밸브 구동기

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밸브 구동기는 밸브를 열고 닫는 메커니즘이다.수동 작동식 밸브는 밸브 스템에 부착된 직접 또는 지렛대 메커니즘을 사용하여 이를 조정해야 한다.전동식 액추에이터는 가스 압력, 유압 또는 전기를 사용하여 밸브를 원격으로 조정하거나 대형 밸브의 신속한 작동을 허용한다.전동 밸브 액추에이터는 일부 흐름, 레벨 또는 기타 프로세스를 자동으로 조절하는 자동 제어 루프의 최종 요소일 수 있다.액추에이터는 밸브를 열고 닫거나 중간 위치를 지정할 수 있다. 일부 밸브 액추에이터는 스위치 또는 밸브 위치를 원격으로 표시하는 다른 방법을 포함한다.

산업용 밸브의 자동화에 사용되는 액추에이터는 모든 종류의 프로세스 플랜트에서 찾을 수 있다.폐수처리장, 발전소, 정유공장, 채굴 및 핵공정, 식품공장, 파이프라인 등에 사용된다.밸브 액추에이터는 프로세스 제어 자동화에 중요한 역할을 한다.자동화할 밸브는 설계와 치수가 모두 다르다.밸브의 지름은 10분의 1인치에서 몇 피트까지 다양하다.

종류들

액추에이터의 일반적인 유형은 수동, 공압, 유압, 전기 및 스프링이다.

수동

수동 액추에이터는 레버, 기어 또는 휠을 사용하여 특정 동작으로 밸브 스템을 이동시킨다.수동 액추에이터는 손으로 작동한다.수동 액츄에이터는 비싸지 않고, 전형적으로 자급자족하며, 사람에 의해 작동하기 쉽다.그러나 일부 대형 밸브는 수동으로 작동할 수 없으며 일부 밸브는 일부 조건에서 수동 작동을 방지하는 원격, 독성 또는 적대적 환경에 위치할 수 있다.안전 기능으로서 특정 유형의 상황은 수동 액추에이터가 밸브를 닫기 위해 제공할 수 있는 것보다 더 빠른 작동이 필요할 수 있다.

공압

공기(또는 기타 가스) 압력은 공압 밸브 액추에이터의 전원이다.^[1]그것들은 선형 또는 쿼터 턴 밸브에 사용된다.공기 압력은 피스톤이나 벨로우즈 다이어프램에 작용하여 밸브 스템에 선형 힘을 생성한다.또는 쿼터 턴 베인형 액추에이터가 토크를 생성하여 쿼터 턴 밸브를 작동하는 회전 운동을 제공한다.공압식 액추에이터는 스프링 닫힘 또는 스프링 개방으로 배치될 수 있으며, 공기 압력이 스프링을 극복하여 움직임을 제공할 수 있다."이중 작용" 액추에이터는 다른 인렛에 가해지는 공기를 사용하여 밸브를 개방 또는 폐쇄 방향으로 이동시킨다.중앙 압축 공기 시스템은 공압식 액추에이터에 필요한 깨끗하고 건조한 압축 공기를 제공할 수 있다.예를 들어 압축 가스에 대한 규제 기관과 같은 일부 유형에서 공급 압력은 공기로 방출되거나 저압 공정 배관에 버려지는 공정 가스 흐름과 폐 가스에서 제공된다.

유압

유압 액추에이터는 유체 압력을 운동으로 변환한다.공압식 액츄에이터와 유사하게 선형 또는 쿼터 턴 밸브에 사용된다.피스톤에 작용하는 유체 압력은 게이트 또는 글로브 밸브에 선형 추력을 제공한다.쿼터 턴 액추에이터는 토크를 생성하여 쿼터 턴 밸브를 작동하기 위한 회전 운동을 제공한다.대부분의 유형의 유압 액추에이터는 비상 상황에서 밸브를 닫거나 열 수 있는 페일 세이프 기능을 제공할 수 있다.유압은 자급식 유압펌프를 통해 공급될 수 있다.액츄에이터가 액과 호환되는 재료를 사용해야 하지만, 물 펌핑 스테이션과 같은 일부 용도에서는 프로세스 액이 유압을 제공할 수 있다.

