밸브 고장 시나리오 기반 안전밸브 사이징 검토

감압밸브 및 컨트롤 밸브의 고장 시나리오부터 소요분출량 산출 및 안전밸브(PSV) 선정에 관한 핵심 내용을 요약 리포트 형식으로 공유하고자 한다.

 

 

 

밸브 고장 시나리오 기반 안전밸브 사이징 검토

 

계산 방법론 및 표준 (References)

• 소요량 산출 (Wreq): ANSI/ISA-75.01.01 (Control Valve 유량 공식)

       - 밸브 고유의 Cv와 xT를 반영하여 실제 배출 능력을 산정한다.

• PSV 면적 선정 (Areq): API Standard 520 Part I

       - 산출된 소요량을 안전하게 배출하기 위한 최소 오리피스 규격을 결정한다.

• 시나리오 설정: API Standard 521

       - Regulator 또는 Control Valve의 Fail-Wide-Open 상황을 최악의 시나리오로 간주한다.

 

 

핵심 공식 및 프로세스 (Step-by-Step)

Ste Step 1: 유동 상태(Choked Flow) 확인

가스 종류(Fk)와 밸브 구조(xT)에 따른 임계 압력 강하비를 계산하여 현재 차압비(x)와 비교한다.

• 임계 조건: x (= ΔP/P1) ≥ Fk​⋅xT (여기서 Fk (비열비 계수): k / 1.4)
• 의미: 이 조건 만족 시 하류 압력이 더 낮아져도 유량은 증가하지 않는 '포화 상태'가 된다.

 

Step 2: 질량 유량(W) 산출 (ISA/ANSI)

W=N⋅Cv​⋅P1​⋅Y⋅sqrt(x⋅M / (T1⋅Z))

• 임계 유동 시: x 자리에 Fk⋅xT 대입, Y(팽창계수)는 0.667 고정.
• 비임계 유동 시: 실제 x값 대입, Y = 1 – x/(3⋅Fk⋅xT) 로 계산.

 

Step 3: 안전밸브(PSV) 오리피스 면적 결정 (API 520)

A = W /(C⋅Kd⋅P1⋅Kb⋅Kc)⋅sqrt(T⋅Z/M)

• 오리피스 선정: 산출된 A보다 큰 직전 단계의 API 표준 오리피스(D, E, F...)를 선정한다.

 

 

주요 파라미터 요약 비교

계수	명칭	결정 요인	비고
k	비열비	유체의 종류	단원자(1.66) > 이원자(1.4) > 다원자(1.3↓)
Fk	비열비 보정 계수	가스 압축성	Fk = k / 1.4
xT	임계 압력강하비	밸브 구조	Globe(0.7~0.8) > Ball/Butterfly(0.3~0.4)
FL	압력 회복 계수	밸브 구조	주로 액체(Liquid)의 Cavitation 판단에 사용

 

 

엔지니어링 검토 의견 (Summary Notes)

• 보수적 설계: 감압밸브 고장 계산 시에는 항상 최대 Cv (Rated Cv)를 사용해야 하며, 바이패스 밸브가 있다면 그 용량도 합산 검토해야 한다.
• 밸브 타입 주의: Globe 밸브를 Ball 밸브로 교체할 경우, Cv는 커지고 xT는 작아져서 배출 유량이 급격히 증가하므로 반드시 PSV 재계산이 필요하다.
• 물리적 지점: 밸브 내 최저 압력 지점인 Pvc(Vena Contracta)에서 액체 증기압보다 낮아지면 Cavitation이 발생하므로 액체 서비스에서는 FL 값을 통한 검토가 필수적이다.