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모든 밸브는 본래의 기능을 제대로 발휘하기 위해서 구성 부품의 하나 하나가 구조적으로 충분한 강도를 유지하여야 함은 물론 마모나 마찰 또는 유체와의 상호작용 등 외부적인 역학 구조에서도 건전하여 운전의 신뢰성을 확보하여야 한다.
따라서 밸브를 설계할 때, 이러한 사항을 계산이나 경험 그리고 실증실험을 통하여 설계의 파라미터를 정하고, 이 파라미터에 따라 밸브의 형상과 재질 그리고 유체흐름에 있어서 동적, 정적인 유체의 힘에 대한 적절한 대책을 밸브 구조에 반영해야 하는 것이다. 또한 이렇게 설계되어 제작된 밸브는 검사라는 행위를 통하여 설계 사양서 대로 제작되었는가, 설계에서 요구된 기능들이 제대로 역할을 수행할 수 있는가를 검증한다. 그러나 이러한 과정을 통하여 출하된 제품은 그 자체로 그 시간대에 완벽하다고 할 수 있으나, 이들 밸브들을 설치한 배관 시스템에 있어서는 시스템 전체의 수명까지 보증되어 있지 않은 경우가 많으며, 경우에 따라서 보증이 불필요한 경우도 많다. 특히 밸브의 경우에는 사용환경이 매우 복잡하여 어떤 유체를 어느 압력, 어느 온도에 사용하는 가에 따라서 밸브 자체는 물론 관련 시스템의 수명에 큰 영향을 받게 된다.
일례로 밸브의 사용 유체가 해수이고, 사용온도의 범위가 10~20℃이며, 설계압력이 20kg/㎠, 유량이 6000kg/Hr로서, 밸브를 포함한 시스템의 수명기간이 40년인 어떤 플랜트에 밸브가 설치되어 있다면, 실제로 이 시스템에 설치된 모든 각각의 기기들이 40년의 수명을 지킬 것이라고 보는 기술자는 아무도 없을 것이다.
주기적인 점검과 예방정비는 물론 적절한 보수를 통하여 수명을 지속시키는 것이다. 따라서 밸브의 보수라는 것은 어떤 사고, 또는 발생된 문제에 대한 백업(Back-up) 행위가 아니고 문제가 발생될 것이라는 예상 하에 필연적으로 예상되는 밸브의 노화에 대한 예방과 실제 발생된 문제에 대한 적절한 처리인 보수 행위가 있으며, 이를 한데 합쳐서 밸브의 제반 성능 및 기능을 총체적으로 관리하는 것을 큰 의미의 보수 업무라고 할 수 있다.
다음 [그림1]은 보수와 사이클을 설명하고 있다. [그림1]에서와 같이 실제 제품은 충분한 강도를 갖고 제기능 및 성능을 유지하고 있지만 시간의 경과에 따라 부품이 열화되어 설계 Level보다 더욱 내려와서 거기의 기능 유지에 필요한 최소한의 강도 한계가 되면 고장이 생기게 된다.
이 그림에서 보수를 언급하면 (Ⅰ)단계에서는 당연히 설계 Fiterscopes레벨 위에 있기 때문에 성능이 유지되고 있으므로 특별한 보수 업무는 없다고 볼 수 있으나 기기의 상태를 확인하는 정도의 보수 업무는 계속된다. 그 다음 어느 정도의 시간이 흐르면 (Ⅱ)영역에 이르게 되는데 이 영역은 예방보수 업무가 무엇보다도 중요한 시기로서 기기에 대한 어떠한 예방 보수가 취해지지 않으면 안되는 영역으로 사소한 게으름으로 인하여 큰 고장을 야기할 수 있다.
(Ⅲ)영역에 이르면 고장이 발생되며 따라서 긴급한 보수가 필요한 영역으로서 설비 전체가 정지 또는 제한 운전이 되며 경우에 따라서 계통을 분리하지 않으면 안되는 경우가 있음으로 이러한 지경에 이르지 않도록 (Ⅰ),(Ⅱ)단계의 업무는 매우 중요하다.
여기서 (Ⅲ)영역은 좁은 의미의 수리 또는 보수(補修)이고, (Ⅱ)영역을 포함하면 넓은 의미의 보수(補修)라 할 수 있다.
(Ⅰ)의 영역은 단순히 점검이라고 할 수 있으나 (Ⅰ),(Ⅱ),(Ⅲ)영역 모두를 총칭하여 보수(保守) 또는 보전(保全)이라고도 말한다.
다시 말하여 보수 업무의 목적은 "기기가 필연적으로 진행되는 열화(또는 노화)와 확률적으로 발생하는 고장에 대비하여 기기를 설계 Level 이상으로 기능과 성능을 유지시키는 일"로 요약할 수 있으며 영어로는 Maintenance라고 부른다.
1.밸브의 고장
각종 산업분야에서 프로세스의 가장 중요한 요소로서 사용되는 밸브는 산업의 고도화와 이에 따른 고신뢰성의 요구로 날로 그 기술이 발전되고 있다.
그러나 밸브 구조는 여타 다른 기계 장치와 달리 비교적 간단한 구조로 구성되어 있으나 직접적으로 압력을 받으며, 사용목적에 따른 밸브기능을 완벽하게 수행해야 하므로 사용목적, 기능 및 사용환경에 따라 그 종류가 매우 다양하며 중요부품은 매우 엄격한 해석 및 기능시험을 거쳐 설계 제작됨으로, 가혹한 조건하에서 사용되거나 계통 운전상 최종 제어장치로 쓰이는 제어밸브등과 같은 경우에는 주문제작이 필수적이며 이에 따라 가격차이도 천차만별이다.
본고는 중요 프로세스에서 사용되는 비교적 고가 밸브의 고장 및 손상 원인 등을 고찰하여 봄으로서 밸브의 전반적인 보수 관리에 도움을 주기 위함이다. 한 예로 일본의 발전소용 고온고압밸브의 전문 제작사인 오까노 밸브에서 최근 조사한 고온고압밸브의 제반 고장 상황은 다음과 같다. 고장 발견시기는 시운전시 전체 고장건수의 약 36%가 발견되는데, 이것이 초기 고장에 해당한다. 운전시의 고장이 실제 프로세스를 정지시킬 수 있는 건수는 비교적 적은 밸브 각 부위에서의 누설등이 대부분이다. 따라서 고장 발견은 대다수가 정기 점검 또는 정지시가 약 절반이며 운전중의 고장 발견은 약 10~13% 내외이다.
밸브 종류별 고장 발생률은 약 절반이 통상의 게이트 및 글로브 밸브이며, 안전밸브도 약 20%가 시트 누설등의 고장률을 기록했다. 이외에 제어밸브에서도 게이트 밸브의 절반정도인 11~14%의 고장률을 기록하였으며, 우리들이 일반적으로 소홀히 관리하고 있는 체크밸브에서는 약 10%의 고장률을 보였다. 고장의 내용은 매우 다양하나 비내압부품(Non Pressure Retaining Parts)에서의 균열, 파단 및 절손, 내압부품간의 경제구역인 디스크, 시트등의 육성 용접부(Hardfacing)에서의 균열, 안전밸브 시트부위에서의 누설, 모터 구동밸브의 구동장치 불량, 밸브디스크의 개폐동작 불량, 밸브·본네트·가스켓 누설등의 순서로 약 7~11%를 점유하였으며, 6% 내외가 내부밸브에서의 침식, 내부밸브 디스크 시트에서의 내부 누설 등이었다.
이외에 내압부품에서의 손상이 4%, 운전중 부품의 이완으로 인한 고장과 이상승압(Pressure Locking), 고온고착(Thermal Binding)현상이 약 3.5% 내외를 차지하였다. 여기서 특별한 것은 안전밸브를 제외하고 모든 밸브가 운전중 고장을 확인할 수 있는 그랜트 패킹에서의 누설등 외부누설 및 구동장치의 불량을 제외하고는 거의 대부분의 경우가 정기점검시에 발견되었다는 사실을 염두에 둘 필요가 있다. 이상과 같이 밸브의 손상구조는 매우 다양하게 구성되어 있으며 의외로 비내압부품에서의 손상이 밸브의 동작불능을 야기하는 경우가 많다.
다음으로 밸브의 손상 메카니즘을 역학적 측면에서 손상현상을 고찰하여 보면 밸브의 1차 기능인 유체수송의 제어기능을 수행하는 가운데 발생하는 유체역학적 불안정성으로 인한 케비테이션, 과도한 소음 및 후라싱등으로 인한 점진적인 내부밸브, 즉 트림의 손상과 밸브구조의 진동원인 제공 등을 들 수 있다.
아울러 2차 기능으로 간주되는 밸브 자체의 구조적 안정성의 문제로 인한 구조적 취약성을 생각할 수 있는데 이중에서 특별히 우려되는 것은 1차기능과 2차기능이 함께 불안정하게 수행될 대 고장은 증폭되게 된다. 이러한 경우는 프로세스를 시운전할 때 주로 발생하기 때문에 밸브에서의 초기 고장발생률은 상당히 높아지게 된다. 이후에는 주로 1차기능 또는 2차기능의 취약으로 인한 우발고장이 목격되고, 사용기간이 길어질수록 고장률은 증가하게 된다. 본고에서는 밸브의 손상 메카니즘을 밸브 기능 및 밸브고장의 내용으로 구분하여 상호관계를 규명하여 봄으로써 밸브의 효율적인 선정과 밸브설계에서의 각 밸브 부품별 설계개선의 Weight Valve를 제시하고 사용자에 있어서는 체계적이고 합리적인 보수방안의 아이디어를 제공하고자 한다.
2.밸브의 손상 메카니즘
1)유체역학적 불안정
밸브에 있어서 유체역학적 불안정은 유체의 수송 및 제어과정 중에서 발생하는데 밸브의 구조와 직접적인 관련이 있다.
밸브는 프로세스 배관에서 하나의 제어 요소로 볼 수 있는데 게이트 밸브와 같은 경우는 On-Off 제어 요소이고, 글로브 밸브와 같은 경우는 연속제어가 가능한 요소로서 특히 제어밸브는 이러한 목적에 부합되도록 만든 밸브이다. 유체수송에 있어서 On-off 목적으로만 사용되는 대표적 밸브인 게이트 밸브에서의 유체역학적 불안정성은 별도 항목에서 설명하고 여기서는 제어밸브의 유체역학적 제반현상을 설명함으로써 밸브의 1차기능 문제를 다루기로 한다.
①유체관로의 압력
밸브 사용에 있어서 중요한 설계 및 운전 포인트가 관로에서의 유체압력이다. 프로세스 구성에 있어서 관로 압력의 변화는 피할 수 없으며, 관로내 제반압력 손실요소의 존재로 인하여 프로세스의 동력은 원래보다 증가한다. 그러나 이 압력손실 요소로서 가장 핵심적인 것이 밸브인데 제어밸브의 경우는 압력손실 요소로서가 아니라 압력제어 요소로서 밸브에서의 압력손실을 적절히 이용할 목적으로 사용된다. 일반적으로 유체관로의 유량과 유체관로에서의 밸브 전후간의 압력손실량과의 관계는 압력손실량 즉, 압력차의 제곱근에 비례한다.
그런데 여기서 유의할 사항은 압력차를 조정하여 유량을 제어하고자 할 때 과도한 유량의 제어는 압력차를 크게 하여 밸브에서의 유체흐름에 불안정을 초래한다. 이 관계는 유체의 포화증기압에도 관계되므로 유체의 성질 및 온도가 가변요소로서 유체관로의 압력제어시 필히 검토할 사항이다. 또한 밸브의 2차 기능으로 보아 유체관로의 압력은 밸브의 크기를 결정하는 직접적 요인이 되는데 이 관계는 밸브 선정시 가장 먼저 검토하는 압력·온도기준(Pressure·Temperature Rating)으로 가장 일반적으로 사용되는 기준은 ASME/ANSI B 16.34로서 1996년도 판이 가장 최근 판이다. 1차 기능의 수행과정중 가장 빈번하게 발생되는 손상구조는 압력제어시 밸브에서의 압력 손실량이 매우 커서, 밸브교축부의 압력이 유체의 포화 증기압보다 내려갔다가 밸브 후단에서 다시 회복되는 과정에서 생기는 케비테이션(Cavitation)이다.
이 케비테이션은 순간적으로 기포를 생성하고 다시 압력회복시 붕괴되는 과정에서 매우 큰 충격압을 밸브트림에 가하게 됨으로써 트림구조의 케비테이션 손상을 일으키고 아울러 정도의 차이는 있지만 경우에 따라서 심한 소음과 진동을 유발시켜 밸브의 구동부까지 손상시키는 경우가 있으므로 매우 유의하여야 할 사항이다. 발전소에서 복수기로 방출되는 히터 배수 계통의 제어밸브는 상대적 진공인 복수기로 유체가 방출됨으로써 밸브 후단에서 유체의 압력이 회복되지 않고 기포상태로 밸브를 운전하게 되는 경우도 있는데 이는 후라싱으로 표현된다. 이 경우에도 케비테이션과 마찬가지로 트림구조를 침식 손상시키는데 케비테이션에 의한 트림의 침식손상이 곰보형태인 것에 비해 아주 매끄러운 침식 손상면을 갖고 있다. 밸브의 케비테이션 및 후라싱을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
②제어밸브의 Cavitation 및 Flashing
제어밸브에서의 케비테이션 및 후라싱은 유체가 교축점을 지날 때 유속과 압력의 관계에 의하여 생기는 현상으로 설계 또는 운전시 주의해야 할 사항이다.
[그림2]에서 보는 바와 같이 교축점(VC:Vena Contracta)에서 유체의 증기압 이하로 압력이 떨어지면 유체내에서 기포가 형성되는데 이것을 1단계 케비테이션이라고 한다. 물론 유속은 증가한다. 이 교축점을 지나면 유체내의 마찰로 인하여 유속도 점차 감소하고 아울러 압력은 증가하여 압력회복이 이뤄진다. 그리고 이사이 기생성된 기포는 붕괴되거나 폭발되어 소음과 진동을 일으키면서 케비테이션 현상은 종료된다. 이것을 2단계 케비테이션이라 한다.
이 현상의 특징은 유체내에 기포가 존재치 않는 상태에서 교축점을 중심으로 유속과 압력의 에너지 교환 과정중 생긴 기포의 생성과 소멸로서 밸브 입구에서의 유체 상태는 과냉상태(Sub-Cooled Condition:주어진 압력하에서 포화 온도보다 낮은 상태)로 되어 있어야 하며, 만약 포화 상태의 유체가 흐른다면 출구측에서 계속 기포가 잔류하게 되어 후라싱 상태로 될 수 있다.
따라서 밸브 출구측의 압력은 증기압 이상으로 되어있어야만 케비테이션이 발생할 수 있다. 케비테이션 현상은 기포의 생성 소멸이 짧은 시간동안 지속적으로 일어나면서 밸브에 소음, 진동은 물론 밸브 트림에 침식을 일으킨다. 이 기포의 생성 소멸의 압력 충격파는 매우 크고(as high as 100,000psi) 또한 순간적이며 지속적으로 밸브 금속면에 충격을 가하여 피로 현상을 일으키고 결국 그 부분이 침식을 일으키는 것이다. 지금 1단계 케비테이션 현상이 밸브 출구측으로 계속 진행된다면, 이를 케비테이션과 구분하여 후라싱이라 한다.
후라싱은 압력이 유체의 증기압 이하로 계속 유지되면서 유속은 크게 증가되어 있는 현상이다. 후라싱이 생기는 원인은 밸브 입구의 유체상태가 과냉 상태이거나 포화상태로서 교축점을 지나면서 더욱 기포가 생성되고, 유속이 증가되어 압력 또한 포화 압력이하로 유지됨으로 인한다.
후라싱은 유체입자를 고속으로 관로면에 충돌시킴으로써 꼭 Sand Blasting을 한 것처럼 매끄러운 표면을 만드나 계속적으로 진행되면 관로 두께가 얇아지고 결국 손상을 입게된다.
이러한 케비테이션과 후라싱 현상의 발생 과정중 교축점에서의 비체적은 기포의 생성으로 인하여 증가하게 되는데 만약 교축점에서의 유체 속도보다 비체적의 증가 속도가 크거나 이 점에서 액체·기포의 2상 유체 상태로 그 속도가 음속에 다다르게 되면 케비테이션 또는 후라싱과는 다른 현상이 일어나는데 이를 초크흐름(Choked Flow)이라 한다.
즉 밸브가 열려 있는데도 유체가 순간적으로 흐르지 않고 간헐적으로 큰 진동 또는 소음을 발생하면서 흐르게 된다.그러나 이론적으로 유체의 초크현상은 명확히 규명되어 있지 않다. 제어 밸브에 있어서 케비테이션은 밸브 트림을 마멸시키고 큰 소음을 일으킨다.
③유체관로의 유량
어떤 프로세스에 있어서 유량의 제어는 곧 밸브에서의 압력손실량의 정도 즉, 압력차를 조절하는 것과 직접적인 관계가 있다. 원활한 밸브의 운전은 유량과 압력조절이 자연스럽고 부드럽다는 것이나 압력차를 제어함으로 유량의 다소에 관계없이 유량조절이 된다는 것은 아니다.
왜냐하면 유체관로의 경제유속을 무시하고 많은 유량이 필요하다고 유체를 고속을 흘려보낼 수는 없으므로 경제유속의 범위 내에서 밸브를 운전해야 한다.
배관의 부식침식을 고려한 결제 유속은 최대 10m/sec 정도로 제한되며, 트림을 정기교환 보수부품으로 할 경우에도 약 1000psi(71bar)의 차압발생시 50m/sec 이내이어야 한다. 따라서 유량의 문제는 밸브 자체의 크기결정 즉, 트림의 크기 결정에 유효하고, 압력손실량을 제어하는 요소인 트림의 형상 및 특성에는 2차적으로 영향을 주게된다. 유체 관로의 유량과 밸브간 차압과의 관계는 다음의 식으로 물리적 의미를 음미할 수 있다.
Cv = 1.17KQ(G/P)0.5
단, △P = Pu-Pd, Pd>0.5Pu, △P<0.5Pu
Q = 유량(㎥/hour)
G = 액체의 비중(무차원)
△P = 밸브간 차압(kg/㎠)
K = 밸브 트림 및 밸브 형상에 따른 상수(무차원)
④유체의 온도
유체의 온도는 밸브 적용에 있어 매우 중요한 설계 파라메타일 뿐더러 밸브 운전에 있어 케비테이션 또는 후라싱의 경계 및 한계를 정하는데 중요한 요소이다. 아울러 밸브의 구조를 결정하는데 직접적인 영향을 주는 인자로서 특히 고온고압밸브의 경우 내압부 및 밸브 구성부분의 비연속성에 따른 열천이(굽힘 성분의 모멘트를 발생시킴)로 인한 열응력을 발생시킴으로 이 관계를
주의하여 설계제작 되어야 한다.
45회(99.3월호)
2)유체흐름의 불균일로 인한 밸브의 진동
유체가 밸브를 통과할 때는 불규칙한 내부형상 또는 유로에 장애물이 있어서 난류(Turbalance)의 발생이 필연적이다. 이때 난류는 일정한 주기의 진동을 유발하게 된다. 가장 간단한 예로서 게이트 밸브에서 디스크가 중간개도에 있을 경우 와류발생(Vortex Shedding)에 의한 진동이 유발되는데 그 관계는 STROUHAL Number로 표시되는 관계식에서 알 수 있다. 즉,S = Vo/fD
여기서 S = STROUHAL No.로서 Reynolds 수에 관계하고 대략 그 범위는 0.16~0.22를 갖는다.
f = 와류발생에 의한 유체 유발 진동수
Vo = 입구에서의 평균속도(ft/sec)
D = 특성 간섭거리(Characteristic Dimension)
그러나 이 관계식의 실제 적용 시에는 매우 조심해야 하며 이 식의 결과는 측정치에 대한 자료관리 측면에서 해석적 경향을 파악하는데 유효하며 측정치가 없는 경우의 진동해석에는 무리가 있음을 밝혀둔다.
특히 버터플라이 밸브 및 볼 밸브와 같은 경우는 밸브개도의 정도에 따라 밸브 및 배관계통에 유발시키는 와류진동(Voltex Vibration)이 밸브 구동부품의 손상을 가져오는 경우도 있는데, 버터플라이 밸브는 밸브개도 70% 내외에서, 볼 밸브는 80% 내외에서 가장 큰 진폭의 진동이 유발되므로 개도 조절에 유의해야 한다. 무게중심이 높은 대형 전동구동밸브나 다이아후램 구동 제어밸브와 같은 Heavy Top Work 밸브의 경우 밸브 구동부의 요크 강성도가 충분하지 못한 즉, 고유진동수가 적은 밸브일 가능성이 높으며 이 고유진동수와 유체흐름의 불균일로 인한 진동의 공진 발생으로 구동부가 손상된 사례가 있다.
이와 같은 경우에는 구동부를 추가로 지지하던가 요크의 강성도를 높이기 위해 보강하는 게 좋다. 그러나 이는 어디까지나 운전시의 진동측정 결과에 기초해야 한다.
3)유체천이에 의한 밸브의 진동프로세스 계통이 고에너지의 유체를 수송한다면 밸브등 각 제어요소의 운전이 어떤 사고 또는 노화로 인해 제어 불능일 경우가 생긴다.
