안전밸브 기본 작동원리

안전밸브(safety valve)는 설정압력(set pressure)이상으로 가압되면 디스크가 급속개방(popping)되어 유체를 방출시키며 안전한 압력수준으로 유지시며 설비를 보호하는 안전장치이다.

 

 

 

안전밸브 기본 작동원리

안전밸브의 성능은 설정압력(set pressure), 블로우다운(blowdown), 풀리프트(full lift), 누설(leakage), 방출용량(discharge flow rate) 등과 같은 특성인자로 평가된다. 그 중에서도 설정압력에서 개방되는 특성이 가장 중요한 작동요소가 되며, 특히 증기용 안전밸브는 개방 직전에 심머링 현상(simmering)을 보이다 순간적으로 개방(popping)하여 증기를 방출하는 특징을 가지고 있다. 심머링을 통하여 허들링 챔버(huddling chamber) 또는 제어 챔버(control chamber)에 개방에 필요한 증기압력을 보충하게 되며, 급속개방(popping)을 유도하는 역할을 한다.

 

 

안전밸브 구조 및 작동원리

안전밸브의 주요 기능은 보일러 및 압력 용기의 내부가 과압 상태에 도달하면 내부 유체를 방출하여 설비를 보호하는 역할이다. 안전밸브의 개폐 특성은 증기와 물과 같은 유체의 종류에 따라 기본적으로 다르며, 증기용 안전밸브에서는 증기가 압축성 기체의 성질로 강력한 팽창을 통하여 신속하게 유동되며 방출된다.

스프링 타입 안전밸브의 주요 구조는 다음 그림과 같고, 안전밸브 입구측의 정압이 설정압력 이상으로 증가할 때, 밸브의 디스크는 시트로부터 떨어지기 시작할 것이다. 즉, 설정압력의 대략 90~95% 수준에서 심머링(simmering)하며 증기가 반복적으로 미세하게 새어나가며 허들링 챔버를 채우게 된다. 허들링 챔버는 일종의 디스크의 확장면을 의미하며 그 면적에 해당하는 만큼 디스크를 밀어올리는 추가적인 힘으로 작용한다. 이러한 힘이 스프링력과 디스크/스템의 무게 이상으로 상승하게 되는 순간에 증기가 순식간에 흐르며 디스크와 시트사이가 급속히 개방된다.

 

<그림 1> 스프링 타입 안전밸브 구조

(Source : The KSFM Journal of Fluid Machinery - Vol. 17 , No. 1)

 

 

Disc 주변 설계

안전밸브가 정격용량을 분출하기 전에 필요로 하는 추가적인 압력의 증가를 초과 압력이라고 한다. 허용 초과 압력은 안전밸브를 적용하는 특정 공정의 표준규정에 달려 있다. 압축공기의 경우 허용 초과 압력은 일반적으로 3% ~ 5% 사이이고, 액체인 경우에는 10% ~ 25% 사이이다.

이와 같이 작은 초과 압력 하에서 밸브가 완전히 개방될 수 있도록 하기 위해서, 다음 그림과 같이 디스크 배열은 신속하게 개방될 수 있도록 특별히 설계되어야 한다. 이러한 설계는 대개 디스크 주변에 슈라우드(Shroud), 스커트(Skirt) 또는 후드(Hood)를 부착하고 있다. 이 덮개에 속하는 체적은 컨트롤 챔버(Control Chamber) 또는 허들링 챔버(Huddling Chamber)로 알려져 있다.

