1.서 론

1.1.연구 배경 및 목적

압축공기는 14세기부터 동력의 기계화 및 작업성을 향상시키는데 이용되면서 광업이나 건설업 등에 사용되 어 왔으며, 화학, 전기, 석유 및 철강분야에서 기술혁신이 진행된 제2차 산업혁명과 더불어 실제로 공압기술이 산 업에 적용된 것은 1850년 채광용 중기 드릴, 1880년 공 기 브레이크 및 1927년 차량용 자동문 개폐장치 등을 들 수 있다[5]. 특히 반도체, LCD 및 태양전지 등 클린룸을 활용하는 제조현장에서 요구하는 고순도 압축공기를 공 급하기 위해서는 초기투자시설로 고순도 압축공기 제조 시스템을 구성하는 것이 일반적이다.

과거 대량생산, 대량소비로 상징되던 개발주도형 시대 에는 고순도 압축공기 제조시스템의 구동에너지 측면보 다 Air Compressor의 고출력화 및 대용량화에 주력하였던 것이 사실이다. 그러나 저탄소 녹색성장에 대한 대응책으 로 소비전력 저감의 시대적 요구에 따라, 제조현장 전체 소비전력의 20~40%를 차지하고 있는 고순도 압축공기 제조시스템의 소비전력을 저감하기 위해서 이미 설치된 고순도 압축공기 제조시스템뿐만 아니라 신설 고순도 압 축공기 제조시스템의 에너지 절감에 대한 전문적이고 체 계화된 지식이 절실하게 필요하게 되었으며, Air Compressor 제조사들도 소비전력 성능, 대환경성 성능 및 제 어성능 등의 기술개발에 전력을 기울이고 있다[2, 3, 5].

지금까지의 에너지 절감은 기존 Air Compressor 제조 사에서 권장하는 주요 인자에 대한 개략적인 운전 범위 내에서 압력 및 노점 강하 활동, 압축공기의 누출 방지 및 개선활동, 휴무 및 야간 저 부하 대응 소형 Compressor 적 용 등 하드웨어 중심으로 개선활동을 추진했다면[6], 본 연구에서는 냉동식 Dryer와 흡착식 Dryer에 계측용 센서, 유량계 및 전력량계를 포함하는 모니터링 시스템을 구성 하여 운전 관점 개선에 주력하였다. 즉 흡착식 Dryer의 주요 인자인 재생 압력, heating 온도 및 재생시간에 대한 최적 조건을 파악하고, 흡착식 Dryer의 운전방식별 최적 인자 구조를 탐색하는 실험을 통해 고순도 압축공기 제조 시스템의 흡착식 Dryer에서 에너지절감을 최대로 할 수 있는 운전 조건을 제시하고자 한다[4].

1.2.연구 방법 및 내용

1.2.1.평가특성치의 선정

“A”사의 클린룸 생산현장에서 전기, 증기와 더불어 주 요 동력원인 압축공기는 ISO 8573-1의 Class 1이 요구되 며, 그 고순도 압축공기의 중요한 품질특성은 청정도, 압 력, 습도로써 그러한 항목들이 제조공정에서 요구하는 조 건을 충족시켜야 한다. 따라서 고순도 압축공기 제조시스 템의 기능이 잘 발휘되는지를 평가, 판정하는 것은 만들어 진 압축공기의 청정도, 압력, 습도를 측정, 평가하는 것이 타당한 것으로 보인다. 그러나 그런 항목들은 공정에서 요 구하는 최소한의 조건만 갖추면 되므로 합격, 불합격 또는 좋다, 나쁘다는 이분법적인 평가, 판정을 하기 때문에 고 순도 압축공기 제조시스템의 근본적인 기능을 제대로 평 가할 수가 없다. 고순도 압축공기 제조시스템은 전기라는 입력에너지를 사용해서 공기의 상태를 바꾸는 것이며, 전 기에너지를 공기의 상태변화라는 결과물로 얼마나 잘 변 환하느냐를 평가, 판정하는 것이 타당한 방법이다. 따라서 본 연구에서는 공기의 상태변화에 대한 고순도 압축공기 제 조시스템의 전기에너지 사용량을 평가특성으로 선정했다.

