Stonewall은 centrifugal compressor의 운전조건에서 sonic에 접근하게 될 경우 주로 impeller eye근처에서 발생할 수 있다. 가스 유속이 sonic에 접근하면 choked가 되어 pressure ratio가 더 감소하더라도 유량은 증가하지 않게 된다.
과거 원심압축기의 stonewall현상은 그리 중요하지 않은 것으로 여겨졌으나 최근 사고 유형을 보면 장기간 stonewall현상이 발생될 경우 impeller cover나 blade에 심각한 fatigue failure가 일어나는 것으로 보고되고 있다. 이와 더불어 sonic 영역에서 엔트로피 증가로 인해 온도가 급격히 올라가기도 한다.
프로젝트 진행단계에서 compressor characteristic curve나 design data를 review하는 것만으로 민감한 stonewall현상에 충분히 대응하도록 설계되었는지 여부에 대해 판단하기에는 어려울 수 있다. 그래서 보통은 신뢰도가 높은 compressor dynamic simulation을 통해 stonewall control system이 적절하게 control되는 지를 결정할 수 있다.
Stonewall을 방지하기 위해서는 compressor의 압축비를 높이는 것으로, 이는 주로 후단에 밸브를 설치하여 압축비가 급격히 줄어드는 것을 피하기 위해 modulating한다.
일반적으로 적용하는 compressor control이나 protection scheme은 stonewall을 예방하기 위해 효과적이지는 않으며, speed adjustment나 recycle 또한 효과적이지 못하다. control system이 stonewall에 대해 유효하게 작동하기 위해서는 다음과 같은 action이 요구된다. 먼저, discharge flow control valve를 설치하고 compressor를 통한 유량을 인지하기 위한 flow meter를 설치한다. Suction과 discharge에서의 압력측정용 계기를 설치하고 stonewall limit line에 대한 control algorithm을 incorporation한다.
위와 같은 계기 및 program을 통해 control system은 유량 및 압축비를 이용하여 stonewall limit의 위치를 예측하고, stonewall limit에 접근하면 control system은 discharge control valve를 modulation하여 압축비가 더 떨어지지 않도록 한다.
에틸렌 플랜트내 4단 propylene 냉동 컴프레서의 세번째 단 후단으로부터 side draw가 있으며 여기에서 extraction된 가스는 C2 splitter의 reboiler heat source로 사용된다. 만약 start-up시 C2 splitter reboiler로의 유량이 줄 경우 네번째 stage은 stonewall condition으로 pushing되며 세번째 stage는 surge상태가 될 수 있다.
네번째 stage를 통한 모든 흐름은 세번째 stage에서 오며, 만약 위와 같이 세번째 stage가 restriction될 경우 세번째 stage의 후단압력은 크게 증가하고 결과적으로 네번째 stage의 압축비는 급격히 떨어지게 된다. 이로 인한 네번째 stage에서의 압축비의 급격한 감소에 따라 네번째 stage는 stonewall에 직면할 수 있다.
이를 예방하기 위해 세번째 stage의 side draw에 stonewall control valve를 설치하여 start-up시 reboiler로 가는 흐름이 감소할 경우 이 밸브를 열어 네번째 stage에서의 stonewall이 발생되지 않도록 한다.
Surge를 방지하는 기술과 유사하게, stonewall 예측 알고리즘은 압축비를 계산하여 주어진 유량에서의 stonewall이 발생되는지를 예상하며, stonewall현상으로부터 약간의 운전 마진을 고려하여 stonewall controller set point를 설정하므로서 적기에 지나친 흐름을 방지할 수 있다.
Surge
후단이 막혀 흐름을 유지하기에 capacity가 급감할 때 dynamic compressor내 흐름의 역전현상이 발생할 수 있으며 이를 surge현상이라 한다. 압축과정에서 후단의 block과 같은 상황에서 압력이 최대 limit에 도달되며 compressor가 이 압력을 극복할 수 없어서 이제는 compressor를 통한 흐름이 후단 system이 아닌 compressor자체로 향하는 backward flow slip이 발생한다. 이 상태가 지속되면 compressor는 손상이 될 수 있어서 적절한 제어 및 예방이 필요하다.
surge현상으로 인해 예상되는 문제로는 역류가 발생되어 compressor내부에서 심각한 진동이 발생되어 내부 component에 손상을 주며 압축과정에서 열이 발생하는데 고온의 후단 가스가 역류되어 다시 압축되는 가스와 mixing되며, 이 과정에서 가스의 온도는 더 올라가게 되어 베어링이나 seal 등 compressor에 영향을 줄 수 있다.
Centrifugal compressor에서의 throttle surge는 후단에서의 일정한 압력은 유지하지만 유량이 surge line까지 감소할 때 발생되며 이를 방지하기 위해 surge point에 도달되기 전에 bypass valve를 open하여 compressor를 통한 흐름을 유지해야 한다. 아울러 natural surge라는 개념은 compressor가 낼 수 있는 가장 높은 압력을 초과하는 것이며 주로 rated pressure의 110%를 감안하다.
Surge로 인해 rotor bearing, rotor seal, compressor driver에 손상을 주고 전제적인 압축공정에 영향을 주며, 결국 온도 증가 및 진동이 증가되어 역류가 발생하게 된다.
