유체기계-압축기의 기본지식

출처: 회사 e-learning online semina : Jr. 유체기계

송풍기와 압축기의 차이점: 송풍기는 날개차의 회전에 의해서 공기나 그 외의 기체를 승압 또는 송풍하는 기계장치

압축기는 다른 기체를 압축해서 압력을 높이는 기계장치

송풍기 - 팬(Fan)	압력비가 1.1미만, 압력상승이 약 10kpa 이하
송풍기 - 블로워(Blower)	압력비 1.1이상 2.0미만, 압력상승이 10~100kpa
압축기	압력비 2이상, 압력상승이 100kpa 이상의 것

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터보형 압축기의 종류

	원심 구동 압축기	축형 압축기
회전체 (Rotor)	inducer / impeller	Blade
최고 생성유량	70,000 cfm	2,000,000 cfm
압축비 / stage	4 / stage	1.1 ~ 1.2 / stage

원심압축기의 장단점

장점	단점
- 초기 설치비가 싸다  - 운전의 신뢰성이 높고 정비비용이 적다  - 설치 공간이 상대적으로 작다  - 맥동이 없어 관련배관이 쉽다.  - 작동밸브가 없어 먼지나 작은 양의 액체가 포함되어도 운전 가능하다.  - 광범위한 유량범위를 일정한 압력으로 송출할 수 있다.	- 압축유체의 분자량 변화에 민감하다.  -  저용량에서 압축효율이 상대적으로 낮다.  - 안정적으로 작동되기 위해서는 최소 400~600ACFM정도의 유량이 필요하다.  - Surge control을 위한 시설이 필요하다.  - 분자량이 지나치게 적을 경우 (MW:2~4) 단이 증가하여 비실용적이다.

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용적형 압축기: 어떤 용적내에 가둔 기체를 용적에서 축소하는 과정에서 가압 및 압축을 하기 때문에 쉽게 고압을 얻을 수 있다.

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회전체 구성 및 기능에 대하여

인듀서 (Induce) + 임펠러 (Impeller)

공기와 가스는 인듀서를 통해 운동 에너지, 즉 속도가 생기면서 임펠러 쪽으로 유입되며,

임펠러에 유입된 공기나 가스는 초기 유입 방향과 직각으로 방향을 선회하여 디퓨져로 확산되어 나가는 동시에 회전체의 원심력을 받아 압력이 상승한다.

임펠러를 통과한 공기는 디퓨져로 들어가게 되면서, 속도는 줄고 압력은 상승하게 된다. 이것은 회전체로 인한 운동에너지가 디퓨저를 만나면서 정압으로 전환되는 과정이며 디퓨저를 나온 가스는 스크롤을 통해 나가면서 압력 상승을 마친다.

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압력 생성 곡선

임펠러가 최대 낼 수 있는 압축비는 한계가 있다. 한계에 도달하게 되면 날개 끝의 응력 집중으로 인한 파열의 우려가 있다.

임펠러의 회전에 의한 기계에너지는 유체로 전달되는데, 임펠러를 통과할 때 온도와 압력은 증가한다. 

디퓨져, 스크롤에서는 정압력이 상승하지만, 손실로 인해 전압력은 감소하게 된다.

성능 곡선

A점, 즉 고객의 요구점 or Design point는 임펠러 설계의 기준이 되며, 압축기의 IGV가 최대로 열렸을 때, 기준이 되는 압력과 유량이다. B점은 시스템의 압력증가로 인한 압축비가 설계점보다 높아지고 유량은 감소한 상태이다. C는 압축비가 높아질수록 성능곡선과 서지라인의 교차점에 도달하게 되며 이때부턴 서지, 압축기의 역류가 발생한다.

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써지(Surge)

써지는 유량 대비 압축비가 높을 때 발생하며, 유동의 흐름이 불규칙하며, 결국 제어가 안되는 불안정한 상태를 말한다.

C에서 D로 가는 것은 시스템압력저항이 큰 관계로 역류가 생겨 유량이 감소하게 되는 현상이다. D에서 E곡선은 압축기의 생성 압력이 시스템압력저항보다 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. 서지 상태를 벗어나기 위해서는 유량을 증가시키기 위해서 BOV(Blow off valve)나 Bypass valve를 열어줘서 흡입유량을 증가시키면 된다.

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

압축기를 써지 상태 하에서 계속 운전하게 되면 이상 진동으로 인해 베어링 및 Seal 손상 그리고 기타 예기치 못한 사고가 발생할 수 있다.

압축기는 써지로 들어가게 해서는 안되며, 들어가더라도 바로 이탈할 수 있도록 적절한 조치가 필요하다. 시스템 압력 저항보다 큰 압력을 생산하지 못하며, 역류가 반복적으로 발생하는 것

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써지 발생의 원인

- 흡입부의 유량이 적을 경우, 흡입부 압력이 올라가는 경우

- 토출 유량이 밸브등에 의해 억제되어 유량이 줄어들면서 압력이 올라가는 경우

- 컨트롤 시스템의 오작동으로 속도가 갑자기 올라가는 경우

안티써지 컨트롤 (Anti surge control)

안티써지 컨트롤이란 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. 안티써지 밸브의 CV의 값은 1.6~2.0으로 일반 컨트롤 밸브의 값보다 높게 설계한다.

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쵸킹 (Choking)

Turndown ratio는 압축기가 실제로 운용 가능한 유량의 범위이다. 최소유량은 곧 성능맵 상에서 서지라인과 만나는 점이라고 할 수 있다.