압축기(Compressor) 개요

압축기(Compressor)는 기체 또는 증기의 압력을 높여 공정 내에서 유체를 이송하거나 에너지 밀도를 높이는 핵심 회전 기계이다.

 

 

 

압축기(Compressor) 개요

압축기의 정의 및 기본 원리 (Definition and Principle)

압축기는 외부에서 기계적 에너지를 가하여 기체의 부피를 줄임으로써 압력(Pₒᵤₜ)을 흡입 압력(Pᵢₙ)보다 높게 만드는 장치이다. 이 과정에서 기체의 온도(Tᵢₙ)는 단열 압축 원리에 의해 상승하여 (Tₒᵤₜ)가 된다.

 

 

압축기 분류 (Classification)

압축기는 압축 방식에 따라 크게 용적형(Positive Displacement)과 동역학형(Dynamic)으로 구분한다.

1. 용적형 압축기 (Positive Displacement Compressor): 일정한 공간에 기체를 가두고 부피를 직접 줄여 압력을 높인다.

• 왕복동식 (Reciprocating): 피스톤의 왕복 운동을 이용한다. 고압 소량 가스 압축에 유리하다.
• 스크류식 (Screw): 두 개의 로터가 맞물려 돌아가며 기체를 압축한다. 연속 운전이 가능하다.

2. 동역학형 압축기 (Dynamic Compressor): 회전체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환한다.

• 원심식 (Centrifugal): 임펠러의 회전력을 이용하여 기체를 바깥쪽으로 밀어내며 압력을 높인다. 대용량 처리에 적합하다.
• 축류식 (Axial): 축 방향으로 기체를 흐르게 하며 날개깃(Blade)을 통해 압축한다. 가스터빈 등에 주로 사용한다.

 

 

주요 성능 지표 및 수식 (Performance Metrics)

압축기의 성능을 평가할 때 사용하는 주요 수식과 변수는 다음과 같다. 

1. 압축비 (Compression Ratio, rₚ)

• rₚ = Pₒᵤₜ / Pᵢₙ

2. 폴리트로픽 효율 (Polytropic Efficiency, ηₚ)

• 압축 과정에서의 실제 일과 이론적 일의 비를 나타내며, 운전 조건에 따라 결정된다.

3. 출구 온도 계산 (Discharge Temperature)

• 실제 공정에서 출구 온도(Tₒᵤₜ)는 다음 관계를 따른다.
• Tₒᵤₜ = Tᵢₙ * (Pₒᵤₜ / Pᵢₙ) ^ ((k-1) / (k * ηₚ))(단, k는 기체의 비열비 Cₚ / Cᵥ 이다.)

 

폴리트로픽 효율 (Polytropic Efficiency, ηₚ)에 대한 세부 내용은 다음 링크 포스팅 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1837

입축기 폴리트로픽 효율

 

 

 

압축기 주요 구성 요소 (Components)

구성 요소	원심식 (Centrifugal)	왕복동식 (Reciprocating)	스크류식 (Screw)
압축 주체	임펠러 (Impeller)	피스톤 (Piston)	로터 (Rotor)
압력 변환	디퓨저 (Diffuser)	체적 감소 (Volume Reduction)	체적 감소 (Volume Reduction)
유량 조절	IGV, VFD	언로더, 포켓, VFD	슬라이드 밸브, VFD
주요 씰	라비린스 씰 (Labyrinth)	피스톤 링 (Piston Ring)	샤프트 씰 (Shaft Seal)

 

<공통 부대 설비 (Common Auxiliaries)>

타입에 관계없이 압축기 시스템 전체의 운전을 위해 공통적으로 포함되는 요소이다.

• 드라이버 (Driver): 모터(Motor) 또는 스팀 터빈(Steam Turbine) 등 동력원.
• 커플링 (Coupling): 드라이버와 압축기 축을 연결하여 동력을 전달한다.
• 윤활유 시스템 (Lube Oil System): 베어링 및 마찰 부위에 오일을 공급하여 냉각 및 윤활을 수행한다. Pₒᵢₗ 및 Tₒᵢₗ 관리가 필수적이다.
• 중간 냉각기 (Intercooler): 다단 압축 시 각 단 사이의 가스 온도(T)를 낮추어 효율을 높인다.

