압축공기

[Kim byoungil]

1. Compressed Air의 개요

Cement Plant를 비롯하여 각종 Industrial Plant에는 여러 Equipment들이 모여 하나의 Plant를 만들고 서로간의 유기적인 운전을 통해 목적에 따라 만들고자 하는  Product를 생산해 낸다. 이런 Equipment의 원활한Operation을 위해서 Compressed Air가 요구된다. 또 각종 Tool를 사용하는데도 필요하다.

이 압축공기는 공정의 자동화와 합리화의 큰 기여를 하고 있으며 이것이 없는 Plant는 상상도 할 수 없는 일이며 대부분의 Plant에 압축공기 System이 설치되어 있다. 비교적 짧은 기간에 공압장치가 이토록 강력하고 빠르게 전파될 수 있었다는 것은 놀라운 일이며 그 큰 이유는 공기보다 더 쉽고 경제적으로 자동화에 사용될 수 있는 매체가 없다는 사실이다.

다음 아래는 기 수행 했던 Cement Plant의 End User Point갯수와 필요한 용량 그리고 Compressed Air가 사용되는 Equipment에 대해서 나열을 했다.

표 001 : 기 수행 Project 비교

	OKKE	GIZAN	PHS1	PHS2	PTSN	PTSC
User Point	-	-	217	333	365	328
Air Requirement (Nm3/H)	2558.1	5224.4	5296.9	7236.2	9259.0	8992.0

-        Pneumatic Operation Valve (Two Way Gate, Shut-off, Butterfly, Slide, Tipping, …..)

-        Purge Air for Dust Collector

-        Sample Transport

-        Preheater Gas Analyzer

-        Air Blaster

-        Sealing (Kiln Feed End, Rotary Feeder, …..)

-        Spray System (Water, Gear Spray, ……)

-        Damper

-        Gas Flow Meter

-        Packing Machine

-        Camera System

-        Service Air (Cleaning, Tool(Drill,Grinder,Hammer) ……)

1). Air의 성질

             (1). Air는 압축성의 유체로서 Tank 내에 압입하여 Energy를 축적할 수 있으며,또 이것을 서서히 또는 한꺼번에  대량으로 방출하는 일도 할 수 있다.

             (2). Air에는 수증기형의 수분이 다량으로 함유되어 있으며 장소에 따라서 유해한 Gas도 함유되어 있다. 이런 Air를 압축하면 Drain을 발생하여 사용 기기에 대하여 해를 끼친다.

             (3). Air 중에는 각종 수분, 먼지등이 함유되어 있으므로 이것을 그냥 사용하면 Air Compressor에 대하여 해를 끼친다.

2). Compressed Air의 장점

          (1).Amount ; 사용할 수 있는 공기의 양은 무한하다.

          (2).Transport            ; 압축공기는 Pipe Line을 통하여 아주 먼 거리 까지도 쉽게 이 송 할 수 있다. 또한, 압축공기는 회수할 필요가 없다.

(3).Storage ; 압축공기는 저장탱크에 저장할 수 있고 필요에 따라 사용할 수 있기 때문에 압축기를 계속 운전할 필요가 없다.

(4).Temperature ; 압축공기는 온도변동에 둔감하기 때문에 비록 극한 온도 상          황하에서도 믿을만한 운전을 보장한다.

(5).Cleanness           ; 압축공기는 청결하기 때문에 비록 압축공기가 Pipe나 부품의 틈으로 누출된다, 하여도 오염의 원이 되지 않는다. 이러한 높은 청결도는 식품가공업, 목재, 섬유, 피혁 및 기타 여러 산업분야에서 특히 중요하게 요구되는 조건이다.

(6).Construction; 작동 요소가 간단한 기구이므로 가격이 저렴하다.

          (7).Speed   ; 압축공기는 매우 빠른 작업 매체이다. 그러므로 매우 빠른 작업속도를 얻을 수 있다. (공압 실린더의 작업속도는 1~2m/sec)

          (8).Adjustable          ; 힘과 속도를 얼마든지 무단으로 조정할 수 있다. 속도를 너무 줄이면 Stick Slip 현상발행이 발생한다.

(9).Explosion Proof; 압축공기는 화재나 폭발의 위험이 없다. 그러므로 폭발에 대한 값 비싼 설비가 필요없다.

3). Compressed Air의 단점

          (1).Preparation         ; 압축공기를 만드는 데는 많은 주의를 필요로 한다. 먼지나 습기가 있어서는 안된다.

          (2).Compressible; 압축성 때문에 균일한 피스톤 속도를 얻는 것이 불가능하다.

          (3).Exhaust Air        ; 배기 소음이 크다. 이 문제는 현재 소음흡수재료의 개발로 크게 개선되었다.

