콘트롤밸브 적용기술 2. 콘트롤 밸브 종류 3. 콘트롤 밸브 선정 4. 콘트롤 밸브 선정절차 5. 보조기기 1. 서론 2. 콘트롤 밸브 종류 3. 콘트롤 밸브 선정 4. 콘트롤 밸브 선정절차 5. 보조기기 6. Cavitation & Flashing 7. 설치 8. 유지보수 9. 기타사항

1. 서론 Controller Actuator Sensor Control Valve란 ? : Controller로부터의 조작량(MV)을 기계적인 량으로 변환, 제어대상을 움직이는 부분 임 Control Valve의 주요기능 - 제어계에 있어서 최종 제어구성요소로서 유량,압력,속도를 조절 - 유체의 방향 전환, 유체 유송 및 차단 역할을 담당 Control Valve 구성 : 본체(Body), 조작부(Actuator), 보조기(Accessary)로 구성 Controller Disturbance Actuator SP MV Comparison Computation Control Valve Process PV Measurement Sensor

Actuator Accessary Body Control Valve 구성 및 명칭

2. 콘트롤 밸브 종류 콘트롤밸브의 종류는 프로세스 요구에 따라 여러 형태의 것들이 만들어지고 있음 분류하는 방법은 일반적으로 모양, 압력, 재질, 작동방법 등이 있고, 이밖에도 개폐부의 움직이는 형태에 따른 분류와 제어 목적에 따른 분류, 조작신호에 따른 분류 등이 있음 가. 개폐부(Trim)의 움직이는 형태에 따른 분류 ① 직선 운동형 (Linear Motion Valve) 게이트 밸브, 다이어프램 밸브, 핀치 밸브, 앵글 밸브, 글로브 밸브 등 ② 회전 운동형 (Rotary Motion Valve) 버티플라이 밸브, 볼 밸브, 플러그 밸브 등 나.개폐부 모양에 따른 분류 게이트 밸브, Y Type 밸브, 다이어프램 밸브, 앵글 밸브, 글로브 밸브, 버티플라이 밸브, 볼 밸브, 플러그 밸브 다.유체의 제어 목적에 따른 분류 이 분류방법은 일반적인 밸브 형태를 기준으로 한 것이며, 특별히 개폐부(Trim)의 모양을 변경할 때에는 On-Off 밸브라도 유량조절을 할 수 있음

② 유체 흐름량을 조절제어 (Throttle) : 글로브 밸브, 버티플라이 밸브 ① 유체흐름을 개폐 (On-Off) : 게이트 밸브, 플러그 밸브, 볼 밸브 ② 유체 흐름량을 조절제어 (Throttle) : 글로브 밸브, 버티플라이 밸브 ③ 유체 흐름의 방향을 제어 : 3-Way 밸브, 4-Way 밸브, 앵글밸브

Hand Wheel Type, Hand Lever Type, Warm Gear Type 라. 작동방법에 따른 분류 ① 수동식 밸브 (Manual Valve) Hand Wheel Type, Hand Lever Type, Warm Gear Type ② 자동식 밸브 (Control Valve) 공기 작동형, 유압 작동형, 전기작동형, 전기 유압식, 솔레노이드 밸브 ③ 자력식 밸브 (Self Actuating Valve) : 감압변, 감온변 등 글로브 밸브종류 <단좌형> <복좌형> <케이지형>

밸브 종류별 특성 비교

마. 콘트롤밸브 동작방식 ① 공기식 공기압에 비례한 0.2 ∼ 1.0 kg/㎠의 공기압 신호로 동작되며 신호를 그대로 밸브 구동부에 사용 단점 : 응답성을 빠르게 하면서도 히스테리시스를 작게 하기 위해 보조기기 인 Positioner를 사용하는 경우가 많음 신뢰도가 높고 비교적 염가로서 보수가 용이 방폭성을 구비(POSCO 화성공장 등에서 사용) ② 전기식 4 ∼ 20 mA 전류신호로서 작동하는 밸브 임 전동밸브나 전자밸브의 조작에는 전기 펄스신호를 사용하여 펄스모터를 구동하여 유압식 조작기구를 조작하거나 On-Off 신호로 솔레노이드 밸브나 펌프를 조작하는 경우 임 전류신호를 사용하는 경우 전기 신호로서 직접 구동부를 조작하는 경우는 거의 없고 보조기기인 Positioner를 통해 구동부를 조작 함

