CNG충전설비 특성
CNG충전설비 특성
  • 승인 2007.02.05
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CNG충전설비 유지보수 비중 높아져
▲ 신경식 (주)효성 기전PU CNG팀장·부장
지난 99년 국내에 처음으로 CNG버스가 도입된 이래 2006년 10월 말 현재 CNG차량 약 1만2,000대 및 충전소는 약 230여기가 보급돼 운전 중에 있다.

보급 초기에는 CNG충전소가 건설 및 운영의 주체인 도시가스사 및 운수회사에게는 다소 생소한 시스템으로 생각되어져 설비공급업체에 대한 기술 의존도가 높았으나 최근에는 자체 운영노하우 및 기술수준의 향상으로 충전설비의 자체 유지보수 비중이 높아지고 있다.

● 압축기 윤활시스템

압축기가 기동하기 전의 Pre-lube 시 윤활유는 Motor driven oil pump → Main bearing으로 공급돼 압축기 기동에 필요한 1차 압력(약 60psi)을 만들어준 후 압축기가 기동하게 된다. 압축기가 가동한 후에 윤활유는 Frame driven oil pump → Main bearing로 흐르며 이때 1차 압력을 가진 윤활유의 일부분은 Force feed lubrication pump에서 2차 가압되어 각 실린더 및 패킹부에 공급된다. 윤활 계통에는 압축기프레임의 베어링, 크랭크축, 커넥팅로드, 크로스헤드 부분으로 공급되는 프레임 윤활계통과 실린더 및 패킹 부로 공급되는 실린더 패킹 윤활계통이 있다.

압축기가 기동할 수 있는 오일의 최대 점성은 3,300cst이고 가동 중 최소점성은 10cst이다. 압축기 가동 중 최대 윤활 온도는 88℃이고 가동 중 최소 윤활온도는 66℃이다. 압축기 가동 중 정상 윤활 압력은 60psi이고 가동 중 최소 윤활 압력은 35psi이다. 오일 교환 주기는 6개월 또는 4,000시간이다. 필터 전후 정상압력차는 2-6psi이며 압력차가 10psi 생기거나 사용 6개월 후에는 필터를 교체한다.

Break-In(가동 200시간) 기간에는 Normal 기간보다 약 2배의 윤활유가 공급된다. 자세한 cycle time은 압축기 명판에 표기돼 있다. 윤활유가 공급되지 않을 경우 DNFT 또는 Pro-Flo에서 이를 감지해 경보가 발생되고 압축기가 정지한다. 실린더(Cylinder) 부분의 윤활라인이 막히면 rupture disk가 터지며 이 경우 막힌 부분을 조치한 후 rupture disk를 교체한다.

가동 중 크랭크 케이스의 윤활유 레벨은 점검창의 중간에 오게 하며 2/3를 넘지 않게 한다. 윤활유 공급이 안 돼 레벨이 떨어질 경우 경고가 발생하며 압축기는 정지한다. 오일 레벨 및 오일 소모량을 일정한 주기로 체크해 주기적으로 오일을 공급해야 한다.

오일은 단급 광유계 SAE 40 또는 SAE 30을 기준으로 하며 SAE40이 SAE30 보다 점도가 크다. 이수화학의 Rubia S 30, 모빌 DELVAC 1340(SAE 30:여름철, SAE 40:겨울철), Caltex의 Geostar Low Ash(SAE40) 등을 추천한다.
● 압축기패키지 기동 시퀀스

CNG 압축기패키지의 운전은 저장용기의 압력상태에 대응해 이뤄진다. CNG 충전은 차량과 저장용기(혹은 압축기패키지)의 압력 차이에 의한 가스의 흐름이므로 고속충전을 위해서는 저장용기의 압력유지가 중요하다.

즉, 차량 최종 충전압력이 21MPa일 경우 저장용기의 압력은 반드시 최소 22MPa 이상이어야 한다. 다만 각 차량의 초기충전 동안에는 연료탱크의 압력이 이보다 훨씬 낮은 상태이므로 압축기 패키지가 정지해 있더라도 저장용기에 압축된 가스로 충전이 가능하다. 일반적으로 압축기패키지의 운전은 저장용기의 압력이 21~22MPa 이하로 떨어지면 시작되고 24~25MPa가 되면 정지한다.

