KR20120035994A - 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법과 이를 이용한 진단시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동기의 스템마찰계수를 이용하여 모터구동밸브의 운전상태와 밸브 및 구동기 부품의 손상 상태를 실시간으로 감시할 수 있는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법과 이를 이용한 진단시스템을 개시한다. 본발명에 따른 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법은, 모터 구동밸브(1)를 최초로 설치할 때에, 이 밸브(1)의 스템(7)에 작용하는 토오크와 추력값으로부터 스템마찰계수 평균값을 결정하기 위한 예비시험을 수행하는 단계와; 이 예비시험에서 얻어진 스템마찰계수 평균값을 기준값으로 하여 스템마찰계수 선도와 상한값 및 하한값을 설정하는 단계; 밸브(1)의 동작시마다 스템(7)에 작용하는 토오크와 추력값을 측정하여 밸브의 행정거리 구간별 스템마찰계수값을 구하는 단계; 이 스템마찰계수값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위이내인지를 판단하는 단계; 및 스템마찰계수값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위 내인 경우에는 밸브의 동작이 정상상태라 판정하고, 범위 외인 경우에는 경보를 발생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법과 이를 이용한 진단시스템{Method for diagnosing of real-time performance of motor-operated valve and diagnosing system using the same}

본 발명은 모터구동밸브에 관한 것으로, 특히 구동기의 스템마찰계수를 이용하여 모터구동밸브의 운전상태와 밸브 및 구동기 부품의 손상 상태를 실시간으로 감시할 수 있는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법과 이를 이용한 진단시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 발전소 또는 각종 산업플랜트에는 물, 공기 같은 유체의 흐름을 차단 또는 조절하기 위하여 여러 종류의 밸브들이 설치되는 바, 이러한 밸브들은 시스템의 운전과 안전에 중요한 역할을 하고 있다.

특히, 밸브를 구동시키는 동력원으로서 전기 모터를 사용하는 밸브를 모터구동밸브(Motor-Operated Valve: MOV)라고 하고, 모터에서 발생된 힘은 여러 종류의 기어연결을 매개로 구동기(Actuator)의 밸브 스템과 디스크로 전달되어, 밸브의 열림 또는 닫힘동작을 수행하게 된다.

종래 모터 구동밸브의 경우에는, 밸브에 설치되어 있는 리미트스위치 또는 토크스위치의 동작에 의해 밸브의 열림 또는 닫힘동작이 완료되었는지 여부만 을 감지할 수 있다. 이 경우 밸브의 열림 및 닫힘 여부는 알수 있으나, 열림 및 닫힘동작 과정에 문제는 없었는지, 부품의 이상이나 손상은 없었는지 등에 대해 알수없다. 즉, 밸브의 심각한 고장이나 파손이 발생되어야만 비로소 밸브가 비정상 상태라는 것을 알 수 있는바, 이는 심한 경우, 밸브의 고장으로 인하여 발전소의 운전 정지 또는 안전사고를 유발하여 심각한 안전 및 경제적 손실을 초래할 수도 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 밸브성능 진단장비가 개발되어, 밸브의 운전상태와 부품의 이상 유무를 진단하는 방법이 적용되고 있기도 한다. 하지만 이는 진단 장비가 매우 고가이고, 진단시험 방법 및 신호분석 방법이 복잡하

며, 또한, 발전소 보수를 위한 운전정지중에만 시험이 가능하여 밸브 동작시마다 실시간으로 운전성능을 감시할 수가 없다.

현재, 산업계에서는 모터구동밸브가 동작하는 동안에, 밸브의 비정상 상태 및 부품의 이상상태를 밸브 동작시마다 실시간으로 감지할 수 있는 방법은 적용되지 않고 있고, 특히 밸브 성능을 스템마찰계수만으로 평가할수 있는 방법이나 알고리즘은 개발되어 있지 않다.

