기획특집 지역난방설비에서의차압컨트롤밸브 (PDCV) 김기중대표이사 / 오토메이션테크놀로지즈 kjkim@ati1980.com 서론언젠가컨트롤밸브와차압과의상관관계라는제목으로전문지에글을쓴적이있다. 기계적이건전기적이건기계란것은마모되기마련이고, 노후되면그기능이떨어지게되는것은만물에공히적용되는자연의원리다. 본고에서는자주듣고많은질문을받고상담을통하여설명하고있는 PDCV에관하여간단하게기술하고자한다. 보통말하는온도조절밸브 (Temperature Control Valve) 를 TCV라로부르는것과같이앞글자를따서간단히부르는데, 사실상온도조절밸브는유량조절밸브 (Flow Control Valve) 이다. 그런데왜 FCV라고부르지않고, TCV라고부르는가? 이는그최종목적이온도를조절하는데있기때문이다. 같은밸브를순수하게유량을조절하는데사용하면유량조절밸브 (FCV) 인것이다. PDCV라고하면산업계통에실무를맡고있거나갓나온젊은기계학도들에게는생소한명칭임에틀림없다. 이공계학교나전문대학교에서도이와같은이름을들어본적이없기때문이다. PDCV라고하면한마디로차압조절밸브 (Pressrure Differential Control Valve) 를말하는것으로, 일반적으로사용되는압력조절밸브 (Pressure Control Valve) 와같은부류이다. 감압조절밸브 (Pressure reducing valve) 와같은부류라고볼수있다. 원래밸브는유량을조절하는기구 (Apparatus) 를말한다. 오래전에밸브의유래에대하여도글을쓴적이있는것으로기억이되는데, 밸브는적용목적에따라그이름을붙이는것이편하기때문이고, 또플랜트엔지니어링각공정에서도면상에목적과용도에맞도록표현하면이해하기쉽기때문에붙여진이름이다. 여기에서는기계적으로작동하는 PDCV에대하여간단히기술하고, 그사용현장에서의문제점을검토해보기로한다. 2013. 10 133
플랜트의안전과생산성향상을위한밸브 이번에는국내에서많이사용되고있는아파트및상용건물의지역난방설비에사용되는 PDCV에대하여기술한다. 이는이분야에서가장많은문제점이야기되고있고, 또문제점을이해하지도못하는실정이기때문이다. 이러한분야에종사하는엔지니어들의궁금증을조금이라도덜어줄수있으면하는기대감에서이분야부터우선다루기로한다. 용도가무엇이냐에따라그기능별로불리게된다고하였으니 PDCV 하면차압을조절하는것이다. 전기적이아닌 100% 기계적원리에의한자동조절밸브 (Automatic Control Valve) 이고, 전문용어로말하면자력식차압조절밸브 (Self-powered Differential Pressure Control Valve) 인것이다. 꼼꼼한독자는왜 DPCV라고부르지않고 PDCV라고철자를바꾸어부르느냐? 는의문을가질것이다. 이유는밸브와통과하기전의압력과밸브를통과한압력차 (Pressure Difference) 을이용하여유량을조절하는목적으로사용되기때문에 PDCV라고불러그목적을구분하고있다. 다시말해서, PDCV는압력차를이용한자동유량조절밸브로차압식유량조절밸브인것이다. 올린적이있는데, 이글을못본독자들을위하여다시간략하게기술하고, PDCV의구조와원리에대하여설명하기로한다. 지역난방열공급설비의특징 1. 열공급설비는밀폐순환식열교환식으로지역난방회로를 1차측실제열부하측을 2차측이라부른다. 2. 1차측밀폐순환회로는 90~110 의중온수가, 2차측순환회로는 45~50 의온수가펌프에의하여강제순환되고있는구조이다. 3. 여기서 1차측열공급원에의하여 2차측부하에맞도록일정온도의물을지속적으로공급하기위하여 1차측의열원인중온수의유량을자동으로조절하여주는장치가필요하다. 여기에필요한것이온도조절밸브다. 조절밸브 (TCV) 는기계적인자력식 (Self-powered) 과전기식 (Electric powered) 이있는데, 현재는전기식 (Motor Operated Valve) 이많이사용된다. 그러면무슨목적으로지역난방공급설비에이러한 PDCV를설치하는가? 궁금할것인데, 현장에서근무하는엔지니어들중에서얼마나알고있는지가문제인것이다. 