산업용 감압 레귤레이터 공급 압력 효과(SPE) 관리: 일관된 가스 압력 제어

산업용 가스 시스템에 사용되는 감압 레귤레이터의 공급 압력 효과(SPE) 관리 방법

바우터 프롱크(Wouter Pronk), 스웨즈락 수석 현장 엔지니어

가스 실린더 소스에서 공정 라인을 운영하는 유체 시스템 운영자는 감압 레귤레이터의 출구 압력이 아무런 이유 없이 증가하는 현상을 가끔 관찰할 수 있습니다. 실린더가 비어감에 따라 레귤레이터로의 입구 압력이 감소합니다. 많은 숙련된 기술자는 출구 압력도 동시에 감소할 것으로 예상하지만, 대신 출구 압력이 상승합니다. 이 현상을 공급 압력 효과(SPE)라고 합니다.

공급 압력 효과(SPE)란 무엇인가?

공급 압력 효과는 입구 의존성(inlet dependency)이라고도 하며, 입구 또는 공급 압력 변화로 인한 출구 압력 변화로 정의됩니다. 이 현상에서 입구와 출구 압력 변화는 서로 반비례합니다. 입구 압력이 감소하면 출구 압력이 대응해 증가합니다. 반대로 입구 압력이 증가하면 출구 압력이 감소합니다.

레귤레이터의 SPE는 일반적으로 제조업체가 제공합니다. SPE는 보통 입구 압력 변화당 출구 압력 변화를 설명하는 비율이나 백분율로 표현됩니다. 예를 들어, 레귤레이터의 SPE가 1:100 또는 1%로 설명된다면, 입구 압력이 100 psi 떨어질 때마다 출구 압력이 1 psi 상승합니다. 레귤레이터의 출구 압력 변동 정도는 다음 공식으로 추정할 수 있습니다:

출구 압력 변화 = 입구 압력 변화 × SPE

스프링 로디드 레귤레이터의 언밸런스드 vs 밸런스드 팝펫 설계

가장 일반적인 레귤레이터 유형 중 하나는 스프링 로디드 감압 레귤레이터입니다. 스프링이 감지 엘리먼트(다이어프램 또는 피스톤)에 힘을 가해 오리피스 위의 팝펫을 제어함으로써 출구 압력을 제어합니다.

언밸런스드 팝펫 설계(unbalanced poppet design)에서 입구 압력은 팝펫을 위로 밀어올리고 시트 면적과 동일한 팝펫 부분에 압력을 가합니다. 결과적으로 입구 압력이 감소하면 팝펫을 위로 밀어올리는 힘이 줄어들어, 강한 설정 스프링이 팝펫을 시트에서 약간 더 멀리 밀어내게 되고, 이로 인해 출구 압력이 증가합니다. 이 출구 압력 상승은 팝펫을 원래 위치로 닫을 만큼 설정 스프링 힘을 완전히 상쇄할 만큼 강하지 않습니다. 결과는 SPE로 인한 출구 압력 증가입니다.

레귤레이터가 힘의 균형으로 작동하기 때문에, SPE의 양은 팝펫과 감지 영역에 압력이 작용하는 면적 비율로 결정될 수 있습니다. 즉, 감지 영역이 크고 팝펫이 작은 레귤레이터가 가장 낮은 SPE를 가지며, 감지 영역이 작고 팝펫이 큰 레귤레이터가 가장 높은 SPE를 가집니다.

언밸런스드 팝펫 설계가 SPE에 미치는 영향을 보여주기 위해 입구 압력을 점진적으로 감소시켜 보겠습니다. 입구 압력 1160 psig (80 bar)에서 출구 압력은 43.5 psig (3 bar)입니다. 하지만 입구 압력이 870 psig (60 bar)로 감소하면 출구 압력은 53.7 psig (3.7 bar)로 뛰어오릅니다. 입구 압력이 언밸런스드 팝펫의 전체 표면에 작용하기 때문에, 입구 압력의 변화가 큰 힘의 변화를 만들어 레귤레이터 내 힘의 균형에 더 큰 변화를 일으킵니다.

특히 팝펫이 일반적으로 더 큰 고유량 애플리케이션에서 공급 압력 효과를 줄이는 일반적인 방법은 밸런스드 팝펫 설계(balanced poppet design) 레귤레이터를 사용하는 것입니다. 이 레귤레이터 설계의 의도는 높은 입구 압력이 작용할 수 있는 면적을 최소화하는 것입니다. 이는 팝펫을 따라 수직으로 뚫린 오리피스를 통해 낮은 출구 압력이 팝펫 아래쪽 부분에 도달하도록 하고, 팝펫 하부 스템 주변의 O-링으로 씰링함으로써 달성됩니다. SPE 측면에서, 입구 압력 변화는 압력이 훨씬 더 작은 면적에 작용하므로 힘의 변화가 더 작아집니다.

