KR102229398B1 - 압축기 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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손길원
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유진기공산업주식회사
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Abstract

압축기 시스템은 유체가 유입되는 입구, 상기 입구에서의 상기 유체의 입구 온도를 측정하는 입구 온도 측정부, 상기 입구를 통과한 유체의 유량을 제어하기 위해 개방도 변경이 가능하도록 구비된 인렛 가이드 베인, 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하고 회전수 변경이 가능하도록 구비된 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력을 측정하는 배출 압력 측정부, 압축된 상기 유체를 배출하는 출구, 및 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브를 포함한다.

Description

압축기 시스템 및 이의 제어 방법{Compressor system and control method of the same}
본 발명은 압축기 시스템 및 상기 압축기 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운전 효율을 높인 압축기 시스템 및 상기 압축기 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
압축기 시스템은 다양한 산업 분야에 이용되고 있다. 예를 들어, 일반 산업용 터보 공기 압축기는 인렛 가이드 베인을 이용한 용량 제어 방식이나 가변속 모터를 이용한 용량 제어 방식이 널리 사용되고 있다.
상기 인렛 가이드 베인을 이용한 용량 제어 방식의 압축기 시스템의 경우, 유입되는 유체의 유량을 제어하여 원하는 압력의 유체를 얻는 방식으로, Pre-swirl 구간에서 다른 방식에 비해 상대적으로 효율이 높은 장점이 있으나, 기구적으로 복잡한 구조를 갖고, 일반적으로 설계 온도 보다 낮은 온도의 구간에서 운행됨에 따라, 운영효율이 낮은 단점이 있다.
상기 가변속 모터를 이용한 용량 제어 방식의 압축기 시스템의 경우, 압축기에 연결된 모터의 회전수를 제어하여 원하는 압력의 유체를 얻는 방식으로, 상대적으로 간단한 구조를 갖고, 설계 온도를 낮게 선정하여 상대적으로 작은 사이즈로 제작이 가능한 장점이 있으나, 시스템 효율이 낮고, 모터 회전수를 변경하기 위한 인버터의 크기와 용량의 한계로 대형 압축기의 용량 제어에는 적합하지 않으며, 특정 회전수에서 공진에 의한 critical speed 를 피해 운전해야 한다는 단점이 있다.
이와 함께, 최근 에너지 절감 및 효율이 사회적 이슈가 되면서 산업용 터보 공기 압축기에도 주요 구성품에 대한 효율 극대화뿐만 아니라 압축기 시스템의 스마트한 운영 및 효율 최대화를 위한 제어 로직 개발에 대한 필요성이 강조되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-502299호(2005.07.11 등록)
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 비교적 간단한 제어 로직을 바탕으로, 전력 효율을 향상시킨 압축기 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 압축기 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 압축기 시스템은 유체가 유입되는 입구, 상기 입구에서의 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부, 상기 입구를 통과한 유체의 유량을 제어하기 위해 개방도 변경이 가능하도록 구비된 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane), 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하고 회전수 변경이 가능하도록 구비된 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부, 압축된 상기 유체를 배출하는 출구, 및 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 입구 온도 측정부에서 측정된 상기 입구 온도(T_in)가, 미리 설정된 온도(T_set) 보다 높은 경우, 상기 모터의 회전수를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 모터의 회전수의 증가는 아래 수학식을 이용할 수 있다.
