밸브 전동 구동장치(Motor Actuator)

밸브의 제어운동을 전기적인 힘으로 자동으로 조작하는 기계를 전동밸브 구동장치라 하며 일반적으로 이러한 밸브를 통칭하여 MOV(Motor Operated Valve)라 한다. MOV는 전기에너지를 사용하여 전동기의 회전력으로 밸브를 조작하는 것이기 때문에 전동구동기(Electric Actuator)라고도 하며 응용범위가 다양하고 비교적 저가격으로 신뢰성 높은 운전을 할 수 있기 때문에 거의 모든 종류의 밸브에 적용할 수 있다. 아울러 밸브제어의 각 고유기능(On-off, Fast Open/Close, 비례제어, Time Control, Remote Control등)을 수행할 수 있어 밸브의 구동장치로써 매우 많이 사용되고 있다.

 

(1)MOV의 전동구동기 종류

〔회전방법(방향)에 따른 분류〕

MOV는 전동구동기를 장착한 밸브를 총칭하는 말이므로 구동장치만을 말할 때는 전동구동기라고 통일한다. 밸브는 차단기능, 제어조절기능에 따라 크게 회전형 밸브와 직선운동형 밸브로 구분된다. 대부분의 회전형 밸브는 90°회전에 의하여 열리고 닫힌다. 직선운동형 밸브는 게이트 밸브, 글로우브 밸브와 같이 회전운동을 직선운동으로 변환시키는 것, 스템에 나사가 없는 글로우브, 게이트 밸브나 다이아후램 밸브와 같이 순전히 직선운동만이 필요한 밸브 등이 있다. 여기서는 앞서의 90°회전형 밸브 및 스템에 나사가 있어 회전운동에 의해 스템이 오르내리는 밸브의 구동장치에 대하여 설명한다.

 

①90°회전 구동기(Quarter-Turn Actuator) 90°회전 또는 1/4회전 구동기는 90°이내의 회전각을 갖고 작동되기 때문에 90°회전밸브인 버터플라이 밸브, 볼 밸브, 플러그밸브, 댐퍼(Damper)등에 사용된다. 90°회전이기 때문에 작동회전각이 매우 적으므로 에피싸이클로이드(Epicycloid)와 같은 다단계 감속 구조에 의하여 대략 1/1,280에서 1/15,000으로 감속되며 0.1~1.5rpm(Revolution per minute)범위의 회전속도로 운전한다.

 

②다회전 구동기(Multi-Turn Acutator) Multi-Turn구동기는 적어도 1회 이상 최대 수백회(≤1000회전)까지의 회전이 가능하도록 하여 이 회전을 나사메카니즘을 통하여 스텝을 직선운동으로 변환시켜 밸브를 여닫고 하는 것이다. 따라서 통상의 게이트밸브, 글로우브 밸브 등에 적용한다. 이 구동기를 밸브 스템에 연결하는 구조는 스템이 회전하면서 동시에 상하운동하는 Stem Rotating & Riding 방식과 구동장치에 삽입된 슬리이브를 회전시켜 스템이 단순히 상하운동만 하게 하는 Non-Rotating Rising Strem방식이 있다. 현재의 다회전 구동기는 거의 100%가 후자의 Non-Rotating Rising Strem방식을 채택하고 있다. 이는 글랜드 패킹에서의 마찰력을 최소화시켜 구동장치의 Torque를 절감하고 아울러 패킹에서의 기밀유지구조를 가급적 안정하게 하는데 있다. 이 구동기의 회전속도는 14~250rpm으로 90°회전 구동기에 비해 고속으로 운전된다.

 

〔조작기능에 의한 분류〕

전동구동기는 밸브의 운전을 자동화하기 위한 것이므로 조작기능 또한 구분할 수 있다. 대표적인 회로구성은 다음에 설명한다.

①기본형(Basic Model) 밸브의 원격운전에 필수적인 최소의 구성 즉 전동기, 감속장치, 토오크 및 리미트 스위치, 수동운전을 위한 메카니즘, 위치표시장치, 전동기 히터, 터미널 블록 등으로 구성되어 있다. 독자적인 제어회로에 의한 부가적인 제어기능이 없으므로 주로 On-Off 용으로만 사용된다.

