마그네트생산공장(上) - MOTOR 기술

1. 개요

경북 고령군에 소재하고 있는 마그네트 생산공장의 공압 콤프레셔 및 이에 연결된 공압 시스템의 작동상태를 파악하여 성능 효율을 검증하기 위하여 2003년 12월 17일 오후 2시부터 18일 오후 4시까지 약 26시간 동안의 공압시스템 작동상태 변화 추이를 모니터링하였다.

공압시스템 구성도와 측정 수행한 계측기의 설치 위치는 <그림1>과 같다.

<그림1>공압시스템 작동성능 평가를 위한 측정기의 설치도

공압 시스템은 4기의 100HP 스크루 콤프레셔로 구성되어 있으며, 모든 콤프레셔들을 운영하고 있다. 따라서 현재 마그네트 공장의 공압 콤프레셔 용량은 400HP에 달한다.

소비전력이 측정된 콤프레셔는 <그림1>에서와 같이 1번· 2번·3번·4번으로 표시된 4대의 100HP 콤프레셔이다.

콤프레셔의 공급전압은 380Volt이다.

압력 측정은 리저버탱크 내의 압력(압력2), Disa 조형라인 입구측 리저버탱크 내 압력(압력3), 벤토나이트 사일로 입구측 압력(압력4), AMF 리저버탱크 내 압력(압력5), 그리고 Furan 조형라인 입구측 리저버탱크 내 압력(압력6) 등 6개소에서의 압력변화를 측정하였다.

콤프레셔에서 생산된 압축공기는 애프터쿨러를 통과한 후리저버 탱크를 거쳐 냉동식 드라이어와 필터를 통과하여 헤더로 공급된다.

콤프레셔실 내의 모든 배관과 공장을 링 형태로 지나는 헤더 배관 모두 4˝크기로 설치되어 있다.

2. 계측결과의 분석

<그림2>에서는 4대의 콤프레셔들이 소비하고 있는 전류값의 변화양상을 리저버 탱크 내의 압력 변화 양상과 비교하여 보여주고 있다.

<그림2>의 소비전력 변화 양상을 살펴보면 공압수요는 시간대별로 심하게 변화하고 있음을 알 수 있다.

최소 수요는 ④의 경우와 같이 2번 콤프레셔가 모듈레이션 기능으로 입구밸브를 완전히 닫고 3번 및 4번 콤프레셔가 언로딩 된 경우로 100HP 내외의 공압소비를 보이며, 최대수요는 ⑤의 경우와 같이 4대의 콤프레셔가 모두 최대출력으로 작동하고 있는 경우이다.

모든 콤프레셔들은 100psi(7kg/㎠)으로 작동압력이 설정되어 있으며, <그림2>에서 공압수요가 감소하였을 때 리저버 탱크 내 압력이 98psi까지 상승하는 것으로 미루어 보아, 에프터쿨러의 유로저항은 2psi임을 알 수 있다.

이는 매우정상적인 수치이므로 애프터쿨러의 용량이나 작동상태는 매우 정상적임을 알 수 있다. 그러나 콤프레셔 용량 증설시에는 애프터쿨러의 용량에 대해 다시 점검해 보아야만 한다.

1번 및 2번 콤프레셔는 항상 작동하고 있으며, 3번은 공압수요의 변화에 따라 가끔씩 작동하고, 4번은 공압수요가 최대인 시점에 잠시동안만 작동함을 알 수 있다.

특히 2번 콤프레셔는 입구밸브 모듈레이션 기능을 사용하여 첨두부하에 반응하여 공압수요의 증감에 따라 입구밸브를 수시로 여닫기 때문에 소비전류가 최대 출력의 20%의 범위에서 리저버 탱크 압력과 반대의 경향으로 증감하고 있음을 알 수 있다.

<그림2> 100HP 컴프레셔 4기의 시간대별 소비전류 변화 양상

소비전류의 변화 양상을 정량적으로 살펴보기 위하여 전용 통계처리 프로그램 SPSS를 사용하여 계측 결과를 분석하여 보았다.

콤프레셔 3번과 4번은 수시로 로딩과 언로딩을 반복하고 있으므로, 로딩시의 소비전력맘을 분석하기 위하여 <그림2>의 ⑥번과 ⑦번 구간만 사용하였다.

<그림2>의 하단에는 각 콤프레셔의 소비전류 변화양상을 확률밀도함수로 표시해 놓았다.

그림에 따르면 1번 및 2번 콤프레셔는 대략적으로 유측으로 편향된 가우시안(Gaussian)분포를 보이고 있으므로, 최대출력 근처에서 정상적으로 작동하고 있으나, 3번 콤프레셔는 로딩 및 언로딩, 그리고 콤프레셔 정지 등을 반복하고 있으므로 확률밀도 함수곡선에서와 같이 로딩시의 봉우리와 언로딩시의 봉우리, 그리고 정지에 의한 봉우리가 관찰되고 있다.

