펌프(왕복 압축기)의 구조와 특징을 이어서 살펴본다.
1. 구동기 출력
구동기의 출력은 흡입, 토출압력의 변동 등을 고려한 최대 소요 동력으로서도 구동기의 허용 출력을 넘지 않게끔 정해야 한다. 흡입압력의 변동이 없는 경우에는 토출압력이 안전밸브 작동압력까지 상승한 경우라도 문제가 없게끔 정할 필요가 있다. 압력비가압력 비가 높은 경우에는 동력의 증가율이 작지만 압력 비가 낮은 경우에는 동력 증가율이 커진다. 리사이클압축기와 같이 압력 비가 작은 것은 안전밸브 작동압력까지의 소요 동력은 대략 흡입, 토출압력의 차에 비례하여 증가하므로 특히 주의해야 한다. 암모니아합성용 리사이클 압축기와 같이 압력 레벨이 높고 압력 비가 아주 작은 것은 이 동력 증가가 아주 커지므로 흡입, 토출측간에 차압을 제한하는 안전밸브를 설치하여 동력의 이상 상승을 방지한다. 또한 압축기의 용량은 대략 흡입절대압력에 비례하여 변화하므로 흡입 압력의 변화 가능성이 있는 경우 구동기 선정에 유의하여야 한다.
2. 습가스, 포화 가스 및 부식 성분 함유 가스의 압축
1) 습가스, 포화가스
응축액이 실린더에 들어가든가 실린더 내에 생성되면 윤활유를 희석시키거나 씻어내어 문제를 일으키며 또 압축기 밸브의 밸브판의 파손이 생기는 수도 있고 대량 유입의 경우에는 노킹을 일으킬 수도 있다. 따라서 흡입 배관 내,, 실린더 내에 응축이 생기지 않도록 하여야 한다. 압축기 실린더는 하부 측을 토출 측으로 하여 실린더 내에 고인 액이 쉽게 배축 될 수 있도록 한다. 여러 가지 대책을 하더라도 소량의 응축액 미스트가 침입하는 것을 피할 수가 없다. 따라서 실린더접동부의 링 재질은 가스 성질과 온도를 고려하여 연청동, 페놀적층수지, 테플론 등을 사용한다. 테플론 링은 무급 유용으로서도 사용이 가능하지만 연청동, 페놀적층수지링도 소량 응축액에 의한 윤환 성능 악화를 방지하는데 큰 효과가 있다. 응축이 생기기 쉬운 무거운 탄화수소 가스의 경우 등에는 피스톤의 라이너 링으로 테플론을 사용하는 것이 바람직하다.
흡입스냅바는 실런더 상부에 설치되지만 내부에 액이 고이지 않는 구조가 바람직하다. 액을 고이게 하여 배출하는 방식으로 하면 내부에 고인 액이 한꺼번에 대량으로 실린더에 들어갈 가능성이 있다. 흡입 스냅 바에 조금씩 유입하는 응축액을 고이게 하지 않고 그대로 실린더에 유입시켜도 상기 재질의 링에 의해 충분히 대응할 수 있으므로 오히려 이 방법이 안전하다. 실린더 내의 응축을 방지하기 위해서는 실린더 벽 온도를 포화온도이상으로 유지하면 된다. 실린더벽 온도는 냉각수 온도의 영향이 가장 크며 보통 냉각수 온도를 흡입 가스온도보다5～10℃높게 유지하면 대부분의 경우 충분하다. 이 때문에 고온 레벨의 냉각수가 없는 경우에는 증기에 의해 가열할 필요가 있다. 실린더 냉각수 계통으로 순환식으로 하면 냉각수를 고온 레벨로 유지하여 순환시킬 수 있으므로 이상적이다. 토출 온도가 낮은 경우, 실린더의 냉각 재켓에 냉각액을 충전 또는 서어모사이폰 자연순환냉각을 채용하는 경우도 많으나 외기온도가 낮은 경우 기동시 냉각액을 가열해둘 필요가 있다. 기액분리기이후의 흡입 배관을 보온하고 필요하다면 적극적으로 스팀 트레이스 또는 스팀 재켓에 의해 관벽 온도를 높여서 흡입 배관 내에서의 응축을 방지할 필요가 있다.
2) 부식성가스
부식성 가스로서 H(2)S, CO(2), SO(2),Cl(2) 등을 함유할 경우 수분이 존재하면 부식작용이 나타나게 된다.. 사용재료의 선정과 함께 수분의 응축 대책이 중요하다. 특히 정지 중의 압축기 내부에서 가스온도의 저하로 응축액이 생성되기 쉬우므로 다음과 같은 정지 시의 대책이 중요하다. 정지 중에는 N(2)가스로 치환하는 것이 바람직하다. 그것이 안될 경우에는 흡입, 토출측 주밸브를 닫은 후 감압하여 계내 가스의 관계 습도를 저하시켜 수분의 응축을 방지한다. 고온 레벨의 냉각수를 정지 중에도 통하게 해 둔다. 압축기를 터닝 시켜 접동부에 윤활유가 고루 가게 한다.
3) H(2)S가스에 의한 부식균열 방지
H(2)S 함유가스의 압축기에서는 방식상의 재질선정과 함께 H(2)S 가스에 의한 부식균열도 고려해야 한다. H(2)S가스에 의한 부식균열은 수분과 공존할 때 합금강의 인장 응력에 대해 상온에서 일어나며 온도가 낮을수록 또 재료의 경도, 항복점이 높은 것일수록 일어나기 쉽다. 경도 RC20, 항복점 65kg/㎟이상의 경우 그 항복점 이하에서 균열이 일어난다고 한다. 가스와 접촉하고 있는 부분의 재질 및 가스누설의 가능성이 있는 곳의 볼트 등에는 이점의 고려가 필요하다. 또 이 H(2)S가스 부식균열은 스테인레스강이라도 고경도, 고항 복점인 경우에 일어날 수 있으므로 주의가 필요하다.
