공기 압축기 효율을 높이는 방법

공기 압축기 효율

공기 압축기의 에너지 효율에 영향을 미치는 요인은 무엇일까요? 이러한 요인에는 종류, 모델, 크기, 모터 정격, 시스템 설계, 제어 방식, 사용 빈도 및 유지보수 일정이 포함됩니다. 움직이는 부품의 마찰로 인한 열 손실과 압축 공기 온도 상승은 효율 저하의 주요 원인입니다.

공기 압축기 효율에 관해서는 공기 압축기 자체와 공급 라인, 공기 수신기, 공기 건조기, 수신기 및 애프터쿨러를 포함한 전체 시스템을 점검하는 것이 중요합니다. 압축 공기 시스템을 올바르게 조정하면 에너지와 비용을 절약할 수 있습니다.

공기 압축기의 비효율성을 초래하는 요인은 무엇입니까?

많은 요인이 공기 압축기의 비효율성을 유발할 수 있습니다. 공기 압축기 성능은 다음 요소 중 하나가 작용할 때 시간이 지남에 따라 효율성이 떨어질 수 있습니다.

공기질 불량

들어오는 공기가 너무 뜨겁거나 불순물이 포함되어 있거나 습도가 높으면 공기 압축기의 효율이 크게 떨어질 수 있습니다.

불규칙적인 공기압 제어

불규칙적이거나 지속적인 고압은 효율을 저하시킵니다. 10 PSIG의 압력 범위(115 PSIG에서 부하, 125 PSIG에서 해제)는 급격한 사이클링을 방지하지만 에너지를 낭비합니다. 효율을 향상시키려면 이 압력 범위를 최대한 좁히십시오.

설계 시스템의 결함

시스템 설계의 결함으로 인해 공기 압축기의 비효율이 발생할 수 있습니다. 설계 결함에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 부적절한 규모의 유통 시스템.
• 복구 시스템이 부족합니다.
• 열 낭비가 증가했습니다.
• 배관에 불필요한 굴곡이 있습니다.
• 수리되지 않은 누출.

공기 압축기 부적합

공기 압축기는 장비의 압축 공기 요구량에 맞춰 적절하게 선택하거나 조정해야 합니다. 공기 압축기가 용도에 맞지 않으면 효율성과 전반적인 성능이 크게 저하될 수 있습니다. 40 PSI 미만의 압력이 필요한 경우, 표준 압축기 대신 저압 송풍기를 사용하면 에너지 소비량을 최대 90%까지 절감할 수 있습니다. 마찬가지로, 더 높은 압력이 필요한 경우, 동일한 크기의 단일 단계 모델 대신 2단 압축기를 선택하면 15~20%의 유량을 더 확보할 수 있어, 가격 차이를 효율성 향상으로 빠르게 상쇄할 수 있습니다.

압력 강하

배관 크기가 부적절하거나, 습기가 과다하거나, 필터가 더럽거나, 공기 이동 거리가 너무 길면 압력이 떨어져 효율이 저하됩니다. 페인트 분무기, 네일러, 톱, 샌더, 드릴과 같은 공구는 특히 압력 손실에 민감하여 공기압이 필요한 수준 이하로 떨어지면 성능이 저하되거나 고장이 날 수 있습니다.

예정되지 않은 유지보수

예정되지 않은 유지 관리로 인해 시스템이 조기에 마모되어 수리 비용이 증가할 수 있습니다. 움직이는 부품의 수와 이러한 시스템의 과도한 사용으로 인해 정기적인 유지 관리 일정을 마련하지 못하면 공기 압축기의 효율성이 저하될 수 있습니다.

공기 압축기 효율을 높이는 방법은 무엇일까요?

에너지 효율이 높은 압축기는 정밀하게 조율된 제어 장치, 최소 작동 압력에 가까운 작동 압력, 그리고 실제 적용 분야에 맞는 시스템 설계에 기반합니다.

다음 8개 섹션에서는 각각 구체적이고 실행 가능한 개선 영역을 자세히 설명합니다. 내용을 꼼꼼히 읽어보시고 시설에 가장 큰 변화를 가져올 수 있는 방법을 찾아보세요.

