콘트롤밸브적용기술 1. 서론 2. 콘트롤밸브종류 3. 콘트롤밸브선정 4. 콘트롤밸브선정절차 5. 보조기기 6. Cavitation & Flashing 7. 설치 8. 유지보수 9. 기타사항
1. 서론 Control Valve 란? : Controller로부터의조작량 (MV) 을기계적인량으로변환, 제어대상을움직이는부분임 Control Valve의주요기능 - 제어계에있어서최종제어구성요소로서유량, 압력, 속도를조절 - 유체의방향전환, 유체유송및차단역할을담당 Control Valve 구성 : 본체 (Body), 조작부 (Actuator), 보조기 (Accessary) 로구성 Controller Disturbance Actuator SP MV Comparison Computation Control Valve Process PV Measurement Sensor
LOCK NUT DIAPH.WASHER Actuator AIR CONNECTOR DIAPH.UP CASE DIAPHRAGM PLATE DIAPHRAGM LOCK BOLT SPRING ACT. STEM SPRING PLATE DIAPH.LOW CASE Accessary YOKE ADJUST SCREW POSITIONER CLAMP YOKE NUT BONNET Body INDICATOR STUD BOLT GLAND FLANGE GLAND PACKING VALVE STEM NUT GASKET GUIDE PORT SEAT RING BODY <Control Control Valve Valve 각부구성구성및및명칭명칭 >
2. 콘트롤밸브종류 콘트롤밸브의종류는프로세스요구에따라여러형태의것들이만들어지고있음 분류하는방법은일반적으로모양, 압력, 재질, 작동방법등이있고, 이밖에도개폐부의움직이는형태에따른분류와제어목적에따른분류, 조작신호에따른분류등이있음 가. 개폐부 (Trim) 의움직이는형태에따른분류 1 직선운동형 (Linear Motion Valve) 게이트밸브, 다이어프램밸브, 핀치밸브, 앵글밸브, 글로브밸브등 2 회전운동형 (Rotary Motion Valve) 버티플라이밸브, 볼밸브, 플러그밸브등 나. 개폐부모양에따른분류게이트밸브, Y Type 밸브, 다이어프램밸브, 앵글밸브, 글로브밸브, 버티플라이밸브, 볼밸브, 플러그밸브 다. 유체의제어목적에따른분류이분류방법은일반적인밸브형태를기준으로한것이며, 특별히개폐부 (Trim) 의모양을변경할때에는 On-Off 밸브라도유량조절을할수있음
1 유체흐름을개폐 (On-Off) : 게이트밸브, 플러그밸브, 볼밸브 1 유체흐름을개폐 (On Off) 게이트밸브, 플러그밸브, 볼밸브 2 유체흐름량을조절제어 (Throttle) : 글로브밸브, 버티플라이밸브 3 유체흐름의방향을제어 : 3-Way 밸브, 4-Way 밸브, 앵글밸브
라. 작동방법에따른분류 1 수동식밸브 (Manual Valve) Hand Wheel Type, Hand Lever Type, Warm Gear Type 2 자동식밸브 (Control Valve) 공기작동형, 유압작동형, 전기작동형, 전기유압식, 솔레노이드밸브 3 자력식밸브 (Self Actuating Valve) : 감압변, 감온변등 글로브밸브종류 < 단좌형 > < 복좌형 > < 케이지형 >
