KR100617636B1 - 다중 터보 공기 압축기 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

다중 터보 공기 압축기 제어 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중으로 설치된 터보 공기 압축기 시스템에 있어서 압축 공기의 수요량에 맞추어 각각의 터보 공기 압축기의 토출량을 균등하게 분배시키기 위한 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각 터보 공기 압축기의 출력을 정압(constant pressure) 운전과 정적(constant volume) 운전의 장점을 혼합한 운전 방식으로 제어하는 시스템에 관한 것이다.
다중 제어, 터보, 공기 압축기, 정압, 정적

Description

다중 터보 공기 압축기 제어 시스템 및 그 방법{Control System for multiple turbo air compressor and method therefor}
도 1 은 일반적인 터보 공기 압축기 제어 시스템의 구성도,
도 2 는 종래의 다중 터보 공기 압축기가 정압 운전을 할 경우의 제어 시스템의 구성도,
도 3 은 본 발명 다중 터보 공기 압축기 제어 시스템의 구성도,
도 4 는 본 발명 다중 터보 공기 압축기의 제어 방법의 플로우챠트이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10; 흡입 밸브 20; 터보 공기 압축기
30; 제어 장치 40; 압력 측정 계기
50; 수용 탱크 60; 토출 밸브
70; 이송관 80; 질량 유량 측정 계기
본 발명은 다중으로 설치된 터보 공기 압축기 시스템에 있어서 압축 공기의 수요량에 맞추어 각각의 터보 공기 압축기의 토출량을 균등하게 분배시키기 위한 제어 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각 터보 공기 압축기의 출력을 정압(constant pressure) 운전과 정적(constant volume) 운전의 장점을 혼합한 운전 방식으로 제어하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 외부로부터 동력을 받아 압축 공기를 생산하기 위하여 설비되는 공기 압축기(air comperssor)는 임펠러 방식의 터보 공기 압축기, 스크류 방식의 회전 압축기, 실린더 방식의 왕복동 압축기 등의 종류가 있다.
이중 상기 터보 공기 압축기는 대형의 임펠러가 매우 고속으로 회전하면서 일정 공간속에 유입된 공기의 분자 밀도를 좁혀 공기를 압축시키는 원리를 가진 것으로서, 조절이 용이하고 구조가 간단하며 공기의 흐름이 일정하여 산업 현장에서 널리 사용되고 있다.
이러한 터보 압축기는 압축기의 구조적 특성상 토출되는 압축 공기의 유량이 감소될 때 소위 턴다운 지점(turn down point)에서부터 서지(surge) 현상이라 불리우는 진동 현상이 발생되는데, 이러한 진동 현상은 압축기의 안정적인 운전과 수명에 악영향을 미치게 된다.
이러한 서지 현상을 해소하기 위하여 도 1 에 도시된 바와 같은 운전 제어 방식이 사용되는데, 이를 통상적으로 정압(constant pressure) 운전 제어 방식이라 하며, 압축기(20)로부터 토출된 압축 공기를 수용하는 수용탱크(50) 내부의 압력을 압력 측정기(40)로 측정하고, 측정된 신호를 전기 신호로 변환하여 제어 장치(30)로 전달하면, 제어 장치(30)가 상기 압력 측정기(40)로 측정된 토출 공기의 압력 변동량에 기초로 하여 상기 턴다운 지점 이하에서는 흡입 밸브(10)의 폐쇄 작용을 중지시키고 수용 탱크(50) 내부의 압축 공기를 토출밸브(60)를 통하여 방출시킴으로써, 서지 현상이 없이 상기 수용 탱크(50) 내부에 수용된 압축 공기의 공기압을 일정하게 유지하는 방식이다. 수용 탱크(50) 내부의 압축 공기는 이송관(70)을 경유하여 다양한 용도의 사용처로 이송된다.
하나의 압축기를 사용하는 단일 압축기 시스템에서는 턴 다운 비율(turn down ratio)이 압력 조건이나 압축기 설계에 따라서 상이하나 대체로 수용탱크(50)의 수용 용량의 약 30% 정도가 되며, 이 범위에서는 흡입 밸브(10)의 조절을 통하여 토출 압력을 일정하게 유지시키면서 효율적인 운전을 할 수 있다.