근래에와서현장기술자들일부가인식하고있기는하지만, 아직도자기가관리하는지역난방설비에 PDCV가설치되어있는지, 무슨목적으로설치되었는지모르고있는경우가많다. 설치목적을설명하기위해서는먼저 TCV에관하여설명이필요하다. 이에관하여도필자는전문지에글을 4. 여기서자력식이든 MOV 이든밸브의규격에따라유량을조절하기위한밸브자체의밸브의플러그 ( 닫고여는유량차단기구 ) 의크기에따라닫고열며, 일정이상의힘 (Power) 이필요하다. 이힘을 Nf( 뉴톤 ) 이라부르는데, 밸브가크면이힘 (Force) 도큰것이필요하기마련이다. 간단히비교하면 1톤화물트럭은약 170마력이필요하면, 2톤트럭은 350마력이필요하다는이야기이다. 만약 1톤트럭에 2.5톤을적재한다면제대로출발이나하겠는가? 134 계장기술
지역난방설비에서의차압컨트롤밸브 (PDCV) 5. 이와같이각각의 TCV는그규격에따라힘이정해져있다. 이힘을밸브의구동부인밸브액추에이터에있으며, 구조상일정의힘이고정되어있다. 이들힘이버틸수있는한계가바로차압인것이다. 일반적으로이들 TCV의차압한계는종류와규격에따라다르지만, 단좌식플러그타입의밸브들은대부분 0.7~1.0 Bar 정도이다. 히정상작동을할수있다. 따라서 PDCV의역할이대단히중요하다는결론이다. 100kg/ cm2 ( 액추에이터힘 ) P1 P2 6. 앞에서설명한바와같이이들 TCV의힘의한계가 0.7~1.0 Bar라로할때, 지역난방열교환시스템에서이차압이 2~2.5 Bar라고하면 1톤트럭에 2~2.5톤의화물을적재하는것과같은데, 과연이트럭이온전히출발이나할수있을까? 50mm 78.5kg/ cm2 P1 - P2 = P 1 60kg/ cm2 ( 액추에이터힘 ) 7. 이와같은문제점을해결하기위하여지역난방의열교환시스템에는 PDCV를설치하여차압유량을조절하여여러개의 TCV 장치가제대로기능을할수있도록하는것이다. 다시말해서, 열교환기온도조절장치에는 PDCV의오류발생시에는일부 TCV 또는모든 TCV가제대로동작하지못하게된다. 50mm 78.5kg/ cm2 P1 - P2 = P 1 60kg/ cm2 ( 액추에이터힘 ) 그림설명 : 차압 (P1 - P2) 이 1kg/ cm2라고할때 50mm(2 ) 글로브타입일반단좌식 TCV의경우다음그림과같다. 2 밸브의디스크가받는힘은 78.5kg/ cm2인데, 100kg/ cm2 (1000Nf) 짜리의밸브액추에이터를설치할경우 ( 그림 a) 에는 TCV는정상적으로열림닫침을원활하게하여유량을조절할수있으나, 60kg/ cm2 (600Nf) 짜리액추에이터를설치할경우 ( 그림b) 에는충분히조작을할수없게되어온도조절결과는항상높은온도를유지한다. 이른바 TCV의밀리는현상이발생한다. 그러나 PDCV가정상작동하여차압 (P1-P2) 이 0.4~0.7/ cm2이내에서유지될경우 ( 그림 c) 에는 60kg/ cm2 (600Nf) 짜리액추에이터까지도충분 50mm 39.25kg/ cm2 P1 - P2 = P = 0.4 0.5 PDCV의고찰그럼본론으로들어가서이렇게중요한역할을하는 PDCV에관하여연구해보자. 여기서설명하고자하는 PDCV라고하는것은전기적인것이아니고, 기계적으 2013. 10 135
플랜트의안전과생산성향상을위한밸브 로동작하는자력식 (Self-actuated, Self-Operated, Self-Powered) 밸브중에도차압에의한유량조절용으로사용되는것임을설명하고자한다. 가. 명칭과적용방법 PDCV(Pressure difference Control Valve), 즉차압제어용밸브 (PDCV) 라고부르는것은, 그일반적으로그구조와기능을보고부르는일반적인명칭이다. 엔지니어링당시그용도가정해지면거기에따라유량밸런싱용또는차압조절용으로구분된다. 그러면국내의아파트등에공급되는지역난방설비중차압유량조절밸브와차압조절밸브와는어떠한차이가있는것일까? 한마디로말하면밸브그자체의구조와원리는같다고볼수있다. 그럼어떤경우에차압유량조절밸브라하고, 차압조절밸브라고부르는지알아보자. 나. 