압축기의 서징 이해
서징 — 흔히 단순히 ‘압축기 서지’라고도 불리는 — 현상은 원심 및 축류 압축기에서 발생하는 격렬한 공기역학적 불안정 현상으로, 기계 내를 통과하는 전체 유동이 주기적으로 방향을 반전하는 것을 말합니다. 그 결과 압력과 유량이 진동하게 되며, 일반적으로 주파수는 0.5–10 Hz. 각 서지 주기마다 유동은 일시적으로 정지하거나 역전되고, 토출 압력이 급격히 떨어졌다가 다시 전진 유동이 재개되며 압력이 회복되고, 이 주기가 반복됩니다. 이러한 역전 현상은 로터에 막대한 변동 하중을 가하여 심각한 진동 — 특히 축 방향 — 굉음이 울려 퍼지며, 즉시 멈추지 않으면 몇 분 안에 압축기를 파손시킬 수 있다.
Surge는 근본적으로 시스템 이는 압축기 자체의 특성만이 아니라, 압축기와 이에 연결된 배관 및 용적을 포괄하는 불안정 현상입니다. 이 현상은 저유량 상태에서 기계가 압력 상승 능력을 초과하여 작동할 때 발생하며, 이를 방지하려면 유량을 서지 라인보다 안전하게 높게 유지하는 서지 방지 제어가 필요합니다.
1. 서지 메커니즘
서지 사이클
전형적인 서지 주기는 다음과 같은 반복적인 순서로 진행됩니다:
- 유량 감소: 시스템 수요가 감소함에 따라 압축기를 통과하는 유량이 줄어듭니다.
- Stall onset: 유량이 매우 낮을 때 블레이드에서 실속(스톨)이 발생하며, 유체가 블레이드 표면에서 박리됩니다.
- 압력 붕괴: 정지된 압축기는 더 이상 토출 압력을 유지할 수 없습니다.
- Flow reversal: 배출 배관이나 플레넘에 갇힌 고압 가스가 압축기를 거꾸로 통과합니다.
- 압력 균등화: 가스가 뒤로 빠져나가면서 배출 압력이 떨어집니다.
- 전방 흐름이 재개됩니다: 압력이 떨어지면 압축기는 다시 가스를 앞으로 밀어낼 수 있습니다.
- 압력 상승: 전방 유량이 회복되면 토출 압력이 다시 형성됩니다.
- Cycle repeats: 고압으로 인해 기계가 다시 멈추고, 이 과정이 반복된다.
서지 주파수
- 시스템 용적(배관, 플레넘, 용기)과 압축기의 특성에 따라 결정됩니다.
- 용량이 클수록 서지 발생 빈도가 낮아집니다.
- 일반적인 주파수 범위: 0.5–10 Hz.
- 소형 시스템: 대략 5~10 Hz.
- 대규모 시스템: 대략 0.5~2 Hz.
- 주어진 시스템에서는 주파수가 비교적 일정하게 유지됩니다.
이 낮은 고정 주파수는 휴대용 분석기의 작동 범위 내에 충분히 포함됩니다. 주목할 점은 발란셋-1A 5Hz 이상의 진동을 측정하므로, 소형 시스템의 고주파 서지 주파수도 이 측정 범위에 포함됩니다. 그러나 진단에 있어 핵심은 정확한 주파수보다는, 갑작스럽게 나타나는 크고 불안정하며 주로 축 방향의 저주파 맥동이라는 뚜렷한 패턴에 있습니다.
2. 서지를 유발하는 조건
서지 라인을 넘어 작동
모든 압축기의 성능 곡선에는 안정적인 한계치를 나타내는 서지 라인이 표시되어 있습니다:
- Surge line: 지도상에서 가장 왼쪽에 위치한 안정된 작동 경계.
- 안전 운전: 유량이 많을 때, 선의 오른쪽에서.
- Surge zone: 선 왼쪽 — 불안정하고 접근이 금지된 영역.
- 여유: 일반적으로 기계는 서지 라인의 우측에 10~20%의 유량 여유를 두고 가동됩니다.
유발 사건
- 수요 감소: 이 공정에서는 흡입량이 줄어들기 때문에 유량이 서지 라인 쪽으로 떨어집니다.
- 토출 제한: 밸브가 닫히거나 하류 쪽에 막힘이 발생한 경우.
- 감속: 압축기의 속도가 느려지는데도 필요한 유량은 그에 비례하여 감소하지 않는다.
- 밀도 변화: 압축기 특성을 변화시키는 가스 분자량 또는 온도의 변화.
- 파울링: 시간이 지남에 따라 기계의 성능을 저하시키는 블레이드 침전물.
3. 영향과 결과
진동
- 진폭: 25~50 mm/s(1~2 in/s) 이상에 달할 수 있다.
- 축 방향 성분: 특히 축 방향을 따라 심하게 나타난다.
- 저주파: 0.5–10 Hz의 맥동.
- 기계 전체의 움직임: 압축기 전체가 흔들리고 진동합니다.
기계적 손상
- 베어링 고장: 충격 하중은 몇 시간 만에 베어링을 파손시킬 수 있습니다.
- 봉인 손상: 축 방향 이동과 압력 변화는 씰을 손상시킵니다.
- 샤프트 손상: 유동 방향 전환으로 인한 굽힘 응력과 비틀림 응력.
- 블레이드 손상: 교대로 작용하는 공기역학적 하중으로 인해 피로 그리고 블레이드가 이탈할 수 있습니다.
- 결합 손상: 비틀림 충격은 커플링에 손상을 입힙니다.
