Control Valve 의이해 호남권중대산업사고예방센터

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현석 탄
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1 Control Valve 의이해 호남권중대산업사고예방센터

2 진행순서 1. Control Valve의소개 2. Control Valve 와 Actuator의기능 3. Control Valve 종류및선정 4. Actuator의종류 5. 기타장치 (Accessory) 6. Control Valve의설치및유지관리

3 Control Valve 의소개 제어루프는 3 개의요소로구성 1. 감지기 (Sensor) : 온도, 압력, 유량, 수위등공정변수를측정하여제어기로 보냄 2. 제어기 (Controller) : 감지기에서받은측정치를목표치 ( 설정치 ) 와비교하여, 두값의차가없어지도록최종제어요소로가는출력을조절 3. 제어밸브 (Control Valve) : 최종제어요소로유량을변화시켜공정이원하는값으로되돌림. 실질적으로공정을변화시키는부분임

4 Control Valve 의소개

5 Control Valve 의소개

6 Control Valve 의소개

7 Control Valve 의개념 정의 Control Valve 의소개 압력, 온도, 레벨, 유량등의제어변수를원하는설정치에일치시키기위하여이들의상태량을측정하고그측정값과설정치를비교하여차이에응하여정정동작을기계자신이행하는것 요구사항 ㅇ안전성 (Safety) : 첫째로공장이나공정설비의안전가동에있음 ㅇ안정성 (Stability) : 둘째로공정중단에의한비용손실과에너지원등의 불안정으로인한품질저하등이없이공정설비를계획적연속적으로가동 ㅇ정확성 (Accuracy) : 셋째로안정성을기본으로한정확도를꾀할수있 음

8 Control Valve 의역할 Control Valve 의소개 공급기능 (Dispensing) : Utility에서스팀, 물, 천연가스등을주공정에공급해주는기능 감소기능 (Dissipating) : 압력 ( 에너지 ) 을감소시키는기능 분배기능 (Distribution) : 탱크 A와 B가공정으로부터유체 ( 에너지 ) 를공급받는경우, 밸브는공정의유체를각탱크에분배해주는역할을함 공급, 감소, 분배기능중하나이거나또는복합적인기능을가짐

9 Control Valve 의역할 Control Valve 의소개 공급기능 감소기능 분배기능

10 Control Valve 의기능 Control Valve 와 Actuator 의기능 연속공정 : 공정유체의흐름을변동시키거나조절 관심대상 : 유량특성 Batch Process : 유체의흐름을개방또는차단 관심대상 : 차단능력 (Shutoff Capability) 고압방출에의한사고방지목적 관심대상 : 빠른동작 (Quick open, shut) 에중점

11 Actuator 의기능 Control Valve 와 Actuator 의기능 기본기능 : 밸브가움직이는데필요한힘을공급 구동기가밸브 Plug의적절한위치를유지하기위해극복해야하는힘 1. 유체가밸브플러그에가하는힘 2. 스프링의힘 3. 마찰 (Friction) 에의한힘 밸브 Seat의기밀성을유지하기에적정한부가적인힘공급

12 Control Valve 의종류 Control Valve 의종류 GLOBE GLOBE ANGLE LINEAR MOTION GATE DIAPHRAGM THREE-WAY MULTIPLE-ORIFICE KNIFE VALVE PINCH OR CLAMP BALL SEGMENTED BALL FULL BALL ROTARY MOTION BUTTERFLY PLUG CYLINDRICAL TAPERED ECCENTRIC SPHERE CONTROL VALVES

13 Control Valve 의종류 Control Valve 의종류 유체의제어목적에따른분류ㅇ. 유체흐름을개폐 (On-off): Gate, Plug, Ball 밸브ㅇ. 유체흐름의양을조절 (Throttle): Globe, Butterfly 밸브ㅇ. 유체흐름의방향을제어 : 3-Way, 4-Way, Angle 밸브 작동방법에따른분류ㅇ. 수동식 (Manual) 밸브 : Hand Wheel Type, Hand Lever Type, Warm Gear Type ㅇ. 자동식 (Control) 밸브 : 공기작동형, 전기작동형, 전기유압식, 솔레노이드밸브ㅇ. 자력식 (Self Actuating) 밸브 : 감압밸브 적용 (Application) 에따른분류 ㅇ. General Service, Special Service, Severe Service

