anti surge valve는 surge-anticipating valve라고도 하며 이는 control valve의 일종이며 surge relief valve기능을 한다. 설비에 손상을 주거나 시스템 fail을 야기할 수 있는 과압과 pressure surge를 방지하기 위해 사용되는 밸브이다.
Typical Piping Arrangement of Anti-Surge Valve Piping
터보엔진이나 컴프레서, 펌프와 같이 유량이 급변하는 시스템에 전형적으로 사용되며 시스템 압력이 set point를 초과할 경우 이 밸브가 열려 압력을 release하여 안전한 압력 범위내에서 운전하게 하여 시스템에 손상을 방지한다.
주요 기능으로는 시스템 압력이 set point를 초과할 경우 압력을 release하여 surge로부터 시스템이나 설비를 보호하며, 아울러 system stability를 유지하여 system fail을 예방할 수 있다. pressure surge로 인한 소음을 줄일 수도 있으며, 설비 고장에 따른 downtime이나 유지관리비도 줄일 수 있다. 이 밸브를 통해 system내 유체의 흐름을 안정적으로 제어할 수 있다.
기본적 구성 measuring 요소로는 suction에서의 유량, compressor전후단의 온도와 압력이며 typical configuration은 아래와 같다.
Typical Schematic Drawing for Surge Control System
check valve는 compressor후단 cooler outlet에서 min 위치에 설치되며 anti surge line은 check valve 바로 upstream에 연결되고 anti surge valve는 discharge line에서 가까이 설치되어 release될 surge volume을 최소화한다. 이러한 surge volume이 최소화된다면 hot gas bypass requirement는 반드시 필요하지는 않지만 이는 dynamic simulation을 통해 확정될 수 있다.
anti surge line은 discharge line의 top connection에서 연결되며 anti surge line의 slug형성을 피하도록 pocket이 있어서는 안되며 anti surge valve전후단은 free draining되도록 valve가 high point에 위치해야 한다.
아울러 recycle line의 운전 조건을 모니터링하기 위해 온도계와 압력계는 cooler와 branch line사이에 위치하며, 소음과 진동을 최소화하기 위해 anti surge valve 전후단의 직관길이는 valve vendor recommendation에 따라 적용하고 특별한 requirement가 없다면 전단은 10D, 후단은 5D를 적용한다.
brownfield project를 통해 booster와 같은 새로운 compressor가 parallel, series로 추가되거나 plant piping의 변화 혹은 vapor 조성이 변화될 경우 기존에 설치된 ASV는 부적절할 수 있어서 ASV에 parallel하게 위치한 quick opening의 특성을 갖는 추가적인 밸브가 설치되어 더 많은 유량을 recycle할 수 있다. anti surge valve는 cold gas를 recycle하지만, hot gas bypass valve는 cooler전단의 hot gas를 recycle하여 빠른 action을 통해 아래와 같이 surge line으로부터 충분히 운전점을 이격시켜 surge를 완화시킨다.
dynamic simulation을 통해 recycle해야 할 hot gas양을 계산하며 이 밸브는 ASV와 parallel로 설치되지만 ESD동안에만 작동한다. 4"에서 16" 사이 밸브의 경우 opening time은 1초 이내이며 16" 초과의 밸브도 2초이내이어야 한다. hot gas bypass배관은 powe fail과 같은 ESD 시나리오에서 빠른 release를 위해 가능한 짧아야 한다.
rule of thumb에 따라 hot gas system은 FEED stage에서 max의 50%로 szing을 하고 EPC단계에서 vendor에 의해 dynamic simulation study를 통해 check하여 hot gas system이 oversize되어 bearing과 seal에 overheating을 야기하지 않도록 검토한다. API617 2.7.1.3에 아래와 같은 내용이 있다.
As a design criteria, bearing metal temperatures shall not exceed 100°C (212°F) at specified operating conditions with a maximum inlet oil temperature of 50°C (120°F). Vendors shall provide bearing temperature alarm and shutdown limits on the datasheets.
아울러 2.7.1.3.1에는 아래와 같은 내용이 있다.
In the event that the above design criteria cannot be met, purchaser and vendor shall mutually agree on acceptable bearing metal temperatures.
시스템 압력이 안전한 범위내 있을 때 valve내 spring이 valve가 닫히도록 하여 흐름을 방지하며, 압력이 set point이상이 되면 그 압력이 피스톤이나 다이아프램에 작용하여 spring을 압축후 밸브가 열리면서 과압을 release한다.
Typical Anti-Surge Valves
Anti Surge Valve Requirements
밸브를 선택하거나 설치할 때 요구되는 사항으로는 아래와 같다.
- Set point: surge control line에 대한 정보들이 입력되어 유량, 온도, 압력의 공정 변수 값들을 실시간 반영하여 control에 이용된다.
- Flow rate: valve size나 type을 결정하는데 이용된다.
- Pressure drop: 적절한 valve sizing을 위해 compressore전후단의 압력차이가 anti surge valve의 차압으로 이용된다.
- Response time: 시스템의 surge를 방지하기 위해 response time은 가능한 빨라야 한다.
- Material: 부식 방지 및 공정 조건에 부합해야 하며 보통은 시스템 재질과 동일하게 적용한다.
- Environment: 외기 조건 및 진동등에 견디도록 설계되어야 한다.
- Control system: 변화되는 조건 및 manual adjustment에 matching하도록 set point를 자동으로 adjust하는 DCS/SIS와 독립적인 anti surge control system이 필요하다.
- Safety: surge 및 과압 방지를 통해 운전원이나 정비원들의 안전을 확보해야 한다,
- Maintenance: 유지관리 및 repair가 용이해야 한다.
typical anti surge system for gas turbine driven compressor
Design of Anti Surge Valve
밸브를 설계시 고려사항은 아래와 같다.
먼저 set point, flow rate, pressure drop, response time, material등 system requirement를 정의한다. 다음 release할 system surge volume을 계산하며 이를 기준으로 valve size와 type을 정한다. 이후 밸브 control용의 신뢰도가 높은 독립적인 control system을 구성하며 최종 제작이 완료되면 test를 하여 requirement대로 제작되었는지 검증한다.
특히 full storoke time이나 최대 유량에서의 허용 noise levle, leakage class 등도 spec에 맞게 define한다.
밸브 제작자는 대부분의 control valve업체에서 제작이 가능하며 주로 Dresser Masoneilan, Fisher Control Valves, Flowserve, KSB, Metso, Neles, Pentair, Spirax Sarco, Velan, Beker Hughes, Emerson Automation Solutions등이 있다.
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