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2000년 1월호 알파와 오메가

8. 제어밸브

8.1 제어밸브 개요

(12) 밸브에서의 발생 차압과그 특성

자동제어밸브를 중심으로 프로세스 시스템의 유체 흐름의 상류측(Upstream)과 하류측 의 압력이 거의 일정하고, 자동제어밸브가 프로세스 압력손실의 대부분을 차지하는 경우 에는 밸브의 발생 차압을 정확하게 알 수가 있다.

그러나 프로세스가 긴 경우에는 배관시스템내의 배관 및 배관 피팅 등과 각종 프로세스 기기들로 인하여 압력 손실이 많이 생기게 되는데, 보다 정확한 밸브 선정을 위해서는 이 압력 손실량을 계산하여야 한다.

밸브에서의 차압을 일정하게 하고 유체를 흐르게 할 때의 유량특성은 고유 유량특성이라고 하고, 실제 프로세스 시스템상에서 운전할 때의 유량특성을 유효 유량특성이라고 하는데, 앞서의 프로세스 시스템 전체에서 생기는 압력손실에서 밸브에서만 발생하는 차압이 차지 하는 비율이 낮으면, 낮을수록 유효 유량특성은 고유 유량특성과 많은 차이를 갖게 된다.

또한 프로세스 시스템에서의 수송하는 유량이 변화하면 밸브에서의 발생 차압도 변화한다. 따라서 프로세스 시스템의 유량은 정상 운전시, 시스템 기동 시, 시스템 정지시마다 다르므로 밸브에서의 차압도 각각의 운전조건에 따라 검토하여야 한다.

실제로 프로세스 시스템 전체의 압력손실에 대한 자동제어밸브의 발생 차압의 비율은 가능한 한 비슷하게 프로세스를 구성 설계하면 좋다. 즉, 이 수치는 일률적으로 정하기 어렵지만 일반적으로 30~50%이면 매우 양호하다 그렇지만, 5%이하가 되면 제어가 매우 어려워진다. 밸브에서의 차압 이 크게 되면 그만큼 밸브의 내부 구조가 복잡해지고, 유체의 역학적 거동이 가혹해짐으 로 인하여 밸브의 경제성이 저하된다.

(13) 설계 최대차압(체절압력, Shut-off Pressure)

밸브가 완전히 닫혀 있을 때의 밸브 입,출구간의 압력의 최대치를 일컫는 압력으로써, 이 최대 차압은 밸브의 구동장치의 선정, 밸브의 스템, 요크 및 본네트와 관련 볼트, 너트 등의 강도설계에 입력 데이터로 쓰인다.

설계 최대차압을 대부분 밸브 입구에서의 최대압력으로 하여 밸브를 설계하는 경우가 대부분이나, 이러한 경우 밸브의 사양이 과대하게 선정될 염려가 있음으로 실제의 사용조건을 감안하여 설계 최대 차압을 고려하면 경제적인 밸브 선정을 할 수 있다.

(14) 시트누설의 정도(Seat Leakage Rate)

밸브가 완전히 닫혔을 때 시트에서의 누설을 어느 양 만큼 허용할 것인가를 확인하는 것이다. 자동제어밸브의 시트누설의 허용정도는 ANSIB16.104/FCI 70-2의 규정을 통상적 으로 많이 적용하고 있다. 시트누설의 허용등급은 6개 등급(Class I thru. VI)으로 되어 있으며, 등급이 높을수록 허용 누설량이 적다.

대부분의 자동제어밸브의 허용누설 등급은 Class IV가 일반적이며, Class VI의 경우에는 소프트시트의 사용이 권장된다. 시트누설의 정도를 표시하는 방법으로는 밸브의 정격 유량계수(Cv)의 비율로써 표시하는 방법(Class III, IV)과 트림 유로 구경(포트, Port)과 밸브의 차압에 대한 누설량으로 표시하는 방법이 있다.

(15) 안전모드 운전(Fail Safe Mode)

밸브의 안전모드 운전은 일반적으로 자동제어밸브의 구동공기 또는 동력원이 손실되었 을 때, 밸브의 작동이 프로세스가 안전한 방향으로 동작되도록 하는 것이다.

일반적으로 Failure to Close, Failure to Open, Failure to Lock 기능 중 하나가 되며, 이러한 안전모드 운전은 밸브 자체의 기능으로서 만 생각하는 경우와 프랜트 프로세스로써 생각하는 경 우와는 다른 결과를 갖고 올 수 있음으로 밸브의 선정시 이 요건의 정의는 프로세스 시스템 측면에서 수행되어야 한다.

(16) 밸브의 작동방법 자동제어

밸브의 운전에 있어서 제어신호나 구동 공기의 손실에 대비하는 밸브 작동방법은 프로세스의 조건에 따라 밸브의 안전모드 운전방법으로 검토한다. 자동제어밸브의 작동방법 에는 정작동(Air to Close, 또는 Direct Acting)과 역작동(Air to Open, 또는 Reverse Acting)이 있다.

