조절 밸브 결함의 HAZOP 연관성 분석(2)

조절 밸브(Regulating Valve)의 비정상적인 개폐는 유량, 액위, 압력 외에도 온도 이탈을 유발하는 핵심 원인이 된다.

 

 

 

조절 밸브 결함의 HAZOP 연관성 분석(2)

공정 제어 시스템의 핵심 구성 요소인 조절 밸브(Regulating Valve)의 비정상적인 개폐는 온도 고(Temperature High) 및 온도 저(Temperature Low) 이탈의 주요 원인이 된다.

조절 밸브(Regulating/Control Valve)의 비정상적인 개폐는 센서, 로직, 구동기(Actuator), 밸브 본체 및 설정치(Set Point) 등 다양한 구성 요소의 결함으로 인해 발생한다.

 

 

Flow Less (유량 감소) 및 Level Low (액위 저하), Flow High (유량 증가) 및 Level High (액위 상승), Pressure High (압력 상승) 이탈에 원인의 조절 밸브 결함에 의한 HAZOP 분석은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1698

조절 밸브 결함의 HAZOP 연관성 분석(1)

 

조절 루프 구성 요소와 이탈 관계 (Control Loop Components and Deviations)

조절 밸브의 개폐 상태는 제어 루프(Control Loop) 내의 여러 변수에 의해 결정되며, 각 단계의 결함은 공정 온도(Tₚ)의 변동을 초래한다.

• 센서 결함 (Sensor Fault): 온도 검출기(Temperature Element) Tₑ의 측정 오류로 인해 실제 온도와 제어기 입력값 간의 편차가 발생한다.
• 설정치 변경 (Change in Set Point): 운전원 실수 또는 공정 로직에 의한 설정치(Set Point) Tₛₚ의 부적절한 변경은 밸브의 과도한 개폐를 유도한다.
• 제어 로직 및 액추에이터 (Logic and Actuator): 제어기(Controller)의 연산 오류나 액추에이터(Actuator)로 전달되는 신호의 전송 불량은 밸브의 비정상 위치(Valve Position)를 유발한다.

 

 

온도 고 이탈 원인 분석 (Analysis of Temperature High Deviation)

가열 공정(Heating Process)을 기준으로 밸브의 비정상적 개폐가 온도 고(Tₕᵢ)를 유발하는 경로는 다음과 같다.

• 밸브 과다 개방 (Excessive Valve Opening): 열매체 조절 밸브가 열림(Open) 상태로 고착되거나 설정치 Tₛₚ가 실제 요구량보다 높게 설정된 경우이다.

       - 액추에이터에 공급되는 공기압 Pₐ의 변동으로 인해 밸브가 완전 개방(Full Open)될 때 발생한다.

• 센서의 낮은 측정값 전달 (Under-reading Sensor):

       - 실제 온도 Tₚ는 높으나 센서 결함으로 인해 제어기에는 낮은 온도 데이터가 전송되어, 시스템이 가열량을 계속 늘리는 현상이다.

 

 

온도 저 이탈 원인 분석 (Analysis of Temperature Low Deviation)

반대로 냉각 공정(Cooling Process)의 부재나 가열 중단에 의한 온도 저(Tₗₒw) 발생 원인은 다음과 같다.

• 밸브 불시 폐쇄 (Inadvertent Valve Closing): 밸브 본체(Valve Body)의 고착 또는 전원 차단(Power Failure)으로 인해 열매체 공급이 차단되는 경우이다.

       - 공기압 Pₐ 공급 중단 시 밸브가 닫힘 위치(Fail Close)로 이동하도록 설계된 경우 빈번하게 발생한다.

• 로직 오류 및 외부 간섭 (Logic Error and External Interference):

       - 제어 로직 내의 연산 계수 Cd나 이득값(Gain) 설정 오류로 인해 급격한 출력 변화가 발생하여 밸브가 조기에 차단된다.

 

 

HAZOP 인과관계 기술 표 (HAZOP Cause-Effect Table)

이탈 (Deviation)	원인 (Causes)	영향 (Consequences)
Temperature High	센서 Tₑ 측정값 저하 오차, 로직 오류로 인한 밸브 개방, 액추에이터 고착(Fail Open)	장치 과열 및 열변형, 내부 유체 증기압 Pᵥ 상승에 의한 폭발 위험
Temperature Low	설정치 Tₛₚ 하향 설정 오류, 밸브 구동 전원/공기압 Pₐ 차단(Fail Close), 유량계 Fₑ 고장	공정 유체 응고 및 라인 폐쇄, 촉매 활성 저하로 인한 반응 수율(Yield) 감소

 

 

위험 방지 및 관리 대책 (Risk Prevention and Management Measures)

조절 밸브 결함에 의한 위험을 최소화하기 위해 다음과 같은 대책을 강구한다.

1. 기술적 대책 (Technical Measures)

• 다중화 설계 (Redundancy Design): 중요 공정에는 온도 센서 Tₑ를 2중화(2oo3 Logic 등)하여 센서 결함에 의한 오작동을 방지한다.
• 인터록 시스템 (Interlock System): 온도 Tₚ가 허용 한계치를 초과할 경우, 조절 밸브와 별개로 설치된 긴급 차단 밸브(Emergency Shutdown Valve)가 즉각 작동하도록 구성한다.
• Fail-safe 설정: 공정 특성에 따라 전원 차단 시 밸브가 열림(Fail Open) 또는 닫힘(Fail Close) 상태가 되도록 사전에 설정한다.

2. 관리적 대책 (Administrative Measures)

• 정기 점검 (Preventive Maintenance): 밸브 시트(Seat)의 누설 여부 및 액추에이터의 응답 속도를 주기적으로 점검한다.
• 교정 (Calibration): 온도 전송기와 조절 밸브의 포지셔너(Positioner)에 대해 연 1회 이상의 교정을 실시하여 오차 범위 이내로 유지한다.