Fail-Safe Position 선정

 

계기(instrument)용 Air 또는 전원이 failure(손실)되어 비상상황이 된 경우, Control Valve (제어 밸브)의 Fail-Safe Position의 종류 및 선정 방법에 대해 공유하고자 한다. 

 

 

Fail-Safe Position 선정

 

emergency operational situation(비상 운전 상황) 시 Control Valve (제어 밸브)에 대하여 시스템적으로 고려해야할 사항이 있다. 이를 fail safety status(고장 안전 상태)라하고 밸브가 어떻게 작동해야 하는 지를 나타낸다. 즉, 밸브의 fail safe position(또는 fail position)은 비상 상황에서 공정을 보호하기 위한 안전 예방책이다. 

 

주요 시스템 고려사항

1. 계기 급기(IAS, instrument air supply) 압력 손실(loss) 
2. 전력(electrical power) 손실.

 

 

제어 밸브 "대응" 방법

만약 밸브를 작동하는 동력이나 공기압을 잃는다면, 밸브가 어떻게 반응하여야 할까?

상기와 같은 비상 상황에 대한 제어 밸브 "대응"에는 네 가지 선택이 있다.
1) Fully Close(FC, 완전히 닫기)
2) Fully Open(FO, 완전히 열림)
3) In Last Position(FL, 마지막 위치)
4) Continue Throttling(계속 조절)

 

이와 같은 방법에 대한 설정은 제어밸브의 액추에이터가 밸브에 장착되기 전에 수행된다.

즉, 제어 밸브 actuator의 bench set 범위 스프링을 어떻게 설정하느냐에 따라서 설정된다.

* bench set는 밸브가 완전히 닫혔을 때 seat에 대한 plug의 착석력(시트 하중)을 설정하는 것으로, actuator 시작부터 밸브의 공칭 이동까지의 압력 범위로 표시된다.

 

 

밸브는 일반적으로 공압식이며, 이는 밸브의 기능이 공기압을 기반으로 한다는 것을 의미한다. 공기 압력은 피스톤, 다이아프램 또는 액추에이터 내부의 스프링에 작용하여 밸브 스템을 움직이는 힘을 생성하여, 밸브 개도를 조정하도록 되어 있다. 이와 같은 공압식의 경우 신호 범위는 3~15 psi이다.

다음 그림과 같이 공기개방(Air-To-Open, FC) 제어밸브의 “bench-set” pressure는 3psi 이고, 공기폐쇄(Air-To-Close, FO) 제어밸브의 “bench-set” pressure는 15psi 가 된다.

 

 

Source : https://automationforum.co/what-is-bench-set-in-control-valve/

<그림 1> bench-set pressure(FC vs. FO)

전력 손실에 대한 보호는 솔레노이드 밸브를 사용하여 간접적으로 이루어진다. 정상 작동 시에는 솔레노이드 밸브가 전기적으로 통전되고, 비상 전원 손실 시에는 솔레노이드 밸브가 전원이 차단되어 "쉘프 위치"로 트립된다.

 

 

 

Fail-Safe Position 종류

 

1. Fail Open (FO) – Air to Close
Fail open은 밸브의 신호 또는 전원이 손실될 때 밸브가 열리는 것을 의미한다.

- 이러한 유형의 밸브는 닫힌 상태를 유지하려면 공기압이 필요하도록 설계를 하여, 필요한 공기압이 사라지면 밸브가 자연스럽게 열리게 된다. 즉, 액추에이터의 벤치 설정 범위 스프링은 공기 압력이 0psig 쪽으로 가거나 0psig에 근접할 때 밸브 플러그 구동을 "Open" 상태로 한다.  

- 액추에이터로 공급되는 공기를 차단하고 내부 공기를 배출한다.
액추에이터의 로드 챔버와 대기 사이(P= 0psig), 액추에이터의 벤치셋 범위 스프링이 밸브 플러그가 "Open" 상태로 한다. 솔레노이드 밸브는 3방향 유형을 사용한다.

 

<그림 2> Solenoid valve 및 tubing interconnection

 

 

2. Fail Closed (FC) - Air to Open
Fail closed는 신호가 중단되거나 손실될 때 밸브가 닫히는 것을 의미한다.

- 이것은 위의 시나리오와는 반대의 경우로서, 밸브가 열린 상태를 유지하려면 공기압이나 전원이 필요하기 때문에 더 이상 작동하는 공기원이나 전원이 차단되면 밸브는 자동으로 닫히게 된다. 즉, 액추에이터의 벤치 설정 범위 스프링은 공기 압력이 0psig 쪽으로 가거나 근처에 도달할 때 밸브 플러그 구동을 "Close" 상태로 한다.

