공기구동 제어밸브는 여러 유형의 발전소에서 유체계통의 유량을 제어하거나 탱크의 수위를 조절하는 중요한 기능을 수행하며 발전소 수명기간 동안 성능이 보장되어야 한다. 공기구동 제어밸브는 공기구동기에 공기를 공급하거나 배기하여 작동시키며, 다양한 기능을 하는 부속기기로 구성된 제어설비를 이용하여 공기량을 조절함으로서 밸브 위치를 제어한다. 본 논문에서는 2인치 공기구동기에 I/P 변환기, 포지셔너 등이 장착된 제어밸브 동작모사 실험 장치를 이용하여 공기공급배관에서의 공기누설, 밸브 패킹마찰력 변화, 포지셔너 설정 불량 등을 모사하고, 약 67% 개도에서 ${\pm}2%$ 이하 제어구간에서의 밸브-구동기 거동을 측정하여 비교하였다.
공기구동 제어밸브는 여러 유형의 발전소에서 유체계통의 유량을 제어하거나 탱크의 수위를 조절하는 중요한 기능을 수행하며 발전소 수명기간 동안 성능이 보장되어야 한다. 공기구동 제어밸브는 공기구동기에 공기를 공급하거나 배기하여 작동시키며, 다양한 기능을 하는 부속기기로 구성된 제어설비를 이용하여 공기량을 조절함으로서 밸브 위치를 제어한다. 본 논문에서는 2인치 공기구동기에 I/P 변환기, 포지셔너 등이 장착된 제어밸브 동작모사 실험 장치를 이용하여 공기공급배관에서의 공기누설, 밸브 패킹마찰력 변화, 포지셔너 설정 불량 등을 모사하고, 약 67% 개도에서 ${\pm}2%$ 이하 제어구간에서의 밸브-구동기 거동을 측정하여 비교하였다.
A pneumatic control valve performs a major role in controlling the flow of a system or the level of a key tank in many power plants, and its performance should be guaranteed during the plant's lifetime. Its operation starts by supplying air to the pneumatic actuator or by exhausting the air from the...
A pneumatic control valve performs a major role in controlling the flow of a system or the level of a key tank in many power plants, and its performance should be guaranteed during the plant's lifetime. Its operation starts by supplying air to the pneumatic actuator or by exhausting the air from the actuator. To control the valve position, the amount of air supply or exhaust is adjusted by a control loop where various accessaries are equipped. In this paper, air leakage in the air supply line, changes in the valve packing force, and false adjustments of zero and the span of the positioner are simulated and analyzed using a 2-in pneumatic valve with a position control loop including an I/P converter and positioner, where the valve position is controlled within ${\pm}2%$ of the control pressure at 67% opening position.
A pneumatic control valve performs a major role in controlling the flow of a system or the level of a key tank in many power plants, and its performance should be guaranteed during the plant's lifetime. Its operation starts by supplying air to the pneumatic actuator or by exhausting the air from the actuator. To control the valve position, the amount of air supply or exhaust is adjusted by a control loop where various accessaries are equipped. In this paper, air leakage in the air supply line, changes in the valve packing force, and false adjustments of zero and the span of the positioner are simulated and analyzed using a 2-in pneumatic valve with a position control loop including an I/P converter and positioner, where the valve position is controlled within ${\pm}2%$ of the control pressure at 67% opening position.
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문제 정의
(1) 제어밸브에 대해서는 제어성능을 진단하고 교정하는 방법들이 이미 정립되어 있으며, 공기구동기 실린더 마찰 및 진동 특성에 대한 연구,(2~4) 또는 격리용 공기구동밸브를 대상으로 모델기반 예측진단 방법을 제안하기도(5)하였으나 정상운전 중, 특히 제어구간이 전 행정에 비해 크지 않은 경우 온라인으로 밸브-구동기 상태를 진단하는 방법은 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 제어설비를 갖춘 양방향 실린더형 공기구동기가 장착된 공기구동 제어밸브 동작모사 실험장치를 이용하여 공급 공기누설, 밸브 패킹부하 변동, 포지셔너 설정 오류와 같은 다양한 이상상태에서의 밸브-구동기 거동, 특히 제어구간에서의 거동을 측정하여 비교하였다. 제어밸브가 설치된 계통에 따라 정상운전시 개도 및 제어구간은 다를 수 있으나 본 연구에서는 급수량이 일정하게 유지되는 발전소 정상운전 상태에서의 급수제어밸브 열림 위치에 해당하는 약 67% 정도의 개도에서 ±2% 이하의 제어동작을 수행하는 것으로 가정하였다.
