2. 각 Unit Operation 에대한고찰 Dynamic simulation에필요한아래열거한각unit operation에대한관련자료가 input이되어야한다. 2.1 Main stream 물질및열이동의 simuation boundary에서인입과출구을나타내며,unit operation 사이를연결하는역할을한다. Dynamic simulation에서는 boundary condition의 pressure specification과 flow specification을고정하여야한다. 2.2 Heat transfer equipment Air cooler, cooler/heater, heat exchanger, fired heater 및 LNG multi flow heat exchanger 가있다. 2.3 Piping equipment Mixer, tee, pipe, gas pipe, valve, 및 relief valve 로이루어진다. 2.4 Rotating equipment Centrifugal compressor or expander, reciprocating compressor 및 pump등으로이루어져있고,dynamic simulation에서는정확한자료를 input 하는것이중요하다. Rotating equipment 의 vendor data에대한자료의 input작업은중요하다. 특히 Centrifugal compressor의기본적인지식및경험이필요하다. Centrifugal compressor의 flow control은 Speed control Inlet guide vane throttling Suction valve throttling에의해이루어지고 Minimum flow때 surge 발생을방지하기위하여 Anti-surge controller가있으며공정 system의구성은 Parallel operation Series operation이있으며각 compressor간 Capacity control Load sharing control Discharge pressure control에대한 system구성이중요하다.
Centrifugal compressor 에대한용어및필요사항을요약하면아래와같다. 2.4.1 Compression ratio 한 stage 별로 suction pressure 로 discharge pressure로나눈값으로 compressor 의압력을결정하는 key factor이다. 이때 pressure는 absolute pressure를사용한다. 예를들어 suction이 0.5 kg/cm2g 이고 discharge가 3.5 kg/cm2g일경우 compression ratio는 F = 4.5 / 1.5 = 3 이다. 처음 compressor를대하는 engineer의경우 pump 의 differential pressure의개념과혼동하기쉬운대이는분명이구분되는것으로 pump의 differential pressure가 3인경우 suction pressure가 3kg/cm2g이면 discharge pressure는 3+3 = 6이된다. 하지만 compressor의 compression ratio가 3 인경우 suction pressure가 3kg/cm2g이면 discharge pressure는 4 kg/cm2a x 3 = 12 kg/cm2a 가되어 11 kg/cm2g가된다. 따라서 mult-stage compressing 의경우중간단의 pressure 를결정할경우다음과같이결정된다. Suction pressure가 0.5 kg/cm2g 이고 final discharge pressure 가 10 kg/cm2g 인경우 2 stage compressor의경우 compression ratio 는 F= ( 11 / 1.5 ) (1/2) = 2.708 이된다. 이에 inter stage cooler에의한 pressure margin을조금주어 2.85 정도결정되면무난하다. 이때중간 1 st stage discharge pressure는 P1= 1.5 x 2.85 = 4.28 즉 3.28 kg/cm2g가된다. 2.4 2 Adiabatic efficiency 모든기체는이상기체가아니므로 Isentropic efficiency는 compressor효율을따지는대별의미가없다. 따라서 adiabatic efficiency와 mechanical efficiency로효율을나타내는대 adiabatic efficiency는단열압축시이론상필요한에너지를실제 compressor가사용하는에너지로나눈값. 2.4.3 Performance map 보통 process compressor 의경우 pump의 performance curve와는달리 performance area, performance map이있는데즉하나의운전곡선을따라움직이는것이아니고어느일정한운전영역이있다. 이러한운전영역은 turbine driven compressor의경우 turbine 의속도에따라계속하여 performance curve가변하므로운전영역이생기는것이고 motor driven의경우 variable motor를사용할경우 turbine driven가같이 speed의변화에의하여운전영역이발생한다. 하지만 variable motor를사용할경우전기의 frequency를바꾸어줄수있는 frequency converter가있어야한다.