<수학식>
(N_new)=[(T_innew)/(T_inold)]1/2*(N_old)
(여기서 N_new는 새로 설정된 회전수, N_old는 기설정된 회전수로 최초에는 설계 회전수, T_innew는 새로 측정된 입구 온도, T_inold는 이전에 측정된 입구 온도로 최초에는 설계 온도)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 설계 온도는 섭씨 10 내지 15도일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 배출 압력 측정부에서 측정된 상기 배출 압력(P_disch)에 따라, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 낮출 수 있다. 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 하한 압력(P_lower)보다 낮은 경우, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 미리 설정된 온도(T_set)는 상기 압축기 설계 온도로 섭씨 10 내지 15도 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압축기 시스템은 상기 출구와 상기 압축기 사이에 배치되는 블로우 오프 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)가 미리 설정된 하한 위치(IGV_min)보다 낮은 경우, 상기 블로우 오프 밸브를 개방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 인렛 가이드 베인의 상기 하한 위치(IGV_min)는 서지(surge) 발생 값에 오프셋을 적용하여 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압축기 시스템은 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 유량을 조절하는 부하 컨트롤 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 압축기 시스템의 제어 방법은 압축기 시스템을 이용한다. 상기 압축기 시스템은 유체가 유입되는 입구, 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부, 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane), 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기를 구동하는 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부, 압축된 상기 유체를 배출하는 출구, 및 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브를 포함한다. 상기 압축기 시스템의 제어 방법은 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 읽고, 상기 입구 온도(T_in)를 측정하고, 상기 배출 압력(P_disch)을 측정하는 단계, 상기 입구 온도(T_in)에 따라 상기 모터 회전수를 조절하는 단계, 상기 배출 압력(P_disch)을 미리 설정된 상한 압력(P_upper) 및 하한 압력(P_lower)과 비교하는 단계, 및 상기 비교하는 단계의 비교 결과에 따라 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 모터 회전수를 조절하는 단계에서는, 상기 입구 온도(T_in)가 미리 설정된 온도(T_set) 보다 높은 경우, 아래 수학식을 이용하여 상기 모터 회전수를 설정할 수 있다.
<수학식>
(N_new)=[(T_innew)/(T_inold)]1/2*(N_old)
(여기서 N_new는 새로 설정된 회전수, N_old는 기설정된 회전수로 최초에는 설계 회전수, T_innew는 새로 측정된 입구 온도, T_inold는 이전에 측정된 입구 온도로 최초에는 설계 온도)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 미리 설정된 온도(T_set)는 상기 압축기의 상기 설계 온도로 섭씨 10 내지 15도일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비교하는 단계에서, 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우, 상기 조절하는 단계에서, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 낮출 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압축기 시스템은 상기 출구와 상기 압축기 사이에 배치되는 블로우 오프 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 비교하는 단계에서, 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우, 상기 제어 방법은 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 조절하는 단계 후에, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 다시 읽고, 상기 배출 압력(P_disch)을 다시 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 다시 읽은 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)가 미리 설정된 하한 위치(IGV_min)보다 낮은 경우, 상기 부하 컨트롤 밸브를 닫고, 상기 블로우 오프 밸브를 개방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 인렛 가이드 베인의 상기 하한 위치(IGV_min)는 서지(surge) 발생 값에 오프셋을 적용하여 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비교하는 단계에서, 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 하한 압력(P_lower)보다 낮은 경우, 상기 조절하는 단계에서, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압축기 시스템은 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 유량을 조절하는 부하 컨트롤 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 압축기 시스템의 제어 방법은 상기 측정하는 단계 전에, 상기 부하 컨트롤 밸브를 개방하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 압축기 제어 시스템은 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부, 상기 입구를 통과한 유체의 유량을 제어하기 위해 개방도 변경이 가능하도록 구비된 인렛 가이드 베인, 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하고 회전수 변경이 가능하도록 구비된 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부를 포함하므로, 고비용의 유량계 등을 사용하지 않고도 입구 온도 및 출구 압력 만을 측정하고, 비교적 간결한 로직 만을 이용하여 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 입구 온도에 따라 모터 회전수를 조절하고, 배출 압력에 따라 인렛 가이드 베인의 개방도를 조절하여 대응하므로, 무부하 상태가 아닌 부하상태 또는 운전 영역에서 전력소모를 최소화 할 수 있다. 또한, 무부하(unload)상태에서는 회전수를 최소 회전수까지 낮춤으로써 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
또한, 압축기의 설계 온도를 섭씨 10 내지 15도로 낮추어 설계하므로, 섭씨 35도씨를 기준으로 설계하는 일반적인 인렛 가이드 베인 압축기 시스템 보다 압축기 사이즈를 줄일 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템의 제어 범위를 나타낸 그래프이다.
