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스테파노 Stefano

09-03-03 00:05

(1)Surging 현상
Centrifugal Compressor에서의 Surge 현상은 Suction측에 (1)Gas 유입이 적다거나(2)흡입 Gas의 밀도가 떨어져 압축비와 함께 가스 유량이 줄어들거나(3)회전속도가 줄어들고 압력이 떨어져 다음 단 가스 유량이 줄어들거나(4)가스 온도가 낮아 고비점 물질 성분이 전단의 Intercooler에서 제거됨으로써 후단 유량이 줄어듦으로써 Compressor 내에 가스의 체류시간이 늘고 마찰손실이 늘면서 Diffuser측으로 배출되는 가스의 배출성이 떨어져 Discharge 측의 가스가 오히려 Compressor 측으로 밀려들어오려는 현상을 말합니다.

이런 현상이 되면 Compressor 내부의 압력밸런스가 흐트러지면서 날개나 Shaft에 Thrust의 증가가 일어고, 진동이나 소음이 나타나는데 이는 고속으로 돌아가는 Compressor 날개에 치명적일 수가 있습니다.

Surging을 방지하려면 앞서 설명한 원인을 제거해야 하며 Suction Line에 있는 Piping, Fiter등의 막힘이 없는지 Suction Throttling이 커고 Turn-down(Load 줄임)이 많이 되는 상태로 운전되지 않는지 주의해야 합니다.
상세한 내용은 Compressor 참고서적에서 찾아볼 수 있습니다.

(2)Performance Chart에서
압력(혹은 Head) 과 유량과의 관계도표에서 네개의 서로 다른 회전수를 나타내는 곡선이 있는데 삼각형으로 빗금이 그려져 있는 부분이 정상운전시의 유량(삼각형의 직각을 낀 변의 수직선)과 압력(동 수평선)이 되고 나머지는 회전수가 다른 운전상태입니다.

하나의 곡선에서 유량을 늘이면 압력이 줄고 반대로 유량을 줄이면 압력이 늘게 되는데 이는 펌프의 성능곡선과 같은 모양입니다. 곡선을 따라 왼쪽으로 가면 유량은 줄고 압력은 올라가는데 좌측 끝부분에 갑자기 끊어진 부분이 있습니다. 이 부분이 Surging이 일어나는 점이 됩니다. 각 RPM에서 서로 다른 Surge Point가 나타납니다. 각 곡선은 서로 다른 흡입측 압력(PIN)의 압력을 나타내는데 일정압력에서 몇% 이하로 Suction Pressur가 떨어지면 Surging 현상이 나타나는가를 알려주고 있습니다.

(3) 계장측에서 요구하는 것은
다음 네가지 일 것이며 이를 참고로 Interlock의 Setting Point를 결정하려고 할것입니다.

회전수(인용 도표에서는 알수 없지만)가 일정하다면
1) 정상운전 시 흡입측 (절대)압력의 몇%이하로 떨어질 때 Surging이 일어나는가?
2) Compressor 배출압이 일정하다면 유량이 얼마일 때 Surging이 일어나는가?
3) Compressor의 압력이 얼마일 때 Surging이 일어나는가?
4) 배출압과 Surging과는 관계없이 최대 유량을 얼마로 제한해야하는가?

굵은 선으로 된 곡선(정상운전시 26250 kg/h, 배출압력 10 KG)에 대해 위에 대한 답을 성능곡선에서 구하면 각각 다음과 같습니다. 다른 회전수에선 이들 값들도 각기 달라질 것입니다.
A1) 95.1% (별표) A2) 유량 19160 kg/h (26260의 27% Turn Down)일 때, A3) 12KG, A4) 28,200 kg/h

다른 도면도 마찬가지로 구해보세요.

이런 현상이 되면 Compressor 내부의 압력밸런스가 흐트러지면서 날개나 Shaft에 Thrust의 증가가 일어고, 진동이나 소음이 나타나는데 이는 고속으로 돌아가는 Compressor 날개에 치명적일 수가 있습니다.

Surging을 방지하려면 앞서 설명한 원인을 제거해야 하며 Suction Line에 있는 Piping, Fiter등의 막힘이 없는지 Suction Throttling이 커고 Turn-down(Load 줄임)이 많이 되는 상태로 운전되지 않는지 주의해야 합니다.  
상세한 내용은 Compressor 참고서적에서 찾아볼 수 있습니다.