14 Control Valve 의종류 Angle-valve 3Way-valve Butter-fly Diap -valve Single-seat

15 Control Valve 의종류

16 Control Valve 의구조 Actuator Accessary Body Typical control valve(globe type)

17 Control Valve 의구조

18 Control Valve 의용량 Control Valve 의용량 Valve의 Size를결정하기위해서는 Cv라는수치가사용된다. 모든밸브에는 Cv값이얼마라는정격사양이있고이 Cv값은조절변의크기와밸브에유체가흐를수있는량이얼마인지나타냄

19 Control Valve 의용량 Cv 의정의 유량계수 (Cv: Flow Coefficient) 밸브전후의차압을 1psi (0.07kg/cm 2 ) 로하고 60 의물을 1분간흘렸을때의유량을 US gal/min으로표현한수치 예 ) Cv=40 이라면차압이 1psi 일때 1 분간에 40gal 의물을통과 시킬수있는 valve 를말함

20 Control Valve 의용량 Cv 의정의 Kv 독일이사용하는밸브용량계산식으로 5 30 의물이밸브입구와출구압력차가 1 kg/ cm2일때의유량을m3 /h로표시한단위. 다른단위로의환산관계는 Cv = Kv 이다. Av 국제단위계 (SI Units) 로표시한것으로서 Av = (24/10)Cv 로표시

22 Control Valve 의용량 Cv 값의계산 Cv값을계산하기위한공식은 FCI(Fluid Control Institute,1952년 ) 과 ISA(Instrument Society of America,1976년 ) 가있으며가장실용적이고취급이쉬운 FCI(Fluid Control Institute) 식을많이사용하며필요시 ISA(Instrument Society of America) 방식에의한보정실시. 일반적으로현장에서는 FCI식을사용하여 Cv를계산하며이때는 1~10% 의오차가발생

23 Cv 값계산식 비압축성유체 Control Valve 의용량 압축성유체 수증기 Cv= 밸브용량계수 Gg = 표준상태의공기에대한표준상태의기체비중 G 1 = 표준상태의물에대한사용온도의액체비중 P 1,P 2 = 밸브입구, 출구의절대압력 (kg/ cm2.abs) ΔP = 밸브차압 (kg/ cm2 ) Qg = 기체의체적유량 (N m3 /h) Q 1 = 액체의체적유량 ( m3 /h) T = 밸브입구의절대온도 (K) T SH = 수증기의과열도 ( ) W = 중량유량 (kg/h)

24 Control Valve 의용량 Control valve 의유량특성 유량특성 : 컨트롤밸브의 opening 과유량과의관계를나타냄. 고유유량특성 : 밸브전후차압을일정하게하고유체를흘렸을때밸브 opening 과유량과의관계를나타낸것. 설치유량특성 : 개통내에설치되어밸브개도에따라실제유량을도표화 한유량특성

25 고유유량특성곡선의종류 Control Valve 의용량 Quick Opening( 접시형 ) - 낮은개도에서최대유량변화를제공, 최대유량을신속하게얻어야할때사용 ( 예, on-off 제어 ) Linear - 느린공정에적용 ( 예, 레벨제어 ) - 밸브의압력손실이계통압력손실의 40% 초과시사용 Equal % - 거의지수적으로증가 ( 예, 압력제어 ) - 차압이심하게변화하는곳에사용 - 빠른공정, 조절범위가클때, 생산속도의증가보다더큰가열, 냉각매체의증가가요구될때적용