1.2.2.시료 및 실험 조건

본 연구는 생산을 수행중인 제조공정에 고순도 압축 공기를 공급하는 고순도 압축공기 제조시스템을 대상으 로 조건을 변경하면서 실험을 실시하였다. 따라서 그 시 료는 측정, 평가를 하고 난 후에 버리는 것이 아니고 제 품을 생산하는 제조공정에 그대로 공급을 하는 것이었 다. 즉, 조건을 바꾸면서 실험을 하더라도 시료로써 만들 어지는 압축공기는 모두 공정에서 요구하는 조건을 맞추 어야 하므로 정상적으로 조업이 이루어지는 상태에서, 제 조에 공급하는 고순도 압축공기를 시료로 사용했다. 그 러한 고순도 압축공기에 대해서 제품을 생산하는 제조공 정에서 요구하는 품질을 충족시키는 전제하에 흡착식 Dryer에서 주요 제어인자들을 변경시키면서 전력 사용량 과 purge량을 측정하여, 재생 에너지 비용관점 최적의 운 전조건을 찾기 위해 다음과 같은 방법으로 연구를 진행 하였다.

주요인자 실험을 통해 도출된 인자를 기준으로 Time 운전과 노점 운전에서의 Delay Time 적용, Delay Time과 PSR(Purge Stop Regeneration)을 적용한 실증실험을 통해 heating 시 사용되는 소비전력과 heating과 cooling시 소 모되는 purge량을 감안한 연간 재생비용 측면 비교분석 을 통하여 최소의 에너지로 공정에서 요구하는 조건을 갖춘 고순도 압축공기를 제조할 수 있는 운전조건을 탐 구하였다.

2.연구 방법

2.1.흡착식 Dryer의 주요 인자

2.1.1.재생 압력

재생 압력이 3.5 bar 이상은 노점온도(-80℃)의 관리 품 질에는 영향이 없으나 높은 압력으로 인한 흡착 겔의 파 손이 우려되고, 재생 압력 2.5 bar 이하에서는 흡착 겔의 수분을 충분히 건조 증발시키지 못하여, 재생 후 노점온 도(-80℃) 관리범위 이상이 되어 제조 생산 공정 품질에 영향을 미치게 한다.

2.1.2.Heating 온도

재생 시 관리되는 전기 heater 온도는 흡착제 겔의 재생 가능온도 315℃까지 상승 가능하나, purge 밸브의 packing 류 안전온도는 230℃까지 가능하므로 시스템의 설계시의 안정성을 고려하여 보통 210~220℃로 설정하여 운전한다. 현재 “A”사에 설치되어 있는 흡착식 Dryer의 전기 heater 사 양은 다음과 같다. 전기 heater 전원은 3상 380V, heater 용량 은 54kW, heater 발열량은 46,440 kcal/h(1kW-860kcal)이다.

2.1.3.재생시간

재생 tower의 재생시간은 heating과 cooling 시간으로 구분할 수 있으며, heating 시간과 cooling 시간은 각각 5~12hr을 설정할 수 있으며 공급 노점의 상태에 따라 서 시간을 가감 선택하여 운전한다. 재생시간의 설정은 흡착식 Dryer의 노점온도 공급 품질에 가장 큰 영향을 주며, 고순도 압축공기 제조시스템에서 Compressor 다 음으로 전력에너지가 소비되므로 재생시간의 단축이 요 구된다.

2.2.흡착식 Dryer의 주요 운전 방식

흡착식 Dryer의 운전방식은 크게 Time 운전과 노점 운 전으로 구분할 수 있으며, 노점 운전에서는 품질 대응을 위해 Delay Time 적용을 해왔고 추가적으로 재생시간 단 축을 통한 에너지 절감을 위해 Delay Time과 PSR을 적용 하게 되었다. 흡착식 Dryer는 보통 2개의 흡착제(Desiccant) tower를 갖고, 흡착(공급)과 탈착(재생)을 교대로 반 복하면서 수행하는데, 흡착과 재생을 하는 시간을 어떻게 적용하느냐에 따라 고순도 압축공기(Clean Dryer Air)의 품질과 그 시스템을 운영하는 데 소비되는 전기에너지의 양이 크게 영향을 받는다.

3.결과 및 고찰

3.1.Time 운전에 대한 실험 결과

현장 실험에서는 모든 인자를 가변시켜 볼 수가 없고, 가능한 인자도 한정된 범위에서만 가변시켜 볼 수 있다. 따라서 조절에 많은 제약조건이 따르고, 설정을 변경했 을 때도 실제 적용된 값이 설정된 값대로 되는 데 많은 시간이 소요되는 재생 압력과 heating 온도를 사전 실험 과 관찰을 통해서 최적의 단일 값을 찾기로 하였다.