통상적으로 발전소의 배관 계통에 설치되는 종래의 모터구동밸브(이하 간단히 '밸브'라고 함) 및 구동기 내부의 개략적인 구성이 도 1과 도 2에 도시된다.

도 1에 도시된 바와같이, 밸브(1)는 구동기(2)를 매개로 모터(3)의 동력을 전달받아 개폐된다. 도 2 는 도 1의 내부 구성을 개략적으로 도시하는 것으로, 이를 참조하여 밸브(1)의 작동을 간단히 살펴본다.

밸브 동작신호가 입력되어 모터(3)가 회전하면, 피니언기어(4)와 워엄기어 (5)를 매개하여 스템너트(6)가 회전하게 된다. 따라서, 스템너트(6)와 나사식으로 맞물려 있는 스템(7)이 상승하거나 하강함으로써, 스템(7)의 하단에 구비된 밸브 디스크(8)가 밸브 시이트(9)로부터 분리되거나 밀착되면서 배관(10)을 개폐하여 유체 흐름을 개방 또는 차단하게된다.

즉 모터(3)에서 발생된 회전토오크는 기어(4,5)를 통해 스템너트(6)로 전달되고, 스템너트(6)의 토오크가 스템(7)의 추력(thrust)으로 변환된다. 여기서, 밸브 동작에 필요한 동력 전달과정의 핵심요소인 스템너트(6)의 토오크와 스템(7)의 추력 사이에 발생하는 힘의 변환 및 상호 관계를 정의할 수 있는 변수를 도출하여 감시할수 있다면, 밸브의 개폐동작 동안의 정상 및 비정상 상태를 비교적 간단한 방법으로 정확하게 파악할 수 있을 것이다.

그런데, 스템너트(6)와 스템(7)이 맞물려지면서 토오크가 추력으로 변환되는

과정에서 스템너트(6)의 나사부와 스템(7)의 나사부 사이에 마찰이 발생하는바, 본 발명에서는 이 마찰의 크기를 나타내는 상수를 스템마찰계수로 정의하기로 한다. 다양한 밸브에 대한 실험 결과, 각 밸브는 스템너트(6)와 스템(7)의 설계 방법과 운전환경에 따라 특정한 스템마찰계수를 갖는 것을 확인하였다. 정상적인 운전상태에서는 스템마찰계수가 일정한 범위내에서 지속적으로 유지되고, 비정상적인 상태에서는 그 원인에 따라 특징적인 스템마찰계수가 나타나게 되어, 결국 스템마찰계수가 밸브(1) 및 구동기(2)의 동작상태를 잘 나타내는 변수가 될 수 있음을 알게 되었다.

즉 스템마찰계수를 분석하면, 모터(3)로부터 스템너트(6)까지 힘의 전달 상태를 파악할 수 있어 구동기(2)의 동작상태를 알 수 있다. 또한, 밸브디스크 (8)로부터 스템(7)까지의 부하(load)의 전달상태를 파악할수 있어 밸브(3)의 동작상태도 알 수 있다. 따라서 밸브(1)가 동작하는 전체 행정에 걸쳐 스템마찰계수를 도출하여 분석하게되면, 밸브(1)의 정상운전과 비정상운전 및 주요 부품의 이상상태까지 파악할 수 있다는 것이 본 발명의 기술적 배경이다.

기존 모터구동밸브의 진단시험 방법에서는 토오크, 추력, 전압, 전류 등을 측정하고, 측정된 각 신호값들을 종합적으로 분석하여야만 밸브 및/또는 구동기의 이상상태 여부를 파악할수 있어 진단시험이 복잡하고, 또 시험 및 신호분석을 위하여 전문인력이 투입되어야 하는 단점이 있었다.

