파이프라인과 저장 터미널, 해양 로딩과 하역 등 다양한 라인에서 장비와 인력을 보호하기 위해 서지 릴리프(Surge Relief) 시스템 도입은 필수적이다. 서지 압력은 유속의 갑작스런 변화에서 기인하며, 서지 릴리프가 없을 경우 서지 압력은 파이프와 기타 부품, 장비 및 인력에 손상을 입힐 수 있다.


이 서지 압력은 액체 유속을 급격히 변화시키는 요인(밸브 폐쇄, 펌프 정지, 비상정지 폐쇄 발생)에 이어, 보압이 발생할 때 생성될 수 있다. 총 서지 압력이 시스템 최대 허용 압력을 크게 상회하기도 하는데, 이 경우 귀중한 자산에 심각한 손상을 줄 수 있다.

서지 릴리프 시스템에는 기본적으로 반응 속도가 빠른 고용량 밸브가 포함돼야 한다. 이 밸브는 개방이 매우 빨라 폐쇄 중에 추가 압력 서지를 일으키지 않고도 파이프라인의 서지 압력을 제거한 후 정상(폐쇄) 상태로 돌아갈 수 있다. 상황에 따라 이 밸브는 모든 유체가 통과하도록 하기 위해 단숨에 완전히 개방돼야 할 경우가 종종 있다.

단단한 물체가 밸브 사이에 끼어 열팽창이 일어날 경우 긴 파이프라인은 압력이 생성돼 위험해질 수 있으므로 압력을 해소해 줘야 한다. 이러한 라인에서 반응 시간과 밸브의 성능이 결정적인 요건은 아니지만, 시스템의 안전을 위해서는 여전히 핵심적인 요소며, 선택과 운영에 있어 적절히 고려하는 것은 필수다.

일반적으로 압력을 가진 시스템이라면 지방자치단체에서 지시하고 규제하는 형태의 압력 릴리프를 갖춰야 한다. 이런 시스템의 설계는 압력 증가 가능성과 가동 중 압력 릴리프 장비로 통과돼야 하는 부피, 시스템의 압력 릴리프 용량 등을 포함한 종합적인 요인에 따라 좌우된다.
일반적인 탱크 및 압력 용기 시스템은 다량의 액체를 통과하지 않고 압력을 방출해야 한다. 이런 시스템은 보통 자동 압력 릴리프 밸브를 이용해 액체 위 공간에서 증기를 방출하는 방식으로 운영된다(그림 1 참조).

이런 밸브는 보통 압력 릴리프 장치로 사용되지만, 노즐 크기가 매우 작기 때문에 액체를 통과하는 용량은 극히 제한적이다. 따라서 이런 설계는 다량의 액체를 통과하지 않고도 서지압을 손쉽게 제거할 수 있는 탱크나 용기 등의 안전을 보호하는 용도로 제한된다.

서지 제어 밸브의 용례
벌크(Bulk) 액체 운송에서는 압력 제어, 압력 조정 및 서지 릴리프 밸브 형태의 안전 시스템이 필요하다.
미국 교통부(DOT)는 이에 대한 가이드라인을 제시하고 있다. DOT Title 49 CFR Ch.1 Part 195.406은 ‘운전자는 서지 또는 기타 정상 동작의 변화 중에 파이프라인 내 압력이 본 절 (a)항에 설정된 동작 압력 기준치의 110%를 초과하도록 허용해서는 안 된다. 각 운전자는 이 기준치 내에서 압력을 제어할 수 있는 적절한 제어 및 보호 장비를 제공해야 한다’고 명시하고 있다.

그림 2은 ESD 밸브 폐쇄의 영향을 나타낸 것으로, 손상 가능성을 보여준다. 서지 릴리프가 없을 경우 압력은 정상 압력의 10배에 달한다. 생성된 압력파가 라인을 따라 퍼지면서 사이클링 효과(Cycling Effect)가 발생한다. 그림 3은 서지 압력 릴리프 밸브를 사용할 경우 압력에 미치는 영향을 나타낸다. 서지 릴리프 제어 밸브 용량이 커질수록 압력 스파이크(Spike)는 낮아진다.

