안전밸브(Pressure Safety Valve, PSV)의 종류와 관리방법

안녕하세요? 오늘은 안전밸브(Pressure Safety Valve, PSV)의 종류와 관리방법에 대해서 말씀드리고자 합니다. 최근 안전밸브 PSV에 대해서 계속 포스팅하고 있습니다. 지난 저의 포스팅을 모두 보시면 안전밸브 PSV에 대해서 이해하시는데 많은 도움이 되실 것입니다. 

 

 

 

 

 

안전밸브(PSV)의 종류

안전밸브(Pressure Safety Valve, PSV)에는 아래와 같이 크게 3가지 종류가 있습니다. 각각의 PSV에 대해서 내부구조와 설명을 하도록 하겠습니다. 

 

1. 컨벤셔널 타입 안전밸브(Conventional Type PSV)

2. 벨로우즈 타입 안전밸브(Bellows Type PSV)

3. 파일롯 동작 안전밸브(Pilot Operated PSV)

 

 

 

 

 

1. 컨벤셔널 타입 안전밸브 (Conventional Type PSV)

Conventional Type PSV, 출처:https://webywebyweby.wordpress.com

위의 그림은 Conventional Type PSV의 내부구조입니다. 평상시에는 스프링의 미는 힘에 의해 Disc가 닫혀 있습니다. 하지만 어떤 원인으로 인해 과압이 발생하면 Inlet쪽의 압력이 커지게 됩니다. 그리고 그 압력이 스프링의 미는 힘을 압도할 정도로 커지면 Disc가 열리면서 압력이 Outlet쪽으로 빠져나가게 됩니다. Outlet는 물론 Flare나 대기오염방지시설 등이 있는 곳입니다. 그리고 압력이 감소하면 즉시 스프링의 미는 힘에 의해 Disc가 닫히게 됩니다. 

 

이 Conventional Type PSV는 PSV 중에서 가장 단순한 것입니다. 그런데 이 Conventional PSV에는 큰 단점이 있습니다. 바로 배압(Back Pressure)이 높은 곳에서 사용할 수 없다는 것입니다. 그렇다면 배압이라는 것은 무었일까요? 그 정의는 아래와 같습니다. 

 

“배압 (Back pressure)”이라 함은 안전밸브 등의 토출측에 걸리는 압력을 말하 는 것으로, 중첩배압과 누적배압의 합을 말한다.

“중첩배압 (Superimposed back pressure)” 이라 함은 안전밸브가 작동하기 직 전에 토출측에 걸리는 정압(Static pressure)을 말한다. 

“누적배압 (Built-up back pressure)" 이라 함은 안전밸브가 작동한 후에 유체 방출로 인하여 발생하는 토출측에서의 압력증가량을 말한다.

 

 

 

배압(Back Pressure), 출처:https://webywebyweby.wordpress.com

말은 길지만 단순하게 생각해 보면 배압은 토출측에 걸리는 압력입니다. 위의 그림과 같이 Inlet 쪽에서 발생하는 압력은 Pv이고 스프링의 미는 힘은 Fs, Back Pressure는 Pb입니다.

 

만약 Flare Header 같은 경우를 생각해보면 Flare Header에는 미량의 N2가스로 항상 밀어주고 있기 때문에 약간의 배압이 존재합니다. 또한 공정에서 배출하는 가스가 항상 있을 수 밖에 없기 때문에 Flare Header에는 항상 가스로 인한 압력이 있다고 보시면 됩니다. 또한 유체가 방출이되면 토출측이 압력이 증가할 수 밖에 없기 때문에 이것 또한 배압이 됩니다. 

 

그렇다면 배압이 클 수록 Pv의 힘이 커야만 PSV가 동작하게 되므로 용기의 설계압력에서 일정하게 작동해야만 하는 PSV가 작동 압력이 달라지게 됩니다. 따라서 배압이 큰 곳에서는 Conventional PSV를 사용할 수 없습니다. 따라서 Conventional Type PSV는 배압이 매우 작아서 설정압력의 10% 미만이거나 거의 0에 가까울 때 사용합니다. 따라서 Conventional Type PSV는 대기로 배출해도 무방한 유체(수증기, N2 등)를 사용하는 압력용기에 많이 사용합니다. 

