왕복동 압축기

왕복동 압축기의 맥동분석(Pulsation study for Reciprocating Compressor)

API 618, API 688, 맥동 평가 절차 (Pulsation Design Approach), 음향 분석 (Acoustic Study), 불평형 힘 (Unbalance Shaking Force), 진동 분석 (Mechanical Vibration)

이너턴스(INERTANCE)에서는 왕복동 압축기의 운전 시 발생하는 맥동 진동에 대한 평가를 미국 석유협회 API 618에 따라 수행하고 있습니다. 배관 음향(Acoustic), 불평형 힘(Unbalance Shaking Force), 배관 진동(Pipe Vibration)을 설계 절차에 따라 분석하고, 맥동 저감대책으로 서지 볼륨(surge volume)을 설계하고 있습니다.

맥동 진동 분석, Pulsation Mechanical Vibration. Design Approach. 배관 진동. 서지 볼륨
[맥동 진동 분석, Pulsation Mechanical Vibration]
맥동 분석(Pulsation Study)의 평가 범위는 일반적으로 아래 내용을 포함하고 있습니다.
  • 맥동 크기 분석 (Pulsation Amplitude)
  • 평가 절차 단계 (Design Approach)
  • 왕복동 압축기 평가 (Reciprocating Compressor)
  • 미국 석유협회 API 618, API 688에 따른 분석
  • 서지 볼륨 선정 (Surge Volume)
  • 불평형 힘 분석 (Shaking force, Unbalance force)
  • 배관 음향 분석 (Acoustic Simulation)
  • 배관 진동 기준 평가 (Pipe vibration criteria)
  • 배관 수정 (Pipe Modification)
  • 배관 형상 및 구속 검토 (Pipe mechanical and restraint)
  • 시스템 고유진동수 평가 (Natural Frequency)
  • 분리 여유 검토 (Separation Margin)
  • 맥동 음향 제어 (Pulsation, Acoustic Control)
  • 헬름홀츠 주파수 분석 (Helmholtz Frequency)
맥동 분석의 목적은 왕복동 압축기(Reciprocating Compressor)에서 발생하는 맥동이 압축기 실린더(Cylinder)와 배관의 기하학적(Pipe Geometry) 형상에 따른 음향학적 결합(Acoustic Coupling) 현상을 분석하여 배관 시스템에서 발생 가능한 진동을 최소화하는데 있습니다. API 618, API 688에서는 이와 같은 맥동 설계 절차(Design Approach)를 규정하고 있으며, 각 단계별로 개략적인 내용을 소개하고자 합니다.
  • API 618, 5th, 2007, Reciprocating Compressors for Petroleum, Chemical, and Gas Industry Services
  • API 688, 1st, 2012, Pulsation and Vibration Control in Positive Displacement Machinery Systems for Petroleum, Petrochemical, and Natural Gas Industry Services

설계 절차 1단계 (Design Approach 1)

설계 절차 1단계(Design Approach 1)에서는 압축기 실린더(Cylinder)에 부착된 서지 볼륨(Surge Volume)의 크기를 선정하는데 그 목적이 있습니다. 서지 볼륨은 스누버(Snubber), 맥동 제어장치(Pulsation Suppression Device) 등으로 정의되기도 하며, 볼륨의 크기는 압축비(Pressure Ratio), 압축기 실린더 형상, 온도(Temperature) 등의 인자를 평가하여 됩니다.

맥동 분석 설계절차. Design Approach 1. 배관 진동. 서지 볼륨
[설계 절차 1, Design Approach 1]

설계 절차 2단계 (Design Approach 2)

설계 절차 2단계(Design Approach 2)에서는 배관 내부의 음향(Acoustic)과 지지 구속(Support Restraint)을 검토하게 됩니다. 음향 분석 결과를 통해서, 오리피스(Orifice) 추가, 배관 직경 및 경로 수정 등의 대책을 적용할 수 있습니다. 또한, 배관의 고유진동수(Natural Frequency)를 분석하여, 구속 종류(Support Type) 및 위치를 수정하거나 추가하게 됩니다. Pre-Study는 배관 경로가 확정되지 않았을 경우, 서지 볼륨(Surge Volume)의 크기를 설계 초기단계에서 확정하기 위해서 수행되며, 배관 경로의 설계가 마무리되었을 경우, Pre-Study를 생략하고 진행할 수 있습니다.

설계 절차 2. 배관 진동. 서지 볼륨
[설계 절차 2, Design Approach 2]

설계 절차 3단계 (Design Approach 3)

설계 절차 3단계(Design Approach 3)는 압축기 실린더(Cylinder)와 배관의 고유진동수(Natural Frequency)를 분석하여 맥동(Pulsation)에 의해 발생하는 진동의 크기(Vibration Amplitude)를 평가하는데 목적이 있습니다. 압축기 운전속도(Operating Speed)와 시스템의 고유진동수를 비교하여 분리 여유(Separation Margin) 기준이 만족하지 못 할 경우, 진동과 스트레스(Stress)의 크기를 정량적으로 분석하게 됩니다.

설계 절차 3
[설계 절차 3, Design Approach 3]

아래 그림들은 왕복동 압축기의 단면 & 서지 볼륨 형상, 맥동 제어(Pulsation Control)를 위해 일반적으로 적용하는 설계 장치, 배관의 고유진동수를 평가하는 사례를 보여주고 있습니다.

