S&T S&T International Co. ACTUATOR TYPE and FEATURE For Valves Oil & Gas Power Plant Refinery & Petrochemical Shipbuilding 박시우대표기계기술사 Mobile : +82(0)1

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영린 권
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1 International Co. ACTUATOR TYPE and FEATURE For Valves Oil & Gas Power Plant Refinery & Petrochemical Shipbuilding 박시우대표기계기술사 Mobile : +82(0) Tel/ Fax: +82(0) stanley.park@daum.net

2 - CONTENT - PNEUMATIC ACTUATOR ELECTRIC MOTOR ACTUATOR HYDRAULIC CYLINDER ACTUATOR ELECTRO-HYDRAULIC ACTUATOR HYDRAULIC CYLINDER with Counter Weight 필자가가진지식과수많은 Project 에서의경험, 그리고각종서적및 Internet 에서발췌해서정리한것으로 Plant 분야에종사하는엔지니어에게 도움을주고자정리한내용이다 년 6 월

PNEUMATIC ACTUATOR PISTON TYPE 1. 최대 Pressure Rating 150psi(10bar) 로 30(2.1kg)- 7,500pound(3,400kg) 의 Force 를생산 장점 DIAPHRAGM TYPE 1.

신속한밸브 Open/Close 가가능하다 (Booster 와 Solenoid Valve 를적용시최대 1 초까지가능하며일부업체의신제품은 Servo Motor 를장착 1 초미만까지가능 : CCI 사 Quick-Trak) 2.

제어가간단하고, Reliability 가좋고유지보수가용이하다 6. 정확도 (Accuracy) 는 0.01 인치이하, 반복성 (Repeatability) 는 0.001 인치이하이다 6.

Cylinder 길이가길어 Long Stroke 가가능하고, 같은 Thrust Force 의경우그 Volume 이커서 Diaphragm 에비해크기가약 1/3 정도이다 7. 현장에서쉽게조정이가능하다 8.

압축기및공기공급제한은낮은압력과늦은속도를갖게되고, 압축기는지속적인작동압력을유지시켜야한다 2. Actuator 작동을위해서는필히 Positioner 가요구된다 2. 높은외기온도에서의제어가어렵다 3.

3 PNEUMATIC ACTUATOR PISTON TYPE 1. 최대 Pressure Rating 150psi(10bar) 로 30(2.1kg)- 7,500pound(3,400kg) 의 Force 를생산 장점 DIAPHRAGM TYPE 1. 최대 Pressure Rating 4.1bar 로 Piston Type 과동일한면적의 Actuator 적용시 1/3 정도의 Force 2. 신속한밸브 Open/Close 가가능하다 (Booster 와 Solenoid Valve 를적용시최대 1 초까지가능하며일부업체의신제품은 Servo Motor 를장착 1 초미만까지가능 : CCI 사 Quick-Trak) 2. 본질적인 Fail-safe 운전이가능하다 3. 공기사용으로인화나낮은공기압으로폭발위험이없고, 기계안전요구사항을만족시킨다 4. 다른 Actuator 에비해가격이저렴하며경량이다 5. 제어가간단하고, Reliability 가좋고유지보수가용이하다 6. 정확도 (Accuracy) 는 0.01 인치이하, 반복성 (Repeatability) 는 인치이하이다 6. Piston Type 에비해 Diaphragm 면적이넓고상대적으로공기압이낮아제어정밀도가좋다. 7. Cylinder 길이가길어 Long Stroke 가가능하고, 같은 Thrust Force 의경우그 Volume 이커서 Diaphragm 에비해크기가약 1/3 정도이다 7. 현장에서쉽게조정이가능하다 8. 압축성공기를사용하므로 Air Volume Tank 와같은압력에너지저장이가능하다 8. 공장기술자에게가장오랜기간익숙한 Actuator 이다 9. 현장에서필요시뒤집어장착, 사용이가능하다 (Reversible) 9. N/A 단점 1. 압축기및공기공급제한은낮은압력과늦은속도를갖게되고, 압축기는지속적인작동압력을유지시켜야한다 2. Actuator 작동을위해서는필히 Positioner 가요구된다 2. 높은외기온도에서의제어가어렵다 3. Piston 에 O-ring 이있어마찰이발생, Control 정도가 Diaphragm 에비해떨어진다 3. Stroke 길이가한정되어있으며 Stroke 길이가 90mm 이상은사용이불가하다. 4. 압축성공기압력기기의내구성으로인해 10bar 이상의큰힘을얻을수가없다 4. Diaphragm 의재질로인해공기압이 4.1bar 이상은사용이불가하다 5. Power Load 의변경시작동속도의영향으로정밀제어가어렵다 5. Net Thrust 는 Spring 힘의반작용으로인해최대 3,000pound(1,360kg) 의힘으로한정된다 6. Piston O-ring 은 Viton 등의재질로되어있어마찰에의한마모로주기적인교체를해야한다 6. Diaphragm 재질이고무계통 (Neoprene) 으로장기간사용시탄화현상으로찢겨지기쉽다

