3단 왕복동 압축기 맥동분석

맥동 분석 (Pulsation Study)

음향(Acoustic), 진동(Vibration), API 618, API 688, Design approach 3, 왕복동 압축기(Reciprocating Compressor)

3단 왕복동 압축기(Reciprocating compressor)가 최초 시운전 이후 25년간 운전되고 있었으며, 발주처는 변경된 공정조건을 반영하기 위해 설비 개선 (Revamping) 작업을 진행하였습니다. 왕복동 압축기 자체의 설계 변경은 필요하지 않았으나, 흡입 (Suction) 토출 (Discharge) 측의 설계 압력을 수정하였으며, 토출측 배관 경로를 변경하였습니다. 이와 같은 이유로 신규 조건에 대한 맥동 분석(Pulsation Study)이 필요하게 되었으며, (주)이너턴스는 API 618의 Design Approach 3 설계 절차에 따라 왕복동압축기 맥동분석( 모델링, 3D 유한요소해석, 맥동가진진동, 배관 스트레스 검토)을 진행하였습니다.

목차 (Contents)

  1. 분석 범위 (Scope of this analysis)
  2. 모델링 현황 (Modeling status)
  3. 맥동 가진 진동 (Pulsation induced vibration)
  4. 피로 분석 (Cyclic stress)
  5. 소구경 배관 진동 (Vibration for small bore connection)

1. 분석 범위 (Scope of this analysis)

금번 프로젝트에서는 음향 분석(Acoustic Study)에 이어서 배관 진동을 평가하는 Design approach 3 분석 절차가 진행되었습니다. 기존 운전 조건에서 높은 진동이 확인되지 않았으며, 왕복동 압축기의 운전속도(Operating Speed)가 변경되지 않음에 따라, Cylinder와 Crank case에 대한 진동 분석 절차는 금번 설계 범위에 포함되지 않았습니다.

  • 기존에 수행된 Pulsation Study 내용 검토
  • 모델링 (Mechanical modeling)
  • 맥동에 의한 불평형 힘 적용 (Shaking force application)
  • 맥동 가진 진동 분석 (Pulsation induced vibration)
  • 진동 기준치 비교 (Vibration criteria)
  • 피로 검토 (Cyclic Stress)

3단 왕복동 압축기 API 618 – Design approach 3 설계 절차에 따라 분석된 맥동 분석은 다음과 같은 검토 내용을 포함하고 있습니다.

2. 맥동 분석 – 모델링 현황 (Modeling Status)

3D 유한요소해석(Finite Element Model)을 위해 기계 배관에 대한 모델링 작업을 수행하였으며, 배관 시스템의 모드 형상(Mode shape)과 고유진동수(Natural Frequency) 현황을 분석하였습니다. 왕복동 압축기의 운전속도와 배관의 고유진동수를 분석하여 시스템의 공진 여부(Separation margin)를 확인할 수 있었습니다.

3대의 왕복동 압축기 실린더, Surge volume과 배관 등이 모델링 되었으며, 아래 그림은 2nd interstage system에 대한 모델링 현황을 나타냅니다. 안전밸브(Pressure safety valve, PSV)를 통해서 Flare로 연결되는 2” 배관도 함께 포함되었습니다.

Mechanical Model for 2nd Interstage
[ Mechanical Model for 2nd Interstage ]

3. 맥동 가진 진동 (Pulsation Induced Vibration)

왕복동 압축기에서 발생하는 불평형 힘(Shaking force, Unbalanced force)은 Single acting (SA)의 경우 운전속도의 1배수 성분, Double acting(DA)의 경우 운전속도의 2배수 성분에서 가장 높게 발생합니다. 이러한 이유로 압축기 실린더와 연결되어 있는 배관의 고유진동수를 운전속도의 1배, 2배에 해당되는 영역에서 회피하여 설계해야 합니다.