주요용도유량조절밸브는글자그대로유체가흐르는주배관에설치하여유량을조절하는것으로공급관이나환수관에설치하는일종의밸런싱밸브이다. 일정한양의유량을제한하는것으로자동밸런싱밸브라고보면된다. 반면차압조절밸브는유체의주관이아니고, 공급관과환수관사이에연결하여공급관과환수관과의압력차 (Pressure difference) 를어느정도일정하게조절하는기능을하는것으로, 펌프에의한강제순환회로에서원활한순환과펌프의보호및소음방지등효과가있다. 따라서, 차압조절밸브는자동바이패스 (By-pass) 밸브인셈이다. 차압유량조절밸브와차압조절밸브는그구조와원리가같을뿐이지제품자체가같다고볼수없다. 왜냐하면, 그용도가다르기때문에별도의설계에의한별도의제품이생산되어판매되고있기때문이다. 다. 구조우선 PDCV는단좌식구조의제품과케이지타입의압력밸런스타입이있다. 여기서다루기로하는운영상문제점검토는이케이지타입 (Cage type) 에관한것이다. 그림 A. 단좌식 그림 B. 케이지식 위그림 (A) 는독일 SAMSON사의단좌식 PDCV 의밸브부분내부구조이며, 그림 (B) 는국내의 삼양밸브에서생산되는케이지타입의압력밸런스디스크구조인데제조사마다약간설계상차이가있으나원리는동일하다. 문제는이케이지타입의 PDCV인것이다. 그런데제조사나설계의문제점이있는것도사실이나사용자의관리부재에있다는것이다. 일반적으로단좌식밸브는시트와디스크또는플러그로되어있으며, 케이지타입은이외에케이지와 O- 링등이추가되어있다. 그림 (A) 에서보는바와같이단좌식은부품시트 (2) 1개에디스크 (3) 1개로구조되어있어시트가 1개라는 2 3 6 5 4 3 2 독일 Samson 사제품 2 : Valve seat 3 : Valve disc 4 : Cylinder O-ring 5 : Plug Cage 6 : Spindle 136 계장기술
지역난방설비에서의차압컨트롤밸브 (PDCV) 뜻의단좌 (Single seat) 형이라고부른다. 그에반하여그림 (B) 에서보는바와같이케이지 ( 실린더 ) 부품 (5) 가있고, 피스톤형의플러그 (3) 이있고, 시트가 1개있다. 다시말해, 단좌형식의케이지타입이라고하는것이맞는표현이다. 라. 케이지 (Cage) 의종류와형식케이지타입도단좌식 (Single seat) 과복좌식 (Double seat) 구조가있으며, 사용목적과메이커에따라구조가다르기때문이다. 아래그림과같이여러가지구조의케이지타입이있다. (Balancing) 방식의플러그시스템인것이다. 바. 압력밸런싱의원리밸브플러그가피스톤역할을하면서균압통로를통한유체가 (A) 지역으로유체를이동시켜밸브디스크에받는유체의차압을없애 (B) 지역과압력이동일하게만들기때문에밸브액추에이터가받는힘은적어도되고, 유체의압력변화에따른차압의변동또한없기때문에밸브의제어특성을높일수있어정밀한제어가가능하다. 특히차압이크게발생하는프로세스에적합하며, 스팀이나압축공기등에유리하나제작비용이많이들어판매가격이높은것이사실이다. 플러그 퍼포레이티드케이지 프로파일드케이지 더블시트용케이지 그림 (C) A B 1 스핀들 5 Cage 7 균압라인 4 오-링 6 걸름망 3 플러그 2 시트 A B 그림 (D) 참조그림 : Spirex Sarco 사 마. 케이지타입을사용하는이유구조가복잡하고관리가불편한케이지타입을굳이선택하는이유가있다. 이유가바로차압관계대두되기때문이다. 산업플랜트에서차압이크거나아예차압이대기압인경우, 즉밀폐순환시스템이아닌경우에는차압이클수밖에없다. 이차압을이길만한힘을가진밸브의액추에이터의제작이문제인것이다. 그렇기에공압식대형액추에이터가개발되었고, 역할을대신해왔으나공압식역시도한계가있으며, 밸브의구조상유량흐름이발생할때발생하는소음 (Noise) 을피할수없었다. 이러한문제점을해결하기위하여고안된것이케이지타입의압력밸런싱 사. 문제점분석 1. 구조적빠른실링들의마모위의그림에서부품번호 4번은케이지내부실린더부분의실링인 O-링이다. 이오링은일정기간사용하면쉽게실린더벽과의마찰로쉽게마모되며, 또고온에노출되기때문에쉽게경화되어그탄력성을잃게된다. 따라서실링의기능을상실하게됨으로써설정된차압을유지하지못하게되는데, 사용자는이사실을전혀모르고있으며, 단지액추에이터부분의다이아프램의파손에만관심을갖는다. 2. 부실한케이지 ( 실린더 ) 내부연마상태필자가국산제품들을분해하여분석한결과는이들 O-링의마모를적게하고, 정밀한제어를위하여실린 2013. 10 137