글로브밸 브 밸브명장점단점 단좌 복좌 앵글밸브 -제어범위가넓다 - 누설이적다 -큰구동토크가필요 -정, 역설치가가능하다 -저압회복특성 -소형에사용 -단좌에비해대용량 - 제어범위가넓다 -작은구동토르크 -정역설치가가능 -대형에적합하다 - 좋은제어특성을갖는다 -대용량에적합 -침식이적다 -슬러리액체에도사용가능 - 폐쇄시누설이있다 - 저압회복특성 -누설에의해고압에서침식발생 -고속에는적합치않다 -2 인치이상에만적합 버티플라이밸브다이야프램밸브 -대용량에적당 -경제적이다 -압력손실이작다 - 설치공간이좁다 -대용량이고, 저렴 -가격이저렴 -슬러리액체에좋다 - 압력이낮으면기밀이좋다 -부식성화학장치에좋다 -구동에큰토크가필요 -회전식으로 60도정도까지가능 -제어성능이나쁘다 -제어범위가좁다 -다이야프램수명이짧다 - 응답속도가느리다 -온도에따라다이야프램사용이제한 볼밸브 -대용량 -제어성능및범위가넓다 -제한된동작압력 -적정한가격 -고압에는좋지않다 -슬러리액체에좋다 밸브종류별특성비교
마. 콘트롤밸브동작방식 1 공기식 공기압에비례한 0.2 1.0 kg/ cm2의공기압신호로동작되며신호를그대로밸브구동부에사용 단점 : 응답성을빠르게하면서도히스테리시스를작게하기위해보조기기인 Positioner 를사용하는경우가많음 신뢰도가높고비교적염가로서보수가용이 방폭성을구비 (POSCO 화성공장등에서사용 ) 2 전기식 4 20 ma 전류신호로서작동하는밸브임 전동밸브나전자밸브의조작에는전기펄스신호를사용하여펄스모터를구동하여유압식조작기구를조작하거나 On-Off 신호로솔레노이드밸브나펌프를조작하는경우임 전류신호를사용하는경우전기신호로서직접구동부를조작하는경우는거의없고보조기기인 Positioner를통해구동부를조작함
3 유압식 구동부의응답이양호한것과큰조작력이장점임 전기 / 유압포지셔너를개입시켜구동부를조작함 3. Control 밸브선정 배관의유체제어방법 : 가압펌프, 용량펌프, 콘트롤밸브등에의해실현콘트롤밸브에의한유량제어는정밀하고제어범위가크고제어속도가빠름 가. 선정을위한여러가지조건프로세스중에서중요한역할을지닌콘트롤밸브가소기의목적에알맞는기능을발휘하기위해서는콘트롤밸브전체사양결정뿐만아니라이에관계되는많은조건을충분히감안하여선정필요
밸브를선정하기위한조건 1) 대상프로세스ㅇ콘트롤밸브를포함한프로세스의전체적인이해및파악ㅇ프로세스자체의스타트업, 셧다운및긴급이상시상태 2) 사용목적ㅇ유체자체의프로세스변수를제어ㅇ유체의흐름차단또는개방 3) 응답성프로세스제어및안전상응답성이요구되는경우조작신호에대한응답속도및밸브자체가가지는응답속도를확인 4) 프로세스특성프로세스특성상자기평형성의유무, 필요유량변화범위, 응답속도등확인 5) 유체조건ㅇ유체명 ㅇ성분, 조성 ㅇ유량및압력 ( 밸브입구와출구 ) ㅇ온도 ㅇ점도 ㅇ밀도 ( 비중, 분자량 ) ㅇ증기압 ㅇ과열도 ( 수증기 ) 등
6) 유체성상 ( 性狀 ) 및특성ㅇ위험성 : 인체에대한위험성, 특정물질과의반응성, 폭발성등ㅇ부식성, 마모성 : 부식조건, 내식재료, 사용금지재료등ㅇ폐색성 : 슬러리의유무, 협잡물의내용, 폐색방지대책등ㅇ응고성 : 응고조건, 응고방지대책등 7) 레인지어빌리티 (Rangeability) 콘트롤밸브의실용상만족해야하는최대와최소의밸브용량비율임. 밸브한대로필요로하는레인지어빌리티를얻을수없을때는다음방안을검토ㅇ콘트롤밸브를두대로함. ㅇ레인지어빌리티가큰밸브로변경 8) 밸브차압설정밸브상. 하류측의차압을계산하여반영. 프로세스중에서조절밸브에의한압손을구하는것으로일반적으로 0.3 ~ 0.5 로함 9) 셧. 오프 (Shut-Off) 압력밸브차단시차압의최대값은구동부선정, 조절밸브각부의강도설계등에필요한데이터임. 실제사용조건을고려하여셧. 오프압력을정하여적절한밸브의사양이정해지도록하여야함
