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  Control Valve 선정시 NOR, MAX 유량과 차압 문의
  글쓴이 : 코끼리   고유ID : tnstjssla     날짜 : 18-07-26 14:11     조회 : 1248    
안녕하세요.
이전에 한 번 답변을 얻은 적이 있지만 다른 문의사항이 생겨 글을 작성합니다.
 
Control Valve Datasheet에 Normal 유량 / Max. 유량 두 가지 case에 대해 Cv 가 작성되어 있습니다.
 
Q1. Datasheet를 보면 Nor 유량일 때와 Max 유량일 때 차압이 동일한 경우와 그렇지 않은 경우가 있습니다.
      제 생각으로 Max 유량일 때에는 밸브 Opening이 크므로 차압이 적게 걸릴 것 같은데
      두 가지 케이스에 대해 차압이 동일할 수도 있는 것인지요
 
Q2. Control Valve의 Downstream이 운전압력 5.0KG 인 드럼으로 꽂혀있습니다.
      그렇다면 NOR, MAX 유량에 따른 밸브의 후단 압력은 5.0 KG로 동일하게 적용해야 하는 것인지요?
      (밸브 차압이 동일한 이유)
 
감사합니다.

스테파노 Stefano   18-07-26 18:03
(1) Control Valve는 일정하게 열려있는 상태라면 Orifice와 같습니다. 
Orifice의 경우  Orifice 전후 차압이 높아지면서 유량이 늘고 차압이 줄어들면 줄어듭니다.  통과노즐의 단면적과 형상은 동일하고 유속과 차압만 달라집니다.  이 때의 유량은 차압의 제곱근에 비례하여 변화됩니다.     

Control Valve의 경우 차압이 일정하다고 보면 노즐 단면적을 달리함으로써 유량을 다르게 조절할 수 있습니다. 
이때의 유량은 미리 정해둔 차압을 상수로 보고 Control Valve가 더열리고 덜 열림으로써 면적이 달라져 유량이 조절됩니다.

차압이 달라지는 경우 동일 Control Valve Position이 동일해도 유량은 달라집니다.  이 때 나서는 것이 Controller입니다.  Controller는 약간의 차압이 달라져도 원하는 목적의 유량을 자동으로 조절할 수 있는 신호를 Valve Positioner에 내보냅니다.  또한 신호에 따라 제대로 동작하고 있는 가를 Feedback 신호를 Controller에 전달함으로써 원하는 유량이 유지되도록 비례조절이 가능합니다.  Feed Back 신호가 있어서 약간의 차압변동은 알아서 자동 조절되도록 되어 있습니다.

(2) 문제는 Control Valve를 선정함에 있어서 차압을 크게둘 것인가 작게둘 것인가를 결정하는 일입니다.  여기서 염두에 두어야 할 것은 바로  운전영역에 관한 사항이 됩니다.  운전되지도 않을 영역에서 Control Valve가 선정이 되면 그 Control Valve는 Controller의 신호(갑의 위치에서의 지시)에 따라 부단한 노력을 하느라 피곤해 집니다.  어느 경우에는 완전히 열려운전해도 유량을 못내보낼 수도 있고 어느 경우에는 아주 조금만 열어도 너무 많이 흘러가는 바람에  밸브 틈이 몸살을 앓게 됩니다.

차압을 적게 해두고 밸브를 선정하게 되면 밸브의 크기는 커집니다.  (Cv값이 큰 밸브로 선정됩니다.)
반대로 차압을 크게 해두고 밸브를 선정하게 되변 밸브는 작아지지요 Cv값이 작은 밸브가 필요합니다.

Min. Max 유량에서 Cv값이 알려져 있고 두 조건을 모두 만족하는 그런 밸브를 찾으면 큰밸브의 Cv값을 가지는 밸브가 선정됩니다.  밸브는 20~80% 정도 (더 좁게는 30~70%) 열려 운전하면 제격입니다.  그 범위내에서 압력도 일정하게 유지되고 밸브도 일정한 Opening을 유지한 상태가 가장 안정된 상태가 되는데 범위가 약간 더 넓어져도 Controller의 능력으로 조절할 수 있지만 앞서 이야기 한 것처러 너무 극단적인 상태 (거의 열리거나 특히 거의 닫힌 상태)로 운전되는 것은 바람직하지 않지요 너무 닫힌상태라면 밸브 수명이 짧아지고 완전히 열린상태라면 유량조절이 잘 되지 않는 상태가 돼버리고 경우에 따라서는 용량이 부족한 상태가 되어 버리지요.

