KR101960713B1 - 압축기 시스템 - Google Patents

Abstract

압축기 시스템은 회전축과, 회전축에 연결되어 회전하며 제1 유체라인에 배치되어 유체를 압축하는 제1 압축부와, 제1 유체라인에 배치되어 제1 유체라인의 유체 흐름을 조절하는 제1 조정부와, 회전축에 연결되어 회전하며 제2 유체라인에 배치되어 제1 압축부 보다 작은 크기의 유량의 범위에서 유체를 압축하는 제2 압축부와, 제2 유체라인에 배치되며 제2 유체라인의 유체 흐름을 조절하는 제2 조정부와, 제1 조정부 및 제2 조정부에 연결되어 제1 압축부와 제2 압축부의 적어도 하나를 선택하여 작동시키기 위하여 제1 조정부와 제2 조정부를 제어하는 제어부를 구비한다.

Description

압축기 시스템{Compressor system}

실시예들은 압축기 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고유량 영역과 저유량 영역을 모두 포함하는 넓은 범위의 작동 영역에서 안정적으로 작동하는 압축기 시스템에 관한 것이다.

액체나 기체 상의 유체를 제어하는 유체 제어 시스템에는 유체를 압축시키는 압축기가 사용된다. 압축기는 가능한 한 넓은 범위의 토출 압력과 유량에 대해 고효율로 작동할 수 있도록 설계되는데, 압축기의 효율뿐만 아니라 작동 영역(TR: turn down ratio)도 유체 제어 시스템의 중요한 성능 변수로 작용한다.

압축기는 압축기가 주로 운용되는 임의의 토출 압력과 유량을 설계점으로 선정한 후, 선정된 설계점에 대해 최고 효율을 낼 수 있도록 설계된다. 설계점 이외의 작동영역, 즉 탈설계 영역에서는 압축기의 효율이 크게 떨어지므로 전력 소모가 증가한다. 특히, 공장이나 대형 설비나 기반 시설 등에 사용되는 대용량의 압축기는 효율에 따라 전력 소모량이 크게 변화하므로, 압축기를 운용하는 대형 시스템이나 설비에서는 탈설계 영역에 대해서도 압축기가 고효율을 낼 수 있어야 한다.

압축기의 운용 영역을 제어하기 위해 입구 가이드 베인(inlet guide vane), 가변 형상 디퓨저(variable geometry diffuser)와 같은 제어 장치나, 분당 회전속도(RPM)를 제어하는 직접 구동(direct drive) 방식을 독립적 또는 복합적으로 사용한다.

미국 등록특허 6039534는 압축기에 사용되는 입구 가이드 베인(IGV)의 구조를 개시한다.

도 1은 종래 기술의 입구 가이드 베인을 이용한 압축기의 성능맵을 도시한다.

IGV를 이용한 압축기는 유동 속도 벡터와 차압을 통해 유량과 압력을 조절할 수 있다. 그러나 압축기의 IGV가 일정 개도를 벗어나면 IGV에 의한 손실로 인해 압축기 운용 범위가 제한이 되어 압축기 효율이 급격하게 감소한다.

도 2는 종래 기술의 가변 형상 디퓨저를 이용한 압축기의 성능맵을 도시한다.

VGD를 이용하는 경우에는 간극의 손실이 필연적으로 발생하며, IGV를 이용한 압축기에서와 같이 VGD에 의한 차압이 증가하므로 탈설계 영역에서의 효율은 감소한다. 또한 IGV와 VGD는 모두 로터(rotor)의 전후에 위치하기 때문에 공진이 발생할 위험이 있어, 로터의 특성에 따라 각각의 베인 수를 변경해야 하는 제한이 있다.

도 3은 종래 기술의 분당 회전속도(RPM)를 제어하는 압축기 제어 기술에 의한 압축기의 성능맵을 도시한다.

