ACTUATOR TYPE and FEATUREFor Valves

Oil & Gas

Shipbuilding

Refinery &Petrochemical

Power Plant

S&T International Co.

박시우 대표

기계기술사

Mobile : +82(0)10-3840-0721 Tel/ Fax: +82(0)2-400-8039 E-mail : stanley.park@daum.net

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- CONTENT -

● PNEUMATIC ACTUATOR

● ELECTRIC MOTOR ACTUATOR

● HYDRAULIC CYLINDER ACTUATOR

● ELECTRO-HYDRAULIC ACTUATOR

● HYDRAULIC CYLINDER with Counter Weight

▶ 필자가 가진 지식과 수많은 Project에서의 경험, 그리고 각종 서적 및 Internet에서 발췌해서 정리한 것으로 Plant분야에 종사하는 엔지니어에게

도움을 주고자 정리한 내용이다.

2017년 6월

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PISTON TYPE DIAPHRAGM TYPE

장 점

1. 최대 Pressure Rating 150psi(10bar)로 30(2.1kg)- 7,500pound(3,400kg)의 Force를 생산1. 최대 Pressure Rating 4.1bar로 Piston Type과 동일한 면적의 Actuator 적용시 1/3정도의Force

2. 신속한 밸브 Open/Close가 가능하다(Booster와 Solenoid Valve를 적용시 최대 1초까지 가능하며 일부 업체의 신제품은 Servo Motor를 장착 1초 미만까지 가능: CCI사 Quick-Trak)

2.본질적인 Fail-safe 운전이 가능하다

3. 공기 사용으로 인화나 낮은 공기압으로 폭발 위험이 없고, 기계 안전 요구사항을 만족시킨다

4. 다른 Actuator에 비해 가격이 저렴하며 경량이다

5. 제어가 간단하고, Reliability가 좋고 유지보수가 용이하다

6. 정확도(Accuracy)는 0.01인치 이하, 반복성(Repeatability)는 0.001인치 이하이다 6. Piston Type에 비해 Diaphragm 면적이 넓고 상대적으로 공기압이 낮아 제어 정밀도가 좋다.

7. Cylinder 길이가 길어 Long Stroke가 가능하고, 같은 Thrust Force의 경우 그 Volume이 커서Diaphragm에 비해 크기가 약 1/3정도이다

7. 현장에서 쉽게 조정이 가능하다

8. 압축성 공기를 사용하므로 Air Volume Tank와 같은 압력 에너지 저장이 가능하다 8. 공장 기술자에게 가장 오랜 기간 익숙한 Actuator이다

9. 현장에서 필요시 뒤집어 장착, 사용이 가능하다(Reversible) 9. N/A

단 점

1. 압축기 및 공기 공급 제한은 낮은 압력과 늦은 속도를 갖게 되고, 압축기는 지속적인 작동 압력을 유지시켜야 한다

2. Actuator 작동을 위해서는 필히 Positioner가 요구된다 2. 높은 외기 온도에서의 제어가 어렵다

3. Piston에 O-ring이 있어 마찰이 발생, Control 정도가 Diaphragm에 비해 떨어진다 3. Stroke 길이가 한정되어 있으며 Stroke 길이가 90mm 이상은 사용이 불가하다.

4. 압축성 공기 압력 기기의 내구성으로 인해 10bar이상의 큰 힘을 얻을 수가 없다 4. Diaphragm의 재질로 인해 공기압이 4.1bar이상은 사용이 불가하다

5. Power Load의 변경 시 작동 속도의 영향으로 정밀 제어가 어렵다 5. Net Thrust는 Spring 힘의 반작용으로 인해 최대 3,000pound(1,360kg)의 힘으로 한정된다

6. Piston O-ring은 Viton등의 재질로 되어있어 마찰에 의한 마모로 주기적인 교체를 해야 한다 6. Diaphragm 재질이 고무 계통(Neoprene)으로 장기간 사용시 탄화 현상으로 찢겨 지기 쉽다

◙ PNEUMATIC ACTUATOR

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COMPONENT SHAPE● ActuatorSpring Diaphragm: Single Acting

Piston Type

- Single Acting with Spring Return: Air Failure 시에 본래의 위치로 복귀

- Double Acting without Spring: 양쪽 실린더에 공기가 공급되므로 Air Failure 시 그 위치에 그대로 있던가 밸브에 흐르는 유체힘으로 위치가 변화한다

- Double Acting with Spring: 공기압만으로 Force가 충분치 못할 때 Spring을 추가한다(예: Quick Closing을 위한 Anti-surgeValve)

● PositionerHart Protocol: a. Fisher가 과거 통신 방식으로 사용하던 것으로 전세계에서 통용되고 있음

b. Digital data를 4 - 20mA Analog Signal을 통해 주고 받는 방식임c. 양방향 통신이 가능하며, DCS와 I/O Module을 통해 Data를 주고 받는다

Foundation Field-bus: DCS의 역할을 각 Local Equipment 혹은 Local Control Panel에 분산시킬 수 있으며 각 Equipment와의통신이 가능하고 Data 교환, 심지어 Positioner에 모든 사양 및 Data Sheet의 입력이 가능하고 이에 따른 Control이 가능하다

