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  Diaphram Compressor의 Spill back line 질문
  글쓴이 : 파르데스   고유ID : dynast     날짜 : 21-07-21 00:09     조회 : 171    
안녕하십니까.
저희 공정에서는 반응기 공급용 수소 Diaphragm 컴프레서를 3대 보유하고 있습니다.
Suction 압은 14kg/cm2g를 유지하고, Discharge 압력은 100kg/cm2입니다.
3대 병렬로 연결되어 있고 토출 Line의 일부는 반응기로 Feed되고(유량 컨트롤), 일부는 Spill back Line을 통해
이중관 열교환기를 통해 Cooling된 뒤 다시 Suction Vessel로 Recycle됩니다. 이 Spill back Line에는 컨트롤밸브가 토출 압력(100kg/cm2)을 일정하게 유지시키기 위해 일부량을 Recycle 시키고 있습니다.

문제는 반응기에서 소모되는 수소의 양은 약 130Nm3/hr 수준이고 컴프레서는 1대당 110Nm3/hr의 용량을 가지고 있으니, 2대로도 충분한 용량인데 2대 운전할 시에는 흡입/토출 압력과 유량이 모두 불안정하게 흔들린다는 점입니다. 
Spill back Line의 컨트롤 밸브는 3대 운전시에는 60% Opening되지만 2대 운전시에는 20% Opening됩니다. 
이 이유때문에 현재 3대 중 Stand-by 없이 3대를 모두 운전하고 있습니다.

저의 추측으로는 10년 전 Revamping 시 컴프레서를 2대에서 3대로 늘리면서 Spill-back Line과 컨트롤밸브를 수정하지 않았기 때문에 컨트롤밸브의 제어 범위를 벗어난 것으로 보고 있습니다.
1) 3대 운전 시 : Spill-back 유량 = 3대 × 110 (수소컴프레서 용량) - 130 (반응기 소모 수소량) = 200 Nm3/hr
2) 2대 운전 시 : Spill-back 유량 = 2대 × 110 (수소컴프레서 용량) - 130 (반응기 소모 수소량) = 90 Nm3/hr
이렇게 Spill back 유량이 변함에 따라 3대 운전 시에는 60% Opening 되던 것이 2대 운전시에는 20% Opening되고, 이에 따라 컨트롤 범위를 벗어나는 것으로 보입니다.

Q1. 위와 같은 판단이 맞는 것인지 궁금합니다.
Q2. 이 판단이 맞다면, 이를 개선하기 위해 Control Valve의 Cv값을 재검토하는 방안과 PCV를 설치하는 방안을 생각하고 있는데, 어떤 것이 더 나은 방안일런지요? PCV가 더 안정적으로 Control할 수 있을 있을 것으로 보이는데
(Maker측도 동의) 컨트롤 방식을 변경하는데에 대한 부담이 있습니다.
 


KAI pwr2345   21-07-21 17:35
A1.
운전되는 컴프레셔의 수에 따라 Spill-back line에서의 delta P 변화로 인해 컨트롤밸브의 Opening이 흔들리는게 아닐까요?
2대로 가동할경우 3대보다는 line상의 delta P는 감소되고, Suction Vessel이 일정한 압력으로 관리되고있다면 컨트롤 밸브에서
delta P를 크게 물게되니 Cv값이 감소하여 Opening이 떨어진것은 아닌지 예상해봅니다.

A2.
PCV가 별도 압력계측기로부터 신호를 받아 제어되는 장치가 아닌 Regulator같은 개념이라면 현재와 같이 가동하는 컴프레셔의 수를 변화시켜 운전하게 될경우 PCV Feed 조건이 변하게되니 오히려 불안정한 Control이 되지 않을까 생각해봅니다.
공정상의 Minimum, Maximum 운전 조건에 따른 컨트롤밸브 delta P검토를 다시하여 컨트롤 밸브와 line Size를 재검토 및 변경하시는게 운전변화에 따라 안정적으로 Control 할것으로 생각해봅니다.
Stefano    21-07-22 00:31
(A1) 2대를 가동할 때보다 3대를 가동할 때 배출량이 많아지므로 설정 배출압력을 유지하기 위해 밸브 Opening을 더 늘여주어야 함은 당연한데 이로 인하여 압력 Sensor가 흔들리고 있어서 Set Point와 Present Pressure의 차이가 흔들리고 있으므로 Controller Output이 함께 흔들리고 있기 때문입니다.  (Control System에서 Sensor가 흔들린다는 것은 <쥐약>이나 다름없습니다.)

(A2) 이를 개선하기 위한 방편으로는
i) 현 상황에서 2대만 가동해도 Pressure Sensor가 크게 흔들린다면 단순히 Sensor Block Valve를 아주 조금만 열어줘서 Pressure Sensor의 흔들림을 줄여주고 Pressure Controller의 PID Parameter를 조절하는 방법으로 많은 개선될 수도 있습니다.  (비례상수, 미분상수 효과를 줄여주고 적분시간을 늘어주는 방법)

ii) Spill Back Controller에서 Sensor가 흔들리면 오히려 수동조절함만 못할 수 있으므로,  Controller와 Control Valve 대신 기계식 Back Pressure Regulator(Pressure Regulation Valve, PRV)를 달아두는 방법으로 크게 개선될 수 있습니다.  만일 PRV 차압이 너무 클경우가 발생하면 PRV 전 혹은 후에 수동밸브를 조금만 열우 두고 운전할 수 있습니다.

iii) 혹시 Compressor  Discharge  측에 Buffer Drum이 달려있지 않거나 용량이 부족한 경우 2대 만으로도 용량이 충분하므로 Buffer Drum의 용량을 늘여주거나, 

iv) 모터에 Inverter를 사용하여 Discharge 압력에 따라 회전수를 조절하도록 하고 Controller와 Control Valve 대신 기계식 Back Pressure Regulator(Pressure Regulation Valve, PRV)를 달아두는 방법.

