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냉각탑 진동 차단 스위치 설계 가이드

냉각탑(COOLING TOWER)과 공냉식 열교환기(AIR COOLED HEAT EXCHANGER, ACHE)에 있어서 회
전체는 FAN, GEAR REDUCER (혹은 V-BELT), COUPLING SHAFT와 전동기들로써 FAN BLADE의 불
균형 (UNBALANCE) 에 의한 진동, FAN BLADE의 파손으로 인한 진동, 감속기 또는 전동기 내부 구성품
의 결함으로 인한 진동, COUPLING SHAFT 또는 FAN DRIVE SHAFT의 오 정열(MISALIGNMENT)에 의
한 진동, 그리고 FAN에서 배출되는 공기의 충격 하중에 의한 FAN STACK 또는 FAN RING의 진동 등의
여러 형태의 원인에 의해 진동이 돌발적으로 발생하여 이들 구성품들이 손상 또는 파괴되는 경우가 있기
때문에 진동 차단 스위치(VIBRATION CUT OFF SWITCH 또는 간단히 VIB. S/W라 부름)을 이용하여 일
정치 이상의 진동이 발생하면 전동기에 전원 공급을 차단하여 대형 사고를 미연에 방지하고 있다.

VIB. S/W는 진동의 가속력을 감지하는 기계식 VIB. S/W와 진동의 속도 또는 변위를 감지하여 작동되는
전자식 VIB. S/W가 있다. 오래 전서부터 기계식 VIB. S/W에 대한 신뢰성 평가를 토대로 1990 년대에 이
르러 대부분의 냉각탑 및 ACHE에는 전자식 VIB. S/W를 적용하고 있다.

지금까지 발행된 진동에 대한 수십 편의 기술 논문들은 기계식 VIB. S/W가 갖고 있는 문제점을 열거하고
전자식 VIB. S/W의 사용을 적극 권장하고 있다. 저 주파수 대역에서 발생되는 진동에 매우 둔하게 반응
하는 기계식 VIB. S/W는 FAN BLADE가 파손된 후에 발생되는 강한 진동에서조차 VIB. S/W는 TRIP되지
않고 전동기가 회전을 계속했었다는 현장의 보고를 접한 적이 한 두 번이 아님은 물론, 심지어는 VIB.
S/W의 신뢰성 문제 등으로 아예 스위치를 OFF 시킨 상태로 냉각탑 및 ACHE를 운전하고 있는 수 많은
현장을 접하고 기계식 VIB. S/W의 치명적 문제점을 100% 해결한 전자식 VIB. S/W에 대한 기술 정보를
기술하고자 한다.

다음은 기계식 VIB. S/W가 내포하고 있는 문제점들에 대해 살펴보고, 현재 미국 및 유럽 등지의 냉각탑
및 ACHE 시장에 거의 독점적으로 공급되고 있는 PMC/BETA의 전자식의 VIB. S/W에 대해 알아본다.
간단한 비교표는 첨부의 자료 기계식과 전자식 VIB. S/W의 기능 비교표를 참고하기 바람.

1. 진동이란

모든 회전체는 일정 범위 내에서 진동을 하게 마련이며 각 기기의 사용처에 따라 진동의 허용 기준은
다르다. 진동은 일반적으로 기계의 상태 및 기능 저하를 조기에 경고해 주는 훌륭한 지표라 할 수 있
다. 진동의 주원인 중 약 40%정도는 회전체의 불균형, 약 15%는 오정렬, 약 15%는 베어링 결함, 기타
30%로 VIB. S/W는 이들 진동을 감지하여 기계의 치명적인 손상을 방지함으로써 광범위한 수리 작업
이나 공장 가동 정지 등과 같은 불의의 사고를 예방하여 주게 된다.

한편 진동은 일반적으로 작고 점진적인 기계의 기능 저하에서부터 시작하여 현저히 증가된 진동으로
나타나게 되며, 기 계획된 정비 시점까지 연속적으로 기계를 운전하기 위해서는 진동 분석기 등으로
진동을 분석하여 문제점을 조기에 탐지하고 그 원인을 진단하는 것도 필수적 요건이다.