또한 펌프계의 불시 정지등으로 인한 수격현상등 유체천이에 의한 유체의 관성에너지가 불균형해져 배관계에 진동을 유발하고 심한 경우 배관의 파단이나 기기 손상까지도 유발하게 된다. 한 예로 발전소에 있어서 터빈을 지나온 증기는 보일러 급수를 가열하기 위해 각 히터를 거치는데 이때 히터에서 응출된 증기는 어느 일정 수위가 넘으면 즉시 복수기로 By-Pass하게 된다.
이 히터 드레인 제어밸브는 히터의 수위가 정상치보다 높으면 밸브를 영어 복수기로 물을 방출해 수위를 조절하는데, 이때 상대적 진공인 복수기와 일정 압력의 히터간 차압은 겨의 밸브 운전압력 정도로 크기 때문에 대부분이 후라싱 서비스 목적으로 밸브를 운전한다.
이 제어밸브는 복수기에 근접하게 설치되는데 이는 토출측의 배관에서 생기는 후라싱의 악영향을 줄이기 위함이다. 그런데 만약 히터에서 제어밸브 사이의 배관이 긴 경우, 특히 일직선의 배관이 긴 경우에는 제어밸브를 통한 방출유량 만큼 관로속의 유체는 방출 순간 유체흐름의 관성에너지 불균형으로 진동을 유발하는데, 배관계의 지지가 대부분 진동 효과를 고려하지 않는 배관의 자중과열 팽창만을 고려하기 때문에 이러한 비정상적인 운전시 배관계의 격심한 진동과 이에 따른 밸브구조의 구조적 취약으로 인해 제어밸브의 요크 부위가 파단되는 경우가 적지 않다. 특히 [그림1]과 같이 관로의 방향쪽으로 진동 가속도가 크게 작용하는 진동이 있을 경우 밸브 구동부의 무게중심(관로 중심에서 L만큼 떨어져 있음)에서의 가속도는 '0' 이므로 순간적으로 밸브 요크에 전단력 및 굽힘 모멘트를 발생시켜 결국 파단에 이르게 한다.
여기서,
M = 제어밸브의 총 질량(m·L)
EI = 제어밸브의 Yoke Stiffness
L = 관로 중심선과 밸브 무게중심과의 거리
m = 요크의 등분포 질량
밸브에 있어서 운동에너지는
T = ∫LO ½m(x)[Φ(x)Y(t)]2 dx
∴[T=0.5MY(t)2 그리고 Y(x,t)=Φ(x)Y(t)]
여기서 Φ(x)는 계의 모양을 나타내는 함수로서 Φ(L)=1로 한다.
밸브의 운동모형을
Φ(x)=1-Cos πx/2L 라고 하면
Y(x,t)=Φ(x)Y(t) = Y(t)(1-Cos πx/2L)
또한 밸브계의 총 질량 M*은
M* = ∫LO m(x)Φ2(x) dx+mL = m∫LO(1-Cos πx/2L)2 dx+mL = mL/2π(5π-8)
밸브의 Stiffness K*는
K* = ∫LO EI(x)[Φ(x)]2 dx = ∫LO EI(π/2L)4 Cos2 πx/2L dx = π4EI/32L3
밸브 요크에서 Damping이 없다고 가정하면 밸브에 작용하는 유효하중은
M*u + K*U = Feff*(t)
여기에서 U = Y(t)-Yg(t)로서 상대운동 방정식
그리고
Feff*(t) = ∫LO Peff(x,t)Φ(x)
상대운동 방정식
그리고
-mLag(t)
Feff*(t) = ∫LO -mag(t) 0(x) dx
Peff(x,t) = mag(t)
따라서
-mLag(t)
이를 풀면
Feff*(t) = 1.1M* ag(t)가 된다.
따라서 밸브에 작용하는 유효하중은 밸브가 부착된 배관계의 진동 가속도에 직접적으로 영향을 받으며, 무게중심에서 상대운동(Relative Motion)에서 응답변위 U를 구할 수 있어 밸브 요크에서의 응력상태를 평가할 수 있다.
또한 Feff*(t)는 고전적 수격해석방법(물론 실제 상황과는 많은 오차가 있으나 진동 특성의 상대적 평가 분석에는 유효함)으로 밸브 전·후단의 압력차에 의한 속도 변화량(△V)를 구해 관성에너지 즉, 밸브에 생기는 유효하중을 계산하여 밸브 구동부에서의 진동 가속도 및 진폭을 상대 평가할 수 있다. 그러나 모든 진동현상이 매우 복잡하게 발생되므로 앞서와 같은 해석적 평가는 진동 특성의 경향 파악에 유효하고 실제적인 방법은 실험적 방법인 실제 진동 특성을 측정하여 평가해야 할 것이다.
4)이상승압 및 이상고온 현상에 의한 게이트 밸브의 개폐불능
이상승압(Pressure Locking)과 이상고온에 의한 게이트 밸브의 개폐불능(Thermal Binding)은 대체적으로 게이트 밸브와 같이 비교적 큰 공동(Cavity)을 가진 밸브에서 발생되는 현상이다.
[그림2]와 같이 게이트 밸브에서 유체를 차단할 때 본네트의 공동부에 있는 액체도 유로와 격리되는 상태로 되면 본네트 공동부에 액체가 남아있게 된다.
이 액체가 배관계통의 재 가동으로 점차 열을 받게 되면 체적팽창을 하여 B부분의 압력 상승으로 밸브 디스크가 개폐 불능상태에 이르게 된다. 액체의 체적팽창에 따른 승압정도는 [그림3]을 참조한다. 이 그래프에서 보는 바와 같이 (B)부분에 액체가 약 30% 있고, 20℃에서 510℃로 가열되는 경우 본네트 공동부 압력은 590기압 정도로 상승하게 되어 밸브를 열 수 없게 된다.
이상 승압이 되는 원인은 직접적인 것으로 본네트 공동부에 액체가 잔류하기 때문인데 이는 밸브 설치문제와 직접 관련된다.
배관계통에 게이트 밸브를 설치할 때는 가능한 한 수평배관에 밸브 스템이 수직이 되도록 설치한다. 그러나 이때 밸브 디스크 하부의 공동부가 클 경우 같은 문제가 발생될 여지가 있으나 본네트 공동부에 비하면 상대적으로 적으며 밸브를 여는데 큰 지장이 없으므로 문제삼지 않는다.
특히 증기 수송용 수직배관에 수평으로 설치된 게이트 밸브일 경우 본네트 공동부내에 응축된 액체가 잔류할 가능성이 높으며, 가동시 쉽게 가열될 수 있어 이상승압 발생의 가능성이 높다.
그러나 현재 게이트 밸브 응용은 디스크를 입구측 배관 압력에 의한 씰(Seal) 방식을 택하고 있기 때문에 쉽게 일어나지는 않지만 보일러 수증기 배관, 고압 히터 입출구 배관, 급수조절 제어밸브 출구배관, 보일러 순환펌프의 입구배관, 기타 고온의 주요 배관계통 게이트 밸브의 경우는 이상승압에 대한 대책을 세워야 한다.
이상승압이 되어 밸브가 열리지 않으면 모터 구동밸브의 경우 모터의 과부하로 소손될 염려가 있으며, 유압잭 같은 기구로써 강제로 밸브를 열고자 할 때는 디스크와 스템의 연결부위가 절손되므로 유의해야 한다. 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding은 고온배관의 게이트 밸브에서 발생되는 현상으로서 특히 쐐기형 디스크에서 발생되기 쉽다.
즉 고온상태에서 밸브 몸체는 열 팽창으로 디스크가 쉽게 닫힐 수 있는데, 이를 조정하고 제한하는 것이 모터 구동밸브에 널리 쓰이는 토오크 스위치로서 이미 열팽창 되어있는 몸체에는 상온상태에 비해 보다 많은 디스크가 시트에 삽입된 후 정지하게 된다.
이후 다시 상온으로 되면 밸브몸체는 열 수축되어 디스크를 구속하게 되므로 개폐불능 상태에 이르게 된다. 이와 같이 이상승압은 게이트 밸브가 고온상태에서 디스크를 닫고 상온에 이르렀다가 다시 계통이 운전되어 디스크를 열려고 할 때 생기며, 이상고온 현상에 의한 Thermal Binding 역시 고온상태에서 디스크를 닫았다가 상온상태에서 열려고 할 때 일어나는 현상으로 발전소의 중요 배관계통과 같은 곳에서의 이러한 현상 발생은 매우 심각한 경제적 손실을 야기시킨다.
5)모터구동 밸브의 모터구동 장치 고장원인
모터의 소손을 포함한 모터구동 장치의 고장은 프로세스 배관계통의 제어 및 유체 수송을 방해해 플랜트 전체에 심각한 문제를 야기시키는 경우를 종종 경험했을 것이다. 모터구동 밸브의 구동장치 고장원인은 다음과 같이 네가지로 대별할 수 있다.
①토오크 스위치 설정에 관한 문제
토오크 스위치 설정이 부적절하여 Thermal Binding시와 같이 디스크가 과도하게 시트내에 삽입되는 것을 방지하지 못하거나, 과도한 백시팅 힘으로 인해 스템의 불연속부에 과도한 응력분포를 갖게할 수 있으며, 정도가 심할 경우 모터 소손에까지 이르게 된다.
마찬가지로 토오크 스위치 설정이 불균형하거나 기계적 손상을 입었을 경우에도 이와 같은 현상이 생길 수 있으며, 만약 토오크 스위치 조작범위가 너무 근접했을 경우 토오크 스위치 관성상 제어상태가 불안정해 위험하다.
②밸브 몸체에 관한 문제
백시팅 상태의 불량, 스템 마모 또는 스템 너트 마모로 인한 강성 부족으로 생긴 스템의 변형, 디스크 마모로 인한 정격 스템의 운동량 초과(Wear Travel), 스템 마모 또는 부적절한 패킹재로 인한 누설과 이를 조치하기 위한 과도한 패킹압력 및 스템의 윤활이 부적절한 경우이다.
실제적으로 스템의 마모 또는 패킹재료의 탄력성 결여로 인한 누설은 결국 과도한 패킹압력으로 임시 조치될 수 있으나, 이에 따라 모터에 과부하가 발생하고 소위 헌팅(Hunting)과 같은 불안정한 동작을 하게 됨으로써 디tm크의 개폐불능 또는 스템 변형을 초래하여 점차 악화되어 간다. 이러한 문제로 스템과 패킹력과의 역학적 관계는 물론 패킹재료 개선등의 많은 연구가 현재 선진국에서 활발히 진행되고 있다.
③구동 구조에 관한 문제
구동장치의 노화 또는 부적절한 보수로서 스템 너트, 웜 베어링의 풀림, 웜 기어구조 즉 피니언 및 웜의 마모로 인한 손상과 윤활상태의 노화나 불량으로 인해 기능의 약화 또는 상실에까지 이르게 된다.
④밸브 계통에 관한 문제
배관계통으로부터 야기되는 제반현상 즉, 배관계통의 진동 또는 구동부 지지의 부적절 등으로 인해 불안정한 상태가 계속될 때에는 밸브 구동부의 수명을 단축시키고 손상을 유발하게 되므로 모터 구동밸브와 같이 큰 구동부를 갖는 배관계는 밸브 전후에 진동을 억제시키고, 밸브 구조를 건전하게 하는 배관 지지대를 설치한다.
46회(99.8월호)
밸브 보수 및 엔지니어링
밸브는 프로세스 시스템의 제어 요소로써 시스템의 운전조건에 따라 적절한 기능을 수행하여야 한다. 우선 구조적으로 튼튼하여 어떠한 높은 압력이나 온도 또는 극저온의 극한 조건하에서도 제어의 구조적 안정성을 확보하여야 하고, 제어기능에 있어서도 내외부 누설이나 시스템 추종의 건전한 제어가 확보되어야 한다. 이러한 기능들, 즉 프로세스 운전 중 지속적으로 유지 관리되기 위한 제반 활동을 밸브보수라 하고, 밸브보수를 보다 과학적으로 프로세스 시스템의 운전조건에 맞도록 하는 기술적인 평가와 판단을 밸브보수 엔지니어링이라고 한다. 실질적으로 밸브보수 엔지니어링은 제어요소인 밸브가 제 기능을 상실했거나 상실될 우려가 있는 경우, 시스템의 제반 조건중 압력, 온도 및 유량(유속) 조건을 밸브의 제어기능을 중심으로 분석하는 것이다. 아울러 기계적인 불안정 운전요인이 현상으로 나타나는 경우에는 밸브의 제어기능 이외에도 밸브를 포함한 배관 프로세스 시스템 전체도 아울러 해석할 필요가 있다.
다음의 예는 발전소 주 급수제어 밸브의 스템 절손사고에 대한 프로세스 운전 조건과 밸브 설계의 제반 측면을 검토한 것으로써 밸브를 보수하기 이전에 왜 문제점이 생겼는가를 분석, 평가한 후 시스템의 운전 조건에 맞도록 밸브를 개선하는 과정을 설명한다.
밸브 보수 엔지니어링의 첫 번째는 우선 보수의 목적이나 문제된 밸브의 분석 목적을 정해야 한다. 급수 제어밸브의 스템 절손 사고는 먼저 급수 제어 밸브 자체의 구조 및 설계 개념을 파악하고, 급수 계통의 프로세스 운전 특성을 파악하는 것이다. 밸브 구조 및 설계 개념과 프로세스 운전 특성을 검토한 후에는 다음과 같은 사항들을 중점 분석할 필요가 있다.
·밸브의 선정은 프로세스 운전 특성에 부합되는가
·밸브의 동적 운전 특성이 프로세스 운전특성에 비추어 충분한 구조적 강도를 갖고 있는가
·밸브의 구동부 선정은 프로세스 운전 특성 및 밸브 트림 특성상 충분한 힘을 갖고 있으며, 제어성은 건전한가
·밸브의 형식 및 프로세스 배관계통의 설계가 프로세스 운전 특성에 비추어 적절히 설계되었는가
·밸브 스템의 구조적 강도는 충분한가
위의 사항은 급수 제어밸브의 스템이 절손(밸브 스템과 플러그의 연결부)된 사항에 대한 분석 평가 내용으로 스템이나 플러그 연결부의 구조적 강도에 대한 보강의 목적 또는 프로세스 시스템상의 개선여부를 판단하는 것이다.
이를 위해서 프로세스 시스템에 대한 계통구성 및 설계조건 그리고 운전조건을 우선 구체적으로 파악하는 것이다. 확인이 필요한 분석자료는 [표1]과 같다.
이들 분석자료에 의하여 밸브의 주된 문제점인 스템의 절손 사고에 대한 착안사항으로 밸브의 유량계수 선정과 밸브의 개도는 적절한지 확인해야 한다. 또한 밸브 구동부의 선정에서 구동 공기압의 크기 및 안전성인 구동부 스프링의 강성도(다이아후램의 적정 운전 공기압 및 초기 압축량등), 스템 운전 스트로크 거리, 패킹의 재질 및 패킹의 조임력과 밸브 입출구의 압력에 대한 밸브 트림의 구조적 안정성을 확인할 필요가 있다.
아울러 밸브 구동부의 진동 및 프로세스 시스템의 기기 공진에 대한 검토로 진동으로 인한 피로 파괴를 검토한다.이는 플러그의 강성도가 스템의 강성도에 비하여 상대적으로 매우 높기 때문에 진동이 있을 경우 피로파괴의 확률은 매우 높아진다. 다음으로 배관 설계의 적합성을 검토하는 것으로, 배관 배치가 고에너지의 계통특성에 비추어 유체천이에 의한 힘의 과도한 불균형이 발생될 여지가 있는가를 확인하여, 이를 밸브 손상원인의 한 요인으로 검토하는 것이다. 아울러 밸브 형식에 대한 검토도 중요한 착안사항의 하나이다.
다음은 밸브 보수 엔지니어링의 한 예를 구체적으로 보여주고 있다.
1.블로우다운 앵글 밸브 개선을 위한 밸브엔지니어링의 예제
(1)개요
블로우다운 밸브는 통상적으로 압력과 온도가 높은 포화수를 압력이 낮은 후레쉬 탱크로 방출하는데 사용되는 밸브로써, 발전소와 같이 고온고압의 응축수를 효과적으로 이용하는데 쓰인다. 예를 들어 증기발생기의 블로우다운은 정상 운전시에는 증기발생기의 수질관리를 위하여 약 1% 정도의 일정한 양을 취출한다. 아울러 복수기내의 누설이나 증기발생기내의 누설이 예상될 때는 최대 3%까지의 블로우다운을 실시한다. 블로우다운된 고온 고압의 포화수는 후레쉬 탱크에서 응축수와 증기로 분리되고, 증기의 경우에는 급수 히터의 가열 열원으로, 응축수는 다시 복수기로 회수 되도록 되어 있다.
◆운전조건의 검토
·입구압력 : 856psia
·출구압력 : 17psia
·온도 : 523。F
·정상운전유량 : 40gpm
·최대운전유량 : 18,800lb/hour
요약된 데이터는 [by2]와 같다.
(2)밸브 몸통의 선정
(가)밸브 몸통의 온도-압력 등급 ANSI B16.34에 따라 밸브의 온도-압력 등급은 600#이나 가혹한 운전상황 임을 감안하여 ANSI 1500#로 한다.
(나)밸브 몸통의 재질 선택
극심한 후라싱을 고려하여 밸브 몸통의 재질은 A217-WC9(F22)인 크롬-몰리브덴의 합금강으로 선택한다.
(다)밸브 몸통의 크기 선정
2.5″(65A)의 밸브로 하고 재질이 WC9(F22)이기 때문에 밸브의 연결단은 버트용접(맞대기 용접)으로 한다. 밸브의 입구측은 2.5″이고, 출구측은 연결배관에 일치하며, 후라싱의 강도를 저감할 수 있도록 3″(80A)로 한다.
(라)밸브의 몸통 형태
밸브의 몸통 형태는 블로우다운 용도에 가장 적합한 앵글 글로브 밸브로 한다.
(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석
·패킹박스 내부가 부식으로 인하여 손상
패킹박스 내부는 패킹이 장착된 이후 장기간동안 패킹교체가 없었던 것으로 판단되며, 아울러 이 밸브는 설치 이후 지금까지 고온의 물이 장시간 스며들어 있으면서 부식을 진전시킨 것으로 판단한다.
·시트부위의 크랙
시트부위는 일단 스텔라이트로 하드페이싱된 것으로 판단. 계통 조건상 극심한 후라싱이 발생하는 조건임으로 고에너지의 유체 흐름과 더불어 약 270℃의 고온이 하드페이싱 용접부의 취약부분인 열영향지역(HAZ, Heat Affect Zone)에 반복 열피로(온도가 높아졌다가 낮아지는 경우 열변형의 반복 작용으로 피로가 누적되며 이로 인하여 크랙이 발생할 수 있음)로 인하여 크랙이 발생된 것으로 판단된다. 특히 스텔라이트 하드페이싱의 경우 통상적으로 Stelite #6을 많이 사용하나, 이 Stelite #6은 용접성이 나빠 크랙을 일으키기 쉬운 텅스텐이 약 1% 포함되어 용접에 주의하여야 한다. Stelite #12 또는 #21을 사용하면 용접 효과가 보다 나아진다.
(마)기존 밸브의 침식 문제점 분석
밸브 출구 부위의 침식부식은 후라싱에 의한 침식으로 판단된다. 후라싱의 강도는 후라싱의 속도가 100m/sec임을 감안하면 그 강도의 크기를 예상할 수 있다.
일반적으로 후라싱이 생기는 시스템의 경우, 출구 유속이 고속이므로 일부 액체상태의 액적(Droplet)들이 고속의 증기와 함께 밸브의 하부 출구면에 충돌하기 때문에 이러한 후라싱에 의한 밸브 하부면의 침식은 계산상으로도 충분히 예상된다.
미국 전력기술연구소(EPRI)에서 1990년에 발전소용 밸브 적용지침서로 발간한 연구보고서 NP-6516(Research Project 2233-5) “ Guide for the App-lication and Use of Valves in Power Plant”의 Appendix C1, Control Valve Sizing Methods and Example에 의하면 일반적인 밸브일 경우의 속도제한은 다음과 같이 규정하고 있다. 액체상태일 경우 초당 50피트(15미터) 기체상태일 경우 마하1.0까지 허용 액체와 기체의 혼합 유체(2-Phase Flow) 초당 500피트(150미터)
후라싱에 의한 2상 유체의 제어가 필수적이고, 밸브 포트의 출구로부터 지속적인 기화가 일어나는 조건임으로 밸브 출구에서의 유속제한은 초당 500피트를 넘지 않도록 강력히 권고하고 있다.
따라서 본 시스템에 있어서도 밸브의 출구측 바로 확관을 하여 유속의 500피트 이하로 제한하고 있으나, 침식에 의한 밸브 몸통의 감육을 피할 수 없음으로 상기 연구보고서에서는 밸브 재질을 크롬-몰리브덴 합금강으로 하고 트림에 스텔라이트를 육성 용접하도록 하고 있다.