26 고유유량특성곡선의종류 Control Valve 의용량 Plug 의형태

27 적정밸브개도선정 Control Valve 의용량 컨트롤밸브는이론적으로밸브개도가 0 ~ 100% 까지가능하나ㅇ. 정상운전상태유량은밸브개도가 60 ~ 80% 상태ㅇ. 최소일때밸브개도가 10% 이상, 최대일때밸브개도가 90% 이하로하는것이이상적임

28 Control Valve 의선정 Control valve 선정을위한조건 1. 대상프로세스 ㅇ. 콘트롤밸브를포함한프로세스의전체적인이해및파악 ㅇ. 프로세스자체의스타트업, 셧다운및긴급이상시상태 2. 사용목적 ㅇ. 유체의유량제어 ㅇ. 유체의흐름차단또는개방 3. 응답성 ㅇ. 프로세스제어및안전상응답성이요구되는경우조작신호에 대한응답속도및밸브자체가가지는응답속도를확인

29 Control Valve 의선정 Control valve 선정을위한조건 4. 유체조건ㅇ. 유체속도, 성분및조성, 유량및압력, 온도, 점도, 밀도, 증기압등 5. 유체의성상및특성 ㅇ. 위험성 : 인체에대한위험성, 특정물질과의반응성, 폭발성등 ㅇ. 부식성, 마모성 : 부식조건, 내식재료, 사용금지재료등 ㅇ. 페색성 : 슬러리의유무, 협잡물의내용, 폐색방지대책등 ㅇ. 응고성 : 응고조건, 응고방지대책등 6. Rangeability (= Turn down ratio) ㅇ. 컨트롤밸브의실용상만족해야하는최대와최소의밸브용량비율 ( 제어가능최소유량 3%, 최대유량 96% 면 R=32) ㅇ. 밸브 1대로필요로하는 Rangeability 를얻을수없는경우는컨트롤밸브를 2대로하거나 Rangeability가큰것으로교체

30 Control Valve 의선정 Control valve 선정을위한조건 7. 밸브차압설정 ㅇ. 밸브의상하류측의차압을계산하여반영 8. Shut-Off 압력ㅇ. 밸브차단시차압의최대값은구동부선정및밸브각부의강도설계시필요한자료이기때문에실제사용조건을고려하여차단압력을정하여적절한밸브사양이정해지도록해야함. 9. 환경조건 ㅇ. 밸브설치공정의온도, 습도, 염분, 부식가스, 먼지, 진동조건 고려

31 Control Valve 의선정 Control valve 선정을위한조건 10. 밸브시트누설량ㅇ. 밸브차단시밸브시트누설량이어느정도까지허용될수있는지확인. ㅇ. 표현방식 : ANSI B16.104규정 ( 정격 Cv값ⅹ% 로표시 ) Class Class-1 Class-2 Class-3 Class-4 Class-5 Class-6 Test 유체 3.5bar 물 / 공기 3.5bar 물 / 공기 3.5bar 물 / 공기 실차압의물 3.5bar 공기 허용 Leak 량 규정무 Cv 치의 0.5% Cv 치의 0.1% Cv 치의 0.01% 0.005ml/s 우측표참조 Size ml / min 기포 / 분 * 1/ * 1/

32 Control Valve 의선정 Control valve 선정을위한조건 11. 밸브동작조건ㅇ. 밸브동작은안전확보를위한동작과입력신호변화에대한동작등 2가지목적이있음. 즉, - 입력신호또는동력원상실시플랜트의안전확보측면의동작 - 입력신호증가에따라서밸브가닫히는정동작 (air to close) 반대인역동작 (air to open) 형으로구분. 12. 소음 ㅇ. 밸브에서발생하는소음한계치를정하고대책을수립

33 Control Valve 의선정 Control valve 선정을위한조건 13. 방폭성능 ㅇ. 가연성가스가존재하는곳에설치되는경우밸브와함께사용 되는스위치류등은등급구분에적합한방폭성능을구비 14. 동력원ㅇ. 공기를동력원으로사용하는경우밸브기능이손상되지않도록수분, 유분, 먼지등을제거하여청정도를확보ㅇ. 조작력을충분히확보하기위한조작압력및용량확보를고려 15. 배관사양ㅇ. 밸브가설치되는배관사양검토 ( 호칭경, 배관규격, 재질, 접속방법등 )