이러한 방법을 사용하여 압축기 효율성을 높이면 공기 압축기의 성능과 수명도 향상시킬 수 있습니다.

흡입 공기 질 개선

공기 압축 시스템의 세 가지 구성 요소가 성능에 영향을 미칩니다.

온도

흡입 공기의 온도는 공기의 밀도를 결정합니다. 차가운 공기는 압축하는 데 필요한 에너지가 적으므로 공기 압축기 시스템으로 펌핑하는 것이 훨씬 효율적입니다. 밀도가 낮은 뜨거운 공기는 생산성을 크게 저하시킬 수 있으므로 사용을 피해야 합니다. 흡입 공기 온도를 20°F(섭씨 약 9°C) 낮출 때마다 운영 비용이 약 3.8%(톤당 3.81톤) 절감됩니다.

구성

깨끗한 공기 흡입구는 압축 공기가 시스템을 더욱 원활하게 통과할 수 있도록 보장합니다. 공기 중의 먼지, 먼지 또는 기타 불순물이 공기 압축기 내부에 쌓일 수 있습니다. 이러한 오염 물질은 중요한 구성 요소에 묻어 마모를 일으키고 저장 용량을 감소시킬 수 있습니다.

습기

습기는 공기 압축 시스템에 녹, 마모, 누출 및 용량 감소를 유발하여 손상을 입힙니다. 적절한 응축수 관리는 시스템의 무결성을 보호합니다. 건조한 공기는 시스템의 무결성과 연결된 장비를 보호합니다. 압축열 제습식 건조기는 압축열을 재활용하여 제습제를 재생하므로 퍼지 공기 및 가열 에너지 요구량을 줄입니다. 고성능 건조기 모델은 냉매를 지속적으로 작동시키는 대신 필요할 때만 작동시켜 24시간 가동하는 장치에 비해 에너지를 절약합니다.

에어 컴프레서 제어 장치 매칭

공기 압축기 제어 장치를 시스템 요구 사항에 맞추는 것은 공기 압축기 효율을 높이는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. 이러한 제어 장치는 압축기 출력을 단일 압축기 또는 여러 개의 압축기로 구성된 압축기 시스템의 요구 사항에 맞게 조정하기 때문입니다. 따라서 이러한 제어 장치는 공기 압축기 시스템의 효율성과 고성능 유지에 매우 중요합니다.

압축 공기 시스템은 특정 압력 범위를 유지하고 최종 사용자의 요구에 따라 달라지는 공기량을 제공하도록 설계되었습니다. 압력이 특정 수준에 도달하면 제어 시스템이 압축기 출력을 줄입니다. 반면에 압력이 떨어지면 압축기 출력이 증가합니다.

가장 정밀한 제어 시스템은 시스템 요구 사항 이하로 떨어지지 않으면서도 낮은 평균 압력을 유지할 수 있습니다. 시스템 요구 사항에 미치지 못하면 장치 오류가 발생할 수 있습니다. 그렇기 때문에 시스템 제어를 스토리지 용량에 맞추는 것이 매우 중요합니다.

다음 제어는 개별 압축기의 효율성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

• 압력에 따라 시작 및 정지 제어 장치가 압축기를 켜고 끕니다.
• 부하 및 언로드 기능은 압축기의 부하를 해제하여 토출 압력을 낮추므로 부하 주기 전반에 걸쳐 에너지 소비를 줄입니다.
• 변조 제어는 부하 주기 전반에 걸쳐 유량 수요를 관리하며, 다단계 제어는 압축기가 부분 부하 조건에서 작동할 수 있도록 합니다.
• 이중 및 자동 이중 제어를 통해 시작/중지 또는 로드/언로드를 선택할 수 있습니다.
• 가변 변위는 둘 이상의 부분 부하 조건에서 작동할 수 있습니다.
• 가변속 드라이브(VSD)는 변화하는 수요에 맞춰 모터 속도를 지속적으로 조절합니다. VSD 컴프레서는 고정속 장치에 비해 최대 35%의 에너지를 절약할 수 있으며, 고급형 VSD+ 모델은 최대 부하 시에도 최대 50%까지 절약할 수 있어 운영 비용을 절감하는 가장 효과적인 방법 중 하나입니다. VSD 장비 가격은 최근 하락 추세이며, 일부 지역에서는 리베이트나 인센티브를 받을 수 있어 장기적인 에너지 비용 절감을 원하는 운영자에게 가변속 드라이브로의 업그레이드가 점점 더 용이해지고 있습니다.
• 여러 개의 압축기를 사용하는 시스템은 중앙 공급측 마스터 컨트롤러를 통해 여러 이점을 얻을 수 있습니다. 마스터 컨트롤러는 실시간 수요에 따라 개별 압축기를 켜고 끄면서, 더 좁은 압력 범위를 유지하고, 전체 시스템을 더 낮은 압력으로 작동시켜 에너지 낭비를 줄이면서도 신뢰성을 유지할 수 있습니다. 또한 마스터 컨트롤러는 구성 요소의 추세 데이터를 기록하여 예측 유지보수 일정 수립을 지원할 수 있습니다.

