Compressor Aero design

Compressor, 압축기는 원하는 유체를 원하는 압력, 온도, 유량으로 전달해주는 기기이다.

EPC업체와 OEM 업체간의 소통은 말로하는게 아니라 공식적인 툴, Datasheet로 하게 된다.

언급했던 압축기 종류별 API datasheet 양식이 있고 첫 페이지가 바로 압력,  온도, 유량에 대한 것이다.

Pre-FEED, FEED 단계별로 나오는 조건들이 바뀔 수도 있으나 압축기 입장에서 보면 사이즈가 빠뀔정도로 변경되는 경우는 많지 않다.

프로세스 담당이 처음 이 Datasheet를 배포할 때 담기는 정보는 온전히 프로세스적인 것들이다.

Gas composition, 입력과  출력의 온도, 유량, 압력 및 운전 조건들로 OEM은 이 정보로 압축기 설계를 한다.

 

압축기 설계는 크게 공력, Aero, 과 System/기계, Mechanical 로 나눠볼 수 있다.

전체적인 사이즈, 성능, 시스템 구성을 결정하는 건 Aero이고 이걸 구현하고 운전하는 것을 정하는 게 Mechanical이다.

설계적인 관점에서 EPC와 OEM 엔지니어의 차이가 여기에서도 나오는데 OEM 엔지니어는 Aero 와 Mechanical을 같이 보지만 EPC 엔지니어는 Mechanical 쪽을 더 본다.

Job position에서도 OEM은 Aero engineer, Mechanical engineer, System engineer가 있으나 EPC에서는 Mechanical engineer, Piping engineer, Process engineer가 있다.

 

압축기를 설계하는 입장으로 돌아와서 보면 가격 견적을 위해서 압축기 모델 (사이즈), 단수, Power, 성능, System 구성 (Seal, Oil, Cooler 등)을 해야한다.

이 모든 과정의 기본은 공력, Aero, 설계이다 (보통 Aero는 Impeller라는 부품 (성능, 압력, 유량을 만들어 낼 수 있는 구성품)을 의미하는 경우가 많다).

내가 있었던 곳에서는 Aero 설계와 Cycle matching으로 구분해서 부르기도 했다.

프로세스 요구사항을 기반으로 설계점을 선정하고 (여러 운전 조건 중 가장 severe한 조건을 선정), 그 조건을 기준으로 1차 시스템 설계를 한다 (Compressor type에 따라 조금씩 다를텐데 나는 주로 IGC, Integrally geared compressor, 설계를 직접했었다).

여기에서 정한 각 Impeller의 형상, 사이즈를 정확하게 예측하는 성능 데이터를 입력하여 설계점에서의 최종 성능과 구성을 완성한다.

이 설계점 (= 결정된 압축기 모델, 사이즈)에서 다른 운전 조건의 운전 영역을 예측한다.

이건 내 경험인 IGC 를 기준으로 적는 것임은 감안해야한다.

 

Stage number, 단수, 는 간단하게 입력, 출력 압력의 비를 기준으로 하고, 각 stage 별 압력비는 경험, 회사의 가이드라인, Mechanical loading 등을 고려해서 정한다 (가장 간단한 gas 인 Air나 Nitrogen은 2 - 2.5 정도로 계산한다).

예를 들어, Air이고 atmospherice pressure에서 8 bar 정도의 출력 압력을 요구한다면 압력비는 대략 8 정도가 되고 이걸 stage에 배분하면 약 3 stage로 설계할 수 있다.

Gas type별로 보면 대략 이렇다.

이렇게 stage number를 정하면서 동시에 speed (언급했다시피 압축기는 회전기기이고 회전하는 힘을 이용해서 압력을 상승시키기 때문에 speed는 반드시 고려해야하는 텀이다)를 정하는데, Bull gear, pinion gear, bearing 파트가 주 대상이다.

OEM에도 mechanical engineer가 있어 설계 조건과 limit을 주는데 공력 설계자는 이 범위안에서 맞추려는 노력을 한다.

