control valve actuator sizing 이해

 

control valve의 Max Differential Pressure (ΔP) 혹은 close off pressure와 Actuator Sizing은 직접적인 비례 관계에 있다. 차압이 클수록 밸브를 안정적으로 열고 닫기 위해 actuator가 내야 하는 힘 (Thrust 또는 Torque)도 커져야 한다.

 

이와 관련 주요 고려 사항은 다음과 같다. 

 

1. 물리적 힘의 상충 (Force vs. Pressure)

• 차압에 의한 부하: 밸브가 닫힐 때, Inlet과 Outlet의 압력 차이(ΔP)는 control valve plug나 disk에 직접적인 힘을 가한다. 이 힘은 seat area * ΔP로 계산되며, 밸브가 열리지 않게 누르거나 반대로 밀어 올리는 작용을 한다.
• actuator의 역할: 차압에 의한 힘뿐만 아니라, Packing의 마찰력과 시트의 밀폐를 위한 추가 Seat Loading을 모두 이겨낼 수 있는 충분한 추진력(Thrust)을 가져야 한다.

 

2. 사이징 결정 요인

• Close-off Pressure (차단 압력): actuator가 밸브를 완전히 닫고 누설 없이 유지할 수 있는 최대 차압으로서 시스템의 펌프 Shut-off head나 배관 설계 압력을 기준으로 actuator 크기를 결정하는 것이 안전하다.
• Actuator Size: 차압이 크면 표준 사이즈의 actuator로는 힘이 부족할 수 있다. 이 경우 더 큰 직경의 실린더/다이아프램을 선택하거나, 공급 공기압을 높여 추진력을 확보해야 한다.

 

3. 밸브 구조에 따른 차이

• 불평형 밸브 (Unbalanced Trim): 유체의 압력이 플러그 한쪽 면에 집중되므로 차압의 영향을 매우 크게 받는다. 따라서 높은 차압에서는 대형 액추에이터가 필수적임.
• 평형 밸브 (Balanced Trim): 유로 설계를 통해 플러그 양단의 압력을 평형 상태로 만들어 차압의 영향을 최소화하므로서 상대적으로 작은 액추에이터로도 높은 차압을 제어할 수 있다.

 

4. 부적절한 사이징의 결과

• 개폐 불가: 차압이 액추에이터의 능력을 초과하면 밸브가 아예 열리지 않거나, 닫히지 않아 누설이 발생할 수 있다.
• 제어 불안정: 차압이 변할 때 액추에이터 힘이 간당간당하면 밸브 위치가 흔들려 정밀한 유량 제어가 불가능해진다.

control valve의 max differential pressure는 inlet과 outlet에서 조작될 수 있는 가장 높은 차압을 말하며 이로서 이러한 최대의 차압이 형성되는 운전조건에서도 의도하는 개폐를 위해 그리고 tight sealing의 안정적인 운전이 가능해진다.

 

특히 control valve후단이 vacuum service인 경우에는 전단의 설계압력보다 더 큰 차압을 고려해야 actuator의 적절한 설계 및 운전을 할 수 있다. 반대로 control valve 후단에서 일정한 압력 제어를 한다면 전단의 설계압력에서 그 압력만큼 빼서 max differential pressure를 결정하기도 한다. (UOP)

 

 

만약 부적절하게 actuator가 설계되면 (즉, 너무 작게 sizing되면) 닫히는 과정에서 힘이 약해 중간에서 멈춰 버릴 수 있다. 혹은 유량변화 및 압력변화가 큰 시스템 운전중 무리하게 닫는 과정에서 trim과 같은 internal component가 손상이 될 수도 있다. max differential pressure에 영향을 주는 요소로는 valve type, shut off pressure, min IA pressure 등이 있다.

 

control valve sizing시 Cv (flow coefficient)는 flow capacity를 측정하는 기준으로 1psi차압에서 60F의 물이 control valve를 통해 흐를 수 있는 유량 (GPM)을 의미하며, FL은 liquid pressure recovery factor로서 0~1의 범위를 갖는다. 이는 liquid control valve후단에서 얼마나 높은 압력으로 회복되는지를 보여주며 이 수치가 높을수록 cavitation risk가 더 커지게 된다.

 

유체가 차압에 의해 최대 흐름에서 운전될 때, choke 조건에서 FL을 이용하여 액체의 cavitation을 방지하거나 pressure drop ratio factor인 XT를 이용하여 가스의 sonic flow를 방지하기 위해 적용함. FL과 XT의 기준에 의해 소음이나 진동, 침식과 같은 performance issue없이 차압범위내에서 안정적 운전이 되도록 적절한 valve를 선정하는데 도움이 된다.

 

먼저 Cv를 계산하고 모델에 맞는 Cv를 선정한 후 vendor chart로부터 액체는 FL, 기체는 XT를 이용하여 choke가 일어날 수 있는 차압을 확인한다. 그래서 sizing을 위해 사용된 차압은 실제 공정상 요구되는 차압 혹은 위에서 vendor chart에 의한 choke 차압중 작은 값을 적용한다. 이후 20~80% opening범위내에서 최소 혹은 최대 유량 조건을 만족하도록 최종 Cv를 선택한다.

 

FL은 valve를 통해 압력감소에 따라 vapor bubble을 야기하여 이후 깨지면서 진동 및 손상을 야기하는 액체의 cavitation을 예측하며 가스나 액체의 경우 특히 차압이 큰 경우 너무 과도하게 설계되어 비효율적으로 운전되는 choke flow를 방지한다.

 

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