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2001년 2월호 알파와 오메가

이번호에서는 제어밸브에 대한 엔지니어링을 기존 발전소에 설치된 밸브를 중심으로 실예를 들어 설명하기로 한다. 이 설명에는 제어밸브의 ISA 계산법칙에 따른 계산서를 첨부하여 이를 참고로 평가를 하여야 하나, 지면 관계상 이를 생략하고 다음호에서는 제어밸브의 엔지니어링을 발전소를 중심으로 하는 실제 시스템 측면에서 검토하기로 한다. 이 검토를 끝낸 후에 제어밸브의 구동장치 설계, 선정 및 엔지니어링 계산방법을 기고할 계획이다.

실전 예제 - 제어밸브 선정자료의 검토
발전소 주증기 및 주증기 바이패스 계통 콥스-발칸사 제어밸브 선정 자료 검토 보고서(Control Valve Engineering Report of Main Steam & Bypass System in Power Plant)

주증기 드레인 밸브 LCV-14

1.제어밸브 최초 설치 조건
(1)제어밸브 구매자 / 제작사United Technologies / CVI JOB NO.:91-34285-10
(2)Original Control Valve Sizing Condition [표1참조]
(3)신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정하여 밸브의 설계조건으로 함 [표2참조]

2.기능
본 제어밸브는 고압증기배관에 생기는 응축수를 증기트랩을 통하여 계속 방출하기 어려울 정도로 다량의 응축수가 생겼을 경우, MS-14-LSH의 시그널에 의하여 이들 응축수를 복수기로 방출하는데 사용되는 ON-OFF용 제어밸브이다.

3. 운전

4. 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상
현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는 점인데, 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수 있다.

(2) 문제의 원인
문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터가 전무한 상태로 밸브의 사이즈와 압력 등급(Pressure Tempera- ture Rating)만 제시하고 구매 설치한 것 때문이다. 즉, 계통특성에 맞도록 제어밸브를 엔지니어링하여, 제어밸브를 선정했다면 이런 문제는 발생되지 않았을 것이다.

계통 특성상 본 제어밸브는 주증기관에 생기는 응축수를 복수기로 방출하는 역할이므로 밸브가 열려 운전하는 상태에서는 후라싱 현상을 피할 수 없다. 따라서 후라싱이 게속 진행되어 왔다면 현재의 프러그 조절형(Plug Throttle)트림의 침식현상은 아울러 피할 수 없다. 침식 누적으로 인한 유체의 과도한 누설(Passing)은 외부적으로 구동부의 힘이 약하여 발생되는 것으로 인식될 수 있다.


(3) 문제의 분석/평가

앞서 1./(3)에서와 같이 기존의 밸브 데이터 시트를 참조하여 역으로 밸브 사이즈와 트림내용만 같고 복수기로 방출되는 응축수의 드레인 량을 최소 시간당 4톤에서 12톤까지 넣어 밸브를 사이징 한 결과 모든 조건에서 후라싱은 피할 수 없으며, 밸브가 차단되어 있을 때, 밸브의 차단 압력은 입구압력의 1.5배(여유를 충분히 고려)로 하여 구동부 사이즈를 검토한 결과, 차단용 제어밸브로서의 구동부 크기는 60inch²로써 현재의 구동부로도 충분하게 차단할 수 있는 것으로 판단된다.

후라싱 서비스용 트림으로써 프러그 조절형 트림은 적절하지 않으며, 특히 유체의 유로가 밸브 디스크 하부에서 상부로 흐를 때(under the web)는 특히 후라싱 서비스에서는 적합한 밸브의 유로 방향 선택이 아니다.밸브의 출구 후단은 적어도 2단계로 배관이 확관 되어야 고속 유체 흐름에 의한 배관의 침식을 완화 시킬 수 있다.

(4) 대책

정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고, 침식의 진행정도에 따라 후라싱(Flashing)용 트림(후라싱 현상에도 트림이 견딜 수 있는)으로 교체한다. 현재의 밸브설치 위치와 복수기와의 거리를 측정하여, 거리가 멀리 떨어져(5m 이상) 있다면, 밸브를 가능한 한 복수기에 가깝도록 이전 설치를 검토한다. 아울러 밸브의 출구 배관이 현 계통도에는 1″로 되어 있는 바, 발전소 유지보수의 경제성 측면에서 적어도 2.5″로 확관하거나, 복수기 전단에 레스트릭션 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하여 고가의 밸브 보수로 인한 경제적 부담을 완화시킨다. 밸브제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인 진단을 의뢰한다.

주증기 바이패스 압력제어 밸브 PCV-15

1. 제어밸브 최초 설치 조건
(1) 제어밸브 구매자 / 제작사United Technologies / CVI JOB NO.:91-34285-10
(2)Original Control Valve Sizing Condition [표3참조]
(3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표4참조]

2. 기능
본 제어밸브는 고압증기의 터빈 바이패스 배관의 주 제어밸브의 릴리이프 밸브로써, 바이패스의 증기량이 급격히 증대되거나 주 제어밸브가 운전 불능일 때 증기를 바이패스 하는데 ON-OFF 용도로 사용된다.

