양정식 안전밸브 vs. 전량식 안전밸브

보일러와 압력 용기 관련  국내 표준인 KS B6216 (증기용 및 가스용 스프링 안전밸브)에서 안전밸브와 관련한 구분 중 유량제한 기구에 따른 구분인 양정식 안전밸브 (Lift Safety Valve) 및 전량식 안전밸브 (Full Bore Safety Valve)에 대하여 그 내용을 공유하고자 한다.

 

 

 

양정식 안전밸브 vs. 전량식 안전밸브

고용노동부고시 제2021-22호(방호장치 안전인증 고시)에서 다음과 같이 정의하고 있다.

● "양정식 안전밸브 (Lift Safety Valve) "란 안전밸브의 양정이 시트지름의 100분의 2.5(1/40) 이상 100분의 25(1/4) 미만으로 디스크가 열렸을 때 시트유로면적이 작은(목부면적의 1.05배 미만) 안전밸브를 말한다. 

● "전량식 안전밸브 (Full Bore Safety Valve) "란 디스크가 열렸을 때 목부의 면적보다 상당히 큰 시트유로면적이 형성되는 안전밸브를 말한다. 

 

양정식 안전밸브 (Lift Safety Valve)		전량식 안전밸브 (Full Bore Safety Valve)

 

<그림 1> 양정식 안전밸브 vs. 전량식 안전밸브

 

 

안전밸브 유로 관련 용어

상기 정의에서 사용되고 있는 안전밸브 유로 관련 용어는 다음 그림의 안전밸브 trim 및 nozzle 등 상세 이미지를 참조하고 정의는 아래와 같다.

● "시트지름(seat diameter)"이란 디스크와 노즐 접촉면의 안지름을 말한다. 

● "목부지름(throat diameter, bore diameter)"이란 밸브 입구에서 시트에 이르는 유로 중 가장 좁은 부분의 지름을 말한다. 

  * 목부의 면적(throat area, bore area) : 목부지름에 의한 유로 면적

● "호칭지름(nominal size)"이란 밸브 유체취입구의 크기를 나타내는 호칭지수를 말한다. 

● "양정(lift)"이란 최초 닫힘 위치로부터 분출 중 열림 위치까지의 디스크 이동거리를 말하며, "정격양정(rated lift)"이란 공칭분출량을 얻기 위하여 제조자가 정한 설계상 밸브의 양정을 말한다.

● "시트 유로 면적(seat flow area, curtain area)"이란 밸브 몸체의 lift에 의해 얻어지는 밸브 몸체와 밸브 seat면 사이의 원통 또는 원뿔 모양 개구부의 유로 면적을 말한다.

 

Section I Design Safety Valve Trim	Effect of Nozzle Ring for ASME Section I Design Safety Valve	Effect of Guide Ring for ASME Section I Design Safety Valve

<그림 2> 안전밸브 trim 상세 이미지

 

 

양정식 안전밸브 vs. 전량식 안전밸브

● 먼저 양정식 안전밸브는 양정이 디스크시트 구멍 지름의 1/40 ~ 1/4 미만인 안전밸브로 정의 된다.
이 의미는 밸브의 디스크가 열리는 높이가 디스크로 막고 있는 구멍 지름의 1/4 보다 작은 것을 의미한다.
이 때는  디스크가 열려도 밸브 목부의 지름이 가지고 있는 면적보다 작아 밸브 목이 분출할 수 있는 용량을 다 사용할
수가 없다.
이러한 이유로 안전밸브의 목 지름이 같아도 제조사마다 양정이 달라서 용량이 많이 차이날 수 있습니다.

 

● 전량식 안전밸브는 간단하게 양정식 안전밸브보다 디스크가 열리는 높이가 높아서 밸브 목이 분출할 수 있는 용량을 다 사용할 수 있는 밸브라고 생각하시면 된다. 
밸브 목의 용량을 다 사용할 수 있도록 하기 위해서는 당연히 양정이 디스크시트 구멍지름의 1/4이상 이라고 생각하시면 된다.