34 Control Valve 의선정 Control valve 선정을위한조건 16. 기타사항 ㅇ. 바이패스밸브설치여부, 밸브의보수성, 경제성등을고려

35 Control Valve 의선정

36 Actuator 의분류 Actuator 의종류

37 Actuator 의분류 Actuator 의종류 Pneumatic ㅇ. 공기압에비례한 0.2 ~ 1 kg/cm 2 의공기압신호로동작. ㅇ. 신뢰도가높고비교적염가로서보수가용이ㅇ. 방폭성능을갖고있으나ㅇ. 응답성을빠르게하기위해서보조기기인 positioner를사용해야함

38 Actuator 의분류 Actuator 의종류 Electric ㅇ. 4 ~20mA 전류신호로서작동ㅇ. MOV 가격이비싸고작동속도가느리며응답속도가느림, 유량조절에는적합치않으며주로 ON-OFF Service에사용됨. ㅇ. Electric-Hydraulic 전기모터로유압펌프를작동시켜실린더를움직이게하는장치로토크가크고작동시간이빠르며미세한조절이가능하지만가격이비싸다

39 Actuator 의분류 Actuator 의종류 유압식 (Hydraulic) ㅇ. 구동부의응답이양호하고조작력이큰장점이있음. ㅇ. 전기 / 유압 positioner 를개입시켜구동부를조작함

40 공기식 ( 다이아프람 ) Actuator 의종류

41 공기식 ( 피스톤 ) Actuator 의종류 Control valve with piston actuator

42 Actuator 의종류 전기식 (Electro-mechanical)

43 Actuator 의종류 전기식 (Electro-hydraulic) Control valve with electo-hydraulic actuator and handwheel

44 Actuator 의종류 유압식

45 Manual Actuator Actuator 의종류

46 Fail Position Actuator 의종류

47 Actuator 의종류 Fail Position(fail open)

48 Actuator 의종류 Fail Position(fail closed)

49 Actuator 의종류 Actuator 의선정시고려사항 Actuator를움직이는에너지원의 Type (air, 전기, 유압등 ) 에너지원의 Fail시밸브의위치 Control Function( on-off, Throttle) 안정성및신뢰성, 지속성 방폭및분진지역등설치장소 경제성등등

50 기타장치 (Accessory) 1. 밸브 Positioner 2. Air Set(filter, regulator,..) 3. Booster 4. Limit Switch 5. Position transmitter 6. Handwheel

51 1. Positioner 기타장치 (Accessory) 역할ㅇ. Controller의제어신호에따라밸브트림의위치를조정하여정확한위치에놓이게하는장치 Positioner가필요한경우ㅇ. 밸브의작동속도와정확성을높이고자할때ㅇ. Large Size 밸브를사용할때 ( 일반적으로 4 이상 ) ㅇ. Controller와밸브사이의거리가멀때 (40m 이상떨어진경우 ) ㅇ. 밸브의차압이심하여진동이심할때ㅇ. 넓은범위에서정확한밸브 opening이요구될때ㅇ. 고온고압유체를제어하기위해사용될때ㅇ. 고점도, 침전물등이포함된유체를사용할때

52 1. Positioner 기타장치 (Accessory) 종류 1. Pneumatic Positioners (P/P) pneumatic signal (usually 3-15 psig) is supplied to the positioner. The positioner translates this to a required valve position and supplies the valve actuator with the required air pressure to move the valve to the correct position

53 1. Positioner 기타장치 (Accessory)

54 1. Positioner(P/P) 기타장치 (Accessory)

55 1. Positioner(E/P) 기타장치 (Accessory) 종류 2. Electro-pneumatic(I/P, E/P) positioner This positioner performs the same function as the one above, but uses electrical current(usually 4-20 ma) instead of air as the input signal

56 1. Positioner(E/P) 기타장치 (Accessory)