도 4는 월별 평균 온도와 압축기 시스템의 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 압축기 시스템은 입구(IN), 입구 온도 측정부(110), 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane)(100), 압축기(200), 모터(210), 인버터(220), 배출 압력 측정부(310), 블로우 오프 밸브(300), 체크 밸브(400), 및 출구(OUT)를 포함할 수 있다. 한편, 상기 압축기 시스템은 상기 구성들을 연결하는 유로(파이프)를 더 포함할 수 있으며, 도면상에서 유체의 흐름은 화살표로 표시되어 있다.
상기 입구(IN)를 통해 상기 압축기 시스템으로 유체가 유입될 수 있다. 상기 유체는 외부 공기일 수 있다.
상기 입구 온도 측정부(110)는 상기 입구(IN)에서의 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정할 수 있다. 상기 입구 온도 측정부(110)는 유체의 온도를 측정할 수 있는 온도계일 수 있다.
상기 인렛 가이드 베인(100)은 상기 압축기(200)의 입구에 설치되며, 상기 압축기(200)로 유입되는 상기 유체의 유량을 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 인렛 가이드 베인(100)은 상기 입구(IN)를 통과한 유체의 유량을 제어하기 위해 개방도 변경이 가능하도록 구비될 수 있다. 상기 인렛 가이드 베인(100)은 일반적으로 액추에이터의 동작에 따라 회전 각도를 변경하면서 상기 압축기(200)의 입구 면적을 가변시키는 것으로, 다양한 구조의 개폐 방식의 것이 공지된 바, 상세한 구조 및 작동 메커니즘에 관하여는 편의상 생략한다.
상기 압축기(200)는 상기 인렛 가이드 베인(100)을 통과한 상기 유체를 압축하여, 고압의 유체를 얻을 수 있다. 상기 압축기(200)는 고속 회전하는 임펠러에 의한 원심력을 이용하여 상기 유체를 압축하는 원심 압축기일 수 있다. 즉, 상기 압축기(200)는 상기 모터(210)에 의해 회전하는 임펠러를 포함하며, 상기 압축기(200)의 입구로 유입된 유체는 상기 임펠러의 회전에 의해 압축되어, 상기 압축기(200)의 출구로 배출될 수 있다.
상기 모터(210)는 상기 압축기(200)에 연결되어, 상기 유체를 압축하는 동력을 제공할 수 있다. 상기 모터(210)는 상기 압축기(200)에 연결되어 상기 압축기(200)를 구동하고 회전수(분당회전수; rpm) 변경이 가능하도록 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 모터(210)는 교류 모터를 사용할 수 있으며, 회전수 변경을 위하여 상기 인터버(220)가 연결될 수 있다.
상기 인버터(220)는 주파수를 바꾸어 상기 모터(210)의 회전수를 변경하는 회로를 포함하며, 이를 통해, 상기 모터(210)의 회전수 변경이 가능하다. 다른 실시예에 따르면, 상기 모터(210)는 직류 모터를 사용하여 PWM 등의 전류 컨트롤에 따라 회전수를 변경할 수도 있을 것이다.
상기 배출 압력 측정부(310)는 상기 압축기(200)를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정할 수 있다. 상기 배출 압력 측정부(310)는 유체가 흐르는 관의 유체 압력을 측정하는 압력계일 수 있다.
상기 블로우 오프 밸브(300)는 상기 출구(OUT)와 상기 압축기(200) 사이에 배치될 수 있다. 상기 압축기 시스템이 운전 영역을 벗어나는 비정상 적인 운전시 서지 현상의 발생에 대비하여, 상기 블로우 오프 밸브(300)가 상기 출구와 상기 압축기 사이에 설치될 수 있다.