Profi-bus: Foundation Field-bus와 동일한 방식으로 유럽, 아프리카에서 주로 사용되고 있음

● Position Transmitter

Potentiometer로 밸브의 개도를 지시 해주고, 이 저항 값을 DCS에 보내서 0%-100%까지 단계별로 그 개도를 알 수 있게 해준다

● Limit Switch

접점이 High/Low로만 되어 있어 설정한 값으로 Setting이 가능하다. 주로 On-off 기능으로 사용된다

● Air Set(Air Filter + Pressure Regulator + Pressure gage)

- 1.2 ~ 5.0kg/cm2의 공기를 사용한다

- 습기 및 먼지를 제 1 Chamber에서 제거하고 제2 Chamber에서 감압을 한다

- Cylinder Type의 경우, Oiler를 부착해 공기와 혼합해서 공급

● Volume Booster

한번에 많은 양의 공기를 Actuator에 공급하기 위해 적용되는 것으로, Booster 내에 있는 Diaphragm밸브는 Positioner로 부터공기압 Signal로 조절된다

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COMPONENT SHAPE

● Lock-up Valve

Air Failure일 경우 Actuator로 부터의 공기가 빠지는 것을 방지하기 위해 세팅 압력 이하로 내려가면 빠져 나가지 못하도록Locking하는 역할을 하는 것으로, 미리 설정된 압력과의 편차가 발생할 때, 그 즉시 Control Valve를 차단, 전환, Locking시키는 역할을 한다.이후 최후의 신호 상태에서 밸브가 정지되었다가 Air Line이 회복되면 정상적으로 Valve가 작동될 수 있도록 해준다

● Solenoid Valve

Solenoid Valve에 전원을 줄 경우 공기는 Actuator쪽으로 흐르고 전원이 나갈 경우, Actuator의 공기를 Vent 시켜준다(반대로사용이 가능). Control valve의 긴급 차단용으로 주로 사용되면 1-Way내지 4-Way Valve를 사용한다. 2-Way는 전기적 신호로공기 신호 차단을 위해 사용되며, 3-Way는 Diaphragm Actuator나 Single Acting Actuator의 긴급 차단 혹은 긴급 Open을위해 사용한다. 4-Way는 Dual Acting에 사용된다

● Air Compressor

외부 공기를 압축해서 Control Valve에 공급하며, Control Valve의 경우 최대 10bar로 Setting해서 압축기를 작동시킨다

Reciprocating Type

- 크랭크 축을 사용해서 Piston이 왕복하므로 진동이 비교적 크다

- 밸브, Linkage등 이음 구동부가 많고 회전이 늦어 저주파성 소음이 발생

- Belt 조절, 바닥 기초등의 설치가 필요하다

Screw Type

- 암수 2개의 나사 회전으로 공간 용적이 축 방향으로 압축한다

- 고속 회전이 가능하고 저주파 소음이 없다

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◙ ELECTRIC ACTUATOR

FEATURE APPLICATION

장 점 ● 거의 모든 밸브에 적용

1. 비교적 경제적인 가격으로 신뢰성 높은 운전으로 전 종류의 밸브에 적용 가능 ● 대형 사이즈 및 고압 MOV에 적합

2. 밸브제어의 On-off, Fast Open/Close, 비례제어, Time Control, Remote Control등을 수행할 수 있어 밸브의 구동장치로써 많이 사용 - Butterfly, Gate, Ball, Globe,

3. Controller에서 나오는 신호를 직접 받아 작동하므로 Stiffness는 Actuator Type중에 가장 좋다 Check

4. 멀리 떨어져 있어도 배선만으로 간단히 설치 사용할 수 있다(Pneumatic Air 혹은 Hydraulic Oil같은 Media 불필요)

5. Compact한 Design으로 높은 Thrust Output이 가능하다

6. 소음이 타 Actuator 방식보다 낮다

7. 정확도 범위는 +/- 0.000315 in이고 반복성은 0.0000394 in 미만으로 최고로 우수하다

단 점

1. Pneumatic에 비해 작동 속도가 늦으며 가격이 비싸다(약 4~ 5배: Positioner, Solenoid, Air Set, Booster등 포함)

2. 기어 박스 및 전기 배선이 복잡하다

3. 방폭 지역에서 방폭형을 사용해야 하며 화재 시 공기식에 비해 안전성이 떨어진다

4. Motor 작동이므로 Modulating 작동 시 제한적이다.

5. 공기식에 비해 움직이는 부품이 있어, Maintenance 비용이 많이 든다

6. 유체 누출이 없어 환경 오염을 유발시키지 않는다

7. Actuator를 네트워크로 연결해 재 프로그래밍할 수 있고, 진단 및 유지 보수에 대한 즉각적인 피드백을 제공해 준다

8. 지속적인 작동시에는 Motor 과열로 마모가 발생한다

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◙ HYDRAULIC ACTUATORFEATURE APPLICATION