진동을 감지 또는 측정하기 위한 기준은 일반적으로 진동의 속도, 가속도, 변위 등이며, 진동은 비교
적 높은 주파수 대와 낮은 주파수 대에서도 모두 반응하는 기준을 택하여야 하며 저 주피수 대역의 진
동이 빈번한 냉각탑과 ACHE에서는 진동을 속도(VELOCITY) 기준으로 감지 또는 측정하는 것이 적
합하다. 비교적 낮은 주파수인 100-200RPM 정도로 회전하는 FAN의 경우는 진동의 변위
(DISPLACEMENT)에 의한 진동 감지 방식을 사용할 수 도 있다.

대부분 회전체에 있어서의 불균형, 오정렬, 슬리브 베어링의 결함, 볼트 파손 등으로 인한 진동은 저
주파수 대역에서 발생하는 진동에 해당되며, 볼 혹은 롤러 베어링의 결함, 기어 메쉬(GEAR MESH),
FAN BLADE PASS FREQUENCY에 의한 상호 작용 등은 고 주파수 대역의 진동에 해당된다.

기계적인 손상의 잠재성은 회전체의 속도에 비례하는 것이기 때문에 가속도(ACCELERATION)를 기
준으로 하는 기계식의 VIB. S/W는 기계적 특성상 높은 주파수에서 지나치게 민감하게 작동하여 불필
요한 TRIP을 유발하며, 또한 낮은 주파수에서 일어나는 진동은 전혀 감지조차 못하는 문제가 있다.
따라서 가속도를 기준으로 진동 문제에 접근하는 방식은 결코 바람직한 수단이 될 수 없다.

2. 기계식 VIBRATION SWITCH

1) 작동 원리

진동의 가속도(ACCELERATION)를 감지하는 방식으로 가속력이 자력을 초과하면 LATCHING
MAGNET가 ARM을 잡아당겨 RELAY가 TRIP 되는 원리이다.


2) 문제점

(1) 사용자가 원하는 일정한 G-SETTING POINT에서 VIB. S/W가 TRIP되어야 하나 진동이 발생
하는 주파수 대역에 따라 그 정도가 다르게 나타나, 앞서 언급한 바와 같이 높은 주파수 대역에서
발생하는 미세한 진동에는 필요 없이 민감하고 낮은 주파수 대역에서 일어나는 강한 진동에서는
민감치 못함.

(2) 기계식 구조이기 때문에 정밀도가 떨어져 G-SETTING POINT의 RANGE가 지나치게 큼. 일반
적으로 기계식 구조는 정밀도가 FULL SCALE(=4.5G)의 ± 5%로 ± 0.22G의 RANGE를 갖게 되며,
실제로 냉각탑과 ACHE에 적용되는 적정치인 0.2G에 SETTING할 경우 그 오차가 0~0.42G가 되어
SETTING 값에 상관 없이 0 - 0.42G에 작동되는 결과이며 이는 극히 가변적이며 매우 낮은 진동에
서 TRIP이 되는가 하면 설정치 보다 아주 높은 진동에서는 TRIP이 되지 않는 구조적인 문제점을
가지고 있음.

(3) 구성품 자체가 기계적인 구성품이기 때문에 부식이나 외부 공기의 오염에 취약하며, 일정 기간
(보통 1년) 이상 사용 시 구성품의 작동 불량으로 VIB. S/W로서의 기능을 상실하게 됨.

(4) G-SETTING POINT 알 수 있는 기준이 없기 때문에 어느 정도의 진동에 이르렀을 때 스위치가
TRIP 되는지 전혀 알 수 없음.