● 이런 이유로 같은 사이즈의 밸브라도 전량식이 양정식에 비해 더 많은 분출 용량을 가지게 된다.
실제로 같은 사이즈의 밸브라도 전량식과 양정식의 분출용량은 2~3배 또는  그 이상 차이가 나기도 한다.
또한 이런 이유로 전량식의 경우 밸브의 목 지름이 같으면 제조사 간에 분출용량이 같은 이유 이기도 하다.
안전밸브는 배관 접속 사이즈로 선정하시는 것은 괭장히 위험한 것으로 반드시 분출요량으로 선정을 하셔야 한다.

 

 

양정식 안전밸브 구분

전양정식(full lift type) 또는 고양정식(high lift type), 저양정식 (lowl lift type)이라는 용어는 정격 분출 용량을 분출시키기 위하여 디스크가 닫혀진 위치로부터 얼마만큼 이동하였는가를 양정의 크기로 정의하고 있으며, 이것이 밸브의 분출용량에 어떻게 영향을 주는가를 알려주고 있다.

low lift safety valve는 disc의 위치에 따라 토출 영역이 결정되는 밸브이고, full lift safety valve는 disc의 위치에 의존하여 토출 면적을 결정하지 않는다.

 

● full lift safety valve

disc가 충분히 들어올려져 시트 유로 면적(curtain area)이 더 이상 토출 영역에 영향을 미치지 않는 밸브이다. 토출 면적과 밸브의 용량은 이후 목부의 면적(bore area)에 의해 결정된다. 이는 disc가 bore 직경의 4분의 1 이상의 거리를 들어 올릴 때 발생한다.

전양정식 일반 안전 밸브(conventional safety valve)는 일반적인 증기응용에 적합하여 많이 적용된다.

 

<그림 3> 전양정식 안전밸브

(Source : https://marineengineeringstudymaterial.wordpress.com/2020/10/22/different-types-of-safety-valves-used-on-board-ships/)

 

 

● high lift safety valve

disc는 bore 직경의 최소 1/12 거리를 들어 올린다. 즉, 시트 유로 면적(curtain area)과 궁극적으로 disc의 위치에 따라 토출 영역이 결정된다. high lift valve의 토출 용량은 full lift valve보다 현저히 낮은 경향이 있으며, 주어진 토출 용량에 대해 일반적으로 해당 high lift valve보다 공칭 크기가 몇 배 더 작은 full lift valve를 선택할 수 있으며, 이는 일반적으로 비용 이점이 발생한다.

따라서 high lift valve는 작용이 더 비례하는 압축성 유체에 사용되는 경향이 있다.

 

● low lift safety valve

disc가 보어 직경의 1/24 거리까지만 들어 올린다. 토출 면적은 전적으로 디스크의 위치에 의해 결정되며 디스크가 소량만 들어 올리기 때문에 용량은 full lift 또는 high lift보다 훨씬 낮은 경향이 있다.

주로 소형 보일러, 각종 압력용기, 계장기기 등의 SAFETY VALVE, 펌프의 릴리프밸브로 사용된다.

 

 

전량식 안전밸브

전양정식(full lift) 안전밸브 설계에서는 밸브가 최대 용량까지 완전히 열리는 반면에, 전량식(full bore) 안전밸브 설계에서는 밸브가 서서히 열리므로 압력을 제어하여 방출할 수 있다.

 

● full bore safety valve

전량식 안전 밸브는 bore에 돌출부가 없도록 설계되어 밸브가 충분히 들어올려져 시트 위나 아래를 포함한 모든 섹션의 최소 면적이 제어 orifice가 된다.

A full bore safety valve is designed without protrusions in the bore, allowing the valve to lift sufficiently so that the minimum area at any section, including at or below the seat, becomes the controlling orifice.

주로 대용량의 증기보일러, 각종 압력용기, 계장기기등의 SAFETY VALVE, 펌프의 릴리프밸브 등에 사용된다.

<그림 4> Pilot valve(shown in the open position is being led to the full bore valve which will open)

 

Reference : 1. https://www.scribd.com/document/483507067/BOILER-SAFETY-VALVE

2. Emerson, Catalog Composer Document: Pressure Relief Valve Engineering Handbook (VCCCD-05343-EN)