PSV의 type중 왜 pilot operated relief valve를 적용해야 하는지 이웃들로부터 문의가 많아 이번 기회에 Pilot type PSV의 특징과 장단점 등에 대해 아래와 같이 공유한다.
pilot PSV assembly
가장 큰 특징으로 운전압력과 pilot type PSV의 set pressure의 차이가 매우 낮아 높은 압력에서도 운전이 가능하다는 것이며 이를 통해 process throughput을 늘리고 product yield를 높일 수 있다.
valve가 closed상태일 때 bubble tight임에 따라 emission이 없으며, set pressure와 lifting은 back pressure에 영향을 받지 않는다. 공정 운전상 shock나 vibration이 심한 경우에도 적용이 가능하며 blowdown은 외부에서 adjusting이 가능하다.
위 그림을 통해 pilot valve가 set pressure에 근접해서도 seat tightness가 좋아 leak없이 운전이 가능하다는 것을 보여주고 있다. 즉, set pressure의 98%에서도 tightness가 우수하여 압력이 증가시에도 leak없이 운전이 가능하다.
pilot의 압력을 감지하는 sensing line은 크게 2가지가 있으며 direct sensing인 internal type과 remote sensing인 external type이 있다. internal type은 sensing line이 inlet piping에 연결되어 pilot로 압력을 전달하며, external type은 sensing line이 inlet line이 아닌 보호설비에 직접 연결되어 inlet line에서의 과도한 차압을 피할 수 있다. 이 두 type 모두 pilot에서 main valve assembly top으로 연결을 하여 set pressure에 도달시 main valve를 작동하게 된다.
pilot valve basic components
pilot내에는 spring이 set pressure에 맞게 setting이 되어 있으며 normal운전시 공정압력이 pilot를 통해 main valve의 dome에 직접 전달되어 동일압력하에서 seat보다 단면적이 큰 dome에서 piston 아래로 누르는 힘이 더 커서 valve는 닫혀 있게 된다.
set pressure에 도달되면 pilot내 spring에 의해 작은 피스톤이 아래로 움직여 main valve piston top에 미치고 있는 압력을 pilot exhaust를 통해 relieving하게 된다. 이에 따라 main valve dome내의 압력이 대기로 빠지면서 main valve가 열리게 된다.
pilot control방식에 따라 pop action과 modulating type이 있다.
Modulating pilots의 운전상 장점으로는 inlet 압력에 비례하여 opening이 열리므로 불필요하게 process gas가 loss되는 것을 방지하며 따라서 noise도 작게 된다.
Modulating action
pilot PSV는 spring loaded PSV에 비해 compact하고 더 가볍고 설치가 용이하다. 아래 table은 특정 brand의 제품을 비교한 것으로 spring loaded type과 pilot type간 무게의 차이를 알 수 있다.
위의 기본적인 특징외에 pilot PSV의 option으로는 Backflow preventers, dual pilot, dirty service option 등이 있다.
아울러 inlet line loss가 3%를 초과할 경우 remote sensing을 적용하여 cycling이나 chattering을 방지하고 안정적이고 효과적으로 운전을 하게 하며, 특히 modulating pilot의 경우 smooth opening을 통해 발생되는 capacity만큼만 배출하여 운전을 보다 안전하고 효율적으로 유지할 수 있다.
운전중에 Field Test Connection accessory를 이용하여 set pressure test를 할 수 있으며, pilot PSV는 크기는 더 작지만 relief capacity는 극대화하여 space와 weight를 줄일 수 있다. 아래는 spring loaded PSV와 pilot PSV의 크기와 무게를 비교한 것이다.
기존 spring loaded PSV의 경우 과도하게 크게 설치되었거나 부적절하게 specified되었다면 center to face dimension 차이로 인한 배관의 modification없이도 pilot PSV로 교체할 수 있다.
main valve라고 하는 major relieving device는 pilot valve라고 불리는 self-actuated auxiliary pressure relief valve와 combined되고 controlled되면서 운전이 된다. pilot를 통한 운전 방식에 따라 flowing type과 non-flowing type이 있다.
pilot valve는 시스템 압력을 sensing후, 이 압력을 이용하여 main valve disc에 미치는 closing force를 control하면서 운전이 된다. main valve inlet압력이 증가할수록 dome과 seat에서의 area비 차이에 의해 pilot valve가 열리기 전까지 closing force는 더 커지게 되어 main valve는 tightness가 더 커지게 된다. set pressure에 도달되면 pilot valve의 spring에 의해 main valve dome 상부의 가스가 exhaust를 통해 배출되어 결국 main valve가 열리게 된다.
main valve basic components
Pop Action
main valve disc가 seated position으로부터 pop action을 하여 100% open을 한다. 과압조건이 해소되면 pilot valve를 통해 main valve disc top (dome)으로 process pressure가 전달되어 main valve disc는 reseat하게 된다.
아래 그림은 main valve inlet으로부터 system 압력이 pilot를 통해 dome area로 전달이 되어 process압력과 disc top의 압력이 equalizing되며 disc top의 면적이 seating surface의 면적보다 크기 때문에 net downward force가 작용하여 main valve는 tight하게 closed하게 된다.
Main valve closed (normal position).
이제는 main valve disc위의 pressure load가 제거됨에 따라 process pressure가 seat로부터 lift를 위로 올려 main valve가 열리게 된다.