그러나, 도 2 에 도시된 바와 같이 2 대 이상의 다중 터보 공기 압축기를 운전함에 있어서는 각각의 압축기(20-1,20-2,...20-n)가 토출하는 압축 공기를 합한 용량의 대략 30 % 정도를 유량 조절할 수 있어야 하나, 실제 운전에서는 그러하지 못하다.
왜냐하면, 각각의 압축기가 정압 운전을 함에 따라서 필요로 되는 압축 공기의 부하 분배가 제어되지 않기 때문이며, 이러한 부하 분배의 어려움으로 인하여 이송관을 통하여 이송되는 압공 수요량이 적어질 때 전체 압축기의 용량 조절 범위의 전체를 이용하지 못하고 한 압축기에서는 용량 조절 가능범위가 남아있는데도 불구하고 다른 압축기에서는 용량 조절 범위의 한계를 초과하여 서지 현상의 우려 때문에 생산한 공기를 대기중으로 방출하는 현상이 발생하여 에너지의 낭비를 초래하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 다중으로 설비된 터보 압축기의 각 토출량을 정압 운전 및 정적 운전 방법을 혼용하여 제어함으로써 다중으로 설비된 터보 공기 압축기의 부하 분배를 안정적으로 수행하기 위한 다중 터보 공기 압축기의 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 제어 시스템의 구성은, 다중으로 설치된 터보 공기 압축기와 상기 각 터보 공기 압축기가 토출하는 압축 공기가 수용되는 수용 탱크를 포함하는 다중 터보 공기 압축기 시스템에 있어서,
상기 각각의 터보 공기 압축기로 유입되는 공기의 흡입을 개폐하는 각각의 흡입 밸브; 및 상기 각각의 터보 공기 압축기의 토출구 측에 설치되어 상기 각 터보 공기 압축기가 토출하는 공기의 질량의 유량값을 계측하는 각각의 질량 유량 측정계기; 및 상기 수용 탱크의 압력을 측정하는 압력 측정 계기; 및 상기 각각의 터보 공기 압축기중 어느 하나의 터보 공기 압축기에 설치되며 상기 압력 측정 계기로부터 압력 측정값을 전달받아 자신이 설치된 터보 공기 압축기의 흡입 밸브의 개폐를 제어하는 주 제어장치; 및 상기 주 제어장치가 설치된 터보 공기 압축기를 제외한 타측 터보 공기 압축기에 설치되며 상기 주 제어장치가 설치된 터보 공기 압축기의 질량 유량 측정계기의 질량 유량값을 전달받아 자신의 질량 유량 측정계기의 질량 유량값과 전달받은 주 제어장치의 질량 유량값을 비교하여 자신의 흡입 밸브를 개폐를 제어하는 각각의 부 제어장치; 를 포함하여 구성된 제어 시스템을 특징으로 한다.
이하, 첨부 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성을 상세하게 설명한다.
도 3 은 본 발명 다중 터보 공기 압축기의 제어 시스템의 구성도이다. 도 1 및 도 2 와 중복되는 부분의 참조 부호는 동일하다.
도면을 참조하면, 본 발명 다중 터보 공기 압축기의 제어 시스템의 구성은 다중으로 설치된 터보 공기 압축기들(20-1,20-2,...,20-N)이 설비되며, 상기 각각의 터보 공기 압축기들(20-1,20-2,...,20-N)이 토출하는 압축 공기를 수용하는 수용 탱크(50)가 설비된다.
또한, 상기 각각의 터보 공기 압축기로 유입되는 공기의 흡입을 개폐하는 각각의 흡입 밸브(10)가 상기 터보 공기 압축기의 전단(前段)에 설치되고, 상기 각각의 터보 공기 압축기(20-1,20-2,...,20-N)와 상기 수용 탱크(50) 사이에는 상기 각 터보 공기 압축기가 토출하는 공기의 질량의 유량값을 계측하는 각각의 질량 유량 측정계기(80)들이 설치된다.