10) 밸브시트누설량ㅇ밸브차단시밸브시트누설량이어느정도까지허용될수있는지확인. ㅇ표현방식 : ANSI B16 104 규정 ( 콘트롤밸브의정격 Cv치 % 로표시 ) Class Test Fluid 허용누설량 Class Ⅰ Class Ⅱ Class Ⅲ Class Ⅳ Class Ⅴ Class Ⅵ - 3.5Bar 의물또는공기 실제차압의물 3.5 Bar의공기 규정하지않음 (Maker Recommend) 정격 Cv 의 0.5% 정격 Cv의 0.1% 정격 Cv의 0.01% 5ⅹ10-4 ⅹD ⅹ ΔPcc/min 별도표기 11) 밸브동작조건밸브동작은안전확보를위한동작과입력신호변화에대한동작의 2가지목적이있음. 즉, ㅇ입력신호또는동력원유실시플랜트의안전확보측면으로동작ㅇ입력신호증가에따라서밸브가닫히는정동작 (Air To Close) 반대의경우인역동작 (Air To Open) 형으로구분
12) 환경조건밸브설치공정의온도, 습도, 염분, 부식가스, 먼지, 진동조건등고려 13) 소음밸브에서발생하는소음한계치를정하고저감대책을수립 ISA 기준밸브출구측의수평배관과밸브수직방향에대해밑으로 45도인지점에서 0.9 m(3ft) 떨어진지점에마이크로측정 소음판단기준미국직업안전건강법규정, 90dBA, SPL 상태로하루 8 시간이상노출규제 14) 방폭성능가연성가스가존재하는곳에설치되는경우밸브와함께사용하는스위치류등은등급구분에적합한방폭성능구비 15) 동력원ㅇ공기를동력원으로사용하는경우 Valve 기능이손상되지않도록수분, 유분, 먼지등을제거하여청정도확보ㅇ또한조작력을충분히확보하기위한조작압력및용량확보
16) 배관사양 밸브가설치되는배관사양검토 ㅇ배관호칭경, ㅇ배관규격ㅇ재질, ㅇ접속방식등 17) 기타사항바이패스밸브설치여부, 밸브의보수성, 경제성등고려 유체 유체 ⑴정정동작역동작 ⑵ 역동작 ⑶역정동작 ⑷정역
4. 콘트롤밸브선정절차 1. 본체부문선정시작 2. 구동부 데이터기입 Cv 계산 X 데이터확인구동부형식선정 Q 보정필요 Yes Cv 보정계산 작동방식결정 유체압력. 최대체절압력확인 밸브형식선정 밸브특성결정 레인지어빌리티허용누설량확인 유속은제한내인가 No Body Size 변경 Yes 소음은 No 소음대책제한내인가 Yes 유체에대한 Body,Trim재질의선정 유체에대한패킹, 개스킷선정 압력. 온도는규정이내인지확인 Q 경제성은있는가 No Yes 기종결정 X 구동부사이즈결정작동압력. 공급압력결정 Y 3. 기타부문 Y 제어목적확인 (Control,On-Off) 신호차단시밸브동작 Lock 검토오픈, 클로즈위치확인검토밸브작동속도증가. 감소검토긴급. 차단의필요성검토엑세서리결정선정완료
가. 밸브사이징 정의 밸브를통과하는유체조건으로부터콘트롤밸브정격 Cv 값을산출하여밸 브를선정하는것을말함 가장실용적이고취급이쉬운 FCI(Fluid Control Institute) t 식을사용하며필요시 ISA(Instrument Society of America) 방식에의한보정실시 일반적으로현장에서는 FCI 식을사용하여 Cv 를계산하며이때는 1~10% 의오차가발생. 실제로주어지는유체에대한조건이정확하게주어지지않는경우나간이계산식으로계산시에는밸브 Cv 보다최대 80% 이내로선정 1) Cv 정의콘트롤밸브의용량을표시하는수치로밸브의개도를일정하게하고그전후차압을 1psi로유지하였을때 60 F(15.6 ) 의물이 1분간흐르는양을 US 갤런 (1 galon = 3.785l) 으로표시한값
2) Cv 계산식ㅇ FCI(Fluid Control Institute) 방식 ㅇ ISA(Instrument Society Of America) 방식 압력조건계산식유체 P2 P1/2 P2 P1/2 Gas 증기 액체 상온 (0-60 ) 온도보정 ( 상기온도이외 ) 포화 100 G1 Cv=1.17 Q1 ΔP Q2 Cv= 16.9 G2 DP(P1+P2) G2(t+273) 273) DP(P1+P2) 좌식과동일 Q2 G2 Cv= 14.6 P1 Q2 Q2 Q2 G2(t+273) Cv= 287 Cv= 249 P1 W Cv= 13.7 