 

 

 

Type별 운전 시 주의사항 (Operational Considerations)

원심식의 가장 큰 위협이 서징(Surging)이라면, 용적식(왕복동, 스크류)은 기계적 하중과 열 팽창 관리가 핵심이다.

1. 원심식 압축기 (Centrifugal Type)

• 서징 (Surging): 토출 압력(Pₒᵤₜ)이 임펠러가 생성하는 압력보다 커질 때 발생한다. 유동이 앞뒤로 심하게 요동치며 베어링과 씰(Seal)을 파괴할 수 있다.
• 초킹 (Choking / Stone Wall): 유량이 너무 많아져 내부 유속이 음속에 도달하는 현상이다. 이때는 유량을 더 늘려도 압력이 상승하지 않고 효율이 급락한다.
• 축방향 추력 (Axial Thrust): 고속 회전 시 임펠러 전후면의 압력차로 인해 축이 한쪽으로 쏠린다. 트러스트 베어링의 온도(T₆ₑₐᵣᵢₙ_g)를 정밀 감시해야 한다.

2. 왕복동식 압축기 (Reciprocating Type)

• 맥동 (Pulsation): 피스톤의 간헐적인 압축 작용으로 인해 배관 내 가스 압력이 주기적으로 변한다. 이는 배관 진동 및 피로 파괴의 원인이 되므로 맥동 방지 장치(Pulsation Dampener)의 건전성을 확인한다.
• 액체 유입 (Liquid Slugging): 압축성 가스 대신 비압축성 액체가 실린더로 유입되면 실린더 헤드나 피스톤 로드가 즉시 파손된다. 흡입 측 분리기(Separator)의 수위(Lₛ) 관리가 치명적으로 중요하다.
• 밸브 건전성: 고 빈도로 개폐되는 흡입/토출 밸브의 파손은 효율 저하 및 온도(Tₒᵤₜ) 상승의 주범이다.

 

 

3. 스크류식 압축기 (Screw Type)

• 오일 온도 관리 (Tₒᵢₗ Control): 오일은 윤활뿐 아니라 냉각과 밀봉 역할도 수행한다. 오일 온도가 너무 낮으면 가스 내 수분이 응축되어 부식을 일으키고, 너무 높으면 점도가 깨져 밀봉력이 저하된다.
• 시동 시 부하 관리 (Unloaded Start): 기동 시 토크 부하를 줄이기 위해 반드시 슬라이드 밸브를 최소 용량 위치로 두고 시작한다.
• 오일 회수 (Oil Return): 저부하 운전 시 배관 유속이 느려져 시스템 내부에 오일이 쌓이는 현상을 방지해야 한다.

4. 공통 주의사항 (General Considerations)

1) 윤활유 시스템 (Lube Oil System)

• 압력(Pₒᵢₗ) 및 온도(Tₒᵢₗ): 베어링 소착 방지를 위해 상시 모니터링한다. 특히 시동 전 예열(Pre-heating)과 예비 펌프(Auxiliary Pump) 가동 여부를 확인한다.
• 청정도: 오일 필터 전후단의 차압(ΔP_fᵢₗₜₑᵣ)을 체크하여 교체 시기를 결정한다.

2) 냉각수 계통 (Cooling Water System)

• 중간 냉각 (Inter-cooling): 다단 압축 시 중간 냉각기 성능이 떨어지면 다음 단 흡입 온도(Tᵢₙ)가 높아져 소요 동력이 증가하고 부품 수명이 단축된다.

3) 진동 및 소음 (Vibration & Noise)

• 모니터링: 가속도계나 변위 센서를 통해 케이싱 및 축의 진동을 실시간 감시한다. 갑작스러운 진동 수치 상승은 내부 부품 탈락이나 정렬 불량(Misalignment)의 신호이다.