 

 

<그림 2> 안전밸브 Disc, Seat, Huddle chamber의 일반적인 배열

(Source : The KSFM Journal of Fluid Machinery - Vol. 17 , No. 1)

 

디스크가 움직여 유체가 챔버 내로 유입되고 슈라우드의 넓은 면적에 유체의 압력이 노출된다. 밸브에 가해지는 양력(F)은 유체에 노출된 면적(A)과 압력의 곱에 비례하며 (F = P × A), 결과적으로 개방력이 증가하게 된다. 이러한 개방력의 증가는 스프링의 압축에 따른 탄성력의 증가량을 극복하고 신속하게 밸브를 개방하도록 한다. 이와 동시에 슈라우드가 유체 흐름의 반대방향으로 전환시켜 반동력을 제공하여 밸브가 보다 더 신속하게 개방되도록 한다.

이렇게 결합된 힘은 밸브가 비교적 작은 초과 압력 범위 내에서도 원하는 설계 양정을 얻을 수 있도록 할 것이다. 압축성 유체의 경우에는 추가로 고압에서 저압영역으로 변화함에 따른 유체의 빠른 부피팽창도 밸브가 신속하게 개방하는 것에 영향력을 가지므로, 이 힘 또한 작은 초과 압력 제한범위 내에서 밸브가 완전히 개방하도록 하는데 가장 큰 역할을 담당한다. 그러나 액체의 경우 이러한 부피 팽창에 대한 영향력이 덜하며, 일반적으로 액체에 대한 초과 압력 제한범위는 25% 정도로 매우 크다.

 

 

분출 장지 (Reseating)

증기의 방출로 압력용기의 내부압력이 점차 떨어지게 되며, 설정압력 부근에서 디스크는 다시 닫히게 된다. 개방시 압력과 닫힘시 압력간의 차이를 블로우 다운의 값으로 평가하며, 일반적으로 약 4~6% 수준으로 설계된다.

공정의 운전조건이 정상적인 상태로 회복되었을 때, 안전밸브는 다시 닫혀야 한다. 그러나 커진 디스크의 면적으로 인해 여전히 유체가 분출되고 있기 때문에, 원래의 설정된 압력 이하로 감소할 때까지 안전밸브는 닫히지 않을 것이다. 설정압력과 다시 유체의 분출이 정지할 때의 압력 사이의 차를 ‘분출차(Blowdown)’라고 하며, 일반적으로 설정압력에 대한 %로 정의하고 있다. 압축성 유체의 경우 이 분출차는 대개 10% 이하이고, 액체의 경우에는 20%이다.

 

<그림 3> 급속개방형 안전밸브의 양정과 압력과의 관계

 

 

블로우다운 링 설계

블로우다운 링은 대부분 ASME 타입의 안전밸브에서 발견할 수 있으며, 이 링을 통하여 안전밸브의 초과 압력과 분출차를 미세하게 조절하는데 사용한다. 하부 블로우다운(노즐) 링은 설계 단계에서부터 초과 압력과 분출차를 더 정밀하게 하기를 요구하는 안전밸브에서 공통적으로 적용하고 있다. 상부 블로우다운 링은 대개 제조공장에서 이미 설정되며, 허들링 챔버의 구조에 따른 제작오차를 극복하기 위하여 사용한다.

하부 블로우다운 링 또한 요구하는 적절한 성능을 가질 수 있도록 제조공장에서 미리 설정되어 제공되지만 원하는대로 교정이 가능하다. 하부 블로우다운 링이 위쪽으로 조절되는 경우, 허딩 챔버의 체적은 안전밸브를 보다 더 빠르게 개방시키고 초과 압력을 최소화한다. 그러나 분출차는 더 커진다.

하부 블로우다운 링이 아래방향으로 조절되는 경우, 허딩 챔버가 최초한의 체적으로 제한되고 밸브가 완전히 개방되기 전에 필요로 하는 초과 압력이 커질 것이다. 반대로 분출차는 감소할 것이다

 

<그림 4> ASME 타입 안전밸브의 블로우다운 링

(Source : 한국스파이렉스사코 Steam People Mar. 2023)

 

Reference : 1. 한국스파이렉스사코 Steam People Mar. 2023

2. The KSFM Journal of Fluid Machinery - Vol. 17 , No. 1