3.1.1.재생 압력 변경 실험

재생 압력과 heating 온도의 최적 조건을 찾아보기 위 해서 먼저 재생 압력을 변경시켜 보았는데, 이 때 재생 14hr(Heating 7hr, Cooling 7hr), heating 온도는 210~22 0℃로 “A”사의 기본 운전 조건으로 설정했다. 설비의 사 용 재생 압력은 3.3 bar를 기본 조건으로 해서 추가 세 가지의 조건 3.0 bar, 2.7 bar, 2.5 bar로 실험을 실시했다. 그 결과는 아래의 <Figure 1>, <Figure 2>와 같이 총 4가 지 조건 모두가 공정에 맞추어줘야 할 노점온도를 충족 하였다.<Figure 3>

한편, 재생 압력이 낮은 2.5 bar에서 노점온도가 더 좋은 이유는 <Figure 4>에서 보는 바와 같이 재생 tower 상부의 높은 온도의 영향을 받았고, 낮은 압력으로 인 해서 공기의 유속이 상대적으로 느려서 기공 속에 있는 수분도 잘 걷어가는 효과가 있어서 재생 압력이 낮은 2.5 bar에서 가장 좋았을 것으로 예상된다. 재생 압력별 소비전력 측면에서 보면 <Figure 5>에서 보는 바와 같 이 2.5 bar일 때 소비전력이 가장 낮은 것으로 확인 되 었다.

3.1.2.Heating 온도 변경 실험

Heating 온도는 210~220℃, 재생 14hr(Heating 7hr, Cooling 7hr) 및 앞서 실험결과에서 도출된 2.5 bar를 기본 조건 으로 추가 세 가지의 조건 200~210℃, 220~230℃, 230~ 240℃의 구간별로 실험을 실시하였으며, heating 온도의 최 적 조건을 찾아보기 위해서 노점온도, purge 온도, purge 량 및 전력 사용량 등을 확인해 보았다.

Heating 온도별 실험 결과, <Figure 6>과 <Figure 7>에 서 보는 바와 같이 가장 낮은 heating 온도인 200~210℃ 에서 노점이 가장 좋았으며, 그 이외의 tower 상부 온도, purge 온도, heating 온도, cooling 온도, purge량 등은 <Figure 9>~<Figure 13>에서 보는 바와 같이 크게 유의차 가 없는 것으로 나타났다.<Figure 8><Figure 10><Figure 11><Figure 12>

Heating 온도가 가장 낮은 200~210℃에서 노점이 가 장 좋게 나타나는 이유를 밝히기 위해서 다른 영향인자 를 조사해 보았는데, 가장 높은 온도인 230~240℃와 가 장 낮은 온도인 200~210℃의 tower 상부온도가 215℃와 180℃, purge 온도가 110℃와 97℃, heating 구간의 온도 가 228℃와 208℃로 대략 13~35℃의 차이가 난다. 이와 같이 온도측면에서 차이가 나는데도 불구하고 가장 낮은 온도인 200~210℃의 노점이 가장 좋은 이유는 온도가 높을수록 좋은 것이 아니고, 어느 일정한 최소한의 온도 를 넘으면 온도에 의한 효과는 유의한 차이가 없기 때문 인 것으로 보인다. 즉, 온도라는 인자의 임계치를 넘으면 그에 의한 효과는 유의한 차이가 없고, 흡착식 Dryer의 구조나 gel의 특성에 가장 잘 작용하는 압력이라는 인자 의 최적값이 존재한다고 볼 수 있으며, 이번 실험의 경우 에 실험한 압력들 중에서는 2.5 bar가 가장 효과가 크다 고 볼 수 있다.

3.1.3.Time 운전 실험

지금까지 실험을 통해서 확인된 재생 압력과 heating 온도의 최적 조건, 즉 2.5 bar와 200~210℃의 조건에서 재생 공정의 heating 시간과 cooling 시간을 가변시켜서 시스템 작동 상태를 보기로 하였다.

