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제2장 : 스팀의 사용9. 자동 제어 시스템

9.12 스팀에서의 컨트롤 밸브의 구경 선정

스팀을 이용하여 온도를 제어하는 온도 컨트롤 시스템은 온도 센서로 부터 온수 온도를 감지하여 밸브의 구동기를 통하여 밸브를 제어하여 온수 온도를 일정하게 유지시킨다.
온도 컨트롤 시스템의 열 교환기는 특정 압력의 스팀을 기준으로 용량이 결정되며 이 용량은 부하가 최대로 사용할 때를 기준으로 한다. 컨트롤 밸브도 이러한 최대 부하를 기준으로 구경이 결정된다.

시스템 운영 중에 공정의 온도가 올라가게 되면 부하에서 열 사용량이 적어지게 되고 열 교환기에서의 부하도 감소하게되고 컨트롤 밸브는 점차 닫혀 증기통과를 줄여주게 된다. 이것을 식으로 표시하여 설명하면

Q = U A ΔT
여기서 Q : 열 교환기의 최대 부하량
U : 열 교환기의 전열 계수
A : 열 교환기의 전열 면적
Δ T : (T1 증기온도 - T2 온수의 온도) 또는 대수평균 온도차(LMTD)
이다.

Q는 변동되는 부하이며 전열계수 U와 전열면적 A는 고정 값으로 변동될 수 없다. 이제 공정의 온도가 올라 밸브가 점점 닫히게 되면 스팀 압력 및 온도는 점차 낮아지게 되며 여기서 증기온도 T1이 변화하게 된다.

밸브 구경 선정을 할 경우의 필요한 조건은 무엇인가? 일반적으로 스팀 공급 압력(T1)은 결정되어 있는데 이론적으로 열교환기에서 실제로 요구하는 열량을 충분하게 공급할 수 있는 스팀 압력을 알아야 한다.

여기서 밸브 사이징을 위한 압력강하를 적절하게 결정하게 된다. 예를 들어 어떤 열 교환기가 스팀 압력이 7.0barg인 조건에서 최대 부하를 얻도록 설계되어 있는데 컨트롤 밸브 구경 선정 시 임계 압력 강하 점을 이용하여 선정한다.

즉, 밸브가 완전히 개방되어 있을 때 밸브에서의 통과한 스팀 압력이 7.0barg를 유지하게 된다. 만약 밸브 구경을 작게 선정 할 경우 밸브 자체에서 압력 강하가 일어나 스팀 압력 7.0barg를 유지 못하고 그 이하로 떨어져 열 교환기로 공급되면 공정은 원활하게 이루어지지 않는다. 그래서 컨트롤 밸브의 구경을 선정할 때 임계 압력 강하 점을 고려한 밸브 영향도를 적용하여 선정한다. 그 밸브 영향도 값이 경험 상 0.25에서 0.3 이다.

일반적으로 컨트롤 밸브에 필요한 정보가 충분히 제공되지 않는다면 1차 압력의 10%에서 20% 정도의 차압을 추정하여 밸브 구경을 선정 할수 있다. 여기서 중요한 것은 압력 강하를 10% 이하로 하여 밸브 구경을 선정하였다면 즉, 밸브 영향도를 0.1이하로 할 경우 다음과 같은 2가지의 문제점이 발생된다.

부하 측의 온도가 빠르게 변하면 밸브에서 헌팅(Hunting) 현상이 발생되고, 밸브가 닫혀있는 시간이 길어 와이어 드로잉(Wire Drawing) 현상이 발생되어 밸브의 수명을 단축시킨다.

 

가) 스팀용 컨트롤 밸브 Kv 값 계산 공식

● 스팀에서 차압이 임계 압력 보다 클 경우 유량계수 Kv는
Kv = W / 12P1√1-5.67(0.42-X)²

● 스팀에서 차압이 임계 압력 이하 일 경우 유량계수 Kv는
Kv = W / 12P1
여기서 W = 스팀 사용량 (kg/h)
P1 = 1차 절대압력 (bar a)
P2 = 2차 절대압력 (bar a)
X = 압력 강하율 = (P1-P2)/P1
Kv = 밸브 유량 계수

 

 

 

 

이대철  kecenter@hanmail.net

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