1. 머리말

컨트롤 밸브는 플랜트 계장용 기기 중에서도 비교적 숙련된 기술을 필요로 하는 제품분야다. 그러나 컨트롤 밸브의 구성요소이며, 상위 제어시스템과의 인터페이스인 스마트 밸브 포지셔너에 대해서는 열외로, 제어성 개선, 기기의 연명이라는 현장의 개선 테마에서 최근의 디지털 계장의 Key Device로서의 검토까지, 다양한 주제로 다뤄지고 있다.
본고에서는 스마트 밸브 포지셔너가 ‘자주 보안 능력’ 강화로 연결되는 다양한 단면에 대해 소개한다.
2. 밸브 포지셔너의 변천

1.1 기계식 밸브 포지셔너

그림 1은 널리 사용되어온 기계식 포지셔너인 전기/공 기식 포지셔너의 원리를 나타낸다.
전류 입력신호는 마그넷 유닛에 의해 전자력으로 변환된다. 이 힘과 피드백 스프링으로 발생하는 스프링 힘을 평형시킴으로써 밸브 개도를 제어한다. 이 힘은 노즐 플래퍼에 의해 노즐 배압으로 변환되며, 파일럿 릴레이로 증폭됨으로써 공기식 컨트롤 밸브의 공기압 출력이 된다.
1.2 스마트 밸브 포지셔너

그림 2는 최근 많이 사용되고 있는 스마트 밸브 포지셔너의 원리이다. 전류 입력 신호와 밸브 개도를 검출하는 개도 센서의 피드백 신호와의 편차에 따른 PID(Proportional -Integral-Differential) 제어 연산 출력으로, 코일을 여자(励磁)하여 전자력을 발생시킨다. 이 힘으로 노즐 플래퍼 기구를 내장하는 EPM(ElectroPneumatic Module : 전/공 변환 모듈)을 구동하여, 노즐 배압을 발생시켜, 파일럿 릴레이로 증폭, 공기식 컨트롤 밸브의 출력 공기압을 얻는다.

3. 기계식 밸브 포지셔너의 과제

3.1 스마트화에 대응

스마트화가 선행된 차압·압력 발신기나 유량계는 정밀도 향상, 계측 레인지 확대 등 제어기기로써 본질적인 성능 향상 외에도 자기진단 기능 탑재, 조정·설정 작업의 조작성 향상으로 사용자에게 많은 장점을 가져다 주었 다. 한편 공기식 컨트롤 밸브는 밸브 포지셔너를 포함해 기계구성부품이 많아, 스마트화 대응이 늦어졌다. 같은 프로세스 제어용 기기의 스마트화로 인한 장점을 누린 유저는 조작단인 공기식 컨트롤 밸브, 밸브 포지셔너의 스마트화에 대해 큰 기대가 있다.
3.2 필드버스에의 접속성

최근 프로세스 제어시스템 분야에서는 FOUNDATION™ Fieldbus, HARTⓇ 프로토콜과 같은 사실 표준(De facto standard)이라고 말할 수 있는 통신 기술이 일반적으로 이용되고 있다. 스마트화된 제어기기가 이러한 통신 기술을 활용한 네트워크 환경에서 이용된다면, 기기의 자기 진단 정보를 실시간으로 파악할 수 있다. 또한, 기기 원격 감시나 원격 설정이 가능해지는 등 많은 장점이 있다. 공기식 컨트롤 밸브와 밸브 포지셔너도 네트워크 환경 하에 이용하면 보전, 보안 측면에서 상당한 장점을 누릴 수 있다.