따라서 후라싱이 예상되는 밸브에 있어서 밸브 출구 유속의 검토는 절대적이며, 아울러 후라싱 비율을 계산하여 침식의 강도를 예상하고, 이를 기준으로 예방정비의 참고자료로 활용하여야 할 것이다.
후라싱 유체의 유속 및 후라싱 비율을 계산하는 방법은 다음과 같다. 보다 자세한 것은 붙임의 물, 증기 혼합유체 배관의 침식예측 계산서를 참조한다.
밸브 출구에서의 압력이 포화증기압보다 같거나 낮을 경우 유체의 일부 또는 전부는 기화되어 증기 상태로 된다. 이렇게 어는 액체에서 후라싱이 발생할 때, 다음의 식은 후라싱 속도를 계산하는 식으로 활용할 수 있다.
V = (0.4/A)[(1-Xp/100)×Vf2 + (Xp/100)×Vg2]×w
유체가 물일 경우
V = (20/A)[(1-Xp/100)Vf2 + (Xp/100)×Vg2]×q
여기서,
V = 유속 (ft/sec.)
w = 유체(액상) 유량 (lb/hr)
q = 밸브 입구에서의 유체(액상) 유량 (gpm)
A = 적용 유로면적(in2)
Vf2 = 출구압력에서의 액체의 포화 비체적(ft3/lb)
Vg2 = 출구압력에 있어서 기포의 포화 비체적(ft3/lb)
Xp = 후라싱 비율(%)
= 100×(hf1-hf2)/(hfg2)
hf1 = 입구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btu/lb)
hf2 = 출구온도에 있어서 포화액체의 엔탈피(Btu/lb)
hfg2 = 출구압력에 있어서 증발 엔탈피(Btu/lb)
밸브 출구에 연결된 엘보우에서의 침식은 상기 (3)에 의한 영향으로 침식이 된 것으로 판단한다.
스템의 습동부에서 부식은 밸브 몸통이 탄소강(A105)인 경우 스템의 재질이 통상 13Cr(SS 410)임을 알 수 있다. SS410재질은 마르텐사이트 스테인레스 강으로써 장시간 운전하지 않을 경우, 흑연계통의 패킹재와 친화력으로 인하여 점식(Pitting)의 발생이 용이한 것으로 알려져 있다.
(Ref. “Test of Asbestos-Free <Graphite> Stem Packing for Valves for Elevated Tempera-ture Service”, Aug. 1986, R-ockwell Int.”) 따라서 이러한 이유에 의해서 점식이 진행된 것으로 판단된다.
3)트림의 구조
밸브에 있어서 트림은 가급적출구 흐름의 축선상에서 유입된 유체가 상호 충돌하면서 압력 손실이 많이 생기도록 트림을 설계하여야 하며, 또한 유량도 정밀하게 제어할 수 있도록 하여야 한다.
여기서 트림재질 400/47 SST는 케이지 및 디스크를 SS420/QT 소재로 하고, 스템은 SS431/QT을 사용함을 말한다.
아래 표는 앞서의 운전 데이터를 사용하여 밸브 선정을 계산한 결과이다.밸브 몸통 크기에 따른 밸브 출구속도, 후라싱 비율 및 출구압력 계산결과 요약 후라싱의 속도는 85~131 m/sec로써 가혹한 조건이며, 참고로 후라싱율(증기로 되는 비율)은 대략 31%로 추정된다.
즉, 31%의 증기는 기체상태로 고속으로 나머지 70%의 물로 밸브의 트림부에 지속적으로 충돌하는 것임으로 마모는 피할 수 없다.
따라서 고속의 유체가 흐르는 지점에 벤츄리를 설치하고, 이 벤츄리는 내마모성이 탁월한 스텔라이트로 한다. 벤츄리를 지난 다음에는 유로 면적을 점진적으로 증가시켜, 후라싱의 효과를 극대화 하도록 한다. 따라서 블로우다운용의 앵글밸브의 출구단은 일반적인 밸브에 비하여 약 2배의 길이를 갖는다.
7.밸브의 구매
가. 밸브의 구매 기술 사양서
밸브의 구매사양은 구매에 따른 행정적인 사항인 발주자와 수주 대상자간의 상거래 조건 을 정하고 있는 일반적인 계약 외에 구매물품의 기능 및 품질을 정하고 있는 기술 사양으로 구분된다.
밸브의 구매에 따른 기술사양은 발주자의 밸브사용 목적에 맞는 즉, 설비의 한 구성품목으로서 설비의 운용목적에 적합한 기능을 갖도록 강도 측면에서 충분히 강하고, 요구되는 설비 운전기간 동안 건전하게 운전하며, 운전 및 보수에 편리하도록 발주자가 수주 대상자에게 요구하는 밸브의 총체적 설계 및 기술시방서로 볼 수 있다.
따라서 밸브의 구매사양에 있어서 기술사양은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 계약이다. 기술사양서의 작성은 산업의 발달과 관련 기술의 진전에 따라서 날로 고도화되어 가고 있으며, 사용자의 입장에서 보면 높은 신뢰성과 보수정비의 용이성 및 자동화가 가능한 방향으로 작성되기 때문에, 경우에 따라서는 밸브 제작사의 기술을 선도하기도 한다.
밸브의 기술사양서는 밸브의 기능 및 품질에 관련되는 내용을 상세하게 기술한다. 단지 기술시방 내용이 국가 표준 규격이나 공인 기관의 표준 또는 규격서와 같을 경우에는 관련 표준 또는 규격으로써 가늠할 수 있다.
그러나 밸브의 기능상 성격을 특징 지울 수 있는 부분과 특정 재료를 사용하고자 할 때는 표준규격에 포함된 사항이라도 별도로 기술하는 것이 바람직하다.
밸브의 기술사양서는 수주자가 제공해야만 하는 업무의 책임한계를 먼저 정하고 기술사양서에서 사용되는 용어 및 약어를 미리 정해두고, 다음으로 적용하고자 하는 국가 공업규격이나 산업표준을 정하는 것이 좋다.
이러한 표준규격들은 관련 밸브의 최소한의 요구사항을 빠짐없이 정한 것이고, 이미 경험과 실증으로 밸브의 성능이 확인되었다고 볼 수 있기 때문이다.
그러나 이것은 어디까지나 최소한의 요구사항이기 때문에 추가의 요구사항 즉, 사용하고자 하는 목적과 사용유체의 특성 및 제어관계 등은 표준규격으로는 만족시킬 수 없는 것이 대부분이어서 추가로 기술하여야 한다.
또한 책임의 한계를 정할 때 중요한 것은 기술사양의 해석시 상호간의 의무 및 준수사항과 협의사항 그리고 밸브제작사의 선택 사항을 명확히 하는 어휘를 미리 정하여 기술하는 것이 편리하다.
아울러 기술사양서의 내용 중 표준규격의 내용과 본 사양서의 내용간에 어떤 차이가 있을 수 있기 때문에 이에 대한 대비책으로서, 이들 상반되는 또는 이해하기 곤란한 사항에 대한 적용 순위를 정해두는 것도 편리하다.
사실 미국의 Rockwell Valve나 Dresser Valve사와 같은 선진 밸브회사의 경우는 밸브회사 자체에서 준비하고 있는 밸브 표준 사양서를 밸브 발주자(주문자)가 적극적으로 활용하는 사례도 있는데 이는 주문자가 밸브회사의 기술과 신용을 사는 좋은 예이다.
다음으로 밸브 품질에 대한 요구사항과 수주자가 밸브를 설계, 제작, 납품까지 지켜야 할 사항과 검사 항목을 정한다.
물론 수주자가 밸브를 제작하기 앞서 발주자의 승인 또는 참고용으로 제출해야 할 밸브의 전반적 성격을 보여주는 조립도 등의 설계관련 도서와 품질관련 서류 등도 기술하여 추후 계약 후 또는 발주 관리시 발생할 수 있는 문제들에 대하여 효과적으로 이용할 수 있는 계약이 된다.
기술사양서의 본론이라고 할 수 있는 설계요구사항은 밸브의 사용목적 및 운전방법에 부합되도록 밸브의 각 구성부품의 가공방법, 형태, 재료, 조립방법, 열처리 방법, 도장방법 및 현장 설치시를 고려한 밸브 악세사리 등의 형태를 각 항목별로 기술한다.
이 항목은 밸브의 기능 및 품질을 정하는 실질적인 기술시방으로서 전문적인 기술이 필요하다. 실제로 밸브의 구매 사양서를 작성하는 부서는 설비의 설계를 담당하는 부서 또는 전문 구매 부서가 되지만, 다양한 품목의 구매사양과 신기술의 추세등을 감안한 신기술사양의 작성에는 기술적으로 제한 받고 있는 것이 현실이다.
예를 들면 밸브의 사용목적에 적합하지 않은 사양을 작성하는 경우가 대표적인 사례로서 대규모 엔지니어링 회사의 구매사양을 내용이 좋다고 그대로 복제하여 쓰는 경우가 이에 속한다.
밸브의 사용목적은 배관 계통의 운전 모드가 다양할 뿐만 아니라 사용 유체의 물리·화학적 특성이 매우 다양함을 고려할 때 구매사양의 밸브 재질·구조·압력등급·패킹형식 및 재질·밸브 구성 방식 등 이루 말할 수 없이 다양하다.
따라서 밸브의 기술사양서를 사용목적에 맞도록 작성하기 위해서는 밸브 응용 기술자의 역할이 중요하다 하겠다
이 기술시방 다음에는 밸브의 취급, 운반, 포장, 저장 및 밸브 표식을 설비의 운용목적과 설치현장 여건에 맞도록 기술하고 아울러 밸브의 가공, 조립 및 완성품에 대한 비파괴 검사 사항과 수압시험, 내 누설시험, 기능시험 및 최종 세척방법과 도장방법에 대하여 기술한다.
한 예로 미국석유공업협회(API)의 게이트 밸브에 대한 기준서 API STD 600의 경우는 수동 게이트 밸브의 좋은 구매 기술사양서를 볼 수 있다. 이 기술사양서의 내용을 개조식으로 개괄하면 대략 다음과 같은 내용이 포함되어 있어야 할 것이다.
나. 밸브 설계도면의 검토
배관 계통의 설계과정에서 설계자는 밸브 선정을 통상 밸브 제작자의 카다로그상의 조립도로 밸브의 설계특징을 파악하고 대부분 이를 통하여 적용하고자 하는 밸브를 정한다.
일반적으로 호칭 4″이상의 밸브는 공업규격 또는 산업규격으로서 밸브의 양 끝단 노즐간의 치수가 정해져 있지만 2″이하의 밸브는 양 끝단 노즐간의 치수가 제작사 표준으로 정해져 있기 때문에 배관계통의 상세설계시 제작사의 카다로그등을 참고해야 된다.
그러나 카다로그나 또는 참고용으로 제출 받은 밸브의 설계도면은 다음과 같은 사항들을 사용하고자 하는 계통의 목적과 함께 검토한다.
◆각 밸브의 부품별 재료규격
◆접속단의 구체적 형상
프랜지형:평면프랜지, R-aised Type프랜지, 링 죠인트형 프랜지
용접형:접속될 파이프의 용접단 형상과 합치여부, 용접가능성등
소켓형:소켓의 깊이
나사 체결형
◆핸들부의 높이와 핸들간의 직경, 특히 볼 밸브나 프러그 밸브일 경우에는 핸들부의 크기(회전반경)을 운전 편이성 측면으로 검토
◆스터핑 박스의 깊이 및 크기를 검토
◆밸브의 유로 내경(Port S-ize)를 접속되는 파이프의 내경과 비교하여 가능한 90%이상 될 것(예, 배관의 내경2″ø일 때 유로내경은 1.8″ø이상 일 것)
◆가능한 한 밸브의 무게 및 무게 중심은 배관응력 해석시에 필수 입력 Data임
◆밸브의 유량계수
◆유로 방향의 표시
◆현장 설치 또는 보수시 용접 작업이 필요할 때 밸브의 디스크 또는 프러그의 위치
◆밸브의 누설 등급(제어밸브인 경우)
◆패킹의 재료는 필히 비석면계열의 패킹일 것
사용 패킹 및 가스켓의 종류(제작사 포함) 및 형태
◆체크밸브의 경우 최소 흐름 속도
◆스템과 디스크(시트)의 재질 및 경도
하드페이싱(Hard Facing)육성 용접부의 열처리 방법
스템 재질에 따른 열처리 방법
◆최소 운전 개도(유량 제어용 밸브)
다음은 상기 사항을 기준으로 승인용 밸브설계 도면을 검토하는 체크리스트이다. 우선 밸브도면 번호 및 도면명이 맞는가를 확인하고 설계(제도) 년월일 및 승인 여부와 밸브의 크기 및 압력-온도 기준을 확인한다. 그리고 다음의 순서로 검토해 나간다.
(1)도면번호는 정확한가 (조립도와 부품도의 도면 번호 관계).
(2)도면 명(부품표 포함)은 올바른가.
(3)문자는 명료하고 오자는 없는가.
(4)단위, 축척, 제도 년월일, 도면의 크기는 적당한가.
(5)온도, 압력, 유체종류 등 사용조건의 표시는 정확한가.
(6)검사 압력의 표시는 정확하며 압력시험의 유체는 표시되었는가.
(7)주요치수는 올바르게 표시되었는가.
(8)압력 유지부의 트림재질은 올바르게 전부 표시되었는가.
(9)제조 번호는 기입되었는가.
(10)기존의 조립도(승인도)가 있는가(있다면 이하 항목의 검토는 불필요함).
(11)신규 설계도면인가 또는 기존 설계도면을 수정했는가.
(12)치수선·치수의 표시는 정확한가.
(13)단면도, 투영도는 정확한가.
(14)상세도는 적절히 도시되었는가.
(15)필요한 치수는 모두 기입되었는가.
(16)감합부(Fitting)의 상관 치수는 적절한가.
(17)제작 및 조립에 따른 공차는 적절한가.
(18)볼트의 길이는 충분히 여유가 있는가.
(19)밸브 트림 및 스터핑 박스등의 표면 가공 정밀도는 충분히 높은가. 표면 거칠기의 표시는 적절한가.
(20)정확한 제도기호를 사용하였는가.
(21)현장설치시를 고려한 현장용 치수를 계산할 필요는 없는가.
(22)용접부의 용접크기 및 표시로 적절한가.
(23)스템, 몸통 및 트림등에 13 Cr를 사용하였는가.
(24)13Cr를 사용한 재질에 경도 표시는 되었는가.
(25)열처리에 관련한 절차서 및 그 기호를 도면에 표시하였는가.
(26)제작근거인 Code 표시는 되었는가.
상기 내용 중 밸브의 실질적 성능을 나타내는 밸브의 크기, 사용유체의 압력, 온도, 유량과 같은 중요한 데이터는 밸브의 데이터 시트로 처리하고 상기 내용을 기준으로 하는 보조 주문용 Sheet를 작성하여 각 밸브별로 관리하면 매우 유용한 밸브의 발주, 설치, 운전 및 예방정비의 기초자료가 된다.
더욱이 널리 보급되어 있는 개인용 컴퓨터(PC)를 이용하여 운전 중 배관설비의 기초 데이터 베이스로서 배관계통의 운전상황 및 특성들과 결부시켜 활용하면 배관계통의 원활한 관리에 많은 도움을 줄 것이다.
나. 밸브 설계도면의 검토
밸브의 설계, 엔지니어링 그리고 구매 행위에 있어서 고려하고, 검토하여야 할 사항은 다음과 같은 것들이 있다.
물론 밸브의 사용상 특성 또는 구매자의 기술력 정도에 따라 이러한 구매 프로세스를 따를 수는 없지만, 기본적으로 밸브 구매의 효율적인 구매를 위해서는 밸브가 기술 제품인 이상, 밸브엔지니어링의 질에 따라 밸브 구매의 효율성이 크게 영향을 받는다.
따라서 적어도 밸브 엔지니어링 측면에서는 아래의 사항들을 숙지해 둘 필요가 있다. 밸브 구매자와 밸브 제조자는 프로젝트 수행 엔지니어에게 밸브 제품의 기술 요구사항 이나 제출문서에 대한 중복되거나 소모적인 노력이 가해지지 않도록 구매 절차를 간소화하여야 한다.
·구매자는 가능한 한 빨리 밸브 제작사를 프로젝트 초기에 선정하여, 제작사와 함께 밸브 엔지니어링 역무를 수행하여야 좋은 엔지니어링 결과를 얻을 수 있다. ·이러한 과정을 거치게 되면 기존의 전통적인 견적요청 및 가격 평가에 소요되는 비효율적인 낭비(인력 등)요소를 절감할 수 있다.
·가능한 한 선정된 밸브제작자의 표준 생산제품을 적용할 수 있도록 엔지니어링 조직과 긴밀한 공동 밸브 엔지니어링 역무를 수행한다. ·특수 밸브 제품의 경우, 표준 제품과 같이 엔지니어링을 수행하되, 보다 구체적인 사양결정과 일관된 구매사양을 추가 개발하여야 한다.
·도장작업과 같은 경우에는 필수적으로 제작자의 표준 작업기준을 적용하여야 한다. 구매자가 요구하는 특수한 도장 작업은 오히려 밸브에 나쁜 영향을 줄 수 있으며, 또한 밸브가격 상승의 직접적인 요인이 된다.
·제출문서의 경우, 이 역시 밸브제작사의 표준 규정과 서식 양식을 가능한 한 최대로 이용하도록 한다. 제품도면, 재료증명서, 시험성적서, 품질계획, 밸브 제품사양서, 계산서, 사용자 유지 보수 매뉴얼 등을 밸브제작자의 표준으로 한다.
또한 전자 카다로그 등 가능한 모든 제출서류를 전자 데이터(Electronic Data) 하도록 유도한다. ·밸브 제작사의 밸브 선정 프로그램이나 절차를 사전에 검토하여, 타당성이 입증되면, 별도의 자체 계산서 없이 제작사의 선정 도구를 사용한다.
·밸브 구매의 양이 상당할 경우, 밸브엔지니어링 단계에서는 제작자의 엔지니어가 프로젝트 엔지니어링팀에 일정기간 참여하여 함께 밸브의 선정작업을 수행하도록 한다. ·특별히 제어밸브의 경우 실질적인 구매 발주는 다른 연관된 엔지니어링이나 프로세스 데이터가 완전 확정될 때까지 가능한 한 늦게 발주서를 발행한다.
이것은 제어밸브가 직접적으로 시스템 프로세스의 데이터에 민감하게 작용하기 때문이다. ·밸브제품의 일반적인 검사는 제작자의 전적인 책임이므로 구매자는 오직 특수한 경우에만 입회검사를 수행하도록 한다.
일반적인 입회검사는 최대한 줄인다. 다음의 구매 프로세스는 세계최대의 석유화학업체인 셀(Shell) 가 제시하고 있는 것으로 밸브 구매절차의 좋은 예가 될 것이다.
(1)밸브제작자의 선정(Vendor Selection)
밸브제작사의 선정은 가급적 프로젝트의 상세설계 단계에 들어가기 전에 한다. 선정의 기준은 프로젝트의 요구사항과 밸브 구매량에 따라 결정된다.
고전적인 구매방법에서 밸브 제작자의 선정은 상세설계가 상당히 진행된 다음에 선정되기 때문에 제작자에 의한 싼 원가의 표준제품 등의 선정이 어렵고, 프로세스 데이터에 전적으로 의존되는 밸브를 요구하기 때문에 고가의 특수사양(밸브제작자 측면)의 밸브가 채택될 가능성이 많아 전체적인 공사비 증가와 더불어 전체 시스템의 성능 효율이 저하될 수 있다.
(2) 기본 밸브엔지니어링 요구사항(Basic Engineering Requirements)
밸브 제작자의 선정이 완료되면, 구매자는 제작자에게 다음과 같은 기술자료를 제공한다. 밸브에 대한 기본 설계 및 기술자료(Basic & Enginee-ring Practices) ·유체시스템(배관) 엔지니어링 자료(Process Engineering Flow Schemes) ·배관자재 사양서(Piping Specification) ·계측제어 및 계장 엔지니어링 자료(Instrument Enginee-ring Database)
(3) 사전 기술사양 협의(Pre-Engineering-Identification of Specials)
구매자와 밸브제작자는 앞서의 기본 밸브엔지니어링 요구사항 들에 대하여 함께 연구 하여 표준제품의 채택과 표준제품 외의 특수사양 밸브를 정리한다. 가급적 특수사양의 밸브를 프로세스 시스템 측면과 함께 검토하여 표준제품으로 될 수 있도록 한다.
이 과정에서 프로세스 시스템의 일부 데이터 및 설계 기준이 달라질 수 있다. 앞의 과정에서 계속 특수 사양의 밸브로 될 경우에는 별도의 시험 및 검사 그리고 추가의 엔지니어링 요구, 그리고 납기의 문제를 합리적으로 결정한다.
제어밸브나 안전밸브의 경우에는 전산 코드화된 제작자의 밸브 선정 프로그램을 구매측 엔지니어링팀과 함께 공유하여 이 프로그램에 따라 업무를 진행함이 효과적이다.
(4) 프로세스 및 기계사양의 결정(Process and Mechanical Data Frozen)
전체적인 프로젝트 일정에 근거하여 밸브에 대한 상세 기술역무, 구매 및 제작의 최후 의 시작점(Latest Starting Date)을 결정한다.