전기

전기 액추에이터는 밸브를 작동하기 위한 토크를 제공하기 위해 전기 모터를 사용한다.그들은 조용하고 독성이 없으며 에너지 효율적이다.그러나 전기가 항상 있는 것은 아니며 배터리로도 작동할 수 있다.

봄

스프링 기반 액추에이터는 스프링을 억제한다.이상 징후가 감지되거나 전원이 차단되면 스프링이 해제되어 밸브가 작동한다.리셋 없이 한 번만 조작할 수 있어 비상사태 등 일회용 용도로 사용된다.이들은 밸브를 움직이기 위해 강력한 전기 공급이 필요하지 않아 배터리 전원이 제한되거나 전원이 끊겼을 때 자동으로 작동할 수 있다는 장점이 있다.

액추에이터 이동

선형 액추에이터는 선형 힘을 통해 작동할 수 있는 밸브를 열고 닫는데, 이 밸브를 "상승 스템" 밸브라고 부르기도 한다.이러한 유형의 밸브에는 글로브 밸브, 상승 스템 볼 밸브, 제어 밸브 및 게이트 밸브가 포함된다.^[2]선형 액추에이터의 두 가지 주요 유형은 다이어프램과 피스톤이다.

다이어프램 액추에이터는 둥근 고무 조각으로 만들어지며, 고무 조각을 한 방향으로 밀거나 다른 방향으로 밀면서 어느 한쪽으로 공기 압력이 들어갈 수 있도록 실린더 또는 챔버의 양 쪽 사이에 가장자리를 압착한다.막대는 횡격막의 중앙에 연결되어 압력이 가해질 때 움직인다.그런 다음 로드를 밸브 스템에 연결하여 밸브가 선형 운동을 경험하여 열거나 닫힐 수 있도록 한다.다이어프램 액추에이터는 공급 압력이 적당하고 필요한 밸브 이동 및 추력이 낮을 경우 유용하다.

피스톤 액추에이터는 실린더 길이를 따라 움직이는 피스톤을 사용한다.피스톤 로드는 피스톤에 가해지는 힘을 밸브 스템으로 전달한다.피스톤 액추에이터는 다이어프램 액추에이터보다 높은 압력, 긴 이동 범위, 높은 추력 힘을 허용한다.

스프링은 전력 상실의 경우 정의된 동작을 제공하기 위해 사용된다.이는 안전 관련 사건에서 중요하며, 때로는 명세서의 추진 요인이 되기도 한다.전력 손실의 예로는 공기 압축기(액추에이터가 움직일 수 있는 오일을 공급하는 압축공기의 주요 공급원)가 차단되는 경우를 들 수 있다.액추에이터 내부에 스프링이 있으면 밸브를 강제로 열거나 닫히고 전원이 복구되는 동안 밸브를 해당 위치에 유지한다.작동기의 동작을 설명하기 위해 "fail open" 또는 "fail close"로 지정할 수 있다.전기 작동기의 경우, 전원이 손실되면 예비 전원 공급이 없는 한 밸브가 정지 상태를 유지하게 된다.

자동화할 밸브의 대표적인 것이 플러그형 제어 밸브다.욕조의 플러그가 배수구에 압입되는 것과 마찬가지로 스트로크 동작에 의해 플러그가 플러그 시트에 압입된다.이 압력에서 플러그를 잡고 움직일 수 있도록 추력 장치가 동일한 양의 추력을 제공해야 하는 동안 매체의 압력은 플러그에 작용한다.

전기 액추에이터의 특징

모터(1)

강력한 비동기 3상 AC 모터는 대부분 추진력으로 사용되며, 일부 애플리케이션의 경우 단상 AC 또는 DC 모터가 사용된다.이러한 모터는 밸브 자동화를 위해 특별히 개조되었는데, 이는 고정식 밸브를 분리하는 데 필요한 요구 조건인 기존의 모터보다 정지 상태에서 더 높은 토크를 제공하기 때문이다.액추에이터는 극한의 주변 조건에서 작동할 것으로 예상되지만 모터 열 증강이 과도할 수 있기 때문에 일반적으로 연속 작동에는 사용되지 않는다.