 

<그림 3> 공기기반식 Fail Closed 구성도

 

- 액추에이터로 공급되는 LOAD 공기를 차단하고 액추에이터의 로딩 챔버 내 공기를 대기로 배출(P = 0 psig)하여 액추에이터의 벤치셋 범위 스프링이 밸브 플러그를 "Close" 상태로 한다. 구성도는 상기 그림 2와 같다.

 

 

3. Fail in Last position(FL) 또는 Fail in Place(FP) 
이 시나리오는 전원 등이 손실될 때 그 당시 운전되고 있는 마지막 시점의 작동 상태 그대로 있는, 즉 전원 또는 신호 손실 시 반응하지 않는 볼 밸브나 제어 밸브에만 적용되기 때문에 상기 두가지 경우와는 조금 의미가 다를 수 있다. 이 기능은 프로세스를 종료할 수 없거나 프로세스를 중지할 필요가 없는 경우에 유용하게 사용된다.

- 이는 2방향 파일럿 전환 밸브인 "lockup valve"를 통해 이루어진다. 컨트롤 루프의 공기 설정에서 공기 압력이 손실되면 lockup valve가 actuator의 loading chamber 내부에 공기를 "Close" 및 "Trap"한다. 공기 누출이 없으면 제어밸브가 마지막 조절 위치를 유지한다. 

 

<그림 4> 공기기반식 FL 구성도

- 상기 FC, FO 경우와는 달리 이는 2방향 솔레노이드 밸브를 통해 이루어진다. "전원 공급" 상태에서는 솔레노이드 밸브 포트가 "개방"되고 로딩 공기가 통과하고, "비통전" 상태에서는 솔레노이드 밸브가 액추에이터의 로딩 챔버 내부에 공기를 "폐쇄"하고 가둡니다. 공기 누출이 없을 경우 컨트롤 밸브가 마지막 조절 위치로 유지된다(컨트롤 밸브 작동은 문제가 되지 않음).
 

<그림 5> 전력 손실 시 FL

 

 

 

4. Continue Throttling(계속 조절)
이것은 비상사태에도 공정을 중단하지 않고 지속적으로 유지하기 위한 "정교한" 시스템으로 다음과 같은 두 가지 다른 방법으로 달성할 수 있다.
1) 볼륨 탱크(Volume Tank)

볼륨 탱크는 제한된 시간(예: 최대 1시간) 동안 정상 작동을 유지하기 위해 제한된 공급량의 IAS를 저장한다.

 

<그림 6> Volume Tank를 이용한 계속 조절

 

2) 대체 공급(Alternate Supply)

대체 가스, 일반적으로 GN2로 채워진 고압 실린더가 설치되어, IAS 압력이 50psig 미만으로 떨어지면 대체 가스가 공압 제어를 위해 공급된다. 높은 압력으로 인해 IAS의 비상 손실이 복구되기에 충분한 시간 동안 계속 작동할 수 있다. 이 것은 일반적으로 "매우 중요한(critical)" 서비스를 위해 적용된다. 이러한 루프는 일반적으로 "국부적(local)"이며 공압 전용이기 때문에, 저압 경보 스위치를 제외하고는 전력이 필요하지 않다.

 

<그림 7> 대체 공급을 이용한 계속 조절

 

 

 

FO 및 FC 선정 가이드

Fail-safe position 선정은 공정 시스템에 따라 다를 수 있다. 따라서 이에 대한 결정은 공정에 따라 그 사용 용도가 달라, 공정을 분석하고 다운스트림에서 발생할 수 있는 결과를 고려해서 선정하여야 한다. 아래 가이드 예시는 컨트롤 밸브의 고장 위치를 선택하는 데 도움은 될 수 있다.

 

 

1. FO

 (1) 용기의 기상/증기 배출에 의한 압력 제어 밸브(과압 방지)

 (2) 열분해로와 같은 가열로의 공기 유량 조절 밸브(공기 부족으로 인한 폭발 방지)

 (3) 폭발 한계 조절을 위한 질소 등의 inert gas 유량 조절 밸브

 (4) 발열 반응 반응기의 냉매 밸브

 (5) 증류탑 reflux drum의 액위 조절 밸브

 (6) 냉각수 유량 제어 밸브

 (7) 최소 유량 라인에 설치된 제어 밸브

 

2. FC

 (1) 가열로의 연료 유량 조절 밸브

 (2) 반응기로 공급되는 원료의 유량 조절 밸브

 (3) 값비싼 물질의 저장 탱크의 액위 조절 밸브(탱크 오버플로 방지)

 (4) 탑사부 응축기 CTW 유량 조절 밸브

 (5) 폐수 배출 제어 밸브(폐수에 포함된 독성 물질 방출 방지)

Reference : 1.Cashco, BASIC OPERATION AND FUNCTION OF CONTROL VALVES

               2. https://missrifka.com/ 

               3. https://automationforum.co/what-is-bench-set-in-control-valve/