Development of an Integrated Oil Purification System

통합형 오일 정제 시스템의 개발

Abstract

This study presents the development of an integrated oil purification system consisting of moisture removal, oil flushing, and oil filtering devices. In this system, the oil flushing device is combined with a micro-bubble generator. Oil purification is necessary for ensuring the high performance of the lubricant through the efficient removal of contaminants and thus enables good maintenance of mechanical systems. The developed purification system removes moisture, varnish, and solid particles. Moreover, during oil purification, the oil flushing device separates foreign materials and contaminants remaining in the lubricating oil piping or mechanical systems. The microbubble generator, which is combined with the oil flushing device, can separate harmful contaminants, such as sludge, wear particles, and rust, from piping or lubrication systems through the cavitation effect. Moisture is removed using a double high-vacuum chamber, while sludge and varnish are removed via electro-absorption using a high-voltage generator. Additionally, the total maintenance cost of the system is reduced through the use of domestically fabricated cartridge filters composed of glass fiber and cellulose. The heater, which maintains the temperature of the lubricant at 60℃, can process 41,000 L of lubricant simultaneously. Multiple tests confirmed that the proposed integrated purification system exhibits good performance in oil flushing and removal of water and varnish.

1. 서론

기계시스템과 윤활시스템을 유지, 보수 측면에서 효과적으로 운영하기 위해 보전 전략(maintenance strategy)을 적용하고 있다[1]. 기계시스템의 고장이나 파손 이후에 그 원인을 파악하여 보전 활동을 하는 사후보전(corrective maintenance)은 과거에 많이 활용을 하였으나, 지금은 유 용성 측면에서 보다 효과적인 예방 보전(preventive maintenance)이나 선행 보전(proactive maintenance)전략을 추구한다. 예방 보전과 선행 보전은 주기적인 측정 또는 센서 기반의 상시 감시를 통해 고장을 미리 예측하여 큰 파손을 방지하는 방법이다. 윤활유의 오염물을 제거하는 정제 방법은 기계시스템의 효과적인 예방 보전과 선행 보전 전략의 하나이다[2]. 윤활유의 오염원은 Fig. 1과 같이 다양하다. 대기중에서 작동하는 기계시스템에서는 수분이나 공기의 오염을 피할 수 없다. 해안이나 수분이 많은 작동 환경에서는 수분오염에 노출될 가능성이 더 높다. 그 외에도 열, 마모입자와 수트(soot) 같은 고체 입자, 연료, 용제(solvent), 부동액, 냉매, 부적합한 윤활유 등이 윤활유의 오염원이 된다[2-3]. 기계시스템의 종류와작동 환경에 따라 주된 오염원은 다르며 그에 따라 적절한 오염 관리가 필요하다. 작동 환경에서 윤활유의 오염원을 제거하는 것이 가장 효과적이나 대부분이 오염원을 피할 수 없는 작동 조건이므로 오염물질들을 효과적으로 제거하는 방법을 적용하고 있다. 대부분은 윤활유의 분석을 수행한 뒤, 관리 기준을 초과하였을 때 윤활유를 교체하는 방법을 적용한다. 그러나 윤활유의 교체는 유지, 관리측면에서 비용이 증가하고 환경적인 측면에서 사용된 윤활유의 화학적 처리 비용 등이 발생할 수 있다. 따라서 윤활유의 정제는 윤활유의 사용 기간 연장 그리고 윤활유 교체 빈도의 감소 효과를 가져올 수 있는 좋은 방 법이다. 윤활유의 정제 시스템은 Fig. 2와 같이 다양한 기계시스템에서 적용되고 있다. 고속철의 변속기 윤활유뿐만 아니라 탱크, 장갑차 같은 군용에 사용되는 엔진 윤활유, 선박에 사용되는 각종 윤활유, 건설장비 및 플랜트에 사용되는 윤활유 등에 정제 시스템이 적용되고 있다. 대부분이 사용하는 윤활유의 양이 많은 경우나 윤활유의 교체 비용이 많은 경우에 윤활유 정제 시스템을 적용하고 있다. 이는 윤활유의 사용 기간을 연장하여 윤활유의 유지, 관리 비용을 절약하기 위해서다. 그리고 윤활유의 오염물을 효과적으로 제거하는 것은 기계고장을 방지하고 기계시스템의 신뢰성을 개선하는 방법이기도 하기 때문이다. 따라서 원활하게 윤활유의 기능을 유지하고 기계시스템을 경제적이고 효과적으로 관리하기 위해서는 윤활유 정제 시스템 또는 정제 관련 기술이 필요하다. 본 연구에서는 윤활유 정제를 효과적으로 운영할 수 있는 통합형 윤활유 정제 시스템을 개발하였다. 통합형 윤활유 정제 시스템에는 마이크로 버블 장치가 결합된 플러싱 장치, 고전압의 전기 흡착 장치를 이용한 슬러지 제거 장치, 이중 진공을 이용한 수분 제거 장치, 유리섬유와 셀룰로스가 결합된 카트리지 필터 장치가 포함된다. 본 연구에서는 각각의 장치에 대한 특징을 소개하고 전체적인 시스템에 대한 성능 검정의 결과를 보이고자 한다.

