레귤레이터 선택
압력 레귤레이터는 시스템 변화에 대응하여 필요한 압력과 유량을 유지하거나 조절함으로써, 다양한 산업용 유체 및 계장 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 이유로, 애플리케이션의 특정 요구 조건을 충족할 수 있는 압력 레귤레이터를 선택하고 설치하는 것이 중요합니다. 하지만, 각각 특정 기능을 제공하는 수많은 유형의 압력 레귤레이터가 있으므로, 직관적으로 정확한 선택을 하기가 쉽지 않을 때도 있습니다. 이 기술 백서에서는 고객 여러분이 따라 하면서 직접 압력 필요량을 평가하고 최적의 레귤레이터를 선택할 수 있는 다섯 단계의 간소화된 프로세스를 간략히 보여 드립니다.
적절한 압력 조절의 중요성
산업용 유체 시스템 공정이 설계대로 작동하려면 정밀한 유체 온도, 유량, 압력 설정이 필수입니다. 필요한 공정 상태를 유지하는 데 다양한 시스템 부품이 그 역할을 하지만, 가장 중요한 부품 중 하나가 압력 레귤레이터입니다.
매우 다양한 압력 레귤레이터가 시판되고 있으므로, 공정 유체 또는 분석 시스템이 설계대로 안전하게 작동하도록 하려면 적절한 선택이 중요합니다. 잘못된 선택은 비효율성, 성능 저하, 빈번한 문제 해결 작업, 안전 위험으로 이어질 수 있습니다.
적절한 레귤레이터를 선택할 수 있으려면 다양한 레귤레이터 유형과 그 작동 방식, 시스템 요건을 충족하도록 레귤레이터를 적용하는 방법을 이해해야 합니다. 이러한 지식은 현명하고 효율적인 선택을 할 수 있는 토대가 됩니다.
여러분의 적절한 선택을 도울 수 있도록, 스웨즈락은 대부분의 산업용 유체 및 분석 시스템에 적용할 수 있는 간소화된 다섯 가지 프로세스를 개발했습니다.
부적합한 레귤레이터를 설치했다면 어떤 일이 일어납니까?
압력 레귤레이터는 시스템 매개변수의 변화를 고려하면서 시스템 압력을 제어하도록 설계됩니다. 부적합한 레귤레이터를 설치했다면, 다운스트림 압력이 증가하거나 감소하는 중 한 가지 현상이 발생하기 쉽습니다.
이러한 각각의 상황은 공정의 품질과 안전을 저하시킵니다. 불필요한 압력 강하는 시스템 비효율성 또는 공정 문제로 이어질 수 있습니다. 불필요한 증가는 민감한 분석 장비의 손상으로 이어질 수 있으며, 또는 최악의 경우 시설 인력에 대한 안전 위험이 발생할 수도 있습니다.
1단계: 공정 조건의 이해
올바른 레귤레이터 선택은 시스템의 압력, 온도, 유량과 함께 선택한 레귤레이터와 시스템 유체 사이의 재질 호환성을 정확히 파악하는 데에서 시작됩니다.
공정 유체의 조성
액체와 기체 공정 유체의 반응은 다르며, 이는 레귤레이터 선택에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어, 압력 레귤레이터는 고밀도 기체보다 저밀도 기체일 때 더 많은 유량을 처리할 수 있습니다. 이와 같은 세부 정보에 따라 레귤레이터 규격을 조정해야 합니다(그림 1 참조).
압력 등급
레귤레이터의 가장 중요한 기능이 시스템 압력을 관리하는 것이므로, 최대 압력, 최소 압력, 일반적으로 예상되는 시스템 작동 압력에 적합한 레귤레이터를 선택하는 것이 매우 중요합니다.
압력 제어 범위는 해당 유량 곡선으로 표시되며, 적절한 레귤레이터 선택에 미치는 중요성을 고려하여 흔히 레귤레이터 제품 사양에 나와 있습니다. 선정하기 전에 해야 할 두 가지 중요한 질문은 다음과 같습니다.
1. 출구 압력이 예상 유량에 비해 어떻습니까?
2. 출구 압력이 최소, 정상, 최대 유량일 때 같을 것으로 예상됩니까?
온도
유체 시스템의 작동 온도는 레귤레이터 선정뿐 아니라 운영에도 영향을 줄 수 있습니다. 선정할 때 예상 작동 온도와 다른 환경 요인에 따라 어떤 영향이 있는지 파악해야 합니다.