DP(P1+P2) 과열 0013t') Cv= W(1+0.0013t 100 13.7 DP(P1+P2) W Cv= 11.9 P1 W(1+0.0013t 0013t') Cv= 11.9 P1 -Choked Flow 보완식 -혼합유체의보정보정Cv=(Cv1+Cvg)(1+Fm.Ma.Mp) Q G Cv=1.17 FL (P1-Pvc) -압축성유체의보정 Q' -점성유체의보정 Cv= G.T1.Z 387 P1.Y X 보정Cv=Cv기본치 K -Reducer영향의보정보정 Cv=CvC 기본치 +(Cv 기본치 감소율 ) Cv:Valve 용량계수, G1: 액체비중, G2:GAS 비중, Q1: 액체용적유량 ( m3 /h), Q2: 기체용적유량 (Nm3/h) Q': 기체용적유량 ( 표준상태 15 1atm) [ 기체유량환원식 : Nm3 /h=273/288m3/h], W: 증기중량유량 ( kg /h), DP: 차압 (P1-P2)( kgf/ cm2 Abs), P1:Valve 입구압력 ( kg f/ cm2 Abs), P2:Valve 출구압력 ( kg f/ cm2 Abs) t: 사용상태온도 ( ), t': 과열도 ( ), PVC: 축류부압력 (Vena-Contracta)( kgf/ cm2 Abs), FL: 압력회복계수 Y: 팽창계수, Z: 압축계수, T1 : 절대온도로표시한사용온도 (273+t ), d : Valve의입구경 ( mm ) m: 점도 cp=c.s G cp:centipoises C.S:Centistokes, Cv1 : 액체부분에서만계산한 Cv Cvg: 기체부분에서만계산한 Cv, Fm:GAS 용적비에의한수정계수 Ma: 면적비에의한수정계수 ( 실개구면적 / 밸브전개구면적 ), Mp: 압력강하비 (DP/P1에의한수정계수) X: 압력강하비 (DP/P1)
나. 유량특성 1) 종류 :5 가지특성 ( : 이용되는특성 ) 퀵오픈특성 ( 접시형 ) 스퀘어루트특성 (V-Notch 특성 ) 리니어특성 이퀄퍼센트특성 하이퍼볼릭특성 2) 고유유량특성 : 밸브차압이일정하게유지되고있는경우의특성 3) 유량특성의선정 : 밸브가배관에설치된상태에서는유량변화에따라서밸브차압이바뀌어고유유량특성과는다른특성으로됨 ( 유효유량특성 ) 유량 Quick Open Square Root Linear 밸브개도 Equal Percent Hyperbolic 고유유량특성 (ISA Handbook) 조절용 Plug Quick Opening Linear Throttle Equal Percentage 유량 PR=0.01 PR=0.01 0.05 0.05 유 0.20 0.50 량 0.33 0.50 고유유량특성고유유량특성밸브개도밸브개도 (a) 리니어특성 (b) 이퀄퍼센트특성 유효유량특성 (ISA Handbook)
다. 적정밸브개도선정및예 Cv 계산완료시계산된 Cv치와기선정완료된밸브사이즈의정격 Cv 치비교자동제어가능한범위내에서사용할수있도록선정해야함. 콘트롤밸브는이론적으로는밸브개도가 0 100% 까지조절되나ㅇ정상운전상태유량은밸브개도가 60 80% 상태ㅇ최소일때 10% 이상, 최대일때 90% 이하로하는것이이상적임 Control Valve Size 선정 ( 예 ) ㅇ그림a의유량곡선 ( 개도와유량 ) 에서최대유량을가지고 Cv를계산하여 30 이얻어졌다고하면밸브사이즈가 2I Inch 일때 Equal % 특성표에서보면개도가 85% 로써적당함. ㅇ용량 (Cv) 이 56.2인글로브밸브를선택시선정여부가적절한가는그림 b 에서계산 Cv/ 밸브용량 Cv= 30/56.2=0.534로서횡축에서찾고, Equal % 레인지어빌리티가 50:1과만나는선 1과만나는점을찾으면개도가약 85% 로서개도선정이적절함을알수있음.
