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1999년 12월호 알파와 오메가

8. 제어밸브

8.1 제어밸브 개요

(1)서론

프로세스 플랜트에 있어서 자동제어밸브는 유체의 제반 물리적량을 직접 제어한다는 점에서 프로세스에 있어서 매우 중요한 역할을 수행하고 있다. 자동제어밸브는 본래의 계통에 대한 통합 자동제어의 목적뿐만 아니라, 프로세스 플랜트의 잠재적 이상 운전에 대한 안전운전의 목적으로 사용되는 경우도 매우 많다.

이러한 자동제어밸브는 밸브의 형식 및 구조에 따라 다양한 형태의 밸브 종류가 사용되고 있으며, 산업기술의 급격한 발달과 컴퓨터를 이용한 고급 제어기술의 실용화 적용 등, 날로 복잡해지고, 고에너지화 되어가고 있는 프로세스 플랜트 제어기술의 용도 및 목적에 부합하는 가장 적합한 제어밸브를 선정하기란 매우 어려운 엔지니어링 업무의 하나이다.

자동제어밸브의 선정에 있어서 단순히 밸브만의 선정을 고려한다면 이는 분명 잘못된 일이 된다. 제어밸브의 선정은 실질적으로 유체를 제어하는 밸브뿐만 아니라, 밸브를 포함하는 전체 시스템 전반을 이해하는 시스템 해석이 전제되지 않고는 밸브의 제어성, 안전성, 경제성 등의 여러 면에서 만족할만한 결과를 얻을 수 없다.

또한 밸브를 적절히 선정하고 운전한다 하여도 적정한 밸브의 유지 보수관리가 뒤따르지 않는다면 자동제어밸브는 본래의 기능을 수행할 수 없게 된다든가 또는 프로세스의 안전 운전을 해칠 수도 있다. 이 책은 앞서의 자동제어밸브의 범위가 너무 광범위하기 때문에 특정한 동력원이 필요로 하는 자동제어밸브로써, 이 시스템 제어의 입력 제어신호가 전기전자식으로 출력되고, 이 제어신호를 받아 밸브로 하여금 시스템을 자동제어 할 수 있는 밸브에 국한하여 ‘자동제어밸브’라 하고, 이에 대한 기술적인 사항을 기술하는 것이다.

따라서 이 책에서 언급하고 있는 모든 자동제어밸브는 자력식밸브(Self Regulating Valves) 들인 안전밸브, 감압밸브, 후로우트밸브 등이 아닌, 진정한 의미에서 밸브를 통한 시스템 제어의 특성을 원격에서 한 데 모아 집중적으로 관리, 제어할 수 있는 제어밸브를 뜻한다.

이 책에서는 자동제어밸브에 대한 종합적인 엔지니어링 즉, 밸브의 구조와 대표적인 관련 시스템의 유형에 대한 기술적인 접근은 물론, 자동제어밸브에 관련한 이론적인 측면보다는 실제 활용할 수 있는 공학적인 측면을 강조하는 자동제어밸브의 공학서로 활용할 수 있도록, 실질적인 제작사 자료(주로 미국의 콥스발칸자료를 중심으로)와 필자의 경험을 시스템측면에서 기술하고, 대표적인 제어밸브의 관련 규정 및 코드를 우리 수준에 맞도록 재편집하여 보았다.

아울러 이 책을 통하여 우리나라의 제어밸브 기술이 미국, 일본, 독일 등의 선진국 기술의 틀 안에서 벗어나는 큰 계기가 되기를 바랄 뿐이다. 또한 이 책은 제어밸브의 적용대상 밸브 형식 중에서 주로 글로우브밸브를 중심으로 작성되었다.

글로우브밸브 이외의 형식의 제어밸브에 대하여는 간단히 소개하는 수준으로 작성되었음을 양해하여 주기를 바란다.

(2)제어밸브 선정시의 고려사항

제어밸브의 선정은 프로세스의 운전조건과 제어 로직, 제어계통의 안전조치(긴급시의 운전정지, 계통 안전 차단 등), 그리고 프로세스를 구성하고 있는 유체의 성상을 반영하여 선정한다.

자동제어밸브가 시스템의 제어목적에 완전하게 부합하기 위해서는 밸브 자체의 사양결정뿐만 아니라, 밸브에 작용 가능한 모든 조건을 충분히 검토하여 밸브 및 시스템 설계에 적용하고, 아울러 운전자 능력을 포함하는 제어시스템의 운용체계까지를 함께 고려하여야 한다. 이러한 관점에서 자동제어밸브를 선정하는데 꼭 점검해야 될 사항으로는 다음과 같다.