Discharge through the main valve.
이후 inlet pressure가 pilot의 preset blowdown pressure로 줄어들게 되면 pilot piston은 vent seal을 close하고 동시에 inlet seal은 pilot내에서 다시 open된다. main valve inlet압력이 다시 main valve disc위의 dome으로 들어가서 dome상부 압력과 main valve inlet압력이 같게 되면 disc의 면적 차이에 의한 downward force로 인해 main valve는 닫히게 된다.
Modulating Action
pop action과 차이는 main valve disc위에서 시스템 압력을 유지하면서 배출량을 adjusting하는 modulating action을 한다. 즉, 시스템 압력이 증가하면 pilot valve를 통한 venting때문에 closing force가 감소하여 main valve가 점점 열리게 된다. 그러나 이 과정에서 main valve disc의 실제 lifting은 system overpressure condition에 따라 positioning이 결정되므로 순간적으로 작동하는 pop action인 100% opening과는 운전상 차이가 있다. modulating action을 통해 공정유체의 배출을 줄이고 아울러 emission 및 noise도 줄일 수 있어서 개선된 운전효율을 유지할 수 있다.
아래 그림은 inlet pressure가 증가할수록 pilot piston이 storke하고 dome pressure로부터 main valve inlet pressure를 sealing off하여 더 이상 main valve inlet압력이 영향을 주지 않게 된다. 동시에 pilot는 vent seal을 열어서 modulator piston 아래방향으로 dome pressure를 배출한다.
PV valve open (relieving position)
modulator piston도 main valve piston처럼 piston 위와 아래의 면적이 다르고, 면적이 더 작은 piston top이 main valve inlet pressure와 연결되어 있다. dome pressure가 modulator piston아래에 압력을 가하면 dome압력과 main valve inlet압력이 같기 때문에 면적 차이에 의해 net upward force가 작용한다.
modulator piston top의 main valve inlet pressure로부터 force가 piston 아래에서 작용하는 힘에 비해 충분히 커서 아래방향으로 작용하여 closed position이 될 때까지 modulator는 dome으로부터 압력을 대기로 배출한다.
bolt-on modulator diagram
약간의 압력이 dome내부에 남아 있으며 이 압력은 modulator내 면적 차이에 의해 control된다. dome압력이 대기압으로 떨어지지 않았기 때문에 main valve는 set point에서 부분적으로만 열리게 된다.
inlet pressure가 증가하여 main valve disc가 더 높은 lift가 될 때까지 modulator piston은 closed상태를 유지한다. main valve disc lift가 10% overpressure내에 있도록 modulator piston은 dome으로부터 압력을 더 배출할 수도 있다.
Modulating position
inlet pressure가 더 증가할수록 main valve의 net upward force가 증가하여 더 많은 가스를 배출할 수 있으며 disc는 set pressure의 10%이내에서 full lift하게 된다.
Main valve fully open
이어서 inlet pressure가 pilot의 preset blowdown pressure로 줄어들면 pilot piston은 vent seal을 close한다. 동시에 pilot내의 inlet seal은 다시 open되어 main valve inlet pressure가 disc상부의 dome으로 들어가도록 한다. dome pressure가 inlet pressure와 같게 되면 disc상부와 하부의 면적차이에 의해 downward force가 작용하여 main valve를 close하게 된다.
spring loaded PSV에 비해 pilot PSV의 장점은 아래와 같다.
- pilot valve와 main valve 모두 set pressure의 98%까지 seat tightness가 가능하여 고압에서도 정상운전 조건에서는 zero leakage가 된다.
- seating force가 커서 set pressure 대비 운전압력이 높더라도 안정적으로 운전할 수 있다.
- full bore pilot PSV를 적용함에 따라 standard bore spring loaded PSV에 비해 더 큰 capacity가 가능하여 동일 capacity의 spring loaded PSV에 비해 PSV 크기를 줄일 수 있고 아울러 배관크기도 줄일 수 있다.
- modulating PSV는 rated capacity 대신 required capacity를 허용함에 따라 line loss를 줄이거나 배관 size를 줄일 수 있다.
- 운전중에도 field test connection을 통해 pilot PSV를 function test할 수 있다.
- dual pilot option을 통해 하나의 pilot는 계속 운전하는 동안 언제라도 off line pilot를 교체할 수 있다.
반면, spring loaded PSV에 비해 pilot PSV의 단점은 아래와 같다.
- 공정유체가 매우 dirty한 경우 tubing이 막힐 수 있어서 pilot PSV사용에 제한이 된다.
- start-up시 system압력이 갑자기 증가하게 되면 dome을 채우는데 시간이 걸려, dome압력보다 system 압력이 더 커서 closing force가 충분하지 않게 된다. 따라서 main valve inlet으로부터 system 압력이 disc를 밀어 올려 leak가 될 수 있다.
- pressure ramp rate가 매우 빠를 경우 main valve disc가 close되도록 하기 위한 추가적인 설계가 가능하지 않거나 비경제적이라면 spring loaded PSV를 고려할 수 있다.
pilot PSV는 아래와 같은 절차로 작동된다.
sensing 압력은 main valve를 sealing하기 위해 이용한다.
dome pressure가 감소하게 되면 main valve가 열린다.
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