따라서 운전영역에서 적절한 값의 Cv값을 갖도록 하는 것이 필요하고 그리 하려면 Control Valve 전후의 압력차 즉 차압을 인가해 주고나서 밸브를 선정할 필요가 있지요.  Upstream에서 Downstream 사이의 압력의 약 1/3 정도를 Control Valve에 할당하는것이 적절하다는 것이 일반적인 관념입니다.    질문의 경우 후단 압력이 5 KG라면 후단 압력은 정해져 있고 전단 압력을 얼마로 하느냐에 따라 선정되는 Control Valve의 크기가 결정되지요.  후단의 배관이 아주 길지만 않다면 5KG 상수로 봐도 됩니다. 

밸브차압을 동일하게 두고 Control Valve가 조절하여 운전영역에서 Controller가 위력을 발하도록 위임하는 것이 좋습니다.
앞선 설명에 반복하는 이야기지만  차압을 큰게 둔 상태에서 동일하게 둔다면 밸브크기는 커지고 그 반대면 밸브는 작아집니다.
코끼리 tnstjssla   18-07-27 15:56
친절하고 상세한 답변 감사합니다.
제가 정확히 이해했는지 몇 가지 더 궁금한 점이 있어 질문드립니다.

Q1. Drum1 (17.1 KG, 205 'C)에서 Drum2 (5.5 KG, 160 'C) 로 Steam Condensate를 이송하는 배관에 Control Valve가 있습니다.
    Valve의 Nor 유량은 3,500 kg/h, Max 유량은 6,000 kg/h 라고 설정할 때 Nor, Max 유량일 때 모두 차압을 동일하게
    11.6 KG (17.1 - 5.5) 로 하고 밸브가 Controller를 통해 유량조절을 하는 것이 맞습니까? (노즐 단면적을 증가시키면서)

Q2. Cv 계산시 Upstream, Downstream 사이 압력의 1/3을 할당하라고 하셨습니다. 그러면 Nor, Max Cv 계산시 유량에
      관계없이 차압은 동일하게 적용이 되는 것인지요? 앞서 유량은 차압과 관련이 있다고 해주셨는데 Cv 계산시
    차압을 동일하게 두는 것이 아직 이해가 잘 되지 않습니다.
   
아직 초보 엔지니어라 모르는 것이 많습니다. 항상 좋은 답변 감사드립니다.
Stefano    18-07-27 21:16
차압이 크게 나지 않는 경우 Control Valve가 제어할 수 있으려면 어느 정도 차압을 Controller에 할당해야 한다는 것이었고
질문의 경우처럼 차이가 많이 나는 경우 Control Valve 전후 배관의 영향이 있기도 하겠지만 대부분의 압력이 Control Valve의 전후에서 나타나기 때문에  배관의 길이가 아주 길거나 관경이 아주 작은 경우가 아니라면 차압이 동일하다고 보아도 될 것입니다.

특히 Condensate의 량이 계속 흘러들어오고 계속 흘러나가는 상태이고 Condensate Drum으로 높은 압력의 Condensate가 감압되면서 흘러들어오는 경우 두 드럼의 압력은 거의 일정하게 유지됩니다. 

따라서 질문의 시스템에서는 약 11 kgf/cm2의 압력차가 일정하게 유지하는 상태에서 Max, Min 유량이 흘러갈 수 있어야 한다고 보고 밸브를 선정해 보세요.  두 경우를 동시에 만족하면서 밸브를 찾는다면 유량이 큰 Max 에 해당하는 유량에서의 Cv값을 찾으면 되는데...

그 Max 값이 발브가 완전히 열린상태 즉 그 밸브의 Cv가 되면 조절할 수 있는 극한에 맞춰진 밸브가 될 것이므로
Min~Max 범위의 유량에서 Valve Opening이 20% ~80% 정도가 되도록 하는 것이 좋은 선택입니다. 

