역압 레귤레이터 설정: 샘플링 시스템 엔지니어를 위한 가이드

역압 레귤레이터 설정: 샘플링 시스템 엔지니어를 위한 가이드

제품 매니저 Jon Kestner

역압 레귤레이터는 여러 산업 시설이 사용하는 샘플링 시스템에서 상단 압력을 유지하고 민감한 장비를 보호하는 데 중요한 역할을 합니다. 샘플링 시스템 엔지니어들은 역압 레귤레이터를 올바르게 사용하기 위해 샘플링 시스템 설계와 관련된 몇 가지 흔한 실수가 발생하지 않도록 주의해야 합니다. 이는 다음과 같은 항목을 포함합니다.

• 상단 유량 제한 장치의 중요성 간과
• 분석기에 과도한 유량 허용
• 감압 레귤레이터와 역압 레귤레이터를 두 기기 간의 유량을 제한하지 않은 상태로 연달아 설치

본 게시글을 통해 역압 레귤레이터를 사용해 최적의 샘플링 시스템을 설계 및 구축하는 방법, 그리고 위와 같은 설계상의 흔한 실수를 방지하는 방법을 확인하십시오.

역압 레귤레이터 설정하기

감압 레귤레이터와 달리 역압 레귤레이터는 입구 압력(상단 압력)을 제어하며 일반적으로 라인의 끝 부분에 설치됩니다. 반면에 감압 레귤레이터는 출구 압력(하단 압력)을 제어하며 보통 라인의 시작점에 설치됩니다. 두 가지 레귤레이터는 모두 힘의 균형을 맞추기 위해 사용되는데, 이 힘은 고정 압력을 설정할 때 생성되는 스프링 하중에 의한 시스템 압력에 따라 발생합니다.

외부 압력이 증가하거나 감소하여 이 균형이 깨지면, 레귤레이터의 밸브 또는 포펫이 시트와 더 가깝거나 더 먼 곳으로 이동할 것입니다. 레귤레이터가 다시 균형을 잡을 때까지, 밸브 이동의 특성에 따라 유량이 레귤레이터의 오리피스를 통해 더 쉽게 이동할 수도 있고, 더 어렵게 이동할 수도 있습니다.

그림 1은 분석기 샘플링 시스템의 일반적인 역압 레귤레이터 설정을 보여줍니다. 레귤레이터는 분석기에서 사용하지 않는 유량(그림 1의 A 참조)을 바이패스 쪽으로 전환하는 역할을 합니다. 공급 압력이 변경되면 레귤레이터도 전환했던 유량의 양을 변경하여, 레귤레이터 입구의 압력과 분석기를 통과하는 유량을 지속적으로 유지합니다.

역압 레귤레이터 설정 시 입구 압력을 관리하기 위해 전단 측에 유량 제한기(또는 일반적으로 니들 밸브)를 설치합니다(그림 1의 R1 참고). 역압 레귤레이터와 시스템 사이에 아무런 제한 장치가 없는 경우(가스 시스템 내 길이가 긴 튜브에서도 최소한의 압력 저하가 발생할 수 있음), 역압 레귤레이터는 상단 압력을 낮추기 위해 완전히 개방하여 가스를 충분히 내보냅니다. 하지만 이렇게 해도 효과는 없을 것입니다. 그러나 제한 장치가 있는 경우에는 유량이 증가해, 제한 장치 전체의 압력을 더 낮춤으로써 하단 압력 또한 감소할 것입니다.

샘플링 시스템 설계자들이 흔히 하는 실수 중 하나가 바로 유량 제한기를 생략하는 것인데, 이는 역압 레귤레이터가 상단 압력을 직접 제어할 수 있다고 생각하기 때문입니다. 만약 유량 제한기가 없는 상황에서 유량이 달라져도 압력에 거의 변화가 없을 것입니다. 즉, 제어하려는 입구 압력에 변화가 없기 때문에, 레귤레이터는 유량을 증가시키려고 시도하면서 공정 유체를 계속 낭비하게 됩니다. 결국 레귤레이터가 완전히 열리게 되는 것입니다.

또 다른 설계 오류는 분석기의 제한기를 통해 많은 유량을 허용하는 것(그림 1의 R2 참조)인데, 이는 레귤레이터의 입구 압력을 고정 압력 밑으로 떨어뜨릴 수 있기 때문입니다. 이렇게 되면 레귤레이터는 완전히 닫혀 유량이 원활히 배출되지 않습니다. 이때 좋은 방법은 최대 분석기 유량에서도 유량이 어느 정도 레귤레이터를 통과할 수 있도록 적합한 전단 측 유량 제한기(R1)를 선택하는 것입니다.

그림 1에 나온 것과 같은 기능적 시스템을 구성하려면, 시스템 설계자는 우선 R2를 닫고 R1을 조절하여 원하는 분석 반응 시간에 맞춰 바이패스 유량을 충분히 허용하고, 원하는 분석기 유량에 맞춰 R2를 미세 조정해야 합니다. 그러면 바이패스 유량이 자동으로 같은 양만큼 감소합니다. 필요하다면, 바이패스 유량이 분석기의 배출 유량만큼 빨라질 때까지 R1을 천천히 개방하면 됩니다. 결국 레귤레이터는 공급 압력이 변해도 입구 압력을 제어할 수 있게 됩니다. 만약 공급 압력에 매우 큰 변화가 예상되면, R1을 조절하여 가장 낮은 공급 압력에 맞춰 소량의 바이패스 유량을 흘려보내면 됩니다.

