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제2장 : 스팀의 사용
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.06.12 13:38
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9. 자동 제어 시스템

9.13 스팀에서의 컨트롤 밸브 선정
컨트롤 밸브 결정은 시스템의 분석, 유체의 종류 및 상태 그리고 제어 할 유량에 따라 밸브의 타입(전기식, 공압식, 유압식, 자율식), 밸브의 재질(주철, 주강, 스텐레스 스틸, 비철 금속, 기타 재질 등), 밸브 구경(유량계수 Kv 값)을 선정 할 수 있다.

일반적으로 밸브 제어용 공기압은 0.2 bar~1 bar(3~15 psig)가 사용된다.
대형 밸브나 큰 차압을 요구하는 경우에는 밸브를 제어하기 위해 보다 큰 구동력이 필요하므로 다이아프램이 큰 밸브를 사용하거나 공기압을 높여야 한다. 이것이 컨트롤 밸브 제작사들이 밸브의 종류에 따라 공압식 구동기의 종류를 제시하는 이유이다.
구동기에서 밸브를 열거나 닫기 위해 사용할 수 있는 힘(밸브의 폐쇄력)은 다음의 3가지 힘보다 커야한다.

※ 밸브의 불평형력 : 닫힌 위치에서 유체의 차압을 견딜 것 (플러그의 면적 x 차압)
※ 밸브 구성 요소의 저항력 : 밸브와 구동기의 스템 씰에서의 마찰력
※ 밸브의 기밀도 : 밸브 플러그와 시트 사이에서의 밀폐도를 원하는 정도로 보장하기 위한 씰링 부하

그림 1 밸브의 폐쇄력

1) 정 동작식 구동기

구동기는 유연한 다이아프램에 가해진 압축 공기 압력에 의해 발생한다. 정 동작식 구동기는 스프링이 다이아프램 아래에 위치하고 공기가 다이아프램 위쪽으로 공급되도록 설계되었다. 즉 정 동작식 구동기에 연결 된 밸브는 공급되는 공기압이 없으면 열려있는 구조로 설계
되었고 우리는 이 형태의 구동기를 Fail Open Type 이라고 한다.

 

2) 역 동작식 구동기

역 동작식 구동기는 스프링이 다이아프램 위에 위치하고 공기가 다이아프램 아래쪽으로 공급되도록 설계되었다. 즉 역 동작식 구동기에 연결 된 밸브는 공급되는 공기압이 없으면 닫히는 구조로 설계되었고 우리는 이 형태의 구동기를 Fail Close Type 이라고 한다.

 

3) 정 동작식 구동기와 역 동작식 구동기의 선택
정 동작과 역 동작 공압식 구동기의 선택은 압축 공기의 공급에 문제가 발생 할 경우 밸브가 어떤 위치로 이동해야 하는 가에 달려있다. 밸브는 닫혀야 할까 아니면 열려야 할까? 이러한 선택은 설비 공정의 특성과 안전 요구사항에 따라 달려있다. 스팀을 사용하는 가열 공정에서 밸브의 위치가 압축 공기 사고 시 열리면 가열 공정은 과열로 인한 여러 문제가 발생할 수 있으므로 밸브는 닫힌 위치가 되는 역 동작식 구동기에 연결되어야 안전하고, 반대로 엔진 등 냉각 공정에서는 밸브의 위치가 압축 공기 사고 시 닫힌 위치 일 경우 엔진은 과열로 인한 여러 문제가 발생할 수 있으므로 밸브는 열린 위치가 되는 정 동작식 구동기에 연결되어야 압축 공기의 사고로 공기가 차단되어도 밸브는 열려 엔진이 과냉 된다고 하여도 엔진 과열로 인한 안
전사고를 차단 할 수 있다. 그러므로 구동기와 밸브의 조합은 공정의 특성과 안전 요구사항을 반드시 고려하여야 한다.