100 ¾ 11½22½ 3 4 5 6 8 10 12 개 도 80 % 60 40 20 0 0.2 1.0 2 3 5 7 10 20 30 60 100 200 1000 2000 Cv 그림a. 유량곡선 (EQUAL Percentage Flow Curve) 100 80 개 2 3 1 60 도 % 40 8 6 7 20 0 4 5 9 10 유량조절비 :EQ% 1 50 : 1 2 30 : 1 3 25 : 1 4 15 : 1 5 10 : 1 Linear 6 50 : 1 7 30 : 1 8 25 : 1 9 15 : 1 10 10 : 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 계산 Cv/ 밸브 Cv 그림b. Control Valve 적정개도선정
라. 유체속도 (Velocity) 밸브를선정할때가장주의하지않으면안되는것중의하나가밸브출구측유체속도임 유속이일정치이상빠르면밸브진동이심하여대단한소음이일어나며, 캐비테이션및침식현상발생하여밸브포트뿐만아니라본체도심한마모현상발생 따라서유속을계산하고유체에따른제한속도범위내의속도를선택해야하며, 속도가빠를때는본체사이즈가큰것을선택 1) 유체속도계산식 ㅇ액체속도 v = 354.(Q/D 2 ) ㅇ가스속도 = v = ㅇ증기속도 v = 354.(QC/D 2 ) Q t + 273 1033.. = 127+ 1.27 D 2 288 P2 Q(t + 273) D 2 P2 v : 유속 (m/s 2 ) Q : 유량 ( 액체 : m3 /h, 증기 : kg /h, 가스 : m3 /h(15,1atm) C : 출구측비용적 ( m3 / kg ) D : 밸브구경 (mm) t : 출구측온도 ( ) P2 : 출구측압력 (Kg/ cm2 )
5. 보조기기 가. 역할필요시 Control Valve에부착하여 Valve의성능및효율을향상조업및정비에필요한정보제공 나. 종류ㅇPositioner ㅇAir Set(Regulator, Filter) ㅇLimit Switch ㅇPosition Transmitter ㅇSolenoid Valve 등 다. I/P Positioner 개요 1) 역할 Controller 출력신호 (4~20mA) 를공기신호로변환, 상응하는힘을 Valve Stem 에가하여 Valve Plug 개도를일정하게유지시키기위함다음의경우는일반적으로 Positioner를사용ㅇActuator가 15 Psi를초과하는공기압요구시 (=Pressure Amplification) ㅇ Valve 가분할된개도범위에있을시 (=Spliter, Valve1 : 4~12mA, Valve 2 : 12~20mA) ㅇ불감대 (Dead band) 가신호범위의 5%(0.6Psi 또는 0.8mA) 를초과시ㅇ안전상필요시 2) 구조및동작원리
Diapragm Motor Zero Adjust Range Adjust Pilot relay body Stem Port A/M Selector Cam Feedback lever Spool Feedback Spring Chamber Nozzle Input Current Sup. Press Flapper Torque motor 그림. E/P Positioner 구성도
