압축기 맥동(Surging)

맥동(Surging)이란 펌프나 압축기를 저유량 영역에서 설비 입구와 출구의 진공계 및 압력계의 지침이 흔들이고 동시에 송출유량과 송출압력 사이에 주기적인 변동이 생기는 현상을 말한다.

 

 

 

압축기 맥동(Surging)

 

압축기 압력 생성 과정

압축기에서 압력이 생성되는 과정을 보면 흡입구를 통해 흡입된 공기는 임펠러(Impeller)를 거쳐 디퓨져(Diffuser), 스크롤(Scroll)을 지나면서 속도(운동) 에너지가 압력(정압) 에너지로 변환된다. (다음 그림 1, 2 참조)

 

<그림 1> 회전체의 구성	<그림 2> Impeller와 Diffuser가 조립된 상태의 모습

 

 

압축기에서의 일반적인 온도, 압력, 유체 속도 변화를 살펴보면 아래 그림 3과 같다.

그림 3에서 보는 것처럼 Impeller에서 가속된 공기의 속도는 Diffuser로 유입되면 급격히 감속 된다.이때 압력이 급격히 상승되는 것을 알 수 있고, 온도 역시 급격하게 상승된다. 이것은 회전체로 인한 운동에너지가 디퓨저를 만나면서 정압으로 전환되는 과정이며 디퓨저를 나온 가스는 스크롤를 통해 나가면서 압력 상승을 마친다.

Impeller에서 가속되는 공기의 속도는 설계 조건에 따라 다르며 통상 음속 범위(340 ~ 400m/sec)에 이른다.

 

 

<그림 3> 압력 생성 곡선

 

압축기 임펠러의 회전에 의한 기계에너지는 유체로 전달되는데, 임펠러를 통과할 때 온도와 압력은 증가한다. 임펠러가 최대로 낼 수 있는 압축비는 한계가 있다. 디퓨저, 스크롤에서는 정압력이 상승하지만, 손실로 인해 전압력은 감소하게 된다.

 

 

압축기 맥동(Surging) 현상

 

압축기 맥동(Surging)은 유량 대비 압축비가 높을 때 일어나며, 이때 압축기의 회전체가 공회전을 하게 되어, 유동의 흐름이 불규칙하게 되고, 결국 제어가 안되는 불안정한 상태를 뜻한다.

 

<그림 4> 압축기 서징 영역

 

 

압축기 성능곡선과 서징 발생

다음 그림은 압축기의 성능곡선이다.

 

<그림 5>  압축기의 성능곡선

 

Impeller의 회전 속도는 고정되어 있고 위 그림에서 보는 것과 같이 유량에 따라 압축비가 결정된다. 즉 터보 압축기의 설계 조건에 따라 최대 흡입 조건일 때 토출 압력이 결정되고, 흡입 밸브(IGV, inlet guide vane) 조정을 통해 흡입 공기량을 조정하면 그에 따라 토출 압력이 증가한다. 그러다가 일정 범위까지 공기량이 감소하면 압력이 지나치게 높아지고, Surge Line과 만나게 된다.

 

A점, 즉 고객의 요구점 or Design point는 임펠러 설계의 기준이 되며, 압축기의 IGV(inlet guide vane)가 최대로 열렸을 때, 기준이 되는 압력과 유량이다. 

B점은 시스템의 압력증가로 인한 압축비가 설계점보다 높아지고 유량은 감소한 상태이다. 

C점은 압축비가 높아질수록 성능곡선과 서지라인의 교차점에 도달하게 되며 이때부터 서지, 압축기의 역류가 발생한다.

 

C에서 D로 가는 것은 시스템 압력저항이 큰 관계로 역류가 생겨 유량이 감소하게 되는 현상이다. D에서 E곡선은 압축기의 생성 압력이 시스템 압력저항보다 커서 유량이 정방향으로 바뀌면서 점 E로 이동한다. 이 때 압력변화는 일정하여 생성유량만 증가한다. A에서 D과정을 1사이클로 보며 약 5초 사이에 일어나며 서지 1회로 규정하고 약 5회 이상 발생시 장비에 손상을 주게 된다.

 

 

<그림 6> Surging 발생 시 압력변동 그래프

 

 

압축기의 Turndown Ratio

압축기에서 가장 중요하게 관리되어야 할 것이 바로 Surge이다.

압축공기 사용량이 감소하면 흡입 공기량을 줄여야 하는데 이를 위해서는 흡입 밸브를 닫아야 한다. 그러나 흡입 밸브를 조정하여 흡입 공기량을 조정하는데 한계가 있으며 그 이상 조정이 필요하면 불가피하게 압축 공기를 대기로 방출해야 하고 이를 위해 BOV를 개방하게 된다.