(2)Performance Chart에서 
압력(혹은 Head) 과 유량과의 관계도표에서 네개의 서로 다른 회전수를 나타내는 곡선이 있는데 삼각형으로 빗금이 그려져 있는 부분이 정상운전시의 유량(삼각형의 직각을 낀 변의 수직선)과 압력(동 수평선)이 되고 나머지는 회전수가 다른 운전상태입니다.

하나의 곡선에서 유량을 늘이면 압력이 줄고 반대로 유량을 줄이면 압력이 늘게 되는데 이는 펌프의 성능곡선과 같은 모양입니다.  곡선을 따라 왼쪽으로 가면 유량은 줄고 압력은 올라가는데 좌측 끝부분에 갑자기 끊어진 부분이 있습니다. 이 부분이 Surging이 일어나는 점이 됩니다.   각 RPM에서 서로 다른 Surge Point가 나타납니다.  각 곡선은 서로 다른 흡입측 압력(PIN)의 압력을 나타내는데 일정압력에서 몇% 이하로 Suction Pressur가 떨어지면 Surging 현상이 나타나는가를 알려주고 있습니다.

(3) 계장측에서 요구하는 것은 
다음 네가지 일 것이며 이를 참고로 Interlock의 Setting Point를 결정하려고 할것입니다.

회전수(인용 도표에서는 알수 없지만)가 일정하다면 
1) 정상운전 시 흡입측 (절대)압력의 몇%이하로 떨어질 때 Surging이 일어나는가?
2) Compressor 배출압이 일정하다면 유량이 얼마일 때 Surging이 일어나는가?  
3) Compressor의 압력이 얼마일 때 Surging이 일어나는가? 
4) 배출압과 Surging과는 관계없이 최대 유량을 얼마로 제한해야하는가?

굵은 선으로 된 곡선(정상운전시 26250 kg/h, 배출압력 10 KG)에 대해 위에 대한 답을 성능곡선에서 구하면 각각 다음과 같습니다.  다른 회전수에선 이들 값들도 각기 달라질 것입니다.  
A1) 95.1% (별표) A2) 유량 19160 kg/h (26260의 27% Turn Down)일 때,  A3) 12KG,    A4) 28,200 kg/h

다른 도면도 마찬가지로 구해보세요.

공쟁이

09-03-03 14:09

안녕하십니까 스테파노님,

첫째,둘째 질문에 대한 기본적인 개념을 이해 할수 있게 해주셔서 감사합니다.

세번째 질문을 좀더 상세히 질문드리겠습니다.

compressor vendor로부터 받은 control system philosophy를 보고 제가 이해한 내용을 아래와 같이 설명드리겠습니다.

맞게 이해했는지 알려주시기바랍니다.

surge point값은 x축은 surge d/p로 y축의 값은 pressure ratio across comp. section으로 해서 chart를 그리게 되

어 있습니다. 따라서 chart를 나타내기 위해 compressor vendor는 3개의 test result performance curve를 주었습니다.

(유첨은 2개만 했고, 각 테스트 결과는 2개의 sheet로 되어있는데 상부는 design data값이고, 하부는 nitrogen으로 실제 테스트 한결과입니다.)

여기서 궁금한사항이 있는데요. 유첨하지않는 세번째 test result는 nitrogen test 자료에 " warning : insufficient rise to surge"으로 표기되어 있습니다. 제가 생각하기에 실험이 잘못된 값이기때문에 vendor에서 compressor를 잘못 제작한게 아닌가 생각이 듭니다. 아님, nitrogen으로 실험은 잘못되었으나, design data값으로 대치 가능하기 때문에 관계없다라고도 생각이 듭니다. 두번째 생각이 아닌가 생각이 드는데요, 제생각이 맞는지요 ?

각설하고, vendor에서 제공한 control philosophy를 보면 총 3포인트값을 넣어서 linear equation을 그리는 것으로 되어있습니다. 이때, 3번째 nitrogen data는 insufficient이므로 design data값을 넣어서 계산을 해야하는지, 아님 첨부한 2개의 nitrogen data만을 넣어 2포인트로 linear equation을 만들어야 되는지 모르겠습니다.