Controller 출력신호가 Magnet을磁化, Flapper를움직여 Nozzle과의간극을조정이간극에의한배압이 Actuator 공급압이되어 Stem을움직이게함 ( 이때 Pilot 장치에서는 Nozzle-Flapper에의해응답된압력의크기로공급공기량을많게하여 Actuator 를무리없이동작시킴 ) Stem이움직이게되면 Feedback Spring을통하여 Flapper가 Feedback, Flapper가 Nozzle로부터약간떨어져 Nozzle 압력이떨어지고 Pilot Valve는닫혀압력균형 6. Cavition & flashing 가. 발생 Mechanism 유속의증가및압력의감소액체가밸브의 Trim부에도달하게되면유속 V는증가하고압력 P는감소시작증기압에따른기포발생저하하는압력이액체증기압 Pv 이하가되면액체일부가증발하여기포발생기포의소멸 (Cavitation) Trim부를통과시저하된압력은통과후압력회복에의해 Body 내벽부위에서기포소멸 압력회복에의한에너지발생기포가소멸하면서압력이급격하게회복되고이때발생된에너지가 Valve Body 부나배관내벽에충돌
충돌에의한 Erosion 의심화충돌할때발생하는힘은국부적으로수천 Kg/ cm2 ( 약 70 Kg/ cm2 ) 에달하게되어진동을일으키고 15 ~ 10000Hz의소음발생. 이와같은현상을 Cavitation Erosion 이라부름나. 압력손실과회복의상태
다. Cavitation & Flashing 영향 Cavitation 영향발생하면 Inner Valve(Trim) 및 Balve Body부의 Erosion 즉, 기계적마찰침식과소음발생의원인 Flashing 영향 Cavitation 만큼큰에너지의방출이없어서 Erosion 및소음발생은 Cavitation 보다적지만증발에의한체적의팽창으로 Valve 용량을감소. 또한 Cavitation과는무관하지만포화온도혹은그온도에가까운액체는 Trim 부 (Seat) 를통과할때압력이강하되고액체의일부가증발해서체적이팽창하기때문에 Valve 용량을감소시킴 7. 설치 가. 설치공사시주의사항포장을푼상태에서먼지, 티끌등이많은장소에설치하면작동불량및패킹부의누설등이발생하는경우가많음장기간방치시는패킹체결너트를풀어서패킹을보관배관에설치시는수평, 수직, 동심등배관의중심을맞추어밸브파괴의원인이되지않도록함배관에설치전배관내의이물질을반드시제거
나. 설치위치 유지보수가용이한곳에공간을확보 화물운반통로와근접한곳을피할것 주위온도 : 상온에가까운곳, 연속적인진동이걸리는곳은피함 펌프, 엔진, 컴프레셔등에인접해서설치시밸브전후에지지대설치 ( 볼트, 너트의풀림, 각부의마모원인 ) 다. 설치방법 원칙적으로수평배관에구동부를위로해서수직으로설치 일반적으로바이패스라인을설치 바이패스라인을생략하는경우에는가능한수동핸들을부착 5 Main steam line 4 2 1 4 3 6 < 권장자동밸브설치예 > 1 Control valve 2 Block valve 3 Bypass valve 4P Pressure gauge 5 Strainer 6 Steam trap (Drain valve)
8. 유지보수 가. 일상점검항목유체누설 Grand 패킹부및유체와접하는부위에서누설여부확인. 특히, 보디부누설은대부분재질침식및부식에의한것으로서이정도를사전검토 Stroke와입력신호의관계및밸브 Stem 동작의원할도, 스토크와입력신호가규정대로인지또스템동작이원할한지확인주유기에는 Grease가충분한지를확인본체부에이상음이발생되고있는가를확인 나. 정기점검항목보디부내벽유체가직접충돌하는부분은, 특히차압이높은밸브등에서는침식이크게됨밸브시트밸브시트풀림, 나사로부터의누설에의한침식, 내면부식등에주의 Inner 밸브각부의침식, 마모, 부식의정도, 특히차압이클경우는각부균열발생여부검토구동부의스프링, 다이어프램, 오링이러한부풍의분해시는노화도, 탄성, 균열의유무등을확인각부의패킹, 개스킷밸브수리시 ( 정기점검및분해 ) 마다신품으로교체끝.