특히 4번 콤프레셔는 거의 언로딩 상태에서 공회전하면서 전력소비를 하고 있어 심각한 에너지 손실의 원인이 되고 있음을 확연하게 알 수 있다.

4번 콤프레셔의 공회전에 따른 연간 전력 손실을 추산하기 위하여 연간 6,000시간을 공회전한다고 가정하여 보면(최소 추정값임)

65(A)×380(V)×1.732(3상)/1000×6000(h/year)×75(원/kW/h)=19,251,180원

이는 매우 심각한 전력 낭비이다.

따라서 4번 콤프레셔를 항시 정지시켜 놓고 필요시에만 가동하여야 한며, 이를 위하여 CAA-6-2 네트워크 자동 운전시스템의 설치를 추천한다.

네트웍 자동운전 시스템의 설치를 통하여 콤프레셔 언로딩 후 공회전에 따른 전력손실을 방지할 수있으며, 작동 중인 콤프레셔 다운 시 자동으로 예비 콤프레셔를 가동해 공자의 조업 중단을 효과적으로 방지할 수 있다.

따라서네트워크 자동운전 시스템의 설치를 통하여 단시간 내로 투자비용을 환수할 수 있으며, 공압 시스템의 작동 안정성을 획기적으로 향상시켜 준다.

정상 작동시의평균 소비전류를 근거로 하여 각 콤프레셔들의 BHP(Break Horse Power:축마력)을 계산하면 다음과 같다.

1번 BHP:
(143.3A×380V×1.732)/760(W/HP)=124.1HP
2번 BHP:
(127.1A×380V×1.732)/760(W/HP)=110.1HP
3번 BHP:
(110.7A×380V×1.732)/760(W/HP)=95.9HP
4번 BHP:
(136.3A×380V×1.732)/760(W/HP)=118.0HP

위에서 계산된 BHP 데이터를 살펴보면 1번 콤프레셔는 기저부하용으로 정상적으로 작동하고 있다.

또한 첨두부하용으로 사용되는 2번 콤프레셔는 입구밸브를 수시로 여닫기 때문에 BH가 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다.

그런데 동일한 기종인 3번과 4번 콤프레셔의 정상 작동 시 소비전류는 약 23%의 차이를 나타내고 있음을 알 수 있다.

즉 3번 콤프레셔의 BHP가 너무 낮게 나타나고 있다. 따라서 3번 콤프레셔는 정상적인 100HP급 콤프레셔의 출력에 미치지 못하고 있음을 알 수 있다.

100HP 규모를 갖는 콤프레셔의 효율을 살펴보기 위하여 최대부하 상태에서 측정된 결과인 1번과 4번 콤프레셔의 측정결과를 기준으로 % Loss를 계산하여 보았다.

1번 콤프레셔의 토출 유량은 14.2㎡/mim 이므로

3번 콤프레셔의 카달로그 상의 토출 유량은 13.5㎥/min(실제로는 12㎥/min)이므로

(공식출처:유공압공학-조병수/문철진/홍종우 공저. 원창출판사)

그러므로 각 콤프레셔들의 퍼센트 손실(% Loss)는 BHP를 GHP로 나누어 구할 수 있다. % Loss =1인 경우 소비전력이 전부 압축공기 생산에 사용되는 것이며, 1을 초과하는 만큼 마찰 등에 의한 전력 손실이다. 각 콤프레셔들의 % Loss를 구하면 다음과 같다.

1번 % Loss : 124.1HP/89.3HP=1.389
3번 % Loss : 11.0HP/898.4HP=1.390…
(실제로는 118.0/75.5=1.563)

콤프레셔들의 % Loss를 살펴보면 100HP 급 콤프레셔들의 작동 시 약 38%(~56%)의 전력손실이 발생하고 있음을 알 수 있다.

이는 모터의 효율, 베어링의 마찰, 연손실 등에 의한 것이다.

일반적으로 동일한 마력을 소비하는콤프레셔 시스템이라도 소수의 대용량 콤프레셔를 운영하는 것이 다수의 소용량 콤프레셔를 운영하는 것에 비하여 최소한 10% 아사으이 전력 효율을 높일 수 있다.

실제로, 300HP 콤프레셔를 예로 들면 애프터쿨러의 소비전력을 포함한다 하여도 % Loss가 1.28 내외로 100HP 콤프레셔에 비해 10% 이상 작동효율이 높다. 이를 연간 전력비용으로 환산하면

75(원/kW/h)×8700(h/year)×300(HP)×0.760(kW/HP)×0.1(Loss)=14,877,000원

단지 3기의 100마력 콤프레셔를 한기의 300마력 용량의 콤프레셔로 교체한 결과로 연간 약 1500만원의 전력비용 절감이 가능하다.