잘 설계된 시스템은 수요 측 조절, 적절한 크기의 저장 탱크, 신중하게 배치된 압력 센서, 그리고 조화로운 압축기 제어를 결합하여 가능한 한 가장 낮은 안정적인 압력을 유지하면서 저장된 고압 공기를 사용하여 압력 변동에 대응합니다. 배관 공기 속도를 6m/s 이하로 유지하는 것도 도움이 됩니다. 속도가 더 높으면 난류가 발생하여 압력 강하가 커지고 압축기가 더 많은 부하를 받게 됩니다. 여러 대의 압축기를 사용하는 경우, 순차 제어를 통해 필요하지 않을 때는 압축기를 가동하고 필요하지 않을 때는 가동을 중단하여 시스템 부하를 충족할 수 있습니다. 네트워크 제어는 전체 시스템의 부하 관리에도 도움이 됩니다.

여러 압축기를 사용하는 경우 시퀀스 제어는 수요를 충족할 필요가 없을 때 압축기를 오프라인으로 전환하면서 압축기를 실행하여 시스템 부하를 충족할 수 있습니다. 네트워크 제어는 전체 시스템의 로드를 관리하는 데도 도움이 됩니다.

시스템 설계를 개선하세요

공기 압축기 시스템의 설계를 개선하는 6가지 방법은 다음과 같습니다.

길을 곧게 펴세요

급격한 굴곡과 좁은 이송관은 마찰과 압력 강하를 증가시켜 사용 지점의 압력을 감소시킵니다. 굴곡과 고리가 적은 설계는 동일한 에너지로 더 높은 압력을 생성합니다.

필요할 때 에너지를 절약하세요

저장 탱크는 단기적인 수요 변화를 완충하고, 가동/정지 주기를 줄이며, 최대 수요 시 압력 강하를 방지합니다. 탱크 크기는 압축기 출력에 맞춰야 합니다. 예를 들어 60마력 압축기에는 60갤런 용량의 저장 탱크가 필요합니다. 각 압축기를 전용 DN50 배관에 연결하고, 각 배관의 배출구를 응축수 배출구가 있는 DN100 습식 집진기로 통합하면 압력 변동을 완화하고, 더 낮은 압축기 토출 설정값에서 링 라인에 냉매를 공급할 수 있어 에너지 낭비를 줄일 수 있습니다.

차가운 흡입 공기

최적의 효과를 얻으려면 압축기 흡입구를 가장 시원한 위치(일반적으로 건물의 북쪽 또는 동쪽)로 옮기십시오. 지붕이나 포장 도로에서 발생하는 복사열을 피하기 위해 지면에서 1.8~3미터 높이에서 공기를 흡입하는 흡입 후드를 설치하십시오. 흡입구를 실내에 설치해야 하는 경우, 외부의 그늘진 벽을 통해 덕트를 연결하십시오.

소형 압축기 여러 개를 사용하십시오.

대형 압축기는 단위당 에너지 소비량이 많기 때문에 부분 부하 시 효율이 떨어집니다. 순차 제어 방식의 소형 압축기 여러 대를 사용하면 불필요한 장치를 차단할 수 있습니다. VFD/VSD 압축기는 용량이 20% 미만이거나 80% 이상일 때 효율이 떨어지므로, 해당 범위 내에서 소형 장치를 적절히 설계하고 순차적으로 가동하면 효율을 유지할 수 있습니다. 적절하게 구성된 마스터 컨트롤러를 사용하면 다중 압축기 시스템의 압력 범위를 ±2 PSIG 이내로 좁혀 운영 비용과 에너지 소비를 절감할 수 있습니다.