먼저 재생 12hr(Heating 6hr, Cooling 6hr)으로 실험을 해 본 결과, 설정한 재생시간이 모두 경과되면 시스템이 tower 하부 온도를 점검하며, 이 때 tower 하부 온도가 60℃ 이 상일 경우에는 재생을 지속하고, purge는 계속 발생한다. 그러다가 tower 하부온도가 60℃ 이하로 확인 되었을 때, 공급과 재생 tower가 교체된다. 하지만 재생시간을 12hr 으로 운전한 결과, <Figure 14>~<Figure 17>과 같이 heating 온도, tower 상부 온도 및 purge량 등은 정상적인 상 태였으나, <Table 1>에서 보는 바와 같이 주어진 재생시 간 이내에 tower 하부 온도가 60℃에 도달하지 않았으며, 추가 재생 시간 18min 이후에 tower가 교체 진행 되었다. 그래서 동일 조건에서 heating 온도를 210~220℃로 올려 서 추가 실험을 진행해 보았으나, 이 역시 <Table 2>에 서 보는 바와 같이 주어진 재생시간 보다 12min 지연되 어 tower 하부 온도가 60℃에 도달함에 따라 재생 12hr 의 경우에는 Time 운전방식에서 제외하기로 하였다.<Figure 15><Figure 16>

다음으로 재생 14hr(Heating 7hr, Cooling 7hr)과 재생 16hr(Heating 8hr, Cooling 8hr)로 실험을 해본 결과, 노점 온도의 추이는 <Figure 18>에서 보는 바와 같이 정상적 으로 요구 규격을 유지하고 있었으며, 또한 tower 하부온 도가 재생완료 판단 기준온도인 60℃에 도달했는지 점검 했을 때, 정상적으로 도달하여서 잠금이 걸리지 않았고, 시스템도 안정적인 상태를 유지하였다.

Time 운전(재생 14hr : Heating 7hr, Cooling 7hr, 재생 16hr : Heating 8hr, Cooling 8hr)의 실험결과를 요약하면, 노점은 재생시간이 긴 16hr 재생 조건이 다소 좋게 나타 났으며, 소비전력 측면에서는 두 조건 모두 거의 차이가 없는 것으로 확인 되었다. 다만 두 조건의 차이는 재생시 간이 다름에 따라 tower 교체 횟수가 차이가 난다는 것이 다. 즉, 재생 16hr의 교체 cycle time이 재생 14hr의 cycle time보다 길기 때문에 동일한 시간 내에 교체 횟수는 재 생 16hr(연간 548회)의 경우가 재생 14hr(연간 626회)의 경우보다 적다. 이는 기계적인 Stress나 관리노력의 측면 에서 볼 때, 재생 16hr의 조건이 재생 14hr보다 유리하다 는 것이다. 하지만 재생시간이 길어짐에 따라 purge량이 증가하며, 전체 에너지 사용량 관점에서는 크게 차이는 없지만 재생 14hr(Heating 7hr, Cooling 7hr)일 때 연간 재 생비용이 가장 낮은 것으로 확인 되었으며, 이를 Time 운 전방식으로 선정하였다.<Figure 19><Figure 20>

3.2.노점 운전에 대한 실험 결과

3.2.1.노점 운전 실험

다음은 Time 운전 대비 에너지 절감을 위해서 tower 교 체 조건을 노점온도(-80℃)로 설정하여, 설정된 노점온도 가 될 때까지 공급하는 방식인 노점 운전을 통해서 노점 온도 유지의 한계점을 확인해보기로 했다. 그래서 재생 압 력 2.5 bar, heating 온도 200~210℃의 공통조건에서 재생 14hr(Heating 7hr, Cooling 7hr)과 재생 16hr(Heating 8hr, Cooling 8hr)의 두 가지 조건에 대한 실험을 실시하였다. 공급을 시작했을 때부터 일정 시간 경과시점까지는 노점 이 일정하게 유지되다가(재생 14hr의 경우 22hr, 재생 16hr 이 경우 24hr) <Figure 21>~<Figure 22>에서 어느 순간에 급격하게 노점이 상승하여 2hr 내에 설정된 노점온도에 도달하는 특성을 보였다. 따라서 급격하게 노점상승을 보 이는 시간을 확인하고, 이러한 특성을 반영하여 그에 따 른 정확한 교체시점을 설정해야 한다. 이번 실험에서는 노점 운전에서 공급 가능시간의 한계에 대한 확인의 의미 (재생 14hr의 경우 최대 24hr 공급 가능, 재생 16hr의 경우 최대 26hr 공급 가능)가 있으며, 각각의 공급시간과 재생 시간 및 공급 품질 안정성을 고려해서 Delay Time은 8hr 으로 실험하기로 하였다.