또한, 상기 수용 탱크(50)에는 수용 탱크(50) 내부로 수용된 압축 공기의 압력을 측정하는 압력 측정 계기(40)가 설치되며, 상기 압력 측정 계기(40)는 측정한 압력을 전기 신호로 변환하는 별도의 장치(미도시)가 부설되거나 또는 이 기능이 내장된 계기가 사용된다.
또한, 상기 각각의 터보 공기 압축기(20-1,20-2,...,20-N) 중 어느 하나의 터보 공기 압축기에는(편의상 가장 상측에 있는 터보 공기 압축기(20-1)로 설명함) 상기 압력 측정 계기(40)로부터 상기 수용 탱크(50) 내부에 수용된 압축 공기의 압 력 측정값을 전달받아 PID 제어(비례 적분 제어)를 통하여 해당 공기 압축기(20-1)로 공급되는 공기의 흡입을 개폐하는 흡입 밸브(10)를 제어하는 주 제어장치(30-M)가 설치된다.
그리고, 상기 주 제어장치(30-M)가 설치된 터보 공기 압축기(20-1)를 제외한 다른 터보 공기 압축기(20-2,...,20-N)들에는 부 제어장치(30-S)가 각각 설치된다. 상기 부 제어장치(30-S)는 상기 주 제어장치(30-M)의 해당 터보 공기 압축기(20-1)의 토출 라인에 설치된 질량 유량 측정계기(80)의 질량 유량값을 전달받고, 이를 자신의 질량 유량 측정계기(80)가 측정한 질량 유량값을 비교하여 그 비교 결과에 따라서 상기 각각의 부 제어장치(30-S)에 의하여 제어되는 해당 라인의 흡입 밸브(10)들을 제어한다.
상기와 같이 구성된 본 발명 다중 터보 공기 압축기의 제어 시스템의 작동을 상세하게 설명한다.
도면에 도시된 바와 같이, 다중으로 설치된 각 터보 공기 압축기들(20-1,20-2,...,20-N)의 운전이 시작되면, 수용탱크(50) 내부의 압축 공기의 압력 측정값이 압력 측정 계기(40)에 의하여 측정되고 이 측정값은 전기 신호로 변환되어 상기 주 제어장치(30-M)로 전달된다. 상기 주 제어장치(30-M)는 전달받은 압력 측정값을 참조하여 공지의 비례미분적분제어(PID) 방식으로 주 제어장치(30-M)가 제어하는 해당 터보 공기 압축기(20-1)의 흡입밸브(10)의 개폐를 제어하여 본 발명 다중 터보 공기 압축기 전체의 압력을 맞춘다.
다음에, 주 제어장치(30-M)는 해당 라인의 터보 공기 압축기(20-1)에 부설된 질량 유량 측정 계기(80)에서 해당 터보 공기 압축기(20-1)로부터 토출되는 압축 공기의 질량 유량값을 측정하고, 이 측정값을 타측 터보 공기 압축기(20-2,...20-N)의 각각의 부 제어장치(30-S)로 전달한다.
각각의 부 제어장치(30-S)들은 상기 주 제어장치(30-M)로부터 전달받은 질량 유량값과 각각의 부 제어장치(30-S)들이 속한 해당 라인의 터보 공기 압축기(20)의 토출 라인에 부설된 질량 유량 측정 계기(80)로부터 터보 공기 압축기(20)에서 토출되는 압축 공기의 질량 유량값을 측정하고, 이 측정값과 상기 주 제어장치(30-S)로부터 전달받은 질량 유량값을 서로 비교한다.
상기 비교되는 양 측정값이 서로 일치하지 않으면, 각각의 부 제어장치(30-S)는 양 측정치값이 서로 일치될 때까지 각각의 부 제어장치(30-S)들이 속한 해당 라인의 터보 공기 압축기(20) 라인의 흡입 밸브(10)를 조절하여 터보 공기 압축기(20)로부터 토출되는 압축 공기의 유량을 제어한다.