폐열 회수

제대로 설계된 열회수 장치는 50~90%의 전기 압축 에너지를 회수할 수 있습니다. 압축기 작동 중 열로 손실되는 70~80%의 에너지 중 최대 90%까지 회수하여 난방, 온수, 건조 또는 식품 보온에 사용할 수 있습니다.

수요가 높은 지역 인근에 위치

수요가 많은 곳에 공기 저장소를 배치하면 전체 압축기 용량을 줄여 수요를 더 쉽게 충족할 수 있습니다.

압축 공기 필요량을 고려하십시오.

부하 프로파일을 확인하세요

적절하게 설계된 압축 공기 시스템은 부하 곡선을 고려해야 합니다. 공기 수요가 크게 변동하는 경우 시스템은 부분 부하에서 효율적으로 작동해야 합니다. 수요 변동폭이 클 경우 여러 압축기를 사용하면 보다 경제적인 에너지 사용이 가능해집니다.

인위적인 수요 최소화

필요 압력보다 과도한 공기는 에너지를 낭비합니다. 예를 들어, 어떤 응용 분야에 50 PSI가 필요한데 90 PSI가 공급된다면 시스템은 불필요한 공기를 낭비하는 것입니다. 인위적인 압력 요구를 최소화하려면 최종 사용 압력 조절기를 사용하십시오.

필요한 정확한 압력 결정

필요 압력은 필터, 배관, 분리 장치 및 건조기에서 발생하는 시스템 손실을 고려한 값입니다. 토출 압력을 높이면 에너지 소비량이 2 PSI당 약 1% 증가합니다. 대부분의 설비는 필요 압력보다 2~5 PSI 높게 가동되고 있습니다. 높은 성능을 달성하고 시스템 부하를 줄이려면 토출 압력을 낮추십시오.

적절한 공급과 수요를 확인하십시오.

압축기가 최종 용도에 비해 과도하게 크지 않은지 확인하십시오. 각 용도에 필요한 공기량을 측정한 다음 전체 시스템을 평가하여 공기 분배 문제를 파악하고 부적절한 공기 사용을 최소화하십시오.

블록도와 압력 분포도를 사용하십시오.

블록 다이어그램은 시스템의 모든 구성 요소를 식별하고, 압력 분포 다이어그램은 압력 강하를 보여주며 제어 조정에 필요한 지침을 제공합니다. 압축기 입구 압력, 공기/윤활유 분리기의 압력, 그리고 단간 압력 차이를 측정합니다. 시스템 압력과 공기 흐름을 기록하여 가동 중단, 간헐적 부하, 시스템 변경 및 상태를 파악하고, 제어를 통해 변동 사항을 관리하여 생산에 미치는 영향을 최소화합니다.

압축 공기 저장 장치를 사용하십시오.

저장 장치는 수요 피크 시 압력 감소율과 압력 강하량을 줄여 수요 변동을 제어할 수 있습니다. 또한 시스템 내 다른 문제 발생 시 중요 설비를 보호하기 위해 필요에 따라 압축기를 정지시킬 수도 있습니다. 개방형 배관 끝단이나 드릴로 뚫은 구멍 대신, 적절하게 설계된 에어 노즐을 사용 지점에 설치하십시오. 에어 노즐은 주변 공기를 이용하여 공기 흐름을 증폭시켜 효과적인 블로우오프력을 제공하는 동시에 압축 공기 소모량을 크게 줄여줍니다. 노즐과 배관을 업그레이드하고 공압 실린더의 크기를 적절하게 조정하는 것 또한 시스템에 인위적인 부하를 최소화할 수 있는 추가적인 개선 사항입니다.

압력 강하 최소화

압축 공기가 분배 시스템을 통과할 때 압력 강하가 발생합니다. 과도한 압력 강하는 성능 저하와 에너지 소비 증가를 초래합니다. 용량이나 시스템 압력을 높이기 전에 압력 강하를 줄여야 합니다.