여기서 질문하나 또 있는데요.
surge dp = surge p - suction p
pressure ratio across section = dischage p(abs.)/ suction p(abs.)
로 계산해서 식을 만들려고 하는데요,

상기 설명한 바와 같이 "surge point값은 x축은 surge d/p로 y축의 값은 pressure ratio across comp. section" 이런 방법
으로 구하는 것이 맞는것인지, 다양한 방법중에 한가지 인지 알고 싶습니다.

두서없이 설명드렸는데 질문을 이해하셨는지 모르겠네요..

바쁘신와중에 또 질문을 드립니다. 빠른답변 부탁드리겠습니다. 감사합니다.

안녕하십니까 스테파노님,

첫째,둘째 질문에 대한 기본적인 개념을 이해 할수 있게 해주셔서 감사합니다.

세번째 질문을 좀더 상세히 질문드리겠습니다.

compressor vendor로부터 받은 control system philosophy를 보고 제가 이해한 내용을 아래와 같이 설명드리겠습니다.

맞게 이해했는지 알려주시기바랍니다.

surge point값은 x축은 surge d/p로 y축의 값은 pressure ratio across comp. section으로 해서 chart를 그리게 되

어 있습니다. 따라서 chart를 나타내기 위해 compressor vendor는 3개의 test result performance curve를 주었습니다.

(유첨은 2개만 했고, 각 테스트 결과는 2개의 sheet로 되어있는데 상부는 design data값이고, 하부는 nitrogen으로 실제 테스트 한결과입니다.)

여기서 궁금한사항이 있는데요. 유첨하지않는 세번째 test result는 nitrogen test 자료에 " warning : insufficient rise to surge"으로 표기되어 있습니다. 제가 생각하기에 실험이 잘못된 값이기때문에 vendor에서 compressor를 잘못 제작한게 아닌가 생각이 듭니다. 아님, nitrogen으로 실험은 잘못되었으나, design data값으로 대치 가능하기 때문에 관계없다라고도 생각이 듭니다. 두번째 생각이 아닌가 생각이 드는데요, 제생각이 맞는지요 ?

각설하고, vendor에서 제공한 control philosophy를 보면 총 3포인트값을 넣어서 linear equation을 그리는 것으로 되어있습니다. 이때, 3번째 nitrogen data는 insufficient이므로 design data값을 넣어서 계산을 해야하는지, 아님 첨부한 2개의 nitrogen data만을 넣어 2포인트로 linear equation을 만들어야 되는지 모르겠습니다.

여기서 질문하나 또 있는데요.
surge dp = surge p - suction p
pressure ratio across section = dischage p(abs.)/ suction p(abs.)
로 계산해서 식을 만들려고 하는데요,

상기 설명한 바와 같이 "surge point값은 x축은 surge d/p로 y축의 값은 pressure ratio across comp. section" 이런 방법
으로 구하는 것이 맞는것인지, 다양한 방법중에 한가지 인지 알고 싶습니다.

두서없이 설명드렸는데 질문을 이해하셨는지 모르겠네요..

바쁘신와중에 또 질문을 드립니다. 빠른답변 부탁드리겠습니다. 감사합니다.

스테파노 Stefano

09-03-05 17:29

질문의 요지가 다음 3개라고 보고 답변하겠습니다.
Qi) Vendor가 Process Gas 대신 N2로 Test Operation 실험결과를 보내왔는데 이 운전조건을 Process Gas로 실험한 결과로 볼 수 있는지의 여부,
Qii) Compressor가 Surge Point까지 돌려보지 못했기 때문에 실험이 잘못된 것은 아닌가?의 여부, 그리고 Compressor가 잘못제작된 것은 아닌지의 여부,
Qiii) Surging Point에서의 유량 혹은 압력을 결정함에 있어서 실험결과는 2개의 운전조건만 나타내고 있는데 이로부터 Interpolation 해도 되는지의 여부, 그리고
Qvi) Surging Point를 Equation을 계산하여 예측하는 수식을 만들려고 하는데 Surge dp(x축)와 Compression Ratio(y축)의 관계식으로 구하는 것이 맞는지의 여부, 및 또 다른 방법이 있는지 여부.

위에 대한 답을 순서대로 설명하지요.