이곳에서 참고되는 내용을 찾아 보세요.
http://fluidflowinfo.com/control-valve-sizing/
https://www.valin.com/resources/articles/size-matters-control-valve-sizing-101
코끼리 tnstjssla   18-07-30 10:38
감사합니다.
많은 도움이 되었습니다.
링크를 통하여 더 공부하도록 하겠습니다.
좋은 하루 보내세요!
이종석 chemtech   18-08-06 16:24
코끼리님의 상기 질의를 보면 STEAM CONDENSATE를 DRUM1 (17.1kg/cm2), DRUM2(5.5kg/cm2) 로 수송을 하는
경우로 DRUM2는 FLASH VESSEL 로 고압의 응축수를 저압의 DRUM으로 보내 재증발 시켜 스팀을 발생시키는
형태일 것 이므로 CONTROL VALVE의 차압을 11.6kg/cm2를 적용하는 것은 맞지 않으며 잘못된 경우 입니다

이 경우 CONTROL VALVE (FCV)의 차압은 최소를 적용하고 (0.1Kgcm2) 나머지는 DRUM2로 배출이 되면 DRUM2
에서는 PCV로서 증기의 압력을 5.5kg/cm2로 control 하고 있으므로 여기서 압력이 낮아지면서 재증발 되도록
해야 하지요

CONTROL VALVE에서 차압이 11.6kg/cm2로 하면  CONTROL VALVE를 지나자 마자 재증발증기가 발생되어 VALVE를
비롯해서 배관에서 HAMMERING 이 심하게 발생되어 그 충격으로 문제가 발생 됩니다

스테파노님 께서 설명해 주신부분은 일반적인 CASE에 적용이 되는 것으로서 일반적인 경우에는 그렇게 설계하는 것이
맞으나 위의 예의 경우에는 압력이 떨어지면 바로 재증발증기가 발생되므로 CONTROL VALVE는 차압이
최소가 되도록 설계를 해야 합니다
스테파노 Stefano   18-08-08 15:26
(1) 해당 밸브는 아마 Condensate Drum (D1)의 Level Control Valve (LCV)일 것입니다.  Hot Condensate이기 때문에 밸브를 지나면서 Flashing이 당연히 일어나는 밸브이지요.  어쩔수 없이 차압이 많이 걸려 Flashing이 많이 일어나는 Control Valve의 경우 Valve가 Orifice와 조합으로 되어있는 형태의 특수형태의 밸브(Severe Service Control Valve http://www.mcilvainecompany.com/Universal_Power/Subscriber/PowerDescriptionLinks/Ory%20Selzer%20-%20CCI%20Valve%20-%206-2-11.pdf 참조)를 사용해야 합니다. 

(2) Drum 2에 달려있을 것으로 보이는 PCV가 5.5 kgf/cm2를 유지하도록 하기때문에 Drum간의 압력차가 그리 유지되는 것이라서  질문에서 언급하는 해당 밸브를 통과하면서 Flashing이 전연없이 감압할 수 있는 방법은 없습니다.  특수밸브를 사용하지 않는 대신, Control Valve 차압을 최소로 함으로써 Flashing이 최소가 되도록 하려면 Control Valve 후단에 별도의 2~3단의 Orifice를 달아  Control Valve 대신 각 Orifice에서 차압을 나타내도록 해야 합니다. 

참조(1) http://www.valvemagazine.com/magazine/sections/back-to-basics/6960-flashing-and-cavitation.html
참조(2) http://www.schuf.com/products/control-valves/control-valve-flashing-solutions
참조(3) http://www.instrumentationvalves.co.uk/wp-content/uploads/2013/10/Fisher-EH-and-EHA-Control-Valves.pdf
이종석 chemtech   18-08-13 11:34
실제로 현장에서는 CONDENSATE LCV의 경우 0.1kg/cm2 이하로  차압을 minimum으로 설계하여
설치하며 이때의 재증발증기의 양은 극소량 이라서 별도의 오리피스를 설치하지 않아도 아무런 문제가 발생되지 않습니다
설계상 차압을 크게할수 밖에 없는 경우에는 스테파노님 께서 추천해 주신 방식대로 콘트롤 밸브 후단에 오리피스를
반드시 설치해야 합니다
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