릴리프 형태 결정

릴리프 시스템(relief system)은 수동, 제어된 수단, 자동으로 가압 용기 또는 배관 시스템에서 대기 중으로 가스 등을 배출하여 최대 허용 작업 압력(MAWP)을 초과하는 압력을 방출하기 위한 비상 시스템이다.

 

 

 

릴리프 형태 결정

 

릴리프장치의 구체적인 형태(type)는 액체, 가스, 액체와 가스, 고체 및 부식성 물질 등의 종류에 따라 결정된다. 이러한 fl릴리프 장치로부터 배출되는 물질들은 대기로 직접 배출되거나 릴리프 헤더를 통하여 격납(containment) 시스템(스크러버, 플레어 스택, 응축기, 소각로 등)으로 배출된다.

릴리프장치의 유형은 방출된 유체의 릴리프시스템, 공정 조건 및 유체의 물리적 특성 등의 세부적 사항들에 기초하여 구체화된다.

그림 1에 나타낸 바와 같이 릴리프장치에는 두 가지 일반적인 범주(안전밸브 및 파열판)와 두 가지 주요 유형의 스프링 작동식 밸브(conventional and balanced-bellows)가 있다.

 

<그림 1>  Major types of relief devices.

 

 

 

릴리프장치 개요

1. Spring-operated valves

스프링 작동식 밸브(spring-operated valves)에서는 가변 스프링 장력이 증가하는 입구 압력을 스프링이 압축하면서 상쇄한다. 릴리프 설정 압력은 보통 통상 운전압력보다 10% 높게 한다. 그리고 권한이 없는 사람이 이 설정값을 임의로 변경시키지 못하도록 조절나사(adjustable screw)는 나사형 캡(threaded cap)으로 봉인하여야 한다.

기존(conventional) 릴리프의 경우 밸브 시트의 압력 강하에 따라 밸브가 열린다. 즉, 설정된 압력은 시트 전체의 압력 강하에 비례한다. 따라서 밸브 후단의 배압(backpressure)이 증가하면 설정된 압력이 증가하여 밸브가 정확한 압력에서 열리지 않을 수 있다. 또한 기존 릴리프를 통과하는 유량은 시트 전체의 압력 차이에 비례하므로, 릴리프를 통한 유량은 배압이 증가함에 따라 감소한다.

밸런스 벨로우(balanced-bellows) 릴리프 설계의 경우 밸브 시트 뒤쪽의 벨로우즈가 배출부분의 압력을 항상 대기압으로 유지한다. 따라서 벨로우즈 밸브는 항상 원하는 설정 압력에서 열린다. 그러나 밸런스 벨로우 릴리프를 통과하는 유량은 밸브의 입구 및 출구 사이의 압력 차이에 비례하기 때문에, 배압이 증가함에 따라 유량이 감소한다.

* 이 이외에도 파일럿 작동(pilot operated) 릴리프가 있다. 파일럿 작동 밸브는 보조 압력 파일럿과 결합되어 제어된다. 주 밸브의 피스톤에 가해지는 저항력은 오리피스를 통과하는 공정압력에 의해 보조되어, 피스톤에 대한 실제(net) seat force는 공정 압력이 설정값에 가까워질 때 실제로 증가한다.

 

2.  Rupture discs

파열판(rupture discs)은 지정된 릴리프 설정압력에서 파열되도록 설계되어 있다. 일반적으로 이들은 지정된 압력에서 잘 파열되도록 설계된 금속판으로 구성되어 있다. 이는 종종 단독으로, 직렬 또는 병렬로 스프링이 장착된 릴리프장치와 연결 되어 있다. 또한 부식을 방지하기 위한 내식성 재료를 포함하여 다양한 재료로 만들어질 수 있다.

파열판의 중요한 문제는 공정 압력 변화에 따른 금속의 굴곡이다. 휘어짐은 설정된 압력보다 낮은 압력에서 조기 고장으로 이어질 수 있다. 이러한 이유로 일부 파열판 시스템은 설정된 압력보다 훨씬 낮은 압력에서 작동하도록 설계되어 있다. 또한, 진공이 걸리는 경우에 대해서도 특별히 설계되지 않으면, 이 파열판은 고장을 일으킬 수 있다.

파열판의 또 다른 문제는 일단 파열하면 열린 상태를 유지한다는 것이다. 이로 인해 공정내 물질이 완전히 배출되어, 공기가 공정으로 유입되어 화재 및 폭발을 유발할 가능성이 있다. 실제로 공정 작업자가 이런 상황을 인지하지 못한 채 작업을 하여 사고가 발생되기도 한다. 이 문제를 방지하기 위해, 파열판은 디스크가 파열될 때 내장된 와이어가 절단되어 경보가 울리도록하여 사용할 수 있다. 또한 파열판이 파열될 때 디스크의 조각들이 공정 다운스트림에 문제를 일으킬 수 있다. 최근 파열판 설계의 발전으로 이 문제가 최소화되었다.

 

3. Relief 장치 사용

상기와 같이 릴리프장치는 공정의 특정 작동 조건에 적합하게 지정되고 설계되어야 한다.

파열판들은 스프링 작동식 릴리프 밸브보다 훨씬 큰 크기로 판매되고 있으며, 상업적인 크기는 지름이 수 피트까지 가능하다. 파열판은 일반적으로 동등한 크기의 스프링 작동식 릴리프 밸브보다 비용이 적게 든다.