상기 체크 밸브(400)는 상기 출구(OUT) 앞에 설치될 수 있다. 상기 체크 밸브(400)는 유체의 역류를 방지하기 위해 한쪽 방향으로만 유체가 흐르게 하는 밸브로, 상기 압축기(200)를 통과한 상기 유체가 다시 압축기(200) 방향으로 역류하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 상기 체크 밸브(400)와 함께 부하 컨트롤 밸브(미도시)가 더 설치될 수 있다. 상기 부하 컨트롤 밸브는 상기 출구(OUT)를 통해 배출되는 압축된 상기 유체의 흐름을 조절할 수 있다. 즉, 상기 부하 컨트롤 밸브는 상기 출구(OUT)에 설치되어 배출되는 상기 유체의 유량을 조절할 수 있다. 상기 부하 컨트롤 밸브의 개폐에 의해, 부하(load) 상태 및 무부하(unload) 상태를 선택할 수 있다.
상기 출구(OUT)를 통해 압축된 상기 유체가 배출될 수 있다. 상기 출구(OUT)는 상기 압축기(200)의 후단에 설치되며, 상기 출구(OUT)에는 부하(load)가 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 압축기 시스템은 보일러, 가스 터빈 등의 연료 가스를 제공하는데 이용될 수 있을 것이다.
한편, 상기 압축기 시스템은 상기 모터(210), 상기 인렛 가이드 베인(100) 등의 구동을 제어하는 컨트롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 컨트롤러는 측정된 상기 입구 온도(T_in), 측정된 상기 배출 압력(P_disch), 인렛 가이드 베인(100)의 개방도(IGV_position)에 따라, 상기 모터(210)의 회전수 및 상기 인렛 가이드 베인(100)의 개방도를 제어하여, 상기 출구(OUT)에서의 압력 및 유량을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 입구 온도(T_in)가, 미리 설정된 온도(T_set) 보다 높은 경우, 상기 모터(210)의 회전수를 증가시키도록 제어될 수 있다. 이때, 상기 모터(210)의 회전수의 증가는 아래 수학식을 이용할 수 있다.
[수학식1]
(N_new)=[(T_innew)/(T_inold)]1/2*(N_old)
(여기서 N_new는 새로 설정된 회전수, N_old는 기설정된 회전수로 최초에는 설계 회전수, T_innew는 새로 측정된 입구 온도, T_inold는 이전에 측정된 입구 온도로 최초에는 설계 온도)
상기 [수학식1]은 아래와 같이, 일정한 Mu(Machine Mach number; 기계마하수)값을 갖도록 온도에 따라 회전수를 제어하기 위한 결과일 수 있다.
[수학식2]
Figure 112019111853104-pat00001
(여기서 U2는 설계 임펠러의 출구 선속도, k는 기체상수, T1은 설계온도)
[수학식3]
Figure 112019111853104-pat00002
(여기서 (Mu)op 는 운전 상태의 Mu값, (Mu)des 는 압축기의 설계 Mu 값)
[수학식4]
Figure 112019111853104-pat00003
(여기서 U2는 임펠러의 출구 선속도, a는 입구 음속, op는 운전 상태, des 는 설계값)
[수학식5]
Figure 112019111853104-pat00004
[수학식6]
Figure 112019111853104-pat00005
(여기서 Nop는 운전 회전수(즉, 계산된 회전수), Ndes는 설계 회전수, Top는 운전 온도, Tdes는 설계 온도)
이때, 상기 미리 설정된 온도(T_set)는 상기 압축기 설계 온도로 섭씨 10 내지 15도 일 수 있다.
상기 컨트롤러는 상기 배출 압력 측정부(310)에서 측정된 상기 배출 압력(P_disch)에 따라 상기 인렛 가이드 베인(100)의 개방도(IGV_position)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 낮추고, 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 하한 압력(P_lower)보다 낮은 경우, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 높일 수 있다. (도 3 참조)
또한, 상기 인렛 가이드 베인(100)의 개방도(IGV_position)가 미리 설정된 하한 위치(IGV_min)보다 낮은 경우, 상기 부하 컨트롤 밸브를 닫고, 상기 블로우 오프 밸브(300)를 개방하여, 무부하 상태로 전환하여 서지 발생을 방지할 수 있다.
