[공학저널 송강식 기자] 압축기는 산업 현장에서 필요한 기본적인 유틸리티 중 하나인 공기를 공급하는 장비로 반도체, 전자, 조선업, 전기전자, 석유화학 등 거의 모든 제조업의 제조공정, 공압 공구의 동력, 공정용 기체공급, 분말의 운송·세척 등 넓은 분야에 걸쳐 활용되고 있다. 하지만, 압축기의 노후에 따라 성능저하가 일어나고 에너지 손실이 크게 발생되고 있어 성능과 에너지 효율을 향상시키기 위한 기술 개발이 필요한 상황이다.
대용량 터보공기압축기의 경우, 산업현장의 가장 큰 에너지 소비 유체기기이기 때문에 대용량 터보공기압축기의 노후화는 산업현장에서 가장 큰 에너지 손실을 초래하고 있다. 또한, 기존 대용량 터보공기압축기 운전효율은 생산의 효율을 높이기 위해 상대적으로 낮은 실정이었다.
터보공기압축기의 핵심구성품 중 공력부품인 임펠러, 디퓨저, 볼류트는 모터를 통해 전달된 에너지를 유체에 전달해 유체의 압력을 높이는 부품으로, 그중 임펠러는 원심력을 이용해 에너지를 유체에 전달하고 디퓨저와 볼류트는 유체의 운동에너지를 압력에너지로 변환하는 역할을 한다. 이러한 공력부품과 축계 관련 설계기술은 선진사로부터의 기술이전이 불가한 품목으로 이번 기술개발을 통해 터보공기압축기의 제한조건(케이싱 등)을 고려한 공력부품(IGV, 임펠러, 디퓨저, 볼류트) 맞춤 설계가 필요하다고 볼 수 있다.
이를 통해 등온효율을 향상시키고 가변운전을 통한 운전 효율 향상으로 높은 에너지 절감을 달성할 수 있게 된다. 나아가 미래 사회가 지향하고 있는 탄소중립과 에너지 효율증대에 대한 요구 실현이 가능할 것으로 예상되고 있어 이에 대한 기술개발이 활발히 진행되고 있다.
특히, 1,500HP급 터보 공기압축기의 가변속 개보수(Retrofit) 효율향상 기술 개발과 실증이 단연 눈여겨볼 연구다. 이와 같은 연구는 현재 국가 R&D 사업 중 하나인 ‘가변형 고효율 유체기기 핵심 기술 및 운영 시스템 개발’ 연구사업의 3세부 과제에서 수행되고 있으며, 주관기관인 ㈜대주기계와 참여기관 한국기계연구원과 연세대학교로 구성돼 있다.
주관기관인 대주기계는 기존 압축기 형상과 성능데이터 수집·분석, 개선 압축기용 구성품 제작과 공력성능 시험리그 구축, 단별 공력 성능 시험과 제어로직 프로그래밍, 개선 압축기 시스템용 구성품 제작과 회전안정성 시험, 개선압축기 실증 시험/결과분석을 하고, 참여기관인 한국기계연구원에서는 기존 압축기 공력부품 성능해석, 개선 압축기용 공력부품 설계 및 최적화, 개선 압축기용 공력부품 설계 보완, 압축기 토출압을 고려한 공력부품 수정 설계 기술 개발, 압축기 토출압을 고려한 공력부품 수정 설계 기술 개발을 담당하고 있으며 또 다른 참여기관인 연세대학교는 기존 압축기 실 누설유량해석, 기존 압축기 시스템 성능곡선도출 및 개선 압축기 실 누설량 계산, IGV 조건 및 회전수 조건에 따른 개선 압축기 시스템 성능곡선도 도출, 고효율 베인 디퓨저 설계조건 분석, 고효율 베인 디퓨저 설계조건 분석 및 설계방법을 개발하고 있다.
대주기계 이동인 부장(사진)은 “터보압축기의 핵심구성품인 공력부품과 축계 관련 설계기술은 선진사로부터의 기술이전이 불가한 품목으로 제품의 유지보수 측면에서 기술의 종속성이 매우 심한 분야”라며 “이번 기술개발을 통해 선진사로부터의 기술 종속성을 탈피할 수 있고, 핵심구성품의 설계기술을 확보해 OEM사로 발전할 수 있는 토대가 되며 터보공기압축기뿐만 아니라 냉매압축기, 프로세스압축기 등 다양한 터보기계의 국산화에 기여가 가능하다”고 말했다.
그는 이어 “기존 터보공기압축기 핵심구성품 수입 대체뿐만 아니라 국내 기술을 통한 기존 터보공기압축기의 유지·보수와 업그레이드, 터보공기압축기 안정성 향상에도 기여할 수 있다”며 “또한, 공력부품인 IGV, 임펠러, 디퓨저, 볼루트 최적화와 맞춤 설계 기술 확보로 부분부하 고효율 작동을 위한 IGV 제어 기술, 효율 공력부품 최적과 맞춤 설계 기술, 고효율 터보공기압축기 설계 기반기술을 구축할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
이뿐만 아니라 가변드라이브를 적용하는 부분부하 고효율 제어용 인버터 설계 기술과 고효율 작동을 위한 가변드라이브 제어 기술과 ICT 기술과 결합한 터보공기압축기의 상태모니터링 기술의 확보는 터보공기압축기의 운전효율을 높이고 유지보수 비용을 절감시킬 수 있을 것으로도 기대를 모으고 있어 대주기계를 비롯한 연구진은 기술개발에 집중하고 있다.
한편, 대주기계는 지난 1987년 8월 창립해 CDA(Clean Dry Air) System 관련 기술개발, 고품질설계, 고효율 장비 제작, 시공과 안정적 CDA 유지보수 등을 수행하고 있다. 이처럼 36년간 다양한 경험과 노하우를 기반으로 무사고, 무중단, 최고의 유지보수 제공을 통해 고객성공에 기여하고 있다.
이러한 CDA의 최고의 유지보수를 제공할 수 있는 것은 이번 연구과제와 관련 있는 터보압축기 1,500마력급 전문정비 자격을 보유하고 있고 전 세계 유일하게 15,000마력급 터보압축기의 전문정비자격을 보유하고 있기 때문이다. 또한, 2005년부터 1,500마력급 컴프레셔를 연평균 10.9대 공급한 실적을 보유하고 있으며, 2023년 현재 특허등록 92건, 출원 16건과 국내 최고 수준의 대학, 연구기관과의 연구개발 인프라가 구성돼 있어 이번 과제에 참여가 가능했다.
이에 이번 기술 개발이 2023년도에 1단계가 종료되는 시점으로 대주기계는 참여기관과 함께 1단계를 잘 마무리하고 2단계까지 기술개발을 충실히 수행해 개발한 기술의 사업화를 위한 준비도 이어나갈 예정이다.
이 부장은 “대주기계는 오래전부터 주력제품인 CDA를 통해 다수의 터보공기압축기를 다양한 사이트에 공급했고, 주요 고객은 반도체, 디스플레이, 전자 등 국가전략 핵심 산업”이라며 “그중 오래된 터보공기압축기부터 고객사에 개발된 기술을 적용해 에너지절감을 통한 고객사 제품의 경쟁력우위 확보로 초격차 유지와 국내 산업발전에 기여를 할 계획”이라고 말했다.