3. 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상
현재의 문제점은 밸브 차단 시 디스크가 들리는 듯한 현상으로 계속 유체가 누설되는 현상이 발생되는 점인데, 이는 실제 구동부가 약하여 입구측 압력에 의해 구동부의 스프링이 들리는 것으로도 보일 수 있다.

(2) 문제 원인
문제의 근본적인 원인은 최초 제어밸브의 발주 시 운전 데이터상 ON-OFF 밸브이기 때문에 증기의 유속을 무시하고, 배관 사이즈대로 3″의 밸브를 선정하였음. 그러나 운전 조건상 입구압력(P1)이 760psia 정도로써 유량 계수는 Cv=110 를 초과하여 운전하는 것이 현재의 운전 상태임. 현재 운전 조건 하에서의 유속은 621.4 m/sec로써 우려할 만한 유속이나 차단용 제어밸브이기 때문에 적용이 가능함.

그러나 실제 설치된 밸브의 Cv값은 Cv=97로써 현 운전조건에 비하여 작은 용량의 밸브를 사용하고 있는 것임. 또한 제작사United Technologies 가 최대 용량으로 밸브를 선정했기 때문에 제어밸브로서는 거의 적용되지 않는 다이아후람의 공기압력을 80psig(5.6kgcm²)을 요구하여 운전토록 하고 있는바, 그간의 운전실적으로 보아 스프링의 시효 감소로 구동부의 스프링이 들릴 가능성이 매우 높음. 따라서 문제는 밸브의 용량 부족과 더불어 구동부의 크기가 작게 선정된 것이 본 밸브 문제의 근본 원인이라 판단됨

(3) 문제의 분석/평가
제어밸브 데이터시트 PCV-15에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한 결과 밸브가 열릴 때의 소음이 매우 크며(약 110 dBa이상),밸브가 차단되어 있을 때, 밸브의 차단은 오직 구동부의 스프링 힘에 의해서만 차단되도록 되고 있으나 이때의 공기압 압력이 완전 차단에 미치지 못하고 있을 가능성이 있으며, 밸브의 요구 유량을 원활하게 차단/개방하기 위해서는 구동부의 크기(용량)가 적어도 260inch²로 기존 설치된 160inch²의 것보다 훨씬 큰 사이즈의 구동부를 필요로 하는 것으로 분석됨.

(4) 대책

정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고, 침식의 진행정도에 따라 밸브의 트림을 보수한다.현재의 운전 모드를 계속 사용하는 조건이라면, 본 밸브의 다이아후람 구동부의 크기를 현재의 160 inch²에서 260 inch²의 모델로 교체 설치한다.밸브제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인 진단을 의뢰한다.

주증기 바이패스 압력제어밸브PCV-20

1. 제어밸브 최초 설치 조건
(1) 제어밸브 구매자 / 제작사United Technologies / CVI JOB NO.:91-34285-10
(2)Original Control Valve Sizing Condition [표5참조]
신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표6참조]

2. 기능
본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 고압 증기 유량을 제어하는 밸브이다.

3. 문제점 및 대책
(1) 문제점 현상
(2) 문제 원인
(3) 문제의 분석/평가

새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이, 현재 설치되어 있는 밸브의 운전 조건으로 보아 더 많은 유량, 더 높은 고압증기의 유입에도, 본 밸브는 적절하게 운전되는 밸브로 선정되어 있다. 운전 특성상 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없다.

(4) 대책
정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고, 침식의 진행정도에 트림을 보수한다.

주증기 방출 제어밸브 PCV-32

1. 제어밸브 최초 설치 조건
(1) 제어밸브 구매자 / 제작사United Technologies / CVI JOB NO.:91-34285-10
(2)Original Control Valve Sizing Condition [표7참조]
(3) 신규로 시스템 운전에 근접하게 운전조건을 가정 [표8참조]

2. 기능
본 제어밸브는 HRSG의 고압증기를 복수기로 바이패스 하는데 사용되는 제어밸브이다.

3. 문제점 및 대책

(1) 문제점 현상
현재 예상되는 문제점은 밸브가 운전할 때 증기의 유속이 비교적 빠름으로 인하여 생기는 소음문제를 예상할 수 있으며, 특히 낮은 개도도로 운전 시 시트부위의 침식으로 인한 누설 가능성이 높은 점이다.

(2) 문제의 분석/평가
제어밸브 데이터시트에서 보는 바와 같이 실제 운전 조건과 최초 선정된 데이터로 사이징 한 결과 현재의 다이아후람 구동부는 160 inch²로써 실제 운전 조건대로 계산 선정되는 100 inch²보다 큰 구동부 임으로 밸브 구동력에는 아무런 문제점이 없다.그러나 고속의 증기를 제어하는 밸브이기 때문에 소음 문제와 더불어 시트 부위의 침식(장기간 사용시) 문제가 예상됨으로 주기적으로 트림을 점검하여 손상 유무를 확인하여야 할 것임.

(3) 대책
정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고, 침식의 진행정도에 따라 밸브 트림의 보수 여부를 결정한다.제작사의 공인 서비스 업체에 전반적인 진단을 의뢰한다.

   
  [ 출처 : www.pipingjournal.com ]