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업스트림 오일 및 가스 가열 장치를 위한 솔레노이드 밸브 기술



글/제임스 추(James Chiu), ASCO Numatics의 산업 부문 마케팅 제품 엔지니어


저온 스테인리스 스틸 연료 차단 밸브는 일반적으로 가열 시스템 버너 프로세스의 가스 트레인 내에서 연료 가스의 온/오프를 제어하는데 사용된다. 이러한 시스템은 석유 및 가스 회사뿐만 아니라 업스트림 오일 및 가스 파이프라인과 탱크의 제어장치를 비롯해 BMS(Burner Management System)나 가스 가열 장비를 생산하는 OEM(Original Equipment Manufacturer)에서 널리 사용되고 있다.
이러한 용도는 상대적으로 특화된 분야로, 밸브 제조업체에게는 다소 까다로운 애플리케이션이 될 수 있다. 사용 지점의 환경 조건 또한 어려움을 유발할 수 있다. 원칙적으로 밸브는 전력 소모에서 서비스 가용성에 이르기까지 다양한 요소의 제약 조건에서도 안정적인 동작을 제공해야 한다. 하지만 구식 제어장치들은 성능 저하를 비롯해 현행 규제에 대한 불이행, 환경문제 유발 등의 문제를 야기할 수 있다.
최근 몇 년 동안 최신 세대의 솔레노이드 밸브 기술이 이러한 차단 밸브 시장의 판도를 변화시키고 있다. 이러한 최신 설계를 통해 견고하고 내구성 있는 성능과 안전, 규제준수 등을 모두 제공하면서도 효율성과 생산성을 높일 수 있는 파이프라인 및 탱크 가열 시스템이 공급되고 있다.
안전 차단 밸브는 가열 시스템에서 중요한 역할을 수행한다. 간단히 말하면, 밸브가 작동하지 않으면, 히터 또한 동작하지 않는다. 히터의 고장으로 인해 매우 중대한 영향이 빠르게 확산될 수 있다. 파이프라인의 오일 또는 가스의 흐름을 늦추거나 중단시킬 수 있으며, 탱크에서 트럭으로의 오프로드를 방해하거나 추출한 중유에서 미립자 분리를 못하게 할 수도 있다.
최신 솔레노이드 차단 밸브 기술은 이러한 작업을 안전하고, 보다 효율적이며, 환경 친화적으로 만들어준다.
그러나 최신 솔레노이드 기술을 활용한다 하더라도 이러한 특수 애플리케이션을 위한 밸브 설계는 여전히 많은 어려움이 있다. 현재 공급되는 제품들을 살펴보면, 모든 솔레노이드 차단 밸브가 동일하게 구현된 것은 아니다. 최상의 기술을 사용하여 혹독한 환경이나 부식성 환경에서 효율 및 안전, 서비스 수명을 극대화할 수 있고, 다음과 같은 이점을 가진 모델을 찾아야 한다.

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저온 동작

저온에서 견고한 차단이 이뤄지도록 하기 위해서는 특히 까다로운 설계 과제들을 해결해야 한다. 이와 함께 엄격한 규제 승인까지 받아야 한다면, 문제는 더욱 복잡해진다. 또한 이 밸브가 자주 사용되는 곳이 원격지인 경우에는 서비스 및 교체작업을 매우 어렵게 만들 수 있다.
오늘날 일부 솔레노이드 밸브조차도 저온 환경에서 안정적인 동작을 제공하는데 어려움을 겪고 있다. 밸브가 배치된 지역이나 위치에서 직면할 수 있는 동작 온도범위에 적합한 밸브를 선택해야 한다.

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넓은 압력범위

가스 차단 밸브의 규격을 지정할 때는 동작 압력에 특히 주의해야 한다. 일부 솔레노이드 밸브는 개방된 상태를 유지하기 위해 압력 ‘보조장치’를 필요로 한다. 밸브로 공급되는 압력이 최소 압력 차(보통 3 psi 정도) 아래로 떨어지면, 밸브가 닫히면서 파이프나 탱크로의 열이 차단된다. 문제는 일부 현장의 경우 근본적으로 공급 압력이 낮다는 것이다. 이러한 위치에서는 압력 보조장치를 필요로 하는 솔레노이드 기반 차단 밸브는 문제를 유발할 수 있으며, 불필요한 차단을 야기하거나 전혀 작동하지 못할 수도 있다.
반면 최대 압력 등급이 낮은 밸브는 공급 압력이 높은 현장에 적합하지 않을 수 있다. 따라서 밸브의 최대 동작 압력 등급이 가열 시스템이 설치될 위치에서 직면하게 될 동작 압력에 적합한지 확인해야 한다.
압력 요구사항이 각기 다른 여러 유정의 경우, 가능한 가장 넓은 동작압력 범위에서 만족스러운 서비스를 제공할 수 있는 밸브를 선택해야 한다. 넓은 압력 범위를 처리할 수 있는 밸브는 일부 사용자들의 경우 컴포넌트 사이즈를 줄일 수 있는 추가적인 혜택을 얻을 수 있다. 이러한 방법으로 연료 트레인을 소형화하여 비용을 절감할 수 있으며, 적절한 차단 밸브를 지정하는 것만으로도 이를 실현할 수 있다.