3. Control 밸브 선정 ③ 유압식 구동부의 응답이 양호한 것과 큰 조작력이 장점 임 전기/유압 포지셔너를 개입시켜 구동부를 조작 함 3. Control 밸브 선정 배관의 유체 제어 방법 : 가압펌프, 용량펌프, 콘트롤밸브 등에 의해 실현 콘트롤밸브에 의한 유량제어는 정밀하고 제어범위가 크고 제어 속도가 빠름 가. 선정을 위한 여러가지 조건 프로세스중에서 중요한 역할을 지닌 콘트롤밸브가 소기의 목적에 알맞는 기능을 발휘하기 위해서는 콘트롤밸브 전체 사양결정 뿐만 아니라 이에 관계되는 많은 조건을 충분히 감안하여 선정필요

ㅇ 콘트롤밸브를 포함한 프로세스의 전체적인 이해 및 파악 ㅇ 프로세스 자체의 스타트업, 셧다운 및 긴급 이상시 상태 밸브를 선정하기 위한 조건 1) 대상프로세스 ㅇ 콘트롤밸브를 포함한 프로세스의 전체적인 이해 및 파악 ㅇ 프로세스 자체의 스타트업, 셧다운 및 긴급 이상시 상태 2) 사용목적 ㅇ 유체 자체의 프로세스 변수를 제어 ㅇ 유체의 흐름차단 또는 개방 3) 응답성 프로세스 제어 및 안전상 응답성이 요구되는 경우 조작신호에 대한 응답속도 및 밸브 자체가 가지는 응답속도를 확인 4) 프로세스 특성 프로세스 특성상 자기 평형성의 유무, 필요 유량변화 범위, 응답속도 등 확인 5) 유체조건 ㅇ 유체명 ㅇ 성분, 조성 ㅇ 유량 및 압력(밸브 입구와 출구) ㅇ 온 도 ㅇ 점도 ㅇ 밀도(비중, 분자량) ㅇ 증기압 ㅇ 과열도(수증기) 등

ㅇ 위험성 : 인체에 대한 위험성, 특정 물질과의 반응성, 폭발성 등 6) 유체 성상(性狀) 및 특성 ㅇ 위험성 : 인체에 대한 위험성, 특정 물질과의 반응성, 폭발성 등 ㅇ 부식성, 마모성 : 부식조건, 내식재료, 사용금지재료 등 ㅇ 폐색성 : 슬러리의 유무, 협잡물의 내용, 폐색방지 대책 등 ㅇ 응고성 : 응고조건, 응고방지대책 등 7) 레인지어빌리티(Rangeability) 콘트롤밸브의 실용상 만족해야 하는 최대와 최소의 밸브용량 비율 임. 밸브 한대로 필요로하는 레인지어빌리티를 얻을 수 없을 때는 다음 방안을 검토 ㅇ 콘트롤밸브를 두대로 함. ㅇ 레인지어빌리티가 큰 밸브로 변경 8) 밸브 차압설정 밸브 상.하류측의 차압을 계산하여 반영. 프로세스 중에서 조절밸브에 의한 압손을 구하는 것으로 일반적으로 0.3 ~ 0.5로 함 9) 셧. 오프(Shut-Off) 압력 밸브 차단시 차압의 최대값은 구동부 선정, 조절밸브 각부의 강도설계 등 에 필요한 데이터 임. 실제 사용조건을 고려하여 셧. 오프 압력을 정하여 적절한 밸브의 사양이 정해지도록 하여야 함

ㅇ밸브 차단시 밸브 시트 누설량이 어느정도까지 허용될 수 있는지 확인. 10) 밸브 시트 누설량 ㅇ밸브 차단시 밸브 시트 누설량이 어느정도까지 허용될 수 있는지 확인. ㅇ표현방식 : ANSI B16 104 규정(콘트롤밸브의 정격 Cv치× %로 표시) 11) 밸브 동작조건 밸브 동작은 안전확보를 위한 동작과 입력신호 변화에 대한 동작의 2가지 목적이 있음. 즉, ㅇ입력신호 또는 동력원 유실시 플랜트의 안전확보 측면으로 동작 ㅇ입력신호 증가에 따라서 밸브가 닫히는 정동작(Air To Close) 반대의 경우인 역동작(Air To Open)형으로 구분 Class Test Fluid 허용누설량 Class Ⅰ Class Ⅱ Class Ⅲ Class Ⅳ Class Ⅴ Class Ⅵ - 3.5Bar의 물 또는 공기 “ 실제차압의 물 3.5 Bar의 공기 규정하지 않음(Maker Recommend) 정격 Cv의 0.5% 정격 Cv의 0.1% 정격 Cv의 0.01% 5ⅹ10-4 ⅹD ⅹ ΔPcc/min 별도 표기