일반적인 인렛 가이드 베인을 이용한 압축기의 경우, 온도를 기준으로 압축기의 임펠러를 설계하는데, 설계 온도보다 운영 온도가 높을 경우 요구용량을 충족시킬 수 없기 때문에, 압축기의 설계 온도를 섭씨 35도 정도로 높게 설정한다.
반면, 국내 년 평균온도가 섭씨 12도 임을 감안한다면, 대부분 압축기 운영을 설계 온도보다 낮게 운영하게 되며, 이는 대부분 인렛 가이드 베인을 100% 개방 상태가 아니라 일부 닫은 상태에서 운영하게 된다. 즉, 압축기 시스템이 실제 가용 운영 영역 보다 좁게 운영되므로 그 만큼 전체 전력 효율은 낮아지게 된다. (도 4 참조)
또한, 일반적인 인렛 가이드 베인을 이용한 압축기의 경우, 평균 온도보다 높은 설계 온도와 입구 온도 변화에 따른 성능 변화를 고려하여 서지 마진(urge margin)을 크게 설정하는 점 등을 고려하면, 운영 효율은 더 낮아지게 된다.
반면, 본 실시예에 따른 압축기 제어 시스템은 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부, 상기 입구를 통과한 유체의 유량을 제어하기 위해 개방도 변경이 가능하도록 구비된 인렛 가이드 베인, 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하고 회전수 변경이 가능하도록 구비된 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부를 포함하므로, 고비용의 유량계 등을 사용하지 않고도 입구 온도 및 출구 압력 만을 측정하고, 비교적 간결한 로직 만을 이용하여 운전 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 입구 온도에 따라 모터 회전수를 조절하고, 배출 압력에 따라 인렛 가이드 베인의 개방도를 조절하여 대응하므로, 무부하 상태가 아닌 부하상태 또는 운전 영역에서 전력소모를 최소화 할 수 있다. 또한, 무부하(unload)상태에서는 회전수를 최소 회전수까지 낮춤으로써 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
또한, 압축기의 설계 온도를 섭씨 10 내지 15도로 낮추어 설계하므로, 섭씨 35도씨를 기준으로 설계하는 일반적인 인렛 가이드 베인 압축기 시스템 보다 압축기 사이즈를 줄일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템의 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면, 상기 압축기 시스템의 제어 방법은 유체가 유입되는 입구, 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부, 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane), 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기를 구동하는 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부, 압축된 상기 유체를 배출하는 출구, 및 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브와 유량을 조절하는 부하 컨트롤 밸브를 포함하는 압축기 시스템을 이용하여 수행 될 수 있다. 상기 압축기 시스템은 상기 출구와 상기 압축기 사이에 배치되는 블로우 오프 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 압축기 시스템의 제어 방법은 부하 컨트롤 밸브를 개방하는 단계(S100), 초기값 단계(S200), 입구 온도에 따른 회전수 조절 단계(S300), 배출 압력 측정 단계(S400), 인렛 가이드 베인 조절 단계(S500), 다시 읽는 단계(S600), 인렛 가이드 베인의 개방도 확인 단계(S700), 무부하 단계(S800)을 포함할 수 있다.
상기 부하 컨트롤 밸브를 개방하는 단계(S100)에서는 상기 부하 컨트롤 밸브를 개방하여 상기 압축기 시스템을 부하 상태로 전환할 수 있다.
상기 초기값 단계(S200)에서는, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 읽고, 상기 입구 온도 측정부를 이용하여, 상기 입구 온도(T_in)를 측정할 수 있다.
상기 배출 압력 측정 단계(S400)에서는 상기 배출 압력 측정부를 이용하여 배출 압력(P_disch)을 측정할 수 있다.
상기 입구 온도에 따른 회전수 조절 단계(S300)는 입구 온도 비교 단계(S310) 및 회전수 조절 단계(S320)를 포함할 수 있다.