3.3 외란에 대한 약점

그림 1에 나타난 기계식 포지셔너의 빔, 피드백 레버와 스프링 등은 금속부품이다. 금속부품은 열에 의해 신축하는 특성이 있다. 신축은 역평형 기구에 영향을 주며, 밸브 포지셔너에는 제로점 시프트라는 악영향을 준다. 또한 밸브 포지셔너는 공급 압축공기를 내부 노즐 플 래퍼에 도입해, 역평형 기구로 개도를 제어하지만, 압축공기에는 생성이나 압송 등의 과정으로 유분, 수분, 미소 고형물 등 이물질이 혼입될 리스크가 있다. 이물질 혼입은 밸브 포지셔너의 개도 제어에 외란이 되며, 제로점 시 프트나 출력 조작 압력 부족 등 부적합을 초래한다. 이러한 기계식 밸브 포지셔너는 외란의 영향을 받기 쉬워 개 선의 여지가 있다.

3.4 내환경성

컨트롤 밸브가 설치된 환경은 다양하지만, 상당히 가혹한 환경에서 가동되는 경우가 있다. 첫번째 요인은 ‘진동’이다. 컨트롤 밸브는 배관에 들어가는 기기이기 때문에, 배관 진동은 직접 컨트롤 밸브에 전달된다. 밸브 포지셔너는 진동을 받으면 피드백 스프링이나 노즐 플래퍼부가 공진하면 제로점 시프트가 일어나거나, 피드백 레버나 축받이(베어링)이 마모되어 개도 제어가 되지 않는 경우가 있다. 두번째 요인은 ‘온도’다. 예를 들어 분해로 가까이에서 가동하는 컨트롤 밸브는 심한 고온환경에 노출되어, 전술한 열신축에 의해 제로점 시프트나 수지製 Seal 부품의 열경화로 인한 기능 손실 등 부적합이 발생할 수 있다.
3.5 조정·설정의 작업성

공기식 컨트롤 밸브 액추에이터의 사이즈, 스트로크와 공급 공기압은 다양하므로 대응을 위해 포지셔너를 적절히 선정, 설정해야 한다. 기계식 포지셔너의 경우 설정·조정은 기계적인 부품 교환과 재조합, 다이얼 조작 등으로 실시한다. 번거로움을 동반하는 조정·설정 작업은 숙련을 요하며, 보전 담당자의 작업 품질에 불균형을 초래한다. 또한 컨트롤 밸브는 배관설계의 상황으로 인해 높은 곳 등 작업자가 설정하기 힘든 장소에 설치해야 하는 경우가 있다. 운전 중에 부적합이 생겨 기기 상태 확인이나 조정 설정 작업을 하고 싶어도 안전이 보장되지 않아 작업을 단념하는 경우도 있다. 조정, 설정면에 대해서 이러한 잠재적인 과제도 발견되었다.

4. 스마트 밸브 포지셔너로 과제 해결

4.1 전자화로 제어성 향상

그림 2와 같이 스마트 밸브 포지셔너는 개도 제어 연산을 하는 전자 부품부와, 열, 이물질 등 외란의 영향을 받는 노즐 플래퍼나 개도 센서 등 기구 부품이 독립적으로 분리된 구조이다. 만일 개도제어 쪽으로 외란이 발생해도, 개도 제어 연산으로 보정이 되어 항상 입력신호에 대해 적절한 개도가 설정된다. 기계식 포지셔너에는 없는 특징으로, 제어기기의 본질적인 기능향상을 실현했다.

4.2  포지셔너 자기진단 기능,  컨트롤 밸브 진단 기능

스마트화가 선행된 계측기와 같이, 각종 자기진단 기능을 밸브 포지셔너에 실현했다. 예를 들면, 개도 센서나 전자부품 고장 검출이 가능하다. 또한, 조정 작업 중이라면 그 상태를 통지할 수 있다. 최근 스마트 밸브 포지셔너는 자기진단의 범주를 넘어 일체적으로 사용되는 컨트롤 밸브 본체와 공기식 액추에 이터의 진단을 실시해, 이를 발신하는 기기로써 기대가 커지고 있다.