밸브 설치공정의 온도, 습도, 염분, 부식가스, 먼지, 진동조건 등 고려 13) 소음 12) 환경조건 밸브 설치공정의 온도, 습도, 염분, 부식가스, 먼지, 진동조건 등 고려 13) 소음 밸브에서 발생하는 소음 한계치를 정하고 저감대책을 수립 14) 방폭성능 가연성 가스가 존재하는 곳에 설치되는 경우 밸브와 함께 사용하는 스위치류 등은 등급구분에 적합한 방폭성능 구비 15) 동력원 ㅇ공기를 동력원으로 사용하는 경우 Valve 기능이 손상되지 않도록 수분, 유분, 먼지 등을 제거하여 청정도 확보 ㅇ또한 조작력을 충분히 확보하기 위한 조작압력 및 용량 확보 ISA 기준 밸브 출구측의 수평배관과 밸브 수직 방향에 대해 밑으로 45도인 지점에서 0.9 m(3ft) 떨어진 지점에 마이크로 측정 소음 판단기준 미국 직업안전건강법 규정, 90dBA, SPL상태로 하루 8시간 이상 노출 규제

바이패스 밸브 설치여부, 밸브의 보수성, 경제성 등 고려 16) 배관사양 밸브가 설치되는 배관 사양 검토 ㅇ배관 호칭경, ㅇ배관규격 ㅇ재질, ㅇ접속방식 등 17) 기타사항 바이패스 밸브 설치여부, 밸브의 보수성, 경제성 등 고려 유체 ⑴정 ⑵역 ⑶역 ⑷정 유체 정동작 역동작 역동작 정동작

4. 콘트롤밸브 선정 절차

가. 밸브 사이징 정의 밸브를 통과하는 유체조건으로 부터 콘트롤밸브 정격 Cv값을 산출하여 밸 브를 선정하는 것을 말함 가장 실용적이고 취급이 쉬운 FCI(Fluid Control Institute)식을 사용하며 필요시 ISA(Instrument Society of America)방식에 의한 보정 실시 일반적으로 현장에서는 FCI식을 사용하여 Cv를 계산하며 이때는 1~10%의 오차가 발생. 실제로 주어지는 유체에 대한 조건이 정확하게 주어지지 않는 경우나 간이 계산식으로 계산시에는 밸브 Cv보다 최대 80％ 이내로 선정 1) Cv 정의 콘트롤밸브의 용량을 표시하는 수치로 밸브의 개도를 일정하게 하고 그 전 후차압을 1psi로 유지하였을 때 60。F(15.6℃)의 물이 1분간 흐르는 양을 US 갤런(1 galon = 3.785ℓ)으로 표시한 값

2) Cv 계산식 ㅇ FCI(Fluid Control Institute) 방식 ㅇ ISA(Instrument Society Of America) 방식 Cv:Valve 용량계수, G1:액체 비중, G2:GAS 비중, Q1:액체 용적유량(㎥/h), Q2:기체 용적유량(N㎥/h) Q':기체 용적유량(표준상태 15℃ 1atm) [기체유량 환원식: N㎥/h=273/288㎥/h], W:증기 중량유량(㎏/h), DP:차압(P1-P2)(㎏f/㎠ Abs), P1:Valve 입구압력(㎏f/㎠ Abs), P2:Valve 출구압력(㎏f/㎠ Abs) t:사용상태 온도(℃), t':과열도(℃), PVC:축류부 압력(Vena-Contracta)(㎏f/㎠ Abs), FL:압력회복계수 Y:팽창계수, Z:압축계수, T1 : 절대온도로 표시한 사용온도(273+t℃), d : Valve의 입구경(㎜) m:점도 cP=C.S×G cP:Centipoises C.S:Centistokes, Cv1 : 액체부분에서만 계산한 Cv Cvg:기체부분에서만 계산한 Cv, Fm:GAS 용적비에 의한 수정계수 Ma:면적비에 의한 수정계수(실개구면적/밸브전개구면적), Mp:압력강하비(DP/P1에 의한 수정계수
) X:압력강하비(DP/P1)