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저전력 소모

원격지에 설치된 밸브는 전력 공급 부족으로 발전기나 태양 전지판 또는 배터리 팩에서 전력을 공급받아야 할 수도 있다. 또한 공압장치를 위해 웰헤드(Wellhead) 가스를 사용하지 않는 밸브는 컴프레서, 필터, 조절기, 윤활장치와 같은 추가 장비가 필요하다. 따라서 사용자는 가능한 전력소모를 최소화할 수 있는 제어 장치를 선호하게 된다.
이 애플리케이션에 사용된 대부분의 초기 솔레노이드 밸브는 20W 이상의 전력을 지속적으로 소모했는데, 이는 많은 사용자들에게 분명히 문제가 된다. 이후 밸브 설계자들은 제품을 재설계하여 원격 애플리케이션의 전력 소모를 줄이기 위해 노력해 왔다. 지금은 거의 모든 모델들이 훨씬 개선되었다.


안정적인 성능

프로세싱 이전에 대부분의 가스는 얼마간의 불순물이나 혼입된 미립자를 포함하고 있다. 이는 안정적인 차단 동작에 문제를 유발할 수 있다. 예를 들어, 캐나다에서 발생한 사례에 따르면, 파이프라인 및 탱크 가열 장비의 솔레노이드 차단 밸브에 대한 사용자 불만의 원인이 이러한 미립자로 인한 막힘 현상 때문이었다.
실제로 솔레노이드 밸브가 오염된 가스를 처리할 수 있는 경우는 거의 없다. 그러나 일부 솔레노이드 밸브 제조업체는 이를 보다 수용할 수 있는 설계를 만들고 있다.

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POC(Proof of Closure)

많은 관할권 내에서 시행되는 안전 규정은 밸브가 특정 발화율 이내의 버너 시스템에 사용될 때 POC(Proof of Closure)를 사용하도록 요구하고 있다. POC를 사용하면 밸브 씰이 완전히 폐쇄된 지점에 있을 때 전기 접점이 제공되어 전기 신호(접점 클로저)를 컨트롤러 안전 회로와 연동시킬 수 있다. 밸브의 폐쇄된 위치를 확인하는 것은 대형 파이프라인 및 탱크 가열 시스템의 시동 및 정지 시에 고려해야 할 매우 중요한 사항이다.
최대 5백만 BTU/hr에 이르는 BMS의 일부 규정에는 직렬(리던던시용)로 사용되는 2개의 차단 밸브나 POC를 갖춘 하나의 차단 밸브가 필요하다. 5 ~12.5mmBTU/hr의 버너 시스템은 일반적으로 2개의 직렬 차단 밸브가 필요하며, 하나는 POC를 갖추고 있어야 한다. BMS는 12.5mmBTU/hr 이상이기 때문에 2개의 직렬 차단 밸브가 필요하며, 모두 POC를 갖추고 있어야 한다.
최근까지 POC는 구동 밸브 패키지에만 제공되었다. 그러나 사용자는 앞서 언급한 이유로 인해 이러한 구형 기술로부터 벗어나기 위해 노력하고 있다. 최근에는 OEM 및 사용자를 위한 POC가 내장된 솔레노이드 밸브가 공급되고 있다.

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규제 준수

북미를 비롯한 전세계 정부는 규정을 강화하고, 버너 관리 장비에 대한 보다 까다로운 제 3자 검증을 요구하고 있다. 전문가들은 앞으로 수 년 내에 더 많은 시장에서 더 많은 규제가 이뤄지고, 직원 및 지역사회 안전은 물론, 법규준수 및 환경에 대한 우려가 확산되면서 이미 시행되고 있는 규정 또한 더욱 강화될 것으로 예상하고 있다.
따라서 반드시 제조업체 및 공급업체들과 협의하여 가스 차단 밸브와 같은 중요 구성부품들이 해당 애플리케이션 및 지역에서 요구하는 모든 적합한 인증에 부합하는지 확인해야 한다.
또한 사용자는 밸브가 올바르게 테스트되었는지 확인하여 규제 준수 및 안정적인 성능 여부를 확인할 수 있다. 해당 밸브에서 수행된 개발 및 테스트 방식에 대해 예비 공급업체에게 문의하면 된다. 범위가 어떠한지, 모든 생산 유닛을 테스트하는지 혹은 일부만 테스트하는지, 극단적인 조건에서도 유닛을 테스트하는지, 테스트된 조건이 현장의 조건과 일하는지 등이다.


결론

엄격한 규제와 계속되는 안전에 대한 관심 및 효율성 향상을 위한 업계 차원의 광범위한 노력은 모두 가열 시스템 애플리케이션에서 솔레노이드 차단 밸브 기술로의 전환을 촉발시키고 있다. 다행히도 지속적인 개선작업을 통해 혁신적인 성능 이점을 제공하는 탁월한 제품들이 현재 다수 제공되고 있다.
기대하는 밸브가 저온 성능을 비롯해 넓은 압력 범위, 전력소모 절감, POC, 규제 승인 등의 측면에서 해당 현장이나 애플리케이션의 요건을 얼마나 잘 충족시킬 수 있는지 평가해야 한다. 신중한 선택을 통해 해당 가열 시스템을 위한 규제를 준수하고, 안정적인 성능과 비용 절감이 가능한 솔레노이드 안전 차단 밸브를 선택할 수 있다.

leekh@semiconnet.co.kr
(끝)
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