역압 레귤레이터가 R1 및 R2 유량 제한기와 함께 압력을 제어하면 유량을 분석기 및 배출 라인까지 흘러가도록 조절할 수 있습니다.

이 3가지 부품이 분석기로 흘러가는 유량과 바이패스 유량을 제어하기 때문에, 바이패스 배출 라인에 니들 밸브 또는 기타 제한 장치를 설치할 필요가 없습니다. 단 니들 밸브가 없는 바이패스 유량계는 레귤레이터가 일부 유량을 내보내고 있는지, 그리고 입구 압력을 제어하고 있는지 확인하는 데 유용합니다.

감압 레귤레이터 및 역압 레귤레이터의 직렬 배치

그림 2에서 볼 수 있듯이, 또 다른 설계 오류는 역압 레귤레이터 뒤에 바로 감압 레귤레이터를 연달아 설치하는 것입니다. 두 레귤레이터는 같은 압력을 동시에 제어할 수 없으므로 둘 중 하나는 제 역할을 하지 못합니다.

이를 다음의 두 가지 상황으로 설명하였습니다. 첫 번째 상황은, 역압 레귤레이터의 설정값이 전단 측 레귤레이터에서 공급하는 압력보다 높은 경우로, 시트에서 역압 레귤레이터의 포핏(poppet)을 들어 올릴 만큼 힘이 충분하지 않아, 역압 레귤레이터가 열리지 않은 채 유량이 통과할 것입니다. 이 상황에서는 역압 레귤레이터가 계속 닫혀 있기 때문에 바이패스 유량이 없습니다.

두 번째 상황은 역압 레귤레이터의 설정값이 낮은 경우입니다. 이제 유량이 상승하기 때문에, 감압 레귤레이터로부터 공급되는 압력은 상단 레귤레이터의 Droop 곡선의 비율로 감소합니다. 유량은 급속도로 상승하고, 역압 레귤레이터가 Accumulation 곡선 위로 올라가며 입구 압력이 증가합니다.

이 압력 증가 현상은 두 레귤레이터를 어떻게 설정하느냐에 따라 달라집니다.

• 두 설정값이 비슷하면, 첫 번째 감압 레귤레이터의 Droop 압력이 두 번째 역압 레귤레이터의 Accumulation 압력과 같아질 때까지 유량이 상승할 것입니다. 단, 이는 매우 높은 유량을 초래할 것입니다.
• 두 설정값이 상이할 경우, 유량은 레귤레이터가 제어하지 못할 때까지 상승할 것입니다. 레귤레이터 하나는 압력을 제어하고, 나머지 하나는 유량 제한기 역할을 할 것입니다.

바이패스 유량은 두 설정값 차이에 따라 달라집니다. 바이패스 유량은 레귤레이터가 “작동을 멈출 때까지” 계속 상승합니다. 전단 측 압력이 변하거나 분석기 유량이 다양해지면, 두 레귤레이터는 설정 지점 사이에서 중간 압력을 유지하지만 불확실한 결과를 초래합니다. 이는 그림 3에서 볼 수 있습니다.

두 레귤레이터가 기능을 못하는 이유는 연달아 설치한 것 때문이 아니라, 둘 사이에 유량 제한기를 설치해야 하기 때문입니다. 아래의 그림 4를 통해 올바르게 설정된 두 레귤레이터가 제대로 기능하고 있고, 두 제한 장치의 각 끝에서 압력이 일정하게 유지되고 있는 것을 볼 수 있습니다. 압력이 일정하게 유지됨에 따라 유량도 일정하게 유지되고, 다양한 공급 및 배출구 압력으로부터 분석기를 보호할 것입니다.

올바르게 작동하는 시스템

역압 레귤레이터가 제 기능을 하려면, 레귤레이터가 압력을 제어하는 역할을 제대로 수행할 수 있도록 주의하여 샘플링 시스템을 설계해야 합니다. 압력이 너무 높거나 낮으면 시스템에 손상이나 지연을 야기할 수 있습니다.

샘플링 시스템에서 레귤레이터를 설정하는 것에 대해 질문이 있으시다면 당사가 도와 드리겠습니다. 스웨즈락 필드 엔지니어들은 여러분의 시설을 방문하여 샘플링 시스템을 평가하거나, 설계에 대해 조언해 드리거나, 문제를 해결할 수 있습니다. 그 외의 방법으로 여러분은 당사의 공정 분석기 샘플링 시스템(PASS, Process Analyzer Sampling System) 또는 샘플링 시스템 문제 해결 및 유지보수(SSM) 교육 과정을 통해 샘플링 시스템 설계 및 사용에 관한 모든 것을 배우실 수 있습니다.

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