3.2.2.Delay Time 적용 실험

Delay Time은 노점 운전에서 노점 센서 문제 등으로 설 정된 노점온도 (-80℃) 이상으로 공급되는 품질문제를 방 지하기 위한 안전장치로 적용한 것이다. 실험시간을 단축 하고자 Delay Time 적용 실험을 진행하면서, 동시에 PSR 실험을 병행하여 다음 조건 즉, 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 200~210℃, 재생 14hr(Heating 7hr, Cooling 7hr), Delay Time 8hr(공급 22hr), purge 온도, heating 100℃, cooling 20℃로 실험을 한 결과, <Figure 23>과 같이 공급노 점은 규격을 만족하였으나, purge 온도가 heating시 최대 85℃로 낮았기 때문에 purge 온도를 변동시켜 추가 실험 을 실시하였다.

두 번째로 동일 조건에서 purge 온도를 heating 80℃, cooling 30℃로 실험을 한 결과, <Figure 24>에서 보는 바와 같이 공급노점은 만족하였으나, purge 온도를 확인해 보 았을 때, 다른 실험조건에 비해서 purge 온도가 heating시 최대 55℃로 많이 낮았다. 그래서 purge 온도가 낮은 원 인이 22hr 공급을 했을 때 22hr 동안 흡수되는 많은 수분 을 재생 14hr 내에 모두 건조시키기에는 시간이 짧은 것 으로 판단되었다. 이러한 운전을 계속 실시할 경우에, 불 완전한 건조 상태가 누적되면서 결국에는 공급노점에 이 상이 발생할 가능성이 있다. 이러한 예상되는 문제를 해 결하는 방법으로 재생 압력 및 heating 온도를 변화시켜 서 해결할 수도 있으나, 재생 압력과 heating 온도는 에너 지소비를 절약할 수 있는 조건으로 고정하기로 했기 때 문에 먼저 heating 시간과 cooling 시간을 변화시켜서 해 결방안을 찾기로 하였다.<Figure 25>

앞에서 노점 운전 실험 시 공급 가능한 최대시간이 24hr 로 확인되었는데, Time 운전을 통하여 기준 purge 온도 를 만족하는 재생시간을 찾기 위한 실험을 추가로 실시 하였다. 실험 방법은 실제로 운전을 하면서 heating시 purge 온도가 설정 기준값에 도달하면 heating을 종료시키고, cooling시 purge 온도가 설정 기준값에 도달하면 cooling을 종료시킨다. 따라서 설정한 재생시간인 24hr보다 실제 재생시간을 얼마나 짧게 할 수 있는지 확인실험을 하였다. 실험 결과, 노점은 <Figure 26>과 같이 규격(-80℃ 이하) 을 만족하며, purge 온도에 있어서 재생 24hr의 경우에는 heating시 10.5hr 만에 종료되어서 1.5hr 단축되었고, cooling시 6hr 만에 종료되어 6hr 단축되었다. 따라서 총 7.5hr 단축되었다. 추가로 최대 공급 가능시간 28hr에 대해서 실험한 결과, heating 시 12.7hr 만에 종료되어서 1.3hr 단 축되었고, cooling 시 5.5hr 만에 종료되어 8.5hr 단축되었 으며 총 9.8hr 단축되었다. 따라서 이 실험을 통해 PSR 적용 실험 시 공급시간은 24hr으로 설정하고, 재생시간은 16.5hr 전후로 종료된다는 것을 확인하였다.<Figure 27>

실험에서 도출된 재생 시간 조건에서 재생 압력과 heating 온도를 변화시키는 Delay Time 적용 실험을 실시해 보 았다. 재생 16hr(Heating 10hr, Cooling 6hr), Delay Time 6hr(공급 22hr), purge 온도는 heating 시 100℃, cooling 시 40℃의 동일 조건에서 재생 압력 3.3 bar, heating 온도 200~210℃와 재생 압력 2.5 bar에 heating 온도 230~240℃ 의 두 가지 조건으로 실험을 실시한 결과, tower 상부온도 는 <Figure 28>에서 보는 바와 같이 재생 압력 3.3 bar, heating 온도 200~210℃와 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 230~240℃의 두 가지 조건에서 모두 현재의 양산공정에 공급하는 조건인 176℃를 만족하고 있다.

