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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.18 No.3 pp.109-115
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2019.18.3.109

Experiment and Flow Analysis of the Flow Coefficient Cv of a 1 inch Ball Valve for a Thermal Power Plant

Chang-Won Kang*, Chung-Seob Yi**, Chi-Woo Lee***#
*Gyeongnam National University of Science and Technology, Graduate School
**Korea Lift Collage, School of Lift Engineering
***Gyeongnam National University of Science and Technology, Automotive Engineering
Corresponding Author : leecw@gntech.ac.kr Tel: 82-55-751-3649, Fax: 82-55-751-3643
03/01/2019 05/01/2019 12/01/2019

Abstract


The purpose of this study was to analyze and test the flow rate of a 1-inch ball valve used in a thermal power plant. To identify the flow-rate characteristics, numerical analysis was conducted and an experimental apparatus of the valve flow rate coefficient was used to compare the flow coefficient Cv values. To determine the internal pressure distribution, the sites of opening ball valves and flow fields were investigated. In particular, a smaller the valve opening resulted in a more complicated the flow field of the ball. The valve flow characteristic test showed that the Cv value and flow rate increased with increasing valve-opening rate and the secondary function was performed. The pressure drop increased as the valve opening rate decreased. In addition, the experimental results for the flow analysis are similar to the numerical analysis results.



화력발전소용 1인치 볼 밸브 유량계수 Cv에 관한 유동해석 및 실험에 관한 연구

강 창원*, 이 중섭**, 이 치우***#
*경남과학기술대학교 대학원
**한국승강기대학교 승강기공학부
***경남과학기술대학교 자동차공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    화력발전소는 석탄, 중유 등 연료를 이용하여 보일러에서 연소시켜 발생된 고온 고압의 증기를 이용하여 터빈 및 발전기를 회전시켜 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 생산된 전기를 전국에 연 결된 계통에 연계시킨다. 발전소 운영계통은 복수 및 급수계통, 증기계통, 연료계통, 전원계통 등 복 잡한 설비들로 구성되어 있다.

    각 계통에서는 유체의 흐름을 제어하는 수천개 의 밸브가 사용되고 있으며, 주요밸브에서의 누설 이나 마모 등 고장에 의해서 계통의 압력이나 온 도가 저하될 수 있다. 보일러에서의 주요밸브는 증기온도를 조절할 때 사용하는 과열저감기(S/H De-SH)나 재열저감기(R/H De-SH) 등의 밸브 제어 불량이나 내부손상에 의한 고장이 발생할 수 있 고, 터빈 분야에서는 급수펌프의 밸브에서도 손상 에 의한 제어난조나 고장에 의한 출력 감발 현상 도 발생하고 있다.

    고차압에 사용되는 보일러 노내 Soot를 제거하 는 제매기용 증기조절밸브의 오작동이나 내부의 마모나 스템의 손상 등의 고장에 의해서도 계통의 차단에 의한 출력 감발이나 정지까지도 될 수 있 는 상태에까지 이를 수 있다. 따라서 밸브 유량특 성에 관한 정확한 설계자료가 필요하다.

    현재 국내의 밸브에 관한 연구는 지속적으로 이 루어지고 있으며, 밸브에 대한 구조해석 및 유동해 석이 전반적으로 설계단계에서 이루어지고 있다.

    수동밸브 및 제어밸브에 대한 유량계수(Cv)에 대한 측정을 통해 현재 제조되는 계장용 밸브에 대한 성능을 확보함으로써 계통 설계시 필요한 자 료를 제공하고, 확인함으로써 효과적인 설계와 시 스템 신뢰성을 높이일 수 있다.

    현재 국내 밸브업체의 경우 대부분 국제규격 (ANSI, API등) 측면에서 설계하여 생산하고 있으 며, 기본적인 내압강도나 기밀시험에 주안점을 두 고 있을 만큼 구조적인 문제에 많은 비중을 차지 하는 반면, 유동특성과 같이 시스템 내부에서 발 생되는 여러 설계인자에서 중요한 유량계수와 같 은 밸브 성능에 대해 비교적 소극적이거나 선진제 품의 Copy 제품일 경우 대부분 별도의 실험을 통 해 검증하지 않는 것이 현실이다.

    밸브의 조작량을 변화시키는 것으로는 전자밸 브, 전동밸브, 공기식 제어밸브, 등이 있고 최근 자동화가 급속히 이루어짐에 따라 밸브의 중요성 이 점점 증대되고 있다. 현재 발전소 등 육상플랜 트에서 밸브에 대한 역할은 매우 중요하고, 설비 가동에 있어 밸브특성에 따른 성능은 다양하다.

    제어밸브의 경우 운전특성에 따른 개도 변화로 유량과 압력 등이 제어량에 따라 달라지는 특성으 로 운전변수가 발생함에 따라 이에 대한 밸브 자 체의 특성을 파악할 필요가 있다[1-5].

    본 연구는 계장용으로 많이 사용되고 있는 볼 밸 브에 대한 유량계수 Cv를 측정하고, 유동해석 결과 를 비교하고자 한다.