COMPONENT SHAPE Actuator Spring Diaphragm: Single Acting Piston Type - Single

양쪽실린더에공기가공급되므로 Air Failure 시그위치에그대로있던가밸브에흐르는유체힘으로위치가변화한다 - Double Acting with

Valve) Positioner Hart Protocol: a. Fisher 가과거통신방식으로사용하던것으로전세계에서통용되고있음 b.

양방향통신이가능하며, DCS 와 I/O Module 을통해 Data 를주고받는다 Foundation Field-bus: DCS 의역할을각 Local

Positioner 에모든사양및 Data Sheet 의입력이가능하고이에따른 Control 이가능하다 Profi-bus: Foundation

로밸브의개도를지시해주고, 이저항값을 DCS 에보내서 0%-100% 까지단계별로그개도를알수있게해준다 Limit Switch 접점이 High/Low

주로 On-off 기능으로사용된다 Air Set(Air Filter + Pressure Regulator + Pressure gage) - 1.

5 COMPONENT SHAPE Actuator Spring Diaphragm: Single Acting Piston Type - Single Acting with Spring Return: Air Failure 시에본래의위치로복귀 - Double Acting without Spring: 양쪽실린더에공기가공급되므로 Air Failure 시그위치에그대로있던가밸브에흐르는유체힘으로위치가변화한다 - Double Acting with Spring: 공기압만으로 Force 가충분치못할때 Spring 을추가한다 ( 예 : Quick Closing 을위한 Anti-surge Valve) Positioner Hart Protocol: a. Fisher 가과거통신방식으로사용하던것으로전세계에서통용되고있음 b. Digital data 를 4-20mA Analog Signal 을통해주고받는방식임 c. 양방향통신이가능하며, DCS 와 I/O Module 을통해 Data 를주고받는다 Foundation Field-bus: DCS 의역할을각 Local Equipment 혹은 Local Control Panel 에분산시킬수있으며각 Equipment 와의통신이가능하고 Data 교환, 심지어 Positioner 에모든사양및 Data Sheet 의입력이가능하고이에따른 Control 이가능하다 Profi-bus: Foundation Field-bus 와동일한방식으로유럽, 아프리카에서주로사용되고있음 Position Transmitter Potentiometer 로밸브의개도를지시해주고, 이저항값을 DCS 에보내서 0%-100% 까지단계별로그개도를알수있게해준다 Limit Switch 접점이 High/Low 로만되어있어설정한값으로 Setting 이가능하다. 주로 On-off 기능으로사용된다 Air Set(Air Filter + Pressure Regulator + Pressure gage) ~ 5.0kg/cm2 의공기를사용한다 - 습기및먼지를제 1 Chamber 에서제거하고제 2 Chamber 에서감압을한다 - Cylinder Type 의경우, Oiler 를부착해공기와혼합해서공급 Volume Booster 한번에많은양의공기를 Actuator 에공급하기위해적용되는것으로, Booster 내에있는 Diaphragm 밸브는 Positioner 로부터공기압 Signal 로조절된다

COMPONENT SHAPE Lock-up Valve Air Failure 일경우 Actuator 로부터의공기가빠지는것을방지하기위해세팅압력이하로내려가면빠져나가지못하도록 Locking 하는역할을하는것으로, 미리설정된압력과의편차가발생할때,

이후최후의신호상태에서밸브가정지되었다가 Air Line 이회복되면정상적으로 Valve 가작동될수있도록해준다 Solenoid Valve Solenoid Valve 에전원을줄경우공기는 Actuator 쪽으로흐르고전원이나갈경우, Actuator

2-Way 는전기적신호로공기신호차단을위해사용되며, 3-Way 는 Diaphragm Actuator 나 Single Acting Actuator 의긴급차단혹은긴급 Open 을위해사용한다.