압력 강하를 줄이려면: 

• 적절한 시스템 설계를 유지하십시오. 과도한 공기압차의 가장 흔한 원인은 분배 헤더와 장비 사이의 배관 크기가 너무 작은 것입니다. 루프 시스템 설계는 여러 개의 공기 통로를 제공하여 막다른 배관에 비해 공기압차를 줄입니다.
• 습기를 최소화하기 위해 공기 여과 및 건조 장비를 유지 관리하고, 공기 흐름 제한을 방지하기 위해 필터에 먼지가 없도록 하십시오. 필터 엘리먼트는 적시에 교체하십시오.
• 분리기, 건조기, 필터 및 후냉각기를 선택할 때는 압력 강하가 가능한 한 가장 낮은 것을 선택하십시오(일반적인 압력 차이: 필터, 호스 및 조절기의 경우 7psi).
• d) 가장 낮은 차압에서 최상의 성능을 발휘하는 조절기, 호스, 윤활 장치 및 부속품을 선택하십시오.
• 이 시스템을 통해 항공 이동 거리를 줄이세요.

많은 장비는 80psig 이하의 압력에서 효과적으로 작동합니다. 토출 압력을 낮추면 누출률을 최소화하고 용량을 늘리며 비용을 절감할 수 있지만, 조절기, 필터 및 저장 장치를 수정해야 할 수도 있습니다. "더티 서티(Dirty Thirty)" 현상에 주의하십시오. 사용 지점 바로 전 9미터(30피트) 구간의 배관에는 막힘, 습기 및 이물질이 축적되어 가장 필요한 곳에서 압력을 저하시킵니다. 이 마지막 구간의 압력 강하는 일반적으로 30~50psi(이전 구간보다 약 20배 큼)에 달하므로 주요 점검 대상입니다. 마모된 필터로 인해 5psi의 토출 압력이 발생할 경우 연간 약 1,900달러의 운영 비용이 발생하지만, 교체 비용은 1,400달러에 불과하여 거의 즉시 투자 비용을 회수할 수 있습니다.

누출 수정

압축 공기 누출은 에너지 낭비의 주요 원인으로, 일반적으로 압축기 출력의 20~30%를 낭비합니다. 누출량은 오리피스 크기와 공급 압력에 비례하기 때문에 작은 누출이라도 누적되면 상당한 손실로 이어집니다. 누출을 방치할 경우 시스템 전체 공기량의 30~50%가 낭비되고, 공구 효율이 저하되며, 가동 시간이 길어질 수 있습니다. 사전 예방적 유지보수 전략을 통해 관련 비용을 최대 70%까지 절감할 수 있습니다. 누출은 주로 압력 조절기, 개방형 응축수 수집기, 차단 밸브, 분리 밸브, 배관 연결구, 나사산 밀봉제, 호스 및 부속품에서 발생하며, 한 조사에 따르면 장비의 3분의 2에서 누출이 발견되어 연간 $157,000의 손실이 발생했습니다.

누출량 추정

압축기 부하/언로드 시간을 측정하고 계산하십시오.

누설량(%) = [부하 시간(분) × 100 / (부하 시간(분) + 무부하 시간(분))]. 예를 들어, 압축기가 한 주기 동안 8분 동안 부하 상태로 작동하고 2분 동안 무부하 상태로 작동한다면 누출량은 (8 × 100) / (8 + 2) = 80%입니다. 이는 잘 관리된 시스템의 목표치인 10%를 훨씬 초과하는 수치이므로 긴급한 누출 조사가 필요합니다.

잘 관리된 시스템은 10% 미만을 유지하지만, 관리가 제대로 되지 않은 시스템은 20%를 초과합니다. 한 사례에서는 2.82m³/min의 누출(약 20% 용량)을 수리하고, 배관 크기를 조정하고, 헤더 압력을 7.0bar에서 6.5bar로 낮춤으로써 공기 질이 ISO 8573-1 5등급에서 4등급으로 개선되었고, 평균 전력은 57.1kW에서 38.5kW로 감소(32.6% 감소)했으며, 정적 소비량은 70% 줄었습니다.