대상 프로세스의 확인

운전목적과 운전상태의 확인
-응답성
-프로세스의 특성
-유체의 운전조건
-유체의 성상 및 특성
-시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성
-적용 법규
-밸브의 운전 범위성(Ran-geability)
-밸브에서의 발생 차압과 그 특성
-설계 최대차압(체절압력, Shut-off Pressure)
-시트누설의 정도(Seat Lea-kage Rate)
-안전모드 운전(Fail Safe Mode)
-밸브의 작동방법
-밸브의 작동환경
-밸브에서의 소음 규제 범위
-밸브의 방폭 특성
-제어입력 신호의 특성
-밸브 구동 동력원
-배관 사양
-블록밸브, 바이패스 밸브
-밸브의 보수성
-경제성

(3)대상프로세스의 확인

자동제어밸브 및 관련 배관, 기기, 기타 밸브를 포함하는 프로세스 시스템 특성의 전반적인 이해와 파악이 필요하며, 프로세스의 운전 목적 및 환경을 파악함으로써 자동제어밸브의 중요성 정도를 확인하여 둔다.

또한 프로세스의 안전에 관련한 제어계통에서의 밸브의 기능을 각 프로세스 시스템의 모듈별로 이해한다. 이 확인에는 프로세스 자체의 기동, 정지 및 긴급시의 안전조치 모드 등이 포함된다.

이 확인 작업에는 기본 설계서로 분류될 수 있는 시스템 에너지 밸런싱 계산서(Process Flow Balancing Calculation Sheets or Diagram,or Balance of Plant) 또는 배관 및 계장 계통도(Piping & Instrument Diagram)가 주로 이용된다.

(4)운전목적과 운전상태의 확인

자동제어밸브의 운전목적을 파악한다는 것은 프로세스 시스템의 운전모드를 이해한다는 것으로써, 유체의 흐름, 온도, 압력의 제어, 프로세스의 운전변수에 대응하여 유체를 능동적으로 제어하는 일, 유체 흐름의 절환, 고온/고압 프로세스에서 저압 프로세스로의 계통 운전상태의 급격한 렛다운(Let Down) 제어 등 다양한 프로세스 별로 각기 다른 형태의 밸브가 프로세스의 제어 목적으로 사용된다.

또한 1개의 밸브에서 여러가지 제어기능을 복합한 밸브(감압과 동시에 온도도 낮추는 밸브인 PRDS, Pressure Reducing and Desuper-heating Station)등이 있으므로 이들의 운전목적을 확인한 후에 자동제어밸브를 선정하여야 한다.

자동제어밸브의 운전목적이 결정되면 밸브의 운전빈도, 운전상황을 비교적 정확하게 파악할 수 있으며, 이를 통하여 유체의 연속제어, 이상 발생시만의 운전, 연속적으로 관련 프로세스를 함께 제어 운전할 때의 뱃치운전 간격(Time Interval) 등 프로세스의 운전상태를 비교적 정확히 제어밸브의 선정에 반영할 수 있다. 프로세스 운전목적과 상태의 파악은 자동제어밸브의 선정에 가장 중요한 핵심 요소이다.

(5)응답성

자동제어밸브에는 프로세스의 원활한 제어 또는 프로세스 시스템 안전 확보 목적에 따라, 자동제어밸브의 조작신호(Input Signal)에 대한 밸브의 응답속도, 밸브 자체가 갖고 있는 기구학적인 운전속도, 또는 안전운전 모드에서의 신속한 동작 속도 등을 프로세스 전체 시스템 측면에서 이들의 조작, 운전 속도 등의 응답성을 알고 있어야 한다.

(6)프로세스의 특성

자동제어밸브의 운전목적은 유체 시스템의 전체적인 밸런스에 있다고 보아도 과언이 아니다. 따라서 프로세스의 주요 특성으로는 전체적인 유체의 밸런스 유무, 유량 변화의 범위, 압력 손실의 범위, 밸브의 응답속도의 크기 등이다. 이들 프로세스 특성의 파악과 이해는 전체 제어 시스템의 제어 루프(Control Loop)를 설계하는데 중요한 요소의 하나이다.

(7)유체의 운전조건

유체의 운전조건은 제어밸브의 선정에 있어 직접적으로 입력되는 자료들이다. 이들 유체의 운전조건을 통하여 제어밸브의 외적 특성(밸브의 크기, 형상, 형태 등)들은 결정된다.