앞서 언밸런스드 팝펫 설계로 시연한 것과 같이 입구 압력을 점진적으로 감소시켜 밸런스드 팝펫 레귤레이터에 SPE가 미치는 영향을 구상해 보겠습니다. 마찬가지로 입구 압력 1160 psig (80 bar)에서 출구 압력은 43.5 psig (3 bar)입니다. 그러나 입구 압력이 870 psig (60 bar)로 감소하면 출구 압력은 46.4 psig (3.2 bar)만 증가합니다. 사실 입구 압력 725 psig (50 bar)에서도 출구 압력은 46.4 psig (3.2 bar)로 안정적으로 유지됩니다.

밸런스드 팝펫 레귤레이터에서 출구 압력에 미치는 영향이 이전 레귤레이터 구성보다 완화되었음을 알 수 있습니다. 밸런스드 팝펫 레귤레이터의 추가 이점은 락업(lockup) 감소입니다. 락업은 다운스트림 유량이 0으로 감소할 때 팝펫이 급격히 닫히는 경향입니다. 과도한 락업은 팝펫이 급격히 닫히며 출구 압력 스파이크를 일으킬 수 있어 바람직하지 않습니다. 그럼에도 가스 시스템에서 사용되는 레귤레이터에는 팝펫 설계와 관계없이 SPE가 항상 존재합니다. 팝펫/밸브가 매우 천천히 닫히더라도, 유량이 있든 없든 동적 또는 정적 공정에서 SPE는 발생합니다. 빈 실린더를 가득 찬 실린더로 교체한 후 설정 출구 압력은 달라질 것입니다. 정보에 입각한 설계 결정은 단순히 그 효과를 줄이는 데 도움이 될 뿐입니다.

단일 단계 vs 2단계 조절

2단계 감압은 사실상 모든 애플리케이션에서 공급 압력 효과를 최소화하는 좋은 솔루션입니다. 이 방법은 두 개의 단일 단계 레귤레이터를 직렬로 설치하거나 레귤레이터를 하나의 어셈블리로 결합하는 것을 포함합니다. 듀얼 스테이지 레귤레이터(예: 한 몸체에서 2단계 감압을 수행하는 스웨즈락® KCY 시리즈 레귤레이터)는 분석 계장 시스템 같은 저유량 애플리케이션에 강력한 옵션입니다. 각 레귤레이터는 입구 압력 변동을 일정 정도 제어하지만, 함께 작동하면 출구 압력을 원래 설정점에 매우 가깝게 유지합니다.

2단계 레귤레이터 설정의 출구 압력 변동성을 계산하려면, 입구 압력 차이에 각 레귤레이터의 SPE를 곱합니다. 이는 다음 방정식으로 설명됩니다:

총 출구 압력 변화 = 입구 압력 변화 × SPE₁ × SPE₂

SPE가 입구와 출구 압력 변수 간의 역관계임을 명심하십시오. 1단계 레귤레이터는 가스 실린더가 비어 입구 압력이 감소함에 따라 출구 압력 증가를 겪습니다. 이 증가는 2단계로 공급되어 2단계 레귤레이터 출구 측에서 후속 감소를 초래합니다. 1단계 레귤레이터가 큰 입구 변화를 겪고 더 작은 출구 변화를 출력하기 때문에, 2단계 레귤레이터는 1단계로부터의 작은 입구 변화에만 반응하고 출구 측에서 최소한의 압력 감소를 보입니다. 입구 압력이 1단계 레귤레이터 설정 압력 아래로 떨어지면, 설정은 단일 단계 레귤레이터 시스템으로 작동합니다.

공급 압력 효과를 시연하기 위해 아래 예시는 KCY 모델 감압 레귤레이터를 사용합니다. 가스 실린더가 2500 psig (172 bar)에서 500 psig (34 bar)로 비워집니다. 각 레귤레이터가 1% SPE를 가진다고 가정합니다. 2000 psig (137 bar) 입구 압력 강하로 1단계 레귤레이터는 20 psig (1.3 bar) 출구 압력 증가를 경험합니다. 그 결과로 2단계 레귤레이터는 0.20 psig (0.01 bar) 출구 압력 감소만 경험합니다. 이전 레귤레이터 구성들과 비교해 출구 압력에 미치는 영향이 극적으로 완화되었음을 확인할 수 있습니다.

2단계 레귤레이터 설정은 일반적으로 밸런스드 팝펫 단일 감압 레귤레이터보다 공급 압력 효과 제어 측면에서 더 나은 결과를 달성합니다. 동일한 출구 압력 하에서 여러 작업을 공급하는 한 가스 실린더 애플리케이션에서는 두 옵션 중 어느 것이든 충분할 수 있습니다.