3. 용량 조절
1) Clearance Pocket조정
다음 그림과 같이 실린더 상부의 간극을 조절하여 용적 효율을 변화시킴으로써 용량을 조절한다.
클리어런스 포켓의 효과는 용적 효율의 변화에 의하므로 압력 비가 높은 경우에는 유효하지만 저 압력 비의 경우에는 효과가 적다. 이는 저 압력 비의 경우 큰 포켓의 부가용량을 설치하는 것은 불가능하기 때문이다. 따라서 저압력비의 리사이클 가스 실린더는 클리어런스 포켓을 설치하지 않는 것이 보통이다.
2) 흡입밸브 언로우더(Unloader)
흡입밸브의 밸브판을 눌러서 개방상태로 하여 흡입 가스를 토출 행정에서 다시 흡입 가스실로 역류시켜 무부하로 하는 것이다. 언로우더 조작방법으로서 계장공 기원에 의한 공기압 조작도 많이 사용된다. 공기압 조작의 경우에는 계장공 기원 고장 시에 부하로 하든가 무부하로 하는 가에 따라 Air Failure Load 또는 Air Failure Unload Type이 사용된다. 흡입밸브 언로우더를 복동식의 양측에 설치하면 100, 50, 0%의 3단계 조정을 할 수 있다.. 또 클리어런스와의 작용에 의해 조절 단계를 증가시켜 사용하는 수가 많다. 언로우더 작동 시 가스는 흡입밸브를 통과할 때 마찰열에 의해 가열된다. 복동실린더의 한쪽만 언로우드 할 경우에는 문제가 없지만 양측을 언로우드할 경우 가스의 흐름이 멈춰지므로 실린더 내의 체류 가스는 이 마찰열이 축척되어 가스온도가 상승된다. 따라서 양측언로우드는 무부하 기동용으로만 하여 장시간의 사용은 피하는 것이 좋다. 한쪽의 흡입밸브수가 2개 이상인 경우 전부 언로우더를 설치하지 않으면 언로우드시의 밸브 통과 가스 속도는 흡입밸브수와 언로우드밸브수의 비만큼 커져 가스 가열도 많아진다. 이 때문에 흡입밸브 전부에 언로우더를 설치할 필요가 있다. 또 조작도 가급적 동시에 조작하는 것이 바람직하며, 한쪽의 흡입밸브수가 2개 이상인 경우에는 공기압 조작으로 하여 동시 조작시키는 것이 바람직하다.
3) 다단 압축기의 용량조정
다단 압축기에서는 전술한 용량조정장치를 전단에 설치하는 경우와 1단에 설치하는 경우가 있다.
- 전체 실린더에 용량조정장치를 설치하는 경우
각단의 용량조정 조작을 동시에 병행하면 상관없으나 순차로 행할 경우에는 다음의 점에 특히 주의가 필요하다.
용량 감소의 경우 고압측의 용량이 미리 감소되게끔 조작하면 저압측의 용량이크므로 중간 압력이 상승하며 과승되면 안전밸브가 작동한다. 반대로 저압단을 미리 용량감소의 조작을 하면 중간 압력이 저하되고 지나치게 저하되면 감소측의 압력비가 과대하게 된다. 저부하보다 증량되는 경우에는 이 반대가 된다. 따라서 조정범위가 좁은 경우에는 중간압력이 저하되는 순서로 조작하면 되지만 흡입밸브 언로우더에 의해 대폭 조정할 경우 순차로 각단을 조작하면 중간 압력의 저하가 크며 압력 비의 변화 때문에 토출 온도 상승 또는 피스톤 봉하 중의 과대 문제가 있다. 이 때문에 공기압 조작에 의한 동시 조정 또는 Spill-Back라인을 설치하여 중간 압력을 제어할 필요가 있다. 공기압 조작 방식으로 하는 경우에도 흡입밸브 언로우더의 작동불량의 경우에 대비하여 중간 압력 제어를 하는 것이 바람직하다. 1단에만 용량조정장치를 설치하는 경우 1단의 용량을 감속시키면 22단 이후의 흡입 압력은 그 용량과 밸런스 되는 점까지 저하한다. 아래에 5단압축기의 1단클리어런스포켓개방에 의한 78% 용량 시의 각단 압력 변화를 표시했다. 각단의 압력 비변화는1단과 최종단이 크고 중간단의 변화는 적다. 이 방식의 용량조정을 행하기 위해서는 그 조정범위 내에서 토출 온도, 피스톤 봉하 중에 대해 지장이 없게끔 압력 비를 정해야 한다.
| 1단 | 2단 | 3단 | 4단 | 5단 | ||
| 100%용량 | 흡입압력 토출압력 압력비 |
3.03 8.42 2.78 |
7.97 23.6 2.97 |
23.0 65.5 2.85 |
64.7 166 2.57 |
164.6 307.8 1.87 |
| 78%용량 | 흡입압력 토출압력 압력비 |
3.03 6.69 2.21 |
6.24 18.7 3.00 |
18.10 52.9 2.92 |
52.1 139.6 2.68 |
138.2 307.8 2.23 |
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