이렇게 됨으로써 수용 탱크(50)에 수용된 압축 공기의 압력은 주 제어장치(30-M)의 흡입밸브(10)의 제어를 통하여 전체적으로 일정하여지며, 각각의 터보 공기 압축기(20-1,20-2,...,20-N)가 토출하는 압축 공기의 유량은 이송관(70) 측에서 요구되는 수요량의 변동에 따라서 이를 추종하게 된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 다중 터보 공기 압축기 제어 방법은 다음과 같다.
다중으로 설치된 터보 공기 압축기와 상기 각 터보 공기 압축기가 토출하는 압축 공기가 수용되는 수용 탱크를 포함하는 다중 터보 공기 압축 시스템의 제어 방법에 있어서,
다중으로 설치된 각 터보 공기 압축기의 운전을 시작하는 단계(단계 S 401)와, 상기 수용 탱크 내부의 압축 공기의 압력 측정값을 측정하는 단계(단계 S 402)와, 측정된 압력 측정값을 상기 각각의 터보 공기 압축기중 어느 하나의 터보 공기 압축기에 설치된 주 제어장치에 전달하는 단계(단계 S 403)와, 상기 압력 측정값을 전달받은 주 제어장치가 그 제어 장치가 속한 해당 터보 공기 압축기의 공기의 흡입 라인의 개폐를 제어하여 해당 터보 공기 압축기가 토출하는 압축 공기의 압력을 제어하는 단계(단계 S 404)와, 상기 주 제어장치가 해당 라인의 터보 공기 압축기의 토출 라인으로 토출되는 압축 공기의 질량 유량을 측정하는 단계(단계 S 405)와, 상기 주 제어장치가 측정된 질량 유량값을 타측 터보 공기 압축기에 설치된 각각의 부 제어장치로 전달하는 단계와(단계 S 406), 상기 각각의 부 제어장치가 그 제어 장치가 속한 해당 터보 공기 압축기의 토출 라인으로 토출되는 압축 공기의 질량 유량을 측정하는 단계(단계 S 407)와, 상기 각각의 부 제어장치가 상기 주 제어장치로부터 전달받은 질량 유량값과 부 제어장치가 속한 해당 터보 공기 압축기의 토출 라인에서 측정된 질량 유량값을 비교하는 단계(단계 S 408)와, 비교 결과 양 측정값이 서로 일치하지 않으면 상기 부 제어장치가 양 측정치값이 서로 일치될 때까지 해당 라인의 터보 공기 압축기의 공기의 흡입 라인의 개폐를 제어하여 공기 압축기로부터 토출되는 압축 공기의 유량을 제어하는 단계(단계 S 409), 를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 제어 방법에 따라서, 다중 터보 공기 압축기 장치의 수용 탱크에 수용된 압축 공기의 압력은 수용 탱크의 압력 측정치를 전달받는 제어장치의 흡입라인의 제어를 통하여 전체적으로 일정하여지며, 압축 공기의 수요측에서 요구되는 수요량의 변동에 따라서 각 공기 압축기의 공급량의 변동이 계속 따라가게 됨으로써 다중 터보 공기 압축기들의 압축 공기의 토출량은 부하량의 변동량을 추종하게 된다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명 다중 터보 공기 압축기의 제어 장치 및 제어 방법이 가지는 효과는 다음과 같다.
첫째, 다중 터보 공기 압축기 장치의 수용 탱크에 수용된 압축 공기의 압력이 일정하게 유지되며,
둘째, 각각의 공기 압축기로부터 토출되는 압축 공기의 유량이 수요측에서 요구되는 수요량의 변동에 따라서 추종되게 됨으로써 수용 탱크에서 필요로 되는 압축 공기의 부하 분배가 균등하게 이루어져 각 압축기의 용량 조절 범위를 최대한으로 이용할 수 있으며,
셋째, 다중 터보 공기 압축기에서 부하 분배가 효율적으로 이루어짐으로 압축기에 발생할 수 있는 서지 현상을 최소한으로 감소시킨 효과를 가지는 진보한 발명인 것이다.