가설 설정
따라서 본 연구에서는 제어설비를 갖춘 양방향 실린더형 공기구동기가 장착된 공기구동 제어밸브 동작모사 실험장치를 이용하여 공급 공기누설, 밸브 패킹부하 변동, 포지셔너 설정 오류와 같은 다양한 이상상태에서의 밸브-구동기 거동, 특히 제어구간에서의 거동을 측정하여 비교하였다. 제어밸브가 설치된 계통에 따라 정상운전시 개도 및 제어구간은 다를 수 있으나 본 연구에서는 급수량이 일정하게 유지되는 발전소 정상운전 상태에서의 급수제어밸브 열림 위치에 해당하는 약 67% 정도의 개도에서 ±2% 이하의 제어동작을 수행하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
니들밸브 각도는 누설이 없는 정상상태에 해당하는 0도 이외에 10도, 20도 등 세 가지로 하였고, 세 가지 조건에 대해 제어신호(Fig. 3)에 따른 밸브 스템 변위, 구동기 상･하부 실린더로의 공급공기 압력, 상･하부 실린더 압력차(구동압력), 스템 쓰러스트 변화를 각각 측정하여 밸브-구동기 작동상태를 비교하였다.
Fig. 4에 나타낸 바와 같이 누설을 모사하기 위해 니들 밸브를 구동기 상･하부로의 공기 공급배관에 각각 설치하고 니들밸브 각도를 조절하여 공기누설을 모사하였다. 본 실험에 사용한 니들밸브는 각도에 따른 유량 특성이 선형인 밸브로 밸브 손잡이를 8회 회전시키면 완전 열림 상태가 된다.
실험에 사용한 밸브는 제어밸브이므로 누설량에 따라 상･하부 실린더 압력이 자동으로 조절되고 실린더 압력 변화에 따라 누설량도 변하게 된다. 따라서 본 실험에서는 특정 누설량을 정의하여 비교하기보다 상대적인 누설의 크기를 니들밸브 각도로 모사하고 이에 따른 밸브 거동을 비교하였다. 니들밸브 각도는 누설이 없는 정상상태에 해당하는 0도 이외에 10도, 20도 등 세 가지로 하였고, 세 가지 조건에 대해 제어신호(Fig.
본 실험장치를 이용하여 공기구동기 실린더로의 공기공급 이상, 포지셔너 zero 및 span 설정 오류, 밸브 패킹마찰력 이상 등의 이상상태를 모사할 수 있으며, 본 연구에서의 제어신호는 Fig. 3에 나타낸 바와 같으며, 약 67%의 개도에서 ±2% 조절 후 다시 ±1%의 제어동작을 수행하도록 하였다.
실린더형 공기구동 제어밸브를 대상으로 공기 구동기 공급공기 누설, 밸브 패킹마찰력 변동, 포지셔너 설정치 이상 등의 조건에서 동일한 제어 신호에 대한 제어밸브 거동 실험을 수행하고 제어구간에서의 운전변수 변화를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
8은 밸브 패킹부를 나타낸 것으로써, 패킹을 조립한 후 글랜드 너트를 조절하여 글랜드를 위아래로 이동시켜 패킹 조임력을 조절할 수 있다. 예비실험을 통해 밸브 스템에 설치된 스트레인 게이지형 힘센서를 이용하여 정상상태의 패킹 마찰력(20 lbf)을 측정하고 글랜드 너트를 조절하여 40 lbf, 60 lbf에 해당하는 동일한 글랜드 너트 조절량을 구한 뒤 본 실험에서의 패킹 마찰력 조정에 활용하였다.
대상 데이터
4에 나타낸 바와 같이 누설을 모사하기 위해 니들 밸브를 구동기 상･하부로의 공기 공급배관에 각각 설치하고 니들밸브 각도를 조절하여 공기누설을 모사하였다. 본 실험에 사용한 니들밸브는 각도에 따른 유량 특성이 선형인 밸브로 밸브 손잡이를 8회 회전시키면 완전 열림 상태가 된다. 니들밸브 각도에 따른 누설량을 정량화 할 수 있으나 누설량을 측정하지는 않았다.
구동부 누설 실험에서는 구동기 실린더로의 공기 공급배관 연결부 손상 또는 조립 불량 등으로 인하여 공기가 외부로 누설되는 경우를 모사한 것이다. 실험 대상인 공기구동기는 실린더 내 피스톤의 상부 또는 하부에서 각각 누설이 발생할 수 있으므로 구동기 상･하부 실린더 누설에 대한 실험을 각각 수행하였다. Fig.
