Compressor Efficiency

compressor는 화학공장에서 심장과 같은 매우 중요한 역할을 하며, 가스나 증기를 필요로 하는 압력으로 가압하기 위한 기기로서 효율은 compressor 성능을 평가하기 위한 critical parameter이다. 이 효율은 여러 종류가 있어서 이들에 대한 이해를 통해 운전의 최적화를 할 수 있다.

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일반적으로 열역학 계산은 이상적이며 가역공정에 대해 진행하고 그 결과에 대해 효율의 개념을 적용하여 실제 공정에 활용하게 된다. 압축공정은 3개의 이상적인 공정이 있는데, isothermal, isentropic, polytropic process이다. 이들 중 하나의 process를 통해 필요로 하는 power를 계산하고 outlet온도를 예측할 수 있다. 이중 isothermal process의 경우 실제 압축시 동일한 온도에서 진행되지 않기 때문에 basis로서 거의 사용되지 않는다.

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계산진행 절차로는 먼저 압축시 이상적인 isentropic (reversible or adaibatic) enthalpy change를 결정하고 이 때의 이상적인 일은 유량에 엔탈피 변화량을 곱해 계산한다. 그리고 여기에 efficiency를 고려하여 실제 요구되는 power나 outlet온도를 추정한다.

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vendor가 compressor head curve와 efficiency curve를 제공하면, head는 inlet조건에서의 실제 가스 부피 유량으로부터 결정이 되고, 두번째, head로부터 실제 work, 후단 압력, 후단 온도가 계산이 된다.

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compressor efficiency는 compressor에 의해 소모된 에너지 (외부에서 가해진 에너지)에 대한 compressor에 의해 만들어진 에너지 (공정의 압축시 요구되는 에너지)의 비율이다. compressor는 전기 에너지를 가스내에 존재하는 위치 에너지로 전환을 하며 이 과정에서 얼마나 효율적으로 압축을 하느냐에 따라 효율이 정의된다.

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압축과정에서 열이 발생하지만 지나친 열은 비효율을 의미하여 이러한 비효율적인 열을 managing하므로서 효율을 높일 수 있다. 즉, 마찰로 인한 heat loss를 최소한으로 유지하는 것이 효율의 관건이다.

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효율에 영향을 주는 요소로는 설계, 유지관리, 운전조건 그리고 load이다. 규칙적인 유지관리와 최적의 운전조건을 통해 더 높은 효율을 유지할 수 있고, 효율이 높을수록 더 적은 에너지를 소비하여 결국 운전비용을 줄일 수 있다.

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Isentropic Efficiency (state dependant)

이상적인 열역학 공정이며 가역 단열 압축 공정이다. 이 공정은 일을 전달할 때 마찰이 없으며, net heat flow가 없고 엔트로피는 일정하다. (등엔트로피 공정) isentropic 공정은 비가역적인 real process와 비교를 위한 model 혹은 basis로서 매우 유용하다.

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isentropic efficiency는 thermodynamic device가 얼마나 효율적으로 에너지를 전환하는지를 보여주는 척도로서 등엔트로피라는 이상적인 성능에 대한 실제 성능을 나타낸다. 따라서 이상적이며 가역 단열공정으로부터 실제공정이 얼마나 많이 이탈되어 있으며, 이상적인 최대 운전점 대비 얼마나 device가 잘 운전되는지를 보여준다.

 

isentropic efficiency가 100%라는 것은 에너지 손실이 없는 것을 의미하지만 실제 compressor나 터빈의 설계와 운전조건에 따라 보통 70~90% 범위이며, 터빈은 isentropic시의 work output에 대한 실제 work output의 비율이고, compressor는 isentropic압축시 요구되는 work에 대한 실제 work inout의 비율이다.

isentropic efficiency에 영향을 주는 요소로는 마찰손실과 주위와의 열전달이며 device내의 마찰은 열로서 에너지가 소모되어 이상적인 시나리오에서 예측하는 것보다 터빈의 경우 lower output을, compressor의 경우 higher input을 야기하고, 아울러 주위 환경과의 열전달은 압축시 온도와 압력을 변경시켜 이상적 거동으로부터 더 이탈시키게 된다.