Fig. 1. Contaminants of lubricant.

Fig. 2. Application of oil purification.

2. 본론

윤활유의 효과적인 유지 및 관리를 위하여 통합적인 윤활유 정제 시스템을 개발하였다. 이 윤활유 정제 시스템에는 여러가지 장치들로 구성되어 있고 이를 제어하는 시스템이 포함되어 있다.

2-1. 통합적 윤활유 정제 시스템

Fig. 3은 통합적인 윤활유 정제시스템의 모습을 보여준다. 이 시스템은 다량의 윤활유를 사용하는 시스템에 적용할 목적으로 제작되었다. 이 정제 시스템의 가열기 (heater)는 윤활유의 정제 및 플러싱을 위해 60℃로 윤활유의 온도를 가열하며 한번에 41,000 L의 윤활유를 동시 에 처리할 수 있다. 가열 장치외에도 통합적인 윤활유 정제시스템에는 카트리지 필터 장치, 수분 제거를 위한 이 중 고진공 챔버 장치, 바니쉬와 슬러지 제거를 위한 고전압 전기 흡착 필터 장치, 마이크로 버블 발생장치가 결합된 오일 플러싱 장치들이 구성되어있다.

Fig. 3. Overall view of integrated oil purifica

2-1-1. 고전압 전기 흡착 필터 장치

고전압 전기 흡착 필터 장치는 Fig. 4와 같고 윤활유 내의 바니쉬나 슬러지 같은 이물질을 제거하는 장치이다. 윤활유의 산화, 미세 디젤링(micro-dieseling), 정전기 방전, 화학적 오염 등으로 윤활유가 열화되고 이때 생성된 용해 불순물이 정상 운전 조건에서는 용해 상태로 유지하다가 점차 고분자량 반응 생성물의 농도가 기유의 용해성을 초과하게 되면 불용성 화합물이 생성된다. 불용성 화합물은 극성의 특성을 가지고 있어 Fig. 5와 같이 기계표면에 부착하여 퇴적층을 형성되는데, 이를 바 니쉬라고 한다[2]. 이렇게 형성된 바니쉬는 설계 간극을 줄이게 되고 구동하는 기계요소의 움직임을 방해한다. 또는 마찰열의 발생으로 윤활유 소모량이 증가하고 유체 고착(hydraulic lock)의 원인이 되기도 한다[4-5]

Fig. 4. High voltage electro-adsorption filter system.

Fig. 5. Varnish of journal bearing[2].

고전압 전기 흡착 필터 장치는 장치 내에 일정한 간격으로 +/− 극판을 유지시킨 뒤, 양극 사이에 고전압(DC 12 kV 이상)을 인가하면 양극 사이에 코로나 방전이 일어난다. 코로나 방전은 도체 주위에서 유체의 이온화로 인해 발생하는 전기적 방전을 의미한다. 이 코로나 방전 사이로 오염된 윤활유를 통과시키면 오일 내에 존재하는 미세입자는 각각의 특성에 따라 +/− 극판쪽으로 전기력에 의해 이동하여 흡착이 되고 이물질이 제거된 윤활유는 이송 펌프에 의해 저장 탱크로 이송된다. 이때 주로 제거되는 이물질이 슬러지와 바니쉬이다.