장 점 ● API10000 - API15000 Valve 1. Oil 압으로 피스톤을 작동시키기 때문에 3"의 Piston 한쪽에 2,000psi가 가해지면 14,000pound(6.4ton)의 Linear Thrust를 발생시킨다. Force는

Pneumatic보다 약 25- 30배를 생산하며, 최소 1,750(770kg)- 최대 265,000pound(120ton)까지 가능.● TSO를 요구하는 대형/고압 Valve

2. 공기는 압축성 유체인데 비해 Oil은 비압축성이기에 체적 변동이 없어 High Stiffness 및 Resolution이 매우 좋다. ● Turbine Bypass Valve

3. 미세한 제어가 가능하고, 압력의 응답속도가 1000m/s로 공기 압의 50-70m/s 보다 빠르기 때문에 속도를 쉽게 제어할 수 있다.

4. 진동이 작고 작동이 원활하다.

5. 작동 오일 자체가 윤활유 역할을 하므로 별도의 윤활유가 불필요.

단 점1. 가능한 최대속도가 100mm/s로 매우 느리다.

2. 온도변화에 따른 Oil의 점도 변화가 심해진다.

3. Oil의 산패(酸敗) 현상(오염)으로 인하여 주기적인 교환이 필요

4. Pneumatic에 비해 Air Volume Tank와 같은 별도의 에너지 저장 용기가 없다

5. High Oil Pressure를 위한 Thick-wall Tubing, Gas Bubble Purging, Leak-free Distribution Network를 구성해야 한다

6. 가격이 높고, 시간이 상대적으로 오래 걸리고 높은 숙련도를 요구해, 보수유지가 쉽지 않다.

● Actuator ● Hydraulic Power(Supply) Unit ● Hydraulic Actuation Diagram

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COMPONENT SHAPE● Actuator : Single Acting and Double Acting

● Hydraulic Pump : 유압 모터나 실린더를 작동시키는 기본 동력으로 Gear, Vane, Piston Type이 있다

● Control Valve : Spool Type Directional Control, Spring Loaded Pressure Control

● Oil Reservoir : 필요 유량 유지 및 Oil 온도를 적정하게 유지, 기포발생 방지

● Accumulator : 유체의 맥동을 감쇄 및 압력 보상. 온도 변화에 의한 Oil Volume 변화를 보상. Spring Load, Piston, Bladder Type이 있다

● Oil Cooler : Oil을 40- 60°C로 유지. Oil의 온도 상승에 의한 슬러지 발생 및 열화, 유막 파괴 방지

● Silencer : 소음을 85dBA이하로 유지

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◙ ELECTRO-HYDRAULIC ACTUATOR 장 점 APPLICATION

1. 전기 작동의 간편성과 유압 Control로 정밀도 및 기계적 신뢰성이 높다 ● 모든 종류의 밸브에 적용이 가능

2. Safety Shutdown과 정밀 Modulating Control이 가능하다(High Stiffness)

3. Non-intrusive Intrinsically Safe Bluetooth 세팅/결합, Actuator 구성 및 데이터 Logging File을 분석/저장을 위해 현장에서 표준 PC로 전송 가능

4. Stroke Speed가 1초 미만까지 가능하다.

5. 주요 Protocol을 통한 Bus Communication으로 Smart Control이 가능하다

6. 소형이며 Compact해서 취급/조작이 간편하고 Oil Leakage Free, Simple Installation 및 Easy Maintenance, No Spare Part

7. Moderate to High Thrust Force를 요구하는 Service에 적용이 가능하다

8. 가혹한 외부 환경에 적합하다

단 점

1. 가격이 아주 비싸다

2. 움직이는 부품이 있어 유지 보수비용이 많이 든다

3. Spring 혹은 필요 Accessory 부품이 있어야 Fail-safe가 가능하다

4. 가장 최근의 기술 Actuator로 기종 공장 운전자에게 낯설다

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● ESD(Emergency Shutdown)에 적용 예

► 상기 그림에 대해 구체적인 VIDEO 자료를 원하는 분은 필자에게 이메일로 요청하면 보내 주겠습니다.

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FEATURE APPLICATION장 점 ● Non-Return Valve, 일명 Swing Check Valve, 혹은

1. Electric/Pneumatic Power가 필요 없다 Non-Slam Check valve, Butterfly Check Valve에 주로 사용

2. Fire Hazard로 부터 안전하다

3. 설치가 간단하다

4. Hydraulic Cylinder와 Counter Weight만으로 작동이 간편하다

5. Counter Weight로 밸브 닫힘 시간 조정이 가능해서 Hammering("쾅" 닫히는 현상)을 없애 준다

6. 필요시에는 Hydraulic Pump/ Valve/ Multi Valve 등과 같은 작동으로 Hydraulic Actuator로의 전환이 가능하다

단 점

1. Counter Weight의 무게에 한계로 일정 이상의 Torque에는 적용이 불가하다

2. 유량 변동으로 인한 조정이 필요시 현장에서만 수동으로 가능하다

3. Oil 누설 시에 작동이 불가하므로 특히 주의를 요한다

◙ HYDRAULIC CYLINDER with Counter Weight

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