이 시점에서는 프로세스 및 기계사양이 결정되어 있음으로 구매자와 제작자는 이들 기술사양에 대한 정기적인 협의를 가지는 것이 좋다. 이러한 과정을 통하여 특수사양에 대한 기술적인 판단을 재 검토할 수 있을 것이다.
(5) 밸브 예비 선정(Pre-Sizing Confirmed)
앞서의 (4)항 결과에 따라 밸브를 예비 선정한다. 특별히 프로세스 데이터와 밀접한 관계를 갖는 제어밸브나 안전밸브와 같은 경우에는 구매자와 제작자가 함께 밸브의 법 적요건(Requirement of Regularities)과 예상되는 문제점(소음, 케비테이션, 트림의 특성, 밸브 운전제어 특성 등)을 검토하여 확정한다.
(6) 사양서 개요 작성 및 이해(Outline Specification)
구매자는 이 단계에서 사양서를 작성하여 밸브 제작자에게 제공한다. 이 단계에서 제공되는 밸브의 사양은 상호 데이터베이스로 유지 관리된다.
프로세스 데이터의 변경이 없는 한 밸브의 선정과 선정 데이터의 관리는 제작자가 수행한다. 이때부터 밸브의 데이터는 정식 관리 유지되어야 한다.
(7) 밸브 크기 결정 및 선정(Sizing & Selection)
제어밸브와 안전밸브, 그리고 계산근거가 필요한 자동밸브의 경우 이 단계에서 최종의 크기 및 사양결정을 한다.
모든 밸브는 이 단계에서 선정계산서, 기술사양서, 설치 및 보수 유지에 필요한 제품의 각 중요부분의 치수와 상세도가 기입된 제품 승인도를 구매자에게 제출한다.
(8) 제품 기술사양서의 검토(Review of Technical Specification)
구매자의 엔지니어링팀은 제출된 기술사양에 대하여 구체적으로 기술 검토를 수행한다. 검토결과는 기술적인 측면과 계약 행정적인 측면으로 나누어 원 발주자, 구매자 및 관련 조직에 배포된다. 이 과정에서 밸브제품에 대한 사양 변경이 검토된다.
(9) 구매자에 의한 제품 기술사양 승인(Technical Appro-val by Contractor)
제품에 대한 기술사양 들이 승인된 다음에는 제작자는 최종의 계약을 하기 위하여 최종 기술사양서, 계산서 및 도면을 제출한다.
(10) 계약 및 원 발주자에 의한 업체 검토(Commercial A-pproval & Commercial Che-ck by Principal)
가계약을 하기 위하여 관련 입찰서류에 대하여 검토를 한다.
(11) 사양 확정 및 제작지시서 발행(Freeze Scope and Release for Manufacturing)
원 발주자에 의하여 계약자 승인이 되면, 구매자는 제작자에게 제작지시서를 발급한다. ·이 단계부터는 제품 사양의 변경 또는 개정이 일어나서는 안된다.
(12) 정식 구매 요구(Requi-sition for Purchase)
제작지시서를 발급한 다음에 구매계약을 체결한다. 구매계약서는 최종의 제품 기술사 양서와 구매자가 요구하는 일반적인 상거래 요구사항으로 구성되어 있다.
(13) 제작 및 프로젝트 관리(Manufacturing Period and Project Management)
주요 프로젝트에 있어서 공급자 문서의 관리나 업무 추진의 효율성을 갖기 위해서 구 매자와 제작자는 주기적으로 만나 제작 일정 및 이에 따른 문제점을 논의한다. 이러한 과정을 통하여 제작자는 구매자 프로젝트 팀의 일원으로서 밸브 납기의 중요성을 다시 금 인식하게 된다.
(14) 시험, 검사 및 인증(Test Inspection and Certification)
제작자는 제품의 자체 검사 절차서를 작성하고, 이는 구매자의 품질요구서에서 요구하 는 검사계획에 따라서 작성되어야 한다. 구매자의 입회 시험검사는 그 범위를 집중적으로 정하여 불필요한 인력 낭비가 없도록 한다.
각종 시험 검사에 대한 인증서는 제작자의 표준서식에 따라 계약에 의거 제시된다. 이상의 구매절차는 제품의 기술적인 측면을 강조한 것이며, 이외의 밸브 구매 시 꼭 지켜져야 할 최소한의 구매 품질요건은 다음과 같은 사항들이 구체화되고 문서화 되어야 한다.
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.
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.
2단계 : 구동부 선정
선정된 몸통부를 기준으로 외부의 입력 신호(제어신호)에 대응하여 몸통부의 트림이 유체를 제어하는데 필요한 위치를 정하는 역할을 하는 것으로 선정의 2차요소이다.
3단계 : 악세사리의 선정
자동제어밸브의 제어기능을 향상시키기 위한 보조기기로써 선정의 3차 요소이다.
3010 선정공정도
3020 밸브의 유량계수
자동제어밸브의 유체 수송의 능력을 표시하는 계수로써, 3가지 방식이 있다. 이중에서도 미국식 방식인 Cv 계수가 가장 일반적으로 널리 사용된다.
Cv 계수
밸브의 개도를 일정하게 하고, 60℉(15.6℃)의 청수를 밸브 입,출구 전후의 차압을 1psi (0.0703kgf/cm2)로 유지한 상태로 1분 동안 흐른 유량을 US Gallon/Minute(1US Gallon = 3.785 lit-re)으로 표시한 계수
Kv 계수
독일에서 널리 사용되는 밸브 유량계수로써, 밸브의 개도를 일정하게 하고 5~30℃의 청수를 밸브 입,출구 전후의 차압을 1kgf/cm2으로 유지한 상태로 일정시간 흐른유량을 m3/Hr로 표시한 계수
Av 계수
자동제어밸브의 유량계수를 계산할 때, 사용되는 모든 단위를 국제 단위인 SI 단위로 환산하여 표시한 계수
관계식
Cv = 1.17 Kv = (Av 106)/24
3030 자동제어밸브 기술사양서 작성방법
기술사양서의 작성은 제어밸브에 대한 발주자의 일반적인 정보(발주자의 프로젝트명, 시스템명, 사용목적, 밸브번호 등)와 기술적인 성능요건과 함께 설계 및 제작, 시험검사의 요건이 발주자에 의해 작성된다. 그러나 제어밸브는 제작사마다 독특한 기술력과 함께 경험에 의한 노하우가 있기 때문에 발주자와 제작자가 협의하여 기술사양을 정하는 경우가 일반적이다.
따라서 기술사양서에서 발주자는 기본적인 요건 즉, 관련 기술산업 기준인 코드, 스탠다드(Code & Standard)를 중심으로 하는 설계 제작 요건을 언급하고, 이를 종합적으로 양식화한 사양 명세서를 제작자와 함께 작성한다.
이 사양 명세서는 발주자가 작성하는 사양과, 발주자 및 제작자가 함께 협의 하여 결정해야 하는 사양 그리고 이에 따라 제작자가 결정해야 하는 사양 등으로 구분된다. 다음은 제어 밸브의 사양 명세서에 필히 기록되어야 할 사양들이다.
그러나 이들 각 사양 항목들이 사양 명세서에 모두 기입되지 않는 경우가 많은 데, 이는 발주자가 그간의 경험이나 보안상의 목적으로 이들 사양을 모두 지정하지 않는 경우도 많다.
< 작성의 예 >
A. 제어밸브의 밸브번호, 사용목적 및 밸브 형식
1.밸브번호
2.밸브의 사용목적 또는 적용계통의 명칭
3.관련 P&ID(배관 및 계장 다이아그람) 번호
B. 밸브의 운전조건
1.유체의 종류(물, 액체, 증기, 기체로 구분)
(다음의 사항은 정밀한 밸브 선정을 위하여 운전조건별 최대, 정상, 최소 또는 운전모드별로 운전 데이터가 필요함)
2.유량
3.밸브 입,출구 압력 또는 입구압력과 밸브에서의 차압
4.유체의 온도
5.유체의 물성치(비중량, 점성계수 등)
6.밸브에서의 최대 차단 압력(Shut-off Pressure)
7.운전조건별 밸브 유량계수(Cv = Q(Gf/△P)1/2
C.밸브의 구조
밸브의 구조는 앞서 언급한 바와 같이 밸브의 트림, 밸브 몸통 그리고 구동장치와 액세서리로 구분된다.밸브 구조를 기술사양서로 구체화 시킬 때는 밸브 트림의 유량특성, 기본적인 밸브 형식과 밸브 몸통의 재질은 발주자가 지정하는 것을 원칙으로 하나, 실제 구체적인 밸브 엔지니어링 단계에서 사양이 바뀌어질 가능성도 있다. 따라서 밸브의 구조에 대한 것은 발주자와 제작자가 서로 긴밀한 기술 협의가 요청되는 부분이다.
<밸브의 몸통 및 본네트 형식>
1.밸브의 크기(입구 호칭직경과 호칭직경을 명기)
2.밸브의 배관체결 형식 및 압력등급을 규정(Rating & Connection Standards)
(예)플랜지 규결일 경우:AN-SI Class600#RF,RF-Raised Face Flange per ANSI B16.5
-소켓용접단과 버트용접일 경우:600#SW, 1500# BW
3.밸브 본네트 형식 및 재질
-체결형식(예: Bolted, Pre-ssure Seal, Clamped ect.)
-본네트 형식(예: Stand-ard, Leak-off, Extended Bonnet, Bellows Seal, Fi-nned Bonnet, ect.)
-재질
4.연결배관의 크기 및 규격
(예: 입구/출구배관:4″(100A)Sch 80S/6″(150A) Sch, 40S, ect)
5.밸브 몸통의 재질 및 연결배관의 재질
6.패킹 및 가스켓의 재질 및 형식
-가스켓의 형상 및 재질(예: Metal Ring Gasket, Spiral Wound Graphite Filled Gasket, Spiral Wound PTFE Gasket, ect.)
-패킹의 종류 및 형상(예: Graphite Packing, Live Loaded Stem Packing, PTFE V-Packing, ect.)
<밸브 트림>
7.트림의 형식(예: Single Seat, Double Seat, Cage Guided, Balanced/Unbalan-ced, ect.)
8.트림의 유체 제어특성(예: EQ%, Linear, Quick Open, Modified EQ%, Parabolic, ect.)
9.트림의 재질 및 표면(경도)처리(예: SS410 HT, SS304 w/Stellite HF, SS420w/Nit-ronizing HT, ect.))
10.트림의 구조(예: Multi-Hush, Raven, Drag Megastream, CASCA-DE, CAVITROL, ect.과 같이 밸브 제작사 별로 고유의 트림 구조 형식을 표시할수 있음)
<밸브 구동장치>
11.구동 장치의 종류 및 형식 예)공기압 구동 다이아후람, 공기압 구동 피스톤(싱글, 더블), 유압구동, 전동구동, 기타
12.구동장치의 크기 및 규격 예)공기압 구동 다이아후람 엑츄에이터인 경우 다이아후람의 직경,피스톤 구동 엑츄에이터인 경우 피스톤의 직경,전동 모터 구동의 엑츄에이터인 경우에는 입력 전압 및 출력(HP)
13.구동 동력원의 사양 예)공기압의 경우 공기압력을 구체적으로 표기(공급 공기압, 제어 공기압 등)전동 구동의 경우에는 입력 전압, 상, 주파수 등
14.밸브의 안전모드 설정 예)공기압 손실 시-Air Fail:to close(닫힘) or to open(열림) or to lock(운전위치) the valve
15.밸브 구동장치의 핸들(유무, Top or Side)
3100 유량특성과 밸브에서의 차압 ΔP
제어밸브에 있어서 유량특성은 밸브의 개도에 다른 유량의 변화량과의 관계로 표시한다. 유량특성은 밸브 자체의 고유 유량특성과 실제 배관시스템에 설치되었을 때의 실제 유량특성(이하 유효 유량특성이라 한다)이 있다. 이들의 유량특성은 제어밸브의 성능평가에 매우 중요한 요소이다.
3110 고유 유량특성
밸브 전후의 차압을 일정하게 한 경우의 유량특성을 고유 유량특성이라 한다. 이 유량특성은 밸브 제작사의 밸브 트림 기술자료로 공급되는 자료이다.
유체의 제어용으로 채택되는 근본적인 유량특성은 선형(Linear)특성과 등비율(Equal Percentage)특성이 있으며, 이들 두 특성은 밸브 제작자의 트림설계에 따라 다양한 변형의 유량특성이 제공되고 있다. 다음의 그림은 ISA Control Valve Handbook에서 보여주고 있는 밸브의 고유 유량특성도 있다.
선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며, 등비율특성은 밸브의 유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수과 비례하는 관계로서 다음과 같이 표현된다. 일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있음으로 용이하게 밸브의 고유 유량특성을 얻을 수 있지만, 기타의 볼밸브, 버터후라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을 임의로 변경할 수 없는 단점이 있다.
-선형특성
y=1/R+(1-1/R)x,
dy=(1-1/R)dx (3100-1)
-등비율특성
y=R(x-l),
dy=In Rdx (3100-2)
여기서 y= Cv/Cv max.
x=L/L max
Cv max=밸브의 최대 Cv
Cv:스템의 L에서의 밸브 유량계수
L max:밸브의 최대 스트로크
L:스템의 위치
R:제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability)
3110 고유 유량특성
선형특성은 밸브의 유량계수 변화율이 밸브 개도와 일정한 관계를 가지며, 등비율특성은 밸브의 유량계수 변화율이 그 밸브개도 변화전의 유량계수와 비례하는 관계로써 다음과 같이 표현된다.
일반적으로 그로브 제어밸브는 트림을 다양한 형식으로 변형할 수 있으므로 용이하게 밸브의 고유 유량특성을 얻을 수 있지만, 기타의 볼밸브, 버터플라이밸브 형식의 제어밸브는 구조상 유량특성을 임의로 변경할 수 없는 단점이 있다.
·선형특성
y=1/R+(1-1/R)x,
dy=(1-1/R)dx (3100-1)
·등비율특성
y=R(x-1),
dy=1n Rdx (3100-2)
여기서
y=Cv/Cv max.
x=L/Lmax
Cv max.=밸브의 최대 Cv
Cv=스템의 L에서의 밸브 유량계수
Lmax=밸브의 최대 스트로크
L=스템의 위치
R=제어밸브의 고유 렌지어비리티(Rangeability)
3120 유효 유량특성
제어밸브를 배관시스템에 설치한 상태에서는 밸브 전후의 배관형상에 따라 차압이 변화하므로 이러한 차압이 밸브의 고유 유량특성에 영향을 주게 된다. 이들 영향을 포함하여 밸브의 유량특성을 표시한 것을 유효 유량특성이라고 한다.
(1)직렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성
그림 3100-2에서 보는 바와 같이 어느 밸브 개도에서의 유량을 Q라 하고, 각각의 압력손실을 ΔPv, ΔPL, ΔP라 하고, 각각의 유량계수를 Cv, CL, C라고 한 다음 ΔP를 일정하게 유지시키면
Q=CvSQRT(ΔPv)=CL SQRT(ΔPL)=C SQRT(ΔP) (3100-3)
ΔP=ΔP+ΔPL (3100-4)
또한 제어밸브가 완전히 열릴 때에는 Qmax=Cvmax SQRT
(Pvo)=CL SQRT(ΔPLO)=Cmax SQRT(ΔP) (3100-5)
ΔP=ΔPvo+ΔPLO (3100-6)
따라서 Q/max = Cv SQRT(ΔPv)/ Cvmax SQRT(ΔPvc) (3100-7)
Q/max = SQRT(ΔPL)/ SQRT(ΔPLO)=SQRT(ΔP-ΔPvo)/SQRT(ΔP-ΔPvo) (3100-8)
(3100-7)과 (3100-8)식에서
Q/Qmax=SQRT[(ΔPvo/ΔP)+(1-(ΔPvo/ΔP))(Cv/Cvmax)²] (3100-9)
여기서
u=Q/Qmx, Pr=ΔPvo/ΔP, y=Cv/Cvmax 라고 하면, u=SQRT(Pr+(1-Pr)y²)/y (3100-10)
(3100-10)식에 선형특성의 (3100-1)식을, 그리고 등비율특성의 (3100-2)식을 대입하여 각각의 유효 유량특성을 구할 수 있다. 다음의 그림 3100-3과 3100-4는 각각 선형특성과 등비율특성의 유효 유량특성의 선도를 Pr의 비율로써 보여 주고 있다. 만약 밸브의 입구측 펌프의 토출수두가 일정한 경우에는 다음과 같은 식으로 밸브의 유효 유량계수를 표시할 수 있다.
C=(P*Cvmax)/SQRT((P*/y)2+1) (3100-11)
여기에서
P*=SQRT(ΔPv/ΔPL)
C : 제어밸브와 배관시스템을 포함하는유효 유량계수
ΔPv : 제어밸브에서의 압력손실
ΔPL : 제어밸브를 제외한 배관시스템의 동적 압력손실
지금 밸브의 레인지어비리티 R=30이라고 하면, 선형특성을 가진 밸브의 경우 3100-1식에서 y=0.96+0.03, 등비율특성의 경우 y=30(1/x)가 된다. 여기에 3100-11식을 대입하면 밸브의 개도에 따른 밸브시스템의 유효 유량특성과의 관계를 알 수 있다.
그림 3100-5와 3100-6은 각각 이를 보여준다. 그림 3100-3∼6에서 보는 바와 같이 Pr 값에 따라서 즉, 제어밸브를 포함하는 배관시스템의 전체 압력손실에 비해 밸브에서의 압력손실이 상대적으로 작으면 제어밸브의 고유 유량특성은 크게 변하게 됨을 알 수 있다.
따라서 실용상 배관시스템에서의 압력손실 허용범위를 Pr>0.05로 하거나 다음과 같은 밸브 엔지니어링 지침을 제시하고 있다. ·펌프시스템에 있어서는 제어밸브의 압력손실량은 펌프시스템 전체의 동적 압력손실량(Dyna-mic Pressure Losses)의 1/3이상이고, 적어도 ΔP=1.0bar이상이어야 할 것. ·원심 압축기의 흡입, 토출라인에 있어서는 흡입 절대압력의 5%이상이거나 시스템 전체의 동적 압력손실이 1/2이상으로써, 이중 큰 값을 선정한다.
·액체라인에 있어서는 하류측 탱크압력의 1/10이상이거나 배관시스템 동적 압력손실량의 1/2이상으로써, 이중 큰 값을 선정한다. ·증기 터빈, 재열보일러(Reboiler), 압력용기등의 증기 공급배관에 있어서는 설계 절대압력의 1/10이상이거나 0.35bar 중에서 큰 값을 선정한다.
(2)병렬부하를 가진 프로세스 시스템의 유효 유량특성
그림 3100-7에 있어서 어느 밸브개도에 있어서 시스템의 유량을 Q라 하고, 제어밸브를 통과하는 유량을 Qv, 바이패스의 유량을 Qb라 하고, 이에 대응하는 각각의 유량계수를 C, Cv, Cb 그리고 시스템의 압력손실을 ΔP이라 하고, 지금 ΔP를 일정하게 하면
▲ 3100-7 병렬부하를 갖고 있는 프로세스 시스템
Qv=Cv SQRT(ΔP) (3100-12)
Qb=Cb SQRT(ΔP) (3100-13)
Q=Qv+Qb (3100-14) 또 제어밸브가 완전히 열릴 때에는
Qvmax=Cvmax SQRT(ΔP) (3100-15)
Qmax=Qvmax+Qb (3100-16)
위의 식에서
Q/Qmax=[(Cv/Cvmax)+(Cb/Cvmx)]/[1+(Cb/Cvmax)] (3100-17)
여기서 u=Q/Qmax, y=Cv/Cvmax, λ=(Cb/Cvmax)2라고 하면, 식 3100-17은 다음과 같다.
u=(y+SQRTλ)/(1+SQRTλ) (3100-18)
선형특성의 밸브는 식 3100-1을, 등비율특성의 밸브는 식 3100-2를 식 3100-18에 대입하면 각각 다음의 그림 3100-8과 3100-9와 같은 유효 유량특성을 갖는다. 그림에서 제어밸브의 레인지어비리티가 감소하고, 제어성이 나빠지면 유효 유량특성은 밸브의 고유 유량특성과 비슷해진다.
시스템 전체의 유량계수는 C=Cv+Cb 이므로C=(y+SQRTλ) Cv max (3100-19)
3130 유량특성의 선정
제어밸브에 있어서 유량특성은 프로세스 전체의 특성이 선형에 가깝도록 되는 것이 바람직하다. 이를 위해 제어밸브의 고유 유량특성은 일반적으로 다음과 같은 조건에 따라 선정함이 좋다.
(1)선형특성이 바람직한 경우
·제어밸브의 전후 차압이 일정하게 되는 경우
·시스템 전체의 압력강하가 제어밸브에 의해 좌우되는 경우
·프로세스 변화의 특성이 선형일 경우
(2)등비율특성이 바람직한 경우
·제어밸브의 전후 차압이 밸브 개도에 의해 크게 변화되는 경우
·시스템 전체의 압력강하가 제어밸브 이외의 것에 의해 크게 좌우되는 경우
·프로세스 변화의 특성을 잘 모를 경우
3140 밸브의 운전 범위성(Range-ability)
제어밸브에 있어서 실제 적용 가능한 유량특성을 보여주는 범위의 최대와 최소의 밸브용량비를 레인지어비리티라고 한다. 레인지어비리티는 유량특성과 같이 고유 레인지어비리티와 유효 레인지어비리티가 있다. 제어밸브를 선정할 때, 제어밸브의 유량 및 압력의 범위를 함께 검토하는 일은 매우 중요한 일이다.
