3. 공기압축기 연결 파이프 공진

Vibration Correction of Reciprocating Air Compressor due to Attached Piping Resonance

 

3.1 背景 (Background)

5, 6호기 2대의 공기 압축기 모두 고진동이 빈번하여 전동기 손상을 가져오는 경우가 많아서 고진동의 원인 규명과 이 문제점의 해결을 위한 권고사항의 수립을 위하여 기술지원팀에 의뢰하였다.

 

3.2 分析結果 (Analysis Results)

그림 6-13과 6-14는 압축기 시스템의 구성과 진동측정 위치를 나타낸 것이다. 그림 6-13은 위치 10과 12사이의 외벽을 통해 파이프가 통과하는 것을 보여준다. 파이프는 이곳으로부터 공기 저장조에 연결되었다.

그림 6-13 6호기 압축기의 배관도

그림 6-14 공기 압축기에서 진동측정 위치

(1) 압축기의 상태

그림 6-15는 6호기 압축기의 위치 3H에서 취한 진동 스펙트럼이다. 이러한 기계에서 2차 왕복동 힘은 1×RPM에서 1차 왕복동 힘이 발생시키는 진동보다 더 큰 진동을 통상 일으키므로 이 그림은 1×RPM보다 2×RPM이 보다 큰 진동을 가지는 이런 형태의 압축기에서의 전형적인 스펙트럼이다. 그림 6-15를 보면 진동은 450 cpm (1×RPM)에서 0.173 in/sec이었고, 900 cpm(2×RPM)에서 0.196 in/sec이었으며 전체 진동은 0.268 in/sec로 이런 형태의 압축기에서는 매우 만족스러웠다.

그림 6-15 위치 3H에서의 진동 스펙트럼

이 압축기들은 기계 상태가 좋았고,적절한 관성 Block과 함께 적절히 설치되었으나 부적절한 경우도 가끔은 발견되었다. 5호기 압축기에서만 압축기와 관성 Block간에 약간의 이완이 있었으나 이때는 이것이 문제가 아니었다. 6호기 압축기의 최대 전체 진동은 위치 3H에서 0.268 in/sec이었으나 이런 형태의 압축기에서 통상 허용치는 0.50 in/sec이다. 압축기와 관성 Block간에 이완이 있는 5호기 압축기는 진동이 0.365 in/sec로 다소 높았으나 아직까지는 허용치 내에 있었다.

(2) 파이핑 진동

6호기 압축기의 배기관의 개략도는 그림 6-13과 같다. 고진동이 6호기와 연결된 Piping에서 발견되었다. 그림 6-16은 파이프가 외벽을 통하여 지나가는 곳에 가까운 위치 9에서 스펙트럼이다. 진동크기는 450 cpm(1×RPM)에서는 0.568 in/sec이고 900 cpm(2×RPM)에서는 1.55 in/sec임에 유의하라. 2×이상의 고조파 진동은 대단히 낮았다.

그림 6-16 Bracing전 6호기 배기관 위치 9에서의 진동 스펙트럼

왕복동 공기 압축기와 연결된 Piping은 압축기로부터 Piping으로 전달하는 가진주파수와 공진을 일으키는 일이 있다. 이런 형태의 압축기는 통상 1× 및 2×RPM에서 고진동을 일으키는 일이 있으므로 연결관의 고유진동수를 2개의 탁월 가진 주파수 각각으로부터 멀리 유지시킬 필요가 있다. 압축기의 가진 주파수들은 연결관 구조물의 기계적인 고유진동수를 가진하기도하고, 압축된 공기로 인한 압력 변동도 Piping내에서 음향적인 고유진동수를 가진 시킬 수 있다. 이것은 파이프내에 압력변환기를 설치하고 스펙트럼 분석용 FFT 분석기를 연결하므로써 검출될 수 있다. 따라서 먼저 발생된 기계적 고유 진동수를 점검하고 교정하기로 계획을 수립했다. 그런데도 진동이 계속 유지되면 압력 변동을 점검하기로 하였다.