4.3  필드버스의 응용에 의한  컨트롤 밸브 가동 상태 파악 향상

FOUNDATION Fieldbus나 HART Protocol을 활용 해, 스마트 밸브 포지셔너와 중앙 계기실 등에 설치되는 분산제어시스템（Distributed Control System：DCS）이나 기기 관리 시스템을 통신시켜, 컨트롤 밸브의 가동 상황을 실시간 원격으로 파악할 수 있다. 예를 들면 최신 DCS에서는 페이스 플레이트에 입력 신호, 개도 신호, 기기 설치 환경 온도를 원격 표시할 수가 있다. 이외에도 전술한 자기진단 정보의 취급 룰도 FOUNDA TION Fieldbus나 HART Protocol에서는 일부 표준화 되어 있어, 다양한 상황에서 활용할 수 있다.​

4.4  내(耐)환경성, 조정·설정 작업을 향상시키는 분리형 스마트 밸브 포지셔너

4.1(전자화로 제어성 향상)에서 설명한 것과 같이 스마트 밸브 포지셔너는 기능 레벨로 개도 검출부, 기구 부품 부(전공 변환부, 파일럿부), 전자연산부가 분리 독립된 구조이다. 이 중 개도검출부를 다른 기능에서 물리적으로 분리시킨 것이 분리형 스마트 밸브 포지셔너(이하, 분리형 포 지셔너)이다. 그림 3은 분리형 포지셔너의 외관이다. 개도 검출부는 독립된 내압방폭구조 케이스에 담겨있 다. 한편 다른 기구 부품부와 전자 연산부는 포지셔너 본 체 케이스에 있어, 컨트롤 밸브에서는 물리적으로 떨어진 장소에 설치된다. 이와 같은 설치 방법이 채용된 분리형 포지셔너는 내환 경성 향상 및 설치 환경상 제약이 있는 컨트롤 밸브 및 밸브 포지셔너의 조정·설정 작업 능력을 향상시킨다. 3.4에서 언급한 바와 같이 기계식 포지셔너에서는 진동이나 고온 등 엄격한 설치 조건에서 발생하는 부적합 개선에 대한 니즈가 있다. 분리형 포지셔너를 채용하여 진동이나 고온에 의해 악영향을 받는 부분을 그 환경에서 떨어진 적절한 환경에서 작동하도록 할 수 있다. 이러한 작업으로 부적합 발생을 방지하며, 포지셔너의 수명을 연장할 수 있다. 일반적인 프로세스 제어용 기기는 내진동 특성으로 가속도 2G, 주파수 400Hz 정도의 성능 규정이 있지만, 분리형 포지셔너로는 이것을 10G, 2000Hz까지 향상시킬 수 있다. 설치 환경 온도는 개도 검출부에만 규정되어 있으나, 접속용 케이블을 적절하게 선택하면 100℃까지 이용이 허용된다.

4.5 간단해진 조정·설정 작업

전자화된 스마트 밸브 포지셔너는 제어 알고리즘 이외에도 편리성을 높인 소프트웨어를 탑재할 수 있다. 대표적인 예로 포지셔너 각종 조정·설정을 자동으로 하는 오토셋업 프로그램이 있다. 그림 4는 아즈빌製 스마트 밸브 포지셔너의 오토셋업 흐름도이다. 액추에이터 사이즈나 히스테리시스 차이 지표값에 응하는 개도 제어 파라미터 설정, 액추에이터 작동 설정은 기존 기계식 포지셔너로는 기계적인 부품 교환이나 재조합이 필요한 작업이었다. 완료된 후에 실시하는 제로스팬 조정은 기구상, 제로 조정과 스팬 조정이 상호 간섭하기 때문에 숙련을 요하는 작업이었다. 작업자의 숙련도에 따라 1시간을 필요로 하는 경우도 있다. 한편 스마트 밸브 포지셔너로 오토셋업을 실행하면, 이러한 일련의 작업을 자동으로 1분 30초에서 3분 정도로 완료할 수 있다. 오토셋업으로 밸브 포지셔너에 설정된 조정 결과는 작업자의 숙련도에 좌우되지 않는 안정적인 품질이다.

