밸브동작에 대하여

기술자료 [기초지식]

밸브 동작에 대하여

오찬종/광양제철소

제1절 조작부 구성 및 동작원리

1. 조작부 구성 및 동작원리
계장시스템에 있어서 조작부는 조절계 조작량을 받아 기계적인 량으로 바꾸어 제어대상을 움직이는 부분이며, 마치 조절계가 사람의 두뇌라고 한다면 조작부는 사람의 팔, 다리에 속하는 것이다.
조작부 주요기능은 제어계에 있어서 최종제어 구성요소로서 ,유량,압력,속도를 조절하며, 유체의 방향 전환,유체 유송 및 차단 역할을 담당하는데 조작부는 본체부,조작부,보조기기로 나누어 진다. 밸브 본체부는 본체를 구성하는 구조물을 밸브 본체라 하며, 밸브의 윗덮개를 상개, 유체 유로를 열었다 닫았다 하는 부분을 Trim (Plug 또는 Seat)이라 한다.
조작부는 다이야프램,스프링,스템으로 이루어져 있다. 밸브 윗부분 (또는 밑부분)으로 공기가 들어오면 다이야프램에 압력이 가해져 스프링을 누른다. 이때 다이야프램이 움직이면 다이야프램과 Seat와 연결된 스템을 통하여 Seat를 움직이게 하는데, 움직임으로 인하여 유체의 유로를 차단 또는 열리는 정도를 알 수 있도록 지침과 개도/ 레인지 플레이트가 설치되어 있다.
보조기기 (E/P Positioner)의 동작 원리는 운전실이 있는 조절계로부터 전류(4∼20mADC)가 토오크 모타에 인입되면 Flexure을 중심으로 좌우로 움직이는데 이때, 후렛바는 노즐로 부터 이격되어 노즐배압의 압력차이로 인해 파이롯트 스폴을 동작시켜 조작부 다이야프램 쪽으로 공기압이 전달되고 전달된 공기압은 피드백 스프링 장력과 토오크 모타 회전력이 바란스를 이룰때까지 작동을 계속한다 즉,입력전류에 비례하여 Stem변화를 가져오게 한다.
밸브작동에는 페일세이프로서의 작동과 입력신호에 대한 작동의 2가지목적이 있다. 페일 세이프로서의 작동은 입력신호 또는 동력원 상실시에 있어서 밸브 작동방향을 플랜트로서 안전측 방향으로 작동되게 하는 것에 따라 역동작, 정동작, 유지동작으로 구분한다.
입력신호에 대한 작동방법은 신호량증감에 대한 밸브 개폐방향을 말한다, 반드시 페일 세이프 동작과 일치되지 않는다. 입력신호의 증가에서 밸브가 닫히는 것이 정동작, 입력신호 증가에서 밸브가 열리는 것이 역동작 밸브이다. 또한 다이야프램 구동방식에서는 구동부와 내밸브마다 정동작,역동작을 가지며, 밸브의 전체동작은 조작부와 내밸브 조합에 의해 결정된다.

2. 조절밸브 종류 및 선정

조작부의 대표적인 조절밸브의 종류는 프로세스 요구에 따라 여러 형태의 것들이 만들어지고 있으며, 분류하는 방법은 조작 신호에 의한 전기식, 공기식,유압식,자력식 밸브로, 개폐부 모양에 따라 게이트,플러그,글로브, 버티플라이,다이야프램,앵글,볼, Y Type 밸브로 구분한다.
이밖에도 분류하는 방법으로는 트림이 움직이는 형태에 따라서 직선운동형과 회전 운동형으로 나누고, 제어 목적에 따라서는 개폐밸브,유체흐름의량을 조절제어하는 밸브와 방향을 제어하는 밸브로 나눈다.
선정요구 조건은 제어신호에 따라 직선성또는 설정된 특성대로 정확하게 동작해야 하고 동작중 응답시간이 빠르고, 오동작이 없으면서도 히스테리시스가 적어야 한다. 이밖에도 현장의 환경에 대해 충분히 견딜 수 있는 것이면서도 보수 및 점검, 경제성등이 용이한 것을 선정한다.

가. 조절밸브 종류
1) 공기식
공기압 조작량에 비례한 0.2 ∼ 1.0 kg/㎠의 공기압 신호로 동작되는것으로서, 공기압 신호를 사용하는 것은 신호를 그대로 밸브 구동부에 사용될 수 있기 때문이다. 단점으로는 응답성을 빠르게 하면서도 히스테리시스를 작게 하기 위해 보조기기인 포지셔너를 사용하는 경우가 많다.
공기압식은 오래전 부터 사용되어 오던 것으로서 신뢰도가 높고 비교적염가로서 보수가 용이하며 무엇보다도 방폭성을 구비하고 있어서 지금까지 많이 사용되고 있는 조절밸브중의 하나이다.