성능/효과
(1) 구동압력과 스템 힘 신호는 구동기 누설, 포지셔너 불량 조건에 대해서는 크게 변하지 않았으나 20 lbf에서 60 lbf까지의 패킹 마찰력 변화 조건에서는 정상상태 대비 최대 4.4배까지 스템 쓰러스트 값이 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 구동기 상부 또는 하부 실린더압력 신호는 구동기 누설량 증가에 따라 최소 21.4 %에서 최대 63.7 %까지 크게 감소하였으며 구동기 누설진단에 유용한 신호로 판단된다.
(3) 포지셔너 Span 및 Zero 설정 불량은 스템변위값을 각각 18.1~21.5 %, 13.3~17.2 % 증가 또는 감소시키는 것으로 나타나 제어구간에서의 스템변위신호가 포지셔너 설정 불량 진단에 유용함을 알 수 있었다.
Fig. 3과 동일한 제어신호를 이용하였고, 제어신호에 따른 밸브 스템 변위 신호에서는 열림 또는 닫힘 운전 시 패킹 마찰력 증가에 따라 선형에서 계단형으로 스템 이동이 점차 불안정해지는 Stick-slip 특성을 보여 주었다. 또한 제어운전 구간에서도 ±2% 제어는 정상적이나 ±1% 제어 동작은 수행하지 못하는 것으로 나타났다.
9에 나타낸 것과 같이 패킹 마찰저항이 증가하여 그 영향이 더 크게 나타난 것이다. 제어구간에서 쓰러스트 값이 크게 변하기 시작하는 시점들을 기준으로, 패킹 마찰력 증가에 따른 밸브 스템 쓰러스트 값의 변화를 살펴보면, 정상상태 대비 0.5배에서 최대 4.4배까지 증가하는 것으로 나타났다. 이는 Fig.
후속연구
10에 나타낸 구동기 상･하부 실린더 압력차에서도 확인할 수 있었다. 따라서 마찰 저항 증가로 인한 쓰러스트 측정신호 또는 구동압력의 특성 변화로부터 특징 정보를 추출하여 밸브 동작 불량을 진단하는데 이용할 수 있을 것이다.
향후, 제어신호의 단계변화시점에서의 운전변수 변화 유형과 이상상태와의 상관관계를 좀 더 규명하고, 다양한 이상상태를 진단할 수 있는 특징을 도출하여 제어구간에서의 온라인 진단 방법 개발에 활용할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
공기구동 제어밸브는 차단밸브와 달리 어떤 부품들이 필요한가?
공기구동 제어밸브는 열림-닫힘 기능 이외 유량, 압력, 수위 등 발전소 운전에 중요한 공정변수들을 일정범위로 조절하는 중요한 기능을 수행한다. 따라서 차단밸브와 달리 포지셔너, I/P 또는 E/P 변환기, 볼륨 부스터, 레귤레이터 등의 제어용 부품들이 필요하다. 밸브에 따라서는 시스템 요구조건에 따라 완전 닫힘 위치에서 완전 열림 위치까지 원격으로 지시하기 위한 리미트 스위치, 솔레노이드 밸브 등이 장착되기도 한다.
공기구동 제어밸브는 어떤 기능을 수행하는가?
공기구동 제어밸브는 열림-닫힘 기능 이외 유량, 압력, 수위 등 발전소 운전에 중요한 공정변수들을 일정범위로 조절하는 중요한 기능을 수행한다. 따라서 차단밸브와 달리 포지셔너, I/P 또는 E/P 변환기, 볼륨 부스터, 레귤레이터 등의 제어용 부품들이 필요하다.
공기구동 제어밸브 동작모사 실험장치는 어떻게 구성되는가?
공기구동 제어밸브 동작모사 실험장치는 Fig. 1~2와 같이, 2인치 글로브밸브, 실린더형 양방향 공기구동기, 공기구동기에 공기를 공급하고 밸브 위치를 제어하기 위한 제어설비 및 각종 계측기로 구성되어 있다. 제어설비는 I/P 변환기, 포지셔너, 볼륨 부스터 등으로 구성되어 있으며, I/P 변환기의 출력 압력은 포지셔너로 입력되어 포지셔너 출력 압력을 조절하고, 포지셔너의 출력 압력은 볼륨부스터의 출력 압력을 조절하여 구동기로 공급되는 공기량을 제어한다.
Zhang, B. H., Ma, Y. F., Cheng, H. F. and Peng, G. Z., 2005, "A New Method to Predict the Occurrence of Stick-slip in Pneumatic Cylinders," Proceedings of the 6th JFPS International Symposium on Fluid Power, pp. 812-816.
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