정작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가 닫히는 것이고, 역작동은 신호량의 증가에 따라 밸브가 열리는 것을 말한다. 즉, 밸브 구동장치의 운동방향에서, 신호량의 증가에 따라 밸브 스템이 내려오는 것을 정작동형, 스템이 상승하는 것을 역작동형이라 한다.

(17) 밸브의 작동환경 자동제어

밸브의 작동환경은 대부분 가혹한 환경 조건하에 있다. 따라서 자동제어밸브가 위치하고 있는 배관 프로세스 시스템이나 프랜트 프로세스 시스템이 외부적으로 갖고 있는 환경조건 즉, 온도, 염분, 부식성 가스의 유무, 모래, 티끌 등의 먼지, 진동의 유무와 크기 등을 확인한다.

(18) 밸브에서의 소음 규제 범위

밸브 운전에 있어서 유체흐름의 지배 요소인 유로 단면적과 유속의 변화, 이로 인한 동적인 압력손실의 과정에 소음이 발생하게 된다. 이러한 밸브의 소음 한계치를 정하고, 그 저감화 방안을 검토해야 한다. 앞서의 플랜트 환경조건에서의 소음은 법률로서 규정되 어 있으며, 대략 90 데시벨(dB)을 넘어서는 안된다.

저감화의 방안은 밸브 트림의 구조에 의한 직접적인 방법과 아울러 배관의 형상 등 외부요인을 함께 고려하여 경제적인 방법을 택한다. 이 소음의 문제 하나만 가지고도 밸브의 가격 결정에 매우 큰 영향을 미치고 있 음을 인식해야 한다.

(19) 밸브의 방폭특성

가연성 또는 폭발성의 가스를 다루는 프로세스의 자동제어밸브는 그 자체로서 방폭특성을 갖고 있어야 한다. 포지셔너, 솔렌노이드 밸브, 리미트 스위치 등의 자동제어밸브의 부품은 가연성 가스의 종류, 위험장소의 등급 구분에 합치되는 방폭성능을 보유해야 한다.

이들 밸브의 보조 전기기기는 내압방폭형(Flame Proof, Exd)과 본질안전방폭형(Intrinsic Safety, Exi)로 구분된다.

(20) 제어입력 신호의 특성

제어밸브의 제어용 입력신호 즉, 콘트롤러(Controller)의 출력신호 또는 콘트롤러 신호 출력의 종류(공기 또는 전기) 및 밸브의 스트로크(Full Stroke)에 대응하는 입력신호의 범 위(Range) 등을 확인한다.

특히 구동부의 스프링(Spring Range)이나 릴레이에 의한 범위의 변경, 작동의 반전 등과 같은 특수한 경우(분할제어[Split Control], 파이롯트 제어 [Pilot Control]) 에는 이 제어입력의 신호특성에 주의를 요한다.

(21) 밸브 구동 동력원

공기는 구동부의 기능이 손상되지 않도록 수분, 기름, 띠끌 및 먼지 등의 청정도를 고려한다. 동시에 충분한 구동력을 확보하기 위하여 공기의 압력 및 용량을 확인한다.

(22) 배관 사양

자동제어밸브가 설치되는 배관의 사양에 대하여 확인한다. 배관의 호칭직경, 배관의 규 격, 재질, 접속방법, 설치상의 제한사항 및 배관 레이아웃 형상을 확인한다. 특히 특정한 밸브 면간치수를 적용하는 경우와 함께 배관지지대의 위치 등도 함께 검토한다.

(23) 블록밸브, 바이패스 밸브

자동제어밸브에서의 바이패스 밸브의 설치 여부는 유체의 조건, 배관, 운전방법 등에 의해 종합적으로 검토되어야 한다. 바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 제어밸브가 고장 에 의해 프로세스가 정지되지 말아야 하는 경우 등 자동제어밸브의 관리차원에서 설치하 는 경우가 많다.

바이패스 밸브를 설치하는 경우에는 바이패스 밸브의 조작성, 속도 응답 성 및 제어성에 대하여도 충분히 고려하여야 한다. 바이패스 밸브를 설치하면 제어밸브의 전후에 블록밸브를 설치하여야 한다. 일반적으로 블록밸브는 게이트밸브와 같은 차단용의 밸브, 바이패스 밸브는 글로우브밸브를 선택한다.

그러나 바이패스 밸브에 차압이 크게 요 구되는 경우 글로우브밸브가 적합하지 않을 경우도 있음으로 유의하여 선정한다. 다음은 API RP 550에서 권고하는 블로밸브와 바이패스 밸브의 선정표이다.