3141 고유 레인지어비리티
고유 레인지어비리티는 제어밸브 전후의 차압을 그 개도에 비례하는 일정한 경우의 레인지어비리티로써, 제어밸브 자체의 고유 레인지어비리티이다. 레인지어비리티 R은 다음과 같이 정의한다.
R=Cvmax/Cvmin=(Qmax SQRT(ΔPmax)/(Qmin SQRT(ΔPmin)
R=Qmax/Qmin 으로도 표시할 수 있다.
3142 유효 레인지어비리티
제어밸브를 배관시스템에 설치한 경우의 레인지어비리티로써 제어밸브가 설치된 상태에 따라 달라진다.
(1)직렬부하를 가진 시스템의 경우
이 시스템의 유효 레인지어비리티는 다음과 같이 표시된다.
식 3100-3과 3100-5에 의해서
Q/Qmax=CSQRT(ΔP)/Cvmax SQRT(ΔPvo)= C/Cvmax SQRT(ΔPr) (3100-20)
식 3100-10과 3100-20에 의해서 Cv=y/[{SQRT(Pr+(1-Pr)y2)}{Cvmax SQRT(Pr)}]
C는 제어밸브를 완전히 열었을 때 즉, y=1 일 때 최대가 되고, 밸브를 완전히 닫았을 때 즉, y=(1/R)일 때 최소가 된다.
따라서 유효 레인지어비리티 RA는 다음과 같이 정의된다. 다음의 그림 3100-10은 Pr에 따른 유효 레인지어비리티를 보여주고 있다.
RA = Cmax/Cmin=R SQRT(Pr)+(1-Pr)(1/R)2 *R SQRT(Pr) (3100-21)
(2)병렬부하를 가진 시스템의 경우
식 3100-19에서 병렬부하의 시스템에 있어서 유효 레인지어비리티는 RA = Cmax/Cmin=SQRT(λ+1)/SQRT(λ+1/R) (3100-22) 위의 식 3100-21과 3100-22 그리고 그림 3100-10은 시스템의 상류측(Upstream)과 하류측(Downstream)의 압력이 일정한 경우이다.
예로써 원심펌프의 토출배관상에 제어밸브를 그림 3100-11과 같이 설치한 경우 유량과 더불어 압력이 변화하기 위해서는 레인지어비리티도 따라서 변화해야 하기 때문에 주의가 필요하다
3143 프로세스 시스템에 필요한 레인지어비리티
제어밸브를 사이징할 때, 유효 레인지어비리티가 실제로 적용되는 경우 사이징 된 제어밸브는 시스템에 필요한 레인지어비리티를 만족해야 한다. 그림 3100-12의 프로세스 시스템에 있어서 이 시스템에 필요한 레인지어비리티는 다음과 같이 구한다.
Rs = Cmax(req)/Cmin(req) =Qmax SQRT(ΔPmax)/Qmin SQRT(ΔPmin)
여기서 Rs : 시스템에 필요한 레인지어비리티
Cmax(req) : 시스템이 필요로 하는 최대 유량계수
Cmin(req) : 시스템이 필요로 하는 최소 유량계수
Qmax : 시스템의 최대 유량
Qmin : 시스템의 최소 유량
ρh : 시스템 상류측과 하류측간의 수두의 차
ΔPmax : 시스템의 최대차압
ΔPmin : 시스템의 최소차압
P1 : 시스템의 상류측 압력
P2 : 시스템의 하류측 압력
시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티를 구할 때에는 시스템의 기동시, 정지시와 같이 일시적인 운전조건이외에도 밸브 사용에 따른 경년변화에 따른 조건 등도 함께 고려해야 한다. 다음은 선정된 제어밸브가 실제로 시스템에 적용되었을 경우, 레인지어비리티상 원활한 운전이 될 수 있는가를 예를 들어 설명한다.
그림 3100-12에서 보는 바와 같이 시스템이 필요로 하는 레인지어비리티는 식 3100-23에서 Rs = (10 SQRT(6-0.15-1+0.05))/(2 SQRT(3-0.25-1-0.05))*8.5 이 경우 최대 Cvmax = 1.17Q SQRT(Gs/ΔP)=1.17×10×SQRT(1.0/1.0)=11.7 지금 정격 Cv=19 이고, 고유 레인지어비리티 R=30인 제어밸브를 선정하는 경우 유효 레인지어비리티 RA는 식 3100-22에 따라 RA = A SQRT(Pr)=R SQRT (ΔP/(ΔPL1+ΔPL2+ΔPv))= 30 SQRT(1.0/1.7) = 23 Cvmax=11.7에 대하여 Cv=19를 설정한 경우 11.7을 넘는 부분은 여유분이 되기 때문에 실제 사용되는 레인지어비리티 RE는 RE = RA×(Cvmax/정격 Cv)=23×(11.7/19)=14.2
따라서 시스템에서 필요로 하는 레인지어비리티 Rs=8.5 이고 제어밸브에 실제 사용되는 레인지어비리티는 RE=14.2가 되기 때문에 이 프로세스 시스템은 조절이 가능하다.
3150 제어밸브 크기를 선정할 때의 고려사항
3151 용어설명 케비테이션(Cavitation)
밸브 몸통을 흐르는 액체가 포화증기압이하로 떨어질 때 발생하는 현상으로, 액체가 포화증기압이하로 떨어지게 됨으로써 발생한 기포들은 밸브 출구단에 이르러 포화증기압이상으로 유체의 압력이 회복됨에 따라 발생된 기포는 붕괴된다. 밸브에서의 이러한 유체 흐름시에 생기는 현상을 케비테이션이라고 한다.
초크드 흐름(Choked Flow)
밸브가 일정 개도에서 밸브 입·출구사이에 차압이 커지면 유량이 증가되는 것이 일반적인 현상이나, 차압이 증가해도 유체(압축성 및 비압축성)의 흐름량이 증가하지 않는 현상을 말한다.
압축성 유체(Compressible Fluid)
프로세스 계통에서 가스의 흐름으로 인한 압력 손실이 입구측 압력과 비교하여 상당히 큰 상태하에서 유체의 밀도가 10%이상 감소하는 유체를 말한다.
제어밸브 기량(Control Valve Authority)
제어밸브의 어떤 특정 개도에 있어서의 압력 손실량과 밸브가 완전히 닫혀있을 때의 계산된 시스템 압력 손실량과의 비율을 말한다.
설계조건(Design Condition)
플랜트의 전체 또는 부분적인 프로세스를 계산할 때 또는 주요 공정기기의 주문을 하기 위해 계산할 때의 프로세스 조건이다.
후라싱(Flashing)
액체 흐름에서만 생기는 현상으로 밸브 몸통을 흐르는 액체가 밸브내에서 포화증기압 이하로 떨어지면 유체의 흐름에는 발생된 기포가 상당량 잔류하게 되는데, 기포를 포함하고 있는 유체가 밸브 출구단 이후에도 계속 포화증기압 이하로 유지되며 흐르는 상태를 말한다.
밸브 유량계수( Flow Coeffi-cient)
일반적으로 Cv 또는 Kv 값으로 표시되는 계수로써, 밸브의 유체수송 능력을 나타내는 계수이다.
Cv = US gallon/minute/1psi
Kv = ㎥/hour/1bar, Kv = 0.856Cv
비압축성 유체(Incompressible Fluid)
액체로써 계통에서의 밀도 변화 범위가 10%이내인 유체이다.
Reduced Trim
Reduced Trim은 밸브의 호칭직경보다 작은 크기의 트림을 말하는 것으로, 예를 들어 밸브의 호칭직경이 8˝인 밸브에 트림은 6˝ 또는 4˝의 작은 트림을 채택한 밸브를 Reduced Trim의 밸브라고 한다.
3152 제어밸브의 크기 선정
(1)크기 선정의 기준
특별히 별도로 지정하지 않는 한 밸브의 유량계수 Cv의 선정은 관련 프로세스 데이터에 의하여 설계 흐름조건을 결정해야 한다.
·최대유량 조절량 Q+ = 최대 설계유량(Qd)의 110% 유량(1.1×Qd)
·완전 열림시의 밸브 유량 Qo>최대유량 조절량 Q+
·과도한 루프 게인(Loop Gain)의 변화(>=2.0)를 피하기 위한 설계조건하의 제어밸브 기량은 0.23보다 커야하므로 제어밸브 미 설치시의 시스템 유량 Qs>=1.15Qd가 되어야 한다.
(2)제어밸브 Cv 값의 선정
제어밸브의 크기 선정은 계산된 Cv 값에 따라 선정하되, 적어도 최대 유량 조절량 Q+는 제어할 수 있는 크기이어야 한다. 만약 후라싱의 발생이 예상되는 경우에는 계산된 Cv 값에 의거 Reduced Trim을 가진 밸브를 선정한다.
3153 선정시 고려사항
(1)일반 고려사항
·제어밸브의 제어특성(선형, 등비율형, 급개형 등)의 선정
·제어밸브에 연결되는 배관의 형상 및 크기, 사양
·소음
·유체의 성상(Fluid Mixtures)
·케비테이션이나 후라싱의 존재 여부
·초크드 흐름 여부
(2)제어밸브의 제어특성
제어밸브의 특성은 설계조건으로 선정하되 다음과 같은 기준(항상 일정한 기준으로 사용되는 것은 아니지만)을 우선적으로 고려한다.
①제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70% 이하를 조절하는 경우에는 등비율특성의 트림을 선정. 즉, 제어밸브의 기량 rd<=0.7일 때.
②제어밸브가 전체 시스템에서 요구하는 압력 손실량의 70% 이상을 조절하는 경우에는 선형특성의 트림을 선정. 즉, 제어밸브의 기량 rd>0.7일 때.
③특정의 가혹한 조건하에서는 추가의 감압용 오리피스를 제어밸브의 상류측에 설치하여 rd의 값을 0.5이하로 할 수 있다. 이 경우 rd>=0.8이면 선형특성을, rd<=0.5이면 등비율특성을, 0.5<rd<0.8이면 추가의 레스트릭션 오리피스를 밸브 상류측에 설치하여 rd<=0.5로 해야 좋다.
④제어밸브의 기량 rd는 다음과 같이 계산한다.
기량rd = ΔPvd/(ΔPvd+ΔPsd +ΔPpd) 여기서,
ΔPvd : 제어밸브에서의 압력 손실량
ΔPsd : 프로세스 시스템에서의 압력 손실량
ΔPpd : 프로세스 펌프에서의 압력 손실량
(ΔPvd+ΔPsd+ΔPpd) : 프로세스 시스템 전체의 압력 손실량
그러나 다음과 같은 경우에는 상기의 조건을 무시하고 선형 특성을 선정한다.
·자연상태하의 탱크 수위 레벨 조절 등
·압축기의 서어지 방지 제어
·분할제어(Split Range Control)가 필요할 때
·레인지어비리티가 크게 요구되어 두 개의 제어밸브를 병렬로 사용할 때
·수동의 제어밸브일 때
(3)유체 혼합시의 계산
서로 다른 성질의 액체나 기체가 혼합된 유체의 경우 Cv의 계산은 혼합된 유체의 밀도로 해야 한다. 액체와 이 액체에서 기화된 상태의 기체가 같이 흐르는 이상유체(Two Phase Flow)의 경우는 제어밸브의 선정시 매우 까다로운 문제이며, 실제로 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 가급적 피해야 한다. 액체와 성질이 전혀 다른 가스가 혼합되어 흐르는 유체의 경우, 다음의 식으로 유효밀도(Effective Density)를 계산한다.
1/ρeff=A/Y2ρgas+B/ρliq 여기서
A : 가스성분의 무게 비율(%)
B : 액체성분의 무게 비율(%)
Y : 가스의 팽창계수
ρ : 밀도
만약 액체의 무게비율이 5%를 넘으면, Cv의 계산은 액체로 가정하여 계산하고, 5% 미만일 경우 기체(압축성 유체)로 하여 Cv를 계산한다.
(4)케비테이션과 후라싱
제어밸브의 선정에 있어서 케비테이션과 후라싱은 적극적으로 피해야 할 현상이다. 그러나 다음과 같은 시스템 설계적인 방안을 강구하면 케비테이션이나 후라싱에서 제어밸브의 운전 건전성을 도모할 수 있다.
1)케비테이션이 예측되고, 또한 피할 수 없는 조건에서 케비테이션 완화방법
·제어밸브 입구측(Upstream)의 압력을 재검토한다.
·제어밸브의 설치위치를 가능한 한 압력이 높은 쪽이나, 온도가 낮은 위치로 변경을 시도한다.
·제어밸브의 유체흐름방향(Upward or Downward)의 변경을 검토한다.
·제어밸브 출구쪽에 가깝게 감압용 오리피스(Restriction Orifice)를 설치하거나 유량의 변동폭을 줄일 수 있는가를 검토한다.
·특수형의 내 케비테이션 트림의 채택을 제작사와 협의한다.
·부하 분담을 검토하고 그 결과에 따라 제어밸브 2∼3대를 직렬로 설치하는 것을 검토한다
.2)후라싱 서비스용 밸브
후라싱을 피할 수 없는 운전조건이라면, 밸브의 트림은 밸브 호칭직경과 같은 크기이어야 하며, 밸브 몸통은 경도가 높은 합금강(Cr강, WC6 or WC9)
3200. 액체시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산
상기 계산식에서 각각의 기호는 다음과 같은 의미를 가진다.
Cv=밸브의 유량계수(Valve Flow Coeffcient),US gallon/minute/△P=1psi
Q=체적유량, ㎥/Hour
W=중량유량, 1000kg/Hour
G=유체의 흐름온도에 있어서 비중
FL=무차원의 압력회복계수
FF=임계압력비
FP=밸브 입출구 연결배관의 수정계수
FLP=연결배관의 영향을 포함한 압력회복계수
FR=레이놀즈 보정계수 (계산결과 1000<Re<33000 이면 0.9로 가정하여 계산)
P1=밸브 입구압력, bara
P2=밸브 출구압력, bara
Pv=유체의 포화증기압, bara
1bar=1.02 kg/㎠
v=동정성계스, centi-stoke
Fd=밸브 종류별 보정계수, 표 3200-1 참조
CD=밸브 연결배관에 대한 상대 유량계수(Cv/D2, 여기서 D= 연결배관의 호칭직경, inch)
Kc=(P1-P2)/(P1-Pv), 케비테이션 인덱스
3210. 밸브에서의 후라싱 계산
밸브 출구의 압력이 유체 운전온도의 포화증기압 이하로 되는 경우에는 후라싱 현상(용어 정의 참조)이 발생한다. 이 경우 운전온도 및 압력에 따라 액체의 일부는 증기(Vapor)화 되는데, 증기화되는 정도를 후라싱 비율이라고 한다. 일반적으로 후라싱 흐름일 경우에는 밸브내에서 비체적이 팽창함에 따라 출구 유속이 급격하게 증가되므로 밸브 출구는 밸브의 호칭직경 보다 크게 하는 것이 바람직하다. 다음은 후라싱 흐름에 있어서 Cv를 계산하는 식이다.
여기서, Q=액체의 체적유량(㎥/Hr), w=질량유량(kg/Hr)
Gf=배르 입구측 유체의 비중
r1=밸브 입구측 유체의 비중량(kg/㎥)
후라싱 비율은 유체(액체)의 전체흐름에서 얼마만큼 기화(Vapor)되었는가를 %로 보여주는 것으로 후라싱 비율이 클수록 밸브 출구에서의 후라싱 속도는 빨라지게 된다. 일반적으로 물과 증기의 경우, 전체 질량 유량 대비 증기로 얼마(몇 %)만큼 변환되었는가를 무게비 χ로 표시하면
로 표시할수 있으며, χ는 다음과 같이 구한다. 여기서, hf1= 입구 온도에 있어서 포화액체의 엔탈피
hf2=출구압력에 있어서 포화액체의 엔탈피
hfg2=출구압력에서의 증발엔탈피
후라싱 속도의 계산
여기서, w=유량(lb/hr)
Vf2=출구압력에서의 포화액체의 비체적(ft3/lb)
vg2=출구압력에서의 포화증기의 비체적(ft3/lb)
A=밸브 출구의 유로 단면적(inch2)
3300. 가스 시스템에 있어서 제어밸브의 유량계수 Cv 계산
Cv=Qn/2080Fp·P1·Y√(M·T1·Z·P1)/△P
Cv=Qn/387Fp·P1·Y√(M·T1·Z·P1)/△P
Cv=Qn/2080Fp·P1·Y√(M·T1·Z)/Fk·XT
Cv=Qn/387Fp·P1·Y√(G·T1·Z)/Fk·XT
Cv=Qn/2080Fp·FR·P1·Y√(M·T1·Z·P1)/△P
Cv=Qn/387Fp·FR·P1·Y√(G·T1·Z·P1)/△P
Cv=밸브 유량계수
Qn=가스의 유량계수(N㎥/Hour)
P1=밸브의 입구압력(kgf/㎠)
P2=밸브의 출구압력(kgf/㎠)
△P=밸브에서의 차압(kgf/㎠)
X=차압비
XT=포화 차압비, XT=0.84 FL2
G=공기에 대한 가스의 비중
M=가스의 분자량
FP=밸브 입출구 연겨배관의 수정계수
T1=밸브 입구의 절대온도(。K)
Y=팽창계수, 1.0≥Y≥0.667=1-X/(3FK·XT)
Z=압축계수(완전가스 Z=1.0, 범위 Z=0.5~1.5)
K=비열비
Fk=k/1.4, 비열비 계수
3400. Cv 계산에 대한 예제
3410. FCI(Flow Control Institute)식에 의한 액체의 경우
유체조건을 다음과 같이 가정한다.
Q max = 15m3/h
Q min = 5 m3/h
P1 max = 5kg/cm2 G
P1 min = 8kg/cm2 G
△ P max = 1 kgf/cm2
△ P mix = 2 kgf/cm2
Gf=0.95
Cv max = 1.17Q√Gf/△ P=1.17×15×√0.95/1=17.1
Cv miN = 1.17 Q√Gf/P=2.3
3420. FCI(Flow Control Institute)식에 의한 기체의 경우
유체조건을 하기와 같이 가정한다.
V=1600 N m3/h
P1=8.05 kgf/cm2
P2=6.0 kgf/cm2
Gg= 4.5
T1=293°K
△P(=2.0kgf/cm2)는 0.5P1(4.0kgf/cm2)보다 적기 때문에 임계상태가 아니다. 따라서 FCI 계산식에 상기 수치를 대입해서 Cv 치를 구한다.
3430 ISA(Instrument Society of America)식에 의한 후라싱(Flashing)
유체조건을 다음과 같이 가정한다.
Q=20 m3/h
P1=8.05 kgf/cm2 abs
Pv=6.7 kgf/cm2 abs
T1= 325°F(163℃)
Gf=0.904
P2=5.6 kgf/cm2 abs
Pc=224.4 kgf/cm2 abs
밸브의 출구측 압력 P2와 증기압 Pv의 위치에서 후라싱이 예상된다. 벤츄리형 양글밸브에서 플러그 닫힘 방향으로 유체가 통과한다고 가정하여 FL 치를 3200-1에서 구한다.
(1)여기에서 FL=0.5를 채용한다.
(2)우선 △PT를 다음의 식에서 산출한다. △PT=FL2(P1-FFPv)=FL2[P1-(0.96-0.28
(3)△PT(=0.455kgf/cm2)는 △P(=2.45kgf/cm2)보다 꽤 적기 때문에 쵸크드 흐름(Chocked Flow)영역이다. 따라서 다음의 식에서 이 조건에 대한 Cv 치를 계산하면 다음과 같이 된다.
=33(계산 Cv 치)
제어밸브의 트림
트림은 유체흐름에 직접 접촉하는 밸브의 부품을 총칭하는 것으로써 유체제어 또는 유체 흐름에 의하여 마모되거나 손상될 수 있으며, 아울러 교체가 가능한 부품을 트림이라고 한다. 제어밸브의 핵심은 결국 트림이며, 트림은 제어의 목적에 맞도록 유체흐름을 직접제어하는 부품군인 것이다.
따라서 트림의 선정에 있어서 가장 중요한 기술적인 요소는 유체가 갖고 있는 다양성(유체의 종류, 물리·화학적특성, 압력·유량·온도에 수반되는 트림재질의 기계적 성질까지 포함)을 어떻게 잘 제어할 수 있는가의 적용성 문제이다.
이는 부식·침식의 문제와 온도·압력의 차이 그리고 운전시간의 문제등을 함께 해결하는 것을 뜻한다. 트림선정에 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 다음과 같다.
