레귤레이터 내 공급-압력 영향(SPE) 관리하기

산업용 가스 시스템 내 감압 레귤레이터의 공급-압력 영향(SPE)을 관리하는 방법  

스웨즈락 선임 필드 엔지니어, Wouter Pronk

가스 실린더 공급원을 통해 공정 라인을 가동하는 유체 시스템 운영자들은 가끔 아무 이유 없이 감압 레귤레이터에서 출구 압력이 증가하는 현상을 목격했을 것입니다. 실린더가 비워질수록 레귤레이터의 입구압력은 감소합니다. 이때 숙련된 기술자들은 대부분 출구압력도 동시에 감소할 것으로 생각하지만, 반대로 출구압력이 상승합니다. 이 현상을 공급-압력 영향(SPE)이라고 부릅니다.

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공급-압력 영향(SPE)이란?

공급-압력 영향 보통 레귤레이터의 SPE는 제조업체가 제공합니다. SPE는 종종 입구압력 변화에 따른 출구압력 변화의 비율 또는 백분율로 표기됩니다. 이를 테면 레귤레이터에 1:100 또는 1% SPE라고 표기된 경우, 이는 입구 압력이 100psi 감소할 때마다 출구 압력이 1psi 증가한다는 의미입니다. 출구압력의 변동 범위는 아래의 공식을 통해 추정해볼 수 있습니다.

스프링 하중 레귤레이터의 비균형(unbalanced) vs. 균형(balanced) 포펫 설계

스프링 하중 감압 레귤레이터는 흔히 사용하는 레귤레이터의 한 종류입니다. 스프링은 오리피스를 통해 포펫을 제어하는 감지 부품(다이어프램 또는 피스톤)에 힘을 가하여, 결국 출구 압력을 제어할 수 있습니다.

비균형 포펫 설계에서는 입구압력이 포펫을 밀어 올리고 포펫의 시트 면적과 동일한 부분에 압력을 가합니다. 따라서 입구 압력이 낮아진다는 의미는 포펫을 밀어 올리는 힘이 내려간다는 뜻이고, 강한 설정 스프링으로 인해 포펫이 시트로부터 약간 멀어지게 되어 출구 압력이 높아지게 됩니다. 이렇게 상승한 출구압력은 설정 스프링의 힘에 대항할 만큼 충분히 높지 않아서 포펫을 원래 위치로 닫을 수가 없습니다. 이러한 SPE로 인해 출구 압력이 상승하는 것입니다.

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레귤레이터는 힘의 균형에 의해 작동하기 때문에, SPE의 크기는 포펫과 감지 영역에 압력이 작용하는 영역의 비율로 결정합니다. 감지 영역이 크고 포펫이 작은 레귤레이터에서는 가장 낮은 SPE를 갖고, 반대로 감지 영역이 작고 포펫이 큰 레귤레이터에서는 가장 높은 SPE를 갖습니다.

비균형 포펫 설계에서 공급-압력 영향을 확인하려면 입구 압력을 점진적으로 낮춰 보십시오. 입구 압력이 1160psig(80bar)일 때 출구 압력은 43.5psig(3bar)입니다. 만약 입구 압력이 870psig(60bar)로 감소하면 출구 압력은 53.7psig(3.7bar)로 급등합니다. 입구압력은 비균형 포펫의 전체 면적에서 작용하기 때문에, 이에 조금이라도 변화가 생기면 힘에도 큰 변화가 생겨, 결과적으로 레귤레이터 내의 힘 균형을 크게 변화시킵니다.

특히 포펫의 크기가 큰 대유량 애플리케이션에서 공급-압력 영향을 줄이는 일반적인 방법은 균형 포펫 구조로 된 레귤레이터를 사용하는 것입니다. 이 레귤레이터는 입구압력이 작용하는 영역을 최소화하려는 의도로 설계되었습니다. 이는 낮은 출구 압력이 오리피스를 통해 포펫 하단 영역에 도달함으로써 가능해지는데, 이때 오리피스는 포펫 옆에 수직으로 이어지고 포펫의 하부 스템 주위에 있는 O-링으로 밀폐되어 있습니다. SPE 측면에서 압력은 훨씬 작은 영역에 걸쳐 작용하기 때문에, 입구 압력에 어떤 변화가 와도 힘의 변화에 미치는 영향은 적어집니다.

SPE가 균형 포펫 레귤레이터에 미치는 영향을 확인하려면, 앞서 비균형 포펫 설계에서 설명한 것처럼 입구 압력을 점진적으로 낮춰 보십시오. 아까와 마찬가지로 입구 압력이 1160psig(80bar)일 때, 출구 압력은 43.5psig(3bar)입니다. 하지만 만약 입구 압력이 870psig(60bar)로 감소하면 출구 압력은 46.4psig(3.2bar)로 미미하게 증가할 것입니다. 게다가 입구 압력을 725psig(50bar)까지 낮추더라도 출구 압력은 46.4psig(3.2bar)를 계속 유지할 것입니다.