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compressor의 isentropic efficiency는 isentropic 공정시의 work input과 실제 work input과의 관계이며, 이는 최소의 loss로 이론적인 최대의 압축을 달성하는 compressor의 성능을 알 수 있는 정보를 제공하며, 주로 air conditioning, refrigeration, natural gas processing분야에서 가스 압축 분석시 주로 이용된다.

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그래서 실제 compressor에 의해 요구되는 horsepower는 isentropic horsepower보다 항상 크다.

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온도,압력은 아래와 같이 열역학적 관계가 있으며 이에 따라 압축된 가스의 온도 (isentropic temperature)를 estimation할 수 있다.

PVk = constant (k=Cp/Cv)

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위와 같은 하나의 예에 대해 GPSA에 언급된 equation에 따라 계산할 경우

isentropic (adiabatic) head = 12030m

BHP=981.419kW = 981419kgm2/s3

gas mass flow rate=4477kg/h=1.2436kg/s

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isentropic efficiency=mass flow rate X polytropic head X 9.8m/s2 / BHP

= 1.2436 X 12030 X 9.8 / 981419

= 0.1494 = 14.94%

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hysys calculation = 15%

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Polytropic Efficiency: (path dependant)

polytropic efficiency는 isentropic기준 대비 압축이나 팽창공정의 효율이 어느 정도인지 비교를 하기 위한 효율로서, polytropic공정은 PVn=constant으로 표현되고, n은 polytropic exponent이다. polytropic efficiency는 가상의 isentropic공정에서의 일에 대한 실제 수행된 일의 비율이며, 실제 현업에서는 열전달이나 마찰과 같은 실제 factor를 설명하기 위해 polytropic efficiency를 이용한다. 따라서 압축 시스템의 설계와 최적화를 하는데 활용할 수 있다.

 

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압축이 진행되면서 압축비는 최대 배출압력이 될 때까지 압축경로를 따라 증가한다. 압축비가 변하면서 isentropic efficiency도 변한다. 따라서 압축경로를 무한적으로 나누어 매우 작은 step이 되면 각 step에서의 isentropic efficiency는 일정하게 된다.

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이러한 매우 작은 step에서의 일정한 isentropic efficiency를 polytropic efficiency라고 한다.

PVn = constant (n은 polytropic exponent임)

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GPSA에 언급된 equation에 따라 계산할 경우

polytropic head = 15440m

BHP=981.419kW = 981419kgm2/s3

gas mass flow rate=4477kg/h=1.2436kg/s

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polytropic efficiency=mass flow rate X polytropic head X 9.8m/s2 / BHP

= 1.2436 X 15440 X 9.8 / 981419

= 0.19173 = 19.173%

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hysys calculation = 19%

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이러한 효율의 차이를 이해하고 최적화하여 compressor 성능이나 신뢰도를 높일 수 있다.

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일반적으로 실제 효율을 언급할 때 기준점으로서 사용하는 것이 isentropic efficiency나 adiabatic efficiency로서 이를 기준으로 ideal modeling을 하여 여기에 loss나 마찰 등으로 사용되는 부분을 고려한 실제 power를 계산한다.

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isentropic은 compressor처럼 일을 소모하느냐 혹은 turbine처럼 일을 하느냐에 따라 다르게 정의될 수 있다.

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그 밖에 사용되는 efficiency들로는 Mechanical Efficiency, Volumetric Efficiency가 있으며, mechanical efficiency는 베어링이나 gear와 같은 기계적 부품에서의 loss와 관련된 효율이며 이는 loss가 없이 mechanical power input에 대한 유용한 power output의 비율이며 compressor의 기계적 측면을 유지하고 최적화하는데 활용된다.

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volumetric efficiency는 작동유체로 cylinder를 얼마나 잘 채우는지에 대한 측정으로서 compressor의 swept volume에 대한 압축 가스의 실제 volume의 비율이다. 이는 내연 기관과 같은 가스 부피의 정밀한 제어가 필요한 곳에서 활용될 수 있다.

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