②통합형(Integral Model) 기본형의 모든 제어기능을 구동기 내부의 판넬에 수용하고 아울러 원격운전은 물론 구동기 자체에 장치된 스위치로 구동기를 운전할 수 있다. 따라서 기본형 이외에 밸브운전의 모니터(Monitor)기능, 인터록킹(Interlicking)기능, 자동위상변조(Auto Phase Correction)기능, 긴급차단기능(Emergency Shutdown), 구동기 속도조절기능 등 다양한 특수기능을 제공한다.

③지능형(Intelligency Model) 통합형의 기능에 통신제어기능을 부가하고 아울러 프로그램기능을 추가함으로써 수동적인 밸브운전을 능동적인 밸브운전이 가능하게 하고, 구동기와 밸브 그리고 배관내 유체흐름의 상태등을 종합하여 원격에서 모니터링 할 수 있다. 아울러 자체의 진단기능으로 하여금 계통의 이상운전 여부를 경보하는 그야말로 지능형의 구동기를 일컫는다. 최근에는 컴퓨터통신을 이용한 LAN 또는 WAN(Wide Area Network)으로 밸브 구동기를 프로그램에 따라 원격에서 Systematic하게 운전하고, 이 운전을 피드백하여 계통의 운전상태를 감시하고 자체의 진단기능을 갖는 지능형의 밸브 구동장치가 장치산업을 중심으로 많이 사용되기 시작하였다.

 

〔운전모드에 따른 분류〕

①완전 On-off용 구동기 밸브를 완전히 닫고, 열게 하는 구동장치로서 아무리 큰 밸브라 하더라도 닫혀있는 상태와 완전히 열려있는 상태를 이 구동기는 유지하여야 한다. 통상적으로 밸브개폐의 동작시간만큼만 전원에 의해 구동장치가 동작하고 이후에는 전원이 Off되어있어야 한다. 따라서 밸브의 개폐시간은 모터 작동시간으로 보아 15분을 초과하지 말아야 하므로 시간정격을 가진 단기작동형, 즉 IEC에서 정하는 S2급으로 15분 등급을 가져야 한다. 이 등급의 전동기는 연속적으로 운전하는 연속정격의 2배정도의 출력 토오크를 제공할 수 있다. 만약 15분 이상 연속 운전할 경우 모터가 과열될 수 있으므로 이에 대한 보호장치는 필수적이다. 일반적으로 게이트밸브나 글로우브 밸브의 경우 밸브가 완전히 닫혀 있을때(더욱 엄밀히 말하여 밸브가 완전히 닫히는 순간이나, 완전히 닫힌 상태에서 빠져나올 때) 구동 토오크가 최대가 된다. 이후 밸브가 열리면서 구동 토오크는 급격히 감소되므로 구동기의 출력(토오크)은 밸브가 완전히 닫히는 순간 최대가 될 수 있도록 토오크 리미트 스위치와 리미트 스위치로 구동기 출력을 기계식으로 바이패스시켜야 할 것이다. 이에 대한 보다 이론적인 설명은 다음에 구체적으로 설명할 예정이다. 따라서 구동기 드라이브 기어(Drive Gear)에는 모터가 정격속도에 도달한 이후에 보다 큰 토오크력이 전달될 수 있는 햄머블로우(Hammer Blow)장치를 부착하여 밸브 On-off 조작시 가장 큰 토오크가 필요한 언시팅(Unseating, 밸브가 완전 닫혀 있다가 열리고자 하는 순간)시의 힘을 제공한다.

 

②유량조절 또는 비례제어형 구동기(Proportional Control Actuator) 이 구동기는 배관계통내의 유량, 압력 또는 온도에 따른 제어 목적에 적절히 대응하여 운전되도록 한 것으로 운전량을 측정하는 감지기, 제어량과 운전량을 비교하고 제어량을 산출하는 콘트롤러, 콘트롤러로부터의 제어신호(4~20mA 또는 1~5Volt DC)를 받아 밸브의 개조를 지시하는 포지셔너 및 모터로 구성되어 있다. 이러한 구동기는 연속정격(Continuous Duty)의 전동기(IEC S4-25% Class)를 사용하며 앞서의 On-off 구동기에 비하여 약 절반정도의 토오크만 있어도 충분하다. 아울러 정밀한 연속적인 제어를 위해서 극히 낮은 관성을 가진 전동기를 사용하고, 저속(On-off용 구동기에 비하여 2~3배)의 운전속도와 자동체결(Self-Locking)구도를 가져야 한다. 물론 감지기와 같은 센서류의 고장(신호손실- Signal Fail)에 대비하는 정지기능(Stay Putfail Open, Fail Close, Fail as is)이 부가되어 있어야 한다.