RPM을 이용한 제어는 IGV나 VGD에 비교하여 상대적으로 탈설계 영역에서의 효율 감소가 적지만, 기계적인 한계로 인해 대용량 압축기에는 적용하기가 어렵다.

1 단으로 구성되는 종래의 일체형 기어형 블로워(integral geared type blower)에서는 축의 양쪽에 각각 임펠러를 설치하기도 하지만, 한국 등록특허 제1237972호에 개시되는 것과 같이 동일한 용량을 가지며 동일한 작동 영역을 갖는 임펠러를 설치하기 때문에 넓은 범위의 작동 영역을 갖는 압축기를 구현하기가 어렵다.

미국 등록특허 제6039534호 (2000.03.21.) 한국 등록특허 제1237972호 (2013.02.21)

실시예들은 고유량 영역과 저유량 영역을 모두 포함하는 넓은 범위의 작동 영역에서 안정적으로 작동하는 압축기 시스템을 제공하는 데 있다.

일 실시예에 관한 압축기 시스템은, 회전축과, 회전축에 연결되어 회전하며 제1 유체라인에 배치되어 유체를 압축하는 제1 압축부와, 제1 유체라인에 배치되어 제1 유체라인의 유체 흐름을 조절하는 제1 조정부와, 회전축에 연결되어 회전하며 제2 유체라인에 배치되어 제1 압축부 보다 작은 크기의 유량의 범위에서 유체를 압축하는 제2 압축부와, 제2 유체라인에 배치되며 제2 유체라인의 유체 흐름을 조절하는 제2 조정부와, 제1 조정부 및 제2 조정부에 연결되어 제1 압축부와 제2 압축부의 적어도 하나를 선택하여 작동시키기 위하여 제1 조정부와 제2 조정부를 제어하는 제어부를 구비한다.

제1 압축부와 제2 압축부의 각각은 임펠러를 구비할 수 있다.

제1 압축부와 제2 압축부의 어느 하나는 임펠러를 구비할 수 있고, 제1 압축부와 제2 압축부의 다른 하나는 스크류 압축기를 구비할 수 있다.

상술한 바와 같은 실시예들에 관한 압축기 시스템에 의하면 고유량 범위 및 저유량 범위의 모든 영역에서 압축기 시스템을 운용할 수 있으므로, 설계적인 측면에서와 사용의 측면에서 압축기 시스템의 전체적인 효율이 향상된다.

도 1은 종래 기술의 입구 가이드 베인을 이용한 압축기의 성능맵을 도시한다.
도 2는 종래 기술의 가변 형상 디퓨저를 이용한 압축기의 성능맵을 도시한다.
도 3은 종래 기술의 분당 회전속도(RPM)를 제어하는 압축기 제어 기술에 의한 압축기의 성능맵을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 관한 압축기 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 5는 다른 실시예에 관한 압축기 시스템의 일부 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 관한 압축기 시스템의 일부 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.

이하, 첨부 도면의 실시예들을 통하여, 실시예들에 관한 압축기 시스템의 구성과 작용을 상세히 설명한다. 설명 중에 사용되는 '및/또는'의 표현은 관련 요소들의 하나 또는 요소들의 조합을 의미한다.

도 4는 일 실시예에 관한 압축기 시스템의 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 4에 나타난 실시예에 관한 압축기 시스템에 있어서, 압축기 시스템은 회전축(5)과, 회전축(5)과 함께 회전하며 제1 유체라인(31)에 배치되어 유체를 압축하는 제1 압축부(10)와, 제1 유체라인(31)에 배치되어 제1 유체라인(31)의 유체 흐름을 조절하는 제1 조정부(51)와, 회전축(5)과 함께 회전하며 제2 유체라인(41)에 배치되어 유체를 압축하는 제2 압축부(20)와, 제2 유체라인(41)에 배치되어 유체 흐름을 조절하는 제2 조정부(61)와, 제1 조정부(51) 및 제2 조정부(61)를 제어하여 제1 압축부(10)와 제2 압축부(20)의 적어도 하나를 작동시키는 제어부(70)를 구비한다.