비균형 포펫 구조와 비교해보면 균형 포펫 레귤레이터의 출구압력이 받는 영향이 줄어들었다는 것을 알 수 있습니다. 균형 포펫 레귤레이터의 추가적인 이점은 락업(lockup), 즉 하단 유량이 영점으로 감소하면서 포펫이 딱 하며 닫히는 성향을 줄이는 기능입니다. 과도한 락업은 포펫이 빠르게 닫히면서 출구 압력이 급상승하게 하므로 바람직하지 않은 현상입니다. 포펫 설계와 무관하게, SPE는 지금도 가스 시스템에 사용되는 레귤레이터에서 항상 발생합니다. 포펫/밸브가 매우 천천히 닫히더라도, 유량이 있든 없든 동적 공정 또는 정적 공정 내에서는 SPE가 발생합니다. 빈 실린더를 꽉 찬 실린더로 교체한 후에는 설정 출구 압력이 달라집니다. 정보에 입각하여 설계를 결정하면 이러한 공급-압력 영향을 줄일 수 있습니다.

1단계 vs. 2단계 조절

2단계 압력 감소는 모든 애플리케이션에서 공급-압력 영향을 실질적으로 최소화하는 데 좋은 해결책입니다. 이는 1단계 레귤레이터 두 개를 연달아 설치하거나 레귤레이터를 한 개의 조립체로 결합하여 사용할 수 있습니다. Swagelok^® KCY 시리즈 레귤레이터 처럼 하나의 본체에서 2단계 압력 감소를 실행하는 이중 단계 레귤레이터는 분석 계장 시스템 같은 저유량 애플리케이션에 매우 적합한 옵션입니다. 각 레귤레이터는 입구 압력 변화를 어느 정도 제어하지만, 두 개의 레귤레이터는 출구 압력을 최초 설정값과 거의 동일하게 유지합니다.

2단계 레귤레이터에서 출구압력의 변동성을 계산하려면 입구압력 차이에다 각 레귤레이터의 SPE를 곱하면 됩니다. 공식은 다음과 같습니다.

SPE는 입구압력 및 출구압력 변화의 반비례 관계라는 사실을 기억하십시오. 첫 번째 단계 레귤레이터는 가스 실린더가 비워지고 입구압력이 감소함에 따라 출구압력이 증가하는 단계입니다. 이렇게 증가한 압력은 두 번째 단계로 이어져, 두 번째 단계 레귤레이터 측의 출구 압력을 성공적으로 낮추게 됩니다. 첫 번째 단계 레귤레이터가 큰 입구 압력 변화를 통해 더 작은 출구 압력을 형성하였기 때문에, 두 번째 단계 레귤레이터는 첫 번째 단계 입구 압력의 작은 변화에만 반응하고 출구 압력이 최소 수준으로 감소하게 됩니다. 입구 압력이 첫 번째 단계 레귤레이터의 설정 압력 미만으로 떨어지는 즉시, 해당 설비는 1단계 레귤레이터 시스템으로서 기능하게 됩니다.

아래의 예시에는 공급-압력 영향을 나타내기 위해 KCY 모델 감압 레귤레이터가 사용되었습니다. 가스 실린더는 2500psig(172bar)에서 500psig(34bar)으로 비워집니다. 각 레귤레이터에 1% SPE가 있다고 가정해 봅시다. 입구 압력이 2000psig(137bar)로 감소하면 첫 번째 단계 레귤레이터의 출구 압력은 20psig(1.3bar)만큼 증가합니다. 이러한 압력 증가로 인해 두 번째 단계 레귤레이터의 출구 압력은 0.20psig(0.01bar)만 감소할 것입니다. 이전의 레귤레이터에 비해 출구압력이 받는 영향이 극적으로 줄어들었다는 것을 알 수 있습니다.

공급-압력 영향 측면에서 2단계 레귤레이터 설정이 균형 포펫과 결합한 단일 감압 레귤레이터보다 일반적으로 더 좋은 결과를 도출합니다. 하나의 가스 실린더와 동일한 출구압력으로 다양한 작업을 수행하는 애플리케이션에서는 둘 중 한 가지 방법만 사용해도 충분할 것입니다.

반면에 위의 조건에서 출구압력이 각기 다르다면 1단계 레귤레이터 두 개로 2단계 레귤레이터 시스템을 만들어 사용해야 합니다. 이런 경우라면 첫 번째 단계 레귤레이터를 가스 실린더에 가까이 설치하고, 두 번째 단계 레귤레이터를 각 공정 라인 또는 사용 지점에 설치합니다. SPE를 최소화하기 위해 흔히 시스템의 가스 공급원에 2단계 레귤레이터를 설치하고, 사용 시점에는 1단계 레귤레이터를 설치합니다. 이처럼 과도한 설치로 인해 대부분의 애플리케이션에 불필요한 3단계 조절이 이뤄지게 됩니다. 1단계 레귤레이터 두 개를 연달아 결합하는 방법이 적은 비용으로 SPE를 최소화하는 방법입니다.

