 정지에 의한 봉우리가 관찰되고 있다.
따라서 3번 콤프레셔를 제외한 1, 2 및 4번 콤프레셔는 항상 최대출력으로 작동하고 있음을 알 수 있다. 평균 소비전류를 근거로 하여 각 콤프레셔들의 BHP(Break Horse Power:축마력)를 계산하면
1번 BHP :
(138.5A×380V×1.732)/750(W/HP)=119.9HP
2번 BHP :
(126.7A×380V×1.732)/750(W/HP)=109.9HP
3번 BHP :
(124.2A×380V×1.732)/750(W/HP)=107.5HP
4번 BHP :
(130.8A×380V×1.732)/750(W/HP)=113.2HP
유창공업(주)의 홈페이지(www.compare.co.kr)에 제시된 YES100SA/SW 모델의 실토출량은 13.88㎥이므로 이를 근거로 하여 GHP(공기마력)을 계산하면
(공식출처: 유공압공학-조병수/문철진/홍종우 공저, 원창출판사)
그러므로 각 콤프레셔드르이 퍼센트 손실(% Loss)는 BHP를 GHP로 나누어 구할 수 있다. % Loss=1인 경우 소비전력이 전부 압축공기 생산에 사용되는것이며, 1을 초과하는 만큼이 마찰 등에 의한 전력 손실이다. 각 콤프레셔들의 % Loss를 구하면 다음과 같다.
1번 % Loss : 119.9HP/86.3HP=1.389
2번 % Loss : 109.7HP/86.3HP=1.271
3번 % Loss : 107.5HP/86.3HP=1.245
4번 % Loss : 113.2HP/86.3HP=1.311
3번 콤프레셔는 자주 언로딩 되기 때문에 계산된 % Loss는 큰 의미를 갖지 못한다. 나머지 콤프레셔들의 % Loss를 살펴보면 100HP급 콤프레셔드르이 작동 시 약 27~38%의 전력손실이 발생하고 있음을 알 수 있다. 이는 모터의 효율, 베어링의 마찰, 열손실 등에 의한 것이다.
일반적으로 동일한 마력을 소비하는 콤프레셔 시스템이라도 소수의 대용량 콤프레셔를 운영하는 것이 다수의 소용량 콤프레셔를 운영하는 것에 비하여 최소한 10% 이상의 전력 효율을 높일 수 있다. 따라서 5기 이상의 공압 콤프레셔를 운영하게 된다면 대용량 콤프레셔의 도입을 심각하게 고려할 시점이 되었음을 의미한다.
<그림3>에서는 콤프레셔들의 소비전류 변화 양상을 헤더라인에서 측정된 압력변화 양상과 비교하여 보여주고 있다. 그림에서 갈색으로표시된 헤더라인의 공기압은 ①에서와 같이 약 10분 주기로 ③처럼 약 12psi만큼 톱니 형태로 공기압이 요동치고 있음을 알 수 있다. 이는 전형적으로 흡착식 드라이어의두 탱크가 제습과 재생의 임무를 교대하기 위하여 재생탱크 측 출구를 여닫으면서 공기소비가 급격히 증가 및 감소하여 발생하는 압력의 요동현상이다.
그런데, 콤프레셔의 설정 압력은 7kg/㎠(101.5psi)이고, 헤더 라인에서 측정된 압력은 평균 약 79psi(5.5kg/㎠)임에도 불구하고, 이 일시적인 압력의 상승 기간에 ②에서와 같이 3번 콤프레셔가 언로딩 되고 있음을 확인할 수 있다. 7kg/㎠으로 설정된 콤프레셔가 언로딩된다는 것은 콤프레셔 출구측에 설치된 압력계가 설정압력에 도달했음을 감지했기 때문이며, 이는 콤프레셔와 헤더 사이에서 약 22.5psi의 차압이 발생했음을 의미한다.
3번 콤프레셔는 거의 전 사용기간에 걸쳐서 로딩과언로딩을 반복하고 있는 것으로 보아 콤프레셔 출구측 6인치 배관 내에서의 압력은 항상 7kg/㎠ 내외로 유지되고 있는 것으로 추정된다. 따라서 헤더 압력이 낮은 이유는 콤프레셔의 출력용량 부족보다는 관로저항과 부속기기의 용량부족 및 콤프레셔에 내장된 쿨러의 용량(효율)이 적어 제습장치를 통한 응축수 제거가 많은 것이 주원인이 있는 것으로 추정된다.
공압 시스템에서 콤프레셔 출구측과 헤더 사이에 설치된 드라이어, 필터 및 리저버 탱크 등에 의해 발생하는 차압은 3~5psi 이내로 유지되어야 하며, 과도한 차압은 동력 손실의 원인이 된다. 일반적으로 2psi의 압력손실에 의해 1%의 전력비용이 손실된다. 따라서, 이 22.4psi의 차압 중 최소한 17.5psi만큼이 압력손실이며, 이는 총 콤프레셔 운영 전력비용의 약 8.75%에 달하는 비용이다.
전력비를 75원/kW, 콤프레셔 시스템을 연간 8,700 시간을 운영한다면 이 차압에 의해 낭비되는 전력비용은
700(HP)×0.76(kW/HP)×75(Won/kWh)×8700(Hr/Year)×0.0875=30,373,875원
(차압에 의해서 낭비된 전력비용)이다.