그림 2 밸브와 구동기 구성

나) 전기식 구동기

압축 공기의 공급이 어려울 경우 밸브를 제어하기 위해 전기식 구동기를 사용 할 수 있다. 전기식 구동기는 구동기 내부에 VMD(Valve Motor Driver) 방식에 의해 제어한다. VMD 구동기에는 모터가 적절한 개도 범위를 넘어가서 발생할 수 있는 피해를 방지하기 위해 제한 장치가 부착되어 있다. 이러한 장치는 최대 모터 토크나 물리적인 위치 제한 스위치 등이 기본이다. 두 장치 모두 모터 전원 공급을 차단하여 모터의 움직임을 정지시킨다.

※ 위치 제한 스위치는 오버사이징 된 밸브에서 밸브의 개도를 제한하도록 설정할 수 있는 이점이 있다.
※ 토크 수위치는 밸브 시트에 정해진 폐쇄력을 줄 수 있어 밸브 스템이 고착되는 경우에 구동기를 보호할 수 있다.
※ 위치 제한 수위치 만 사용한다면 밸브의 완전 밀폐를 보장하기 위해 스프링으로 압축하는 커플링을 함께 사용할 수 있다. 공압식 구동기는 기본적으로 이상 시 안전 위치가 있다. 공기 공급이 끊어지거나 제어 신호가 끊어졌을 때 밸브는 열리거나 닫힐 것이다. 이러한 기능을 전기식 구동기에서 제공하기 위해 전기나 제어 신호가 끊겼을 경우 밸브를 열거나 닫을 수 있도록 하는 스프링 복귀 버전이 있다. 대체품으로 배터리 전력을 사용하여 이상 시 안전 기능을 구현한 제품도 있다.

그림 3 전기식 구동기 내장 제어 회로

나) 구동기 선정
구동기 선정 시 고려해야 할 사항은
※ 밸브 플러그에 작용하는 힘에 대하여 충분히 견딜 것
※ 밸브에 필요한 스트로크가 있을 것
※ 밸브를 차단할 수 있는 충분한 압력이 있을 것
※ 공정이 필요로 하는 작동 시간에 동작할 것 등이다.

표 1 공압식 구동기 선정표

9.15 포지셔너(Positioner) 선정

포지셔너는 제어 시스템에서 오는 입력 신호에 따라 컨트롤 밸브의 위치가 선형 비례 관계를 유지하도록한다. 즉, 주어진 입력 신호에 대해 밸브는 밸브의 차압, 스템 마찰력 다이아프램 히스테리시스 등과 같은 조건이 변화할 때도 같은 개도를 지키도록 시도할 것이다.

포지셔너는 신호 증폭기로 사용될 수 있다. 포지셔너는 낮은 공기 제어 신호를 받아서 높은 압력의 추가입력을 사용하여 증폭하여 더 높은 압력의 출력 공기 신호로 만들어 구동기 다이아프램에 보내 밸브가 원하는 개도록 가도록 한다.

 

가) 포지셔너의 설치

1) 정확한 밸브 위치가 필요할 때
2) 밸브의 반응 속도를 증가시키려 할 때
3) 특정한 구동기와 밸브를 닫기 위한 압력을 증가시키려 할 때
4) 밸브에서의 마찰력(특히 패킹)이 받아들일 수 없을 만큼 큰 히스테리시스를 일으킬 때
5) 비선형의 구동기를 선형화 할 때
6) 변화하는 유체에서의 차압이 플러그 위치를 변화시킬 때

 

나) E/P 포지셔너
공압식 밸브, 구동기의 장점을 전기 제어 시스템에 적용하여 서로의 장점을 취하여 공정이 보다 원활하고 효율적으로 운영될 수 있도록 전기 공압식 컨버터를 내장하여 전기적인 신호(일반적으로 4~20mA)를 받아 공압식 컨트롤 밸브를 제어할 수 있는 포지셔너를 E/P 포지셔너라고 한다.

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