상기 입구 온도 비교 단계(S310)에서, 상기 입구 온도(T_in)와 미리 설정된 온도(T_set)를 비교한다. 상기 입구 온도(T_in)가 미리 설정된 온도(T_set) 보다 높은 경우, 상기 회전수 조절 단계(S320) 위에 설명된 [수학식1]을 이용하여 상기 모터의 회전수를 설정할 수 있다. 이때, 상기 미리 설정된 온도(T_set)는 상기 압축기의 상기 설계 온도로 섭씨 10 내지 15도일 수 있다.
상기 배출 압력 측정 단계(S400)는 상기 배출 압력(P_disch)과 미리 설정된 상한 압력(P_upper)을 비교하는 단계(S410) 및 상기 배출 압력(P_disch)과 미리 설정된 하한 압력(P_lower)과 비교하는 단계(S420)를 포함할 수 있다.
상기 인렛 가이드 베인 조절 단계(S500)에서는, 상기 비교하는 단계(S400)의 비교 결과에 따라 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 조절할 수 있다. 상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우, 상기 미리 설정된 하한 압력(P_lower)에 이를 때까지, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 낮출 수 있다. (S510)
상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 하한 압력(P_lower)보다 낮은 경우, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 설계 압력(P_set)에 이를 때까지, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 높일 수 있다. (S520)
상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 낮춘 경우, 추가적으로 서지 발생을 방지 하기 위해, 상기 다시 읽는 단계(S600), 상기 인렛 가이드 베인의 개방도 확인 단계(S700) 및 상기 무부하 단계(S800)를 진행할 수 있다.
상기 다시 읽는 단계(S600)에서는, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 다시 읽고, 상기 배출 압력(P_disch)을 다시 측정할 수 있다.
상기 인렛 가이드 베인의 개방도 확인 단계(S700)에서는 상기 다시 읽은 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 미리 설정된 하한 위치(IGV_min)와 비교할 수 있다. 상기 다시 읽은 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)가 미리 설정된 하한 위치(IGV_min)보다 낮은 경우, 상기 부하 컨트롤 밸브를 닫고, 상기 블로우 오프 밸브를 개방하고, 상기 모터의 회전수를 미리 설정된 최소 회전수로 변경할 수 있다. (S800)
한편, 상기 인렛 가이드 베인의 상기 하한 위치(IGV_min)는 서지(surge) 발생 값에 오프셋을 적용하여 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압축기 시스템의 제어 범위를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, x축은 유체의 배출 유량(Q체적 유량)을 나타내고, y축은 유체의 배출 압력(Pd 토출압력)을 나타낸다. 복수의 곡선의 실선들은 인렛 가이드 베인의 개방도(70%~100%가 도시됨)에 따른 성능 곡선의 변화를 나타낸다.
원점을 지나는 두 선분은 압축기 시스템의 로드에 따른 저항 곡선을 나타내고(기울기가 낮은 쪽은 풀부하(full load), 기울기가 높은 쪽은 무부하(unload)), 성능곡선과 시스템 저항 곡선이 교차하는 부분이 운전점(Operation Point)를 나타내게 된다.
상기 압축기 제어 시스템은 이상적으로 P_set(설계 압력)을 따라 유량이 변동되도록 운영(constant Pressure operation line)되는데, 입구 온도가 높아져 밀도가 낮아지면, 유량이 줄어들어 모터 회전수를 높이는 제어를 수행하고, 배출 압력에 따른 인렛 가이드 베인의 개방도를 조절할 수 있다. 한편, 배출 압력이 높아지거나 배출 유량이 낮아져 서지 라인(surge line)을 벗어나는 경우, 서지가 발생하므로, 오프셋 값을 고려하여 운전 영역(control line)이 설정된다. 또한, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도가 낮아짐에 따라 서지 라인을 벗어나는 지점에서 소정의 오프셋 값을 반영하여 최소 개방도가 결정될 수 있다.