누출 감지

초음파 탐지기는 쉬익 하는 소리를 감지하여 누출을 찾아내는 장비로, 빠르고 정확하며 장비 작동 중에도 사용할 수 있습니다. 초음파 탐지기를 사용할 수 없는 경우에는 브러시에 비눗물을 묻혀 의심스러운 부위에 바르고 거품이 생기는지 확인하십시오.

누수 수리

느슨한 연결부는 가능한 한 단단히 조이십시오. 그렇지 않으면 결함이 있는 연결부, 파이프 부분, 호스, 커플링, 트랩, 피팅 또는 배수구를 교체하고 항상 올바른 나사산 밀봉제를 사용하십시오.

즉각적인 압력 감소

누출 수리가 완료될 때까지 시스템 압력을 최소 허용 수준으로 낮추고 헤더 압력을 그 수준에서 안정화하십시오. 이렇게 하면 누출률이 직접적으로 감소합니다.

누출 방지 프로그램

비용 기준선을 설정하십시오. 현재 누수로 인한 에너지 비용을 정량화하여 개선 효과를 측정하십시오.

• 체계적으로 점검하십시오. 초음파 탐지기나 휴대용 측정기를 사용하여 누출 부위를 찾으십시오.
• 모든 누출을 기록하십시오. 누출량, 위치, 유형 및 예상 비용을 기록하세요.
• 우선순위를 정하세요. 가장 크고 비용이 많이 드는 누수부터 먼저 수리하십시오.
• 제어 최적화 - 에너지 효율을 극대화하도록 설정을 조정하세요.
• 정기적으로 검토하십시오. 정기적인 점검을 통해 시스템의 효율성을 유지할 수 있습니다.
• 응축수 배출 장치를 업그레이드하세요. 타이머 방식 솔레노이드 밸브를 공기 손실이 없는 배출 장치로 교체하십시오. 5/32인치 오리피스를 사용하는 표준 타이머 배출 장치는 100 PSI 압력에서 10분마다 10초씩 공기를 배출하여 시간당 40 ft³의 공기를 손실하며, 이는 kWh당 0.10달러의 전기 요금을 기준으로 연간 약 1,400달러 150센트의 비용이 발생합니다. 공기 손실이 없는 배출 장치는 실제로 응축수가 발생할 때만 배출하므로 이러한 낭비를 방지합니다.

필터 변경

필터는 깨끗한 공기가 최종 사용자에게 도달하도록 보장합니다. 먼지, 오물, 기름 등으로 필터가 막히면 공기압이 떨어져 압력을 유지하는 데 더 많은 에너지가 소모됩니다. 저항 증가와 에너지 낭비를 방지하려면 공기 필터와 오일 필터는 3개월 또는 500시간 사용 후(둘 중 먼저 도래하는 시점) 교체하거나 청소하십시오. 최대 유량에 맞춰 설계된 저압 손실, 장수명 필터를 사용하십시오. 아주 작은 오염 물질을 걸러내는 필터는 공기 흐름 저항을 증가시키므로 여과 효율과 압력 손실 사이의 균형을 고려해야 합니다. 분리기, 건조기, 필터, 냉각기를 선택할 때는 필요한 여과 성능을 유지하면서 압력 손실을 최소화하는 모델을 선택하십시오. 일부 제품은 여과 성능과 압력 손실 사이의 균형을 다른 제품보다 더 잘 맞추도록 설계되었습니다.

유지

운영자들이 에너지 효율을 공동의 책임으로 여기도록 장려하십시오. 누출을 발견하고, 이상 소음을 보고하고, 사용하지 않는 장비를 끄는 방법을 교육하십시오. 꾸준한 일상 습관은 정기적인 유지보수를 통해 얻은 효율성 향상을 유지하는 데 도움이 됩니다.

제대로 관리되지 않은 시스템은 에너지와 비용을 낭비합니다. 누출, 조기 마모 및 오염 물질 축적 여부를 정기적으로 점검하십시오. 10년 이상 된 압축기를 교체하면 최소 20%에서 최대 40%의 에너지 절감 효과를 얻을 수 있으므로, 노후 장비의 정기 유지보수와 함께 업그레이드를 고려해 볼 가치가 있습니다.