Fixed speed motor의경우는이와는달리 guide vane이라하여 compressor의 suction side에 blade와흡사한형태의 vane을달아서 compressor 에유입되는 gas를제어하여결국 guide vane의각도에따라 performance curve가생기므로운전영역을형성하게된다. Performance map은 compressor의운전상태를규정짖고또확인할수있는매우중요한 data로반드시보는법을알고있어야한다. 먼저왼쪽은 discharge pressure혹은 inlet pressure (Absolute pressure를많이사용함 ) 이고아래쪽은 mass flow 혹은 volume flow을나타낸다. 대표적인 speed curve혹은 guide vane 각도에대한 curve가있고위의연결선은 surge limit line 아래의연결선은 choking line이된다. Axial compressor performance map
Centrifugal compressor performance map
2.4.4 Surge 와 choking 의개요 Surge - Surging 현상은 compressible fluid (Gas or vapor) 를압축하는 compressor 에서많이일어나는현상으로 incompressible fluid 를압축하는 pump 의경 우 discharge line 이매우길거나 discharge line 의높낮이차가큰경우를제 외하고일반적인 process 에서는크게고민할필요가없다. 일상생활중에 많이일어나는현상중병에물을채운후갑자기꺼꾸로들경우물은쿨렁 쿨렁하면서물의흐름이일정하지않고병에약간에힘을가하며흔들림 이있다. 하지만병을천천히기우리면물은조금씩일정하게조용히쏟 아진다. 이와같이 compressor 에서도 compressor 의특성에의하여 operation 될 수있는 performance curve area 가있는대이 area 의 upper limited 를초과 한경우 surging 현상이나게된다. Surge의원인 - Surging 현상이일어나는이유는여러가지가있는대대부분이 process operation 상의문제에의하여발생된다. 1. Suction side의 flow가모자라는경우 2. Suction side 의 pressure 가올라가는경우 3. Discharge flow가 valve 등에의해 restriction 되는경우 4. Control system의 mal-function에의해 speed가갑자기올라가는경우 Surge 의현상 - 실제로 compressor에서 surge가생기면 compressor 에기계적으로 damage 를입게된다. 일반적으로 Vibration 이증가하고 rotor나 blade bearing pad등에무리를주어기계적인 damage가있다. 이때 compressor는 surge count가있는경우 surge count에의해 shut-down 되거나 Vibration high로 shut-down 된다. Choking - Choking 은 axial compressor 에서만있는현상으로기계적으로 centrifugal 과 는다른형태로기체를 compressing 하므로생긴다. 다음의그림에서보 듯이 centrifugal 의경우 discharge pressure 가낮은경우 casing 안에서 pressure 가많이 built-up 되지않고 pressure 의 profile 이 smooth 한반면
ressupressuaxial compressor는축방향으로기체를 compressing하므로각 stage 별로계속하여 compressing 하므로마지막 stage에서압축된기체가한꺼번에압력이낮아지면서모든운동에너지가마지막 blade에힘을가하여일어나는현상으로마지막 blade의온도가급격히높아지며 mechanical damage를입는다. axial compressor의 start-up시는항상 choking현상에걸리게되어있다. 이때빨리 anti-surge valve( 혹은 blow-off valve) 를정상 service하여주어 choking zone에서벗어나게해야한다. Choking 현상이일어나면가장먼저 vibration 이증가하고청음봉을사용하여 compressor의소리를들어보면쓰르르쓰르르하는압축기체가제한지역을팽창하며지나가는듯한소리가난다. 그러나 surging과는달리 vibration이 shut-down 될정도로심하지않으므로자칫하면발견하지못하고넘기는수가있다. AXIAL COMPRESSOR CENTRIFUGAL COMPRESSOR Choking critical PFIG. 1
2.4.5 Anti-Surge control Anti-surge control을이해하기위해서는먼저 performance map을이해해야하고 anti-surge control내에도매우복잡하고다양한구성을할수있는대여기서는 process engineer가 design시에알아야할사항과현장에서시운전시필요한사항에대해서만간략히다루겠다. 좀더자세한내용을보고싶은경우 Attached 된 CCC manual을참고바란다. Performance map 위의 Performance map에서 compressor가 pressure 에의하여 control 되고있을경우 normal operation시 A point에서운전되다가어떠한이유에의하여 suction flow가줄어들게되어 compressor는일정한 discharge압을유지하기위하여 B point로 operation point가옮겨지게된다. 이때부터 anti-surge control 는 compressor에일정양이상의 gas flow를유지하여주기위해서 control이시작된다. 더욱 suction flow가줄어들게되어 process에서들어오는 net gas 양이 point C 까지줄어들면 anti-surge control valve 는 open 되어 gap D 많큼의 gas양을 suction side로되돌리거나 blow-off 하여 suction gas의양을일정양계속확보하여 compressor의 operation point가 surge control line 을넘어가지않게끔
control 하는것이다. 여기에서가장중요한부분은 surge limited line으로이line을구성하여 controller 안에 configuration 하면특별한요구가없는경우나머지부분들도구성되는데자세한것은현장에서수행되어야할부분에서다루고먼저각 line의특성에대하여설명하겠다. - Surge control line Surge control line은 compressor가 normal operation시보통 surge control valve 는 fully close 되어 operation 되는대점점 surge zone으로옮겨가기시작할때 surge-control valve가 control이시작되는부분이다. 따라서 surge controller가정상작동중이고 valve에이상이없다면 control line 위에서 operation 되면서 control line 을따라움직이는수는있어도이를넘어가지는않는다. 물론 process 상의 gas양이갑자기변하는등의경우, gas의양은일정한대 speed가 performance controller에의해빠르게변할경우등은예외이다. - Recycle trip line 이미 surge control line을넘어서운전될때처음만나게되는현상으로 anti-surge controller는계속하여 compressor를정상화시키기위하여 valve 를 step function으로 opening한후천천히닫으면서 surge control line위로 operation point를 surge control line위로옮겨주려한다. Recycle trip이발생하면 compressor의보호를위하여 anti-surge controller 는 surge-control line, recycle trip line, surge limited line, safety on line을조금씩낯춘다. 따라서 surge control line위에서operation이가능한 point까지gas flow가확보가되어도이미모든 line들이조금씩옮겨져계속하여 recycle trip action을일으킬수있다. 이경우 controller에서 recycle trip ramp를확인하고 reset 해주어야만모든 line을정상 point로되돌려정상적인 operation이가능하다.