그림 3는 서지 릴리프의 종류를 나타낸 것이다. ‘완벽한 서지 릴리프 솔루션’의 경우 설계부터 엔지니어링, 조립, 시험, 설치, 시운전, 운전자 교육까지 전체 시스템 단일책임제로 적용되며, ‘질소 적재 압력 릴리프 밸브’는 고점도 제품 및 불순물이 섞인 제품 등 모든 유형의 석유 제품에 적합하고 높은 반응 속도를 자랑할 뿐 아니라, 운영 효율 향상을 위해 최소한의 배압을 유지하기 위한 용도로 사용 가능하다. ‘파일럿 구동 압력 릴리프 밸브’는 저점도 정유 제품에 적합한 제품으로, 별도의 액세서리가 필요 없고 상대적으로 느린 반응 속도를 보인다.

시스템 기술
일반적인 서지 릴리프 시스템에는 서지 릴리프 밸브 전·후단에 차단 밸브가 장착된 정합한 크기의 유입-배출 매니폴드가 포함된다. 여기에는 보통 풀포트 볼 밸브(Fullport Ball Valve)를 사용하며, 공간과 비용을 절감하기 위해 시스템의 전단에만 차단 밸브를 적용하는 것도 가능하다.
지정된 설정 지점에서 적시에 질소를 공급하는 제어 시스템을 갖춘 적절한 크기의 서지 릴리프 밸브는 대단히 중요하다. 이 시스템은 가압 질소 절연 플리넘(Plenum)과 필수적인 공급 실린더로 구성된다.

질소 제어반에 사용되는 릴리프형 압력 조정기는 질소 공급 압력을 단계별 설정 압력으로 줄여준다. 압력이 설정 포인트에 도달하면 조정기는 포트를 통해 서지 릴리프 밸브의 상부에서 질소를 방출하고 서지 릴리프 밸브를 열어 액체 서지 압력을 완화시킨다. 질소 플리넘은 설정 포인트 조정기 출력 위치와 연결돼 질소가스 시스템에서 완충 역할을 함으로써 시스템을 안정적으로 운영한다.

질소 공급 실린더는 초기 압력 1,800psig(124.14barg)로 채워져 있다. 설정 포인트 압력은 압력 트랜스미터로 측정해 원격 제어실로 전송된다. 트랜스미터 압력이 설정 포인트 이하로 내려가면, 공급 실린더가 가득찬 병으로 교체해야 한다. 시스템 질소 설정 포인트는 공인을 받은 직원이 현장에서 설정할 수 있다. 서지 릴리프 밸브, I/O 배관, 질소 제어반, 공급 실린더 및 플리넘은 모두 적절한 승강 시설을 갖춘 구조 스키드(Skid)에 설계, 구축, 조립, 배관, 구성 및 설치된다.

배관부에는 압력 및 온도 표시기와 트랜스미터를 비롯한 필수적인 계측장치가 포함된다. Daniel은 스키드 장착 시스템이자 느슨한 통합 시스템으로서 서지 릴리프 시스템의 설계부터 조립, 기록, 시험, 시운전까지 전 과정을 제공한다.

Daniel 서지 릴리프 밸브는 고용량(Cv) 밸브로 설치되는 밸브의 크기와 개수를 줄일 수 있어 설치 비용 감소 및 무게 절감에 탁월하며, 고속 개방 및 폐쇄시 소음이 없는 제어된 폐쇄를 통해 빠른 반응 속도가 가능하다. 또한, 오일 레저보아를 사용해 씰(Seal) 수명을 연장하고 질소 소비를 감소시켜 질소가스가 씰에 침투할 가능성을 제거하며, 라인 압력 가동으로 별도의 전원도 필요없다. 45° 밸브 설계로 피스톤 수직 동작 및 밸브 개방 보장이 가능하며, 서지 중 밸브를 개폐할 때 잔해물의 영향을 받지 않는다. 질소 압력 대 설정 압력의 비는 1:1이며, 서지 제어 애플리케이션의 경우 선형 동작 밸브를 선호한다.

한국에머슨프로세스매니지먼트 제공

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