나. 유량특성 1)종류 : 5가지 특성(● : 이용되는 특성) ●퀵오픈 특성 (접시형) ○스퀘어루트 특성 (V-Notch 특성) ●리니어 특성 ●이퀄퍼센트 특성 ○하이퍼볼릭 특성 2)고유유량특성 : 밸브차압이 일정하게 유지되고 있는 경우의 특성 3)유량특성의 선정 : 밸브가 배관에 설치된 상태에서는 유량변화에 따라서 밸브 차압이 바뀌어 고유유량특성과는 다른 특성으로 됨(유효유량특성)

Cv 계산 완료시 계산된 Cv치와 기 선정완료된 밸브 사이즈의 정격 Cv치 비교 다. 적정 밸브개도 선정 및 예 Cv 계산 완료시 계산된 Cv치와 기 선정완료된 밸브 사이즈의 정격 Cv치 비교 자동제어 가능한 범위내에서 사용할 수 있도록 선정해야 함. 콘트롤 밸브는 이론적으로는 밸브개도가 0∼100％까지 조절되나 ㅇ정상운전 상태 유량은 밸브개도가 60∼80％ 상태 ㅇ최소일때 10％이상, 최대일때 90％이하로 하는 것이 이상적 임 ㅇ그림a의 유량곡선(개도와 유량)에서 최대 유량을 가지고 Cv를 계산 하여 30이 얻어졌다고 하면 밸브 사이즈가 2 Inch일때 Equal ％ 특성 표에서 보면 개도가 85%로써 적당 함. ㅇ용량(Cv)이 56.2인 글로브밸브를 선택시 선정여부가 적절한가는 그림 b 에서 계산 Cv/밸브용량 Cv= 30/56.2=0.534로서 횡축에서 찾고, Equal ％ 레인지어빌리티가 50:1과 만나는 선 ①과 만나는 점을 찾으 면 개도가 약 85％로서 개도선정이 적절 함을 알 수있음. Control Valve Size 선정(예)

밸브를 선정할 때 가장 주의하지 않으면 안되는 것중의 하나가 밸브 출구측 유체속도 임 라. 유체속도(Velocity) 밸브를 선정할 때 가장 주의하지 않으면 안되는 것중의 하나가 밸브 출구측 유체속도 임 유속이 일정치 이상 빠르면 밸브진동이 심하여 대단한 소음이 일어나며, 캐비테이션 및 침식 현상 발생하여 밸브 포트 뿐만 아니라 본체도 심한 마모현상 발생 따라서 유속을 계산하고 유체에 따른 제한속도 범위내의 속도를 선택해야 하며, 속도가 빠를 때는 본체 사이즈가 큰 것을 선택 1) 유체속도 계산식

5. 보조기기 필요 시 Control Valve에 부착하여 Valve의 성능 및 효율을 향상 조업 및 정비에 필요한 정보 제공 가. 역할 필요 시 Control Valve에 부착하여 Valve의 성능 및 효율을 향상 조업 및 정비에 필요한 정보 제공 나. 종류 ㅇPositioner ㅇAir Set(Regulator, Filter) ㅇLimit Switch ㅇPosition Transmitter ㅇSolenoid Valve 등 다. I/P Positioner 개요 1)역할 Controller 출력신호(4~20mA)를 공기신호로 변환, 상응하는 힘을 Valve Stem에 가하여 Valve Plug 개도를 일정하게 유지 시키기 위함 다음의 경우는 일반적으로 Positioner를 사용 ㅇActuator가 15 Psi를 초과하는 공기압 요구시(=Pressure Amplification) ㅇValve가 분할된 개도 범위에 있을 시 (=Spliter, Valve1 : 4~12mA, Valve 2 : 12~20mA) ㅇ불감대(Dead band)가 신호범위의 5%(0.6Psi 또는 0.8mA)를 초과 시 ㅇ안전상 필요 시 2)구조 및 동작원리