5.  컨트롤 밸브 진단 기능과  보안 능력 강화에 공헌

5.1  스마트 밸브 포지셔너의  컨트롤 밸브 진단 기능

컨트롤 밸브 진단에는 플랜트 운전 중에 개도 제어에 영향을 주지 않고, 스마트 밸브 포지셔너 내부에서 자동 실행하는 온라인 진단과, 플랜트 정지 시 컨트롤 밸브에 진단용 조작 신호를 적극적으로 부여해 그 응답으로 컨트롤 밸브의 건전성을 판단하는 오프라인 진단이 있다. 전자는 플랜트 Shutdown Maintenance에 실시된 컨트롤 밸브 개방 점검에서 대상을 선별하는 판단 재료로 이용하는 것을 가정한다. 기존에는 선별시 해당 컨트롤 밸브의 플랜트 운전상 중요성과 고장시의 리스크라는 정성적 정보에 근거해 실 시했다.
그 결과 컨트롤 밸브 개방 점검은 오버 메인터넌스의 경향이 있다. 온라인 진단으로 이러한 가격대성능비(Cost performance)를 개선할 수 있다. 후자는 플랜트 Shutdown Maintenance 시, 컨트롤 밸 브에서 발생하는 이상과 고장의 원인을 특정지어, 효과 적인 메인터넌스를 빠짐없이 실시할 수 있다. 두 진단 기술 모두 유효성이 선진 유저 사이에서 인식 되었고, 스마트 밸브 포지녀서의 침투를 촉진시키는 많은 이유 중 하나가 되었다.

5.2  압력계측 기능을 탑재한  스마트 밸브 포지셔너

최근 스마트 밸브 포지셔너는 압력센서를 내장하여, 공급 공기압, 노즐 배압, 출력 공기압을 측정하여, 그 정보 를 활용하므로 보다 유익한 컨트롤 밸브 진단을 실시할 수 있게 되었다.

밸브 시그니처는 대표적인 오프라인 진단 기술이다. 스마트 밸브 포지셔너가 컨트롤 밸브를 자동으로 램프 동작을 시켜 얻어진 응답(출력 공기압)과 밸브 개도와의 관 계로 각종 컨트롤 밸브 이상을 검출할 수 있다. 예를 들면, 액추에이터의 스프링 레인지 설계값과 실측값을 비교하여 스프링의 열화나 고장을 검출할 수 있다. 또한, 측정된 스프링 레인지 하한 값에서 검사 대상인 컨트롤 밸브가 소정의 시트 리크 성능을 발휘하는데 필 요한 시팅력이 얻어지는 지를 판정할 수 있다. 아즈빌製 스마트 밸브 포지셔너로는 ‘포스 밸런스 진단’ 이라 불리는 온라인 진단 기술의 활용도 있다. 컨트롤 밸브는 밸브 내부에서 유체압으로부터 얻을 수 있는 밸브축 추력, 그랜드 패킹 등에서 발생하는 마찰력, 액추에이터의 스프링력, 포지셔너의 출력 공기압에 의해 발생된 조작 추력의 4가지 힘(Force)의 균형이 항상 성립한 상태에서 가동해야 한다. 컨트롤 밸브가 건전한 상태인 포스 밸런스 상태의 데이터를 스마트 밸브 포지셔너와 관련 시스템에 보존하여, 운전 중에 이 밸런스가 무너지면 이상이라고 판단하는 것 을 ‘포스 밸런스 진단’이라고 한다.
이러한 기존의 스마트 밸브 포지셔너에서는 어려웠던 컨트롤 밸브 이상 검출 기능이 압력정보의 활용을 보다 원활하게 한다.

6. 맺음말
‘자주 보안 능력’ 강화로 이어지는 다양한 단면에서 스마트 밸브 포지셔너의 특징, 기능, 어플리케이션, 응용 방법 을 소개했다. 본고가 석유, 석유화학 업계에서 ‘자주 보안 능력’ 향상에 힘쓰는 계장 기기 유저에게 도움이 되길 바란다.
출전 : 일본 공익사단법인 석유학회발행 정보지 「PETROTECH」2018 Vol41 No.9」

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