Recycle trip 의전형적인 valve response 는다음과같고 compressor 에서 flow 가서서히증가후갑자기줄어드는현상이아주주기적으로약 3-10 분 cycle 로일어난다. - Surge limited line 실제로 surge가일어나는 point로 compressor vendor가제공하는 surge line 이있고현장에서 test하여실제 surge point가일어나는 point를 test한후현장의여건혹은 owner의 preference에의하여결정된다. 어떻게결정하여야하는지는다음에서좀더자세히설명하겠다. - Safety-on line 이 point에도달하면이미 surge 가발생하고 controller는정상적으로 surge를 protection 못한것으로 anti-surge valve는완전히 full로열린다. 일반적으로 anti-surge controller 자체의 function 만으로는 compressor를 shut down 시키지않지만보통 compressor 에 surge count가있어이정도상태가되면 surge count에의하여 compressor는 shut down 된다. Antisurge controller에도 safety-on ramp가들어온다. 2.4.6 Anti-surge control valve 및 system 설계시주의사항 - Instrument system 다음의그림에서보듯이 anti-surge controller는 speed signal, inlet / outlet의 pressure, temperature signal과 flow signal를받는다. 보통 flow signal은어느한곳의 signal만을사용하는경우가많다. 이 signal들은 sensor에의해값이 pick-up된후 transmitter를거쳐 controller에전달되는대일반적인 transmitter의경우 repines time이매우늦다. 보통 process에서 step input
이있었을때 transmitter가 step값의약60-70% 값을나타낼때까지의시간으로보통약200 msec즉 0.2초를요구한다. 물론 speed signal의경우 governor에서 direct로 anti-surge controller로가므로고려하지않아도된다. Process사항은아니지만 anti-surge controller 에연결된 signal의경우보통 isolation barrier를요구하므로 compressor 발주시기계나계장에서확인해보아야한다. 또한 Anti-surge control vendor가각 instrument item의 range를요구하는대이경우정확한값을주어야하고 range가바뀌면즉시통보해주어야한다. 그리고각 signal의 sensing tube 의경우 tubing 안에서 condensate가생기는경우에대하여대비할수있는 design 이필요한데먼저 sensing tube line이 transmitter로들어가기전에 condensate drain pot를설치하여야하고 sensing line에 slope이 compressor나 line 쪽으로주어 transmitter로 condensate가들어가지못하고 compressor나 line으로빠지게끔하여야한다. 특히 air compressor system에서는 slope을주지않은경우 operation 후 transmitter의 mal-function에의한 shut-down이자주일어난다. 또한 transmitter의경우 vibration이심한 point에설치할경우 vibration에의한 nose가발생하므로 plate form 상에설치시이를고려하여 vibration 이심한지역을피해야한다. 현장에서 mechanical test run혹은다른이유에있어 surge test 이전에 compressor를돌릴수있는상황이있을수도있으므로 anti-surge controller vendor에게 initial로 compressor vendor가제공한 surge line을기준으로 configuration 할것을권장한다. 그러나 surge test 없이 compressor를정상 operation하는것은결코바람직하지않다. 그리고될수있는한 surge control valve의 opening percent를 PLC를거쳐 serial communication signal로 DCS에보내주는것이좋다. 그렇지않은경우는현장에서확인하거나 speed와 pressure등에의해 performance map 에서추정하게되므로 trouble시매우불편하다.