Controller 출력신호가 Magnet을 磁化, Flapper를 움직여 Nozzle과의 간극을 조정 이 간극에 의한 배압이 Actuator 공급압이 되어 Stem을 움직이게 함 (이때 Pilot 장치에서는 Nozzle-Flapper에 의해 응답된 압력의 크기로 공급 공기량을 많게하여 Actuator를 무리없이 동작 시킴) Stem이 움직이게 되면 Feedback Spring을 통하여 Flapper가 Feedback, Flapper가 Nozzle로 부터 약간 떨어져 Nozzle 압력이 떨어지고 Pilot Valve는 닫혀 압력균형 6. Cavition & flashing 가. 발생 Mechanism 유속의 증가 및 압력의 감소 액체가 밸브의 Trim부에 도달하게 되면 유속 V는 증가하고 압력 P는 감소시작 증기압에 따른 기포발생 저하하는 압력이 액체 증기압 Pv 이하가 되면 액체 일부가 증발하여 기포 발생 기포의 소멸(Cavitation) Trim부를 통과시 저하된 압력은 통과후 압력회복에 의해 Body 내벽 부위에서 기포소멸 압력회복에 의한 에너지 발생 기포가 소멸하면서 압력이 급격하게 회복되고 이때 발생된 에너지가 Valve Body 부나 배관 내벽에 충돌

충돌에 의한 Erosion의 심화 충돌할 때 발생하는 힘은 국부적으로 수천 Kg/㎠ (약 70 Kg/㎠)에 달하게 되어 진동을 일으키고 15 ~ 10000Hz의 소음 발생. 이와같은 현상을 Cavitation Erosion이라 부름 나. 압력 손실과 회복의 상태

다. Cavitation & Flashing 영향 발생하면 Inner Valve(Trim) 및 Balve Body부의 Erosion 즉, 기계적 마찰 침식과 소음발생의 원인 Flashing 영향 Cavitation 만큼 큰 에너지의 방출이 없어서 Erosion 및 소음발생은 Cavitation 보다 적지만 증발에 의한 체적의 팽창으로 Valve 용량을 감소. 또한 Cavitation과는 무관하지만 포화온도 혹은 그 온도에 가까운 액체는 Trim부 (Seat)를 통과할 때 압력이 강하되고 액체의 일부가 증발해서 체적이 팽창하기 때문에 Valve 용량을 감소 시킴 7. 설치 가.설치공사시 주의사항 포장을 푼 상태에서 먼지, 티끌 등이 많은 장소에 설치하면 작동불량 및 패킹부의 누설 등이 발생하는 경우가 많음 장기간 방치시는 패킹 체결 너트를 풀어서 패킹을 보관 배관에 설치시는 수평, 수직, 동심 등 배관의 중심을 맞추어 밸브파괴의 원인이 되지 않도록 함 배관에 설치 전 배관내의 이물질을 반드시 제거

나. 설치위치 유지보수가 용이한 곳에 공간을 확보 화물운반통로와 근접한 곳을 피할 것 주위온도: 상온에 가까운 곳, 연속적인 진동이 걸리는 곳은 피함 펌프, 엔진, 컴프레셔 등에 인접해서 설치시 밸브전후에 지지대 설치 (볼트, 너트의 풀림, 각부의 마모원인) 다. 설치방법 원칙적으로 수평배관에 구동부를 위로해서 수직으로 설치 일반적으로 바이패스라인을 설치 바이패스라인을 생략하는 경우에는 가능한 수동핸들을 부착

8. 유지보수 가. 일상점검항목 유체 누설 Grand 패킹부 및 유체와 접하는 부위에서 누설여부 확인. 특히, 보디부 누설은 대부분 재질 침식 및 부식에 의한 것으로서 이 정도를 사전검토 Stroke와 입력신호의 관계 및 밸브 Stem 동작의 원할도, 스토크와 입력신호가 규정대로인지 또 스템동작이 원할한 지 확인 주유기에는 Grease가 충분한 지를 확인 본체부에 이상음이 발생되고 있는가를 확인 나. 정기점검항목 보디부 내벽 유체가 직접 충돌하는 부분은, 특히 차압이 높은 밸브 등에서는 침식이 크게 됨 밸브시트 밸브시트 풀림, 나사로부터의 누설에 의한 침식, 내면 부식 등에 주의 Inner 밸브 각부의 침식, 마모, 부식의 정도, 특히 차압이 클 경우는 각부 균열 발생여부 검토 구동부의 스프링, 다이어프램, 오링 이러한 부풍의 분해시는 노화도, 탄성, 균열의 유무 등을 확인 각부의 패킹, 개스킷 밸브 수리시(정기 점검 및 분해)마다 신품으로 교체 끝.