컨트롤밸브 작동원리 - keonteulolbaelbeu jagdong-wonli

밸브매거진기사

컨트롤 밸브와 포지셔너(밸브엔지니어링 2015년 3월호 기사)

컨트롤 밸브와 포지셔너

글 | 영텍_이용희 연구소장

컨트롤 밸브는 외부의 제어신호에 따라 밸브의 개도를 조절할 수 있는 밸브를 지칭하는 것으로 발전소, 수처리, 석유화학 등 각종 공정자동화의 효율 및 성능에 중대한 영향을 미치는 핵심적인 기기이다. 일반적으로 제어신호는 현장에서 발생하는 각종 노이즈로부터 신호의 왜곡을 방지하기 위해 4-20mA의 전류를 사용하며 밸브를 구동시키기 위한 보조 동력원으로서 공압을 이용한다.
컨트롤 밸브는 크게 밸브본체, 액추에이터, 포지셔너로 구성되어 있다.

밸브 본체는 사용하는 유체의 유량을 직접적으로 제어하는 부분으로서 글로브, 게이트, 버터플라이, 볼 등의 형태로 나눌 수 있다. 여기서 글로브와 게이트 타입의 밸브는 유량을 제어하기 위한 플러그 운동이 직선운동을 하기 때문에(그림 1(a)) 리니어식 밸브라고하며 버터플라이와 볼밸브 등은 회전운동을 하기 때문에(그림 1(b)) 로타리식 밸브라고 부른다. 액추에이터는 보조동력원인 공압을 이용하여 밸브본체와 연결된 스템을 밀어내거나 회전토크를 발생시켜 밸브를 구동시키는 역할을 담당한다. 따라서 밸브본체를 구동하기 위해 필요한 힘과 이동거리(혹은 회전각도)에 따라 액추에이터의 사양이 결정된다. 포지셔너는 밸브본체(정확하게는 스템)와 연결된 센서를 통해 플러그 개도를 측정하고 외부로부터 입력된 명령신호(4-20mA)와 비교하여 밸브의 개도가 명령신호와 일치할 때까지 액추에이터로 공급되는 공압을 조절하는 제어기기이다.
모든 컨트롤 밸브의 제어성능은 포지셔너의 성능에 직접적인 영향을 받는다. 잘 설계된 포지셔너는 액추에이터나 밸브본체에서 발생하는 기계적 저항을 적절하게 제어하여 오버슛이나 헌팅을 최소화시키기 때문이다.

포지셔너는 컨트롤 밸브의 종류에 따라 리니어타입과 로타리타입으로 나뉘기도 하지만(그림 1) 구동방식 즉 스프링 리턴타입(그림 2(a))과 피스톤타입(그림 2(b))에 따라 단동식과 복동식으로도 나눌 수 있다. 단동식의 경우 액추에이터를 구동하기 위한 공기압포트 A로 공기를 유입 혹은 배기하기에 따라 스템의 운동방향이 결정된다. 그러나 복동식인 경우는 A포트로 공기가 유입될 때 B포트로 배기를 해야만 스템의 운동이 발생하기 때문에 서로 반대로 동작하는 두개의 파일롯이 포지셔너에 존재하여야 한다.
포지셔너는 공정제어를 위한 신호전송 체계의 변화에 따라 함께 변화하여 왔다. 1950년대까지 공정제어에 사용된 컨트롤/계측신호는 3-15psi였고 1960년대부터 4-20mA의 전류신호가 사용되었다. 이때까지 포지셔너는 스프링과 토크모터의 링크로 설계된 기계식 포지셔너가 사용되었으나 1990년대 들어 profibus, devicenet, foundationfieldbus와도 같은 다양한 통신프로토콜이 개발되면서 점차 내부에 MPU가 장착된 스마트 포지셔너가 등장하였고, 현재 스마트 포지셔너의 시장 점유율은 50%가까이 될 정도로 급속한 성장을 이루고 있다.