과도한 차압이 발생하는 원인은 다양하다. 우선, 5대의 100HP 콤프레셔에서 생산된 압축공기를 저장하는 리저버 탱크의 입?출구측 피팅의 직경이 100mm로 되어 있어 압축공기의 이동을 방해하고 있다. 일반적으로 4인치(100mm)관은 1440scfm 이상의 유량에 대해서는 난류 유통이 발생하면서공기의 유동을 방해하여 압력손실을 유발한다. 100HP 당 약 500scfm을 생산하므로 공압 라인은 약 2,500scfm 이상의 용량이 디어야만 한다. 6인치 배관의 용량은 3240scfm이므로, 500HP 규모의 공압라인에 적합한 배관이다. 따라서 리저버 탱크의 입·출구측 피팅의 개선이 시급히 필요하다.
일반적으로 100HP 당 3㎥의 리저버 용량이 보장되어야 안정적으로 공압 시스템을 운영할 수 있다.
그러나 현재 리저버 용량이 매우 부족하여 공압의 요동현상을 증대시키며 과도한 차압발생의 원인이 되고 있다. 또한, 다섯 대의 100HP 콤프레셔 후단에 설치된 흡착식 드라이어의 용량이 45㎥/min 이므로 콤프레셔 생산유량보다 작아 유로저항 요인으로 작용하고 있다. 따라서 현재로서는 흡착식 드라이어의 운전을 중단하고 압축공기를 바이패스 시키는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
콤프레셔의 출구측에 설치된 콤프레셔 구동용 압력계를 리저버 탱크 축으로 이동하여 설치하여야만 한다. 다수의 콤프레셔 출구를 하나로 연결함에 따라 국부적인 유동정체 현상이 발생하여 비록, 콤프레셔 출구측 압력이 설정압력에 도달한다 하여도 리저버 탱크 내의 압력은 이에 도달하지 못하는 경우가 자주 발생한다.
메쉬 사이즈가 0.01미크론급인 필터는 절대등급으로 박테리아를 필터링할 때 사용된다. 대부분의 경우 0.1미크론 이하의 필터는 의료용으로 필요할 뿐이다. 너무 메쉬 사이즈가 작은 필터는 과도한 차압을 유발하므로, 1미크론 이하의 필터는 1미크론 이상 급으로 메쉬를 늘려 사용할 것을 추천하는 바이다.
흡착식 드라이어의 작동중단은 14%~15%의 공압 소비 절감을 유발하므로, 과도한 차압의 개선과 병행하여 시행한다면 약 20% 이사으이 공압수요 절감이 가능하다. 이를 통하여 추가적인 공압시스템의 증설 없이도 현재로서는 공압수요의 충당이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 이는 본고에서의 추천한 공압시스템 전반에 대한 모든 개선대책이 충실히 수행되었을 경우에 한한 것임에 유의하기 바란다.
<그림3>의 ④에서와 같이 공압이 평균 압력인 80psi보다 약 13psi만큼 강하하는 현상이 약 1시간 동안 지속되고 있다. 그럼에도 불구하고 3번 콤프레셔는 ⑤에서와 같이 정지하고 있음을 알 수 있다. 이는 매우 비정상적인 현상으로서, 현재의 측정 결과만으로는 정확한 원인의 파악이 어렵다. 이에 대한 원인을 규명하기 위해서는 보다 상세한 측정과 분석이 필요할 것으로 판단된다.
<그림4>에서는 헤더라인의 공기압력 변화 양상을 보여주고 있다. SPSS를 사용한 공기압력의 확률적 통계처리 분석과 결과, 헤더라인의 공기압은 95%의 신뢰구간에서 70.3psi~88psi 사이에서 계속적으로 요동치고 있음을 알 수 있다. 그 주요 원인은 흡착식 드라이어의 주기적인 제습과 재생 탱크 교환에 있음은 앞서 설명한 바 있다.
흡착식 lem라이어의 작동을 중단시키면 재생공정에서 소비되는 공기의 수요를 절감할 수 있어 헤더라인의 공기압은 신뢰구간의 상한값을 계속적으로 유지할 수 있다. 따라서 흡착식 드라이어의 배제를 통해 헤더압력은 약 88psi까지 높아질 것으로 예상된다. 단, 흡착식 드라이어의 우회 유로가 충분한 직경(6인치 이상)으로 확보되어야만 한다.
<그림5>에서는 비교적 안정된 공압 전달 특성을 보이고 있는 저압 주조라인(압력2)과 실버부스 도장라인(압력5)의 입구측 압력을 헤더압력(압력1)과 비교하여 나타낸 그림이다.
그림에 따르면, 저압주조 라인 입구측(레귤레이터 앞단) 압력은 헤더 압력과 거의 차이가 없이 동일하게 변화하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 헤더라인의 압력측정위치와 저압주조라인 입구측 압력 측정위치 사이의 지관은 매우 건전한 상태로 유지되고 있으며, 용량도충분한 것으로 판단된다.
실버부스 도장라인 입구측(레귤레이터 앞단) 압력은 헤더 압력과 약 3psia의 차이를 보이고 있다. 이 차압은 헤더 압력이 높게 유지되는 경우나, 공압공급이 부족하여 압력이 낮게 유지되는 경우 모두 동일한 경향을 보이고 있으므로, 이 3psi는 배관의 유로저항에 의해서 발생하는 차압이다. 일반적으로 관로상에서 발생하는 차압은 피할 수 없으며, 관로의 길이에 따라 다르지만 3psi정도는 허용할 수 있는 수준이다.
그러나, 근본적으로 압력 편차(5.8kg/㎠~4.5kg/㎠)가 너무 심하여 도장라인에 제품 불량이 우려된다. 이 관로상에 더 이상의 도장라이니 증설은 피하는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 일단, 차압이 발생하기 시작하면, 약간의 공압수요 증가 만으로도 차압이 2배 이상 발생하는경우가 종종 일어난다.