본 발명은 모터구동밸브의 운전중 실시간으로 운전의 정상 및 비정상 상태를 파악할 수 있고, 또 밸브와 구동기 부품의 이상 상태를 확인할수 있는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법과 이를 이용한 진단시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 관점에 따르면, 모터 구동밸브를 최초로 설치할 때에, 이 밸브의 스템에 작용하는 토오크와 추력값으로부터 스템마찰계수 평균값을 결정하기 위한 예비시험을 수행하는 단계와; 이 예비시험에서 얻어진 스템마찰계수 평균값을 기준값으로 하여 스템마찰계수 선도와 상한값 및 하한값을 설정하는 단계; 밸브의 동작시마다 스템에 작용하는 토오크와 추력값을 측정하여 밸브의 행정거리 구간별 스템마찰계수값을 구하는 단계; 이 스템마찰계수값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위이내인지를 판단하는 단계; 및 스템마찰계수값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위 내인 경우에는 밸브의 동작이 정상상태라 판정하고, 범위 외인 경우에는 경보를 발생하는 단계를 포함하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법을 제공한다.

본발명의 예비시험 단계에서는, 밸브의 스템에 스트레인게이지 센서를 설치하고, 밸브 동작시험을 수행하여 토오크 및 추력값을 측정하고, 측정된 토오크와 추력값은, 아래의 계산식,

에 의해 스템마찰계수(μ_s )를 계산한다. 여기서, μ_s 는 스템 마찰계수, torque와 thrust는 스트레인게이지 센서에서 측정된 토오크 및 추력값, α는 스템 나사산의 반각, θ는 스템나사 리드각, d는 [스템 외경 - 스템피치/2]를 나타낸다.

상기 예비시험 단계에서는, 최소 3회반복 시험을 하여 밸브의 동작행정의 각 구간별 스템마찰계수 평균값을 구하고, 이 평균값을 기준값으로하여 기준이 되는 스템마찰계수 선도를 구하고, 아래의 계산식들에 의하여,

,

상한값과 하한값을 각각 설정하는 것을 특징으로 한다. 여기서 μ_s,_상한 은, 스템 마찰계수 상한값, μ_s,_하한 은 스템 마찰계수 하한값, SPR는 스프링팩 풀림, SLD는 스템 윤활저하, Serr는 스트레인게이지 센서의 측정 오차, TSR은 토크스위치 반복성을 나타낸다.

본발명에서, 측정된 스템마찰계수의 현재값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위이내 인지를 판단하는 단계는, 현재값이 기준값 X 1.5의 값보다 큰 지를 판단하고, 크다면 고-고 스템마찰계수 경보를 발생하고, 작다면 고- 스템마찰계수 경보를 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본발명에서, 측정된 스템마찰계수의 현재값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위이내 인지를 판단하는 단계는, 현재값이 기준값 × 0.5의 값보다 작은 지를 판단하고, 작다면 저-저 스템마찰계수 경보를 발생하고, 크다면 저- 스템마찰계수 경보를 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 다른 관점에 따르면, 구동기를 매개로 모터에 의해 동작하면서 배관내의 유체흐름을 개폐하는 복수의 밸브와: 구동기의 스템에 갖춰져 토오크와 추력값을 측정하도록 된 스트레인게이지 센서; 이 스트레인게이지 센서에 케이블을 매개로 연결되면서, 측정된 토오크와 추력값으로부터 스템마찰계수값을 산출하여 밸브의 정상상태여부를 판정하도록된 연산 및 저장장치를 갖춘 스마트카드; 및 이 스마트카드로부터의 정보를 유선 또는 무선으로 전달받아 표시하도록된 디스플레이장치를 포함하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단시스템을 제공한다.