2-1-2. 마이크로 버블 발생 장치가 결합된 오일 플러싱 장치

윤활유를 정제하기 위해서는 우선적으로 오일 플러싱을 수행하여 기계시스템이나 배관의 이물질들을 분리하여 윤활유 정제 시스템에 오염된 윤활유가 공급되어야 한다. 마이크로 버블 발생장치가 결합된 오일 플러싱 장치는 Fig. 6과 7같이 압축기를 사용하여 적절한 압력의 공기로 압축하여 공기 관(air tube)에 공급하고 벤츄리 (venture) 형상 [7]의 윤활유 순환 라인(lube circulation line)에는 미세한 공기 호스(air hose)를 통해 공기가 공급된다. 이때 공기가 윤활유에 혼입하는 과정에 Fig. 8 과 같이 마이크로 버블이 발생된다. 윤활유 안에 공급된 마이크로 버블들은 오일 플러싱 과정에서 버블들의 파괴로 인해 벽면이나 바닥 등으로부터 이물질을 잘 분리 하게 된다[6]. 이전 연구결과[6]에서 그리트(grit)를 이용하여 이물질의 회수율(제거율)을 검정한 결과, 기존의 오일 플러싱 장치에 비해 마이크로 버블 발생장치가 결합된 오일 플러싱 장치는 이물질의 회수율이 약 13% 개선되었다. 즉 마이크로 버블 발생장치가 결합된 오일 플러싱 장치는 기존의 오일 플러싱 장치에 비해 플러싱 효과가 개선되었음 보여준다.

Fig. 6. Microbubble generator[6].

Fig. 7. Generation device of micro-bubble[6].

Fig. 8. Presence of bubbles in the lubricant[6].

2-1-3. 이중 고진공 챔버 장치

윤활유 내에 수분의 오염 키고 점도 등의 물성변화를 촉진시키고 점도 등의 물성변화를 야기시킨다. 수분의 오염은 누수뿐만 아니라 습한 작동 환경에 의해 주로 발생한다. 윤활유가 기준 이상의 수분 오염이 발생할 경우, 여러가지 문제들을 발생시키므로 수분을 제거해 주어야 한다. 이를 위해 주로 진공 펌프를 이용하거나 원심력이 이용된다. 본 연구에서는 Fig. 9와 같이 이중 고진공 챔버(double high vacuum chamber)장치를 이용하여 수분을 제거하였다. 진공 펌프에 의해 챔버 내에 고진공(−0.09 MPa)을 형성시키고 진공력에 의해 상부 진공 챔버 내로 노즐을 통해 윤활유가 유입, 분사된다. 유입된 윤활유에 포함된 수분은 진공에 의한 비등점 강하로 40oC에서부터 기화 되고, 기화된 수분은 응축장치에 의해 응축시킨 뒤, 저장하고 센서를 이용하여 일정량 이상이 되면 외부로 자동 배출하게 한다. 수분이 제거된 윤활유는 이송 펌프에 의해 자동으로 저장 탱크에 이송되며 순환 반복하여 윤활유의 수분 센서를 이용하여 수분오염 관리 지침 이하로 유지하게 한다.

Fig. 9. Double high vacuum chamber device.

2-1-4. 카트리지 필터

윤활유 내의 마모입자나 고형의 이물질 등을 효과적으로 제거하는 방법 중에 하나가 필터를 사용하는 것이다. 카트리지 필터(cartridge filter)는 여과재 형태를 원통형으로 가공하여 유체의 불순물을 거르는 필터로 유지 관리 비용이 낮고 화학적 호환성이 우수하여 화학, 일반 산업 공정에 많이 적용되고 있다. 우리나라 산업 현장에서는 PALL, PARKER, HADAC, INTER-ROMAN 등의 해외 필터 제품을 주로 사용하고 있다.