충전기를 통해 저장용기의 압축가스가 차량으로 충전되면 저장용기의 압축가스는 줄어들고(압력이 낮아지고) 압축기패키지는 운전을 시작한다. 압축기는 정격의 인입가스를 흡입해 다단압축방식(4단)으로 압축가스를 제조한다. 압축기는 왕복동식으로 외부강제 윤활이 필요하다. 따라서 압축기 구동 전에 외부 오일펌프(Pre-Lubrication Oil Pump)를 동작시켜 압축기 크랭크케이스의 각 부위에 일정압력이상으로 일정시간 동안 강제 윤활을 한다.

외부 강제 윤활이 완료되면 인입밸브(압축기 흡입)를 열고 압축기를 구동한다. 압축기가 구동되면 압축기 구동축에 연결된 오일펌프(Gear Pump)가 작동해 압축기 윤활을 담당하므로 더 이상 외부의 강제 윤활이 필요치 않게 되어 외부 오일펌프(Pre-Lubrication Oil Pump)는 정지한다.

압축기 구동 중에는 각 단에 고압의 압축가스가 존재하고 압축기가 정지하면 정지직전의 고압가스가 각 단 사이에 유지되는 것을 방지하기 위해 고압가스 회수(Blow-Down)라는 동작이 이뤄진다. 즉, 압축기패키지 내부의 용기(Blow-Down Vessel)로 고압의 가스를 흐르게 해 상대적으로 낮고 균등한 압력상태로 압축기패키지를 유지시킨다.

Blow-Down은 각 단 사이의 압력차이로 인한 압축가스의 역류 및 압축기 기동부하 경감, 스너버(Snubber)필터의 이물질(오일 등) 회수 등의 기능이 이뤄진다. 압축기가 운전을 시작하면 Blow-Down Vessel이 상대적으로 높은 압력의 가스는 압축기 흡입으로 회수돼 압축가스로 토출되게 된다. 차량충전 및 저장용기의 압축가스압력변화에 대응해 압축기패키지는 이러한 과정을 반복함으로써 운전이 이뤄진다.

자체 운영 노하우 및 기술수준 향상
고속충전, 저장용기 압력유지 중요

● 전자식 충전기

국내 대다수의 CNG충전기는 CSA의 B51-95 Part2(High Pressure Cylinders for the On-Board Storage of Natural Gas as a Fuel for Automotive Vehicles)에 준해 주위온도 보상충전(Ambient Temperature Compensated Fill Pressure)의 전자식 대용량 충전기이다.

CNG 충전기는 25MPa (20MPa)의 CNG를 압력차이를 이용해 NGV(Natural Gas vehicle)에 충전제어, 계량하는 설비로 이상기체방정식에 의거 최종충전압력(end-of-fill final pressure)을 예측해 작동한다. 이러한 동작의 변수로 가스동압(dynamic gas pressure), 주위온도(Ambient temperature) 및 가스온도(Gas temperature), 가스부피(Volume)가 있다. CNG 충전기 제어회로는 이러한 동작을 정상적으로 수행하기 위해 6개의 입력구성(Gas Pressure Transmitter 1개, Ambient Temperature 1개, Gas Flow Volume Meter 1개, discrete inputs 3개)으로 이뤄져 있다.

전자식 CNG 충전기는 사용자가 동작스위치를 ON 하면 카드(card) 또는 조작 콘솔 판(console) 관리 시스템에 의해 충전기의 동작가능 상태로 전환되고 충전기 Display 리셋이 작동한다. 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve Open)를 몇 초 동안 열어 충전하면서 유속(Check flow rate)을 측정하고 솔레노이드 밸브를 닫으면 이때 충전차량의 가스압력, 주위온도를 측정해 최종 충전압력을 계산한다. 계산결과에 의거 솔레노이드 밸브를 열어 충전하고 충전유속이 설정 값 이하가 되거나 최종 충전압력에 도달하면 솔레노이드 밸브를 닫으면 충전이 완료된다.

전자식 CNG 충전기는 주위온도 보상충전(Ambient Temperature Compensation Pressure Fill Stop) 구성에 의거 주위온도를 감안, 최종 충전압력을 결정해 부족충전이나 과충전이 발생하지 않도록 한다. 또한 충전유속을 감안해 압축열로 인한 압력상승효과를 감안한다. 국내 보급된 CNG 충전기는 주위온도보상 및 압력보상회로 동작에 의거 주위온도를 감안, 20.68MPa@21℃기준으로 NGV의 실린더(연료용기) 종료충전압력이 되도록 동작한다.