리미트 및 토크 센서(2)

한계치는 엔드 위치에 도달하면 신호를 전환한다.토크 스위칭은 밸브에 존재하는 토크를 측정한다.설정된 한계를 초과했을 때도 같은 방식으로 신호를 보낸다.액추에이터에는 종종 밸브 위치를 연속 4-20mA 전류 또는 전압 신호로 나타내는 원격 위치 송신기가 장착되어 있다.

기어(3)

흔히 웜 기어는 전기 모터의 높은 출력 속도를 줄이기 위해 사용된다.이는 기어 스테이지 내에서 높은 감속비를 가능하게 하여 액추에이터에 필요한 낮은 효율로 이어진다.그러므로 기어는 스스로 잠기는 것이다. 즉, 밸브의 닫힘 요소에 작용하여 우발적이고 의도하지 않은 밸브 위치의 변화를 방지한다.

밸브 부착(4)

밸브 부착 장치는 두 개의 요소로 구성된다.첫째: 액추에이터를 밸브 측 상대방에 단단히 연결하는 데 사용되는 플랜지.전달해야 할 토크가 높을수록 필요한 플랜지가 커진다.

둘째: 액추에이터에서 밸브 샤프트로 토크 또는 추력을 전달하는 데 사용되는 출력 구동 유형.다수의 밸브가 존재하는 것처럼 밸브 부착장치도 다수 존재한다.

멀티턴 액추에이터의 경우 EN ISO 5210 표준 또는 파트턴 액추에이터의 경우 EN ISO 5211에 밸브 마운팅 플랜지 및 밸브 부착 장치의 치수와 설계가 규정되어 있다.선형 액추에이터를 위한 밸브 부착장치 설계는 일반적으로 DIN 3358에 기초한다.

수동 작동(5)

기본 버전에서 대부분의 전기 액추에이터에는 시운전 또는 전원 고장 시 액추에이터를 작동하기 위한 핸드휠이 장착되어 있다.모터 작동 중에는 핸드휠이 움직이지 않는다.

수동 운전 중에는 전자식 토크 제한 스위치가 작동하지 않는다.기계적 토크 제한 장치는 수동 운전 중 토크 과부하를 방지하기 위해 일반적으로 사용된다.

액추에이터 컨트롤(6)

DCS의 작동기 신호와 작동 명령은 모두 작동기 제어기 내에서 처리된다.이 작업은 원칙적으로 PLC와 같은 외부 제어장치에 의해 가정될 수 있다.현대식 액추에이터에는 지체 없이 신호를 국소적으로 처리하는 일체형 컨트롤이 포함된다.제어장치에는 전기모터를 제어하는 데 필요한 개폐장치도 포함된다.이는 역방향 접촉기 또는 전기 부품으로서 정비사의 마모 대상이 아닌 사이리스터일 수 있다.제어장치는 존재하는 신호나 명령에 따라 전기 모터를 켜거나 끄기 위해 개폐기를 사용한다.액추에이터 컨트롤의 또 다른 작업은 예를 들어 밸브 엔드 위치에 도달할 때 DCS에 피드백 신호를 제공하는 것이다.

전기 연결(7)

모터의 공급 케이블과 액추에이터로 명령을 전송하고 액추에이터 상태에 대한 피드백 신호를 전송하기 위한 신호 케이블은 전기 연결부에 연결된다.전기 연결부는 별도로 밀봉된 단자 장애물 또는 플러그/소켓 커넥터로 설계할 수 있다.유지보수를 위해 배선을 쉽게 분리하고 다시 연결해야 한다.

필드버스 연결(8)

필드버스 기술은 프로세스 자동화 애플리케이션에서 데이터 전송에 점점 더 많이 사용되고 있다.따라서 전기 액추에이터는 프로세스 자동화에 사용되는 모든 공통 필드버스 인터페이스를 장착할 수 있다.필드버스 데이터 케이블 연결에는 특별한 연결이 필요하다.

