8인치 극저온 글로브 밸브의 유량계수 특성에 관한 연구

Abstract

국제해사기구(IMO)의 환경규제 및 친환경대체에너지, 탈원전 등 환경과 안전을 생각하는 세계적 흐름에 따라 LNG를 사용하는 극저온 분야는 규모가 점차 확대되어가고 있다. LNG 수요가 점차 확대됨에 따라 극저온 장비 시장도 동반성장을 보일 것으로 예상된다. 극저온 분야 기술은 극저온 환경에서 다양한 시험을 수행하여 축적된 데이터를 활용한 연구 및 개발이 이루어져야 한다. 하지만, 국내 극저온 기술력은 인프라 부족으로 유동 해석이나 대체 유체를 이용한 상온 시험으로만 수행되어 신뢰성 확보가 힘든 실정이다. 극저온 분야 중 극저온 밸브는 -163℃ 이하의 극한 환경에서 작동유체의 흐름을 차단/제어하여 극저온 플랜트/시스템을 안정적으로 유지시키는 핵심 부품이지만 대부분 수입에 의존하고 있다. 그래서 본 연구에서는 극저온 밸브의 주요 인자 및 성능 특성을 파악하기 위해 작동유체인 LNG로 극저온 시험을 수행하였다. 극저온 환경에서의 시험을 수행하기 위해 경남 김해 LNG극저온센터의 밸브 성능평가 시스템을 이용하였다. 정해진 국제공인규격에 따라 시료의 여러 가지 조건(밸브의 개폐율, 공급 유량, 차압 등)을 변경하여 반복적으로 평가를 수행하였다. 공급 유량에 따른 밸브의 개도를 조절하여 유량계수 값을 도출하였고, 결과 값을 설계 값 및 타 연구와 비교하였다. 공급 유량 700 m3/h 일 때, 개도율에 따른 값은 설계 값과 최대 약 29%의 오차를 확인하였다. 작동유체를 물로 시험한 종래 연구와 비교 시 밸브의 개도가 증가함에 따라 값도 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 공급 유량 800 m3/h에서 밸브 개도 조절에 따른 값을 측정한 결과 밸브의 개도율 85%이하 구간에서는 선형적으로 증가하며 85% 이상에서는 개도 조절과는 상관없이 유사한 값을 가지는 특성을 확인하였다. 이러한 극저온 밸브의 특성을 고려한다면 효율적인 설계 및 제작이 가능할 것으로 기대한다.

The cryogenic field’s used of LNG is increasing in scope gradually yet steadily in order to keep in step with global trends in the energy industry. In this field, greater importance is being placed on environment and safety, as represented by the International Maritime Organization's environmental regulations, heightened interest in environmentally-friendly alternative sources of energy, and nuclear phase-out plans. With growing demands for LNG, the cryogenic equipment market is also anticipated to expand at the same time. Technologies in the cryogenic field should be researched and developed by utilizing data accumulated from a variety of experiments performed in the cryogenic environment. However, there is plenty of room for improvement in Korea's cryogenic technology development as lack of relevant infrastructure in this field has limited experimental research efforts to carrying out fluid analyses or experiments in ambient temperature environments with alternative fluids only, rendering research outcomes rather unreliable. Among various items in the cryogenic field, cryogenic valves are a core component used to shut off and control the flow of a working fluid in extreme environments below -163℃ to ensure stable operation of cryogenic plants/systems; however, Korea is relying mainly on imports to secure this key equipment. As such, a cryogenic experiment using LNG as the working fluid was carried out in this study in order to understand the main factors as well as the performance characteristics of cryogenic valves. To perform the experiment in a cryogenic environment, the performance evaluation system used at the LNG and cryogenic equipment test and evaluation center in Gimhae, Gyeongnam Province, was utilized. The evaluation was performed repetitively by changing several conditions of the samples (valve opening rate, flow rate, differential pressure, etc.) in accordance with prescribed, internationally certified specifications. The value of flow coefficient was obtained by adjusting the degree of valve opening per given flow rate, and the resultant value was compared against the design value and outcomes from other studies. It was confirmed that the value per valve open rate had an error of up to approximately 29% of the design value at a flow rate of 700 m3/h. Comparison with prior research that used water as the working fluid revealed that when the valve open rate increased, the value also increased, linearly. In addition, when the value was measured at the flow rate of 800 m3/h by adjusting the valve open rate, the value increased linearly in sections below 85% of the rate but remained more or less identail above 85% of the rate regardless of rate adjustment. Efficient valve design and fabrication can be expected when such characteristics of cryogenic valves are taken into account.