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국내 플랜트산업의 급성장과 역량 확 대에 따라 플랜트의 핵심설비 중의 하나 인 산업용 압축기의 수요가 증가하고 있 다. 이 뿐만 아니라 차세대 청정 에너지 원인 천연가스 및 셰일 가스의 수요가 증 가함에 따라 가스의 채굴, 액화, 운송 등 에 사용되는 산업용 가스압축기의 수요 는 계속적으로 증가할 것으로 예상된다.
이러한 기회를 우리의 기계산업의 발전 계기로 삼고 플랜트산업의 경쟁력을 강 화할 수 있는 기회로 삼기 위해서는 산업 용 압축기 부분의 기술력 확보는 피할 수
없는 부분이다. 이에 따라 정부, 연구소, 산업체가 산 업용 압축기 개발에 노력을 경주하여야 한다.
산업용 압축기의 개요 및 특징
산업용 압축기는 모터, 가스터빈, 스팀터빈 등 구동 기의 회전력을 이용하여 공기나 가스를 압축하는 장 비로 터보형(Dynamic)과 용적형(Positive Displa cement)으로 구분된다. 터보형은 고속회전을 통해 공 기를 가속시켜 이 운동에너지를 압력으로 변환시키는 방식의 압축기이며, 블레이드의 형태에 따라 원심형 과 축류형으로 구분된다. 용적형은 회전 혹은 왕복 운
동에 의해 일정 용적을 압축하는 방식으로 압축기로 대표적으로 왕복동 압축기와 스크류 압축기가 있다.
터보압축기는 대형 압축기 구현에 수월하고 고효 율, 폭넓은 운영 영역의 확보, 부품의 반영구적 수명, 무급유의 구현을 할 수 있는 등 많은 장점을 가지고 있 다. 그러나 상대적으로 높은 초기 구매가격으로 사용 이 제한적이었지만 최근 에너지 가격 상승으로 인해 압축기 생애주기비용(life cycle cost)를 아낄 수 있어 사용이 증가하는 추세이다. 스크류압축기는 왕복동 대비 우수한 효율과 유량 조절 특성, 설치 공사의 용 이, 왕복동 대비 맥동 감소, 초기 구입가가 낮아 소형 압축기 시장에서 널리 사용되고 있으나 핵심 부품의
권 우 성 ㅣ 삼성테크윈 파워시스템사업부 수석연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
이 글에서는 플랜트의 핵심 설비로 사용되는 산업용 압축기의 산업 동향과 기술 발전 추세 및 국내 현황에 대해 소 개하고자 한다.
THEME
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산업용 압축기 기술 현황 및 발전
그림 1압축기의 압축 방식별 구분
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단수명과 소형 위주의 라인업 등의 단 점을 가지고 있다. 왕복동 압축기는 고압을 구현하기 쉬운 특징을 가지고 있으나 낮은 압축 효율과 부품의 단수 명, 압축공기 맥동 등 많은 단점이 있 어 현재에는 고압 응용에 한정되어 사 용되고 있다. 각 모델별 압축기가 적 용되는 유량과 압력을 표현하면 그림 2에 정의된 영역에서 사용되고 있다.
터보압축기 시장 동향
산 업 용 압 축 기 는 오 일 &가 스 (Oil&Gas) 시장의 증가에 따라 연평균 8%의 성장을 하여 2015년 320억 달러 에 이를 것으로 예측(Monitor Con sulting 시장조사 보고자료 (’10. 5.)) 되고 있는 성장 산업이다. 산업용 압 축기 시장 점유율을 살펴보면 플랜트 용으로 사용되는 산업용 터보식 압축 기의 경우 구주 몇몇 업체가 세계시장 을 과점하고 있는 상황으로 국내에서 소요되는 플랜트용 압축기의 전량이 수입에 의존하고 있는 상황으로 플랜 트산업의 경쟁력 확보를 위해 국내 산 업의 발전이 필요하다.
해외 업체의 최신 라인업 개발 동향 및 국내 국책산 업 수행 방향으로 판단할 때 터보압축기 개발은 고효 율화를 지향한 대형용량화와 고압 응용 분야 증가에 따른 고압화의 경향을 보이고 있다. 대형 압축기는 제 철소 산소공장, 반도체 공정용 가스 등을 생산하는 가 스분리 설비에서 설비의 대형화와 고효율화 요구조건 을 만족하기 위해 추진 중이며 SIEMENS, MAN 등은 약 50만 m
3/hr급 제품을 개발하여 상용화하였으며, 다
른 업체도 20~30만 m
3/hr 이상의 제품을 확보하거나 개발을 수행 중이다. 고압화는 가스압축기에서 이루 어지고 있으며 가스의 운반 손실감소 및 신규 액화공 정의 개발에 따라 고압의 가스압축기 소요가 증가하 고 있음에 기인하고 있다. 특히 가스의 채굴 깊이가 깊어짐에 따라 채굴과정에 사용되는 초고압의 압축기 개발도 이루어지고 있어 Dresser-Rand의 경우 700bar 수준의 초고압 압축기가 상용화되었다.