반면, 서로 다른 압력을 요구하는 여러 작업에 한 가스 실린더를 공급해야 하는 애플리케이션에서는 2단계 레귤레이터 시스템을 만들기 위해 두 개의 단일 단계 레귤레이터를 사용해야 합니다. 이 경우 1단계 레귤레이터를 가스 실린더 근처에, 2단계 레귤레이터를 각 공정 라인 또는 사용 지점에 설정하십시오. SPE를 최소화하기 위해 시스템은 종종 가스 공급원에 2단계 레귤레이터, 사용 지점에 단일 단계 레귤레이터로 구성됩니다. 이 과도한 설정은 3단계 조절에 해당하며, 대부분의 애플리케이션에는 불필요합니다. 직렬로 연결된 두 단일 단계 레귤레이터가 더 낮은 비용으로 최소한의 SPE를 산출합니다.

단일 및 2단계 압력 조절에 대해 더 알아보기:

엔지니어링된 가스 분배 시스템의 이점

SPE를 관리하는 또 다른 옵션은 귀사 애플리케이션 니즈를 충족하도록 특별히 설계되고 구성된 모듈러 서브시스템으로 구성된 완전 조립 및 테스트된 가스 분배 시스템을 사용하는 것입니다. 이러한 시스템에서:

• 소스 인렛 모듈(예: 스웨즈락® 소스 인렛(SSI) 또는 소스 인렛 패널)은 고압 가스 소스와 분배 시스템 간 연결을 설정합니다. 단일 가스 실린더의 경우 조립은 호스와 커넥터만큼 단순할 수 있으며, 다중 실린더의 경우 다중 호스와 밸브를 통합한 매니폴드가 필요할 수 있습니다. 이러한 인렛은 병 교체 시 가스를 퍼지하거나 벤트하도록 고도로 구성 가능해 운영자 안전을 증진하거나, 개별 라인을 벤트해 가동 시간을 최대화하도록 만들 수 있습니다.
• 가스 패널(예: 스웨즈락® 가스 패널(SGP))은 소스 가스의 1단계 감압을 완료하고 올바른 유량으로 다음 단계에 전달합니다. 이는 가스 분배 시스템에서 SPE를 가장 잘 제어할 수 있는 부분입니다. 감압은 단일 압력 레귤레이터로 1단계, 또는 듀얼 압력 레귤레이터 구성으로 2단계로 수행됩니다. 이 가스 패널은 어떤 부품도 분리할 수 있고 패널을 결코 제거할 필요가 없어 서비스하기 쉽습니다. 듀얼 스테이지 레귤레이터가 장착된 SGP를 사용하는 것은 SPE를 줄이는 매우 신뢰할 수 있는 수단입니다.
• 자동 전환 시스템(예: 스웨즈락® 체인지오버(SCO) 서브시스템)은 중단 없는 공급을 보장하기 위해 한 가스 소스에서 다른 소스로 전환합니다. 두 압력 레귤레이터(설정 노브 포함)가 서로 연결되어 있지만 별도의 가스 공급 소스(하나 이상의 가스 실린더로 구성)에서 입력을 제어합니다. 한 레귤레이터는 다른 것보다 낮은 압력으로 설정되며, 더 높은 압력으로 설정된 레귤레이터가 처음에 공유 아웃렛 연결로 가스를 공급하고, 더 높은 설정 레귤레이터의 가스 공급이 다하면 더 낮은 설정 레귤레이터가 가스를 공급합니다. 설정 핸들을 180° 조정하면 두 레귤레이터의 압력 설정이 반전되어, 시스템이 계속 작동하는 동안 빈 실린더를 교체할 수 있습니다. 잘 설계된 체인지오버 서브시스템은 실린더에 남는 낭비 가스를 줄이기 위해 전환 설정점을 지정할 수 있게 합니다.
• 마지막으로, 사용 지점 시스템(예: 스웨즈락® 포인트-오브-유즈(SPU) 어셈블리)은 가스 사용 전 최종 단계 압력 제어를 제공합니다. 이 시스템은 일반적으로 레귤레이터, 게이지, 차단 밸브를 포함하며 애플리케이션 니즈를 충족하도록 압력을 조정하는 편리하고 정확한 방법을 제공합니다.

모듈러 가스 분배 시스템 구성도

결론

가스 실린더로부터 출구 압력을 제어하는 레귤레이터와 함께 공급 압력 효과는 항상 존재하는 현상입니다. 입구 압력에 변화가 있을 때마다 대응하는 출구 압력 변화가 있을 것입니다. 밸런스드 팝펫 설계의 단일 단계 레귤레이터 사용, 2단계 레귤레이터 사용, 또는 스웨즈락® 가스 분배 프로그램을 통해 제공되는 완전 구성 가능 가스 패널 사용으로 많은 애플리케이션에서 공급 압력 효과를 최소화할 수 있습니다. 가스 소스가 서로 다른 압력 요구사항을 가진 여러 작업을 서비스하는 경우, 가스 소스 근처에 하나, 각 공정 라인에 하나씩 여러 단일 단계 레귤레이터가 필요할 수 있으며, 이러한 경우에 효과적으로 수행하도록 설계된 사전 조립된 가스 분배 서브시스템을 사용할 수도 있습니다.

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