회전축(5)의 일측에는 제1 유량범위에서 작동하는 제1 압축부(10)가 설치된다. 제1 압축부(10)는 회전축(5)에 연결되어 회전축(5)과 함께 회전하는 제1 임펠러(11)와, 제1 임펠러(11)를 둘러싸는 쉬라우드(12)를 구비한다.

회전축(5)의 타측에는 제2 유량범위에서 작동하는 제2 압축부(20)가 설치된다. 제2 압축부(20)는 회전축(5)에 연결되어 회전축(5)과 함께 회전하는 제2 임펠러(21)와, 제2 임펠러(21)를 둘러싸는 쉬라우드(22)를 구비한다. 제2 압축부(20)가 작동하는 제2 유량범위는 제1 압축부(10)가 작동하는 제1 유량범위보다 작은 크기의 유량의 범위에 해당한다. 즉 제1 압축부(10)의 제1 임펠러(11)는 고유량 영역에 해당하는 제1 유량범위에서 작동하도록 설계된다. 또한 제2 압축부(20)의 제2 임펠러(21)는 저유량 영역에 해당하는 제2 유량범위에서 작동하도록 설계된다.

제1 압축부(10)는 입구라인(1)에 연결된 제1 유체라인(31)에 배치된다. 제1 조정부(51)는 제어부(70)로부터 인가되는 제어신호(C1)에 의해 동작함으로써 제1 유체라인(31)을 통과하는 유체의 유량을 제어할 수 있는 스로틀 밸브(throttle valve)로 구현될 수 있다.

제2 압축부(20)는 입구라인(1)에 연결된 제2 유체라인(41)에 배치된다. 제2 조정부(61)는 제어부(70)로부터 인가되는 제어신호(C2)에 의해 동작함으로써 제2 유체라인(41)을 통과하는 유체의 유량을 제어할 수 있는 스로틀 밸브(throttle valve)로 구현될 수 있다.

제1 압축부(10)의 출구측(19)은 출구라인(9)과 연결되며, 출구측(19)과 출구라인(9)의 사이에는 제1 출구 체크밸브(82)가 배치된다. 또한 제1 압축부(10)의 출구측(19)은 제1 회수 라인(18)과 연결되며, 출구측(19)과 제1 회수 라인(18)의 사이에는 제1 회수 체크밸브(81)가 배치된다. 제1 출구 체크밸브(82)와 제1 회수 체크밸브(81)도 각각 제어부(70)로부터 인가되는 제어신호(D1, V1)에 의해 작동함으로써 출구측(19)을 출구라인(9)이나 제1 회수 라인(18)에 연결하는 기능을 수행한다.

제2 압축부(20)의 출구측(29)은 출구라인(9)과 연결되며, 출구측(29)과 출구라인(9)의 사이에는 제2 출구 체크밸브(83)가 배치된다. 또한 제2 압축부(20)의 출구측(29)은 제2 회수 라인(28)과 연결되며, 출구측(29)과 제2 회수 라인(28)의 사이에는 제2 회수 체크밸브(84)가 배치된다. 제2 출구 체크밸브(83)와 제2 회수 체크밸브(84)도 각각 제어부(70)로부터 인가되는 제어신호(D2, V2)에 의해 작동함으로써 출구측(29)을 출구라인(9)이나 제2 회수 라인(28)에 연결하는 기능을 수행한다.

상술한 구성의 압축기 시스템에 의하면, 제어부(70)가 제1 조정부(51)와 제2 조정부(61)를 제어함으로써 제1 압축부(10)와 제2 압축부(20)의 적어도 하나를 선택하여 작동시킬 수 있다.