왕복동 압축기 실린더, 서지 볼륨
[압축기 실린더와 서지 볼륨, Cylinder and Surge Volume]
맥동 제어 장치
[맥동 제어 장치, Pulsation Control Device]
맥동 분석. 배관 진동
[배관 고유진동수 평가, Pipe Natural Frequency]

(주)이너턴스에서 최근 수행한 왕복동 압축기 맥동 분석을 소개합니다. 대상 왕복동 압축기는 300rpm, 3300kW의 압축기로서 25년 동안 가동되었습니다.

Acoustic Design, API 618, API 688, Design Approach 2, 왕복동 압축기

3단 왕복동 압축기(Reciprocating Compressor)는 최초 시공과 시운전 단계를 마무리 후 25년 동안 운전되었으며, 최근 플랜트 공장 운전 조건이 변경됨에 따라, 유지보수 수행 및 플랜트 개선작업(Revamping)이 요구되었습니다. 요구되는 공정 조건에 따라, 왕복동 압축기의 압축비 (Pressure ratio) 및 유량 (Flow Rate)이 수정되었으며, 배관 Route 변경작업도 함께 설계되었습니다.  이와 같은 변경된 공정 개선 조건 (Revamping condition)에 따라, 맥동 및 음향 분석 스터디 (Pulsation & Acoustic study)가 요구되었습니다. 해당 Study는 API 618 및 API 688 standard의 Design Approach 2 단계에 따라 분석되었습니다.

1. 프로젝트 업무 개요

수행된 맥동분석스터디는 API 618, API 688에 명시된 Design Approach 2 절차에 따라 수행되었으며, 아래와 내용을 포함하고 있습니다.

  • 기존 공정 조건의 맥동분석
  • 음향 분석을 위한 모델링
  • 현장 진동 측정
  • Cylinder 운전 조건에 따른 사례 분석
  • Design Approach 1 절차에 따른 Surge Volume Sizing
  • Design Approach 2 절차에 따른 음향 및 맥동 분석
  • 맥동저감장치에 따른 압력 손실

2. 기존 공정 조건의 맥동 분석

기존 공정 조건으로 운전 시, pulsation 발생 크기가 적절한지 확인하기 위해서, 맥동 스터디가 수행되었습니다.

  • 기존 공정 조건의 음향 및 맥동분석
  • 기 적용된 맥동저감장치의 설계 신뢰성 검토
  • 발생하고 있는 맥동 크기와 API 618에 명시된 기준치 비교
  • Suction, Inter-stage, Discharge 배관에 대한 검토 범위
  • 기존 운전 (Existing) 및 개선 운전(Revaping)에 대한 공정 조건 비교

3. 현장 진동 측정 

기존 공정 조건의 운전 범위에서 적절한 진동 수준을 유지하고 있는지 유무를 판단하기 위해, 압축기 및 배관에 대한 현장 진동 측정을 수행함. 측정된 진동 크기는 EFRC (European Forum for Reciprocating Compressors), ISO 10816-8, Wachel charge 등의 압축기 및 배관 진동 기준치와 비교 검토되었습니다.

  • 배관 진동 측정
  • 압축기 크랭크 케이스 (Crank case) 및 실린더 플랜지에서 측정
  • 압축기 및 배관 진동 기준치와 비교 검토
  • EFRC (European Forum for Reciprocating Compressors)
  • ISO 10816-8
  • Wachel chart

4. 운전 조건 사례 분석 (Pulsation Case Study)

왕복동 압축기가 병렬 운전 (Parallel operation)으로 가동 시, 맥동분석을 위한 사례 검토 과정에서는 가장 높은 pulsation 및 음향 크기를 발생시킬 수 있는 운전 조건을 찾아야 합니다. 이에 따라, 개별 압축기의 실린더 위치 (Cylinder phase difference)에 따라 발생할 수 있는 가장 높은 크기의 Pulsation을 예측하였습니다.

  • 병렬 운전 조건 확인
  • 왕복동 압축기의 Step operation 사례 확인
  • Single acting (SA) and Double acting (DA) 운전
  • 병렬 운전에 따른 압축기 실린더 위치 검토
  • 다수 압축기 운전에 따른 pulsation 영향 검토

5. 개선 공정 조건 (Revamping condition)의 맥동 분석

배관 시스템에 대한 음향 해석을 수행하는 맥동 스터디(pulsation study)의 설계 절차2(Design Approach 2)가 적용되었습니다. 해당 범위에는 Surge Volume 크기, 오리피스를 선정하는 맥동저감 설계가 포함되어 있습니다.

  • 맥동저감장치 디자인
  • Surge volume, Pulsation bottle, Pulsation suppression device
  • 압축기 실린더 플랜지에 적용되는 오리피스 설계
  • Pipe support span table
  • 배관 진동의 원인이 되는 맥동 외력 검토
  • 맥동 외력에 대한 적절성 확인
  • 위치: 실린더 플랜티, 배관, Surge Volume 등

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핵심 키워드

  • 맥동 분석, Pulsation Study
  • 배관 진동 분석, Pipe Mechanical Vibration Estimation
  • 고유진동수와 분리 여유, Natural Frequency & Separation Margin
  • 왕복동 압축기, Reciprocating Compressor
  • 서지 볼륨, 스누버, Surge Volume, Snubber
  • 맥동 불평형 힘, Unbalance, Shaking Force
  • 설계 절차, Design Approach

유사 사업 영역

주식회사 이너턴스(INERTANCE)는 소음 진동 엔지니어링 업체로서 상기 언급된 맥동 분석 (Pulsation Study) 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.

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