상기 스마트카드는, 상기 본 발명에 따른 진단방법을 이용하여 밸브의 정상상태여부를 판정하고, 실시간 측정되는 데이터를 저장하도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 스템마찰계수 분석을 이용하여, 밸브 동작시 스마트카드에 내장된 알고리즘에 의해 밸브의 현재 동작상태를 진단하여 그 결과를 관리자에게 실시간 통보하고, 또한 밸브 동작시마다 밸브의 동작상태 정보가 지속적으로 스마트카드에 축적되어 밸브 및 구동기 부품의 성능저하 추이분석이 가능하게 된다. 따라서 발전소등에서 저렴한 비용으로 밸브의 실시간 상태감시가 가능하여 밸브 오동작 또는 사고로 인한 발전소의 운전정지를 방지하고 운용 안전성을 향상 시키며, 이상징후 발견시 사전 정비 수행을 통하여 밸브의 파손 및 교체 비용을 절감하고 수명연장 효과를 기대할 수 있다.

도 1은, 통상적인 모터 구동밸브의 개략 사시도이다.
도 2는, 도 1의 모터 구동밸브의 개략 단면도이다.
도 3은, 밸브의 열림행정에서 나타나는 스템 마찰계수의 대표적인 선도이다.
도 4는, 밸브의 닫힘행정에서 나타나는 스템 마찰계수의 대표적인 선도이다.
도 5는, 열림행정에서 밸브가 비정상 상태일 때 나타나는 스템마찰계수 선도의 예시이다.
도 6은, 닫힘행정에서 밸브가 비정상 상태일 때 나타나는 스템마찰계수 선도의 예시이다.
도 7은, 본 발명에 따라 여러 대의 모터구동밸브들을 제어하여 운용하는 진단시스템의 개략적인 구성도이다.
도 8은, 본 발명에서 모터구동밸브의 진단 및 판정의 알고리즘에 따른 플로우챠트이다.

이하 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 종래 기술과 동일한 부품에 대하여는 동일한 참조부호를 사용한다.

본 발명은, 스템마찰계수 분석을 통하여 밸브와 구동기의 동작상태를 점검할수 있는 기술 알고리즘을 제공함으로써 분석 변수를 최소화하고, 분석 과정 및 이상 유무의 판정이 복잡하지 않으며, 측정 장치가 최소화되고, 또 스마트 카드에 축적되는 데이터도 최소화되어 최대한 간편하고 적은 비용으로 모터구동밸브를 운전상태를 실시간 감시할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 모터 구동밸브의 동작은, 열림 행정의 경우 언시팅(unseating)구간, 러닝(running)구간, 리미트 스위치 트립구간, 열림 완료구간으로 구분할수 있고, 닫힘 행정의 경우 닫힘 시작구간, 러닝구간, 시팅(seating)구간, 토오크스위치 트립구간, 닫힘 완료구간으로 구분할수 있다. 밸브가 정상적으로 동작하는 경우, 위의 각 구간에서 발생되는 스템마찰계수는 각 구간의 특성에 맞는 일정한 범위의 값을 유지하나, 밸브가 비정상적으로 동작하는 경우에는 스템마찰계수가 일정 범위를 벗어나는 값을 나타내게 된다.

예컨대, 패킹힘이 과도하게 체결된 경우는 러닝구간에서 스템마찰계수가 매우 크게 나타나고, 스템(7)이 휜 경우에는 스템이 휜 특정구간에서 스템마찰계수가 갑자기 증가하는 현상이 반복적으로 나타난다. 따라서 밸브의 전체 행정 구간에 대해 정상 운전상태의 스템마찰계수를 분석하여 이를 기준값으로 하고, 밸브가 동작할 때 마다 스템마찰계수를 도출하여 각 구간별로 기준값과 비교 분석하여 밸브의 이상유무를 판단할 수 있는 것이다.

여기서, 스템마찰계수는 구동기(2)로부터 밸브로 동력이 전달되는 과정에서, 구동기 스템너트(6)와 밸브 스템(7)간에 발생하는 마찰을 무차원 상수값으로 나타낸 것이 다. 본 발명에서는 밸브가 동작하는 전체 행정 동안의 스템마찰계수 변화를 감시함으로써 밸브의 운전상태와 밸브 및 구동기 부품의 비정상 상태를 파악할 수 있는 방법을 제시하였다.