상기 압축기 시스템의 배출 압력이 증가하면 유동의 불안정이 발생하고 이것이 서지(surge)로 이어진다. 서지가 발생하면 유동에 역류가 발생하고, 서지가 풀리면 다시 정상 흐름이 발생하다, 바로 다시 서지가 발생하는 사이클이 짧은 시간내에 반복된다. 이 경우 진동이 심해지고 베어링의 손상이나 임펠러의 rubbing이 발생하여 장비를 파손시킬 수 있으므로, 서지를 방지하는 것이 중요하다.
앞에 설명된 본 발명의 실시예들에 따르면, 입구 온도에 따라 모터 회전수를 조절하고, 배출 압력에 따라 인렛 가이드 베인의 개방도를 조절하여 대응하므로, 전력소모를 최소화 하면서, 넓은 운전 영역을 확보할 수 있다.
도 4는 월별 평균 온도와 압축기 시스템의 효율을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, x축은 월(Month)를 나타내고, y축은 평균 기온(섭씨)을 나타낸다. 일반적으로 섭씨 35도를 기준으로 설계된 압축기 시스템의 경우, 대부분 섭씨 35도 미만에서 운전되므로, 효율이 낮아지는데 반해(Waste region), 앞에 설명된 본 발명의 실시예들에 따르면, 설계 온도가 섭씨 10 내지 15도 범위 이므로, 평균적으로 고 효율을 달성 할 수 있음을 알 수 있다(peak deficiency operation).
본 발명은 압축기 시스템 및 이의 제어 방법은 압축기를 사용하는 엔진, 보일러, 가스 터빈 등에 적용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 인렛 가이드 베인 110: 입구 온도 측정부
200: 압축기 210: 모터
220: 인버터 300:블로우 오프 밸브
310: 배출 압력 측정부 400: 체크 밸브

Claims (18)

  1. 유체가 유입되는 입구;
    상기 입구에서의 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부;
    상기 입구를 통과한 유체의 유량을 제어하기 위해 개방도 변경이 가능하도록 구비된 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane);
    상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하고 회전수 변경이 가능하도록 구비된 모터;
    상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부;
    압축된 상기 유체를 배출하는 출구;
    상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브; 및
    상기 출구와 상기 압축기 사이에 배치되는 블로우 오프 밸브를 포함하며,
    상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)가 미리 설정된 하한 위치(IGV_min)보다 낮은 경우,
    상기 블로우 오프 밸브를 개방하고,
    상기 모터의 회전수를 미리 설정된 최소 회전수로 변경하는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 입구 온도 측정부에서 측정된 상기 입구 온도(T_in)가, 미리 설정된 온도(T_set) 보다 높은 경우,
    상기 모터의 회전수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 모터의 회전수의 증가는 아래 수학식을 이용하는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
    <수학식>
    (N_new)=[(T_innew)/(T_inold)]1/2*(N_old)
    (여기서 N_new는 새로 설정된 회전수, N_old는 기설정된 회전수로 최초에는 설계 회전수, T_innew는 새로 측정된 입구 온도, T_inold는 이전에 측정된 입구 온도로 최초에는 설계 온도)
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 설계 온도는 섭씨 10 내지 15도 인 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 배출 압력 측정부에서 측정된 상기 배출 압력(P_disch)에 따라
    상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 낮추고,
    상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 하한 압력(P_lower)보다 낮은 경우, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 높이는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 온도(T_set)는 상기 압축기 설계 온도로 섭씨 10 내지 15도 인 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 인렛 가이드 베인의 상기 하한 위치(IGV_min)는 서지(surge) 발생 값에 오프셋을 적용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템.
  10. 유체가 유입되는 입구;
    상기 입구에서의 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부;
    상기 입구를 통과한 유체의 유량을 제어하기 위해 개방도 변경이 가능하도록 구비된 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane);
    상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에 연결되어 상기 압축기를 구동하고 회전수 변경이 가능하도록 구비된 모터;
    상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부;
    압축된 상기 유체를 배출하는 출구; 및
    상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브; 및
    상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 유량을 조절하는 부하 컨트롤 밸브를 포함하는 압축기 시스템.