 

위 그림 5에서 "Turndown Ratio"는 "C" ~ "E "구간으로  IGV의 조정 가능한 범위를 의미한다. 즉 이 범위를 초과하게 되면 Surging이 발생되어 압축기가 위험 상황에 놓이게 된다.

 그림에서는 "Turndown Ratio"를 Surge Line까지 표시했으나 실용적으로는 원활한 제어를 위해 이보다 더 좁게 설정하여 제어한다.

 Turndown Ratio는 압축기의 성능 또는 효율을 평가하는데 중요한 Data가 된다.

 

위 압축기 성능 곡선도에서 보이는 것처럼 터보 압축기는 일정한 사용량을 유지하는 가동 조건에서 최적의 성능을 발휘할 수 있다. 사용량 변화가 큰 경우에는 불 필요하게 BOV(Blow off valve)를 통한 압축공기 방출이 이루어지기 때문에 주의하여야 한다.

 

Turndown Ratio가 넓을 경우에 사용량 변화에 유연하게 대응할 수 있기 때문에 가능하면 Turndown Ration 넓은 압축기가 유리함을 당연할 것이다.

 

 

Surging 영향 및 방지 대책

터보 압축기가 용적형 압축기와 구분되는 특성 중 하나가 바로 Surging의 위험성을 갖고 있다는 것이다.

압축기의 토출압력을 유지하면서 유량을 감소시킬 때 어느 한도를 넘게 되면 큰 압력변동을 일으켜 이상 진동이 발생하고 유량과 압력 모두 크게 진동하게 된다.

 

터보 압축기의 생산 유량은 낮은 영역에서는 Surging 현상에 의해, 높은 영역에서는 Choking* 현상에의해 제한을 받는다.

따라서 터보 압축기 제어는 Surging Limit와 Choking Limit 사이에서 안전 마진을 고려한 A - B 범위 에서 운전 되도록 제어하여야 된다.(그림 5 참조)

 

* Choking 현상은 Impeller 또는 Diffuser에서 유체의 속도가 음속에 도달했을 때 발생되는 현상으로 이 상태에서 압축 비는 유량과 속도와 무관하게 떨어져 압력을 발생할 수 없는 상태가 된다.

 

이중 Surging은 압축기에 다음과 같은 심각한 문제를 야기할 수 있기 때문에 특별히 관리되어야 한다.

1. Impeller, Diffuser, Seal, Gear 등 손상

2, 베어링과 주축 간 반복되는 충격 발생 및 베어링 손상

3. 과도한 진동 및 소음 발생

 

압축기는 Surging 상태로 들어가게 해서는 안되며, 들어가더라도 바로 이탈할 수 있도록 적절한 조치가 필요하다. 시스템 압력 저항보다 큰 압력을 생산하지 못하며, 역류가 반복적으로 발생하게 된다.

Surging 현상은 “압축 공기의 역류” 현상이라고 할 수 있으며 다음과 같은 여러 가지 원인에 의해서 발생될 수 있다.

1. IGV & BOV가 정상적으로 Control 되지 않거나 Air Filter가 막힌 경우

2. 흡입 공기의 온도가 설계 한도보다 높을 경우

3. Inter Cooler의 Outlet 온도가 설계 한도보다 높을 경우(Cooler 효율 저하)

4. Impeller의 성능 저하(마모, 부식 등)

5. Inter Cooler의 Air Side 막힘 등으로 차압이 증가할 경우

6. 전기적 Noise 등으로 제어 오류 발생 또는 각 Sensor의 오류 발생 시

7. 압축기의 운전 온도 상승 시

8. 순간적인 전력 이상

9. 응축수 배출 이상으로 Impeller로 수분이 유입될 경우

 

 

또 압축기에서 Surging이 발생될 때는 다음과 같은 현상이  나타난다.

1. 유량 감소

2. 토출 공기 온도 이상 상승

3. Main Motor의 전류 급격한 변동

4. 급격한 토출 압력 변동.

5. 극단적인 진동 발생

6. 이상 소음 발생

 

써징 상태를 벗어나기 위해서는 유량을 증가시키기 위해서 BOV(Blow off valve)나 Bypass valve를 열어줘서 흡입유량을 증가시키면 된다.

 

안티써지 컨트롤(Anti surge control)이란 압축기 운전점이 써지에 들어갈 수 없도록 유량이 자동으로 안티써지 밸브를 통해 흡입 측으로 유입하게 하거나 Flare gas로 방출시키도록 하는 컨트롤 시스템이다. 공기 압축기의 경우 대기 방출이 일반적이다. 따라서 안티써지 밸브의 CV의 값은 1.6~2.0으로 일반 컨트롤 밸브의 값보다 높게 설계한다.

 

Reference : 1. https://aircombat82.tistory.com/entry유체기기 압축기의 기본지식

                   2. 한신컴프레서기술 압축공기 시스템의 최적화