특정 유형의 시스템 유체는 압력 변화가 있을 때 온도가 급격하게 변하며, 레귤레이터의 설계상 기능은 압력을 변화시키는 것입니다. 이러한 현상을 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)라고 부릅니다. 예를 들어, 압축천연가스는 압력 강하가 있을 때 온도가 20ºC에서 -65ºC까지 떨어질 수 있습니다(그림 2 참조). 유체 시스템에 적절한 대책을 마련하지 않았다면, 이와 같은 극적인 변화로 인해 레귤레이터가 동결되어 제 기능을 하지 못할 수 있습니다. 이와 같은 상황에서는 보조 가열 소자를 설치하여 동결 상태가 발생하는 것을 방지해야 할 수 있습니다. 시스템 내의 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)를 계산할 수 있는 도구도 있으며, 대개 레귤레이터 공급업체와 협력하여 잠재적인 효과를 예측할 수 있습니다.
재질 호환성
시스템 유체가 레귤레이터의 모든 부품과 호환되는지 확인하는 것도 매우 중요합니다. 비호환성은 부품 수명에 악영향을 줄 수 있고 과도한 시스템 가동 중단으로 이어질 수 있습니다.
예를 들어, 레귤레이터의 외부가 완벽하게 정상인 것처럼 보이더라도 시스템 유체가 일부 내부 부품에 악영향을 끼쳤을 수 있습니다. 고무와 탄성중합체 부품의 자연스러운 성능 저하는 예상할 수 있지만, 특정 시스템 유체가 성능 저하를 촉진하여 레귤레이터의 이른 고장을 일으킬 수 있습니다(그림 3 참조).
이제 예상되는 시스템 상태를 모두 평가했으므로, 2단계로 넘어갈 수 있습니다.
2단계: 제어 요구 조건 결정
레귤레이터에는 감압 레귤레이터와 역압 레귤레이터의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 레귤레이터 선정은 레귤레이터에 어떤 기능이 필요한지에 따라 달라집니다.
감압 레귤레이터는 출구 압력을 감지하고 다운스트림 압력을 제어함으로써 공정으로 향하는 압력을 제어합니다.
역압 레귤레이터는 입구 압력을 감지하고 업스트림의 압력을 제어함으로써 공정으로부터의 압력을 제어합니다.
애플리케이션에 맞는 최적의 선택은 공정 요구 조건에 따라 달라집니다. 시스템 유체가 주 공정에 도달하기 전에 고압 소스의 압력을 줄여야 한다면, 감압 레귤레이터가 올바른 선택입니다. 반면, 역압 레귤레이터는 시스템 압력이 적정 압력보다 높아질 때 과잉 압력을 배출하여 업스트림 압력을 제어하고 유지할 수 있도록 합니다(그림 4 참조).
상황에 맞게 적절히 사용한다면, 각각의 유형으로 시스템 전반에 걸쳐 원하는 압력을 유지할 수 있습니다.
레귤레이터의 작동 원리
레귤레이터가 수행해야 하는 기능이 무엇인지 결정했다면, 각 요소가 어떻게 함께 작동하여 기능을 제공하는지 알아보는 것이 유용할 수 있습니다.
레귤레이터는 다음과 같은 부분으로 구성됩니다.
• 하중 요소는 일반적으로 스프링이나 돔이며, 애플리케이션의 요건에 따라 결정됩니다. 하중 요소는 다이어프램 상단에 하향 평형력을 가합니다
• 감지 요소는 일반적으로 다이어프램이나 피스톤으로 구성됩니다. 감지 요소는 시트 내에서 포펫이 오르내리도록 함으로써 입구 또는 출구 압력을 제어합니다
• 제어 요소에는 시트와 포펫이 포함됩니다. 시트는 압력 억제에 기여하며 흐름이 닫혀 있을 때 레귤레이터 반대쪽으로 유체가 누설되어 흐르는 것을 방지합니다. 포펫은 시트와 함께 시스템에서 흐름이 있을 때 밀폐 공정을 완성합니다.
위 세 요소는 함께 작동하면서 바람직한 압력 제어 기능을 형성합니다. 피스톤 또는 다이어프램이 다운스트림(출구) 압력을 감지합니다. 그 다음, 감지 요소가 설정된 힘과 사용자가 손잡이나 다른 회전 메커니즘으로 조정하는 하중 요소 사이의 균형을 찾습니다. 감지 엘리먼트를 사용하면 포펫이 시트에서 열리거나 닫히게 할 수 있습니다. 이 세 요소는 함께 작동하면서 균형을 유지하고 설정 압력을 달성합니다. 하나에 변화가 생기면, 나머지 다른 힘도 변해야 균형을 회복할 수 있습니다.