 

 

 

 

 

2. 벨로우즈 타입 안전밸브 (Bellows Type PSV)

출처: https://amarineblog.com

위에서 보시는 바와 같이 Bellows Type PSV는 내부에 주름관이 들어가 있습니다. 이주름관의 역할은 배압(Back Pressure)를 상쇄시키기 위한 것입니다. 오른쪽 그림에서와 같이 Back Pressure가 가해지면 주름관의 양쪽으로 압력이 가해지므로 서로 압력이 상쇄되는 효과가 생깁니다.

 

따라서 Bellows Type PSV에서는 Conventional Type에서와 같이 Back Pressure가 온전히 Disc를 스프링과 함께 누르는 역할을 하지 않게 됩니다. 그러므로 이런 Bellows Type PSV는 화학공장의 용기에 대부분 설치됩니다. 특히 상기 말씀드린 Flare로 가는 화학물질을 포함한 용기에는 대부분 Bellows Type PSV가 설치되어 있습니다. 이 Bellows Type PSV는 배압이 설정압력의 50%를 넘지 않는 경우에 사용합니다. 

 

 

 

Bellows Type PSV Vent Valve, 사진이 없어서 그렸습니다.

이런 Bellows Type PSV는 몇가지 관리해야 하는 Point가 있습니다. 먼저는 상부에 Vent Valve입니다. 이 상부의 Vent Hole은 항상 열려 있어야 하며 빗물등이 유입되지 않도록 꼭지는 항상 아래쪽을 향해야 합니다. 그런데 현장을 점검하다보면 의외로 이것을 닫아놓은 곳이 있습니다. 그곳을 열면 간혹 화학물질이 세어 나오는 것을 볼 수 있는 경우도 있습니다. 

 

Bellows Type PSV의 Bellow, 출처:https://amarineblog.com

이것은 Bellows Type PSV 내부의 Bellows(주름관)이 손상되어 유체가 주름관을 통해 Vent Hole로 나오는 것입니다. 위의 사진에서는 실구멍이 몇개씩 뚫려 있는데 심한 경우는 칼로 찢은 것처럼 파손된 것도 있습니다. 이럴 경우 임시조치로 밸브를 막아놓고 아무도 이야기 하지 않으니 부적절한 상태로 계속 사용하게 되는 것입니다. 심한 경우는 이곳의 밸브를 빼고 Plug로 막아놓은 경우도 있습니다. 아무튼 Bellows Type PSV 상부의 밸브가 닫혀 있으면 혹시 문제가 있는 것은 아닌지 의심해 볼 수 있습니다. 

 

 

 

 

 

3. 파일럿 동작 PSV (Pilot Operated PSV)

마지막으로 Pilot Operated PSV입니다. Pilot Operated PSV는 큰 본래의 PSV외에 별도로 작은 PSV(Pilot PSV)가 한개 더 달려 있습니다. 이것의 동작 원리는 오른쪽 그림을 보시면 쉽게 이해가 갑니다. 먼저 Inlet의 압력이 올라가서 Pilot PSV가 열리게 되면 압력이 빠져나가면서 동시에 Piston을 누르는 압력이 낮아지게 되고 큰 본체 PSV가 열리게 되는 구조입니다. 

 

위의 Pilot Operated PSV는 가장 중요한 부분이 큰 PSV를 동작시키는 Pilot PSV의 동작 건전성입니다. 만약 작은 PSV가 제대로 동작하지 않게 된다면 큰 PSV가 동작하지 않게 되기 때문이죠. Pilot PSV로 가는 배관이 얇기 때문에 만약 유체가 고형분이 많아서 고착된다거나 하면 PSV 전체가 동작하지 않게 되므로 이런 곳에서는 사용할 수 없습니다.  

 

 

 

 

 

오늘은 안전밸브(Pressure Safety Valve, PSV)의 종류와 관리방법에 대하여 말씀드렸습니다. 컨벤셔널 타입 안전밸브(Conventional Type PSV), 벨로우즈 타입 안전밸브(Bellows Type PSV), 파일롯 동작 안전밸브(Pilot Operated PSV) 등에 대하여 알아보았고 필자의 경험과 생각을 조금 넣어서 글을 써 보았습니다. 현장에서 일하시는 분들에게 조금이라도 도움이 되었으면 좋겠습니다. 감사합니다.