(5) TIME-DELAY 기능이 없기 때문에 전동기의 START-UP시 발생되는 높은 진동에서 TRIP이 되
지 않도록 SETTING해야 되므로 실제 회전체에서 요구되는 진동의 허용 범위보다 훨씬 높은 G에
SETTING에 하여야 됨으로 아주 과도한 진동 가속력이 생기지 않는 한 스위치는 TRIP되지 않음.
또한 TIME-DELAY 기능을 내장할 수 없기 때문에 운전 중 일시적인 높은 진동에 스위치가 TRIP
되어 운전자가 매번 확인 후 RESET해야 되는 곤란을 겪게되는 경우가 빈번하게 발생되므로 일부
운전자는 기계식 VIB. S/W의 운전 중 잦은 TRIP을 귀찮게 여겨 스위치를 OFF 시키는 이유가 됨.

(6) 기계식은 단순히 진동의 가속력에 의한 LATCH가 TRIP되는 기능으로 REMOTE에서
VIBRATION METER 또는 컴퓨터와 연계하여 DIRECT ON-LINE으로 진동의 크기를 지시해 줄 수
있는 전기적인 신호 발생 장치(TRANSDUCER)를 장착할 수 없음.

(7) 냉각탑과 ACHE에서의 VIB. S/W의 설치 위치는 반드시 진동원이 집중되어 있는 감속기 부분
이 적합 하나, 기계식의 경우 LOCAL에서 RESET시 FAN STACK의 ACCESS DOOR를 통하여 매
번 들어가서 MAGNET LATCH를 RESET시켜야 되는 번거러움이 있음. 물론 REMOTE에서
RESET될 수 있는 기능은 있으나 일반적으로 VIB. S/W TRIP시 현장 점검이 필수적 이기 때문에
LOCAL에서 RESET시키는 것이 일반적임.

3. 전자식의 VIBRATION SWITCH

1) 작동 원리

전자식의 VIB. S/W는 고체 상태의 수정(SOLID STATE CRYSTAL)을 이용하여 진동력에 의해 수
정이 변형될 때 전기적인 출력을 발생하며, 이 전기 출력이 진동 속도에 비례하는 전기적 신호로
변환 되어 미리 설정한 진동치와 비교하여 그 값이 설정치를 초과되면 TRIAC(교류 전력용 게이트
제어식 반도체 스위치) 이 당겨져 스위치가 TRIP하게 된다.


2) 전자식 VIB. S/W의 기능 요약

(1) TRIP은 기본적으로 진동 설정치에 의해서 결정된다. 별도의 선택 사양으로 구매를 하지 않은
경우라면 TRANSDUCER는 압전기식 수정체(PIEZOELECTRIC CRYSTAL)이며 VIB. S/W 자체에
내장되어 있으며, 신호의 잡음을 줄여주는 신호 증폭기가 내장되어 있다. 출력 신호는 진동 속도
를 기준으로 진동을 감지하고 TRIP하기 위하여 전자적으로 처리된다. (변위를 기준으로 하는 경
우에는 전자적인 변위로 변환시킬 수 있도록 되어 있다.)

(2) TRIP SETTING POINT는 눈금으로 표기되어 있어 진동이 발생되면 정확하게 설정치에서
TRIP되며, 설정치의 값이 확인 되며, 운전자가 원하는 특정의 VELOCITY TRIP POINT를 용이하
게 설정할 수 있도록 되어 있다. SHUTDOWN SET POINT는 진동 속도를 기준으로 0.1에서 1.5
INCH/SEC의 범위 내에서 조정된다. 모델 440D 또는 450D는 SHUTDOWN과 ALARM을 동시에
SET하도록 되어 있으며, ALARM SETTING POINT는 SHUTDOWN SETTING POINT 범위의
10%에서 90%까지 조정할 수 있도록 되어 있다.