설계하면서 늘 부딪혔던게 성능을 중심으로 하는 Aero와 운전 안전과 운영을 중심으로 하는 Mechancial 과의 싸움이다.

 

대략의 흐름을 보면, 고객사의 설계 조건을 받게 되면 Aero engineer 가 하게 되는 일은 

• Number of stage: Overall head (pressure), Gear, Bearing load
• Impeller speed, diameter: Tip speed, Material, Structural limit
• Aero power, Gear loss: Total aero loading, Mechanical loading, Estimate loss
• Bearing: Minimize loss, Shaft strength, Rotordynamics
• Stage power, Heat duty: Estimate total power, Lube oil / Heat exchanger heat load and requirement
• Secondary gas path: Seal requirement, Leakages

각 아이템들 모두 혼자서 하는게 아니라 유기적으로 주고 받으면서 진행한다.

예를 들어 Impeller 에 대한 부분은 공력 (Impeller 형상 설계), Bearing은 Mechanical, Lube oil / Heat exchanger / Secondary gas path는 Aux. system 담당자와 세부 협의를 한다.

여기에서 EPC phase에 따라 대응이 달라지는데 Pre-FEED 정도면 모델, 사이즈, 성능 위주로 가격을 산정해서 대응하고, FEED가 되면 Mechanical과 Aux. system을 추가하고, EPC 가 실행되면 상세 정보를 다 업데이트하고 제출한다.

 

EPC 엔지니어는 OEM에서의 Aero data를 깊게 보지 못한다.

설계적인 것들이고 오픈하지 않는 것도 있기도 하기 때문이고 사실상 크게 중요하지 않은게 큰 이유이다.

다만 협의에 의해서 Impeller data를 받는 경우가 가끔은 있다.

반면에 OEM 출신인 나는 이걸 좀 중요하게 본다.

어떻게 설계했고 왜 이렇게 했는지를 대략 예상해볼 수 있기 때문이고 upgrade나 성능 개선 같은 가능성을 고려해서 설계적인 여유가 얼마나 있는지도 같이 볼 수있어서이다.

 

이 Aero 설계와 관련해서 볼 수 있는 용어들이 몇개 있는데,

• Mach number: Tip speed와 Speed of sound의 텀으로 operation range 등을 결정한다.

• Flow coefficient: Volume, Tip diameter, tip speed의 텀으로 flow condition을 결정한다.

• Reynolds number: Inertial force와 viscous forces의 텀으로 flow condition을 결정한다 (Turbulent 냐 Laminar냐)

• Tip speed: Impeller diameter와 speed의 텀으로 안정성을 결정한다.

• Surge: 유량과 압력의 텀으로 보는 운전 영역. Aerodynamic instability로 낮은 입구 유량, 높은 입구 압력 조건일 때 발생하며, Noise, Pressure pulsation, Vibration 등의 현상을 보인다. Anti-surge control은 반드시 고려되어야 한다.
• Choke: 유량의 텀으로 보는 unstable 운전 영역. 낮은 출구 압력, 높은 출구 유량일 때 발생한다. 보통 이영역은 성능 곡선에서 예측하기 때문에 그 부분까지 가지 않도록 입구 조건을 조절하면서 운전한다.

 

Performance curve라고 하는 성능 곡선은 압축기 Aero의 결과물이다.

모든 운전 조건에 대한 성능 곡선을 제공하고, EPC 엔지니어는 이걸 이해하고 프로세스 담당자와 운전에 대한 얘기를 할 수 있어야 한다.

• Turn down: 최대, 최소 유량의 텀으로 정의하는 압축기의 운전 영역
• IGV: Inlet guide vane, 입구 유량을 control
• Valve: 입구 압력을 control
• Speed: Driver speed를 control

압축기 aero는 이런 구성을 하고 있고 이 정보들을 다시 datasheet에 입력해서 완성해간다.

이후 OEM에서 업데이트하는 Mechanical 아이템들을 같이 넣게된다.