          (4).Cost      ; 압축공기는 힘을 전달하는 것으로는 비교적 비싼 편이다. 높은 Energy 비용은 현재 값싼 요소와 높은 성능으로 많이 상쇄되었다.

          (5).Force Requirement ; 압축공기는 어떤 기준 이상의 힘이 요구될 때는 비경제적이다. 보통 작업압력은 7 bar가 한계이고, 힘은 이송길이와 속도에 달려 있지만 일반적으로 2 ~ 3 ton이 한계이다.

4). 유압제어와 비교한 공기압제어의 특징

        (1).취급이 간편하다.

        (2).설비비, 운전비가 싸다.

        (3).적응온도범위가 넓고 온도변화에 의한 특성변화가 적다.

        (4).축적한 Energy를 1화 방출하여 큰 일을 할 수 있다.

        (5).외부에 공기가 누출되어도 작업환경에 문제점은 없다.

2. Plant Air System의 구성요소

Plant Air System은 그림 001의 Schematic에서 보는 거와 같이 Compressor, Air Receiver Tank, Pre-Filter, After-Filter, Dryer, Piping & Fittings, Air Unit, Solenoid Valve 등으로   구성되어있다. Air Compressor 설치 계획 입안시 일차적으로 결정해야 할 사항은 중앙집중식으로 할 것인가, 아니면 사용처 별로 분산시켜 설치할 것인가이다.

* 중앙집중식 장점

a.   저렴한 설치비용

집중화된 압축장치는 한 대의 대형 Compressor를 사용하므로 설치비 (Compressor 구입비 + 부속장치비)와 설치 요구공간이 몇 대의 소형 Compresor를 사용하는 분산된 장치보다 적다. 흡입공기여과, 통풍조건, 냉각수의 취급, 공냉과 제습 장치들이 한 장소에 위치하게 된다. 또한 소음감소가 훨씬 수월하다.

b.   저렴한 유지비용

완전부하에서 대형 Compressor 한 대를 운전하는 것이 몇 대의 소형 Compressor를 완전부하상태에서 운전하는 것보다 훨씬 경제적이다. 즉, 무부하율이 낮아지므로 불필요한 전력소비를 줄 일수 있다.

c.   저렴한 정비비용

반복되는 정비작업에 대해 작업시간을 절약할 수 있다. 상태감시 (압력, 온도, 진동 등)와 Oil 분석과 같은 좀 더 복잡한 정비방법의 적용과 취급이 훨씬 수월하다. 완전자동 원격조정과 연속운전에 대한 능력이 뛰어나다.

* 분산식 장점

a.      보다 작은 Air Net, 본질적으로 적은 공기누출과 압력강하

b.      분리된 Air Net이 서로 다른 압력에서 운전될 수 있다.

c.      급작스런 정지에 대해 유연하다.

d.      배관길이가 짧아지므로 배관작업용이이 하다.

따라서 Plant Air System에서는 특별한 경우를 제외하고는 대부분 집중화된 System을 사용한다.

    표 002 : Compressor Cap. 관련 기 수행 Project Data

	Item No.	Demanded Volume(Nm3/h)	Rating Volume(Nm3/h)	Quantity	Allowance(%)
PTSC	416CP1~3	4243	4860	3	114.54
	547CP1,2	1471	1872	2	127.26
	646CP1~3	2312	2808	3	124.45
PHS II	D12CP1~3	3783	5977.9(6969)	3	158.02
	D12CP4~6	3068	4565.1(5322)	3	148.80
	612CP1,2	319	475.2(554)	2	148.97

     PTSN, PTSC Project는 Fuller에서 Compressor를 공급했다. 이 두 Project는 Stand-by Compressor가 공급되지 않고 표 002에서 보는거와 같이 약 15 ~ 30 %의 Allowance를 주워 Air System을 구성했으며, PHS II Project는 Stand-By Compressor를 추가로 구성하여 세 대의 50% Compressor로 구성한다.

2). Dryer

       Compressor에서 나오는 압축공기는 수분을 100% 함유하고 있다. 이러한 수분은 배관과 작동 기기에 부식등 좋지 않은 영향을 일으키기 때문에 Dryer통해 반드시 제거되어야 한다. 압축공기의 제습방법은 크게 나누어 공기중의 수증기를 응축시키는 방법과 온도나 압력의 변화없이 공기 중의 수증기를 용해 또는 흡착에 의하여 제거하는 방법의 두 가지가 있다.

       * 노점과 수분의 발생

노점이라는 것은 공기중의 수중기가 온도저하, 용적의 변화(압축,팽창)에의해 이슬(물방울)로 되는 온도를 말하며, 일반적으로 대기압하에서 나타난다. 대기압 노점이 –20℃인 공기라는 것은 7 kg/cm2의 압력하에서는 +6℃로 된다. 이것은 배관라인 중에서는 +6℃ 이하로 공기온도가 내려가지 않는한 과포화 수증기는 응축하지 않는다. 따라서 Actuatorm의 압력을 2 kg/cm2 으로 하면은 -7℃까지는 과포화 수증기가 응축되지 않는다. 배관등이 길이가 길어도 외기에 의한 자연냉각 등으로 노점 온도 이하가 되지 않는다면 수분은 응축되지 않는다.