(3) 모델 440S 또는 450S는 한 개의 TRIAC 스위치가 제공되며 이를 SHUTDOWN 또는 ALARM
TRIP 용으로 사용할 수 있다. 반면에 모델 440D 또는 450D은 두 개의 TRIAC 스위치가 있어 하나
는 SHUTDOWN 용으로 하나는 ALARM 용으로 사용한다. TRIAC의 스위치는 반도체 릴레이
(SOLID STATE RELAY)로 TRIAC 상태를 유지하기 위해서는 20 - 50mA의 전류가 TRIAC 스위치
회로에 연결된 ALARM 또는 SHUTDOWN 회로에 흘러야 하며, 전류가 20mA 보다 작게 되면 스스
로 스위치가 복원되는 릴레이다. 이와 같이 TRIAC 의 유지 전류(HOLDING CURRENT)가 20mA
이하인 경우 (SHUTDOWN 또는 ALARM 회로에 DC 전원이 연결되어 있거나, AC 전원이라 하여
도 일반적인 저 저항 REPLAY 사용하였을 경우, PLC (PROGRAMMABLE LOGIC
CONTROLLER) 또는 컴퓨터에 직접 연결된 경우) 는 일단 TRIP이 되면 RESET를 하지 않는 한
TRIP 상태를 유지하는 170mA 아날로그 스위치(ANALOG SWITCH)를 TRIAC 대신에 사용하여야
한다.

제공되는 TRIAC 스위치는 VIB. S/W의 주 전원을 이용하는 것이 아니기 때문에 근본적으로
INPUT POWER로부터 떨어져 있으므로 DRY CONTACT이다.

(4) 내장된 TIME DELAY는 PMC/BETA사의 표준이며, TIME DELAY기능은 전동기의 시동 시에
발생되는 순간적인 높은 진동과 운전 중 일시적으로 발생되는 진동으로 인한 SHUTDOWN 또는
ALARM의 잘못된 TRIP을 방지하여 주는 기능이다. TIME DELAY의 조정 가능 범위는 2-15초이
며, 공장 출고 시 3초로 설정되어 있다 (시간 지연 조정 스크류를 시계 방향으로 한 바뀌 돌릴 때마
다 0.5초 씩 시간 지연이 늘어 나게 되어 있다.)

(5) 전자식 진동 차단 스위치는 자체적으로 스위치의 기능을 시험할 수 있는 TEST 기능과 스위치
를 교정할 수 있는 CALIBRATE 기능이 있다. SHUTDOWN 조정 손잡이를 TEST 위치에 두면 최소
의 SETTING POINT로 설정이 되는 것이기 때문에 LED는 즉시 켜지게 되며 전체 시스템이 잘 작
동 중이라는 사실을 알 수가 있으며, 설정된 시간 지연 후에는 TRIAC이 작동하여 TRIP이 된다.
TRIAC이 TRIP되지 않게 S/W 시스템을 CHECK하기 위해서는 TEST 위치에서 SHUTDOWN 조정
손잡이를 TIME DELAY보다 시간을 짧게 둔 다음 원래의 위치로 돌려 놓으면 된다.

SHUTDOWN 또는 ALARM 설정 손잡이 근처에 있는 LED는 설정한 진동 속도 값 이상이 되면 불
이 즉각적으로 들어 오게 되어 있다.

한편, 진동 차단 스위치의 교정의 일환으로 스위치의 작동 중인 상태에서 SHUTDOWN 설정 조정
손잡이를 반 시계 방향으로 서서히 돌려 LED에 불이 들어오는 순간의 SHUTDOWN에 표기된 눈금
과 진동계로 측정한 진동 값을 비교하여 CALIBRATION CHECK를 할 수 있다. 

(6) 전자식 진동 차단 스위치는 기존의 IC나 일부 회로 설계보다는 더 튼튼한 구조로 된 두꺼운 필
름의 복합 회로(HYBRID CIRCUIT)로 설계되어 있어 소형화가 가능하였으며, 이로 인하여 설치 및
관리 유지에 도움을 주도록 되어 있j다.