57 1. Positioner(E/P) 기타장치 (Accessory)

58 기타장치 (Accessory) 2. Air Set 역할ㅇ. Instrument Air Line의공기압은압력이높고불규칙하기때문에제어기기에서필요로하는압력으로필터링 / 감압하는장치 - 플랜트공기공급압력 :60 ~ 80psi(4.2 ~5.6 kg/cm 2 ) - Actuator의공급압력은 40psi(2.8 kg/cm 2 ) 으로제한됨

59 3. Booster 기타장치 (Accessory) 역할ㅇ. Controller와 Actuator의사이가멀거나대용량의 Actuator인경우에 Actuator의동작을신속하게하기위한목적으로설치. ㅇ. Controller 또는 Positioner 출력측과 Actuator 사이에설치ㅇ. 압력은동일하나유량을증폭하여동작속도가빨라지는원리

60 4. Limit Switch 기타장치 (Accessory) 역할ㅇ. 밸브의개 / 폐를확인할수있는신호또는다른밸브를작동할수있는신호를보내는역할

61 기타장치 (Accessory) 5. Position Transmitter 역할ㅇ. 밸브개도가얼마나열렸는가를 4 ~ 20 ma의출력으로나타내던가또는저항으로나타내어제어실에서밸브개도를확인할수있는장치

62 6. Handwheel 기타장치 (Accessory) 역할ㅇ. 시운전중이나 Actuator의구동동력실패시비상용으로제어밸브를수동으로동작시키기위한보조장치ㅇ. 보통밸브 line에 By-pass line이없는경우에설치 Top Mounted Handwheel

63 Control valve 의설치 Control Valve 의설치및유지관리 설치시주의사항ㅇ. 포장을푼상태에서먼지, 티끌등이많은장소에설치하면작동불량및패킹부의누설등이발생하는경우가많음ㅇ. 장기간방치시는패킹체결너트를풀어서패킹을보관ㅇ. 배관에설치시는수평, 수직, 동심등배관의중심을맞추어밸브파괴의원인이되지않도록함ㅇ. 배관에설치전배관내의이물질을반드시제거

64 Control valve 의설치 Control Valve 의설치및유지관리 설치위치 ㅇ. 유지보수가용이한곳에공간을확보 ㅇ. 화물운반통로와근접한곳을피할것 ㅇ. 주위온도 : 상온에가까운곳, 연속적인진동이걸리는곳은피함 ㅇ. 펌프, 엔진, 컴프레셔등에인접해서설치시밸브전후에지지대설치 ( 볼트, 너트의풀림, 각부의마모원인 )

65 Control valve 의설치 Control Valve 의설치및유지관리 설치방법 ㅇ. 원칙적으로수평배관에구동부를위로해서수직으로설치 ㅇ. 일반적으로바이패스라인을설치 ㅇ. 바이패스라인을생략하는경우에는가능한수동핸들을부착

66 Control valve 의설치 Control Valve 의설치및유지관리 권장 C/V 설치예

67 Control valve 유지관리 Control Valve 의설치및유지관리 일상점검사항ㅇ. 유체누설 : 그랜드패킹부및유체와접하는부위에서누설여부확인. 특히, 바디부누설은대부분재질침식및부식에의한것으로사전검토가필요ㅇ. 스트로크와입력신호의관계및밸브 Stem동작의원활도, 스트로크와입력신호가규정대로인지또 Stem동작이원활한지확인ㅇ. 주유기에는 grease가충분한지확인ㅇ. 본체부에이상음이발생되고있는지를확인

68 Control valve 유지관리 Control Valve 의설치및유지관리 정기점검사항ㅇ. 바디부내벽 : 유체가직접충돌하는부분은특히차압이높은밸브등에서침식이크게발생하므로확인ㅇ. 밸브시트 : 밸브시트풀림, 누설에의한침식, 내면부식등에주의ㅇ. Inner 밸브 : 각부의침식, 마모, 부식의정도특히차압이클경우균열발생여부검토ㅇ. 구동부의스프링, 다이아프람, 오링등이들부품의분해시는노화도, 탄성, 균열의유무등을확인ㅇ. 패킹, 가스켓은밸브수리시마다신품으로교환

