KR101205298B1 - 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어 - Google Patents

소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어에 관한 것으로, 외기를 유입하여 고온 고압으로 압축하는 압축기본체, 이 압축기본체의 외기 유입측에 형성되는 가이드파이프, 이 가이드파이프에 형성되어 압축기본체 내부로 유입되는 외기를 통과시키며 필터링하는 필터박스 및 이 필터박스를 거친 외기를 압축기본체로 강제 송풍하면서 송풍량을 확보하는 소형 블로워를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 기술과 달리 대기의 온도가 상승하여 공기의 밀도가 낮아지는 하절기 및 대기의 습분이 증가하여 압축기 흡입유로에서 압력 손실이 증가할 경우 압축기 토출 유량 및 압력이 감소하여 서징(surging)현상이 발생하는 것을 방지하기 위한 방안이다. 생산현장에서 설치되어 가동되는 대형 터보 압축기 설계 시 토출 유량의 증가를 위해 임펠러의 사이즈나 회전수 등의 설계변수를 고려하고 있으나 IGV(Inlet Guide Vane)내의 유동손실 및 압력 손실을 고려하지 못하여 토출유량이 감소되어 하절기에 서징현상이 빈번하게 발생한다. 이러한 문제점을 효과적으로 개선하기 위하여 작은 동력을 이용하여 소형 블로워를 가동시켰을 경우 압축기의 정격 운전점과 토출압력을 거의 일정하게 유지한 상태에서 토출 유량을 증가시킬 수 있으며, 공기의 난류 성분을 증가시킴으로써 압축 효율의 증가를 기대할 수 있고, 동력 대비 에너지 절감 면에서도 효과적인 기술적 방법에 관한 것이다.

Description

소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어{THE CAPACITY CONTROL OF TURBO-COMPRESSOR USING A SMALL BLOWER}
본 발명은 소형 블로워를 이용하여 대형 터보 압축기로부터 토출하는 유량을 효과적으로 증가시키는 방법에 관한 것으로, 하절기에는 대기의 온도가 상승하여 공기의 밀도가 낮아지게 되므로, 실제 압축기로부터 토출하게 되는 유량이 감소하게 되는데, 이러한 상황은 대기의 습분이 증가하거나 압축기의 흡입유로에서 압력손실이 증가하는 경우에도 발생하게 되므로, 이에 따른 토출유량을 효과적으로 보상하는 기술적 방법이 필요하다.
일반적으로 압축기의 토출 유량을 증가시키기 위해서는 설계 단계에서 임펠러의 사이즈나 회전수 등의 설계변수를 변화시킬 수 있으나, 이미 생산현장에서 설치되어 가동되고 있는 대형 압축기의 경우에는 이러한 조절이 불가능하게 되므로, 압축기의 운전 상태를 조절하는 방법을 고려할 수 있다. 그러나 이 경우 토출압력과 유량이 동시에 변화하거나 운전효율이 저하하는 등의 문제점이 발생하게 되므로, 효과적인 기술적 방법으로는 압축기의 정격 운전점과 토출압력을 거의 일정하게 유지한 상태에서 토출 유량만을 증가시키는 것이 필요하다.
본 발명에서는 대형 터보 압축기의 토출 유량을 증가시키기 위하여, 소형 블로워를 이용하여 대기를 압축기의 흡입유로에 추가하는 기술적 방법에 관한 것으로, 블로워를 가동하는데 필요한 작은 동력으로 효과적으로 토출 유량을 증가시킬 수 있다.
일반적으로, 터보 압축기는 공기 중에 혼재되어 있는 오염공기를 여과시키는 입구필터(Inlet Filter)를 통해 공기가 흡입되면, 공기량을 조절하는 IGV(Inlet Guide Vane)를 지나 1단 압축기에 의해 압축되고, 1차 인터쿨러, 2단 압축기, 2차 인터쿨러, 3단 압축기 및 에프터쿨러(After-cooler)와 드라이어를 통과하여 수분이 제거된 후 냉각되어, 다양한 크기의 필터를 지나 소정의 장소에서 사용된다.
현재 각종 플랜트에서 설치 운용되고 있는 대형 터보 압축기는 주로 원심식 터보형으로 설계 시 토출 유량을 증가시키기 위해 임펠러의 사이즈나 회전수를 고려하여 설계한다. 또한, Feedback 제어를 이용하여 설계유량 및 압력을 충족시키기 위해 입구유로의 단면적을 제어하여 흡입유량을 조절하는 IGV(Inlet Guide Vane)를 압축단의 전방에 설치하게 된다.