  11. 유체가 유입되는 입구, 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부, 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane), 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기를 구동하는 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부, 압축된 상기 유체를 배출하는 출구, 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브, 및 상기 출구와 상기 압축기 사이에 배치되는 블로우 오프 밸브를 포함하는 압축기 시스템을 이용한 제어 방법에 있어서,
    상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 읽고, 상기 입구 온도(T_in)를 측정하고, 상기 배출 압력(P_disch)을 측정하는 단계;
    상기 입구 온도(T_in)에 따라 상기 모터의 회전수를 조절하는 단계;
    상기 배출 압력(P_disch)을 미리 설정된 상한 압력(P_upper) 및 하한 압력(P_lower)과 비교하는 단계; 및
    상기 비교하는 단계의 비교 결과에 따라 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 조절하는 단계를 포함하며,
    상기 비교하는 단계에서,
    상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우,
    상기 제어 방법은 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 조절하는 단계 후에, 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 다시 읽고, 상기 배출 압력(P_disch)을 다시 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 다시 읽은 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)가 미리 설정된 하한 위치(IGV_min)보다 낮은 경우, 상기 블로우 오프 밸브를 개방하고, 상기 모터의 회전수를 미리 설정된 최소 회전수로 변경하는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템의 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 모터의 회전수를 조절하는 단계에서는,
    상기 입구 온도(T_in)가 미리 설정된 온도(T_set) 보다 높은 경우, 아래 수학식을 이용하여 상기 모터의 회전수를 설정하는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템의 제어 방법.
    <수학식>
    (N_new)=[(T_innew)/(T_inold)]1/2*(N_old)
    (여기서 N_new는 새로 설정된 회전수, N_old는 기설정된 회전수로 최초에는 설계 회전수, T_innew는 새로 측정된 입구 온도, T_inold는 이전에 측정된 입구 온도로 최초에는 설계 온도)
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 온도(T_set)는 상기 압축기의 상기 설계 온도로 섭씨 10 내지 15도 인 것을 특징으로 하는 압축기 시스템의 제어 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 비교하는 단계에서
    상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 상한 압력(P_upper)보다 높은 경우,
    상기 조절하는 단계에서,
    상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 낮추는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템의 제어 방법.
  15. 삭제
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 인렛 가이드 베인의 상기 하한 위치(IGV_min)는 서지(surge) 발생 값에 오프셋을 적용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템의 제어 방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 비교하는 단계에서
    상기 배출 압력(P_disch)이 미리 설정된 하한 압력(P_lower)보다 낮은 경우,
    상기 조절하는 단계에서,
    상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 높이는 것을 특징으로 하는 압축기 시스템의 제어 방법.
  18. 유체가 유입되는 입구, 상기 유체의 입구 온도(T_in)를 측정하는 입구 온도 측정부, 인렛 가이드 베인(IGV: inlet guide vane), 상기 인렛 가이드 베인을 통과한 상기 유체를 압축하는 압축기, 상기 압축기를 구동하는 모터, 상기 압축기를 통과한 상기 유체의 배출 압력(P_disch)을 측정하는 배출 압력 측정부, 압축된 상기 유체를 배출하는 출구, 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 역류를 방지하는 체크 밸브, 및 상기 출구에 설치되어 배출되는 상기 유체의 유량을 조절하는 부하 컨트롤 밸브를 포함하는 압축기 시스템을 이용한 제어 방법에 있어서,
    상기 부하 컨트롤 밸브를 개방하는 단계;
    상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 읽고, 상기 입구 온도(T_in)를 측정하고, 상기 배출 압력(P_disch)을 측정하는 단계;
    상기 입구 온도(T_in)에 따라 상기 모터의 회전수를 조절하는 단계;
    상기 배출 압력(P_disch)을 미리 설정된 상한 압력(P_upper) 및 하한 압력(P_lower)과 비교하는 단계; 및
    상기 비교하는 단계의 비교 결과에 따라 상기 인렛 가이드 베인의 개방도(IGV_position)를 조절하는 단계를 포함하는 압축기 시스템의 제어 방법.
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