① 밸브의 운전상태-간혹 제어, 간헐적 제어, 연속제어 및 얼마나 계속 운전될 것인가
②유체의 성질-불순물(고형물질 등)을 포함하고 있는가, 유체의 부식특성은 어떤가, 온도(초저온 또는 고온), 고청정 유체인가, 폭발성 또는 독성가스의 유체인가 등
③유체제어 과정에 있어서 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성
④소음의 규제
⑤트림의 서비스 특성-트림의 교체(교환)방법 및 교체 빈도
⑥트림에서의 내부 누설 정도-무누설의 트림일 경우 트림구조가 변경될 수 있으며, 가격상승의 직접적 요인이 됨
⑦유체제어 특성-제어밸브의 게인(Gain)
제어밸브의 트림 구조는 밸브의 종류(글로브밸브, 버터플라이밸브, 볼밸브 등)에 따라 구조상 큰 특징을 보인다. 현재 제어밸브의 트림은 사용하는 유체의 성상과 압력, 온도 그리고 밸브에서의 차압의 정도 및 시트에서의 누설등급에 따라 밸브의 종류별로 제한을 받고 있다. 볼밸브, 버터플라이밸브 및 프러그밸브와 같이 90°회전하는 쿼터턴(Quarter Turn)밸브의 경우 밸브에서의 높은 차압 조정이 곤란하고 아울러 시트에서의 시팅구조가 미끄러짐에 의한 슬라이딩 접촉(Sliding Contact)이므로 내누설이 철저히 요구되는 계통에서의 적용은 불가능 하다.
그러나 일반적인 글로브 밸브에 적용되는 밸브 트림은 매우 다양한 구조로 설계할 수 있다. 우선 유량제어 특성에 맞도록 밸브 프러그 또는 케이지(Cage)형상을 기본적인 등비율 특성(Equal Percentage), 선형특성(Linear) 및 급개형특성(Quick Opening)으로 구분하고 있으며, 이들 특성을 수정하여 사용하는 경우도 밸브 제작자 별로 많이 있다.
이들 기본적인 세가지 유량제어특성을 갖는 트림의 구조는 컨투어드 프러그(Contoured Plug), 브이포트(V-Port) 및 특성화된 유로 케이지(Characteriged Flow Cage)가 있다. 일반적으로 저압이고, 밸브의 최대차단 압력(max. Shut off Pressure)이 적으며, 밸브 크기가 소형(4"이하)일 경우에는 컨투어드 프러그형의 트림을 사용하여도 좋다.
그러나 밸브에서의 차압이 크게 발생하거나 유체 유동의 유체력(Fluid Flow Inertia Force)이 크게 발생되는 곳에서는 컨투어드 프러그에 안내 가이드로써 케이지를 채택하는 것이 좋다. 다음 그림은 미국계기학회(Instrument Society of America, ISA)에서 출간한 제어밸브 핸드북에 수록된 유체특성에 따라 설계되는 트림의 형상과 각각의 유량계수 Cr을 보여주고 있다.<그림 1,2 참조>
운전압력과 온도가 높고, 특히 차압이 큰 경우에는 임계흐름이 될 가능성이 매우 높기 때문에 케비테이션 또는 후라싱의 발생 가능성이 높다. 실제로 높은 차압환경에서 운전되는 모든 밸브는 케비테이션 또는 후라싱의 발생으로 특수 설계된 트림이 요구된다.
후라싱 발생의 경우, 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림에서의 후라싱 방지 방안이 불가능 하기 때문에 밸브 구조 보다는 밸브 트림 또는 몸통의 재질등을 보다 강한 재료로 채택한다.
그러나 케비테이션의 경우 밸브의 트림으로 케비테이션을 저감 또는 억제할 수 있다. 모든 제어 밸브회사들은 유체제어에 있어서 유체역학적인 특징들을 고려하여 독자적으로 설계된 트림을 그들의 제어밸브기술 마케팅의 첫째 기술로써 선전하고 있다.
다음 그림들은 글로브 밸브에 채택되고 있는 고온/고압의 내케비테이션(Anti-Cavitation)트림들을 보여주고 있다. <그림3~13 참조> 로브형 제어밸브의 트림선정에 있어서 중점적으로 검토할 항목은 다음과 같다.
·고압운전-강도문제, 내침식 재료의 선정, 시트에의 내기밀성 유지
·고차압운전-내침식 재료의 선정, 케비테이션 문제발생(내 케비테이션 트림선정), 스템에서의 강성도 유지, 소음(Noise)대책
·진공운전-시트에서의 내기밀성 유지, 금속 벨로우즈에 의한 기밀 유지
·고온운전-상용운전온도가 232℃(450℉)이상인 경우 고온운전, 재료종류에 따른 사용온도 제한, 밸브구조의 제한, 자켓의 밸브적용
<트림 재료별 사용온도 제한>
청동, 주철: 200℃ 이하
주강 : 300℃ 이하
스텐레스강(SS316):400℃ 이하
마르텐사이트계열(SS420)스텐레스강 : 450℃
17-4PH 스텐레스강 : 480℃ 이하
초경합금(텅스텐 카바이드) : 650℃ 이하
스텔라이트/산화알루미늄 : 980℃ 이하
인코로이 내열 합금:800℃이하
·초저온 운전:상용 운전온도가 -100℃(-150℉)이하인 경우 초저온 운전 재료 종류에 따른 사용온도 제한, 밸브 구조의 제한, 콜드박스 또는 진공자켓의 밸브 적용
<트림 재료별 사용 온도 제한>
구리, 청동, 황동, 오스테나이트 계열 스텐레스 강: -268℃(-450℉)
모넬, 하스테로이 : -268℃(-450℉)
마르텐사이트계열 스텐레스강, 일반주강:-100℃(-150℉)
주철:-17℃(0℉)
·케비테이션 저감 방안
①밸브 운전 조건(계통 프로세스 운전 조건)의 변경
②내케비테이션 트림의 선정:압력회복이 낮은 밸브선정, 높은 KC 및 FL 값을 가진 밸브의 선정, 다단계 압력 강하 방식의 트림선정
③가스의 투입
④밸브 설치 방법의 변경
·고점성/슬러리 유체 제어- 슬러리(찌꺼기)함유 유체나 고점성 유체의 제어과정에서 원활한 유체 흐름을 갖도록 트림구조를 설계, 완전 개방식 앵글밸브, 특성 볼 밸브, 셀프드레인 밸브, 편심형 프러그 밸브, 핀치밸브등이 적용된다.
제어밸브의 트림
다음의 표는 밸브의 대표적인 트림재질 구성으로써 사용조건, 사용온도의 범위, 사용가능 밸브사이즈 및 사용상의 제한조건을 표로 구성한 것이다.
제어밸브의 유량 및 레인지어비리티(Rangeability)
(1)선형특성 (Linear Characteristics)
밸브 리프트와 통과 유량이 직접 비례하는 것으로, 예를 들어 밸브가 50% 리프트이면 전체 유량의 50%가 밸브를 통과하게 된다. 유체 수위 제어 및 일정한 게인(Gain)을 필요로 하는 유량 제어 목적으로 주로 사용된다.
(2)등비율특성 (Equal Percentage Characteristics)
일정한 비율의 스템(Stem)을 이동하였을 경우 이동전 봉과 유량에 대한 스템이동 비율만큼의 유량이 변화하는 것으로 다음과 같은 수식으로 표시될 수 있다.
dCv/dℓ=K·Cv 즉, Cv=K·ℓ·Cℓ(단 Cℓ은 Cv의 초기값)로 표시되며, Cℓ값 및 K값을 조절함으로써, 계통 특성에 맞는 밸브를 선정할 수 있다. 주로 계통 압력 강하를 미세하게 조절하기 위한 압력조절 목적으로 사용된다.
(3)급개형 (Quick Opening Characteristics)
낮은 스템 이동 부분에서 최대 유량변화 특성을 가진다. 대부분 스템이동에 선형적이며, 약 30%의 밸브를 개방시켰을 경우 총 통과 유량은 전체 유량의 90%에 달한다. 주로 개폐용이나 자체 구동(Self Actuated) 제어밸브에 많이 사용한다.
(4)유량 특성의 선택
계통 설계에 있어서 적절한 밸브 유량 특성은 선택이 중요하다. 왜냐하면 밸브 선정시 계통의 특성을 고려한 밸브의 유량 특성은 밸브선정과 매우 밀접한 관계임에도 불구하고 설계자는 밸브의 단순한 기능 즉, 유체의 수송, 차단 및 조절기능에 의거, 설계하기 때문에 실제 운전시 제어상의 문제 제기로 밸브의 선정이 부적절했다는 것을 알게 된다.
따라서, 계통 설계자는 제어 밸브의 크기 및 형상을 선택하는 것이 아니라, 제어 밸브의 Cv(밸브 계수) 및 밸브의 유량 특성을 선택하여 설계하는 것이 바람직하다. 다음의 [표 2,3,4]는 각 계통특성별 밸브 유량 특성의 선택을 요약한 것이다.
결론적으로 밸브 유량 특성의 선택은 정량적으로 판단하기에는 어려운 것이 사실이나 앞에서 열거한 바와 같이 사용 목적에 따른 유량 특성의 선택 지침은 대략 다음과 같이 요약할 수 있다.
즉, 등비율 특성을 가진 밸브인 경우 주요 공정에서 계통의 압력 강하를 밸브를 통하여 얻지 못하거나, 밸브의 압력 강하가 저유량에서 크고 고유량에서 낮은 경우에 밸브 선택의 지침으로 사용되며 아울러, 계통 설계 자료의 부족으로 인하여 밸브를 과대하게 설계할 수밖에 없을 때, 이 등비율 특성을 가진 밸브를 선정한다.
선형 특성을 가진 밸브의 경우는 유체의 흐름이 변화하여 넓은 범위의 유량 측정이 필요하고 계통의 압력 강하량을 밸브를 통하여 알 수 있을 때에 쓰인다.
(5)레인지어비리티(Rangeability)
레인지어비리티는 제어할 수 있는 최소 유량에 대해서 제어할 수 있는 최대 유량비로 정의된다. 일반적으로 레인지어비리티는 5:1(다이아후램 밸브)에서 300:1(Throttling 볼밸브)까지 선택할 수 있으나, 경험적으로 글로브 밸브의 레인지어비리티는 5:1∼20:1, 볼 밸브의 레인지어비리티는 30:1∼50:1이다.
그러나 최근의 특수트림(미로형 트림등)을 사용한 글로브 밸브의 레인지어비리티는 100:1까지도 무난하다.
(6)누설율
누설율 및 유량특성(Flow Ch-aracteristics)은 밸브 트림(Trim) 즉, 프러그, 시트, 스템, 가이드 부싱(Guide Bushing) 등의 형식을 결정하는 기본 요소이다. ANSI B16.104(1976)에는 밸브의 누설율 등급(Leak Class)을 정의하고 있으며, 밸브의 닫힘정도(Degree of Shut-off)에 따라 밸브의 가격은 상당히 차이가 난다.
그러므로, 밸브 사양을 작성할 때는 반드시 허용 누설율을 명시함으로써 과도하게 크게 선정된 액츄에이터나 특수 설계를 요하는 밸브를 구매하지 않도록 해야 한다.
제어밸브의 트림구성에 따른 가격 평가
트림 형식에 따는 누설율(Leak-age Rate)을 [표7]에 표시하였다. 일반적으로 제어밸브의 경우 밸브의 크기별, 압력등급별, 재질별, 사용환경에 따라 밸브가격은 다르게 된다. 다음은 미국계측제어공학회에서 경험적으로 밸브의 가격을 비교한 것으로 좋은 참고자료가 될 것이다.
제어밸브 셋업에 있어서 일반적으로 일어나는 실수
(1)글로브형 제어밸브에 있어서 서비스 조건별 가격 비교(6″밸브기준) [표9참조]
필자의 경험으로 상기 조건에서 가장 큰 가격영향력을 갖는 요소로서는 차압(ΔP)이며, ΔP와 온도가 높을수록 특수한 트림설계가 요구되므로 밸브트림가격은 기준가격의 10배까지도 올라갈 수 있다.
(2)밸브 재질별 가격비교 [표10참조]
(3)버터플라이 밸브의 라이닝 유무 [표11참조]
제어밸브를 설치하고 실제 운전을 위한 워밍업(Worming up)시에 일반적으로 일어날 수 있는 실수의 사례들을 검토해 보기로 한다. 일반적으로 일어날 수 있는 제어밸브 셋업시의 문제는 다음과 같은 사항을 우선 생각하여야 한다.
첫째는 셋업 데이터를 잘못 적용하는 사례이고, 둘째는 시스템 운전 자료의 변경이나 밸브의 하드웨어의 변경에 따른 충분한 사후 평가 및 대책이 부족한 경우, 셋째는 제어밸브를 구성하고 있는 각 구성부품의 기능과 역할을 충분히 숙지하지 못한 경우, 넷째로 시스템 운전에 있어서 중점 제어 하여야 할 제어변수(Control Variables)의 지정에 문제가 있는 경우이다.
공압식 제어밸브의 경우 이들 문제 중의 상당수가 엑츄에이터에서 자주 경험된다. 엑츄에이터의 행정거리, 스프링의 초기 압축량, 엑츄에이터에 공급되는 공기압력이 제어조건에 모두 잘 맞아야 원활한 운전이 될 수 있다.
그러나 실제로 이러한 요인들을 잘 알고 있다고 하여도 일반 현장에서의 사소한 실수는 간혹 매우 심각한 문제를 야기하기도 한다. 공압식 제어밸브를 올바르게 셋업하기 위해서는 밸브의 트림과 액츄에이터, 그리고 밸브전체의 성능에 영향을 미치는 부품들과 다른 변수에 대하여 확실히 해 두어야 한다.
또한 수많은 변수들이 제어밸브의 올바른 셋업에 영향을 주기 때문에 시스템 측면의 운전변수, 운전 요구사항, 운전 환경, 나아가 하나의 작은 제어부품인 리미트 스윗치나 락업밸브(Lock up Valve), 스피드 제어밸브에 이르기까지 하나하나의 구성부품에 대한 올바른 설치 운전을 위한 원리 및 운전 절차서도 충분히 숙지해두어야 하는 것이다.
먼저 밸브와 엑츄에이터를 선정하기 전에 제어밸브의 시스템 설계사양에 대하여 충분한 정보와 지식이 있어야 한다. 그래야 시스템 설계사양으로부터 밸브의 운전 변수를 갖고 올 수 있으며, 특히 밸브의 운전 목적을 확실히 할 수 있다. 예를 들어 단순히 운전 데이터만 있는 경우의 제어밸브 선정과 시스템 운전의 제반 운전조건과 목적을 아는 경우의 제어밸브 선정은 그 격을 달리한다.
발전소의 히터 드레인 시스템의 경우 간헐적인 조절기능이 있는 제어밸브와 차단밸브로 각각의 시스템을 구성할 수 있지만, 단순한 운전 자료만을 가지고는 항상 유량을 제어하는 밸브로, 시트 누설등급이 IV인 밸브로, 그리고 운전 모드에 따라 케비테이션과 후라싱이 동시에 생길 수 있는 그야말로 특수의 고가의 트림을 선택하여야 하는 제어밸브로 선정할 수도 있다.
하지만 이 시스템의 운전기능과 목적을 알고 있다면, 제어밸브의 선정은 보다 용이해지고 신뢰도가 높으면서 안정된 가격의 제어밸브를 택할 수 있다. 간헐적인 운전의 밸브에 시트 누설이 매우 낮은 등급 V의 정도의 트림과 더불어 밸브 후단에 희생 오리피스를 장착하거나 또는 밸브의 출구배관을 크게함으로써 시스템의 건전하고 경제적인 운전을 도모할 수 있는 것이다.
제어밸브를 선정하기 위해서는 밸브의 입구압력, 출구압력, 밸브에서의 차압, 유체의 온도, 유량, 그리고 부식침식에 대한 화학적특성, 시트의 누설등급 정도, 밸브에 동력원이 상실되는 경우에 있어서 밸브의 운전 위치, 열고 닫음의 속도, 제어의 특성이 모두 고려되어야 한다.
또한 제어밸브는 압력 유지부품으로써 운전강도에 대하여 구조적으로 건전하여야 함으로 이에 영향을 받는 밸브의 패킹구조, 트림 및 엑츄이에터도 함께 고려하여야 한다. 제어밸브의 압력유지 구성품은 밸브의 몸통, 본네트 및 본네트 볼트가 일반적으로 해당되고, 간혹 프러그가 압력 유지부품으로 간주되는 경우가 있다.
밸브의 패킹구조 또한 매우 중요한 제어밸브의 기술적인 부품으로써 시스템의 운전환경에 대해 다양한 형태의 패킹 구조가 도입되어 있다. 제어밸브의 트림은 유체의 건전한 제어를 실질적으로 수행하는 핵심으로 운전조건에 따라, 제어목적에 따라, 그리고 유지 보수의 편의에 따라 또한 매우 다양한 형태가 선택된다.
무엇보다도 제어밸브의 핵심적인 설계변수는 밸브의 입구압력, 출구압력, 유체 온도, 유량 및 개폐 모드 및 시간이다. 본네트 및 패킹의 설계변수는 각기 다른 밸브재질과 설계 형태에 따라 달라지는데, 패킹 링의 수량, 스템의 표면 가공 정밀도, 밸브조립시의 응력 분포, 스템에의 윤활 여부, 스템 조립시의 직진도와 밸브 조립시의 기능의 정도가 본네트 및 패킹의 설계에 직접적인 영향을 미친다.
특히 패킹의 경우 패킹의 재질, 형태 및 씰링의 신뢰성등을 고려하면, 제어밸브의 셋업에 상당한 영향을 준다. 패킹을 얼마나 조이는가에 따라 스템의 운전 부하가 달라지고, 과도한 부하(많이 조여서)일 경우 제어밸브의 스템은 헌팅(스템이 부드럽게 운동하지 못하고 덜거덕 거리면서 운동함)이 일어나고, 심한 경우 제어가 안될 수도 있다.
트림설계의 경우에는 매우 다양한 종류의 트림들이 밸브 여러 회사마다 독특한 디자인으로 소개되어 있다. 트림은 기존의 어떤 회사의 브랜드 이미지 보다는 철저하게 시스템의 운전 목적에 합당한 것이어야 하며, 그 성능은 밸브별로 각각 평가, 보증되어야 한다.
트림의 스타일은 바란스 트림(Balance Trim), 언바란스 트림(Unbalance Trim), 파이롯트형 탠덤트림(Pilot Operated Tandem Trim)이 있고, 이들 트림은 언바란스면적, 씰링 마찰력, 파이롯트 밸브 스프링의 힘, 트림의 재질 및 트림의 시트 내누설 정도에 따라 액츄에이터의 성능에 영향을 준다.
액츄에이터는 피스톤형, 다이아후람형, 레버 조작형등이 있으며, 액츄에이터의 설계변수는 스프링의 초기 압축력, 스프링의 상수, 작동 공기의 압력, 행정 길이, 밸브 안전위치(Failure Mode), 액츄에이터의 취부 방향, 크기, 작동환경, 행정에 소요되는 시간 및 액츄에이터의 설계형태 등이다.
올바른 액츄에이터를 선정하기 위해서는 우선적으로 동력원인 압축공기가 손실되었을 때, 요구되는 안전위치를 정해 두는 것이 좋다. 다음은 액츄에이터 및 트림의 형식별 동력원 손실시의 작동 방향이다. [표12참조]
공기작동식 제어밸브에서 가장 잘 일어나는 셋업의 실수는 벤치셋(Bench Set)이다. 벤치셋은 엑츄에이터내에 일정한 공기압력에 다달으면 엑츄에이터가 움직이기 시작하는 하는 데, 이 때의 공기압력을 설정하는 것을 벤치셋이라고 한다.
계산에 근거한 벤치셋 공기압력은 실제의 시스템에 투입되어 운전하고 있는 밸브의 벤치셋과는 다른 값을 가진다. 시스템에 투입된 경우에는 패킹의 마찰력, 트림의 총 무게, 파이롯트 밸브의 스프링 힘, 그리고 시스템 운전 압력이 모두 고려되어야 한다. 실제적인 밸브의 보증은 시스템에 밸브가 설치된 후 건전하게 운전됨을 확인한 후에 밸브의 보증은 이뤄져야 한다.
따라서 밸브를 제작자로부터 인도 받은 후 보관 및 설치가 건전하게 절차에 따라 이루어지고, 밸브 제작사의 입회 하에 시스템 운전과 병행하는 커미션닝(Commissioning)이 완료된 후부터 실질적인 밸브 보증은 이뤄지게 되는 것이다.
일반적으로 제어밸브의 사용자 불만은 밸브 시트에서의 누설, 밸브 운전 중 부드럽지 못한 동작, 시트에서의 디스크나 프러그의 고착(Sticking), 비정상적인 행정(Stroke) 시간과 구성 부품의 손상 등이 주된 불만사항 들이다. 이들 불만사항 들을 원인별로 정리하면 다음과 같은 요인들에 의한다.
트림의 마모, 공기 공급체계의 문제, 포지션너나 컨버터 등의 제어요소 문제, 시스템에서 불순물 침입, 셋업의 잘못, 액츄에이터 구성 부품의 손상, 패킹 문제, 부적합한 부품의 사용 등이 이들 요인들이다. 다음의 예들은 제어밸브의 셋업에서 일어 난 사례를 정리한 것이다.