하지만 생산 현장에서 설치되어 실제 가동되고 있는 대형 터보 압축기의 IGV에서 발생되는 유동손실 및 압력손실 등을 설계 단계에서 실질적으로 고려하지 못하여 토출유량이 설계유량 보다 적어지게 되어 서징(surging)현상이 발생하는 경우가 빈번하다. 특히, 이러한 상황은 대기의 온도가 상승하여 공기의 밀도가 낮은 하절기에 더욱 심각해진다. 따라서 압축기의 정격 운전점과 토출압력을 설계값과 동일하게 유지한 상태에서 토출 유량만 증가시키기 위한 획기적인 방법이 절실히 필요하다.
현재 대형 터보 압축기의 국내외 제조사들은 압축기의 설치조건과 대기조건 그리고 토출조건에 따라 임펠러의 사이즈 및 회전수를 고려하여 압축기의 주요 설계인자들을 결정하여 제작하고 있다. 하지만 실제 생산현장에서 설치되어 가동되고 있는 대형 터보 압축기의 경우 토출 유량의 변동에 따라 발생되는 IGV(Inlet Guide Vane)내의 유동손실 및 압력손실 등을 설계단계에서 고려하지 못함으로써 토출유량과 압력이 설계값에 도달하지 못하여 서징(surging)현상이 발생하는 경우가 빈번하다. 특히, 하절기 온도 상승으로 공기의 밀도가 낮아져 토출 유량이 설계유량보다 적을 경우, IGV(Inlet Guide Vane)를 완전히 개방하여 최대 흡입유량을 확보하더라도 대형 터보 압축기에서 토출하는 실제 유량은 설계 유량에 미치지 못하여 압축기의 안정적인 운전을 저해하는 바람직하지 못한 상황이 자주 발생하게 된다. 이러한 상황을 방지하기 위해 플랜트 내에 대형 터보 압축기를 추가 설치하는 경우도 있으나 설치 및 운용비용 발생의 문제점이 있으므로, 효과적으로 개선할 수 있는 수단이 절실히 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서, 대형 터보 압축기의 정격 운전점과 토출압력을 거의 일정하게 유지한 상태에서 토출 유량만을 증가시키기 위하여, 소형 블로워를 이용하여 대기를 압축기 흡입유로에 추가하는 기술적 방법에 관한 것이다. 즉, 하절기와 같이 대기의 온도가 상승하여 공기의 밀도가 낮아져 대형 터보 압축기의 토출 유량이 줄어들 경우 작은 동력을 이용하여 소형 블로워를 가동함으로써 토출측 유량 및 압력을 효과적으로 보상하여 압축기의 서징현상을 방지하는 것에 목적이 있다.
또한, 본 발명은 토출 유량이 충분할 경우 불필요한 동력 소모를 줄이기 위해 소형 블로워의 전원을 끄고, 자연 회전시키는 시스템을 구축함으로써 무동력으로 날개가 회전하여 압축기로 유입하는 공기유동의 난류성분을 증가시켜 압축효율을 개선할 수 있도록 하는 것에 목적이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 소형 블로워 사용 시, 소요 동력(W)은 하기와 같은 식에 의해 수 kW로 도출되며, 이것은 소형 블로워를 가동시키는데 필요한 동력 대비 대형 터보 압축기의 동력 이득이 훨씬 커 에너지 절감에 목적이 있다.
Figure 112010055350115-pat00001
여기서, γ는 공기의 비열비로서 1.4이고, P1은 대기압을 나타내며, Va는 소형 블로워 설치 시 유입되는 공기체적이다. 그리고 하첨자 'NTP'는 대기압 상태를 의미하며, Pa는 소형 블로워 설치 시 발생하는 공기의 압력이다.
본 발명에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어는 외기를 유입하여 고온 고압으로 압축하는 압축기본체, 상기 압축기본체의 외기 유입측에 형성되는 가이드파이프, 상기 가이드파이프에 형성되어 상기 압축기본체 내부로 유입되는 외기를 통과시키며 필터링하는 필터박스 및 상기 필터박스를 거친 외기를 상기 압축기본체로 강제 송풍하면서 송풍량을 확보하는 소형 블로워를 포함한다.
상기 소형 블로워는 상기 가이드파이프에 인접한 상기 필터박스 내측에 구비됨이 바람직하다.
상기 가이드파이프는 바이패스파이프를 형성하고, 상기 바이패스파이프는 상기 소형 블로워와 함께 설치되며, 상기 가이드파이프와 상기 바이패스파이프는 선택적으로 단속밸브를 형성함이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어는 종래 기술과 달리 압축기 입구유로에 소형 블로워를 설치함으로써 압축기 설계 유량과 동일한 실제 유량을 하절기에도 유지함으로써 압축기의 서징현상을 방지할 수 있다.