일반적으로 design speed에서 design inlet capacity의 50%에서 일어나며, 이 때 증가된 후단 압력을 극복하기에 impeller에서 충분한 power가 available하지 않아 역류현상이 일어날 수 있으며 이로 인해 진동, 소음, 온도 증가 그리고 axial thrust가 급격히 변하여 내부 part나 driver에 손상을 줄 수 있어서 이 때 recycling을 통해 유량을 증가시키고 (kick back), speed를 감소하거나 차압을 줄여야 한다.
Stonewall
Stonewall은 위 chart의 surge point와는 반대방향에 위치한 운전점으로서 choke라고도 하며, compressor압력이 감소하면 유량이 full load로 증가하지만 stage를 통한 더 이상의 유량 증가는 발생되지 않게 된다. 이러한 현상이 지속되면 더 큰 차압 및 더 증가된 유량에서 cavitation와 같은 문제가 발생하여 심한 진동 및 또 다른 type의 surge를 야기할 수 있다.
Choke flow는 impeller가 handling할 수 있는 최대 유량으로서 이는 inlet gas velocity가 sonic과 같을 경우 발생되며 이는 impeller를 통한 가스 속도가 지나치게 클 경우 야기되며, 공정 시스템에서 요구되는 압력이 갑자기 감소하게 되면 compressor를 통한 부피유량이 크게 증가하여 choke가 일어나게 된다.
그래서 이를 방지하기 위해 후단에서의 흐름에 대한 저항을 일정 유지해야 하며, 이를 위해 anti choke valve를 사용한다. 따라서 stonewalling이 일어나지 않도록 흐름을 제한하기 위해 anti choke valve를 closing한다.
Oil & gas 분야에서 사용되는 원심 압축기는 다양한 운전 범위에서 운전되며 일반적으로 speed control을 하는 compressor는 surge 근처의 low flow나 choke 근처의 high flow범위에서 운전될 수 있다. 특히 높은 유량에서 운전하는 것을 제한하고 있으며, 이를 위해 choke limit, sonic limit를 규정하여 매우 낮은 압축비로 운전하지 못하게 하며 때문에 추가적인 throttle valve설치가 요구된다.
상대적으로 저압 및 고유량을 처리하는 경우 axial compressor를 사용하며 예를 들어 FCC의 main air blower이다. axial이나 centrifugal compressor의 안정적인 운전은 surge와 choke내에서 가능하며, surge는 compressor가 허용하는 최소 유량 이하로 줄어들 경우 역류를 통해 발생한다. 반면, choke는 compressor후단에서 흐름에 대한 저항이 충분하지 않아 (차압이 충분하게 작동하지 않아) 과량의 유량이 흘러서 발생하게 된다. surge보호를 위해서 control system이 available하지만, choke의 경우 가급적 Axial compressor의 unloaded운전 동안 deep choke는 피해야 한다.
Axial compressor에서는 위 그래프처럼 surge와 choke사이의 거리가 매우 짧다. 즉, 압축 stage가 증가할수록 압축비도 증가하지만 surge와 choke사이의 운전 마진은 감소한다. 일반적인 진동측정장치로 choke를 감지하기에는 쉽지 않아 axial compressor의 경우 deep choke를 인지하지 못한 채 unloaded 조건에서 오랫동안 운전이 될 수 있다.
Start-up시와 unloaded 운전동안 anti surge valve가 너무 많이 오랫동안 열리거나 후단 공정에 의해 back pressure가 없는 경우 choke가 일어날 수 있다. 만약 anti surge valve를 너무 큰 size로 설치했다면 start시 unloaded condition을 유지하기 위해 운전점이 안정화되도록 high travel limitation기능이 controller에 설치되어야 한다. Start-up시 deep choke condition을 피하는 것이 중요하다.
Compressor Choke나 Stonewall은 centrifugal compressor에서 일어날 수 있는 비정상 운전조건으로서 후단에서 낮은 압력과 높은 유량에서 일어나게 된다.
원심 압축기의 stonewall이나 choke point는 compressor discharge line상 흐름에 대한 저항이 급격히 떨어질 경우, 후단 back pressure가 낮아지게 되며 이로 인해 compressor output이 증가하게 된다. 따라서 centrifugal compressor를 통한 가스 속도가 증가하며 결국 sonic에서의 최대 속도에 다다를 수 있으며 이를 choke point 혹은 stonewall이라고 하고 이론적으로 이 이상의 유량에서 장기간 운전시 compressor에 damage를 줄 수 있다. 이러한 손상은 single stage뿐만 아니라 multistage compressor의 rotor와 blade에 심각한 손상을 야기할 수 있다.
이를 방지하기 위해서는 compressor후단에서 일정한 수준의 flow resistance를 유지하는 것이 필요하며 이를 위해 compressor outlet line에서의 anti choke valve를 이용할 수 있다. 그래서 compressor후단 resistance가 급격히 떨어지고 다시 유량이 증가하기 시작하는 stonewalling현상을 피하기 위해 이 밸브를 closing하여 증가하는 유량에 저항을 주어 안정적인 흐름을 유지할 수 있다.
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