<사례> 밸브제작자는 밸브를 구체적으로 사양을 정하기 전에 어떤 시스템에서 어떻게 운전하는 밸브인가를 먼저 확인하여야 한다. 시스템의 운전 환경과 조건을 충분히 숙지하고 다음과 같은 절차에 따라 밸브를 선정한다.
A. 시스템 운전 환경, 조건 및 요구사항을 정함.
1. 운전조건 [표13참조]
B. 트림의 설계변수는 다음과 같다.
프러그설계 : 언바란스
프러그 언바란스 면적의 계산 : UA = 1.227 inch²
스템의 언바란스 면적의 계산 : SA = 0.442 inch²
프러그 직경 : PD = 1.25 inch
스템 직경 : SD = 0.75inch
트림의 재질 : SS410 스텐레스강
프러그 작동 : 직동(Direct, 밸브 Open, 스템 운동 방향a 액츄에이터)
밸브의 유체 흐름 방향 : 시트하부로부터
시트 내누설 요구사항 : Class IV
C. 엑츄에이터의 설계변수는 다음과 같다.
밸브 안전위치 : 공기압 상실 시 밸브 열림
행정길이(스트로크) : S = 1.0 inch
공기압력원 : AP = 60 psig
최소 시트 접촉력 : CL = 120 lbf
정상시의 시트 접촉력 : CL = 0.047×(PD)×(DP+1000)=0.047×(1.25)×(2200) = 129.3 lbf
D. 적용되는 본네트/패킹의 설계변수는 다음과 같다.
패킹 재질 : 팽창흑연 패킹
패킹 링의 수 : 5개
패킹 형태 : 사각형, 성형 패킹
패킹에 작용하는 하중의 형태 : 정적(Static)
패킹의 밀도 : 90lbf/ft³
패킹 윤활여부 : 없음
최소 허용 패킹 응력강도 : PS = 1500psi
정상 운전 시의 패킹 마찰력 : PF = 0.3×(SD)×(PP) = 0.3×0.75×1500 = 337.5
E. 해 석
유체흐름이 밸브 시트 아래에서 위로 흐르고 언바란스 트림인 경우, 밸브 완전 닫힘에서 스템 을 작동시키는 데 필요한 힘은 SFC(Stem Force to Close) = P1×(UA)-P2×(UA-SA)-PA(SA)+PF+CL= 1415×1.227-215×(1.227-0.442)-15×0.442+337.5+129.3= 2027.6 lbf
SFO(Stem Force to Open) = 337.5 lbf( = PF), 이 경우 밸브 내부의 압력이 작용하지 않고 단지 패킹의 마찰력만이 작용한다. 이 값은 엑츄에이터의 초기 스프링 압축량으로 환산되어야 한다.
F. 엑츄에이터의 선정
앞서의 선정 과정을 거쳐 실제 적용할 엑츄에이터로서 다이아후람 단면적이 AA = 60(inch²)이고, 스프링 상수 R = 1000 lbf/inch인 엑츄에이터를 선정하였다. 따라서 엑츄에이터의 벤치셋 스프링 초기 압축압력 BS(psig) 은 BS = PF/60 = 337.5/60 = 5.6 psig 6.0psig 밸브를 완전히 닫기 위한 스프링 압축압력 AC(psig) 는AC = [AA×BS+R×S+SFC] / 60 = [60×6+1000×1+2027.6]/60 = 56.5 a 60 psig
G. 액츄에이터에 60 psig의 구동압력으로 무부하상태의 밸브를 닫았을 때, 시트에서의 응력을 검토해야 한다. 먼저 시트에 작용하는 시트하중을 구하면, 시트 하중 SL(lbf) = AA×AP - S×R - BS×AA - PF = 60×60-1×1000-6×60-337.5 = 1902.5 lbf
시트 응력 SS(psi) = SL/(0.03×PD×3.14) = 1902.5 / (0.03×1.25×3.14) = 16.15 psi OK
< 문제점 분석 - 시나리오 1 >
상기 사례에서 선정된 밸브에 라이브 로디드 스템 패킹(Live Loaded Stem Packing)을 채택하였다. 새로운 패킹을 삽입한 후의 패킹 마찰력은 600lbf로 증가될 것으로 판단되었으나 엑츄에이터의 스프링 초기 압축력은 변경하지 않았다.
새로운 패킹으로 교체한 경우의 예상 초기 벤치셋은 BS = PF/AA = 600/60 = 10psig 가 되어 초기의 5.6psig 보다도 높은데도 불구하고 벤치셋을 수정하지 않은 상태로 운전에 들어 간 결과 반년 후 고객으로부터 밸브 시트에서의 누설이 심하다는 불만사항을 접수, 밸브를 분해하여 검토한 결과 시트 표면의 손상이 발견되었다. 실제 운전시의 벤치셋을 평가하기 위하여 밸브 닫힘시의 공기 구동압력을 다시 계산하면
AC = (AA×BS+R×S+SFC)/60 = 60.5 psig
AP = 58.0 psig(실제 공급되는 공기압)
따라서 부족한 시팅력은 150lbf(= AA×(AC-AP) = 60×(60.5-58.0) = 150 lbf)가 되었다.
결론적으로 라이브 로딩 패킹의 채택에 따른 벤치셋을 제대로 하지 않았기 때문에 시트 누설 방지를 위한 최소한의 접촉력인 129.3 lbf가 확보되지 못하여 시트에서의 지속적 누설에 의한 시트 기밀 구조의 파괴에 의하여 문제가 생긴 것으로 판단되었다. 해결책은 구동 공기의 압력을 60 psig에서 70 psig로 높이고, 벤치셋을 다시 점검한다.
<문제점 분석 - 시나리오 2>
밸브 진단 장치를 가지고 밸브의 다이아후람 공기압력 대비 밸브의 개도 위치 관계를 밸브를 개폐하면서 기록하여 보았다. 기록의 결과는 닫을 때의 다이아후람 공기압력은 밸브를 열 때의 공기압력 보다 11psig 정도 높았다. 이러한 결과는 스템 패킹의 과도한 조임에 의하여 생기는 것으로써, 이 패킹의 마찰력 차이는 PF = 11.0×AA/2 = 11.0×60.0/2 = 330 lbf로 판단되었다. 또한 기록서는 또한 다이아후람의 압력이 6.0 psig일 때 닫히기 시작했으며, 밸브가 완전히 열리기 전에 다이아후람의 공기압력은 0 psig가 되었다.
이는 엑츄에이터의 벤치 셋이 패킹 마찰력 330 lbf 때문에 다시 조정되어야 함을 보여 주는 것이다. 패킹의 추가 조임에 따라 패킹 마찰력이 증가되는 만큼 엑츄에이터의 초기 공기압력은 재조정, 즉 벤치셋의 값을 증가 시켜야 하는 것이다.
<결론>
이러한 과정-시나리오를 통하여 본 밸브는 장기간 신뢰성 있는 운전을 보장할 수 있다. 즉, 운전에 영향을 주는 제반 변수들을 완전히 이해하는 것이 무엇보다 중요한 것이다.
<가혹 운전용 밸브의 판정 점검 포인트>
(1). 밸브 입출구의 압력차가 1000psi 이상인 경우
(2). 운전온도가 800℉ 이상인 경우
(3). 케비테이션이 존재하는 조건
(4). 후라싱이 발생하고, 후라싱 유체의 유속이 30,000 feet/minute를 넘는 경우
(5). 시스템 운전 부하의 변동폭과 횟수가 많아 빈번한 운전을 요구하는 경우
(6). 긴급 운전을 요구하는 경우
(7). 이상유체(Two Phase Flow) 또는 혼합 유체(Mixed Flow)의 운전
<가혹 운전용 밸브에서 흔히 발생될 수 있는 문제점>
(1). 잘못 선정된 트림 유량특성, 형식 또는 과대 사이즈된 결과로 시스템 제어가 잘 안됨
(2). 트림 형식을 잘못 선정하거나 인슐레이션의 부적절로 인한 과도한 소음 또는 진동
(3). 불충분한 엑츄에이터 추력으로 인한 시트의 흠집 또는 와이어드로우잉
(4). 엑츄에이터의 축 정렬 잘못에 의한 시트 누설
(5). 부적절한 배관 세정(Flushing)으로 인한 이물질의 트림내 침입과 이로 인한 시트 누설
(6). 부적절한 트림선정이나 설치 잘못으로 인한 패킹 씰 구조의 파괴
(7). 부적절한 트림재질 선정 또는 경도의 부족으로 인한 고착 또는 긁힘(Galling)
(8). 트림 부품의 가공 정밀도 문제로 인한 축 정렬 문제 - 고착 또는 긁힘 발생
(9). 부적절한 트림 형식의 선택, 밸브에서의 과도한 압력 강하 또는 적은 사이즈 엑츄에이터의 선정에 의하여 시팅 시 밸브 스템이 점핑하는 현상
(10). 잘못된 시스템 운전 조건에 의한 밸브 트림 선정, 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 낮은 개도(10% 미만)에서의 운전과 이로 인한 시트의 내누설 구조의 파괴
(11). 가혹한 시스템 운전 조건하에서 케비테이션에 견딜 수 없는 부적절한 트림의 선택
(12). 가혹한 진동, 축 정렬 잘못, 스템 강도의 부족으로 인한 스템의 굽힘이나 파단의 문제
(13). 시스템의 압력 변동, 배관계 설계 잘못으로 인한 진동의 요인, 혼합유체의 제어, 또는 불충분한 추력의 엑츄에이터 선정으로 인하여 밸브 스템이 춤을 추는 현상 등
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.
밸브 : 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-37/43
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 가정 [표2참조]
2. 기능
본 제어밸브는 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터의 냉각수 제어밸브이다.
3. 문제점 및 대책
(1) 문제점 현상
현재 제어밸브의 운전조건은 케비테이션이 발생하는 조건이므로 이를 방지하기 위하여 케스케이드 트림을 채택하고 있다. 따라서 운전 조건상 케비테이션이 있는 밸브이므로 주기적인 점검이 필요한 밸브이다.
(2)문제의 분석/평가
새로 계산된 밸브 데이터 시트에서 보는 바와 같이, 현재 설치되어있는 밸브의 운전조건으로 보아 케비테이션이 발생하고 있으나, 내 케비테이션 (Anti-Cavitation) 트림인 케스케이드(Cascade) 트림을 채택하고 있어 케비테이션에 의한 심각한 문제는 발생하지 않을 것이다. 아울러 운전 특성상 케비테이션외에 다른 특별한 문제점이 밸브의 선정상 발생할 소지는 없는 것으로 판단된다.
(3) 대책
정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고, 침식의 진행정도에 트림을 보수한다. 케스케이드 트림은 주기적으로 교체한다.
밸브 : 디수퍼히터 냉각수 제어밸브 TCV-37A/43A
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 고압 증기 바이패스 배관의 증기 토출 온도를 제어하기 위해 사용되는 디수퍼히터용 냉각수 분사목적의 제어밸브이다.
3. 문제점 및 대책
(1) 문제점 현상
현재의 문제점은 실제 운전 조건과 설치된 밸브의 선정 조건간에 입구압력이 현재 약 54kg/cm2 으로 밸브 구매 시 사용된 200psia(약 14kg/cm2)보다 월등히 크고, 따라서 밸브의 구동장치 크기를 결정하는 완전차단(Shut-off) 운전조건이 크게 차이가 나는 현상이 발생했다. 이에 따라 밸브가 닫혀 있어도 밸브 디스크가 들린 상태이기 때문에 근본적으로 밸브 역할을 하지 못하게 되는 것이다. 또한 차단 시 약간 들린 상태로 운전함에 의해 밸브의 트림이 크게 침식되는 우려가 있다.
(2) 문제 원인
문제의 근본 원인은 최초 밸브의 선정 데이터가 잘못되었거나, 또는 운전 모드를 다르게 하여 운전하는 결과로 볼 수 있다.
(3) 문제의 분석/평가
본 밸브는 근본적으로 구동부의 선정이 현 운전조건에 비하여 너무 작게 선정되었기 때문에 구동부의 크기를 현재의 100 inch2 에서 160 inch2 의 것으로 바꾸어야 하며, 현재 운전조건하의 밸브 유량계수는 Cv = 10.3, 밸브개도율 7 ~10%로 매우 작아 밸브가 낮은 개도에서 운전함으로써 제어성능이 떨어지고, 밸브 트림의 침식 등 손상 가능성이 매우 높다. 따라서 현 운전조건 상태 하에서 밸브의 크기를 바꾸지 않는 조건이라면, 밸브의 트림을 적어도 2~3단계이상 줄여서 밸브 트림을 개조하는 것도 좋은 방법이라 평가된다.
(4) 대책
<1안> 밸브를 교체하지 않는다면, 밸브 다이아후람 구동부를 현재의 100 inch2에서 160 inch2로 교체한다. 이 경우 트림사이즈를 밸브 트림의 원활한 제어범위(적어도 40%이상의 개도에서 운전되도록)에 맞는 트림으로 교체하여야 한다.
<2안> 밸브의 다이아후람 구동부를 교체하지 않고 현재의 밸브 3”(80mm)-4port 트림을 1”(25mm)-4port의 작은 트림 사이즈로 엔지니어링하여 교체한다. 정기 보수 시 본 밸브를 해체하여 침식여부를 확인하고, 침식의 진행정도에 트림을 보수한다. - 이 밸브의 경우 개/보수 작업 시 제작사의 전문적인 조언이 필요하다.
1. 미니멈 흘로우 배관 및 밸브가 설치되는 이유
일반적으로 보일러 급수 펌프는 전형적인 고에너지(높은 압력, 높은 온도) 수송용 펌프로써, 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환된다.
발전소 기동시 시스템은 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않아 많은 급수량을 필요로 하지 않는다. 따라서 급수 펌프는 토출 유량이 펌프의 성능곡선상의 적정 유량으로 운전되지 않고, 펌프의 최소 흐름상에 가깝게 운전하게 된다.
이때 펌프의 토출 압력은 급격히 증대하면서 펌프내의 온도가 상승하여 펌프내의 케비테이션이나 급격한 압력 상승으로 펌프 구조 자체를 손상시킬 수 있다.
이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위한 조치로써 펌프에 미니멈 흘로우 배관을 설치하고, 펌프의 운전 부하에 따라 미니멈 흘로우의 유량을 제어하여 펌프의 정격 압력을 유지시키고, 펌프 보호를 위하여 미니멈 흘로우 유량을 탈기기, 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재순환 시키는 것이다.
2. 미니멈 흘로우 배관 시스템의 전형적인 운전
-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면, 미니멈 흘로우 밸브는 열리고, 급수 또는 시동용 급수 배관의 제어밸브는 닫힌다.
-미니멈 흘로우 배관 시스템을 통한 초기 펌프의 정상 운전준비(Warm up)가 끝나면 급수 제어밸브는 서서히 열린다.
-급수 펌프의 10~25% 용량까지 급수량이 증대되면 미니멈 흘로우 밸브는 닫히기 시작한다. 대부분의 경우 급수량 기준 출력이 일정량(설계에 따라 다르지만 일반적으로 30~40%)에 다다르면 미니멈 흘로우 밸브는 닫힌다.
-미니멈 흘로우 밸브가 닫힌 후, 급수 시스템 유량이 펌프의 정격 유량의 25% 이하까지 떨어지면, 펌프에서의 급격한 압력 상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 흘로우 밸브는 열린다.
-따라서 통상적으로 미니멈 흘로우 밸브는 시스템 운전 기간 중 90~95% 정도는 완전히 닫힌 상태로 운전한다.
-따라서 이러한 운전 모드를 분석하면, 미니멈 흘로우 밸브는 발전소내의 어떠한 밸브 보다도 높은 차압 하에서 운전하는 밸브이다.
3. 미니멈 흘로우 밸브의 시스템 구성
-밸브 자체를 시스템 부하에 따라 유량 제어밸브로 하는 경우 한전의 500만KW급 규모이상의 대용량 발전소 주로 채택
-밸브를 단순히 개폐용으로만 하고 높은 차압을 밸브 후단에 오리피스로 해결하는 경우 포스코 광양 발전소와 같이 출력이 150~300만KW급의 중소형 발전소 채택
-밸브를 설치하지 않고, 오리피스로만 해결하는 경우 소형 보일러일 경우만 채택
4. 운전 데이터
1). 제어밸브 [표1참조]
2). 감압용 오리피스 [표2참조]
A. 기존 오리피스제작사(펌프제작사)에서 설계/제작 데이터 기준
오리피스의 설계/제작은 펌프제작사에서 수행한 것으로 판단되며, 설계차압은 펌프의 최대 압력에 기준한 것으로, 탈기기의 압력이 통상적으로 5kg/cm²g 로 예상되고 탈기기까지의 관로 압력 손실을 고려한다면 오리피스 출구의 압력은 적어도 6kg/cm²g 내외가 되는 것으로 판단하여 입구압력은 약 187.4kg/cm²g로 가정한다.
B. 실제 운전 조건 [표3참조]
정상 출력시 급수량이 330000kg/Hour임으로 출력이 33%일 경우에 미니멈 흘로우 밸브상으로는 110000kg/Hour가 흐르게 된다.
5. 분석 및 대책
1) 기존 오리피스의 현상 및 문제점
A). 기존의 오리피스는 전형적인 다단 오리피스로써 고강도의 마르텐사이트 계열의 스텐레스 강판에 여러 개의 구멍을 내어 필요로 하는 압력차를 갖게 하였다.
그러나 다단의 오리피스를 감압용으로 사용하는 경우, 오리피스 판과 판 사이에는 케비테이션의 방지책으로 적정의 거리를 유지하여야 하고, 구멍을 통한 고속의 유체 흐름으로 인한 침식(구멍의 마모)현상과 이에 따른 구멍의 크기 증대로 인하여 감압성능은 사용연수에 따라 크게 떨어진다.
아울러 초기 설계의 유량이 많고(실운전 110t/h, 설계 124t/h), 설계 차압이 실제 운전과 상당한 차이를 보이는 것으로 판단하여 실제 운전 차압은 상당히 낮아진 것으로 판단한다.
B). 미니멈 흘로우 배관 시스템의 운전 특성상 실제 운전유량은 설계유량인 124/h로 일정하게 운전하는 것이 아니고, 운전 초기의 부하가 정상 운전 부하에 근접하거나 또는 정지 시에는 상당 시간을 설계유량보다 상당히 적은 유량으로 운전하게 됨으로 이 오리피스는 유량 변화에 따른 감압을 대부분 미니멈 흘로우 밸브에 전가함으로 미니멈 흘로우 밸브에는 케비테이션이 발생하게 된다.
이때 발생한 케비테이션으로 인한 밸브의 시트 손상은 정상 운전 시에도 계속적인 높은 차압 하에서 강도 높은 누설을 일으키므로 미니멈 흘로우 밸브는 매우 심각한 손상을 입게 되는 것이다.
2) 개선 방안 및 대책
A). 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설 등급을 높힌다.
B). 오리피스는 유량변화에 부응하는 가변 오리피스를 채택한다. 붙임의 개선된 오리피스는 유량의 변화에 따라 오리피스의 개도가 변하는 것으로 시스템의 운전 부하에 비례하게 운전함으로 미니멈 흘로우 밸브의 압력 부하를 일정하게 하여준다.
C). 오리피스는 장시간 운전하여도 오리피스 구멍이 구조적으로 잘 마모되지 않는 속도제어식 미로형 오리피스를 채택한다.
D). 오리피스는 구조적으로 교환이 가능한 구조로 설계하여, 점검 및 교환이 가능하게 하여 미니멈 흘로우 밸브의 안전성을 확보한다.
주급수펌프 재순환 제어밸브 및 시스템 요구사항
(Boiler Feedpump Recirculation
Control Valve and System Requirements)
1.서론
일반적으로 보일러 급수펌프는 전형적인 고에너지(압력이 높고, 온도도 높은) 수송용 펌프로써, 펌핑작용에 의해 발생되는 전체 에너지 중에서 어느 정도는 열로 변환한다.
펌프의 토출 유량이 펌프 성능곡선(Pump Performance Curve)상의 적정 유량으로 운전되지 않고, 최소흐름(Minimum Flow Line)선에 가깝게 흐르게 되면 펌프의 토출압력은 급격히 증대하면서 상당한 열이 펌프에 발생하게 된다.
이러한 현상은 케비테이션이나 급격한 압력 상승으로 인하여 펌프 자체의 구조를 손상시킬 수 있다. 따라서 이러한 현상의 발생을 시스템적으로 예방하기 위하여 그림 1과 같이 펌프 토출 배관측에 최소흐름배관(Minimum Flow Line)을 설치한다.
이 최소 흐름 배관은
-펌프의 최대 정격 압력(Full Discharge Pressure of the Pump)
-펌프의 보호를 위한 최소 흐름량을 탈기기, 탈기기 저장탱크 또는 복수기로 재 순환 (Recirculate the minimum flow rate to Deaerator, Deaerator Storage Tank. or Condenser to Protect the pump)시켜야 한다.
보일러 급수 펌프를 초기 운전 시에는 보일러가 아직 완전 부하로 되지 않았기 때문에 보일러 급수 펌프 제어밸브로는 이러한 펌프의 급수압력을 적절히 제어 할 수 없다.