1단계 및 2단계 압력 조절에 대해 다음과 같이 자세히 알아보십시오.

엔지니어링된 가스 분배 시스템의 이점

SPE를 관리하는 또 다른 방법은 완전히 제조된 후 테스트를 거친 가스 분배 시스템을 사용하는 것입니다. 이 시스템은 애플리케이션 요건에 부합하도록 특수 설계 및 구성된 여러 개의 모듈식 서브시스템으로 구성되어 있습니다. 이 시스템의 특징은 다음과 같습니다.

• 소스 입구 모듈(예: 스웨즈락^® 소스 입구(SSI, Swagelok Source Inlet)) 또는 소스 입구 패널은 고압 가스 공급원과 분배 시스템을 서로 연결해 줍니다. 단일 가스 실린더에는 하나의 호스와 커넥터로 가능한 한 간단히 조립하는 것이 좋고, 다중 실린더에는 여러 개의 호스와 밸브가 합쳐진 매니폴드를 사용해야 합니다. 이러한 입구는 병을 교체할 때 가스를 퍼지하거나 환기하도록 쉽게 구성할 수 있어 작업자 안전에 도움이 되며, 혹은 가동 시간을 극대화하도록 개별 라인을 환기시키는 구조로 만들 수도 있습니다.
• 가스 패널(예: 스웨즈락^® 가스 패널(SGP))은 가장 먼저 가스원의 압력을 낮추고, 올바른 유량에 맞춰 가스가 시스템의 다음 단계로 전달되도록 합니다. 이 단계가 바로 가스 분배 시스템에서 SPE를 가장 잘 제어할 수 있는 단계입니다. 압력 감소는 다음 단계에서 단일 압력 제어기가 실시하거나 두 단계에 걸쳐 듀얼 압력 제어기 배열에 의해 이루어집니다. 이 가스 패널은 어떤 부품이든 분리가 가능하고 패널을 제거할 필요가 전혀 없다는 점에서 정비하기 쉽습니다. 이중 단계 레귤레이터가 있는 SGP를 사용하는 것은 매우 안정적으로 SPE를 줄일 수 있는 방법입니다.
• 스웨즈락^® 전환(SCO, Swagelok Changeover) 서브시스템과 같은 자동 전환 시스템은 하나의 가스원을 다른 가스원으로 변경하여 공급이 중단되지 않도록 합니다. 설정 노브가 있는 2개의 압력 레귤레이터는 서로 연결되어 있으나, 별도의 가스 공급원(하나 또는 그 이상의 가스 실린더로 이뤄짐)을 통해 입력을 제어합니다. 이 중 한 레귤레이터는 압력이 다른 레귤레이터보다 낮게 설정되어 있습니다. 압력이 더 높게 설정된 레귤레이터는 처음에 가스를 공통의 출구 연결부로 공급하고, 압력이 더 낮게 설정된 레귤레이터는 압력 설정값이 더 높은 레귤레이터의 가스 공급량이 소진된 후에야 공급을 수행합니다. 설정된 핸들을 180° 조정하면 두 레귤레이터의 압력 설정이 반대로 바뀌며, 이로써 시스템이 계속 작동되는 동안에도 빈 실린더를 교체할 수 있습니다. 잘 설계된 전환 서브시스템을 사용하면 전환 설정값을 지정하여 실린더 내에 남는 가스 폐기물을 줄일 수 있습니다.
• 마지막으로, 스웨즈락^® 사용 지점(SPU, Swagelok Point-of-Use)과 같은 사용 지점 시스템은 가스를 사용하기 전에 압력 제어의 마지막 단계를 제공합니다. 이 시스템은 일반적으로 레귤레이터 1개, 게이지 1개, 차단 밸브 1개를 포함하며, 애플리케이션 요건에 맞게 편리하고 정확하게 압력을 조절하는 방법을 제공합니다.

결론

가스 실린더로부터 출구압력을 제어하는 레귤레이터에서는 항상 공급-압력 영향이 발생합니다. 입구압력에 변화가 있을 때마다, 이에 상응하는 출구압력이 변화할 것입니다. 균형 포펫 설계를 갖춘 1단계 레귤레이터를 사용하거나, 2단계 레귤레이터를 사용하거나, 혹은 스웨즈락^® 가스 분배 프로그램을 통해 제공되는 가스 패널처럼 완전히 구성 가능한 가스 패널을 사용하면 여러 애플리케이션에서 공급-압력 영향을 최소화할 수 있습니다. 다만 가스 공급원이 압력 요건이 서로 다른 여러 가지 작업을 수행해야 한다면, 1단계 레귤레이터를 여러 개 연결(가스 공급원 가까이에 한 개, 각 공정 라인에 한 개)하는 방법을 택해야 할 수도 있습니다. 혹은 이러한 경우에 효과적으로 작동하도록 설계된 사전 조립 가스 분배 서브시스템을 사용할 수도 있습니다.

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