감압 레귤레이터의 경우, 네 가지 다른 힘이 균형을 이루어야 합니다(그림 5 참조). 그 힘은 각각 하중 힘(F1),입구 스프링 힘(F2), 출구 압력 힘(F3), 입구 압력 힘(F4)입니다. 총 하중 힘이 입구 스프링 힘, 출구 압력 힘, 입구 압력 힘을 합친 값과 같아야 합니다.
역압 레귤레이터도 유사하게 작동합니다. 이는 그림 6에 나온 것처럼 스프링 힘(F1), 입구 압력 힘(F2), 출구 압력 힘( F3)이 균형을 이루어야 합니다. 여기에서, 스프링 힘은 입구 압력 힘과 출구 압력 힘을 합한 힘과 같아야 합니다.
어떤 유형의 레귤레이터가 목적에 적합한지 결정한 후에는 3단계로 이동하십시오.
3단계: 레귤레이터의 동작 이해
레귤레이터를 설치한 후 현실적 요인을 고려하는 것이 중요합니다. 레귤레이터는 제어 및 감지 용도의 전자적 입력이 없는 기계식 장치임을 기억하십시오. 이는 현장 조건 하에서 흔히 일어나는 레귤레이터의 몇 가지 본질적인 동작 특성을 면밀히 파악해야 함을 의미합니다.
유량 곡선
유량 곡선은 지정된 시스템 매개변수 집합을 기준으로 레귤레이터의 실제 성능을 나타냅니다(그림 7 참조). 세로 축은 출구 압력을, 가로 축은 다운스트림 유량을 보여줍니다. 곡선에서 가장 편평한 또는 수평에 가까운 부분은 유량이 상당히 변화해도 레귤레이터가 압력을 일정하게 유지하는 구간을 나타냅니다. 곡선의 가장 오른쪽 부분은 레귤레이터가 완전히 열려있고 압력을 일정하게 유지하지 못하는 지점을 나타냅니다. 압력이 급속하게 떨어지기 시작하는 지점과 0에 가까워지는 지점 사이의 영역 내에서는 포펫이 스트로크 한계에 도달하여 통제력을 상실하게 됩니다. 이 지점에서, 레귤레이터는 압력 제어 장치라기보다 유량을 제한하는 오리피스(orifice)에 가깝게 작동합니다.
락업(Lock-up)
락업(Lock-up)은 유량 곡선의 맨 처음 부분에 나타나며, 설정 압력 바로 위에서 레귤레이터를 완전히 차단하고 흐름을 멈추는 데 필요한 특정 압력으로부터의 강하를 가리킵니다. 예를 들어 밸브를 열거나 하여 흐름이 생성되면 레귤레이터의 유량 곡선에 설정 압력까지의 압력 강하가 표시됩니다. 락업은 레귤레이터에서 일반적인 동작의 일부이지만, 잘 설계된 레귤레이터라면 이를 최소로 유지할 수 있습니다.
드룹(Droop)
드룹(Droop)은 레귤레이터에서 일반적인 동작의 일부이며, 락업에 이어 바로 시작됩니다. 드룹은 유량 요구로 인해 레귤레이터의 포펫이 더 넓게 열릴 때 발생합니다. 스프링이 점차 힘을 잃을 때까지 확장되면서 압력 강하 또는 드룹을 발생시킵니다. 드룹은 모든 레귤레이터에서 특정 유량 상태일 때 예상되는 현상이지만, 압력 강하 전에 유량 곡선을 최대한 편평하게 유지하는 것이 이상적입니다. 애플리케이션에 가장 적합한 레귤레이터 구성을 선택하는 것이 중요한 이유도 이 때문입니다.
공급-압력 효과(SPE)
입구 압력 의존성이라고도 부르는 SPE는 입구 압력 변화로 인한 출구 압력 변화로 정의됩니다(그림 8 참조). 직감과 정반대인 이 현상에서, 입구 압력과 출구 압력 변화는 서로 반비례합니다. 입구 압력이 내려가면 출구 압력은 그만큼 올라갑니다. 반대로, 입구 압력이 올라가면 출구 압력이 내려갑니다.
