[논문자료] 차압 성능 향상 및 공동 현상 방지를 위한 고차압 제어 밸브의 유로 형상 설계

출처: 픽사베이

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발전설비에 사용되는 고차압 제어 밸브는 고압의 유체를 감압시켜 터빈에 전달하는 기능을 담당하고 있다. 그러나, 급격한 압력강하로 인하여 발생하는 유체의 높은 운동에너지에 의하여 공동, 플래싱, 소음 및 진동 등의 현상이 발생한다. 밸브의 트림부가 파손될 경우, 고압의 유체가 터빈에 유입되어 폭발로 이어져 큰 사고를 유발할 수 있다. 따라서 고차압 제어 밸브는 안전을 위한 핵심적인 부품으로 신뢰성 기반의 설계 기술의 적용이 요구되고 있다.

논문 출처: http://www.riss.kr/search/detail/DetailView.do?p_mat_type=be54d9b8bc7cdb09&control_no=c28988578d241d5cffe0bdc3ef48d419&outLink=K

 

본 연구는 미로형 유로를 갖는 7단 Cage로 구성된 1-1/2” 고 차압 제어밸브에 대하여 유동해석을 통한 차압 성능 및 유량 조절 성능을 확인하였으며, 확산각의 적용으로 발생하는 유로 후방의 공동 현상을 다상 유동해석으로 얻어진 증기 체적률로 정량화하여 평가했다. 이를 통해 차압 성능은 최대이면서 밸브 손상을 유발하는 공동이 발생하지 않는 유로를 얻기 위한 형상 설계를 수행하였으며, 얻어진 결과는 다음과 같다.

 

(1) 7단 디스크 Cage가 모두 개방된 100% 개방률 조건에서 입구와 출구의 압력은 각각 327bar 및 98bar로 229bar의 차압이 발생하였으며, 4단 및 1단이 개방된 개방률 50%와 10%에서 는 차압이 232bar 및 235bar로 고차압 제어밸브의 운용조건에서 제시한 차압 성능 220bar를 모두 만족하였다.

 

(2) 디스크 개방률에 따라 10, 50, 100% 개방 조건에서 유량 값은 각각 0.72kg/s, 048kg/s 및 0.11kg/s로 계산되었으며, 이는 운용 조건에서 제시한 조건을 모두 만족하였다.

 

(3) 확산각 α를 적용한 개선된 미로형 유로의 경우, α가 10° 에서 50°로 커짐에 따라 차압 성능이 각각 11.9%, 12.0% 및 14.3%로 증가하였다.

 

(4) 확산각 α에 따라 유로 출구부에서 국부적으로 나타나는 공동현상을 증기 체적률 VVF로 평가하였다. α가 커짐에 따라 VVF 는 증가하며, 특히 α=30°에서 0.64로 크게 변화하고 α=50° 에서는 0.81 이상으로 나타났다.

 

(5) 차압 성능이 최대로 나타나는 확산각 α=50°일 때 증기 체적률 값을 감소하기 위한 형상 설계를 진행하였으며, 유로 후방의 마지막 꺾임 부의 유로 폭의 감소에 따라 증기 체적률 또한 감 소함을 해석적으로 검증했다.

 

(6) 차압 성능은 최대이면서 유로의 초기 손상을 유발하는 공동 이 발생하지 않는 미로형 고차압 제어 밸브 유로의 형상(확산각 α=50°, 확산각 길이=0.8mm)을 선정했다.

 

(7) 본 연구에서 제안한 미로형 고차압 제어 밸브 유로 형상을 통해 기존의 고차압 제어 밸브보다 소형화된 고기능성 밸브를 해상 플랜트에서 적용할 수 있으며, 이는 다른 기술 선진국 밸브와 비교하여 경쟁력이 있을 것으로 예상된다.

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하이플럭스 ( http://www.hiflux.com )

주식회사 하이플럭스는 일신오토클레이브의 자회사로써, 다수의 특허출원, ISO품질인증, 기업부설연구소 설립으로, 우수한 기술력과 노하우를 보유한 초고압 분야의 선두주자로서, 고온 · 고압 관련 장비나 플랜트에 필요한 고압 밸브류, 피팅, 압력조절기 등 배관자재를 제조 판매하는 기업입니다.

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