(1). 과압축(Over-compression)

                         이것은 수증기압이 포화수증기압을 초과할 때까지 공기를 압축하는 방법으로 이때의 압력은 필요한 사용압력보다 높아야 한다. 수분을 응축 분리한 후 압축공기를 원하는 압력으로 팽창시키면 압축공기는 필요한 상태로 제습된다. 이것은 가장 간단한 제습 방법으로 지속적으로 사용하는데 특별한 장치나 촉매가 필요없다. 그러나 과다한 초과동력비가 소요되면, 이러한 이유 때문에 소량의 Air를 필요로 하는 경우나 선박 등 특수한 겨우에만 사용된다.

       (2). 흡수식 건조(Absorption Drying)

               압축공기 중의 수증기는 용제와 화학적으로 결합하여 용해되고 이 용해액은 외부로 배출된다. 용제로는 액체용제와 고체용제가 쓰이며 압축공기 제습용 용제로는 고체용제(염화마그네슘)가 주로 사용된다. 용제는 공기중의 수증기와 함께 용해되어 없어지므로 년 2~4회 주기적으로 재충진해야 한다.

      흡수과정의 특징은

- 장비의 설치가 간단하고

- 건조기에 움직이는 부분이 없으므로 기계적 마모가 적으며

- 외부 에너지 공급이 필요없다.

       (3). 흡착식 건조(Absorption Drying)

                         고체의 표면에 액체 또는 기체상태의 분자가 흡작(인력 + 점착)되어 공기 중의 수증기를 추출해내는 물리적인 방법이다. 건조제는 대부분 실리콘디옥사이드(SiO2)와 활성알루미나(AL2O2)로 되어있다. 이것을 보통 “gel”이라 칭하는데 이 gel은 물이나 증기를 흡착한다. 습기있는 압축공기가 이 건조제를 지나면 전조제가 압축공기중의 습기와 결합하여 혼합물을 형성하고 따라서 공기는 습기를 잃어 건조된다. 기체상태의 수증기를 흡착하는 경우 수증기의 체적으로 보면 많은 량을 흡착한 것이 되지만 흡착된 수분은 아주 작은 양이다. 따라서 흡착제는 크기를 작게 하여 단위 체적당 최대 표면적을 가지도록 해 주어야 한다. 흡착 Dryer의 구조는 흡착제를 채운 2개의 용기로 이루어져 있으며, 하나의 용기가 제습기능을 하는 동안 기사용된 용기의 흡착제를 재생시킨다. 재생에 필요한 열에너지는 전류나 더운 압축공기로부터 얻을수 있다.

       (4). 냉동식(Refrigeration Dryer)

                 냉동식은 노점을 낮추는 원리를 사용한다. 건조될 압축공기가  예열교환기(Air-to-air Heat Exchanger)로 들어간다. 더운 공기는 Heater Exchanger에서 공급되는 차고 건조한 공기에 의해서 냉각된다. 이때 발생한 응축수는 그곳에서 제거된다. 일단 냉각된 이 압축공기는 다시 본열교환기(Air-to-refrigerant Heat Exchanger)에 들어가 약 1.7℃까지 냉각이 된다. 이 과정에서 물과 기름은 2번째로 응축돼 공기로 부처 제거되고 이렇게 냉각 건조된 압축공기는 또한 남아있는 먼지를 제거하기 위해 Moisture Separator를 통과함으로써 건조하고 깨끗한 공기를 얻게 된다.

         기 수행 했던 Cement Plant에는 모두 냉동식 Type을 사용했다.

3.PIPING

Industrial Plant의 압축공기의 용도는 실로 광범위하여 용도에 따라 요구되는 공기의 질이 각기 다르다. 압축공기 사용기기의 성능과 수명을 보장받기 위해서는 그에 적합한 배관의 설계 및 시공이 필요하다. 요구되는 압축공기의 질을 유지하고 Energy Cost를 최소화하려면 Pipe, Valve, Hose등의 배관자재는 적합한 종류, 규격의 것을 사용해야 한다. 배관의 설계 시공이 잘못되면 Energy Cost의 과다 지출, 생산성 저하, Air Tool의 성능 저하 등의 결과를 초래한다.

l  배관 설계시 고려해야 할 사항 :

- 사 용 압 력

- 누설의 최소화

- 유 량

- 압축공기의 질

- 부속기기의 효과적 적용

1). Pipe 설치

                    일반적으로 주 배관의 형태에는 Tree Type과 Ring Type으로 나눌 수 있다. 이상적인 형태는 끝나는 점이 없는 Ring Type으로 배관을 설치하는 것이다., 이것은 Tree Type에 비해 자재비용과 설치 시간이 더 걸리나, 양 방향에서 압축공기를 공급해 주므로 간헐적으로  다량의 공기가 소모되는 경우에는 균일한 압력으로 압축공기를 공급해 준다. 기 수행 Project에서는 Tree Type형태의 배관으로 구성되어 있다.