Purge 온도는 <Figure 29>에서 보는 바와 같이 재생 압력 3.3 bar, heating 온도 200~210℃ 조건은 재생 시작 후 15hr 정도 경과 후에 40℃ 이하로 냉각되었으며, 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 230~240℃ 조건은 재생 시작 후 17hr 경과 후에 40℃ 이하로 냉각되었다. 이는 두 조건 모두 17hr 이후 에는 언제든지 tower 교체를 할 수 있는 상태가 되어서 공 급 22hr으로 운영하는 기준에 부합되는 상태를 보이고 있 으나, 재생을 완료할 수 있는 조건에 도달하는 것은 재생 압력 3.3 bar, heating 온도 200~210℃ 조건이 더 빠르다.

Tower 하부온도는 재생 압력 3.3 bar, heating 온도 200~ 210℃와 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 230~240℃의 두 가지 조건에서 모두 재생 시작 후 18hr이 경과한 후부터 60℃ 이하로 냉각되었다. 이는 purge 온도의 상태와 마찬 가지로 18hr 이후에는 언제든지 tower 교체를 할 수 있는 상태가 되어서 공급 22hr으로 운영하는 기준에 부합되는 상태를 보이고 있다. 따라서 tower 상부온도, heating 온 도, purge 온도, tower 하부온도 4가지를 종합해서 볼 때, tower를 교체할 수 있는 조건은 공급 22hr을 적용할 수 있는 조건은 모두 갖추고 있다고 판단된다. 하지만, 공급 품질은 만족하는 조건에서 연간 전체 에너지 사용량 관 점에서는 <Table 3>에서 보는 바와 같이 실험조건 재생 16hr(Heating 10hr, Cooling 6hr), 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 230~240℃, Delay Time 6hr(공급 22hr), purge 온 도는 heating시 100℃, cooling시 40℃일 때 연간 재생 비 용이 가장 낮은 것으로 확인 되었다.<Figure 30>

3.2.3.Delay Time & PSR 적용 실험

노점 운전에서 Delay Time을 적용한 실험은 공급시간 을 최대한 확대할 수 있는 시간이 어느 정도 되는지를 확 인하기 위한 실험이라고 할 수 있는데, 기본적으로 재생 이 완료되면 tower를 교체할 준비는 완료된 상태이나, 공 급중인 tower의 노점이 아직 수요 측의 요구수준을 만족 시키고 있는 상태라면 공급중인 tower를 계속 가동시켜서 한 번 재생한 결과를 더 길게 활용하는 운전이라고 할 수 있다. 이렇게 함으로써 가능한 한 적은 에너지로 재생을 실시하고, 일단 재생된 것을 최대한 길게 사용함으로써 에너지의 사용효율을 극대화하는 운전방식이다. 이를 위 해서 공급 품질은 만족하면서 에너지 비용을 최소화 할 수 있는 Delay Time & PSR 적용 실험의 기본 조건은 재 생시간 22hr(Heating 11hr, Cooling 11hr), Delay Time 2hr (공급시간 24hr), purge 온도 heating 100℃, cooling 30℃ 로 설정 후, 재생 압력과 heating 온도를 변화시키면서 최 적의 조건을 탐색하였다.

<Figure 34>와 같이 이번 실험을 실시한 고순도 압축공 기 제조시스템의 경우, 공급으로 교체된 직후에 공급되는 tower 상부에서 토출되는 공기의 온도가 약간 높더라도 냉동식 Dryer의 기능에 유의한 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다. 앞서 기술한 3가지 Delay Time & PSR 적용 실험조건으로 재생 압력 3.3 bar, heating 온도 200~210℃, 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 200~210℃, 재생 압력 3.3bar, heating 온도 220~230℃로 실험을 한 결과, <Figure 32>~ <Figure 34>에서 보는 바와 같이 노점온도, heating 온도, purge 온도 및 purge량 등은 3가지 조건 모두 공급 조건을 충족시키는 것으로 확인 되었으며, 연간 전체 에너지 사 용량 관점에서는 조건(재생 22hr (Heating 11hr, Cooling 11hr), 재생압력 2.5 bar, heating 온도 200~210℃, Delay Time 2hr(공급 24hr), purge 온도 (heating 100℃, cooling 30℃)일 때 연간 재생 비용이 가장 낮은 것으로 확인 되 었다.<Figure 31><Figure 33>

