컴프레서에서 유량은 어떻게 제어될까요?

• 전자 제어 시스템: 센서는 시스템 압력을 실시간으로 모니터링하며, 컨트롤러는 실제 압력을 설정값과 비교하여 필요한 모터 속도를 결정합니다.
• 주파수 변환기 작동 원리: 주파수 변환기는 전동기에 공급되는 전원의 주파수와 전압을 조절하여 모터 회전수(RPM)를 변화시키며, 이에 따라 엘리먼트 속도와 최종적으로 공기 공급량이 조절됩니다.
• 연속 속도제어: 속도가 단계적으로 변하는 것이 아니라 연속적으로 조절되기 때문에, VSD는 압력을 매우 안정적으로 유지할 수 있으며, 적절한 용량 선정과 튜닝이 이루어진 경우 ±0.1 bar 수준의 정밀도를 확보할 수 있습니다.
• 부분 부하 효율: 수요가 감소하면 컨트롤러가 속도를 낮추고, 컴프레서는 네트워크에서 필요한 만큼의 공기만 생산하므로 소비 전력이 함께 감소합니다.
• 소프트 스타트: 주파수 변환기는 속도를 점진적으로 상승시켜 기동 시 돌입 전류를 줄이고, 전기적 및 기계적 부하를 최소화합니다.

VSD의 속도 제어 이점은 하루 동안 공기 수요가 변동하는 조건에서 효과적으로 발휘됩니다.  RPM을 연속적으로 조절함으로써 컴프레서는 빈번한 부하/무부하 사이클 없이 속도를 제어할 수 있으며, 이를 통해 에너지 효율과 시스템 안정성을 동시에 향상시킵니다.

• 에너지 절감: 수요 변동이 있는 현장에서는 정속 운전 대비 일반적으로 30~60% 수준의 에너지 절감이 가능하며, 이는 부분 부하 구간에서 소비 전력이 감소함에 따라 발생합니다.
• 일관된 압력 제어: 보다 정밀한 압력 제어 범위를 통해 공정을 안정적으로 유지할 수 있으며, 불필요하게 높은 설정 압력으로 운전할 필요를 줄일 수 있습니다.
• 유지보수 감소: 시동 횟수 감소와 보다 안정적인 운전을 통해 부품 및 밸브의 마모를 줄일 수 있습니다.
• 소프트 스타트: 낮은 돌입 전류와 완만한 가속을 통해 전원 계통 및 구동 계열에 가해지는 부하를 줄일 수 있습니다.

VSD 기술은 하루 동안 공기 수요가 변동 하는 조건에서 효과적인 선택입니다. 생산량 변동이 있는 공정, 피크와 저부하 구간이 명확한 다교대 운영 환경, 또는 정속형 컴프레서가 과대 선정되어 장시간 부분 부하로 운전되는 설비에 적합합니다.

투자 회수 기간은 전력 단가, 운영 시간, 수요 변동 폭에 따라 달라지지만, 많은 경우 수개월에서 수년 이내에 투자 회수가 가능합니다. 핵심은 실제 수요 프로파일에 맞는 제어 방식을 적용하는 것으로, 이를 통해 안정적인 압력 유지와 함께 최적의 에너지 절감을 확보할 수 있습니다.

듀얼 스피드 컴프레서 시스템은 정속 제어와 VSD의 중간 개념에 해당합니다. 이 시스템은 두 가지 모터 속도로 운전되며, 최대 출력이 필요한 경우에는 고속으로, 무부하 상태에서는 저속으로 운전됩니다.

무부하 구간에서 최소 속도로 운전함으로써 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 또한 듀얼 스피드 방식은 최소 무부하 속도를 유지하고, 압력이 유지된 시스템 상태에서도 (보다 빠르게) 기동이 가능하기 때문에 과도 손실을 최소화할 수 있습니다.

에너지는 컴프레서 소유 및 운영 비용의 약 80%를 차지합니다. 즉, GA FLX를 통해 20%의 에너지를 절감할 수 있으므로 운영 비 을 절감하고 지속 가능성 목표를 달성할 수 있습니다.

듀얼 스피드는 다음과 같이 수요 변동이 크지 않고 예측 가능한 조건에서 효과적으로 적용되며, 그 경우는 다음과 같습니다.

• 피크와 저부하 구간이 명확한 다교대 운영 환경
• 반복적인 생산 사이클을 가지는 공정
• VSD 전면 적용 없이 효율 개선을 고려하는 비용 민감형 운영 환경

정속형 컴프레서는 모터 회전수(RPM)가 일정하게 유지되므로, 유량 제어는 제어 방식에 의해 결정되며 일반적으로 부하/무부하 제어 방식이 가장 많이 사용됩니다. 모터 속도를 변경하는 대신, 컴프레서는 흡입부를 개폐하여 공기 유량을 조절합니다.

• 흡입구 밸브 조절: 흡입구 밸브를 단순히 개폐함으로써 컴프레서의 출력 유량을 제어하는 일반적인 방식입니다.
• 부하-무부하 사이클: 상상한 설정 압력에 도달하면 컴프레서는 무부하 상태로 전환되며, 압력이 하한 설정값까지 떨어지면 다시 부하 상태로 전환됩니다.
• 압력 밴드 운전: 무부하 설정 압력과 부하 설정 압력 간의 차이를 압력 밴드라고 하며, 이는 설정 압력 대비 허용 가능한 압력 변동 범위를 의미합니다.

정속형 부하/무부하 제어 시스템은 수요가 일정하고 높은 조건에서 가장 효과적으로 적용되며, 컴프레서가 대부분의 시간 동안 부하 상태를 유지하는 환경에 적합합니다. 예를 들어 24시간 연속 운전 공정이 이에 해당합니다.

고급 속도 제어 솔루션과 비교할 때, 정속형 시스템은 초기 투자 비용이 낮은 대신 일반적으로 VSD 컴프레서 대비 에너지 소비가 더 높은 특성이 있습니다.

정속형 컴프레서는 기동 시 더 높은 돌입 전류가 발생하며, 부하/무부하 및 기동/정지 사이클이 더 빈번하게 발생합니다. 이는 일부 부품 및 밸브의 마모에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

하루 동안 공기 수요가 변동하는 경우, 제어 방식에 따라 성능 차이가 크게 발생합니다. 정속 제어는 일정한 속도로 운전되기 때문에 주로 부하/무부하 전환을 통해 대응합니다. 

듀얼 스피드 제어는 저속 운전 단계를 추가하여, 컴프레서가 무부하 상태로 전환되기 전에 고속 또는 저속으로 운전할 수 있도록 합니다. 이를 통해 부분 부하 구간에서의 에너지 손실을 줄일 수 있습니다.

속도 제어 기술을 통해 상당한 에너지 절감이 가능합니다. 아트라스콥코의 압축공기 전문가는 공정을 분석하고 실제 절감 가능성을 설명하며, VSD부터 듀얼 스피드 시스템까지 최적의 솔루션을 제안합니다.