(24) 보수성

자동제어밸브의 보수, 점검 및 정비는 유체조건이나 운전조건 등에 따라 달라짐으로 밸브 각각에 대하여 그 선정 단계에서부터 고려되어야 한다. 유체에 의한 침식 부식이 예 상되는 경우에는 이러한 영향이 적은 밸브 형식, 재질 등을 선택한다. 보수 차원에서도 밸 브의 트림(밸브 프러그, 시트링 등)의 교환이 간단한 구조의 밸브가 좋은 밸브이다.

다음 은 밸브의 보수성을 점검하는 하나의 항목으로, 밸브를 선정하기 전에 검토해 둘 필요성 이 있다.
- 보수는 어떻게 할 것인가.
- 밸브에 대한 점검은(중요도, 점검 간격, 점검의 내용, 규제사항의 유무)
- 플랜트 운전 중에 작동검사의 필요성 여부와 작동검사 시스템
- 부품의 조달 및 예비 부품의 보유 체계

(25) 경제성

자동제어밸브는 비교적 고가의 밸브임으로 그 자체의 경제성과 보수비용의 양면을 함 께 검토하여야 한다. 자동제어밸브의 선정에 있어서 가격에 영향을 미치는 인자들은 다음과 같다.
- 밸브의 형식
- 밸브의 구경
- 본체의 재질, 주요부의 재질
- 압력온도 등급(Pressure Rating)
- 트림의 형식
- 본네트 형식(상온용, 고온용, 저온용, 초저온용, 벨로우즈 씰 채택 여부, 기타)
- 핸드휠의 유무(블로밸브와 바이패스 밸브의 유무에 직접 상관됨)
- 구동부 형식 및 크기
- 악세사리류(포지셔너, 솔렌노이드, 리미트 스위치 등)
- 특수사양(자켓트 몸통, 밸브 누설등급)
- 검사항목(특히 재료검사에 대한 것)
- 소음에 대한 규제 정도 여기에 예비부품을 포함하는 보수비용을 고려하여야 하며, 초기 구입가격과 보수비용을 함께 포함하여 검토하여야 한다.

(30) 자동제어밸브의 선정 방법

밸브를 선정하는 것은 시스템에서 요구하고 있는 제반 특성들을 구체화 시켜, 밸브가 시스템에서 안정적으로 운전할 수 있게끔 하는 기술적인 업무이다. 밸브의 크기를 결정하고, 밸브의 재질과 트림 특성을 결정함에 있어 어떠한 방법으로 밸브가 시스템이 요구하는 운전 목적에 적합하게 추종할 것인가를 결정하는 일은, 보다 구체적이고 높은 엔지니어링을 요구하게 된다.

자동제어밸브를 선정함에 있어 이러한 고도의 기술적업무를 어떤 순서에 따라 실시하는 선정공정 및 제어밸브의 구체적인 사양서(Specification She-et)의 작성요령은 자동제어밸브의 엔지니어링 중에서 가장 중요한 일로 구분된다.

따라서 자동제어밸브의 선정은 자동제어밸브의 엔지니어링의 시작이자 끝이라고 할 정도로 중요하며, 선정시의 착오로 인하여 많은 문제점이 발생되고 있는 것이 사실이다.

자동제어밸브의 정확한 선정을 위해서는 각 단계별로 확인하고 넘어가야 할 엔지니어링이 있는데 이것을 제어밸브의 선정 공정도라고 한다. 기초 데이터(운전조건 및 시스템 설계조건)를 이용하여, 각 엔지니어링 단계별로 선정시의 제반 조건을 고려하여 선정공정에 따라 사양서에 입력해 나가는 것을 본 장에서 구체적으로 설명한다.

자동제어밸브는 크게 구분하여 몸통부, 구동부 및 악세사리의 세가지로 구성되어 있다. 선정에 있어서도 이 세 가지의 공정을 확인하여야 한다. 다음은 포괄적인 자동제어밸브의 선정 공정이다.

1 단계 : 몸통부 선정
유체와 직접 접촉하면서 유체의 흐름을 실질적으로 제어하는 부분이 몸통부이다.
몸통부는 유체제어의 핵심 요소인 트림부분과 트림부분이 건전하게 운전될 수 있도록 지지하는 압력유지 부분이 몸통으로 구성되어 있다. 따라서 유체의 특성에 맞는 재질과 유체제어 특성에 맞는 트림 형식을 가져야 하고, 전체적으로 경제성과 내구성이 요구되어야 한다.

따라서 몸통부의 선정은 유체의 제반 조건, 제어특성, 유량특성, 레인지어비리티(밸브의 운전 범위성), 설계 최대 차압(체절압력, Shut-offPressure), 허용 시트 누설량, 환경조건, 소음, 보수 및 경제성 등 모든 항목을 확인하고 선정하여야 한다. 따라서 제어밸브의 선정은 몸통부의 선정이 선정의 가장 중요한 요소이자 1차적으로 검토되는 요소이다.

   
  [ 출처 : www.pipingjournal.com ]