-제1 압축부(10)의 정상 작동

제어부(70)가 제1 조정부(51)를 작동시켜 제1 유체라인(31)을 통과하는 최대의 유량으로 조절함으로써 제1 압축부(10)를 정상 작동시킬 수 있다. 제1 압축부(10)를 정상 작동시킬 때에는 제1 회수 체크밸브(81)를 차단하고, 제1 출구 체크밸브(82)를 개방하여 제1 압축부(10)에 의해 압축된 유체가 출구라인(9)으로 통과하게 할 수 있다. 또한 제1 압축부(10)의 정상 작동 중에는 제2 조정부(61)를 작동시켜 제2 유체라인(41)을 최소의 유량으로 조절함과 아울러 제2 회수 체크밸브(84)를 개방하고 제2 출구 체크밸브(83)를 차단함으로써 제2 압축부(20)를 무부하 상태로 운전한다.

제1 압축부(10)는 제2 압축부(20)가 작동할 수 있는 유량의 범위보다 고유량 영역에 해당하는 제1 유량범위에서 작동하므로, 제1 압축부(10)만을 정상적으로 작동시켜 압축기 시스템이 고유량 영역의 작동 범위에서 작동하게 할 수 있다.

-제2 압축부(20)의 정상 작동

제어부(70)가 제2 조정부(61)를 작동시켜 제2 유체라인(41)을 통과하는 최대의 유량으로 조절함으로써 제2 압축부(20)를 정상 작동시킬 수 있다. 제2 압축부(20)를 정상 작동시킬 때에는 제2 회수 체크밸브(84)를 차단하고, 제2 출구 체크밸브(83)를 개방하여 제2 압축부(20)에 의해 압축된 유체가 출구라인(9)으로 통과하게 할 수 있다. 또한 제2 압축부(20)의 정상 작동 중에는 제1 조정부(51)를 작동시켜 제1 유체라인(31)을 최소의 유량으로 조절함과 아울러 제1 회수 체크밸브(81)를 개방하고 제2 출구 체크밸브(82)를 차단함으로써 제1 압축부(10)를 무부하 상태로 운전한다.

제2 압축부(20)는 제1 압축부(10)가 작동할 수 있는 유량의 범위보다 저유량 영역에 해당하는 제2 유량범위에서 작동하므로, 제2 압축부(20)만을 정상적으로 작동시켜 압축기 시스템이 저유량 영역의 작동 범위에서 작동하게 할 수 있다.

상술한 구성의 압축기 시스템에 의하면 제어부(70)가 압축기 시스템을 운용하기 위한 조건에 맞추어 제1 압축부(10)나 제2 압축부(20)를 선택하여 작동시킬 수 있으므로, 압축기 시스템의 전체적인 운용 영역을 넓은 범위로 확대시키는 효과를 얻을 수 있다. 즉 저유량의 영역에서 압축기 시스템을 작동시키려면 제1 압축부(10)는 무부하 상태로 운전하고 제2 압축부(20)만을 정상 작동시키면 된다. 또한 고유량의 영역에서 압축 시스템을 작동시키려면 제2 압축부(20)는 무부하 상태로 운전하고 제1 압축부(10)만을 정상 작동시키면 된다.

종래에는 고유량의 범위에서 작동하도록 설계된 압축기 시스템을 저유량의 범위에서 작동시키려고 시도할 때에는 압축기 시스템의 작동 영역(TR: turn down ratio)을 벗어나 서지(surge) 현상이 발생한다. 또한 저유량의 범위에서 작동하도록 설계된 압축기 시스템을 이용하여 고유량의 범위에서 유체를 압축시킬 수 없으므로, 고유량의 범위에서 작동하는 별도의 압축단을 추가로 설치해야 하였다.

그러나 상술한 실시예에 관한 압축기 시스템에서는 고유량 범위 및 저유량 범위의 모든 영역에서 압축기 시스템을 운용할 수 있으므로, 설계적인 측면에서와 사용의 측면에서 압축기 시스템의 전체적인 효율이 향상된다.