3) 전자식 진동 차단 스위치의 특징

  • ●  TIME DELAY의 내장
  • ●  TRIP 오 동작의 전무
  • ●  진동 속도식 또는 진동 변위식 TRIP 기능이기 때문에 모든 주파수 대의 진동으로 인한 기계
    손상 방지
  • ●  기계의 회전속도에 무관한 감지력
  • ●  정확한 TRIP 설정을 위한 눈금식의 다이얼
  • ●  원격 RESET 기능 보유
  • ●  자기진단 및 교정을 위한 기능
  • ●  선택 사양인 원격에서 진동 값의 송신 (진동 값에 비례하는 4-20mA의 신호 출력으로 원격에
    서 현재 발생되고 있는 진동 값을 읽을 수 있는 기능)
  • ●  선택 사양으로 TRANSDUCER를 진동 차단 스위치 밖으로 끌어 낸 외장형 TRANSDUCER를
    사용하여 진동원에 설치하고 진동 차단 스위치는 진동원 밖에 설치할 수 있음.
  • ●  CAST 알루미늄 박스의 NEMA 3, 4, 12 STANDARD를 만족 시키며, 450 시리즈는 방폭 지역
    에 사용.
  • ●  기계식 VIB. S/W보다 월등한 신뢰성
4) 전자식 진동 차단 스위치의 장점

(1) 전자식 VIB. S/W는 진동 속도 또는 변위를 감지하여 TRIP하는 것으로 기계식의 진동 차단 스
위치와는 비교가 될 수 없을 정도로 낮은 주파수 대에서 일어나는 진동에서부터 아주 높은 주파수
대에서 일어나는 진동에 이르기까지 대부분의 모든 진동을 감지하기 때문에 오 작동이 전혀 없음.

(2) 전자식 VIB. S/W의 정밀도는 FULL SCALE을 기준으로 한 것이 아니라 TRIP 설정치를 기준으
로 ±10%이기 때문에 기계식과 비교하면 0.18 -0.22G로 TRIP되는 범위가 아주 정교함.

(3) 부품 전체가 전자 기판으로 구성되어 있어서 움직이는 부위가 전혀 없어 부식이나 오염으로
인한 스위치 기능 저하 가능성은 없음.

(4) 전동기 기동 시 필히 요구되는 TIME DELAY가 기본적으로 내장되어 있어서 기동 시의 높은
진동으로부터 스위치가 TRIP되는 것을 방지함으로써 기동 시를 대비한 설정을 높일 필요가 전혀
없음. 또한 TIME-DELAY는 운전 중 극히 일시적인 진동에 스위치가 TRIP되지 않도록 하는 기능
도 동시에 가지고 있어 운전 중 잦은 스위치의 TRIP을 막아 운전자로 하여금 빈번한 기계 점검을
줄여 줌.

(5) 전자식은 기계식이 가질 수 없는 다양한 OPTION들을 연계하여 사용할 수 있어 사용자가 편의
를 최대한 도모할 수 있음. 가령 감속기에 설치되어 있는 스위치의 조정 또는 RESET시 매번 FAN
STACK의 ACCESS DOOR 또는 PLENUM CHAMBER를 통해 들어가야 되는 번거러움을 대신하
기 위해서는 엄지 손가락만한 TRANSDUCER를 감속기에 설치하고 VIB. S/W는 FAN STACK 또
는 FAN RING의 외부에 둠으로써 스위치를 간편하게 조정 또는 RESET할 수 있음.

(6) 또한 전자식 VIB. S/W는 선택 사양으로 TRANSMITTER를 내장 시킬 수 있어 아날로그 4-
20mA의 신호를 원격에 있는 진동계 또는 컴퓨터에 연결시켜 항상 진동의 크기를 실시간으로 바로
알아 볼 수 있다.

(7) TRIP 설정을 SCALE이 표시된 눈금으로 조정하기 때문에 현재 설정된 진동의 크기를 알 수 있
음.

(8) 자기진단 기능이 내장되어 있어 수시로 스위치의 작동 상태를 점검하여 사전에 고장 여부를
알 수 있음.

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