69 Control Valve 의설치및유지관리 Control valve troble shooting 증상 가능한원인 공기압의공급이현저히낮다 에어파이프가막혔거나샌다. 조치 공기압을올려준다. 에어파이프안쪽을청소하고파이프연결부위를더욱조이거나망가진파이프를교체한다 작동정지 ( 느린동작 ) 다이아프람의볼트부분 에서공기가샌다. 다시조이거나분해하여교체한다. 액츄에이터로드부분에서공기가샌다. 분해하여 O-ring 을교체한다

70 Control Valve 의설치및유지관리 Control valve troble shooting 증상 작동정지 ( 느린동작 ) 가능한원인 액세서리 ( 포지셔너, 부 스터릴레이, 솔레노이드 밸브 ) 등의결함 밸브어셈블리나액츄에이터의고장. 조치 공기압을악세서리를통해가하는대신직접액츄에이터의 instrument air inlet 에가하여준다. 만약이때콘트롤밸브가정상작동하면해당하는악세사리를교체한다. 요크커넥터를제거하고, 액츄에이터만의작동을점검한다. 만약액츄에이터가제대로작동하지않으면분해하여액츄에이터를점검한다. 만약액츄에이터가정상적으로작동하면, 밸브어셈블리를분해하여점검한다. 수동조작기구가수동 조작의위치에놓여져 있을경우 원래의위치로환원한다

71 Control Valve 의설치및유지관리 Control valve troble shooting 증상 불완전한작동 (Hunting 을동반 ) 가능한원인 액츄에이터의약한출력에의한유체제어력의약화콘트롤러로부터의불규칙한신호 조치 더큰액츄에이터의사용콘트롤러셋업을바꾸거나신호시스템을점검한다 공기압의불규칙 압력공기공급파이프의직경을재점검하거나 교체한다

72 Control Valve 의설치및유지관리 Control valve troble shooting 증상밸브시트로부터의유출 Gland 패킹 / 가스켓에서의유출 가능한원인 액츄에이터로부터의출력이약하거나밸브시트의손상느슨해진너트, 손상된밸브스템또는변질이나경화된패킹가스켓 조치 액츄에이터의 off balance 를점검하고조정하거나밸브시트를분해하여수리혹은교체한다느슨해진밸브를조여주거나패킹가스켓을교체한다. 밸브스템표면을수리혹은교체한다

73 Control Valve Standards Control valve code and standard 다음에열거한 Code 와 Standard 는 control valve 의설계와활용에중요한요소가된다 1. American Petroleum Institute(API) 2. American Society of Mechanical Engineers (ASME) 3. European Committee for Standardization (CEN) 4. Fluid Controls Institute (FCI) 5. Instrument Society of America (ISA) 6. International Electrotechnical Commission (IEC) 7. International Standards Organization (ISO) 8. Manufacturers Standardization Society (MSS) 9. National Association of Corrosion Engineers (NACE)

Pilot Operated Regulator 1098-EGR 용도 도시가스지구정압기 (City Gate Station, Main Station) 도시가스지역정압기 (District Station) 상 공업용대유량전용정압기 ( 빌딩, 공장, 병원, 학교 ) 산업용대유량기

Pilot Operated Regulator 1098-EGR 용도 도시가스지구정압기 (City Gate Station, Main Station) 도시가스지역정압기 (District Station) 상 공업용대유량전용정압기 ( 빌딩, 공장, 병원, 학교 ) 산업용대유량기 용도 도시가스지구정압기 (City Gate Station, Main Station) 도시가스지역정압기 (District Station) 상 공업용대유량전용정압기 ( 빌딩, 공장, 병원, 학교 ) 산업용대유량기구 Governor (Mixer, Boiler, Furnace, Plant Air Service) 특징 고정밀도, 대유량 - Loading Type Pilot