(Ai) N2를 사용하건, 다른 Gas를 사용하건 RPM을 달리하면서 Head와 유량 그리고 동력과의 관계 도표와 함께 Surging Point를 나타냈으면 그게 바로 성능시험결과로 얻어진 성능도표라고 보면 됩니다.
(Aii) N2로 실험히 Surge Point까지 실험하지 못한 이유는 아마도 Driver의 용량이 부족했거나, Gas 흡입에 제약을 받는 등 실제로 실험하지 못했었기 때문일 것입니다. 이는 아마도 Process가스를 사용한 Compressor의 정상운전과는 거리가 있는 운전조건을 벗어난 영역에 있었기 때문일 것이고 Compressor가 잘못만든 것이라고 보기에는 무리가 따를지도 모릅니다. 전문가의 도움으로 신중히 접급할 필요가 있는 사항입니다.

만일 의문이 있을 경우, Compressor의 "실험이 잘못되었다"라는 표현 보다는 "실험시의 (운전)조건이 다르다"라는 표현을 써서 Vendor와 협의해야 할 필요가 있습니다 .

"틀렸다"와 "다르다"는 것은 엄밀하게 구분되어야할 언어표현인것처럼..

(Aiii) Surging을 일으키는 점을 이어봐서 거의 직선을 유지하고 있으면 이를 Interpolation 해도 문제가 없을 것입니다.
만일 곡선이 되고 불확실한 영역이 있다면 직선을 운전가능영역으로 조금 옮겨 그리면 될 것입니다.
(이를 "그래도 되냐"고 Vendor에 문의하면 "그러세요"라고 답할 것입니다. 그게 더 안전할 터이니까요.)

(Avi) Compressor에서 Surging Point를 정확히 예측하는 수식을 접해지는 못해봤지만 (그게 있다면 아마도 Compressor의 Control System에서 내부 연산기능으로 숨겨져 있을 것으로 봅니다) 아래의 참고도면으로부터 아이디어를 얻을 수는 있을 것 같습니다.

http://images.google.co.kr/images?ndsp=20&complete=1&hl=ko&lr=&um=1&newwindow=1&q=Compressor+%22Surge+Point%22&start=0&sa=N

http://images.google.co.kr/imgres?imgurl=http://www.mygen.com/users/dbruce/myz31/TurboMaps/gt28rs.60mm.62trim.6ar.4000.jpg&imgrefurl=http://www.mygen.com/users/dbruce/myz31/TurboMaps/VG30ET%2520Engine%2520Air%2520Flow%2520and%2520Turbo%2520Compressor%2520Maps.htm&usg=__kQBtrxDM9Y-XUxZgwue7oUVA0jI=&h=978&w=813&sz=58&hl=ko&start=14&sig2=nBDPmq9wxGxjpQJ8dMQ9LQ&um=1&tbnid=528sxWnufSXeYM:&tbnh=149&tbnw=124&ei=G4mvSbSpH5ngsAP07qmSAg&prev=/images%3Fq%3DCompressor%2B%2522Surge%2BPoint%2522%26ndsp%3D20%26complete%3D1%26hl%3Dko%26lr%3D%26sa%3DN%26um%3D1%26newwindow%3D1

Compressor에서 Surging Point에서의 나타내는 공정변수들은 입,출구 압력, 유량이고 그밖의 공정변수들은 흡입 및 배출온도, 밀도, 분자량, 압축동력, 회전수, 효율 등과 같이 일정하게 유지되기 때문에 상수로 볼 수 있거나 앞에 나열한 변수로부터 구할 수 있는 값(종속변수)들입니다. 따라서 Surging Point에서의 입,출구 압력, 유량을 나타내면 될 것입니다. 만일 유량조차 일정하다고 하면(바꿔 말하면 밀도, 효율, RPM이 일정하다고 하면) Surging Point에서의 입, 출구 압력만을 나타내는 수식이면 될 것입니다. 즉 변수 두개와 Parameter 1개를 이용해서 도면상에 Surging이 나타내는 위치에서의 변수값을 나타내거나 일반화된 수식은 나타낼 수 있으나 Surging 현상을 파악할 수 있는 "지표"의 수식을 만들어 내기는 어려운 것 갘습니다.

위에 대한 답을 순서대로 설명하지요.