그리고 본 발명은 압축기의 토출 유량이 충분할 경우 소형 블로워를 무동력으로 회전시키는 시스템을 구축함에 따라 압축기로 유입되는 공기유동의 난류성분을 증가시킬 수 있어 압축효율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 소형 블로워 운용 시 추가적으로 소요되는 동력은 압축기 운전 모드를 변경하거나 구조를 변경하는 경우에 비하여 매우 적은 수 kW의 동력이며, 이것을 설명하기 위하여 P-V선도를 이용하여 도 3에 도시하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 소형 블로워 운용에 따른 소요 동력을 나타낸 P-V선도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어의 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 소형 블로워 운용에 따른 소요 동력을 나타낸 P-V선도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어는 압축기본체(10) 입구유로측에 소형 블로워(40)를 설치하여 공기압축기의 토출유량이 줄어들 경우에 소형 블로워(40)를 가동하여 토출유량을 증가시키고, 서징현상을 회피함을 특징으로 한다. 아울러, 본 발명은 압축기본체(10)의 토출유량이 충분한 경우에는 소형 블로워(40)의 전원을 끊어서 무동력으로 날개가 회전함으로써 압축기본체(10)로 유입되는 공기유동의 난류성분을 증가시켜 압축효율을 개선함을 특징으로 한다.
더욱 상세히, 발명의 일 실시예에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어는 압축기본체(10), 가이드파이프(20), 필터박스(30) 및 소형 블로워(40)를 포함한다.
압축기본체(10)는 터보 압축기의 외형을 형성하는 것으로서, 외기를 유입하여 고온 고압으로 압축 후 토출하는 역할을 한다. 따라서 압축기본체(10)는 외기를 유입하는 유입측과 외기를 토출하는 토출측을 형성한다.
물론, 압축기본체(10)는 하나 구비되어 외기를 1단 압축할 수도 있고, 하나 구비되어 외기를 다단(多段) 압축할 수도 있으며, 다수 개 구비되어 해당 개수만큼 외기를 단계적으로 압축할 수도 있다. 그리고 압축기본체(10)는 다양하게 형성될 수 있다. 이 압축기본체(10)는 개략적으로 도시한다.
아울러, 가이드파이프(guide pipe,20)는 압축기본체(10)의 외기 유입측에 형성된다. 따라서 외기는 가이드파이프(20)를 통해 압축기본체(10) 내부로 유입된다.
이때, 압축기본체(10)와 가이드파이프(20)는 일체로 형성될 수도 있고, 분리 가능하게 형성될 수도 있다. 그리고 가이드파이프(20)는 다양한 형상 및 다양한 재질로 변형 가능하다.
한편, 필터박스(30)는 가이드파이프(20)에 형성되어 압축기본체(10) 내부로 유입되는 외기를 통과시키며 필터링하는 역할을 한다.
여기서, 필터박스(30)는 필터부재와 이를 에워싸는 박스를 포함하지만, 개략적으로 도시한다.
특히, 필터박스(30)는 가이드파이프(20)의 일측 단부에 연결되는데, 다양한 방식에 의해 연결될 수 있다.
또한, 소형 블로워(40)는 필터박스(30)를 거치며 정화된 외기를 압축기본체(10)로 강제 송풍하는 역할을 한다.
따라서 외기는 소형 블로워(40)에 의해 강제 송풍됨에 따라 압축기본체(10) 내부로 유입되어 송풍량을 확보할 수 있다.
즉, 대기의 온도가 상승하여 공기의 밀도가 낮은 습한 하절기에 압축기본체(10)를 통해 토출되는 공기의 양이 줄어들 경우, 적은 동력을 이용하여 소형 블로워(40)가 작동하면, 압축기 내부로 유입되는 대기의 공기량 증가와 압축효율의 증가로 압축기의 정격 운전점과 토출 압력을 거의 일정하게 유지한 상태에서 압축기본체(10)로부터 토출되는 유량을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 압축기본체(10)로부터 토출되는 공기의 실제 압력도 설계 압력과 유사하게 됨으로써 서징현상을 방지할 수 있다.
다시 말해서, 공기 압축기의 토출 유량이 줄어들 경우 압축기본체(10)의 공기 유입측에 설치된 소형 블로워(40)가 가동되어 토출 유량을 증가시키며, 이로 인해, 설계값과 동일한 유량과 압력을 확보함에 따라 서징현상이 방지될 수 있다. 또한, 소형 블로워(40)가 강제적으로 회전하면서 압축기본체(10)로 유입되는 외기에 난류를 일으켜 압축효율이 개선될 수도 있다.
