압축기성능곡선, Compressor Performance Curve

1. 압축기

압축기는 유체를 이송하는 기기 중 유체를 압축해서 압력을 높이는 것을 주 목적으로 하는 장치다.

압축기는 유체를 이송하는 것을 주 목적으로 하기때문에 압력이 비교적 낮다. 

 

압축방식에 따라 용적형과 터보형으로 분류된다.

 

용적형 압축기는 체적을 감소시켜 압력을 증가시킨다.

터보형 압축기는 가스의 운동에너지를 압력에너지로 변환시켜 압력을 증가시킨다.

 

용적형과 터보형은 구동목적, 요구 SPEC에 따라 아래와 같이 분류된다.

 

출처 : 행복한 지구 사랑

 

2. 압력 생성 곡선

압축기의 구조는 흡입구 -> 임펠러 -> 디퓨터 -> 스크롤로 나눌 수 있다.

 

출처 : Deep learning of BOKI

 

날개 끝의 응력집중으로 파열의 우려가 있기 때문에 최대 압축비는 한계가 있다.

 

압력에 따라 온도, 압력, 속도는 아래와 같이 변화한다.

출처 : Deep learning of BOKI

3. 압축기 성능 곡선

출처 : 행복한 지구 사랑

위의 표는 압축기 성능 곡선이다.

 

A지점은 설계점으로써, 임펠러 설계의 기준이 되며,

압축기의 IGV(Inlet Guide Vane)이 최대로 열렸을때의 압력대비 유량이다.

설계점으ㅢ 압력과 유량은 성능을 나타내는데 사용된다.

 

B지점은 시스템 압력저항 증가로 압축기의 압축비가 설계점보다 높아지면서 유량이 감소한 상태다.

 

E지점은 시스템 압력저항 감소로 압축기의 압축비가 설계점보다 낮아지면서 유량이 증가한 상태다.

 

C지점은 서지점이라 하며, 시스템의 압력저항이 계속해서 증가하면

선능곡선과 서지 곡선의 교차점에 도달하게 되는 정점이다.

이때부터 압축기의 역류가 생기는 서지현상이 일어나게 된다.

 

3.1 서지(SURGE)현상, 맥동 현상

서지 현상은 최소유량으로 결정된다. 서지현상이란 맥동현상이라고도 하는데, 

압력계기가 특정 주기를 가지고 눈금이 큰 진폭으로 흔들림과 동시에,

토출량은 특정 범위내에서 주기적으로 변동이 발생한다.

이로인해 토출배관의 주기적인 진동과 소음을 수반하게 된다.

 

위 그래프에서 C->D->E->C->D->E->C->D->E의 순서로 진행되며,

반복횟수가 높아질 수록 변동의 진폭이 커진다.

 

출처 : Deep learning of BOKI

 

C->D 과정은 시스템 압력저항이 커서 역류가 발생하여 유량이 감소하는 과정이다.

유량이 감소하다가 0인 지점인 D에 도달하게 된다.

 

D->E 과정은 압축기의 생성압력이 시스템 압력저항보다 커지게 되어 유량이

정방향으로 바뀌면서 점 E로 이동하게 된다. 이때, 압력은 일정하지만 유량만 증가하게 된다.

 

E->C 과정은 압축기의 압력저항이 과다한 관계로 성능곡선을 따라 C로 이동하게 된다. 

 

C->D 과정을 1사이클로 보고 5초사이에 일어나면 서지 1회로 규정한다.

5회 이상 연속해서 진행되면 진동의 폭이 커지기 때문에 베어링과 임펠러에 손상을 줄 가능성이 높아진다.

 

3.2 발생원인 / 해결방안

발생 원인으로는 흡입부의 유량이 적거나, 흡입부 압력이 올라가는 경우가 있다.

토출 유량이 밸브등에 의해 제한되어 유량이 줄어들면서 압력이 올라가는 경우도 있고,

컨트롤의 오작동으로 회전속도가 갑자기 올라가는 경우가 있다. 

 

이에대한 해결 방안으로는 

IGV의 속도를 알맞게 조절해야 하며, IGV의 최소값을 정해야 한다.

서지 발생시 무부하 상태로 만들기 위해 BOV(BLOW OFF VALVE)나 BYPASS밸브를 열어주어 흡입유량을 증가시킨다.

 

또는 안티서징컨트롤을 하게 된다. 안티서지 컨트롤이란,

서지영역으로 들어갈 수 없도록 유량이 자동으로 안티서지 밸브를 통해 흡입측으로 유입하게 하거나,

Flare Gas로 방출시키는 컨트롤 시스템이다. 압축공기의 경우 대기 방출이 일반적이다.

 

4. 초킹(CHOCKING) / Turndown Ratio

초킹현상은 최대유량으로 결정된다.

압축기의 유량이 E지점을 넘어 크게되면, 고압을 만들어내지 못하고 압력비가 급격히 떨어지는 현상이다.

서징과 초킹으로 인해 압축기의 최소유량과 최대유량이 정해진다.

초킹에서 서징이 발생하는 점까지의 유량변화폭은 Turndown이라고 하고,

이 값이 클수록 압축기의 운동범위가 좋고, 효율이 좋으며, 임펠러의 성능과 직접적인 관계가 있다.

 

4.1 초킹 원인 / 해결방안

초킹현상은 임펠러 또는 디퓨저에서 유체의 속도가 음속에 도달했을 때 나타나는 현상이다.

이때, 유량과 속도와 무관하게 압축비는 떨어져, 압력을 발생할 수 없는 상태가 된다.

 

이 외에도 급격한 직경변화로 인해 압력이 급감하고, 속도가 증가하게 된다.

이때, 유체의 속도가 마하1이 넘게 되면, 압력을 증가시켜도 토출 유량이 일정하게 나오게 된다. (Q=AV)

 

이를 방지하기 위해선, MULTY STAGE PIPE를 사용하거나, ESSECTRIC PIPE를 사용하여

급격한 압력변화를 방지해야 한다. 

해결방안은 모르겠다. 아시는분은 댓글 남겨 주시면 감사드리겠습니다.