예전의 소형 보일러의 경우에는 이러한 재순환 배관에 오리피스를 설치하여 급수 펌프를 보호하고, 시스템을 안정화했는데, 이러한 경우에는 보일러가 정상 가동 시에도 일부의 급수가 계속 재순환 되어 전체적인 시스템 효울이 떨어지는 방법을 채택했지만, 지금은 모든 보일러 급수펌프에는 재순환 배관이 설치되어 있으며, 정상 운전 시에는 이 배관으로 급수가 전혀 흐르지 않는 구조로 되어 있어 열효율이 매우 높다.
이와 같은 시스템의 목적하에서 급수 펌프의 재순환 배관의 전형적인 운전 모드는 급수 펌프의 토출 배관이 설치되어 있는 유량, 압력, 온도계기에 의해 다음과 같은 모드로 운전하게 된다.
-보일러 급수 펌프가 운전을 시작하면, 미니멈 홀로우 밸브는 열리고, 급수 또는 시동용 급수 배관의 제어밸브는 닫힌다.
-재순환배관 시스템을 통한 초기 펌프의 준비(Warm-up)가 끝나면, 급수 제어밸브는 서서히 열리게 된다.
-급수펌프의 10%~25% 용량까지 급수량이 증대되면, 재순환배관의 밸브(이하 미니멈 홀로우 밸브, Minimum Flow Control Valve or Recirculation Valve)는 닫히기 시작한다.
-미니멈 홀로우 밸브가 닫힌 후, 급수 시스템이 펌프의 25%이하까지 떨어지면, 펌프에서의 급격한 압력상승 및 온도 상승에 대비하여 미니멈 홀로우 밸브는 열리도록 되어 있다.
-따라서 미니멈 홀로우 밸브는 정상적인 시스템운전 시 90%~95% 정도가 닫혀 있는 상태로 운전한다.이러한 운전 모드를 분석하면, 보일러 급수펌프의 미니멈 홀로우 밸브는 발전소의 어떠한 밸브보다도 가장 높은 차압을 가지게 되는 밸브로써 분류된다.
2. 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유체역학적 특징
미니멈 흘로우 밸브에 있어서 입구의 압력은 적어도 1500~6000psig(105 ~420 barg)에 있으며, 출구의 압력은 200psig(14barg)이하의 탈기기 압력이나 복수기의 진공상태의 압력상태로 떨어진다. 따라서 재순환 배관시스템이 운전하게 되면 밸브 포트에서의 베나콘트렉타(Vena Contracta)까지는 압력이 떨어지면서 유속은 급격히 증속된다.
이후 베나콘트렉타를 통과한 유체는 다시금 압력이 회복되면서 유속 또한 감소된다. 일련의 이러한 과정은 그림 2를 참조한다. 이 과정 중에서 가장 큰 영향을 미치는 것은 유체의 온도이다. 만약 유체의 흐름에 있어서 유체압력의 저하 정도가, 그 온도에서의 유체의 포화증기압(Vapor Pressure)보다도 더 떨어질 경우 밸브에는 여러 가지 문제가 생기게 된다. 그림 3에서와 같이 유체압력의 저하에 따른 문제점을 설명하면 다음과 같다.
- 그림 3-1 정상 운전
밸브를 동한 유체 흐름에 있어서, 밸브에서 생기는 최저 압력저하 지점이 유체의 포화증기압보다 높은 곳에 있다.
-그림3-2, 후라싱(Flashing)
밸브에서 생기는 최저 압력 저하 지점이 유체의 포화 증기압보다 낮게 형성되어 운전되는 상태. 액체와 증기상태의 이상유동(Two Phase Flow)일 때, 증기가 주로 체적을 증대시키고, 따라서 출구의 유속은 빨라진다.
-그림3-3, 케비테이션(Cavitation)
일단 유체의 포화증기압 이하로 떨어졌다가, 다시금 유체의 포화증기압 이상으로 압력이 회복된다. 이러한 케비테이션 과정 중, 밸브 트림은 매우 강한 충격압력파(10,000psia)가 발생하고, 따라서 진동, 소음의 문제와 더불어 밸브의 내부부품(트림,Trim)을 손상시킨다. 붙임 A의 밸브이해를 위한 밸브 유체역학 기초를 참조한다.
2. 유체의 압력 강하와 이에 따른 밸브에서의 유 체역학적 특징
보일러 급수펌프의 재순환배관 시스템의 구성에 있어서는 일반적으로 두가지 방법이 사용된다. 하나는 비례제어식이나 ON-OFF식의 미니멈 흘로우 밸브를 이용하는 방법이고, 다른 하나는 밸브와 함께 적절하게 선정된 압력 강화용 오리피스(Restriction Orifice)를 함께 사용하는 것이다.
오리피스를 함께 쓰는 경우에는 ON-OFF 미니멈 흘로우 밸브에 케비테이션이 생기지 않을 정도로 압력 강하를 시키고, 나머지 시스템에서 요구하는 압력저하는 오리피스를 통하여 이루는 것이다. 그러나 이 경우, 오리피스가 있는 배관시스템에 급격한 후압력(Back Pressure)를 제공해야 하므로 밸브는 신속한 동작으로 개폐가 이뤄져야 한다.
오리피스를 재택하고 있는 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 소형의 보일러 급수 시스템에 매우 경제적이고 효과적인 재순환 배관 시스템으로 권장된다. 그러나 규모가 큰 보일러 급수 펌프의 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 이러한 방법 보다는 전체 급수 시스템과 연동되는 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템으로 구성하여야 한다. 이에 대하여 구체적보면 다음과 같다.
이 미니멈 흘로우 밸브 시스템에는 급수량에 비례하여 재순환수의 유량이 비례 제어로 조절되고 급수량이 감소함에 따라 재순환수의 유량은 증가된다. 따라서 급수 펌프의 건전한 운전에 맞는 유량만큼 이 미니멈 흘로우 밸브가 흐르도록 해주기 때문에 상당한 에너지를 절감할수 있으며 ON-OFF식의 이 미니멈 흘로우 밸브와 같이 밸브가 급격히 열림에 따른 시스템의 불안전성을 제거할 수 있는 좋은 시스템이다.
그러나 이 비례제어식의 미니멈 흘로우 밸브 시스템은 상당한 기간동안 낮은 개도로 운전하게 되면 역시 많은 문제점, 특히 케비테이션에 의한 밸브 손상이 생길 수 있다. 예을 들어 500Mwe 급의 발전소에서 정상적인 운전시 미니멈 흘로우 밸브는 완전히 닫혀 있지만, 전력 소비량이 적은 밤 시간대에는 50Mwe급으로 운전할 수 있는데, 이 경우 미니멈 흘로우 밸브는 낮은 개도로 계속 운전해야 되므로, 밸브 시트표면에 지속적인 케비테이션이나, 와이어 드로우잉(Wire Drawing), 또는 높은 유속에 의한 시트 마모가 발생한다.
이러한 문제를 예방하기 위해서는 10% ~ 20% 미만의 밸브 개도에서는 밸브가 급속히 닫힐 수 있도록 하고, 닫힌 후에는 완전한 무누설의 시팅구조는 물론 가능한 모든 방법을 동원하여 시트를 보호하는 구조이어야 한다.
제어방법으로는 비례제어 스킴(Sheme)에 따라 리미트 스윗치, 솔레노이드를 이용한 프로그래밍으로 컴퓨터 제어도 가능하다.
3. 급수펌프 재순환 배관 시스템의 구성
보일러 급수펌프의 재순환배관의 구성형식은 복수기로 직접 방출하는 방식과 탈기기 또는 탈기기 저장탱크로의 방출방식 두 가지가 있다.
(1) 복수기로 직접 방출복수기로 재순환수를 직접 방출하는 경우, 복수기의 압력이 대기압 이하의 약한 진공 상태이기 때문에 미니멈 홀로우 밸브에서는 필연적인 후라싱이 발생한다. 따라서 후라싱의 정도를 저감하는 방법으로 복수기에 연결되는 재순환배관 계통에 레스트릭션 오리피스나, 디퓨저 플레이트(Diffuser Plate), 또는 스파져(Sparger)를 배관 후단에 설치하여 후라싱 강도를 낮춰야 한다.
만약 ON-OFF식 미니멈 홀로우 밸브를 사용한 경우에는 밸브의 개폐를 신속히 함으로써 후라싱에 의한 문제 강도를 낮출 수 있지만 근본적인 대책은 아니다. 아울러 압력강하 장치를 사용하여 밸브 후단의 후압력을 높였다 하더라도, 밸브의 운전은 상당히 좁은 범위에서 운전하게 됨으로 모든 운전조건하의 유량에 능동적으로 대응할 수가 없다.
디퓨져나 스파져는 가능한한 복수기 자체 또는 복수기와 아주 근접한 곳에 설치해야 한다. 왜냐하면 어차피 발생할 수 밖에 없는 후라싱을 상대적으로 대용량인 복수기 내부의 공간 속이나 디퓨저 플레이트로 감당하게 하는 것이다. 정도의 차이는 크지만 급수가열기의 히터 드레인 시스템의 제어밸브의 경우에도 이와 유사하다.
(2) 탈기기로 방출탈기기로의 방출은 탈기기의 운전압력이 대략 50∼200psig(3.5∼14 barg)임으로 보일러 급수 시스템으로 보아 포화증기압보다 높아 후라싱은 발생하지 않아 별도의 압력강하장치는 일반적으로 설치하지 않는다.
또한 미니멈 흘로우 밸브는 터어빈 아랫쪽의 주급수펌프의 근처에 설치되고, 탈기기는 상당히 높은 위치의 먼거리에 설치되어 있음으로 배관계통의 유체저항으로 인한 후압력도 상당하기 때문에 실질적으로 추가의 압력강하장치는 큰 효과가 없다. 따라서 이 경우에는 케비테이션이 주요 문제점으로 대두된다.붙임 B는 현재 우리나라의 500MWe급 화력발전소의 미니멈 흘로우 밸브(CCI-DRAG Trim & CVI-HUSH Trim)의 사양서 및 크기선정 데이터들이다.
(3)비교경제성으로 비교할 때, 복수기로 직접 방출하는 것이 관련 배관계통의 짧고, 구성이 용이하여 경제성이 있는 것으로 판단된다.
그러나 상대적으로 탈기기로의 방출은 압력강하장치 등이 없으며, 가혹한 후라싱 조건을 피할 수 있으며, 탈기기 위치보다 낮은 위치에 있음으로 토출 배관측에 항상 물이 채워져 있어 즉각적으로 운전에 투입될 수 있어 시스템 운전 측면에서 보다 안정적인 운전을 도모할 수 있다.
4. 미니멈 흘로우 밸브의 조건
보일러 급수 펌프 재순환배관 시스템에서 밸브가 1800psi(126bar)이상의 차압을 갖고 운전하는 경우 다음과 같은 문제점이 예측된다. 따라서 미니멈 흘로우 밸브는 이들 문제에 견딜 수 있도록 설계, 제작되고 운전되어야 한다.
(1)압력저하에 따른 케비테이션, 후라싱 발생에 대하여, 이들 현상에 충분히 견딜 수 있는 밸브 구조를 가져야 한다.
(2)배관시스템의 운전에는 항상 불순물들이 개재될 수 밖에 없으며, 불순물이 개재 된다는 전제하에 밸브가 건전하게 운전할 수 있는 방안을 강구하여야 한다. 불순물들이 밸브 내부인 트림 부품 속에 개재되면, 프러그와 케이지의 미소 간격내에서 경도가 약한 부품 속으로 침투하여 칼로 긁은 듯한 흠집을 내기도 하며 심각한 경우 밸브 스템의 조절작용(Stroking)을 방해하거나 고장나게 한다.
또한 이들 불순물 중의 작은 것 하나라도 시트부위에 걸리면, 이 흠집 난 곳을 통하여 와이어 드로우잉을 만들고, 이 와이어 드로우잉을 통하여 심각한 케비테이션으로 진행하게 된다.
(3)미니멈 흘로우 밸브의 운전 중에 시트에서의 미세한 누설로 인한 와이어 드로우잉의 발생과 이로 인하여 발생되는 트림 손상에 대비하여 정상 운전 시에는 미니멈 흘로우 밸브의 시트 누설이 허용되어서는 안 된다. 또한 정상 운전 시에 보일러로 급수 되어야 할 에너지가 탈기기로 바이패스 한다면, 시스템 운전 효율상에도 큰 문제인 것이다.
특히 초임계압 발전소(Super Critical Unit)의 경우, 피크 출력과 재순환배관의 흐름(누설로 인한)은 직접적인 연관이 되므로 자연적인 출력 효율의 감소가 발생한다. 예로써, 500MWe급의 발전소에서 80,000pph(36.240kg/hour, 약 초당 10리터)의 누설이 있다고 하면, 밸브의 트림에서는 와이어 드로우잉을 진전시키면서 아울러 약 4Mwe 정도의 출력(약 0.8%)이 누설로 인하여 도둑을 맡고 있는 것이다.
(4)미니멈 흘로우 밸브의 수명기간 중 항상 무누설의 시팅 구조를 가져야 한다. 일반적인 밸브는 운전 초기에는 거의 완벽한 시팅 구조를 갖고 있다가도 몇번의 보수 점검으로 인하여 정확한 시팅 구조를 유지하기 어렵기 때문에 결국 시트에서의 누설 문제가 발생되는 것이다.
이러한 문제는 결국 재순환배관의 운전 효율에 문제점으로 계속 작용하는 것이다. 따라서 밸브의 수명 기간 중 어떠한 보수 점검을 하더라도 항상 무누설의 시팅 구조를 갖는 밸브를 선정하는 것이 절대 바람직 하다.
5. 케비테이션 방지
보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템과 같이 운전 조건상 밸브에서의 압력제어량이 케비테이션을 피할 수 없는 현상이라면, 시스템의 건전한 운전을 도모하고 제어의 정확도를 계속 유지하기 위해서는 밸브 내부에서 케비테이션이 발생하지 않도록 특수하게 설계된 엔티-케비테이션 트림(Anti-Cavitation)을 사용하여야 한다.
이러한 트림으로는 크게 분류하여 다단 압력 제어 방식(Pressure Staging Trim Design)과 압력 프로화일식(Pressure Profile Con-cept, 그림 4)감압방법과 속도 프로화일식(Velocity Control Profile Concept, 그림 5)이 있다. 다단 압력 제어방식으로는 COPES-VULCAN의 CASCADE 트림(그림 6), MASONEILAN사의 XMAS TREE(그림 7)등이 대표적이고, 압력 프로화일식으로는 COPES-VULCAN사의 HUSH 트림(그림 8), YARWAY사의 TURBO CASCADE 트림(그림 9), FISHER사의 WHISPER Ⅲ(그림 10), CAVITROL Ⅲ(그림 11)& Ⅳ, MASONEILAN社의 VRT(79000, 그림 12)& 78,000시리즈 트림(그림 13), VALTEK社의 MEGASTREAM트림(그림 14), INTROL社의 HF 트림(그림 15)등이 있다. <계속>
속도 프로화일식으로는 CCI사의 DRAG 트림[그림 16], COPES-VULCAN사의 RAVEN 트림[그림 17], VALTEK사의 TIGERTOOTH 트림[그림 18] 등이 있다. 압력 프로화일식 감압구조의 밸브에서 케비테이션의 발생을 판단하는 식은 다음과 같다.
ΔP.cav = Kd(P1-Pv) 여기서ΔP.cav = 케비테이션이 일어날 수 있는 압력강하량(차압) Kd = 케비테이션 계수P1 = 밸브 입구 압력Pv = 유체의 포화 증기압
6. 밸브의 시팅
밸브의 시팅 구조는 표면 경도가 비슷한 금속간의 접촉으로 시팅하는 메탈시트(Metal Seat)와 경도가 높은 프러그와 경도가 낮은 유연한 물질간의 접촉으로 시팅하는 소프트시트(Soft Seat)가 있다. [그림 19] 와 같은 메탈 시트에 있어서 프러그와 시트와의 접촉은 선 접촉에 근사한 아주 좁은 밴드로 접촉하여 기밀을 유지한다.
그러나 내 기밀 등급이 높아질수록 메탈시트의 접촉은 아무리 잘 가공되고 다듬질이 되었다 하더라도 [그림 20] 과 같이 시트 조인트에서 누설이 될 수 있는 경로가 생기게 된다.이 누설을 최소화하기 위해서는 구동부의 추력을 충분히 증대시켜 누설 경로를 차단하여야 한다.
그러나 360° 원주 방향을 따라 균일한 힘으로 프러그와 시트가 접촉되는 것은 밸브 구조상 현실적으로 거의 불가능한 일이다. 메탈 시트 구조에 있어 한번의 시트 누설은 높은 밸브 차압으로 인하여 와이어 드로우잉을 거쳐 케비테이션으로 진행될 수 있으며, 그 진행 속도도 매우 빠르다.
1800psig을 넘는 높은 차압의 운전 환경 하에서는 시트를 스텔라이트(Stellite)와 같은 경질의 내마모성 재료로 하드 훼이싱(Hard-facing) 하였다 할지라도 이와같은 침식(Erosion) 현상에 견딜수 있는 재료는 아직까지 개발되어 있지 않다.
아울러 이상에 가까울 정도의 프러그시트의 완벽한 축정렬 또한 실제로 얻어질 수 없는 상태이며, 운전시 소음, 진동에 의한 시트구조의 안전성 또한 시트 누설에 영향을 주게됨으로 메탈시트에 의한 완벽한 시트의 기밀 유지는 불가능한 것이다. 반면에 [그림 21]과 같은 소프트 시팅 구조에 있어서는 시트를 탄력성이 높고, 내마모성이 높은 재질로 선택하기 때문에 반복적인 시팅에도 완벽한 기밀을 유지할 수 있으며,축정렬과 같은 문제에도 능동적으로 기밀을 유지할 수 있다.
소프트 시트는 그림에서 보는 바와 같이 시트링 속에 삽입되어 있음으로 유체흐름에 영향을 거의 받지 않는다. [그림22]는 높은 차압에 의한 가혹한 침식환경에 능동적으로 대처할 수 있는 보다 개선된 트림으로 두 단계의 시팅 구조로 이루어진 소프트 시트 트림이다.
이 트림의 인너 프러그(Inner Plug)는 스프링과 가이드로써 주 프러그(Main Plug)에 연결되어 있으며, 밸브의 닫힘 시 인너 프러그가 먼저 시팅을 하고, 몇 초가 지난 후에 주 프러그가 소프트 시트에 안착함으로 가혹한 유체 흐름에 있어서 시트링의 소프트 시트를 보호하여 무누설의 장시간 운전을 보장하고, 더불어 열림 시에도 인너 프러그가 순간적인 가혹한 유체 흐름을 완화시켜 준 다음에 주 프러그가 열리게 되므로써 부드러운 운전이 가능해 진다.
7. 프러그 밸런스
재순환배관 시스템은 고도한 차압 발생으로 인하여 프러그에 작용하는 힘의 바란스가 매우 중요한 설계 포인트가 된다. [그림 23]에서 보는 바와 같이 밸브 트림은 프러그 내에 바란스 구멍이 뚫려 있어 입구 측의 압력 P1이 프러그 상부에도 같이 작용하게 되므로 바란스 구멍이 없는 프러그에 비하여 월등히 작은 힘으로 운전이 가능하여 구동부의 크기를 줄일 수 있고, 아울러 경제적인 밸브 선정이 되는 것이다.
예로써, 3"의 프러그가 바란스 프러그(트림)으로 되어 있을 경우 5000psig 의 입구 압력, 100psig의 출구압력 상태에서 구동부의 힘은 대략 4,000 파운드이나, 바란스 구멍이 없는 언바란스 프러그(트림)일 경우에는 약 35,000파운드가 소요된다.
8. 불순물의 혼입 문제
미니멈 홀로우 밸브의 손상 문제 중 가장 심각한 문제는 밸브가 닫힐 때 딱딱한 불순물이 시트면에 침입하여 시트의 기밀 구조를 손상시키는 일이다. 대부분 배관 시스템 내에 혼재될 수 있는 불순물들 가운데 시트면이나, 스템의 슬라이딩면, 또는 프러그와 케이지의 습동면을 손상 시킬 수 있는 불순물의 크기는 대략 직경이 0.06"(1.5mm) 이상이고, 경도는 시트면이나 밸브의 슬라이딩 부의 경도보다 높아, 이들 부위에 끼어 들어 심각한 긁힘을 일으키며, 심각한 경우 동작 불능에 까지 이르게 한다.
이들 불순물들의 종류로는 파이프 스케일, 용접 프래그, 펌프의 데브리스(Debris)등인데, 이들이 문제를 일으키는 때는, 시스템이 정지되었다가 다시 가동 할 때, 또는 시스템을 보수한 후의 기동 할 때이다. [그림 24] 는 이러한 불순물들을 근본적으로 잡아주는 스트레이나를 밸브 트림과 일체화한 것이다.
9. 결론
결론적으로 보일러 급수 펌프의 재순환배관 시스템의 미니멈 흘로우 밸브는 다음과 같은 요건에 합당하여야 한다.케비네이션으로부터 밸브를 보호하고 무누설 시트를 유지하여야만 하며, 무누설 시트로 계속 유지되어야만 하는 동시에, 불순물의 혼입으로부터 계통이 보호되도록 하여야 한다. [그림 25] 는 상기의 요구조건을 충실하게 만족할 수 있는 월등한 미니멈 흘로우 밸브이다.