기능들

엔드 위치에서 자동 끄기

작동 명령을 수신한 후 액추에이터는 밸브를 개방 또는 폐쇄 방향으로 이동시킨다.종료 위치에 도달하면 자동 스위치 OFF 절차가 시작된다.근본적으로 다른 두 가지 스위치 오프 메커니즘을 사용할 수 있다.컨트롤은 설정된 트립 지점에 도달하는 즉시 액추에이터를 차단한다.이것을 리미트 좌석이라고 한다.그러나 밸브 씰링을 단단하게 하기 위해 닫힘 요소를 정의된 힘 또는 정의된 토크에서 엔드 위치로 이동시켜야 하는 밸브 유형이 있다.이것을 토크 시트라고 한다.컨트롤은 설정된 토크 한계를 초과할 때 액추에이터가 꺼지도록 프로그래밍되어 있다.엔드 위치는 리미트 스위치로 표시된다.

안전기능

토크 스위칭은 엔드 위치의 토크 착석에 사용될 뿐만 아니라 전체 이동에 걸친 과부하 보호의 역할을 하며 과도한 토크로부터 밸브를 보호한다.예를 들어, 물체가 끼이는 등 중간 위치에서 닫히는 요소에 과도한 토크가 작용하는 경우, 설정된 트립 토크에 도달할 때 토크 전환이 트립된다.이 상황에서 엔드 위치는 리미트 스위치로 신호되지 않는다.따라서 제어장치는 엔드 위치 중 하나에서 정상 작동 토크 스위치의 트립과 과도한 토크 때문에 중간 위치에서 꺼지는 것을 구별할 수 있다.

모터 과열을 방지하기 위해 온도 센서가 필요하다.다른 제조자의 일부 적용의 경우, 모터 전류의 증가도 감시한다.모터 권선에 내장된 열전망 또는 PTC 서미스터가 대부분 안정적으로 이 과제를 수행한다.온도 제한을 초과하면 트립되고 제어장치는 모터를 끈다.

프로세스 제어 기능

자동화 기술의 분권화 증가와 마이크로프로세서 도입으로 DCS에서 현장 소자로 기능이 이전되는 사례가 늘고 있다.이에 따라 전송될 데이터 볼륨은 특히 필드버스 기술의 도입으로 감소되었다.기능이 상당히 확장된 전기 액츄에이터도 이 개발의 영향을 받는다.가장 간단한 예는 위치 제어다.현대식 포지셔너는 자체 적응(즉, 제어기 파라미터를 통해 위치설정 행동을 모니터링하고 지속적으로 최적화)하는 기능을 갖추고 있다.

한편, 전기 액추에이터에는 완전한 프로세스 컨트롤러(PID 컨트롤러)가 장착되어 있다.특히 상승 탱크로의 유량 제어와 같은 원격 설치의 경우, 액추에이터는 추가로 설치해야 하는 PLC의 작업을 가정할 수 있다.

진단

현대의 액추에이터는 고장의 원인을 식별하는 데 도움이 되는 광범위한 진단 기능을 가지고 있다.그들은 또한 운영 데이터를 기록한다.기록된 데이터에 대한 연구는 파라미터를 변경하고 액추에이터와 밸브의 마모를 감소시킴으로써 작동을 최적화할 수 있도록 한다.

듀티유형

오픈 클로즈 듀티

밸브를 차단 밸브로 사용할 경우 밸브가 개방 또는 폐쇄되고 중간 위치가 유지되지 않음...

포지셔닝 듀티

파이프라인을 통한 정적 흐름을 설정하기 위해 정의된 중간 위치에 접근한다.오픈 클로즈 듀티와 동일한 러닝 시간 제한이 적용된다.

변조 듀티

폐쇄 루프 애플리케이션의 가장 독특한 특징은 예를 들어 특정 유량을 설정하기 위해 작동기를 자주 조정해야 한다는 것이다.민감한 폐쇄 루프 애플리케이션은 몇 초의 간격 내에 조정이 필요하다.액추에이터에 대한 요구는 개방 닫기 또는 위치 고정 듀티보다 높다.액추에이터 설계는 제어 정확도의 저하 없이 높은 시동 횟수를 견딜 수 있어야 한다.