6 COMPONENT SHAPE Lock-up Valve Air Failure 일경우 Actuator 로부터의공기가빠지는것을방지하기위해세팅압력이하로내려가면빠져나가지못하도록 Locking 하는역할을하는것으로, 미리설정된압력과의편차가발생할때, 그즉시 Control Valve 를차단, 전환, Locking 시키는역할을한다. 이후최후의신호상태에서밸브가정지되었다가 Air Line 이회복되면정상적으로 Valve 가작동될수있도록해준다 Solenoid Valve Solenoid Valve 에전원을줄경우공기는 Actuator 쪽으로흐르고전원이나갈경우, Actuator 의공기를 Vent 시켜준다 ( 반대로사용이가능 ). Control valve 의긴급차단용으로주로사용되면 1-Way 내지 4-Way Valve 를사용한다. 2-Way 는전기적신호로공기신호차단을위해사용되며, 3-Way 는 Diaphragm Actuator 나 Single Acting Actuator 의긴급차단혹은긴급 Open 을위해사용한다. 4-Way 는 Dual Acting 에사용된다 Air Compressor 외부공기를압축해서 Control Valve 에공급하며, Control Valve 의경우최대 10bar 로 Setting 해서압축기를작동시킨다 Reciprocating Type - 크랭크축을사용해서 Piston 이왕복하므로진동이비교적크다 - 밸브, Linkage 등이음구동부가많고회전이늦어저주파성소음이발생 - Belt 조절, 바닥기초등의설치가필요하다 Screw Type - 암수 2 개의나사회전으로공간용적이축방향으로압축한다 - 고속회전이가능하고저주파소음이없다

ELECTRIC ACTUATOR FEATURE 장점 APPLICATION 거의모든밸브에적용 1.

밸브제어의 On-off, Fast Open/Close, 비례제어, Time Control, Remote

Media 불필요 ) 5. Compact한 Design으로높은 Thrust Output이가능하다 6.

Solenoid, Air Set, Booster등포함 ) 2. 기어박스및전기배선이복잡하다 3.

7 ELECTRIC ACTUATOR FEATURE 장점 APPLICATION 거의모든밸브에적용 1. 비교적경제적인가격으로신뢰성높은운전으로전종류의밸브에적용가능 대형사이즈및고압 MOV에적합 2. 밸브제어의 On-off, Fast Open/Close, 비례제어, Time Control, Remote Control등을수행할수있어밸브의구동장치로써많이사용 - Butterfly, Gate, Ball, Globe, 3. Controller에서나오는신호를직접받아작동하므로 Stiffness는 Actuator Type중에가장좋다 Check 4. 멀리떨어져있어도배선만으로간단히설치사용할수있다 (Pneumatic Air 혹은 Hydraulic Oil같은 Media 불필요 ) 5. Compact한 Design으로높은 Thrust Output이가능하다 6. 소음이타 Actuator 방식보다낮다 7. 정확도범위는 +/ in이고반복성은 in 미만으로최고로우수하다 단점 1. Pneumatic에비해작동속도가늦으며가격이비싸다 ( 약 4~ 5배 : Positioner, Solenoid, Air Set, Booster등포함 ) 2. 기어박스및전기배선이복잡하다 3. 방폭지역에서방폭형을사용해야하며화재시공기식에비해안전성이떨어진다 4. Motor 작동이므로 Modulating 작동시제한적이다. 5. 공기식에비해움직이는부품이있어, Maintenance 비용이많이든다 6. 유체누출이없어환경오염을유발시키지않는다 7. Actuator를네트워크로연결해재프로그래밍할수있고, 진단및유지보수에대한즉각적인피드백을제공해준다 8. 지속적인작동시에는 Motor 과열로마모가발생한다

APPLICATION API10000 - API15000 Valve TSO 를요구하는대형 / 고압 Valve 2.

1. 가능한최대속도가 100mm/s 로매우느리다. 2. 온도변화에따른 Oil 의점도변화가심해진다. 3.

8 HYDRAULIC ACTUATOR FEATURE 장점 1. Oil 압으로피스톤을작동시키기때문에 3" 의 Piston 한쪽에 2,000psi 가가해지면 14,000pound(6.4ton) 의 Linear Thrust 를발생시킨다. Force 는 Pneumatic 보다약 배를생산하며, 최소 1,750(770kg)- 최대 265,000pound(120ton) 까지가능. APPLICATION API API15000 Valve TSO 를요구하는대형 / 고압 Valve 2. 공기는압축성유체인데비해 Oil 은비압축성이기에체적변동이없어 High Stiffness 및 Resolution 이매우좋다. Turbine Bypass Valve 3. 미세한제어가가능하고, 압력의응답속도가 1000m/s 로공기압의 50-70m/s 보다빠르기때문에속도를쉽게제어할수있다. 4. 진동이작고작동이원활하다. 5. 작동오일자체가윤활유역할을하므로별도의윤활유가불필요. 1. 가능한최대속도가 100mm/s 로매우느리다. 2. 온도변화에따른 Oil 의점도변화가심해진다. 3. Oil 의산패 ( 酸敗 ) 현상 ( 오염 ) 으로인하여주기적인교환이필요 단점 4. Pneumatic 에비해 Air Volume Tank 와같은별도의에너지저장용기가없다 5. High Oil Pressure 를위한 Thick-wall Tubing, Gas Bubble Purging, Leak-free Distribution Network 를구성해야한다 6. 가격이높고, 시간이상대적으로오래걸리고높은숙련도를요구해, 보수유지가쉽지않다. Actuator Hydraulic Power(Supply) Unit Hydraulic Actuation Diagram