-유체의 명칭
-혼합 유체인 경우 유체의 성분 또는 조성 특성
-유량(프로세스 운전모드별로 구분)
-압력(프로세스 운전모드별로 구분)
-온도(프로세스 운전모드별 밸브 입구의 압력과 출구온도의 구분)
-점도
-밀도
-포화증기압
-이상유체의 후라싱 비율(Flash Percent in Two-Phase Fluid Flow)
-임계압력
-과열증기의 과열도 등

이들 데이터들은 프로세스 운전조건에 따라 정상적인 운전시의 데이터 외에 운전 중 발생할 수 있는 프로세스 시스템의 최대운전, 최소운전 조건시의 데이터들도 확인하여야 한다.

이러한 제어밸브의 선정을 위한 데이터들은 프로세스 설계자들에 의한 안전 여유율 또는 여유가 있는 가정된 값이 포함되어 있는 경우가 많고, 따라서 설계 인터페이스상에서 이러한 안전 여유가 중첩되어 결과적으로 밸브가 정상 운전조건의 것보다 크게 선정되는 경우가 종종 있다.

이러한 경우에는 밸브가 정상운전 시에도 낮은 개도로 운전되기 때문에 밸브 시트의 손상 등 자동제어밸브의 운전 신뢰도에 큰 영향을 미치게 됨으로 이들 유체조건의 확인은 매우 중요한 사항이다.

아울러 압축성 유체인 기체의 경우에는 온도에 매우 민감하게 체적과 압력이 변화함으로 어느 상태(정상상태(Normal Condition) ; 0 C, 대기압 조건하 또는 표준상태(Standard Condition) ; 15.6 C, 대기압 조건하)의 조건인가를 확인하여야 한다.

(8)유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상

유체의 성질상태(성상) 및 특성유체의 화학적인 성상과 그 특성은 제어밸브의 선정에 있어 밸브 재료와 형태의 선정에 큰 영향을 준다. 이를 요약하면 다음과 같다.

①유체의 위험성 : 독극물이나 특정 유기물질과 같이 인체 및 환경에 위험을 미치는 유체, 특정 물질과의 화합 반응 및 폭발성과 같은 잠재적 위험성이 높은 유체

②부식성 및 마모성 : 부식(산화)의 정도, 조건, 마모를 증가 시킬 수 있는 고체 혼입 물의 정도 및 그 정성/정량적 데이터, 내부식침식 재료의 데이터 등

③폐쇄성 : 고형 슬러리의 혼입정도, 슬러리 및 고형 불순물의 내용, 고점도 유체의 특성 등 막힘 방지를 위한 대책으로서의 유체 성상의 파악

④응고성 : 응고조건, 응고방지 대책 등

(9)시스템에 있어서 밸브의 중요성 및 요구되는 신뢰성

프로세스에 있어서 자동제어밸브의 작동 불량은 밸브 그 자체의 문제가 아니라 프로세스에 직접적인 영향을 미친다.

따라서 프로세스 시스템의 원활한 운전을 위한 밸브의 중요성은 곧, 밸브 그 자체가 얼마나 높은 신뢰성을 갖고 있는가에 좌우된다. 밸브의 신뢰성은 앞서 언급한 제반 요건 중에서도 유체조건과 유체의 성상과 특성에 크게 영향을 받고, 특히 과거의 밸브 운전 경험에서 어느 정도 밸브의 신뢰성을 판단할 수 있다고 생각된다.

자동제어밸브에 있어서 신뢰성 향상을 위한 제반 대책으로는 다양한 여러 가지의 방법들이 동원되고 있다. 예로써 오리피스의 적용, 블록밸브, 또는 바이패스, 병렬 운전의 방법 등이 고려될 수 있다.

(10)적용 법규

프로세스의 운전환경에 따라 제어밸브의 설계, 선정, 설치, 보수 등에 관련하는 법규, 규격의 내용을 확인하여야 한다. 특히 기술 규격에 대하여는 전체 프로세스의 설계 일관성을 위하여 정해진 규격을 필수적으로 따르도록 되어 있다. 이에 대한 사항은 추후 구체적으로 따로 기술한다.

(11)밸브의 운전 범위성(레인지어비리티, Rangeablilty)

밸브의 운전 범위성, 레인지어비리티는 밸브의 제어 가능한 최대 유량과 최소 유량의 비율이다. 제어밸브의 제어 가능한 최소 유량과 밸브를 완전히 닫았을 때의 시트의 누설량과는 확실하게 구분된다.

예로써 밸브가 실용상 제어 가능한 최대 유량이 400gpm이고, 최소 조건하의 유량이 5gpm이라면 레인지어비리티는 80:1이 된다.