이번 실험을 요약하면, 흡착식 Dryer의 최적 운전방식 을 설정하기 위하여 먼저 현재 “A”사에서 운영 중인 기본 조건에서 재생 압력과 heating 온도별 실험을 통해 최적 인자(재생 압력 2.5 bar, heating 온도 200~210℃)를 도출 하였으며, 이를 통해 Time 운전에서의 공급 시간별 최적 운전 조건을 설정(재생 14hr : Heating 7hr, Cooling 7hr)하 였다. 그 다음으로 노점 운전에서는 먼저 노점 운전 실험 을 통해 최대 공급 가능시간(24~26hr)과 Delay Time(8hr) 을 확인 할 수 있었다. 또한, PSR 조건 설정 실험을 실시하 여 최대 공급시간(24hr) 기준, heating과 cooling시 purge 온도를 만족하는 재생시간(약 16.5hr)을 찾았으며, Delay Time 적용 실험의 최적 운전 조건을 설정(재생 16hr : Heating 10hr, Cooling 6hr, Delay Time 6hr, 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 230~240℃) 하였으며, Time 운전 대비 에너 지 사용량이 절감되는 것을 확인하였다. 마지막으로 앞에 서 실험한 최적 인자를 토대로 Delay Time과 PSR 적용 실험을 통해 재생 22hr(Heating 11hr, Cooling 11hr), 재생 압력 2.5 bar, heating 온도 200~210℃, Delay Time 2hr(공 급 24hr), purge 온도 heating 100℃, cooling 30℃를 Delay Time & PSR 적용 실험의 최적 운전 조건으로 설정하였다.

4.결 론

본 연구는 구미국가산업단지의 “A”사에서 설치, 운영되 고 있는 고순도 압축공기 제조시스템을 운영함에 있어서 흡착식 Dryer의 에너지 사용량을 최대로 절감할 수 있는 운전조건을 도출, 정립하기 위해 다양한 실험과 관찰을 진 행하였다. 실험과 관찰은 고순도 압축공기 제조시스템 가 동에 있어서 흡착식 Dryer의 주요 인자인 재생 시간, 재생 압력, heating 온도, 재생완료 후 교체시점까지의 Delay Time, 재생이 완료되었다고 판단하는 purge 온도를 가변 시키면서 공급시간은 확대하고, 재생시간은 단축할 수 있 는 운전조건을 탐색하였다.

또한 본 연구의 대상이 되었던 고순도 압축공기 제조 시스템은 양산 중인 공정에 고순도 압축공기를 공급을 하는 것이었으므로 모든 인자를 동시에 가변시키는 복합 적인 실험을 하는 것보다, 각 인자를 하나씩 가변시키면 서 그 최적조건을 탐색하고, 다음 또 다른 인자에 대해서 최적조건을 탐색하는 순차 최적화 방식으로 진행하였으 며, 다음과 같은 결론을 도출 하였다.

본 연구를 통해서 제품 제조상의 품질과 생산성에 지 대한 영향을 미치는 고순도 압축공기 제조시스템의 흡착 식 Dryer의 에너지를 절감할 수 있는 운전방법을 확보함 과 동시에, 장기적인 운전의 측면에서 볼 때 재생 압력, 온도, 시간이라는 주요 인자에 대해서, 그 인자들이 다양 하게 변화되었을 때 고순도 압축공기 제조시스템 작동상 의 안정과 불안정한 양상을 파악했다. 또한 그에 따른 고 순도 압축공기 제조시스템의 효율과 생산하는 공기의 품 질 상태를 파악함으로써 최고의 효율과 성능을 발휘하도 록 제어를 할 수 있는 기본 정보를 확보했다는 점에서도 큰 의의가 있다고 하겠다. 본 실험이 본격적으로 실시된 시기는 9~10월로써 계절적으로는 가을에 접어드는 시기 라고 볼 수 있다. 고순도 압축공기 제조시스템은 외부로 부터 흡입된 공기를 압축하여 생산현장으로 공급하는 장 비로써 외부 공기의 온도 및 습도에 영향을 받으므로 특 정한 시점의 운전조건을 모든 계절에 동일한 조건으로 운영하는 것은 타당하지 않다고 볼 수 있다. 따라서 전체 적인 운전조건을 정립하기 위해서는 각 계절별로 대표적 인 온도 및 습도 조건별로 운전조건을 탐색, 도출해서 사 계절을 포함한 1년이라는 전체 주기의 운전조건을 정립 해야 하는 것이 남은 과제라고 하겠다.