플랜트의안전과생산성향상을위한밸브 더벽의정밀연마가필수적이나사실상연마상태가모두부실하였다. 따라서, O-링의수명이오래가기를바라는것은희망사항이었다. 3. A/S 체계의미흡생산자는적기에교환을해야하는부품을명시하고충분한 A/S 체계를갖추는것이중요하다. 아쉬운점은일이러한서비스자체가없다는것이다. 그저대리점을통하여판매하면그것으로끝인것이다. 주요부품의교체시기나교환에관한설명이나주의사항등은어디에도찾아볼수없다. 단지눈에보이는액추에이터의다이아프램의파손이나밸브축이나액추에이터축에서누수현상이발생하면다이아프램을교체하거나, 아예밸브전체를교체하라고요청할따름이다. 또다이아프램의교체에도구조상난이하여사용자가교체하기는어렵게되어있다. 또일단분해하였다가재조립시에영점위치를조정하기가쉽지않다는것이다. 그외글랜드-실어세이나밸브몸체의피스톤링 ( 실린더오-링 ) 을교체한다는것은상용자는도저히불가능한구조이다. 아. 적용예지역난방설비에는공급측에설치하는경우와환수측에설치하는경우가있다. 2가지모두효과는동일하며, 환수측에설치하는경우에는저온상태의지역난방수를제어하기때문에 PDCV의수명연장에도움이된다고볼수있다. 단지설치위치에따라유도관의연결방식이다르다. 결론및대처방법 _ + 예 a : 공급측배관에설치시통과중온수의온도 : 90~110 단점 : 글랜드-실등고무제품수명단축 + _ 예 b : 환수측배관에설치시과중온수의온도 : 40~50 ' 장점 : 글랜드-실등고무제품수명연장 - + 열교환기부하 열교환기부하 이러한문제점을해결하기위하여사용자는자주 (2~3 년 ) 글랜드실링 (Seal Ring) 과피스톤실링 (Seal Ring) 을비롯하여액추에이터의글랜드-실 (Gland Seal) 등을교환해주는것이좋다. 따라서, 사용자로서최선의방책은적기 ( 가동후 4~5년 ) 에 PDCV 전체오바홀서비스를생산자에게의뢰하는것이제일좋지만, 국내실정으로서는불가능하다. 앞에서기술한바와같이 PDCV가제대로차압을조절하지못한다면 TCV는조절불능이된다는사실이다. 또기계설비를갖춘신뢰할만한업체에의뢰하여오바홀서비스받는것이다. 이는설비의수명연장뿐 138 계장기술
지역난방설비에서의차압컨트롤밸브 (PDCV) 국내의지역난방설비열교환시스템에적용예 참고 : 공급관에 PDCV 설치한예 지역난방시스템구조도면 DPCV PT1 T6 PT2 T7 V2 A2 V1 A1 HX HW PHX DDC 기계실번호 : SS-1 T0 T4 T3 T1 VISIONX-22 PT3 T5 T2 EXP1 PCV P1 P2 중앙감시반컴퓨터장치 PT4 T1~Tn 배관온도센서 V1~Vn 컨트롤밸브 HX1~HXn 난방열교환기 HW1~HWn 급탕열교환기 T0 외기온도센서 P1~Pn 순환펌프 PHX1~ 예열교환기 PDCV 차압유량조절밸브 PT1~PTn 압력센서 EXP1~ 팽창탱크 DDC/PLC 디지털제어기 PCV 차압조절기 만아니라에너지절약에지대한영향을미친다. 다른대안으로는제조사측에서케이지타입의 PDCV 를설계할때보다업그레이드된방식, 즉더블실링 (Double seal ring) 구조와실-링의재질및설계신경을쓰고또케이지 ( 실린더 ) 내벽면의연마를정밀하게호닝 (honing) 하여거울같은표면을유지시켜서세계시장을겨냥한고품질의제품을개발하여야한다. 보기에따라서는충분한가격을받으면서도호닝같은작업은시도조차하지않은것으로판단된다. 매우안타까운일이다. 이러한사정에도불구하고수입품을사용하자니 2~3배이상차이가발생하기때문에건설당시예산이문제되고, 공급기간또한많이소요되기때문으로알고있다. 국내에서도속히고급의케이지타입의 PDCV나단좌식플러그타입 PDCV가개발되었으면하는필자의바람이다. 2013. 10 139