Fig. 10은 카트리지 필터 장치를 보여주며 4개로 구성되어 작동한다. 필터 전 후단에 압력을 측정하여 필터의 상태를 확인한다. 필터 미디어(filter media)는 2개의 층(layer)으로 구성되어 있다. 하나의 층은 유리 섬유(glass fiber)가 100%로 이루어져 있으며 다른 한 층은 40%의 유리 섬유와 셀룰로스가 혼합되어 있다. 개발된 카트리지 필터는 4 μm와 6 μm 사이즈에 대한 배타율(β ratio) 은 1000이고 포집효율은 99.9%이다. Fig. 11은 사용시 간이 동일한 오염된 EHC 윤활유를 대상으로 외국산 필터 A, B사와 함께 국산화한 카트리지 필터(present)의 성능 테스트를 실시한 결과이다. 실험은 8시간 동안 진행 하였고 NAS 등급으로 평가하였다. 외국산 필터들과 성 능 비교를 한 실험에서는 유사한 성능 결과를 보였다.

Fig. 10. Cartridge filter.

Fig. 11. Evaluation of NAS 1638 with time for three cartridge filters.

윤활유 정제 시스템에서 카트리지 필터는 대부분이 해외 제품이 사용되고 있는 상황이다. 본 연구에 국산화된 카트리지 필터는 해외 제품과 유사한 성능을 유지할 뿐만 아니라 가격 측면에서 저렴하므로 유지, 비용 측면에서 경제적이다.

2-1-5. 그 외의 장치들

통합형 윤활유 정제 시스템에는 마이크로 버블 장치가 결합된 플러싱 장치, 고전압의 전기 흡착 장치를 이용한 슬러지 제거 장치, 이중 진공을 이용한 수분 제거 장치, 유리섬유와 셀룰로스가 결합된 카트리지 필터 장치 외에도 윤활유의 적정 온도를 유지하는 가열기, 누설에 의한 안전성을 유지하기 위한 자동 누유 차단장치, 그리고 오염도와 제어를 위한 계기판 등이 있다.

Fig. 12는 가열기의 모습을 보여준다. 가열기는 윤활유의 양을 측정하는 레벨 센서와 온도 센서를 부착하여 설정된 온도로 가열을 해주는 장치이다. 이 장치는 41,000 L의 윤활유를 처리할 수 있으며 윤활유의 온도를 60℃로 유지시킨다.

Fig. 12. Heater.

Fig. 13의 빨간색 점선은 자동 누유 차단장치로 오일 누유가 감지될 경우, 윤활유 흡입 라인을 자동 차단하는 장치이다. 이 장치는 윤활유 정제 시스템을 설치 후, 초기 과정에서 누유가 발생하는 것을 점검하기 위해서 주로 사용된다.

Fig. 13. Automatic leakage shut-off device.

Fig. 14는 윤활유 모니터링과 제어를 위한 계기판을 보 여준다. 수분이나 오염도 센서에 의한 오염의 정도를 보여주고 각종 모터 및 장치의 작동과 중지를 제어할 수 있다. 그리고 비상 상황이 발생할 경우, 안전을 위해 전체 시스템을 중지할 수 있는 비상 정지 버턴이 설치되어 있다.

Fig. 14. Monitoring and control panel.

2-2. 검정 실험

통합적 윤활유 정제 시스템에 대한 검정 실험은 bench 테스트와 현장 테스트를 실시하였다.