반면에, 압축기본체(10)로부터 토출되는 유량이 충분한 경우, 소형 블로워(40)의 전원을 끊어 압축기본체(10)로 유입되는 공기의 흐름에 의해 블로워는 자연 회전됨으로써 압축기본체(10)로 유입되는 공기 유동의 난류성분이 증가되어 최종적으로 압축효율이 개선된다.
또한, 소형 블로워(40)는 가이드파이프(20)에 인접한 필터박스(30) 내측에 구비됨이 바람직하다. 이는, 필터박스(30) 외부의 외기를 최대한 필터박스(30) 내부로 유입시키고, 필터박스(30)를 통과하며 정화된 외기는 가이드파이프(20)로 집중 유동되도록 하기 위함이다.
이때, 소형 블로워(40)는 다양한 방식에 의해 필터박스(30) 내부에 고정 장착되는데, 편의상 도식화한다.
한편, 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어는 압축기본체(10), 가이드파이프(20), 필터박스(30), 소형 블로워(40) 및 바이패스파이프(50)를 포함한다.
압축기본체(10), 가이드파이프(20), 필터박스(30) 및 소형 블로워(40)의 각 기능은 상술한 바와 동일하기 때문에 상술한 것으로 대체한다.
그리고 바이패스파이프(50)는 가이드파이프(20)에 형성되고, 소형 블로워(40)는 바이패스파이프(50)에 구비된다. 아울러, 가이드파이프(20)와 바이패스파이프(50)는 선택적으로 단속밸브(60)를 형성한다.
동절기와 같이 필터박스(30)를 통과한 외기의 통과유량이 충분할 경우, 외기는 가이드파이프(20)를 통해 압축기본체(10)로 유입된다.
반면에, 하절기과 같이 대기의 온도가 상승하여 공기의 밀도가 낮아져서 필터박스(30)를 통과한 외기의 통과유량이 불충분할 경우, 작은 동력을 이용하여 소형 블로워(40)를 가동시켜 외기는 바이패스파이프(50)를 통해 흡입유량을 확보된 상태로 압축기본체(10)로 유입된다.
이에 따라, 가이드파이프(20)에 구비된 단속밸브(60)와 바이패스파이프(50)에 구비된 단속밸브(60)는 수동적 또는 자동적으로 어느 하나만 개방되도록 단속된다.
이때, 바이패스파이프(50)는 가이드파이프(20)에 다양한 형태로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 소형 블로워(40) 사용 시, 이를 가동시키기 위하여 추가적으로 소요되는 동력(W)을 확인하기 위하여 P-V선도를 이용하여 도 3에 도시한다.
일반적인 압축기의 소요 동력(W)은 4-1-2-3의 경로에 의해 요구된다. 하지만 소형 블로워(40)를 설치하면, △V만큼의 체적이 증가함에 따라 소요 동력은 4-1-a-b-3의 경로를 지나게 된다.
이때, 소형 블로워(40)가 가동되기 위해 추가적으로 소요되는 동력은 단지 수 kW만으로 충분하며, 소형 블로워(40)를 가동시키는데 필요한 동력에 비하여, 대형 공기압축기의 동력 이득이 훨씬 크기 때문에 에너지 절감효과도 크다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 압축기본체 20: 가이드파이프
30: 필터박스 40:소형 블로워
50: 바이패스파이프 60: 단속밸브

Claims (3)

  1. 외기를 유입하여 고온 고압으로 압축하는 압축기본체;
    상기 압축기본체의 외기 유입측에 형성되는 가이드파이프;
    상기 가이드파이프에 형성되어 상기 압축기본체 내부로 유입되는 외기를 통과시키며 필터링하는 필터박스; 및
    상기 압축기본체에서의 토출 유량 저감시에 상기 필터박스를 거치며 정화된 외기를 상기 압축기본체로 강제 송풍하여 송풍량을 확보함으로써 서징현상을 방지하고, 설계 토출 유량 확보시 자연 회전됨으로써 공기 유동의 난류 성분을 증가시켜 압축효율을 개선하기 위해 구비되는 소형 블로워를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 소형 블로워는 상기 가이드파이프에 인접한 상기 필터박스 내측에 구비되는 것을 특징으로 하는 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가이드파이프는 바이패스파이프를 형성하고;
    상기 바이패스파이프는 상기 소형 블로워를 구비하며;
    상기 가이드파이프와 상기 바이패스파이프는 선택적으로 단속밸브를 형성하는 것을 특징으로 하는 소형 블로워를 이용한 터보 압축기의 용량제어.
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