2) 전기식
주로 4 ∼ 20 mADC 전류 신호로서 작동하는 조절밸브이다. 전동밸브나, 전자 밸브의 조작에는 전기 펄스 신호를 사용하여 펄스모타를 구동하여 유압식 조작기구를 조작하거나 온-오프신호로 전자밸브나 펌프를 조작하는 경우이다.　전류신호를 사용하는 경우 전기신호로 직접 구동부를 조작하는 경우는 거의 없고, 전기/전기, 전기/공기, 전기/유압등의 보조기기인 포지셔너를　통해 구동부를 조작한다

3) 유압식
유압식 조절밸브는 구동부의 응답이 양호한 것과 큰 조작력이 장점이다.
전기/유압 포지셔너를 개입시켜 구동부를 조작한다.

4) 자력식
자력식 조절밸브는 밸브작동 힘이 밸브내 스프링과 흐르는 유체의 압력, 차압등 프로세스 변수를 직접 동력원으로 하여 설정치내에서 조절하거나 감온부에 봉입된 액체 증기압의 변화를 이용하여 밸브를 조작하는 자립식이므로 현장 설치형 간이 조절기로서 이용된다. 또한 자력식 조절 밸브는 제어대상에 직접 작동을 거는 가장 중요한 역할을 담당하고 있는 기기이기 때문에 제어대상,제어 목적에 알맞는 기종을 선정하는 것이 계장시스템을 성공 시키는 열쇠가 된다.

나. 조절밸브의 선정
1) 선정을 위한 여러가지 조건
프로세스중에서 중요한 역할을 지닌 조절 밸브가 소기의 목적에 알맞는 기능을 발휘하기 위해서는 조절밸브 단체의 시방서 결정 뿐만 아니라 조절밸브에 관계되는 많은 조건을 충분히 감안하여 선정해야 한다. 조절밸브를 선정하기 위한 여러가지 조건으로서 확인해야 할 주된 것으로 다음과 같은 항목들을 들수 있다.

⑴ 대상 프로세스
조절밸브를 포함한 제어계의 전체적 이해와 파악이 필요하다, 또한 프로세스 자체의 스타트업,셔트다운 및 긴급시의 대책을 포함해서 충분히 이해하여야 한다.

⑵ 사용목적
조절밸브는 흐르는 유체자체의 프로세스 변수를 제어하는 것만이 아니라 유체의 차단 또는 개방, 2가지 유체의 혼합, 2 방향으로의 분류, 유체의 전환, 하나의 플랜트내에 있어서 고압측으로 부터 저압측으로의 압력 강화를 목적으로 하는 것등이 있다. 또 한대의 조절밸브 위에 작은 두개이상의 목적을 갖는 것도 있어 이러한 목적들을 전부 확인한 다음에 가장 적절한 밸브를 선정해야 한다.

⑶ 프로세스 특성
조절밸브에는 조작신호 변화에 대해서 밸브스템이 그랜트 패킹등의 마찰을 이겨내고, 동작이 될 때까지의 데드타임과 규정된 거리만을 이동하기 위한 작동 시간이 있다. 제어계 전체의 제어성 및 안정성 이라는 점에서 응답성을 고려하고, 프로세스 특성 측면에서는 자기 평형성 유무, 필요유량의 범위, 응답의 속도　등을 확인해둔다.

⑷ 유체조건
프로세스 데이터 시트등에서 주어지는 유체의 여러가지 조건으로서 조절밸브 선정의 기본조건이 된다.여기에는 다음과 같은 것을 들　수 있다.
-유체의 명칭,성분,조성,유량,압력,온도,점도,밀도,증기압,과열도

⑸ 레인지어빌리티
조절밸브에 있어서 실용상으로 만족해야 하는 유량을 나타내는 범위의 최대와 최소의 밸브 용량의 비를 레인지어빌리티라고 하는데, 한대의 조절밸브가 필요로 하는 레인지어빌리티를 수용 가능한지를 확인하고, 수용할 수 없을 때에는 조절밸브 두대로 운전하는　등의 방법을 검토해야 한다.

⑹ 밸브 차압의 선정방법
제어계 전체 압력손실에 차지하는 밸브 차압 비율이 작아짐에 따라 유효유량 특성은 고유 유량 특성을 벗어나게 된다. 따라서 조절밸브 압력손실배분은 복잡한 문제이며, 일률적으로 결정할 수는 없지만 일반적으로 배관계통에서의 0.3 ∼0.5　이다.

⑺ 셔트오프 압력
조절밸브 차단시 차압의 최대값은 구동부의 선정, 조절밸브 각부의 강도설계등에 필요한 데이타이다. 조절밸브 입구 압력을 최대 셔트오프 압력으로 하여 설계하는 경우가 많으나 그 결과 조절밸브 시방이 과대한 것으로 될 우려가 있으므로 실제의 사용조건을 고려해서 셔트오프 압력을 정한다.

⑻ 밸브시트 누설량
밸브 차단시 밸브 시트 누설량이 어느 정도까지 허용될수 있는가를 확인한다. 또한 밸브가 차단 상태로 되는 빈도도 알아야 한다. 누설량의 표현방식은 일반적으로 조절밸브 정격 CV 값의 비율(％)로 표현한다. 누설량의 구분 및 시험 조건에 관해서는 ANSI B 104-1976이 널리 사용되고 있다.

