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  Heat exchanger configuration에 관한 질문.
  글쓴이 : chan   고유ID : rndcks     날짜 : 23-01-20 11:58     조회 : 315    
   HEX 그림.pdf (212.7K), Down : 10, 2023-01-20 11:59:46
안녕하세요 HEX configuration 관련해서 질문드립니다.첨부 이미지도 함께 참조 부탁드립니다.
HEX를 기준으로 Process outlet side에 TIC 가 있고 이를 통해 Cooling water 양을 FIC 로 cascade control 하는 그림입니다.
첨부 파일 내 그림 #1번 같은 경우는 orifice(=FT) 와 Control valve 가 cooling water supply line에 있고,
첨부 파일 내 그림 #2번 같은 경우는 orifice(=FT) 는cooling water supply line에 있고 Control valve는 Cooling water return line에 있는 경우 입니다.
Q1. 이 두 배치들에 대해 각각 장 단점이 있나요? 첨부 파일에는 cooling water 만 그려놓긴 했는데 Reference 자료들을 보니, cooling water 같은 경우엔 2번 그림과 같은 배치 , Steam 같은 경우엔 1,2번 둘다 있습니다...
Q2. Cascade control 이 발현되는 순서가 따로 있나요? 제 생각에는 TIC 의 set point에 따라 flow control valve 의 opening percentage 를 먼저 조절한뒤 미세한 차이를 Flow transmitter 가 보내는 signal 로 조절할 것 같은데 cascade control 이 발현되는 순서 또한 질문 드립니다.

스테파노 Stefano   23-01-21 01:07
(1) 그림 #1과 그림 #2은 동일한 Cascade Control System이고 단지 CW Flow Control Valve 취지만 다릅니다. 

공히 1) Process Fluid 출구온도를 감지기(TE)로 감지하고 2) 온도조절기(TIC)에서  미리 정해둔 설정치( S.V.)와  현재값(P..V)을 비교하여 그 편차의 차이의 비례/적분/미분값으로부터 제어기 출력값(O.V.)을 산출해 내고 3) 이 값을 이용하여  냉각수 유량조절기 (FIC)의 설정값(S.V.)을 자동적으로 지정해 줍니다.  이것이 하나의 제어루프를 구성하고

그리하면 4) 마찬가지 CW 유량제어 계는 이 설정치(S.V.)로부터 시작하여  CW 현재 유량을 FT로 측정(P.V.),  유량조절기(FIC),  제어출력값(O.V.)을 이용하여 Control Valve를  Final Control Element로 사용하여 조절합니다.  이것도 하나의 제어루프를 구성하고 있습니다. 

(2) CW의 Control Valve의 위치가 열교환기 입구냐 출구냐의 차이가 있지만  두개의 방법 모두 완전히 동일개념으로 조작순서와 원리는 완전히 동일합니다. 

CW의 Control Valve의 위치는 대부분 열교환기 출구에 위치하는 것이 보다 일반적으로 사용됩니다.  Valve 위치 선정을 위한 타당한 이유들은 주로 다음과 같습니다. 

  1) 냉각수 측에  Siphon 현상이나 Flashing 현상등에 의해 Air가 유입되는 것을 방지하기 위하여
  2) Tube 누설시  CW측으로 Process Fluid가 흘러나와 부식, Flouling등 오염방지 목적 (CW측에 pH Sensor, 등 감지기 설치)
  3) CW Process Fluid측으로 흘러들어가는 경우 (폭발 등의) 위험이 있는 경우에는 반드시 CW압력이 Process 압력보다 낮게 유지하도록 해야함.   

(3) Cascade 방식을 사용하지 않고 Process Temperature  Conroller Output값을 직접 CW를 조절하는 Single Loop로 조절하는 방법도 있는데 이때의 냉각수 조절 밸브는 TCV가 됩니다.    그림1.2는 보다 정교하고 고급스러운 제어계입니다.

(4) Steam의 경우에는 Steam과 Condensate와 같이 Phase가 다르고 Condensate를 조절해서 Steam공급량을 조절하는 방식은 Response가 크게 늦어지고 Condensate 배출이 원한하지 않는 경우 온도흔들림(Fluctuation)이 크게 증가할 수 잇습니다.

Condensate 조절하는 경우 전열면적 조절방식으로 운전할 수도 있는데 이를  "Flooded" 상태로 운전한다고 부르는데  전열면적을 충분히 해두고 정교하게 조절할 수 있기도 합니다.  그렇지만 이런 경우에는 Condensate의 Level Conroller를 Cascade Loop에서 TIC  Master Controller 하단에 Slave Controller를 연결하는 방법을 사용합니다. 

Steam을 사용하는 경우 Steam Side의 압력이 크게 달라지는 경우도 있기 때문에 정교한 온도조절에  TIC Master Controller 하단에  Steam Pressure Controller를  Slave Controller를 두기도 합니다.  피가열 공정물질의 온도가  100℃ 이하인 경우로 Steam의 압력이 Vacuum 상태에서 2 kG 정도로 유지 압력 폭이 크게 달라진다면  이 방법이 유용하게 사용될 수 있습니다.
배돌이 pchboy   23-01-26 16:24
먼저, 게시판 성격에 안맞는 글이라서 정말 죄송합니다.
다름아니라 아래와 같은 문구가 떠있으면서 Q&A 게시글 작성이 불가한 상황입니다.