    2. 유동해석

    2.1 유동해석 방법

    유동해석 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 해석 모델의 적절한 모델링과 해석에 적절한 난류모델 의 선정, 계산 격자의 신뢰성 확보가 필요하다. 이 와 더불어 Solver의 선택 또한 계산 정확도에 미 치는 영향이 크기 때문에 상용 S/W는 CD-adapco 사의 STAR-CCM+를 사용하여 해석을 수행하였다.

    2.2 지배방정식

    본 연구에서는 볼 밸브 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정하여 유동해 석을 수행하였다. 볼 밸브에서 속도분포 및 압력 을 산출하기 위해서 사용된 지배방정식은 아래의 식 (1)에서 (4)와 같이 연속 방정식과 운동량 방정 식이며, 난류모델은 이미 산업계에서 타당성을 검 증받은 k-ε모델을 사용하였다.

    x i ( ρ u i ) = 0
    (1)
    x j ( ρ u j u i ) = P x i + τ i j x i + S u
    (2)
    x j ( ρ j k ) = x j ( μ + μ t σ k ) k x j + u t G σ ε
    (3)
    x j ( ρ u j ε ) = x j ( μ + μ t σ ε ) ε x j + ε k ( C 1 μ t G C 2 ρ ε )
    (4)

    본 연구에 사용된 연속 방정식은 식(1)과 같이 나 타낼 수 있으며, 운동량 방정식은 식(2)와 같이 나 타낼 수 있다. 난류에너지 방정식은 식(3)과 같이 나타낼 수 있으며, 난류에너지 소산방정식은 식(4) 와 같이 나타낼 수 있다.

    2.3 수치알고리즘

    수치해석 기법으로는 지배방정식에서 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)에 따른 Segregate Flow 알고 리즘을 사용하였으며, 본 연구를 위해 적용되는 수치해석 코드인 STAR-CCM은 Cooling Fan을 해 석하기 위해 다음과 같은 수치알고리즘으로 계산 을 수행하게 된다. 해석결과를 취득하기 위한 수 치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산 시 종속 변수들의 수렴 판정은 출구 유량이 변하지 않고 안정적인 값으로 고정된 계산결과가 나타날 때와 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판 정은 잔차 값이 10-3이하에 도달하면 수렴 판정의 기준으로 삼았다.

    2.4 유동해석 대상

    유동해석 대상 볼 밸브는 Fig. 1과 같이 1인치 볼 밸브에 대하여 역설계를 수행하여 CATIA V5를 사용하여 3D 모델링하여 유동해석을 수행하였다. 또한, 볼 밸브의 유동해석을 수행하기 위하여 유동 장과 관련이 없는 부분은 삭제하여 최종 CFD 모 델에 대한 해석변수를 Fig. 2와 같이 생성하였다.

    볼 밸브 유동해석을 위해 Fig. 3과 같이 경계조 건을 부여하여 수치해석을 진행하였다. 유동해석 을 위해 우선 계산도메인의 초기조건은 작동유체 인 Water가 100%가 있다고 가정하였다.

    3. 유동해석 결과 및 분석

    볼 밸브 열림 비율에 따른 유동해석을 수행한 결 과 Fig. 4와 같은 압력분포를 확인할 수 있었다. 밸브 가 100% 열려있을 경우 밸브에서 저항이 발생하지 않기 때문에 입출구 압력이 약 1psi 발생 되는 것을 확인할 수 있었다. 반면 밸브가 닫히면서 입구와 출구에서의 압력차가 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전반적으로 밸브가 닫히면서 압력강 하는 2차함수의 형태로 증가하는 것을 확인할 수 있 었다.

    Fig. 5는 밸브 열림량에 따른 속도분포와 유선분포 를 나타내고 있다. 그림에서 보는 것과 같이 밸브가 닫히면서 Ball 내부에서 유동이 아주 복잡하게 발생하 고 있는 것을 확인할 수 있었고, 밸브 입구부에서 유 속이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이 러한 유속의 감소로 인해 압력이 증가하게 되었고, 이러한 압력증가로 인한 밸브 입구와 출구에서의 압 력강하가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

    4. 유량계수 측정

    4.1 시험장치구성

    밸브 유량계수 측정장치의 메인 프레임 사이즈는 W45,000×D2,500×H1,600mm로 제작하였으며, Pipe Size가 1/4", 1/2", 1" 등 다양한 사이즈 측정이 가능 하도록 실험장치를 Fig. 6과 같이 구성하였다. 배관 의 경우 부식방지를 위해 SUS계열의 소재를 채택하 여 제작하였고, 밸브 어뎁터를 사용하여 다양한 사 이즈에 대응할 수 있도록 설계 반영하였다.

    밸브를 시험하기 위해 작동유체인 Water에 대한 공급을 원활히 하기 위하여 폐회로로 순환되는 구조 로 제작되었고, 저수조의 사이즈는 W35,000 × D1,500 × H900mm 로 구성하였다.