굳이 3대를 돌릴 필요가 없을 것이므로 비용측면에서 위의 방안 i~iv 순으로 해결해 보는 것이 좋다고 판단됩니다.
파르데스 dynast   21-07-23 00:06
1. 현 상황은 3대 운전 시에는 운전이 안정적인데 2대일 경우에 압력/유량이 흔들립니다. 압력 Sensor가 흔들린다고 하셨는데 3대 운전에서 2대 운전으로 전환 시 압력 Sensor가 흔들리는 이유가 이해가지 않습니다. 그렇게 생각하신 이유가 궁금합니다.
2대의 용량으로는 원하는 유량을 Feed하려 할 때 압력이 Set Point(100kg/cm2) 대비 차이가 너무 커서 그런걸까요?

2. 만약 Sensor의 문제라면 KAI님이 말씀하신 것처럼 Control Valve의 Cv값이나 Line Size를 재검토하는 방법은 해결 방안이 될 수 없는 건가요? (제 생각으로는 없다고 판단됩니다)

3. 만약 Sensor 문제가 아니라 Control Valve Cv의 문제라면 Controll Valve의 전후단 밸브를 일부 Throttling 하는 방법으로도 개선이 가능한건지 궁금합니다.

추. iii)각 3대의 컴프레서에 각각 Suction측/Discharge측에 Buffer Drum이 있고, 3대로 분기되어 Feed하는 공통 Buffer Drum이 별도로 있습니다. 이렇게 병렬로 Buffer Drum들이 있을 때 적정 Size 설계에 대한 정보가 있다면 알려주시면 감사하겠습니다.
Stefano    21-07-24 02:19
A1) Compressor 운전댓수와 관계없이 Pressure 값이 크게 흔들리고 있는 경우를 설명했던 것입니다.
Diaphragm Compressor나 Piston Compressor와 같이 Positive Displacement(PD) Compressor는 Pressure Pulse 를 나타내기 때문에 Buffer Drum,  Pulse-dampener,  Pressure Regulator를 필요로 하고  Dischage Pressur를 일정하게 유지해야 Flow Control 도 용이해집니다.  Pressure  Controller를 두는경우 그 배압 측정을 위한 계기를 언급한 것입니다. 

A2) Control Valve Cv값이란  Valve가 완전히 열렸을 때의 유량계수를 의미하며 운전중에는 Valve Position에 의해 목적으로 하는 유량을 맞추어 주기 위해 자동적으로 정해집니다.    Controller 는 Cv 값을 인지하지는 못하지만 Feed Back Loop에 의해 목적값을 자동을 맞추기 위한 Valve Position을 맞추어 값니다. 

만일 Valve가 완전히 열렸음에도  원하는 유량을 흘려보내지 못하는 경우라면  그 Valve를 Cv  값이 더 큰 것으로 교체하여야 하는데  Valve가 아주 낮은 Opening에서 운전되고 있다면  Cv값 너무 크거나  차압이 너무 크게 나타나서 일어나는 현상입니다. 

a)전자의 경우 Valve를 교체하지 않고  Valve Pass Valve를 부분적으로 수동조절해 두고 운전하는 방법으로 해결할 수 있고
b)후자의 경우 Valve 전후에 달려있는 수동밸브를 부분적으로 닫아줌으로써  Control Valve 전후 차압을 낮추어 운전할 수 있습니다. 

Valve 교체만이 능사는 아니고 상황에 따라 수동조절 운전하는 방법을 먼저 찾아 보는 것이 급선무입니다.
Control Valve는 잘못 선정되었어도 Cv값이 운전범위를 크게벗어난 경우가 아니면 대개 자동적으로 조절됩니다.

A3) Sensor가 크게 흔들리는 경우가 아니면 Bypass Line( a의 경우),  혹은 Block Balve(b의 경우)를 사용하여 <운전가능함>을  A2에서 설명한 것입니다.   

A4) Compressor 각각의  Suction/Discharge Buffer Drum이 있고 또 이들이 모두 같은 Suction/Disch Header에 연결되어 있다면  Pressure/Flow Fluctuation은 최대한 완충하는 효과를 가지므로 과잉유량을 최대한 Suction으로 Spill Back(Kick-back)할 수 있는 Bypass Control Valve 혹은  Pressure Regulator 를 달아두는 것인데

이때 최대 차압과  (Compressor 동시 가동시 유량 - 부하용량)을 기준으로  Cv값을 계산하고 이 Cv 값보다  약 20~30% 큰값의 Control Valve를 찾으면 될 것입니다.   

Pulse-Dampener 용량은 Maker의 Catalog를 참조할 수도 있습니다.
파르데스 dynast   21-07-27 23:37
자세한 설명 감사드립니다!! 많은 도움이 되었습니다.
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