9 Actuator : Single Acting and Double Acting COMPONENT SHAPE Hydraulic Pump : 유압모터나실린더를작동시키는기본동력으로 Gear, Vane, Piston Type 이있다 Control Valve : Spool Type Directional Control, Spring Loaded Pressure Control Oil Reservoir : 필요유량유지및 Oil 온도를적정하게유지, 기포발생방지 Accumulator : 유체의맥동을감쇄및압력보상. 온도변화에의한 Oil Volume 변화를보상. Spring Load, Piston, Bladder Type 이있다 Oil Cooler : Oil 을 C 로유지. Oil 의온도상승에의한슬러지발생및열화, 유막파괴방지 Silencer : 소음을 85dBA 이하로유지

ELECTRO-HYDRAULIC ACTUATOR 장점 APPLICATION 1.

Safety Shutdown과정밀 Modulating Control이가능하다 (High Stiffness) 3.

구성및데이터 Logging File을분석 / 저장을위해현장에서표준 PC로전송가능 4.

주요 Protocol을통한 Bus Communication으로 Smart Control이가능하다 6.

10 ELECTRO-HYDRAULIC ACTUATOR 장점 APPLICATION 1. 전기작동의간편성과유압 Control로정밀도및기계적신뢰성이높다 모든종류의밸브에적용이가능 2. Safety Shutdown과정밀 Modulating Control이가능하다 (High Stiffness) 3. Non-intrusive Intrinsically Safe Bluetooth 세팅 / 결합, Actuator 구성및데이터 Logging File을분석 / 저장을위해현장에서표준 PC로전송가능 4. Stroke Speed가 1초미만까지가능하다. 5. 주요 Protocol을통한 Bus Communication으로 Smart Control이가능하다 6. 소형이며 Compact해서취급 / 조작이간편하고 Oil Leakage Free, Simple Installation 및 Easy Maintenance, No Spare Part 7. Moderate to High Thrust Force를요구하는 Service에적용이가능하다 8. 가혹한외부환경에적합하다 1. 가격이아주비싸다 2. 움직이는부품이있어유지보수비용이많이든다 3. Spring 혹은필요 Accessory 부품이있어야 Fail-safe가가능하다 4. 가장최근의기술 Actuator로기종공장운전자에게낯설다 단점

11 ESD(Emergency Shutdown) 에적용예 상기그림에대해구체적인 VIDEO 자료를원하는분은필자에게이메일로요청하면보내주겠습니다.

HYDRAULIC CYLINDER with Counter Weight FEATURE APPLICATION 장점 Non-Return Valve, 일명

Electric/Pneumatic Power가필요없다 Non-Slam Check valve, Butterfly Check Valve에주로사용 2.

Counter Weight로밸브닫힘시간조정이가능해서 Hammering(" 쾅 " 닫히는현상 ) 을없애준다 6.

12 HYDRAULIC CYLINDER with Counter Weight FEATURE APPLICATION 장점 Non-Return Valve, 일명 Swing Check Valve, 혹은 1. Electric/Pneumatic Power가필요없다 Non-Slam Check valve, Butterfly Check Valve에주로사용 2. Fire Hazard로부터안전하다 3. 설치가간단하다 4. Hydraulic Cylinder와 Counter Weight만으로작동이간편하다 5. Counter Weight로밸브닫힘시간조정이가능해서 Hammering(" 쾅 " 닫히는현상 ) 을없애준다 6. 필요시에는 Hydraulic Pump/ Valve/ Multi Valve 등과같은작동으로 Hydraulic Actuator로의전환이가능하다 단점 1. Counter Weight의무게에한계로일정이상의 Torque에는적용이불가하다 2. 유량변동으로인한조정이필요시현장에서만수동으로가능하다 3. Oil 누설시에작동이불가하므로특히주의를요한다

소개.PDF

소개.PDF (c) Process Pressure Measurement 1 Process Pressure Measurement Flow, Level, Temperature Flow, Level, Temperature, 2, 1) ( ),, A F F/A 2), 3 (a) (b) (a) (b) (c) 1 (a) (ABSOLUTE PRESSURE), 10 kg/cm 2 abs