    저수조에서 배관으로 작동유체가 이송될 때 이물 질을 제거하기 위하여 필터를 설치하였으며, 저수조 는 부식방지를 위해 SUS계열의 소재를 채택하였다. 밸브로 작동유체를 공급하기 위하여 동력 18kW, 유 량 341LPM, 양정 65m의 성능을 갖는 입형 다단펌프 를 적용하였다. 각종 제어밸브 및 수동밸브에 대한 성능을 시험하기 위해 밸브를 통과하는 유량 및 입 구와 출구측의 차압을 측정하여 밸브의 유체압력에 대한 CV계수를 측정할 수 있도록 하였다.

    4.2 시험결과

    유량계수(Flow coefficient : Cv)는 밸브의 사이 즈를 결정하기 위해 사용되는 수치이며, 모든 밸 브에는 유량계수에 대한 정격사양이 있다. 본 연 구에서는 아래의 식 (5)와 같이 일반적으로 가장 많이 사용하는 Cv 계산식을 사용하였다[6-8].

    C v = Q S g Δ P
    (5)

    여기서 Q는 유량(gpm), Sg는 비중량 그리고 ΔP 는 압력차(psi)를 나타낸다.

    Fig. 7은 자동제어 글로브 밸브에 대한 밸브유 량계수에 대한 시험 결과 값을 나타내고 있다. 앞 서 전술한 자동제어 볼 밸브 시험결과와 같이 밸 브 열림량이 증가할수록 유량계수 Cv값이 2차 곡 선으로 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 밸브 유 량계수에 대한 특성곡선에 대한 2차 함수를 아래 의 식과 같이 나타낼 수 있었다. 반면 글로브 밸 브의 형상 특성상 볼 밸브에 비해 최대 유량계수 Cv값이 43%에 미치는 것을 확인할 수 있었다.

    Fig. 8은 자동제어 글로브 밸브의 오리피스를 지나가는 유량을 측정한 결과이다. 유량계수 Cv와 마찬가지로 밸브 열림량이 증가할수록 유량이 2차 함수 형태를 나타내며 증가하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 여기서 볼 밸브에 비해 70%이상 부터 는 거의 유사한 유량을 나타내고 있었다.

    유량 측정값에서 밸브 열림량이 70% 이상 진행 됨에 따라 유량증가가 둔화되는 반면 유량계수 Cv값은 계속 증가하는 원인은 볼 밸브와 마찬가 지로 압력강하 값이 밸브 열림량이 증가할수록 낮 아지기 때문에 Cv값이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

    Fig. 9는 자동제어 글로브 밸브의 입출구단에서 의 압력강하를 나타내고 있다. 밸브 열림량이 증 가할수록 압력강하가 낮아지는 것을 확인할 수 있 었고, 압력강하 역시 2차 함수 형태로 감소하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

    Fig. 10은 최종 제어밸브에 대한 실험결과와 유 동해석 결과를 통해 밸브유량계수 Cv에 대하여 서로 비교한 것이다. 그림에서 보는 것과 같이 밸 브 열림량이 증가할수록 Cv값이 2차함수의 형태 로 증가하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 실험값과 해석값이 아주 잘 일치하고 있는 것을 확인할 수 있었다.

    5. 결 론

    화력발전소에 적용되는 소형 1인치 볼 밸브에 대 한 유동특성을 파악하기 위하여 수치해석과 밸브유 량계수 실험장치를 통해 유량계수 Cv 값을 비교한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

    유동해석을 통해 볼 밸브 열림량에 대한 내부 압 력분포 및 유동장을 파악할 수 있었다. 특히, 밸브 열림량이 감소할수록 볼 내부의 유동장이 매우 복잡 하게 발생함을 확인할 수 있었다.

    밸브유량특성에 관한 실험을 수행한 결과 유량계 수 Cv 값과 유량의 경우 밸브 열림량이 증가할수록 2차 함수를 보이며 증가하였고, 압력강하는 반대로 밸브 열림량이 감소할수록 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 밸브 유량계수 Cv의 경우 실험결과와 유 동해석 결과가 모두 유사하게 나타남에 따라 연구결 과의 신뢰성을 확보할 수 있었다.

    Figure

    KSMPE-18-3-109_F1.gif
    CFD analysis models
    KSMPE-18-3-109_F2.gif
    CFD parameters for valve opening ratio
    KSMPE-18-3-109_F3.gif
    Boundary conditions
    KSMPE-18-3-109_F4.gif
    Results of static pressure distribution
    KSMPE-18-3-109_F5.gif
    Results of path line with velocity magnitude
    KSMPE-18-3-109_F6.gif
    Experimental setup for Cv measurement
    KSMPE-18-3-109_F7.gif
    Distribution of flow coefficient
    KSMPE-18-3-109_F8.gif
    Distribution of flow rate
    KSMPE-18-3-109_F9.gif
    Distribution of pressure drop
    KSMPE-18-3-109_F10.gif
    Comparison of flow coefficient at CFD and Experiment data

    Table

    Reference

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