본 프로젝트에서는 3대의 Compressor가 동일한 운전속도로 Double acting(DA) 조건에서 운전되는 상황을 고려하였으며, 맥동에 의한 불평형 힘은 운전속도의 20배수 범위까지 검토하였습니다. 보수적인 해석 (Conservative approach) 절차 접근을 위하여, 왕복동 압축기 3대의 Cylinder piston rod의 위상차(Phase Difference)를 고려하여, 맥동이 최대로 발생하는 Case를 선정하였으며, 그 검토 결과에 따라 배관 진동 크기를 분석하였습니다. 아래 그림은 2nd interstage 배관 시스템의 진동 분석에 대한 결과를 나타내고 있으며, 안전 밸브(PSV)에 연결되는 입상 배관에서 가장 높은 진동이 확인되었습니다.

Vibration for 2nd Interstage
[ Vibration for 2nd Interstage ]

2nd stage 배관 시스템의 경우, 설비 개선 (Revamping) 작업 진행 시 배관 형상과 경로는 변경하지 않았으며, 압력 유량 온도 등 공정 조건(Process condition)만 변경하였습니다. 이러한 이유로 기존 공정조건과 개선된 공정 조건의 진동 크기를 각각 검토하여 아래 그림과 같이 분석하였습니다. 공정 조건에 따른 분석 결과, 왕복동 압축기의 운전속도의 2배수 성분인 10Hz 주변에서 가장 높은 진동이 검토되었으며, 전 주파수 대역에서 유사한 크기의 진동이 확인되었습니다.

Vibration Amplitude for 2nd Interstage
[ Vibration Amplitude for 2nd Interstage ]

4. 피로 검토 (Cyclic Stress)

맥동(Pulsation)에 의해 발생되는 진동의 크기는 배관 시스템의 스트레스(Cyclic stress)를 유발하며, 이러한 이유로 맥동 분석 단계에서는 진동에 의한 스트레스 크기를 제한하고 있습니다. API 618에서는 370도 이하로 운전되는 Carbon stress 배관의 경우, 스트레스 크기가 전진폭 (Peak to Peak) 26,000 psi 이내로 되게 설계하도록 제시하고 있습니다. 본 프로젝트에서는 배관 형상 및 용접 이음 등에 의한 응력 집중(Concentration factor)을 고려하여 약 6,500 psi 수준으로 스트레스 기준치를 적용하였습니다.

3단 왕복동 압축기 - 배관 스트레스 검토. API
[ 배관 스트레스 검토 ]

맥동 가진 진동에 의한 배관 스트레스 크기 검토 결과, API 기준을 충족하는 약 0.5MPa 수준의 스트레스가 검토되었습니다.

5. 소구경 배관 진동 (Vibration for Small Bore Connection)

2” 이하의 소구경 배관의 경로 및 Support는 일반적으로 현장 맞춤에 의해 제작되고 최종 설치됨에 따라, 특별한 요청사항이 없을 경우 Pulsation study 검토 범위에 포함되지 않습니다. 맥동에 의해 발생하는 소구경 배관의 진동을 최소화하기 위해 설계 및 시공 단계에서 다음과 같은 사항을 고려할 것을 제안합니다.

  • 소구경 배관은 X, Y 등 2개소 이상의 방향으로 Support 적용
  • 적절히 지지되지 않은 밸브, 계장품 적용의 최소화
  • Support 사이의 거리 최소화
  • 소구경 배관의 직경 최소화

6. 키워드

  • 3단 왕복동 압축기 (Reciprocating compressor)
  • 맥동 (Pulsation)
  • 기계 진동 ( Mechanical vibration )
  • API 618, API 688
  • 스트레스 ( Cyclic stress )
  • 소구경 배관 (Small bore connection)
  • 불평형 힘 (Shaking force)
  • Forced response analysis

주식회사 이너턴스(INERTANCE Inc.)는 소음 진동 엔지니어링 업체로서, 맥동 평가를 포함하여 아래와 같은 유사 엔지니어링 업무 수행이 가능합니다.

문의 사항은 02-707-1545 또는 당사 이메일(mountain@inertance.com)로 연락주시면 성실히 업무 수행토록 하겠습니다.

왕복동압축기 맥동분석(Pulsation Study for Reciprocating Compressor)