따라서 5기 이상의 공압 콤프레셔를 운영하게 된다면 대용량 콤프레셔의 도면을 심각하게 고려할 시점이 되었음을 의미한다.

<그림2>의 ①을 살펴보면, 리저버 탱크 압력이 81psi까지 떨어짐에도 불구하고 4번 콤프레셔가 로딩되지 않고 있음을 발견할 수 있다.

이는 4번 콤프레셔의 압력계가 설치된 출구측에서의 압력은 언로딩 설정압력인 100psi로 유지되고 있음을 의미한다.

이와 같이 공압 수요의 증가로 리저버 탱크 내의 압력은 떨어짐에도 콤프레셔 출구측 압력이 높게 유지되는 이유는 배관라인의 용량이 충분치 못하여 유로저항이 발생하여 압축공기가 원활하게 리저버 탱크쪽으로 흐르지 못하기 때문에 토출 유량이 많은 콤프레셔 측에서 생산된 압축공기가 상대적으로 토출유량이 작은 콤프레셔측으로 역류하면서 일어나는 것이다.

이는 3번 콤프레셔에도 영향을 미처서 3번 콤프레셔의 소비전력도 감소하고 있음을 알 수 있다.

이런 현상은 ③에서도 발견된다.

이러한 현상은 배관의 용량 부족과 더불어 다수의 공압 콤프레셔들을 별도의 헤더 없이 직선으로 연결하는 경우에 발생하는 현상으로 공압시스템의 작동 효율에 심각한 영향을 끼친다.

이를 개선하기 위해서는 8인치 규모의 배관을 통하여 애프터 쿨러-필터-드라이어 등으로 연결하여야 한다.

<그림2>의 ②를 살펴보면 공압수요의 감소에 따라 모듈레이션 기능을 갖춘 2번 콤프레셔가 입구 밸브를 완전히 닫은 후에도 공압수요보다 생산이 많이 리저버 압력이 증가하여 98psi에 도달하자 3번 콤프레셔가 언로딩 되었다.

이에따라 공압수요와 공급의차이가 벌어지면서 리저버 탱크 내의 압력이 순간적으로 86psi까지 떨어지게 됨을 발견할 수 있다.

곧이어 2번 콤프레셔는 입구밸브를 완전히 개방하고 3번 콤프레셔는 로딩되는 현상이 발생하였다.

일반적으로, 공압 수요와 공급의 차이는 항상 발생하며, 이에 따라 콤프레셔들이 로딩/언로딩 또는 모듈레이션을 통하여 수급을 조절하지만 여기에는 한계가 있다.

따라서, 수요와 공급의 차이 중 대부분을 리저버 탱크 내에 저장된 압축공기가 수용하여야 하는데, 현재 시스템의 경우에는 그 용량이 매우 부족하여 400 마력의 콤프레셔가 생산하는 공기의 약 3.3초 분량밖에 저장할 수 없어 거의 리저버 탱크로서의 역할을 수행할 수 없다.

리저버 용량의 부족은 공압의 요동을 유발하여 제품 생산의 차질을 초래할 뿐만 아니라, 콤프레셔의 원활한 작동을 방해하여 콤프레셔의 수명을 감소시키고 급격한 토크 변화에 따른 동력손실을 유발한다.

리저버 탱크의 적절한 용량은 100마력 당 3㎥ 정도이다. 이는 콤프레셔의 압축공기 생산량의 15초에 해당하는 양이므로, 공압수요의 순간적인 변화를 리저버 탱크 내에 저장된 압축공기가 충당할 수 있다.

따라서, 현재 공압 시스템을 500마력 용량으로 증설하기 위해서는 약 15㎥용량의 리저버 탱크가 필요하다.

입구밸브 모듈레이션 기능을 갖춘 콤프레셔의 경우에는 자체 용량조절 기능이 있어 리저버 탱크 용량을 30% 이상 줄일 수 있다.

따라서, 모듈레이션 기능을 갖춘 콤프레셔들만을 사용하는 경우에는 10㎥ 정도의 리저버 탱크 용량이 필요하다.

<그림2>에서 4대의 콤프레셔가 모두 작동하고 있는 ⑤의 경우, 최대 공압수요의 발생으로 인하여 리저버 탱크 내 압력이 평균 86psi까지 낮아져 있다.

이는 애프터 쿨러의 차압을 감안한 설정아바력인 98psi에 비하여 88%에 불과하다. 이를 앞서 구한 BHP 값의 총합과 비교한다면

(448.1(HP)×100(%))/88(%)=509.2(HP)

이므로 최대 수요 발생시에도 공압 시스템을 정상적으로 운영하기 위해서는 BHP로 500 마력이 필요함을 알 수 있다.

그러나 이는 배관의 용량부족에 의한 차압 손실도 다량으로 포함되어 있는 결과이므로, 다음에 논의할 배관에 의한 손실을 개선한다면 상당량의 수요를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

다음호에 하(下)가 이어집니다.