최근 해상플랜트 건설이 증가함에 따라 설치 면적
THEME플랜트기자재 기술개발 현황
그림 2압축기 종류별 사용 유량 및 압력 범위
그림 3최근 개발된 압축기 모델별 유량 및 압력
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을 최소화할 수 있고 가스 누설을 원천적으로 방지할 수 있는 AMB(Active Magnetic Bearing)와 고속모터를 적용한 완전 밀봉형태의 직구동형(Direct Drive) 압축 기에 대한 개발이 이루어지고 있다. 본 제품은 고속모 터를 적용하여 증속기를 사용하지 않고 압축부와 구 동부가 한 개의 축로 구성되었다. 또한 회전부를 AMB 로 지지하게 함으로써 윤활시스템을 제거하여 압축부 를 완전히 밀봉할 수 있는 구조가 구현되어 가스 누출 을 위한 시스템이 별도로 존재할 필요가 없는 구조다.
즉 증속기어, 윤활시스템, 씰 제어패널을 제거하고 모 터의 사이즈를 줄여 압축기 시스템의 설치 면적을 기 존 압축기 대비 1/5로 줄일 수 있다. 이러한 신개념의 제품은 Dresser-Rand, Siemens, MAN 등 산업용 압축 기 시장을 과점하고 있는 기업들이 개발하며 새로운 시장을 만들어가고 있으며, 현재 20MW급 수준의 제 품이 개발되어 상용화되고 있다.
AMB를 적용한 직구동형 방식의 제품은 진공 블로 워, 가스관(Pipeline) 압축기 등에 제한적으로 사용되 어 왔으나 AMB의 기술발전에 의한 신뢰성 개선과 고 속모터 기술의 발전에 따라 점차 사용 범위가 증가하 고 있으며 최근 해상플랜트용 고압 가스압축기뿐 아
니라 소형 터보 공기/가스 압축기 시장 에서도 제품이 출시되고 있는 등 향후 산업용 압축기 시장에 큰 영향을 줄 것 으로 전망된다.
터보압축기 국내 개발 현황
국내 터보압축기 개발 현황을 보면 가스터빈 국책과제/방산과제를 통해 확보한 압축기 설계, 제작/조립, 시운 전, 제어 등 관련 부분에 대한 기술을 바탕으로 1998년 첫 국내 터보압축기 제품이 개발된 이래 일반 산업용인 소 형 저압 공기압축기 제품군(200~2,500hp)을 독자의 기술로 확보하고 국내 시장 판매 및 해외 수출을 하고 있다. 그러나 플랜트의 핵심 설비인 프로세스용 압축 기인 대형 및 가스 압축기는 최근 개발이 시작되어 해 외 업체에 비해 기술력 및 경험이 부족한 상황으로 개 발 관련 기관의 관심이 필요한 상황이다. 특히 이러한 사업 부분은 설치 사례 및 검증에 대한 요구가 높은 분 야로 공공 발주 부분에 전략적인 적용 등 정부, 연구기 관, 산업체의 유기적인 협력이 없이는 진입이 힘든 분 야이다.
대형 공기 압축기는 10만 m
3/hr급 제품이 국내 개발 이 완료되어 석유화학 설비의 공정용(Process) 압축기 로 상용운전이 수행되고 있다. 30만 m
3/hr급 제품의 경우 개발을 위한 기초 검토를 수행하고 개발을 추진 중에 있고 해외 경쟁사와 경쟁을 위해 47만 m
3/hr 제 품의 개발을 계획하고 있다. 대형압축기는 대형 기어 의 고속회전에 따라 고 정밀도 기어 제작 기술이 필요 하다. 또한, 대형화에 따른 시스템 민감도의 증가로 시 스템 진동해석 기술이 요구되며, 에너지 절감을 위한 임펠러의 간극 누설을 최소화하기 위한 고효율 슈라우 드(shrouded) 임펠러 설계 제작기술 등이 주요 핵심 산업용 압축기 기술 현황 및 발전
그림 4직구동형(Direct Drive) 압축기 구현 시 크기 비교(Dresser-Rand 사)
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기술로 대형 압축기 개발에 필요한 기술 부분이다.
가스압축기는 국책과제를 통한 개발경험을 바탕으 로 가스터빈 연료 공급용 압축기의 상용 개발이 이루 어 지 고 있 으 며 , KOGAS와 공 동 으 로 LNG용 BOG(Blow Off Gas) 압축기를 개발하여 압축기 입구 온도가 -120℃인 천연가스를 이용한 검증 시험을 완료 하고 국내 LNG 터미널에 확대 적용하고 있다. 또한,
LNG 액화용 C3/MR 냉매압축기는 2013년 플랜트 검 증을 예정되고 있는 등 비약적인 발전을 이루고 있다.
가스압축기 개발을 위해서는 고압 고밀도 운전에 따 른 로터 안정성 평가 기술, 가스 누설을 방지하기 위한 씰(Seal)설계 및 제작 기술, 다양한 가스 적용에 따른 내부식 소재 평가 기술 등이 필요하다.
THEME
플랜트기자재 기술개발 현황
그림 5국내에서 개발한 압축기 모델