그림 3은 스마트 포지셔너의 동작원리를 설명한 것이다. 액추에이터의 개도와 명령신호를 포텐셔미터로 읽어들인 후 Micro Process Unit(MPU)가 적절한 제어신호를 계산하여 파일롯으로 보내면 파일롯은 MPU의 신호를 공압신호를 변환하여 액추에이터로 전송한다. 반면에 기계식 타입의 경우 밸브의 개도를 스프링으로 입력받으며 이 힘은 명령신호(4-20mA)가 입력된 토크모터의 힘과 비교됨으로서 그 차이를 공압신호로 변환하여 다시 파일롯으로 전송되는 구조를 가진다(그림 4).

스마트 타입의 포지셔너는 내부에 MPU가 장착되어 있기 때문에 기계식 포지셔너와는 달리 다양한 기능을 구현할 수 있다. Auto calibration, user setting, display function, memory 기능은 대표적이고 가장 많이 사용하는 유용한 기능들이다. 그 외에도 통신기능을 장착할 수 있기 때문에 향후 포지셔너 시장은 스마트 타입의 포지셔너가 대부분을 차지할 것으로 전망된다.
일반적으로 포지셔너의 제조사와 밸브(밸브본체 및 액추에이터)의 제조사는 다르다. 또한 밸브의 제조사마다 액추에이터의 규격이 모두 다르기 때문에 하나의 제조사에서 제조된 포지셔너가 다른 규격의 밸브에 정확히 장착되기 위해서는 브랏켓이라고 하는 보조기구가 필요하다. 그림 5는 로타리 타입과 리니어 타입의 경우 포지셔너를 장착하기 위한 브랏켓의 예를 보여주고 있다. 일반적으로 브랏켓은 스테인레스 스틸 혹은 스틸을 사용하기 때문에 고온의 유체를 사용하는 경우 유체에서 발생하는 열이 브랏켓을 통해 포지셔너로 그대로 전달되는 경우가 많다. 이러한 경우는 포지셔너의 허용온도범위를 벗어나는 경우가 생기므로 포지셔너가 손상을 입을 수 있다. 고온에 사용되는 컨트롤 밸브의 경우 브랏켓을 스틸종류가 아닌 열전도가 낮은 재질로 개발할 필요성이 있다.

90년대 초반까지만 하더라도 기계식 포지셔너의 대표주자인 일본의 SMC사가 세계시장을 과반수 이상 점유한 것으로 판단되나, 최근 포지셔너의 사용이 기계식 보다 스마트 타입이 늘어나면서 독일의 SIEMENS와 ABB사의 포지셔너 사용이 급격하게 증가되어 현재는 SIEMENS와 ABB사의 포지셔너가 세계적으로 가장 많이 사용되는 제품으로 추정된다. SIEMENS와 ABB사는 90년대 초반에 이미 스마트 타입의 포지셔너를 개발 완료하여 상품으로 시장에 선 보였으며 꾸준한 연구개발로 현재는 Foundation fieldbus, Profi-bus, Wireless-HART의 통신기능까지 내장한 제품을 생산하고 있다. 그림 6은 SIEMENS와 ABB의 대표 제품인 SIPART와 TZIDC의 외관을 보여주고 있다. 두 회사의 제품 모두 3-4개로 이루어진 버튼 조작으로 셋팅을 하며, LCD를 내장하여 포지셔너의 상태 및 밸브의 개도를 육안으로 확인할 수 있도록 하였다. SIEMENS와 ABB의 뒤를 이어 일본의 YAMATAKE는 생산단가를 낮추기 위해 버튼과 LCD 기능을 제외한 저가형 스마트 포지셔너를 생산하고 있다.