            옥내배관의 이상적인 형태를 한마디로 규정할 수는 없으며, 건물의 크기, 층의 수, 건물 구조, 압축 Air 사용개소의 수와 위치 등 여러가지 요인에 따라 달라질 수 있다. 옥내 배관은 바닥에 Trench를 만들어 설치하는 방법과 벽이나 천정에 고정시키는 두 가지 기본적인 방법이 있다. 첫번째 방법은 과거에 성행했던 방법으로 배관의 배치를 변경, 유지 보수, 적절한 배수, 공기 누출의 탐지등이 어렵다, 그러나 바닥이나 격에 배관이 노출되지 않아 통행 및 운반에 방해되지 않는 것이 장점이다. 배관을 벽에 고정시키는 경우 문과 창문을 사용하거나 청소, Equipment Maintenance, Access등에 불편을 주지 말아야 한다.

             배관은 Crane, Hoist 등 운반장비에 방해가 되지 않도록 해야 하며, Gas 물 등의 다른 배관과 구별되도록 도장을 하여 부식을 방지해야 한다. Air Piping은 뜨거운 공기가 필요로 하는 경우와 같이 특별한 경우를 제외하고는 Insulation을 할 필요가 없다.

2). Pipe Size결정

                   Piping system은 압축기를 Main Header로 연결시키는 Outlet Pipe로 부터 시작된다. 직경은 적어도 압축기 Outlet Size와 같아야 하며, Pipe Size에 따른 권장 유량은 아래 표와 같다.

            표 004 : Pipe Dimension for Delivery

Pipe Size (A)	SI(metric) units		Imperial units
	L/S	M3/MIN	CFM
8 (3/8”)	3	0.2	7
15 (1/2”)	5	0.3	11
20 (3/4”)	10	0.6	21
25 (1”)	17	1	35
32 (1-1/4”)	34	2	70
40 (1-1/2”)	50	3	110
50 (2”)	115	7	250
65 (2-1/2”)	200	12	425
80 (3”)	330	20	700
100 (4”)	500	30	1100
125 (5”)	900	54	1900
150 (6”)	1500	90	3200
200 (8”)	2000	120	4200

                  상기 Pipe 직경은 Pipe 길이가 100m(300ft)를 초과하지 않을 경우에만 타당하다. 만일 길이가 100m를 넘으면, 그 다음 치수의 Pipe 치수의  Pipe 직경을 취해야 한다.

3). Pressure Drop

                    Pipe 직경 선정 후, 그 Pipe 길이, 굴곡 부위의 수 및 작동 압력을 고려하여 Pressure Drop를 계산해야 한다. 압축 공기 Pipe Network system 내에서 Compressor로부터 가장 먼 End User Point까지의 Pressure Drop은 0.1bar(1.45psig) 이하가 되어야 한다. 이 값은 실제 압력7bar(102psig)의 1.5%를 의미하며 경험상으로 사용압력이 0.1bar 감소 할 때 End User Equipment의 성능은 2.5% 감소한다. Pipe Line에서의 과도한 압력 강하를 피하기 위한 권장 압축공기의 유속은 6 ~ 10 m/s 이다.

따라서, 배관 내의 Total Pressure Drop :

       Dp  =  0.025 + 0.046 + 0.006  =  0.077 bar

Total Pressure Drop 값 0.077 bar는 0.1보다 작으므로 배관 크기가 적당하게 선정 됐다고 볼 수 있다.

4. AIR SCHEMATIC DIAGRAM (P & ID)

   복잡하고 난해한 설비(Facilities)의 계통(System)을 상호 약속된 기호, 부호, 범례(Symbols & Legends), 약호, 숫자, 문자등을 사용하여 갯수(Quantity), 형태(Type), 제어(Control)등의 정보를 보다 쉽고 빠르게 전달하며, 안전하고, 경제적이고, 효율적이며, 논리적으로 계통을 구성하고 운용할 수 있도록 종합적이고, Component간의 Coordination을 위한 것이다.

   Air Schematic은 아래와 같은 사항을 한 눈에 알 수 있도록 만들어진 도면이다.

-        Air Flow의 개념 (Distribution)

-        Air Piping Network의 자세한 구성품 및 Capacity

-        Air를 필요로 하는 Item과 그 요구량

-        Air Unit의 구성품

-        Piping Size

-        Piping Route