상술한 작동 설명 중에는 제어부(70)가 제1 압축부(10)와 제2 압축부(20)의 어느 하나를 선택하여 작동시키는 것에 대해서만 설명이 되었으나, 실시예는 이러한 작동예에 한정되지 않고 필요에 따라서는 제어부(70)가 제1 압축부(10)와 제2 압축부(20)를 동시에 작동시킬 수도 있다.

도 5는 다른 실시예에 관한 압축기 시스템의 일부 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 5에 나타난 실시예에 관한 압축기 시스템은 제1 유체라인(31)에 배치되며 회전축(105)의 일측에 연결되어 유체를 압축하는 제1 압축부(110)와, 제2 유체라인(41)에 배치되며 회전축(105)의 타측에 연결되어 유체를 압축하는 제2 압축부(120)를 구비한다.

제1 압축부(110)는 임펠러(111)와 쉬라우드(112)를 구비하고 제1 유체라인(31)의 유체를 압축하여 출구측(19)으로 배출한다.

제2 압축부(120)는 제1 스크류(121)와, 제1 스크류(121)에 맞물려 회전하는 스크류(122)와, 쉬라우드(133)를 구비하는 스크류 압축기로 구현되었다. 제2 압축부(120)는 제2 유체라인(41)의 유체를 압축하여 출구측(29)으로 배출한다.

도 4에 나타난 실시예의 압축기 시스템과 마찬가지로, 제1 압축부(110)는 고유량 영역에 해당하는 제1 유량범위에서 작동하도록 설계되고, 제2 압축부(120)는 제1 유량범위보다 작은 크기의 유량의 저유량 영역에 해당하는 제2 유량범위에서 작동하도록 설계된다.

도 5에 나타나는 실시예에서는 도 4에 나타난 실시예의 제어부와, 제1 조정부와, 제2 조정부 등의 구성 요소의 도시가 생략되었으나, 도 5의 실시예의 압축기 시스템에도 제어부, 제1 조정부, 및 제2 조정부 등의 구성 요소가 동일하게 적용된다.

도 6은 또 다른 실시예에 관한 압축기 시스템의 일부 구성 요소들의 연결 관계를 개략적으로 도시한 회로도이다.

도 6에 나타나는 실시예에 관한 압축기 시스템은 회전축(205)에 결합되어 회전축(205)과 함께 회전하는 불기어(206)의 양측에 제1 피니언(217a)과 제2 피니언(217b)이 맞물린다.

제1 피니언(217a)에는 제1 종동축(217)이 연결되고, 제2 피니언(217b)에는 제2 종동축(227)이 연결된다. 제1 종동축(217)에는 제1 임펠러(211)와 쉬라우드(212)를 포함하는 제1 압축부(210)가 연결된다. 제2 종동축(227)에는 제2 임펠러(221)와 쉬라우드(222)를 포함하는 제2 압축부(220)가 연결된다.

따라서 회전축(205)이 회전하면 제1 종동축(217)과 제2 종동축(227)이 함께 회전함으로써 제1 임펠러(211) 및 제2 임펠러(221)가 구동된다.

도 4에 나타난 실시예의 압축기 시스템과 마찬가지로, 제1 압축부(210)는 고유량 영역에 해당하는 제1 유량범위에서 작동하도록 설계되고, 제2 압축부(220)는 제1 유량범위보다 작은 크기의 유량의 저유량 영역에 해당하는 제2 유량범위에서 작동하도록 설계된다.

도 6에 나타나는 실시예에서도 도 4에 나타난 실시예의 제어부와, 제1 조정부와, 제2 조정부 등의 구성 요소의 도시가 생략되었으나, 도 6의 실시예의 압축기 시스템에도 제어부, 제1 조정부, 및 제2 조정부 등의 구성 요소가 동일하게 적용된다.