근무조건

액추에이터는 주어진 애플리케이션 서비스 조건에 대해 원하는 수명 및 신뢰성에 대해 지정된다.밸브에 필요한 정적 및 동적 부하 및 응답 시간 외에도 액추에이터는 온도 범위, 부식 환경 및 특정 용도의 기타 조건을 견뎌야 한다.밸브 구동기 애플리케이션은 안전성과 관련된 경우가 많으므로 발전소 운전자는 장치의 신뢰성에 높은 요구를 한다.작동기의 고장은 공정 제어 발전소에서 사고를 유발할 수 있으며 독성 물질이 환경으로 누출될 수 있다.

공정 제어 발전소는 흔히 수십 년 동안 운영되며 이는 기기 수명에 대한 높은 수요를 정당화한다.

이러한 이유로 액추에이터는 항상 높은 인클로저 보호 기능으로 설계된다.제조업체들은 부식 방지에 많은 작업과 지식을 쏟아 부었다.

인클로저 보호

인클로저 보호 유형은 EN 60529의 IP 코드에 따라 정의된다.대부분의 전기 액추에이터의 기본 버전은 두 번째로 높은 인클로저 보호 IP 67에 맞게 설계된다.이는 침전 중(최대 30분) 먼지와 물의 유입으로부터 보호된다는 것을 의미한다.1 m)의 수두또한 대부분의 액추에이터 제조업체는 최대 침하로부터 보호를 제공하는 인클로저 보호 IP 68에 장치를 공급한다.6미터의 수두.

주변 온도

시베리아에서는 – 60 °C 이하의 온도가 발생할 수 있으며, 기술 프로세스에서는 + 100 °C를 초과할 수 있다.이러한 조건에서 적절한 윤활유를 사용하는 것은 완전 작동에 매우 중요하다.상온에서 사용할 수 있는 그리스는 낮은 온도에서 너무 단단해져서 작동기가 기기 내부의 저항을 극복하지 못할 수 있다.높은 온도에서 이러한 기름은 액화하여 윤활력을 잃을 수 있다.액추에이터의 크기를 조정할 때 주변 온도와 올바른 윤활유를 선택하는 것이 매우 중요하다.

폭발방지

액추에이터는 폭발 가능성이 있는 대기가 발생할 수 있는 용도에 사용된다.이것은 정유, 파이프라인, 석유 및 가스 탐사 또는 광업까지 포함한다.폭발 가능성이 있는 기체-공기 혼합물 또는 기체-분진 혼합물이 발생할 경우, 작동기가 점화원으로 작용해서는 안 된다.액추에이터의 뜨거운 표면은 물론 액추에이터에 의해 발생하는 점화 스파크를 피해야 한다.이는 내부에서 폭발이 일어나도 점화 스파크가 주택 밖으로 나가지 않도록 하우징을 설계한 내화성 인클로저를 통해 달성할 수 있다.

이러한 용도에 맞게 설계된 액추에이터는 폭발 방지 장치로서 시험 기관(공지 차체)에 의해 인증을 받아야 한다.폭발 방지는 전세계적으로 표준화되어 있지 않다.유럽연합 내에서 ATEX 94/9/EC가 적용되며, 미국에서는 NEC(FM에 의한 승인) 또는 캐나다의 CEC(CSA에 의한 승인)가 적용된다.폭발 방지 액추에이터는 이 지침과 규정의 설계 요건을 충족해야 한다.

추가 용도

소형 전기 액추에이터는 다양한 조립, 포장 및 테스트 용도에 사용할 수 있다.그러한 액추에이터는 선형, 회전 또는 둘의 조합이 될 수 있으며, 결합하여 3차원으로 작업을 수행할 수 있다.그러한 액추에이터는 종종 공압 실린더를 교체하는 데 사용된다.^[4]

참조

Wikimedia Commons에는 밸브 액추에이터와 관련된 미디어가 있다.