있을법한 고유진동수들을 찾아내기 위한 시험을 하기 위하여 그림 6-13에 나타낸 각 위치마다 전체 Piping에 걸쳐 충격 고유 진동수 시험을 하였다. 몇 개의 공진점을 찾아냈는데 그 중하나가 벽에 가깝게 위치한 위치 9에서 특별히 탁월하였다. 그림 6-17은 6호기 Piping에서 가장 높은 진동을 가진 위치 9에서의 고유 진동수를 나타낸 것이다. 이 스펙트럼을 보면 파이프 고유 진동수는 870 cpm으로 900 cpm(2× 압축기 속도)의 압축기 주파수보다 겨우 3.3% 아래에 있다. 그림 6-18에서 보는바와 같이 5호기 압축기에서도 유사한 결과를 나타냈다. 여기에서도 가장 높은 진동은 2×RPM에서 0.743 in/sec인데 1×RPM에서는 겨우 0.289 in/sec이었다.

그림 6-17 Bracing전 6호기 배기관 위치 9에서 충격시험

그림 6-18 Bracing전 5호기 배관진동

3.3 勸告事項 (Recommendations)

공진이 발생한 바로 그 파이프 위치에 Brace를 설치할 것을 권고하였다. 단지 Brace를 설치하여 공진이 제거된다면 아주 효과적일 것이다. 그러나 구조물이 공진하지 않는다면 Bracing을 추가하므로써 실제로 힘을 증가시키고 이 힘은 손상을 초래할지 모르는 바람직하지 않는 위치로 바뀔 것이다. 따라서 공진이 존재하는가를 확인하는 일이 중요하다. 5, 6호기 압축기 배관에 공진이 존재함이 증명되었기 때문에 임시로 그와 같은 Bracing을 실시하고 그 결과를 평가해볼 것을 추천하였다.

 

3.4 措置 結果(Results of Corrective Action Taken)

그림 6-19는 6호기 위치 9에서 외벽과 파이프간에 Brace를 설치한 후에 취한 스펙트럼이다. 고유 진동수가 Bracing 이전(그림 6-17)의 870 cpm에서 Bracing이후(그림 6-19) 675 cpm으로 상당히 감소하여 이동되었다. 통상적으로 구조물과 공진 물체간에 Brace를 설치하면 운전 처짐을 감소시키기 때문에 고유 진동수는 증가하게 된다. 그러나 이 경우에는 Bracing으로 강성이 증가되었을 뿐만 아니라 이 시스템의 외벽의 질량과 연결되었기 때문에 질량도 크게 증가되었다(고유 진동수는 강성을 질량으로 나눈 값 즉 에 비례한다). 그림 6-19를 보면 Bracing후의 고유진동수는 675 cpm으로 450 cpm(1×RPM)과 900 cpm(2×RPM)의 중간 위치로 이동되었다(고유 진동수를 이 위치로 이동시키기 위하여 나사로된 봉을 사용하여 Brace Force를 조정하였다).

그림 6-19 Bracing후 6호기 위치 9에서 배기관 충격시험

그림 6-20은 고유 진동수를 공진점으로부터 멀리 떨어지게 이동시키므로써 6호기 진동이 얼마나 감소되었는가를 보여준다. 그림 6-20을 보면 1×RPM(450 cpm)에서 진동은 0.568 in/sec에서 0.085 in/sec로 85%나 감소되었다. 마찬가지로 2×RPM (900 cpm) 진동도 1.55 in/sec에서 0.141 in/sec로 91%나 크게 감소되었다.

그림 6-20 Bracing후 6호기 위치 9에서 배기관의 진동 스펙트럼

그림 6-18과 6-21을 비교하면 알 수 있듯이 5호기 압축기에 연결된 Piping의 공진 부위를 Bracing 하므로써 성공적인 진동 감소를 가져왔다. 1×RPM에서 진동은0.289 in/sec에서 0.175 in/sec로 감소되었고 반면에 2×RPM에서 진동은 0.743 in/sec에서 0.232 in/sec로 더 크게 감소되었다.

그림 6-21 Bracing후 5호기 배관 진동

이상의 내용을 종합해 보면 Piping 진동은 압축기 속도의 1배 및 2배 주파수에서의 공진을 제거하므로써 감소되었다. 이것은 고유 진동수를 가진 함수로부터 떨어지게 끔 Piping의 고유진동수를 변화시켜 얻어진 것이다. 따라서 Bracing은 대단히 유효한 것으로 증명되었고 또한 정확한 해결책이었다.

 

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