상술한 실시예들에 대한 구성과 효과에 대한 설명은 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

1: 입구라인 29: 출구측
5, 105, 205: 회전축 31: 제1 유체라인
9: 출구라인 41: 제2 유체라인
10, 110, 210: 제1 압축부 51: 제1 조정부
11: 제1 임펠러 61: 제2 조정부
18, 28: 회수 라인 70: 제어부
19: 출구측 81: 제1 회수 체크밸브
20, 120, 220: 제2 압축부 82: 제1 출구 체크밸브
21: 제2 임펠러 83: 제2 출구 체크밸브
84: 제2 회수 체크밸브 12, 22, 112, 133, 212, 222: 쉬라우드
111: 임펠러 217: 제1 종동축
121: 제1 스크류 217a: 제1 피니언
122: 스크류 217b: 제2 피니언
206: 불기어 221: 제2 임펠러
211: 제1 임펠러 227: 제2 종동축

Claims (3)

1. 회전축;
   상기 회전축에 연결되어 회전하며, 제1 유체라인에 배치되어 유체를 압축하는 제1 압축부;
   상기 제1 유체라인에 배치되어 상기 제1 유체라인의 유체 흐름을 조절하는 제1 조정부;
   상기 회전축에 연결되어 회전하며, 제2 유체라인에 배치되어 상기 제1 압축부 보다 작은 크기의 유량의 범위에서 유체를 압축하는 제2 압축부;
   상기 제2 유체라인에 배치되며 상기 제2 유체라인의 유체 흐름을 조절하는 제2 조정부;
   상기 제1 압축부의 출구측 및 상기 제2 압축부의 출구측에 연결되어 상기 제1 압축부나 상기 제2 압축부에 의해 압축된 유체를 배출하는 출구라인;
   상기 제1 압축부의 상기 출구측 및 상기 제2 압축부의 상기 출구측의 각각에 연결되어 상기 제1 압축부나 상기 제2 압축부의 각각의 유체를 회수하는 제1 회수 라인과 제2 회수 라인;
   상기 제1 압축부의 상기 출구측과 상기 출구라인의 사이에 배치된 제1 출구 체크밸브;
   상기 제1 압축부의 상기 출구측과 상기 제1 회수 라인의 사이에 배치된 제1 회수 체크밸브;
   상기 제2 압축부의 상기 출구측과 상기 출구라인의 사이에 배치된 제2 출구 체크밸브;
   상기 제2 압축부의 상기 출구측과 상기 제2 회수 라인의 사이에 배치된 제2 회수 체크밸브; 및
   상기 제1 조정부 및 상기 제2 조정부와, 상기 제1 출구 체크밸브 및 상기 제2 출구 체크밸브와, 상기 제1 회수 체크밸브 및 상기 제2 회수 체크밸브에 연결되어, 상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부의 적어도 하나를 선택하여 작동시키기 위하여 상기 제1 조정부 및 상기 제2 조정부와, 상기 제1 출구 체크밸브 및 상기 제2 출구 체크밸브와, 상기 제1 회수 체크밸브 및 상기 제2 회수 체크밸브를 제어하는 제어부;를 구비하고,
   상기 제어부는 상기 제1 압축부를 선택하여 작동시킬 때에는 상기 제2 조정부를 작동시켜 상기 제2 유체라인을 최소의 유량으로 조절하고 상기 제2 회수 체크밸브를 개방하고 상기 제2 출구 체크밸브를 차단함으로써 상기 제2 압축부를 무부하 상태로 운전하고, 상기 제2 압축부를 선택하여 작동시킬 때에는 상기 제1 조정부를 작동시켜 상기 제1 유체라인을 최소의 유량으로 조절하고 상기 제1 회수 체크밸브를 개방하고 상기 제2 출구 체크밸브를 차단함으로써 상기 제1 압축부를 무부하 상태로 운전하는, 압축기 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부의 각각은 임펠러를 구비하는, 압축기 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부의 어느 하나는 임펠러를 구비하고, 상기 제1 압축부와 상기 제2 압축부의 다른 하나는 스크류 압축기를 구비하는, 압축기 시스템.

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