⑼ 밸브 작동
조절밸브 작동에는 페일세이프로서 작동과 밸브 입력신호에 대한 작동의 두가지가 있다. 페일세이프는 입력신호 또는 동력원 상실시 밸브 동작방향을 플랜트 측면에서 안전한 방향으로 동작시키는 것으로서 공기압 상실시 폐(CLOSE), 개(OPEN), 유지(LOCK)로 유지된다.
밸브 입력 신호에 대한 작동으로는 반드시 페일세이프 동작과 일치되지 않으며 입력증가로 밸브가 닫히면 정동작, 입력증가로 밸브가 열리는 것이 역동작 밸브이다. 다이야프램 구동식 글러브 밸브에서는 구동부,내부 밸브 각각에 정역이 있으며, 그 조합에 의한 밸브 작동은 <그림 3-2>와 같다.

⑽ 방폭성능
조절밸브를 설치할 때에는 설치할 장소에 따라서 조절밸브와 함께 사용할 전기 기기는 필요한 등급 구분의 방폭성능이 갖추어져야 한다.

⑾ 동력원
공기원의 경우는 구동부 및 포지셔너 등의 보조기기가 정상적인 기능을 발휘할 수 있도록 수분,유분,먼지등의 청정도를 고려하는 동시에 조작력을 충분히 확보하기 위한 조작 압력 및 용량을 확인한다.

⑿ 배관사양 및 기타
조절밸브가 설치되어 있는 배관의 사양에 관해 확인한다. 확인할 내용은 배관의 호칭,배관 규격,재질,접속방식등이다.
이밖에도 확인할 사항으로 유체의 위험성,부식성,슬러리 유무 및 유체조건에서도 운전 초기 및 운전 종료시 변화에 따른 데이타 변경의 경우도 고려한다.

2) 사이징
사이징이란 밸브를 통과하는 유체 조건으로 부터 그 조건에서의 조절밸브의 정격 CV 값을 구하는 식에 관해서는 각종 계산식이나 보정식이 있지만 여기에서는 가장 실용적이고, 취급이 용이항 FCI의 식을 사용한다.다만 여기에서 포괄되지 않는 내용에 대해서는 ANSI/ISA에서 제창한 계산식을 보완적으로 사용할수 있다.

가) 밸브 크기를 나타내는 단위
⑴ CV (Coefficient Value)
조절밸브 용량을 표시하는 수치로 1940년 미국 Rokwel씨가 발표하였으며 15.6 ℃의 맑은 물이 밸브 입구와 출구 압력차가 1 PSI로 흘렸을때 1분당 유량을 US Gallon (3.7853ℓ)으로 표시한 단위가 CV 이다.

⑵ KV
독일이 사용하는 밸브용량 계산식으로 5∼30 ℃의 물이 밸브입구와 출구 압력차가 1 kg/㎠ 일때의 유량을 ㎥/h로 표시한 단위이다. 다른 단위로의 환산 관계는 CV = 1.167 KV 이다.

⑶ AV
국제단위계(SI Units)로 표시한 것으로서 AV = (24/10)CV 로 표시한다.

   나) CV 계산식
     ⑴ 비압축성 유체
        CV = 1.167 x Q1
     ⑵ 압축성 유체

⑶ 수증기

3) 유량특성
일반적으로 유량 특성에 따른 종류는 여러가지가 있지만 많이 사용되고 있는 것은 온오프 특성을 갖는 퀵오픈 특성 밸브, 그리고 조절용으로 이용되고 있는 리니어특성,이퀄 퍼센트 특성을 가지고 있는 밸브이다.
따라서 밸브 전후의 차압을 일정하게 하고 밸브개도와 유량과의 관계는 <그림3-3>에서와 같은 특성이 나오지만 밸브가 배관에 설치된 상태에서는 유량 변화에 따라서 밸브 차압이 바뀌어 고유유량 특성과 다른 특성으로 나타난다. 이것을 유효유량 특성이라 하며, 제어계 전체 압력손실에 대한 밸브 압력 손실의 비율에 따라 변화하는 것을 <그림 3-4>의 그림에서 예와 같이 됨을 알 수 있다.
유효유량 특성 계수 PR 은 밸브 압력손실/ 밸브를 포함한 제어계의 압력손실인데 특성의 변화는 밸브가 점유하는 압력 손실비 PR 이 작아짐에 따라 특성이 많이 변한다는 것을 알수 있다.
조절밸브는 PR = 0.05가 허용한계라 하고 있다. 밸브 압력손실의 비율이 작으면 리니어 특성은 퀵오픈 특성에 가까우며,이퀄 퍼센트 특성은 리니어 특성에 가깝게 된다.
유량특성의 선택은 유효유량 특성을 보상하기 위한 중요한 것이며, 압력손실이 불명확 하거나 소유량시 차압이 크고, 대유량시는 차압이 작아지는 경우라면 이퀄 퍼센트 특성을 가진 밸브를 선택한다.