- 추력 베어링: 급격하게 변화하는 축 방향 추력은 추력 베어링 — 서지 발생 시 가장 먼저 손상되는 부품인 경우가 많다.
처리 결과
- 압력 및 유량 변동이 하류 공정으로 전파된다.
- 온도 변동은 반복적인 압축과 팽창으로 인해 발생합니다.
- 이에 따라 공정 이상이나 안전 시스템 작동이 발생할 수 있습니다.
- 불안정한 환경으로 인해 제품 품질이 저하될 수 있습니다.
4. 검출
진동 특성
- 대진폭 저주파 맥동의 갑작스러운 발병
- 0.5~10 Hz 범위의 주파수.
- 극심한 축 진동.
- 불안정하며, 진폭이 끊임없이 변동한다.
그 신호는 다음 항목에서 특히 눈에 띈다: 진동 스펙트럼 and on a 시간 파형: 훨씬 낮은 주파수 대역에서 갑자기 나타나는 에너지 폭증 운전 속도, 축 방향 채널에서 우세하며, 일정하게 유지되기보다는 팽창하고 수축하는 현상. 진동 모니터링 압축기의 스러스트 베어링에서 발생하는 축방향 맥동은 가장 강하게 감지되므로, 이는 서지 현상을 조기에 포착할 수 있는 가장 빠른 방법 중 하나입니다.
음향 신호
- 우르릉거리는 소리나 쌩쌩거리는 소리.
- 서지 주파수에서 들리는 리드미컬한 맥동음.
- 독특하고, 한 번이라도 들어본 사람이라면 누구나 단번에 알아볼 수 있다.
공정 지표
- 변동하는 방전 압력.
- 진동하는 유동으로, 실제로 역류할 수도 있다.
- 온도 변동.
- 모터 전류의 변동.
5. 예방: 서지 방지 제어
시스템 구성 요소
Recycle valve. 배기 가스를 흡입구로 다시 우회시키는 신속 반응 밸브입니다. 이 밸브는 작동 지점이 서지 라인에 가까워지면 유량을 증가시키기 위해 열리며, 필요한 경우 압축기의 최대 유량에 맞춰 설계됩니다.
유량 및 압력 측정. 유량과 압력 상승을 지속적으로 모니터링함으로써 압축기 매핑도에 실시간 작동 지점을 표시하고 서지 선에 근접하는 현상을 감지합니다.
Controller. 제어기는 서지 라인까지의 거리를 계산하고, 서지 지점에 접근함에 따라 안전 여유를 두고 재순환 밸브를 개방하며, 최신 설비의 경우 적응형 알고리즘을 사용합니다. 응답 시간은 매우 중요하며, 일반적으로 1초 이내에 조치를 취해야 합니다.
운영 절차
- 절대로 서지 라인 왼쪽에서 작업하지 마십시오.
- 서지 대비 10~20%의 유량 여유를 확보하십시오.
- 부하 변화를 점진적으로 조정하고, 수요의 급격한 감소를 피하십시오.
- 가동을 시작하기 전마다 서지 방지 시스템이 정상적으로 작동하는지 확인하십시오.
- 서지 방지 시스템을 주기적으로 점검하십시오.
6. 비상 대응
서지 발생 시
- 즉각적인 조치: 자동 시스템이 고장 난 경우 재순환 밸브를 수동으로 열어 주십시오.
- Increase flow: 방전을 개방하거나, 저항을 줄이거나, 병렬 연결된 장치를 가동하십시오.
- 압력 상승 억제: 가변 속도 압축기인 경우 속도를 줄이십시오.
- 비상 정지: 10~30초 이내에 서지를 차단할 수 없는 경우, 기계를 정지시키십시오.
- 재시작하지 마십시오: 원인이 파악되고 해결될 때까지.
서지 후 점검
- 날에 손상 여부를 확인하십시오.
- 베어링 상태를 확인하십시오.
- 밀봉 상태를 확인하십시오.
- 스러스트 베어링을 점검하십시오.
- 수행하다 진동 분석 장비를 다시 가동하기 전에 — 기준 스펙트럼 분석을 통해 새로운 문제를 파악할 수 있습니다 불균형, 정렬 불량 또는 해당 사고로 인해 발생한 베어링 손상.
7. 서지 대 기타 불안정 현상
서지 대 회전 정지
- 서지(Surge): 매우 낮은 주파수(0.5–10 Hz)에서 발생하는 시스템 전반의 유동 진동.
- 선회 실속: 환형부 주위를 더 높은 주파수(일반적으로 로터 속도의 0.2~0.8배)로 회전하는 국소적인 정지 셀로, 이는 이 현상을 로터 공기역학적 불안정 현상 중 하나로 분류하는 요인이다. 하위 동기식 현상.
- 심각도: 서지(surge)는 이 두 가지 중 더 파괴적인 현상이며, 회전 실속은 서지의 전조가 될 수 있다.
서지 대 재순환
- 서지(Surge): 압축기 전용의 시스템 전체 유동 역전.
- 재순환: 펌프나 압축기에서 발생할 수 있으며, 국부적인 유동 역전 현상으로, 일반적으로 그 정도가 덜 심각합니다.
- 관계: 재순환은 압축기에서 완전한 서지로 발전할 수 있습니다.
서지 현상은 원심 및 축류 압축기에서 가장 위험한 운전 상태로, 단 몇 분 만에 장비를 파손시킬 수 있습니다. 서지 메커니즘을 이해하고, 서지 한계선을 파악하며, 효과적인 서지 방지 제어 장치를 적용하고, 적절한 운전 여유도를 유지하는 것은 산업용 가스 압축 설비에서 압축기를 안전하게 운전하는 데 있어 절대적으로 중요합니다.
