COMPRESSOR OF INDUSTRIAL PLANT

[Kim byoungil]

2.4. Compressor of Industrial Plant

 Controlling 및 Operating 압력이 그다지 높지 않는 많은 장비에 대기중의 무한한 Air를 사용하여 압축Air 생성하고 이를 필요에 따라 수시로 사용한다. 공압은 전달속도가 빠르고 피혁이나 식료품 공장 등에도 사용할수 있으며, 화재의 위험이 없으므로 많이 사용한다. 공압을 이용하는 산업설비용 장비로는 다음과 같은 것들이 있다.

-        수처리 설비의 수중 폭기기

-        조립공장의 실린더 Controller

-        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) ……)

2.4.1. Compressed 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.

  가.  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 필요 없다.

2.4.2.        Plant Air System

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 System 설계시 일차적으로 결정해야 할 사항은 중앙 집중식으로 할 것인가, 아니면 사용 Area별 분산설치할 것인가 이다.

가. 중앙 집중식

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.

나. 분산식

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 배관작업이 용이하다.

* 위 계산에서 알수 있듯이 Normal Capacity과 F.A.D Capacity사이에 약 20 ~30 %의 계산 오차가 난다.

       2).Compressor Capacity

         요구되어지는 Air가 100%라고 한다면 한 대의 대형 Compressor를 사용할지 또는 각각의 유량이 50% 인 두 대의 Compressor를 사용할지에 대한 판단을 할 때 다음과 같은 사항이 고려되어야 한다.

             - 생산공장의 가격

          - 동력(Power) 설비

          - 부하주기 (Load Cycle)

          - 분배시설의 증설비용

          - 이용가능한 바닥면적

      대부분의 경우에는 많은 수의 end use를 가지고 있으나 불 연속적인 작동을 필요로하므로, 필요유량의50%를 생산할 수 있는 Compressor를 2대를 기준유량으로 설계하여 한대가 비상 정지하더라도 최소한의 생산공정이 유지될 수 있도록 유량을 공급하는 방식을 택하고 있다.

       연속적인 압축공기의 생산이 필요한 경우에는 전체의50% 유량을 생산하는 Compressor 3대를 설치하여 생산 한다. 이때, Compressor 2대는 Operating 용이고, 한 대는 Stand-By 용이다. 두 대의 압축기는 예비 Compressor가 운전되지 않는 동안 거의 항상 완전부하(Fully Loaded) 상태이다.

     이것은 고 효율과 고 역률에서 운전되는 두 대의 Compressor가 최대효율과 역률에 근접하게 한다.

  Total Volume Capacity = Normal Volume + (Service Volume)*0.5 ------------- Fuller

  Total Volume Capacity = Normal Volume + 5% for Worn-out Tools + 10% for Net Leakage + 30% for Expansion ----------------------------------------- Atlas Copco

3). Air Dryer

       Compressor에서 나오는 압축공기는 많은 수분을 함유하고 있고, 이 수분은 관로 및 Actuator의 부식의 원인이 되므로 Compressor 후단에 Air Dryer를 설치하여 수분을 제거해 준다. 압축공기의 제습방법으로는 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.

4). Pre & After Filter

       산업 Plant 공장의 대기중에는 수 많은 먼지, 오염균등이 함유되어 있으며 이러한 요소들은 배관에 부식과 Scale 을 형성 시키고, 각종 기기의 정상적인 작동을 방해한다. 이것들을 제거하기 위해 Dryer 전.후단에 Pre-Filter(1 micron)와 After Filter(0.01 micron)를 설치한다.

5). Air Unit

      Air Unit는 압축공기 배관이 Equipment에 연결되기 직전에 설치가 되며 Filter, Regulator, Lubricator등으로 구성되어있다.

          (1).Filter ; 공기중의 수분, 먼지등을 제거하기 위한 것 으로 먼지는 Filter Element에 의해 여과되며, 수분은 Deflector의 원심력으로 분리된다.

          (2).Air Regulator ; 공기의 압력을 조정하는 기기로서 Compressor에서 토출한 공기압은 통상 7 ~ 10 kg/cm2으로 설정되어 있는 것이 대부분이다. 허나 실제 기기를 작동하려면 압력은 이것보다 적은 값이다. 배관내의 압력 Drop과 전달효과을 고려하여 Compressor의 Capacity 값이 설정된다. 따라서 실제 기기를 작동할 때 기기의 직전의 압력을 필요압력까지 낮게하여야 하며 압력변동이 적은 일정압력을 공급하여야한다.

          (3).Lubricator ; 공압이 사용되는 기기의 구동부는 O-ring, Packing등 고무 제품이 많이 사용된다. 따라서 기기의 원활한 작동 및 수명을 연장하기 위하여 윤활류의 공급이 필요하다. 이것은 Sprayer의 원리에 의해 공기의 흐름에 태우고 안개모양의 기름을 회로내에 송입하는 것이다.