레귤레이터의 예상 SPE는 일반적으로 제조업체가 제공합니다. SPE는 흔히 입구 압력 변화에 대한 출구 압력 변화의 비율 또는 백분율로 표기됩니다. 이를테면, 레귤레이터에 1:100 또는 1% SPE라고 표시되어 있다면, 입구 압력이 100 psi 감소할 때마다 출구 압력이 1 psi 증가한다는 의미입니다. 레귤레이터의 출구 압력 변동 범위는 다음 공식으로 추정할 수 있습니다.
특히, 일반적으로 더 큰 포펫을 사용하는 대유량 애플리케이션에서 SPE를 줄이는 데 흔히 사용되는 방법은 평형 포펫 설계가 적용된 레귤레이터를 사용하는 것입니다. 또한, 2-stage 레귤레이터 시스템 설정으로 SPE를 완화할 수도 있습니다. 첫 번째 레귤레이터가 높은 입구 압력을 감소시켜 두 번째 레귤레이터에서 일어나는 압력 강하를 최소화하는 것입니다. 하지만, 모든 애플리케이션에 이러한 조치가 필요한 것은 아닙니다. 레귤레이터 공급업체와 상담하여 특정 요구에 적합한 최적의 구성을 결정할 수 있습니다.
이제 이와 같이 레귤레이터의 주요 동작 특성을 알아보았으므로, 4단계로 넘어갈 차례입니다.
4단계: 적합한 하중 요소 확인
앞서 설명한 것처럼, 레귤레이터의 하중 요소는 감지 요소 상단에 하향 평형력을 가함으로써 압력을 제어합니다. 하중 요소는 스프링 하중 방식과 돔 하중 방식의 두 가지 유형이 가장 흔히 사용됩니다.
스프링 하중 방식 레귤레이터
스프링 하중 방식 레귤레이터는 가장 널리 사용되며 작업자들에게 가장 익숙할 가능성이 높습니다. 이 방식에서는 스프링이 다이어프램이나 피스톤 중 하나인 감지 요소에 힘을 가하여 포펫이 오리피스에 가까워지거나 멀어지도록 함으로써 다운스트림 압력을 제어합니다. 이는 대부분의 범용 애플리케이션에서 신뢰성 높은 옵션입니다.
• 작업자가 감지 요소에 대한 스프링 힘을 제어하는 외부 노브를 돌려서 조절합니다
• 스프링을 사용하여 레귤레이터의 감지 요소(일반적으로 다이어프램 또는 피스톤)에 하향 평형력을 가함으로써 압력을 조절합니다
• 범용 애플리케이션에 효율적인 선택입니다
스프링 하중 방식 감압 레귤레이터:
• 출구 압력을 감지하고 다운스트림 압력을 제어함으로써 공정으로 향하는 압력을 제어합니다
• 고압 소스의 압력을 낮추는 데 유용합니다
스프링 하중 방식 역압 레귤레이터:
• 입구 압력을 감지하고 업스트림 압력을 제어함으로써 공정으로부터의 압력을 제어합니다
• 과잉 압력을 배출하여 업스트림 압력을 제어 및 유지할 수 있도록 합니다
돔 하중 방식 레귤레이터
돔 하중 방식 레귤레이터는 요구 유량이 변화할 때 더 일관적인 압력을 제공하므로 더욱 동적인 압력 제어가 가능합니다. 이 방식의 레귤레이터에서 하중 힘은 스프링이 아니라 돔 챔버에 들어 있는 가압 기체에 의해 제어됩니다. 기체가 다이어프램을 수축시키면 포펫이 오리피스에서 떨어지면서 압력을 제어합니다. 이 방식은 향상된 정확도, 낮은 SPE, 드룹(Droop) 감소와 같은 몇 가지 장점을 제공합니다.
• 돔 부품이 레귤레이터의 감지 요소(일반적으로 다이어프램 또는 피스톤)에 하향 평형력을 가함으로써 압력을 조절합니다
• 시스템 내부의 유체 압력을 사용하여 감지 요소에 대한 설정 압력을 제공합니다
• 민감한 애플리케이션에서 더 높은 정밀도를 제공할 수 있습니다
돔 하중 방식 감압 레귤레이터:
• 출구 압력을 감지하고 다운스트림 압력을 제어함으로써 공정으로 향하는 압력을 제어합니다
• 고압 소스의 압력을 낮추는 데 유용합니다
돔 하중 방식 역압 레귤레이터:
• 입구 압력을 감지하고 업스트림 압력을 제어함으로써 공정으로부터의 압력을 제어합니다
• 과잉 압력을 배출하여 업스트림 압력을 제어 및 유지할 수 있도록 합니다
돔 하중 방식 레귤레이터를 다수의 서로 다른 구성에 통합하여 매우 평탄한 유량 곡선을 유지할 수 있습니다. 이를 파일럿 레귤레이터 및 외부 피드백 라인과 결합하면 애플리케이션에 필요할 경우 고도로 정확한 조절이 가능합니다.