(Ai) N2를 사용하건, 다른 Gas를 사용하건 RPM을 달리하면서 Head와 유량 그리고 동력과의 관계 도표와 함께 Surging Point를 나타냈으면 그게 바로 성능시험결과로 얻어진 성능도표라고 보면 됩니다.  
(Aii) N2로 실험히 Surge Point까지 실험하지 못한 이유는 아마도 Driver의 용량이 부족했거나, Gas 흡입에 제약을 받는 등 실제로 실험하지 못했었기 때문일 것입니다.  이는 아마도 Process가스를 사용한 Compressor의 정상운전과는 거리가 있는 운전조건을 벗어난 영역에 있었기 때문일 것이고 Compressor가 잘못만든 것이라고 보기에는 무리가 따를지도 모릅니다.  전문가의 도움으로 신중히 접급할 필요가 있는 사항입니다.

만일 의문이 있을 경우, Compressor의 "실험이 잘못되었다"라는 표현 보다는 "실험시의 (운전)조건이 다르다"라는 표현을 써서 Vendor와 협의해야 할 필요가 있습니다 .

"틀렸다"와 "다르다"는 것은 엄밀하게 구분되어야할 언어표현인것처럼..
 
(Aiii) Surging을 일으키는 점을 이어봐서 거의 직선을 유지하고 있으면 이를 Interpolation 해도 문제가 없을 것입니다.
만일 곡선이 되고 불확실한 영역이 있다면 직선을 운전가능영역으로 조금 옮겨 그리면 될 것입니다.  
(이를 "그래도 되냐"고 Vendor에 문의하면 "그러세요"라고 답할 것입니다.  그게 더 안전할 터이니까요.)

(Avi) Compressor에서 Surging Point를 정확히 예측하는 수식을 접해지는 못해봤지만 (그게 있다면 아마도 Compressor의 Control System에서 내부 연산기능으로 숨겨져 있을 것으로 봅니다) 아래의 참고도면으로부터 아이디어를 얻을 수는 있을 것 같습니다.

http://images.google.co.kr/images?ndsp=20&complete=1&hl=ko&lr=&um=1&newwindow=1&q=Compressor+%22Surge+Point%22&start=0&sa=N

http://images.google.co.kr/imgres?imgurl=http://www.mygen.com/users/dbruce/myz31/TurboMaps/gt28rs.60mm.62trim.6ar.4000.jpg&imgrefurl=http://www.mygen.com/users/dbruce/myz31/TurboMaps/VG30ET%2520Engine%2520Air%2520Flow%2520and%2520Turbo%2520Compressor%2520Maps.htm&usg=__kQBtrxDM9Y-XUxZgwue7oUVA0jI=&h=978&w=813&sz=58&hl=ko&start=14&sig2=nBDPmq9wxGxjpQJ8dMQ9LQ&um=1&tbnid=528sxWnufSXeYM:&tbnh=149&tbnw=124&ei=G4mvSbSpH5ngsAP07qmSAg&prev=/images%3Fq%3DCompressor%2B%2522Surge%2BPoint%2522%26ndsp%3D20%26complete%3D1%26hl%3Dko%26lr%3D%26sa%3DN%26um%3D1%26newwindow%3D1
 
Compressor에서 Surging Point에서의 나타내는 공정변수들은 입,출구 압력, 유량이고 그밖의 공정변수들은 흡입 및 배출온도, 밀도, 분자량, 압축동력, 회전수, 효율 등과 같이 일정하게 유지되기 때문에 상수로 볼 수 있거나 앞에 나열한 변수로부터 구할 수 있는 값(종속변수)들입니다.   따라서 Surging Point에서의 입,출구 압력, 유량을 나타내면 될 것입니다.  만일 유량조차 일정하다고 하면(바꿔 말하면 밀도, 효율, RPM이 일정하다고 하면)  Surging Point에서의 입, 출구 압력만을 나타내는 수식이면 될 것입니다.  즉 변수 두개와 Parameter 1개를 이용해서 도면상에 Surging이 나타내는 위치에서의 변수값을 나타내거나 일반화된 수식은 나타낼 수 있으나  Surging 현상을 파악할 수 있는 "지표"의 수식을 만들어 내기는 어려운 것 갘습니다.