국내에서는 97년도에 기계식 포지셔너를 개발 완료하여 지금까지 생산하고 있으며, 2000년도에 스마트 포지셔너를 개발 완료하고, 보다 성능을 개선한 YT2300시리즈를 2003년도에 개발 완료하여 보급하고 있다. 또한 Fieldbus중 하나인 HART제품을 2004년도부터 공급하고 있고 2005-2007년까지 Foundation fieldbus형 스마트 포지셔너를 개발 완료 하였다. 그림 7은 현재 국내에서 생산되고 있는 스마트 포지셔너의 외관을 보여주고 있다.

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안녕하세요~ 모두들 즐거운 월요일 아침 보내고 계신가요?^^
지난 포스팅에서 자동제어에 관한 대략적인 내용을 말씀드린 적이 있는데요, 이번 포스팅부터는 조금 더 상세하고 깊은 내용으로 들어가고자 합니다. 오늘은 자동 제어 밸브에 대해 알려드릴텐데요, 길이가 너무 길어질 것 같아 몇 차례에 나누어 연재하고자 합니다. 궁금하신 점은 언제든 댓글로 알려주세요.

1.자동제어밸브 개요

제어 밸브란 Controller로부터의 조작량(MV)을 기계적인량으로 변환해주는 부분으로 제어대상을 움직이는 곳입니다. 주요기능으로는 최종 제어구성요소로서 유량, 압력, 속도를 조절하고, 유체의 방향 전환, 유송 및 차단을 담당합니다. 이런 제어 밸브는 본체(Body), 조작부(Actuator), 보조기(Accessary)로 구성되어 있는데요, 여름용 냉방밸브에는 유압모터 방식이, 겨울용 난방밸브에는 전동모터방식이 사용됩니다.

2. 전동식 컨트롤밸브의구조

전동식 컨트롤밸브의 구조에 대해 살펴보겠습니다. 액츄에이터는 입력신호를 받아 제어하는 부분으로 밸브에서 두뇌역할이라고 할 수 있습니다. 그리고 리테이너는 스템의 직선운동를 지지해주는 역할이고, 시트와 플러그는 밸브 개폐를 담당합니다.

3. 공압식, 전동식, 유압식 밸브의 특성(클릭하시면 크게 보여요)

4. 밸브고장원인

1) 캐비테이션
유체에는 공기나 증기가 녹아있는데, 압력이 높을 때는 그대로 녹아 있지만 압력이 떨어지면 반대로 공기나 증기가 발생되는 현상으로 인한 침식입니다. 예를 들어 물에 녹아 있는 공기를 생각해 보겠습니다. 공기는 평소에는 압력때문에 그대로 물 속에 녹아 있게 되지만, 유체가 밸브를 통과하여 압력이 떨어지게 되면 기포가 생성되고, 발생된 기포는 압력이 회복되는 부분까지 이동하여 터지게 됩니다. 이 때 기포의 폭발로 압력이 상승하여 소음이 발생되고, 배관내부에 침식, 부식, 마식이 일어나는 것이 바로 캐비테이션 입니다.

2) 플랭싱
플랭싱은 유체중 액체에만 나타나는 현상으로 액체가 밸브를 통과할 때 압력이 가장 낮은 지점에서 액체의 일부가 증발하는 현상입니다.

3) 콘트롤 밸브의 경우
콘트롤 밸브의 경우 이물질 또는 부식으로 인한 시트, 플러그의 흠집, 또는 마모로 인한 누증이 일어나는 경우가 많습니다. 그럴 경우 씰링 처리를 하거나 스템의 제어길이를 늘려 시트와 플러그를 더 밀착시켜 누증을 막아야 합니다. 만약 그래도 누증이 되면 시트와 플러그를 교체 해 주어야 합니다.

다음 포스팅에 이어서 말씀드리겠습니다.^^

사진 및 자료 출처: 플리커(big/sara), 한화63시티

박주혁

| 한화63시티 63운영팀 대리
안녕하세요. 63운영팀 박주혁 대리입니다. 저는 63빌딩 종합관제실에서 에너지와 자동제어분야 업무를 담당하고 있습니다. 에너지와 자동제어분야에 필요한 지식과 정보를 알려드리겠습니다.