"5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/107.0.0.0 Safari/537.36 버전는 지원하지 않습니다."

조치방법 알려주시기를 간곡히 부탁드립니다.
Stefano    23-01-27 02:52
당분간 해결이 어려울 것 같습니다.  어쩔 수 없이 (죄송) MS사의 Edge 나  IE를 사용해주세요.
chan rndcks   23-01-29 14:14
스테파노님 우선 답변 감사드립니다. 답변 주신 사항에 대해 추가 질문이 있습니다.

-Quote in
1) 냉각수 측에  Siphon 현상이나 Flashing 현상등에 의해 Air가 유입되는 것을 방지하기 위하여
2) Tube 누설시  CW측으로 Process Fluid가 흘러나와 부식, Flouling등 오염방지 목적 (CW측에 pH Sensor, 등 감지기 설치)
3) CW Process Fluid측으로 흘러들어가는 경우 (폭발 등의) 위험이 있는 경우에는 반드시 CW압력이 Process 압력보다 낮게 유지하도록 해야함.
-Quote out

위2,3 번 사항은 이해가 됩니다. 다만, 1번 사항이 의미하는 바가 이해되지 않습니다. 기본적으로 flashing 이 발생하는 원리와 Cooling water side control valve위치 선정과 어떠한 관계가 있는지 이해가 되지 않습니다. 또한, 일반적으로 Cooling water side에는 air 가 유입 될 수 있는 가능성이 없을 터인데(Commisioning시에는 가능할 것 같음.) air 유입을 방지하기 위해 control valve 를 cooling water return line에 위치시킨다라...

죄송하지만 추가 설명 부탁드리겠습니다!
Stefano    23-01-29 23:29
(1) 대부분의 냉각기의 경우, 냉각수출구 Return 압력이나 Return Header 압력이 모두 대기압 이상으로 유지되고 그 압력을 이용하여  냉각탑의 Distributor 위치까지 보낼 수 있는 경우에는 냉각수에 공기가 흡입되는 일은 없습니다. 

그러나  냉각수가 공급되는 열교환기(냉각기, 응축기)가 매우 높은 곳에 설치되어 있는 경우 열교환기 출구에서 CW Return Header까지 연결된 관의 정압에 의한 Siphon 현상으로 Return Line 이나 냉각기에 부분적으로 진공이 걸릴수 있습니다.    Return Line에 부분 진공이 걸리게 되면 물에 용해된 공기와 수분이 증발하여 기상공간이 형성될 수 있습니다.  이런 경우를 설명한 것입니다. 

(2) 냉각탑이 Process Area보다 아주 낮은 곳에설치되어 있은 경우에도 냉각수 Return Line이 Siphon 현상으로 부분진공에 노출될 수 있는데 CW Return Line의 Hydraulic 계산을 통해 그럴 우려가 있는지도 검토해야 합니다. 

마찬가지로  CW Return Header와 냉각탑 보다 아주 높은 곳에 설치된 냉각기가 있다면 혹시 이런 현상이 나타나는 열교환기가 있는지도 확인해 볼 필요가 있습니다.   

(3) 그럴 염려를 근본적으로 덜려면 CW Control Valve가 설치되는 경우 냉각기 출구에 밸브를 부착해야 하며 Control Valve가 부착되어있지 않고 수동 밸브만 두는 경우에도 공기가 유입될 수 있는 상황인지 검토해 볼 일이지요.  Control Valve에 액상만 균일하게 흐르고 있다면 별문제가 없지만 기-액 혼합물로 흐르게 되면 제어 기능은 엉망이 되어버리기 때문입니다.
김앙꼬 kimangkko   23-03-16 02:47
1) 2번 구성을 선호합니다.
  PID상에 Flow meter , Control valve가 붙어있다고 곁에 설치하지는 않지만 실제 좁은 공간이나 Flow meter 5~10D outlet 직선구간을 뽑기 힘들면, 배관구성(곡관, 짧은 거리) 에 영향을 받아 실제로 지시되는 유량이 흐르는 유량과 다르고 압력변동이 심한 편이라 PV / SV Deviation이 생겨 문제가 발생하기도 합니다.

  여기서(화공)는 주로 낮은 압력의 Cooling source를 많이 이용하시던데, 제 영역에서는 200bar 이상의  Cooling source가 outlet 배관은 10bar 내외로 낮은 Cooling water pressure side로 연결되는 경우가 더러 있습니다. 따라서 Control valve outlet압력이 낮추기 위해 HEX Inlet (그림1) 구성을 선택하는 엔지니어도 있으나, APC 14 series에 따라 Let down pressure에 대한 Failure에도 견디게끔 Safety function으로 SRV, Rupture 등을 구성해야 합니다. 하지만 이를 종종 간과하는 사람들도 있습니다.


X) 유량 조절을 위해 Flow meter를 Process side / Cooling Water side 중 어디에 설치 할 것인가 라고 한다면
  flow control은 compressible 보다는 imcompressible side가 안정적으로 정확한 편이라 Cooling side를 기본으로 합니다.
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