어떤 레귤레이터든 어느 정도의 드룹(Droop)은 생깁니다. 시스템에 따라 드룹이 문제가 되지 않을 수도 있습니다. 하지만, 유량 변화가 발생해도 압력을 일정하게 유지하는 것이 중요하다면, 더 정교한 레귤레이터 구성이 도움이 될 수 있습니다.
이제 시스템에 어떤 유형의 레귤레이터가 적합한지 더 잘 판단할 수 있게 되셨을 것입니다. 또한, 레귤레이터의 본질적인 동작 특성이 시스템 성능에 주는 영향을 더 잘 예측할 수 있게 되셨을 것입니다. 더불어, 필요한 결과를 달성하는 데 적합한 하중 메커니즘을 식별할 수 있게 되셨을 것입니다. 이제, 레귤레이터 운용을 시작한 후에는 몇 가지 확립된 모범 사례를 따르는 것이 중요하며, 5단계에서 여기에 대해 다룹니다.
5단계: 운영 모범 사례 적용
레귤레이터를 성공적으로 운용하려면, 적절한 선택이 중요할 뿐 아니라 레귤레이터의 수명 기간 전반에 걸쳐 유지보수 모범 사례를 따라야 합니다. 다른 산업용 장비 부품과 마찬가지로, 레귤레이터도 사용 기간이 경과하면서 자연적으로 마모에 노출됩니다. 하지만, 적절한 유지보수 실무를 유지하면 그 유용성뿐 아니라 유체 시스템의 안전도 극대화할 수 있습니다.
부적절한 유지보수 실무로 인해 발생하는 가장 흔한 문제는 크리프(Creep)라고 부르는 현상입니다. 크리프(Creep)는 압력 레귤레이터의 본질적인 동작 특성이 아니며, 오염물이 레귤레이터의 시트와 포펫 사이에 매우 미세한 틈을 만들 때 생기는 결과입니다(그림 9 참조). 그 결과, 시스템 유체가 의도치 않게 시트에서 누설되어 다운스트림에서 원치 않은 압력 증가가 발생합니다. 다운스트림 부품이 시트의 누설에 의한 크리프 압력에 적합한 등급이 아니라면, 이러한 상황이 문제가 되거나 위험할 수 있습니다.
다음과 같이 크리프와 그 영향을 완화하는 몇 가지 조치를 취해야 합니다.
여과
레귤레이터 업스트림에 적절한 필터를 설치하면 깨끗한 유체만 레귤레이터를 통해 흐르도록 만들 수 있습니다. 적절한 여과 성능을 보장하려면 필터를 정기적으로 청소하고, 필요하다면 교체해야 합니다.
릴리프 밸브
레귤레이터의 다운스트림에 릴리프 밸브를 설치하면 크리프가 발생할 때 그 영향을 완화하는 데 도움이 됩니다.
예비 부품
레귤레이터용 예비 부품 키트를 가지고 있으면 어떤 문제든 빠르게 해결할 수 있습니다. 예비 부품을 바로 사용할 수 없다면, 문제가 발생한 후 교체 부품을 기다리는 동안 심각한 가동 중단이 발생할 수 있습니다.
추가 자료
위에 설명한 단계를 참조하면 적절한 레귤레이터를 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만, 시스템 고유의 요구에 따라 이러한 고려 사항이 적용되지 않을 수 있습니다. 궁금한 점이 생긴다면 레귤레이터 공급업체가 추가적인 지침을 제공할 수 있을 것입니다.
숙련된 스웨즈락 전문가들이 폭넓은 애플리케이션 및 엔지니어링 지식을 바탕으로 고객 시스템에 적합한 선택을 추천하는 방식으로 이와 관련된 지침을 제공할 수 있습니다. 스웨즈락은 다음과 같이 유체 시스템의 성능 최적화에 활용할 수 있는 몇 가지 리소스를 제공합니다.
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