- Anti-surge valve sizing 일반적인 control valve의경우계속하여 opening되어 process를 control 하는것이지만 surge valve는빨리 surge 현상을해결하고 compressor를정상으로되돌려야하므로다른 control valve의 sizing보다큰 valve를요구한다. Rated capacity에서 compressor의 differential pressure와 capacity로 control valve를 sizing 한후 CV값의 1.8 2.2배로 CV값을결정하는방법과 Capacity가매우큰 compressor의경우 (FCC main blower등 ) maximum capacity에서 operation point discharge pressure와 maximum discharge pressure의 75% 중작은값으로 sizing하는방법이있다. 두가지방법모두사용해본결과별무리가없었다. - Anti-surge valve의 requirement Control valve의특성에는다음의그림에서처럼 equal-percentage, linear, quick opening type이있는데보통 linear 특성의 valve를많이요구는데요즘은 valve의특성에크게구여받지않고다사용할수있다고한다. 하지만대형 compressor의경우여전히 linear 특성을요구하는경우가많으므로반드시 vendor와 control valve characteristic에대하여 confirm 하여야한다. 다음은 valve의동작특성으로 opening시 3% 이상의변화가있을때 opening이시작되어야한다. 즉 controller 에서 0% 에서 3% 까지값의변화를주었을때 valve가 opening을시작하여야한다. 이것은 valve의특성이라고보기보다는현장에서설치시 positioner 와 tubing의 size, 길이등에좌우된다. 그리고중요한특성중하나는 valve opening 속도로 control signal에의하여
valve가 open 될때는 0% 에서 100% open 까지 2 초이내에열려야하고 logic에의하여 solenoid valve에의하여 open 될경우는 1초이내에완전히열려야한다. 이러한 time limitation은 actuator size와 air tubing size, length, positioner type 등에좌우되므로설계시반영하여 valve vendor가처음부터반영하도록하여야현장에서문제가없다. Valve의 close 속도는크게문제삼지않는다. 보통 anti-surge valve는 compressor의보호를위하여 fail open position이므로 instrument air가빠질때 valve 가 open된다. 때떄로이러한 time limitation을극복하기위하여 air line에 quick exhauster를달기도하는데이는바람직하지않다. 사용하여본결과 step wise 하게 valve가열리는경향이있어권장하지않는다. 이런경우는 actuator를바꾸거나 tube size를키우는것이바람직하다. 실제로큰 size(20 이상 ) 의 valve의경우이러한 time limitation을지키는데 instrument air를사용하는 pneumatic system으로는다소무리가있으므로 hydraulic system으로고려하는것이바람직하다. - Anti-surge valve의설치 1. Antisurge Valve는가능한한 Compressor Discharge에서가까울것. 2. Discharge 에서 Antisurge Valve까지최단거리로할것 3. Recycle 배관내에는 Check Valve 설치불가 4. Check Valve가 Downstream에있을것 5. Cooler가필요시분리하여설치요 (Antisurge & 공정측각각 )
2.4.7 Anti-Surge system 의주의점 2 CASING 에 RECYCLE VALVE 1 개를공유 : 응답속도늦음 Cooler 를공유하면 Recycle 동작이늦음
Cooler 지나서 Recycle : Lag Time 발생함 ( 피할것 ) Cooler 전에서 Recycle : 추천함 2.5 Separator operations : Separator, 3 phase separator, tank, short column 및 column component splitter 등으 로이루어져있다. 2.6 Column Distillation column, reboiler 및 condenser 등으로이루어진 reflux column 을말한다. 2.7 Reactors CSTR/general reactor, 및 plug flow reactor 등으로이루어져있다. 2.8 Solid separation operations: Simple filter, cyclone, hydro-cyclone, rotary vacuum filter, 및 bag-house filter 등으로이루어져있다. 2.9 Electrolyte operation Neutralizer operation, precipitator operation, crystalizer operation 등으로이루어져이 다. 2.10 Logical operation Adjust, balance, boolen operations, control operation, digital point, recycle, selector, block, set, spread sheet, stream cutter, transfer function, controller face 등이다. System전반의 process condition의 control등에필요하다. Event scheduler와 Logical operation등과는 sequence control, start-up, shut-down 및 simulator에서 cover하지못한부분의공정모사를하려고하는의도에맞도록일부보완하는데, 혹은공정모사를편하게사용되는기구이다. Event scheduler 및 integrator