2-2-1. Bench 테스트

Bench 테스트는 발전 회사에서 제공된 SK Turbine 32라는 사용유를 대상으로 실시되었다. 이 검정 실험에 서 윤활유 물성의 정제 목표(target) 값뿐만 아니라 사용유(used oil)와 정제된 윤활유(purified oil)의 물성 값들 은 Table 1에 나타내었다. 이때 사용유는 2875 ppm의 수 분을 함유하고 NAS 1638의 등급은 12등급을 초과하고 있으며 산가는 0.1 mgKOH/g이다. 사용유는 수분 오염과 오염도 등급이 상당히 나쁜 상태이다. 실험에 사용된 사용유는 800 L이고, 통합적 윤활유 정제 시스템을 4시간 가동 후에, 윤활유 분석은 윤활유 전문 분석 기관인 한국기계전기전자시험연구원에서 위탁 수행하였다. 오염된 사용유를 대상으로 통합적 오일 정제 시스템을 적용한 결과, 수분의 오염은 60 ppm으로 상당히 많이 제거되었고 오염도 등급 또한 4등급으로 상당히 개선되었다. 그리고 산가는 0.06 mgKOH/g로 개선되었다. Fig. 15는 테스트과정에 샘플링된 윤활유들로 왼쪽 사진은 실험 초기의 오염된 윤활유이고 오른쪽 사진은 4시간 가동 후 의 정제된 윤활유의 모습이다.

Table 1. Properties of used oil and purified oil of bench test

Fig. 15. Used oil and purified oil.

2-2-2. 현장 테스트

Bench 테스트는 실제 발전회사의 O/H(overhaul) 기간에 현장에 설치하여 실시하였다. 실험에 사용된 사용유는 bench 테스트에서 사용한 윤활유와 동일한 SK Turbine 32이고 실험에 사용한 윤활유의 양은 약 40,000 L이다. 실험은 초기 시료를 채취하여 분석 후, 32시간 동안 통합 적 윤활유 정제 시스템을 가동하고 최종 시료를 채취하여 비교 분석하였다. 현장 테스트에서 윤활유의 정제 목 표(target) 물성 값뿐만 아니라 사용유(used oil)와 정제된 윤활유(purified oil)의 물성 값들은 Table 2에 보여준다.

Table 2. Properties of used oil and purified oil of field test

Table 3은 윤활유 정제 시간에 따른 윤활유의 오염 등급과 고형 입자 분포를 나타낸다. 처음에는 NAS 10등급이었으나 32시간 이후에는 4등급의 수준으로 개선되었다.

Table 3. Evaluation of NAS 1638 and particle distribution with working time

마이크로 버블 발생장치가 결합된 오일 플러싱 장치에 대한 성능 개선은 이전 연구결과[6]에 나타나 있다.

일부 국내 발전사에 설치된 윤활유 정제 시스템은 오염에 대한 관리 기준 이하로 윤활유를 정제하는데 4일 이상이 소요되고 용해 수분을 제거하는데 어려움이 있다. 그리고 카트리지 필터가 일정 압력이상에서 파열되어 내구성이 양호하지 않다. 이런 문제점들을 개선하기 위해 개발된 통합적 윤활유 정제 시스템은 오염에 대한 관리 기준 이하로 오일을 정제하는데 2일 이내로 시간 을 단축하고 이중 고진공 챔버를 이용하여 용해수분을 제거하며 카트리지의 내구성과 국산화로 경제성도 개선하였다.

3. 결론

본 연구에서는 보전 전략 측면에서 윤활유를 효과적으로 유지, 관리하기 위해 통합적 윤활유 정제 시스템을 개발하였다. 통합적 윤활유 정제 시스템은 윤활유의 수분, 슬러지, 고형입자 같은 오염물 제거뿐만 아니라 카트리지 필터의 국산화 및 내구성 개선을 하였다. 그 외에도 마이크로 버블 발생장치를 결합한 오일 플러싱 장치는 이물질을 윤활벽면이나 기계시스템으로부터 잘 분리하여 효과적인 윤활유의 정제에 기여한다. 개발된 윤활유 정제 시스템은 bench와 현장 테스트를 통해 검정 한 결과, 기존의 윤활유 정제 시스템에 비해 윤활유의 오염 관리 기준까지 정제하는 시간이 줄어들고 용해 수분과 바니쉬의 제거에도 효과적이다. 앞으로 개발된 통합적 윤활유 정제 시스템이 발전 분야뿐만 아니라 중공업, 고속철, 풍력 터빈 등에 다양하게 적용하면서 현장에서 발생하는 문제점들을 보완하여 관련기술을 발전시키는 것이 필요하다.