 

파열판은 스프링이 장착된 장치와 다음과 같은 조건 및 이유가 있을 때 직렬로 설치한다.

(1) 스프링이 장착된 고가의 릴리프장치를 부식성 환경으로부터 보호하기 위해 (2) 독성이 매우 강한 화학물질을 취급할 때 릴리프장치 단독 사용 시 누출로 매우 위험할 수 있어 완벽한 결리를 위해 (3) 인화성 가스를 취급할 때 완전한 격리를 위해 (4) 반응성 단량체는 중합이 진행되어 릴리프장치의 복잡한 작동 부품에 플러그를 유발할 수 있는 경우 스프링이 장착된 장치를 보호하기 위해 (5) 스프링 장착 장치의 플러깅을 유발할 수 있는 슬러리로부터 보호하기 위해

 

스프링이 장착된 릴리프장치 전단에 파열판을 사용하면 두 장치 사이에 압력계를 설치하여 파열판의 파열 여부를 확인할 수 있어야 한다. 이 압력계를 telltale gauge라 한다. 이 고장은 압력 이탈 또는 부식으로 인한 핀홀의 결과로서 나타날 수도 있는데, 어쨌든 이런 모든 경우는 압력계에 나타나고 이럴 경우 파열판을 교체해야 한다.

 

 

 

릴리프장치 선정 시 고려사항

적절한 릴리프장치를 선정하기 전에 전체 릴리프 시스템을 먼저 고려해야 한다. 릴리프 헤더는 압력 강하가 최소화하도록 설계하고 또한 향후 확장 및 추가 릴리프 배출량도 고려한다.

 

1. Conventional spring-operated valves 

Conventional 밸브는 밸브 후단의 배압(superimposed plus built up)이 릴리프 헤더에 연결된 최저설정 릴리프밸브 설정압력의 10% 미만일 경우에 선정한다.

 

2. Balanced-bellows spring-operated valves 

Balanced-bellows 밸브는 보다 높은 허용배압(40%)으로 인해, 최대로 방출되는 조건에서 허용되는 압력 강하가 크기 때문에 더 작은 릴리프 헤더에서도 사용할 수 있다. 즉, 이 밸브와 헤더는 더 높은 배압에서 작동하기 위한 시스템으로 설계되었다. 이 밸브는 Conventional 밸브보다 더 비싸지만 Balanced-bellows 밸브와 더 작은 헤더 시스템의 총 투자 비용과 비교하여 더 낮을 수 있다. 배압이 클수록 용량이 감소하므로 모든 배압 문제에 대한 해결책은 아닐 수 있다. 벨로우즈 모델에서 벨로우즈 밸브 크기에 따라 최대 허용 배압이 달라질 수 있어 유연하게 설계에 반영할 수 있다. 벨로우즈 재질은 제한되어 있어 특정 노출 조건에서 빠르게 저하될 수 있기 때문에, Bellows의 누출 여부를 주기적으로 점검해야 한다. 벨로우즈 누출은 배압 보상이 되지 않아, 누출 시 방출 헤더로 부터 대기로 바로 누출될 수 있다. 이 밸브는 일반적으로 새로운 저압 릴리프 로드(load)를 기존 시설의 고압의 과부하 릴리프 헤더 연결하거나, 릴리프 밸브 전단 공정이 릴리프 헤더의 부식성 가스로부터 보호하기 위해 사용된다.

 

3. Pilot operated valve 

Pilot operated 밸브는 사용 공정의 온도 제한 범위 내에서 오염되지 않은(clean) 물질을 취급할 때 사용한다. 15psig 미만의 압력에 매우 적합하며 밸브 inlet 또는 다른 지점에 파일럿 압력 감지 라인을 연결하여 사용할 수 있다. 파일럿 작동식 밸브는 운전 압력과 설정 압력의 간격(margin)이 매우 좁아 엄격한 차단 기능(shutoff)을 제공한다.

 

안전밸브 및 릴리프 밸브 종류 및 Type 선정에 대한 세부적인 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/132

안전밸브 및 파열판 선정 가이드

 

 

 

 

Spring-loaded pressure reliefs 형태

스프링 장착 압력 릴리프에는 세 가지 부수적인 형태가 있다.

⊙ 릴리프밸브(relief valve)는 주로 액체를 취급할 경우에 사용된다. 릴리프밸브는 설정압력에서 개방되기 시작하여, 25% 과압에서 완전히 개방된다. 그리고 압력이 설정압력으로 되돌아오면 밸브는 닫히게 된다.

⊙ 안전밸브(safety valve)는 가스, 스팀 및 증기를 취급할 경우 사용된다. 안전밸브는 압력이설정압력을 초과하면 ‘펑’소리를 내며 개방된다. 이때 고속으로 방출되는 물질이 밸브 시트 쪽으로 향하는 방출노즐을 사용하여 수행된다. 과압을 제거(blowdown)한 후, 밸브는 설정 압력보다 약 4% 낮은 곳에 복귀한다. 밸브는 4%의 blowdown을 가진다.

⊙ 안전릴리프밸브(safety relief valve)는 액체 및 가스 등을 취급할 때 사용된다. 이 밸브는 액체일 경우는 릴리프밸브의 기능으로, 가스 등의 경우는 안전밸브의 기능으로 작용한다.