Claims (2)

  1. 다중으로 설치된 터보 공기 압축기와 상기 각 터보 공기 압축기가 토출하는 압축 공기가 수용되는 수용 탱크를 포함하는 다중 터보 공기 압축기의 제어 시스템에 있어서,
    상기 각각의 터보 공기 압축기로 유입되는 공기의 흡입을 개폐하는 각각의 흡입 밸브; 및
    상기 각각의 터보 공기 압축기의 토출구 측에 설치되어 상기 각 터보 공기 압축기가 토출하는 공기의 질량 유량을 계측하는 각각의 질량 유량 측정 계기; 및
    상기 수용 탱크의 압력을 측정하는 압력 측정 계기; 및
    상기 각각의 터보 공기 압축기중 어느 하나의 터보 공기 압축기 라인에 설치되며 상기 압력 측정 계기로부터 압력 측정값을 전달받아 해당 라인의 터보 공기 압축기의 흡입 밸브의 개폐를 제어하고, 상기 해당 라인의 질량 유량 측정 계기를 통하여 해당 라인에서 토출되는 압축 공기의 질량 유량값을 입력받는 주 제어장치; 및
    상기 주 제어장치가 속한 터보 공기 압축기를 제외한 타측 터보 공기 압축기라인에 각각 설치되며 상기 주 제어장치로 입력된 질량 유량값을 전달받아 이의 값과 타측 해당 라인의 터보 공기 압축기가 토출하는 질량 유량값을 비교하여 이 값이 서로 일치할 때까지 해당 타측 라인의 흡입 밸브의 개폐를 제어하는 각각의 부제어장치; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 다중 터보 공기 압축기 제어 시스템.
  2. 다중으로 설치된 터보 공기 압축기와 상기 각 터보 공기 압축기가 토출하는 압축 공기가 수용되는 수용 탱크를 포함하는 다중 터보 공기 압축 시스템의 제어 방법에 있어서,
    다중으로 설치된 각 터보 공기 압축기의 운전을 시작하는 단계(단계 S 401); 및
    상기 수용 탱크 내부의 압축 공기의 압력 측정값을 측정하는 단계(단계 S 402); 및
    측정된 압력 측정값을 상기 각각의 터보 공기 압축기중 어느 하나의 터보 공기 압축기에 설치된 주 제어장치에 전달하는 단계(단계 S 403); 및
    상기 압력 측정값을 전달받은 주 제어장치가 그 제어 장치가 속한 해당 터보 공기 압축기의 공기의 흡입 라인의 개폐를 제어하여 해당 터보 공기 압축기가 토출하는 압축 공기의 압력을 제어하는 단계(단계 S 404); 및
    상기 주 제어장치가 해당 라인의 터보 공기 압축기의 토출 라인으로 토출되는 압축 공기의 질량 유량을 측정하는 단계(단계 S 405); 및
    상기 주 제어장치가 측정된 질량 유량값을 타측 터보 공기 압축기에 설치된 각각의 부 제어장치로 전달하는 단계와(단계 S 406); 및
    상기 각각의 부 제어장치가 그 제어 장치가 속한 해당 터보 공기 압축기의 토출 라인으로 토출되는 압축 공기의 질량 유량을 측정하는 단계(단계 S 407); 및
    상기 각각의 부 제어장치가 상기 주 제어장치로부터 전달받은 질량 유량값과 부 제어장치가 속한 해당 터보 공기 압축기의 토출 라인에서 측정된 질량 유량값을 비교하는 단계(단계 S 408); 및
    비교 결과 양 측정값이 서로 일치하지 않으면 상기 부 제어장치가 양 측정치값이 서로 일치될 때까지 해당 라인의 터보 공기 압축기의 공기의 흡입 라인의 개폐를 제어하여 공기 압축기로부터 토출되는 압축 공기의 유량을 제어하는 단계(단계 S 409); 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다중 터보 공기 압축기 제어 방법.
KR1020040114443A 2004-12-28 2004-12-28 다중 터보 공기 압축기 제어 시스템 및 그 방법 KR100617636B1 (ko)

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