● 1-Bank System 동작과 구성

CNG충전은 고압의 압축가스를 압력의 차이를 이용해 충전하는 시스템이다. 시스템 구성 중 저장용기는 압축기패키지와 충전기 사이에서 압축가스를 일시저장하거나 일시 방출하는 버퍼 역할을 주로 하며 효율적인 쾌속 충전을 위해 저장용기의 용량에 특성을 맞추느냐 압축기의 용량에 특성을 맞추느냐에 따라 일반적으로 3-Bank Cascade 또는 1-Bank Buffer 방식을 선택한다.

3-Bank Cascade 방식은 압축기의 용량이 상대적으로 작은 경우 저장용기에 저장된 압축가스로 쾌속 충전이 이뤄질 수 있도록 충전을 위한 효율적인 차압을 3단계에 걸쳐 구성한다. 1-Bank Buffer 방식은 1단계의 저장용기 차압을 구성하며 상대적으로 압축기-충전기 직결 충전에 효율을 집중하는 시스템이다.

1-Bank Buffer System은 압축기의 동작, 충전기에서의 충전에 따라 압축 및 충전의 과정에서 상호 압력 및 가스량의 차이가 발생하게 된다. 평상시 저장용기 밸브는 열려있으나 가스의 충전이 없으므로 일정압력으로 유지할 수 있게 돼 있다. 충전이 이뤄지면 저장용기에 있는 압축가스는 충전기로 빠져나가게 되고 배관 및 저장용기의 압력은 점차 낮아진다. 이때 충전기 공급 라인(Bypass)에서 감지되는 압력이 설정 값(예:2만kPa) 이하가 되면 압축기는 운전을 시작하고 운전 후 정격 토출이 이루어지면 가스제어패널의 배관 압력은 상승하게 된다.

가스제어패널은 압축기에서 토출되는 압축가스를 충전기 또는 저장용기에 저장하는 순위를 결정해주는 기능을 하며 BYPASS 라인의 압력상태 및 충전기 동작상태에 의거해 동작한다. 가스제어패널의 배관 압력이 높아지면 차압에 의해서 압력이 낮은 쪽으로 가스의 흐름이 발생한다. 그러나 충전기가 충전을 하고 있을 경우에는 충전효율을 높이기 위해 압축기의 토출가스를 우선적으로 충전기로 보낼 필요가 있게 된다. 따라서 가스제어패널은 저장용기로의 흐름을 차단(Bank밸브 닫힘)하고 충전기로 압축가스를 직결 토출하게 된다.

물론 저장용기의 압축가스는 충전기로 상시 토출가능하지만 그 반대는 불가하다. 충전기가 충전을 종료하거나 종료시점에 다다르게 되면 자연스럽게 가스제어패널의 Bypass압력은 상승하게 되고 가스제어패널은 이를 감지해 Bank밸브를 열도록 한다. 즉, 압축가스는 저장용기에 저장되는 것이다. Flow Control밸브는 연동운전모드에서 충전기 2대가 모두 동작할 때 잠긴다. 이때 압축기 패키지도 2대 모두 정격 토출을 하고 있어야 한다.

평상시 Flow Control 밸브는 열려있으나 연동운전모드에서 2대의 충전기가 독립적으로 모두 동작하면 압축기패키지 2대와 충전기 2대는 각각 독립적인 충전라인으로 분리된다. ESD의 동작 또는 가스누출, 두 대의 압축기 모두 고장 등에는 저장용기 밸브(ESD밸브)가 자동으로 닫히게 되며 고장내용을 해결한 후 압축기를 RESET해야 저장용기 밸브(ESD밸브)가 열리게 된다.

1-Bank 가스제어패널은 압축기에서 토출되는 압축가스를 충전기 또는 저장용기에 저장하는 가스의 흐름을 결정해주는 기능을 하며 충전기 동작상태, 저장용기의 압력상태 및 압축기 토출가스의 압력에 의거해 작동한다.

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덕진 이 2007-02-07 00:20:07
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