도 2를 참조하면, 스템마찰계수를 도출하기 위하여 밸브 스템(7)부위에 스트레인게이지 센서(Strain Gauge Sensor: 11)를 설치하고, 밸브 동작시마다 토오크와 추력을 측정한다. 스트레인게이지 센서(11)는 밸브 동작시 스템너트(6)에서 스템(7)으로 전달되는 회전방향의 힘인 토오크와 상하 방향의 힘인 추력을 동시에 측정가능한 스트레인게이지 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 측정값의 정확도를 높이기 위해서는 반드시 스템(7)의 직경이 동일하고, 그 표면이 매끈한 부위에 스트레인게이지 센서(11)가 설치되어야 한다.

스트레인게이지 센서(11)는, 밸브 동작시 스템(7)에 전달되는 압축력과 인장력으로 인해 스템(7)에 미세한 변형이 발생하고, 이 변형이 저항으로 변환되어 토오크 또는 추력값으로 환산된다. 이때 밸브의 행정 거리는, 구동기(2)에 내장되어 있는 리미트 스위치(12)에 행정 시작점과 종료점을 각각 설정해 놓고 밸브 동작시마다 리미트 스위치(12)의 동작 신호를 동시에 받도록 한다.센서를 이용하여 밸브 열림 및 닫힘 전행정에 대해 토오크값과 추력값이 측정되면 그 값들을 아래 식(1)에 적용하여 스템마찰계수를 구할수 있으며 밸브 동작의 전체 행정 구간에 대한 스템마찰계수 선도를 작성할수 있다.

.....(1)

여기서, μ_s 는 스템 마찰계수, torque와 thrust는 스트레인게이지 센서에서 측정된 토오크 및 추력값, α는 스템 나사산의 반각, θ는 스템나사 리드각, d는 [스템 외경 - 스템피치/2]를 나타낸다.

전체 행정 구간에 대한 스템마찰계수 선도가 작성되면, 그 값을 기준으로 정상 운전 범위에 해당하는 스템마찰계수의 상한선과 하한선을 결정한다. 여기서 정상운전 범위의 상한선과 하한선의 의미는, 밸브가 최초 설치된 후 오랜 기간동안 지속적인 반복 운전에 의해 부품의 자연적인 성능저하와 센서 및 제어스위치의 오차가 발생할수 있는데, 이때 스템 마찰계수도 특정범위 내에서 변하게 된다.

여기서, 스템 마찰계수의 변화정도가 밸브의 정상 운전과 부품의 건전성에 문제가 없는 정상 구간으로 볼 수 있는 특정 범위를 설정할수 있다. 즉, 만일 스템 마찰계수의 변화가 상기의 특정 범위 내에 있다면 밸브 운전에 문제가 없는 것으로 판정할수 있다. 하지만, 그 범위를 넘어서게 되면 밸브 운전에 문제가 있는 것으로 판정할수 있는 데, 이러한 밸브운전을 허용할 수 있는 스템 마찰계수의 상한값 및 하한값의 기준을 설정해야 한다.

아래 식 (2),(3)은 밸브가 지속적인 반복 운전함에따라 밸브 부품 및 변수에 발생되는 성능저하를 고려하여 스템마찰계수의 상한값 및 하한값을 각각 계산하기 위해 제시된 공식이다.

.....(2)

.....(3)

여기서 μ_s,_상한 은, 스템 마찰계수 상한값, μ_s,_하한 은 스템 마찰계수 하한값, SPR는 스프링팩 풀림(Spring Pack Relaxation), SLD는 스템 윤활저하(Stem Lubricant Degradation), Serr는 스트레인게이지 센서의 측정 오차, TSR은 토크스위치 반복성(Torque Switch Repetability)를 나타낸다.

도 3은 밸브의 열림행정에서 나타나는 스템 마찰계수의 대표적인 선도이다. 점선(3a)은 밸브동작시 유체의 압력이 없는 상태에서 운전될 경우의 스템마찰계수 선도이며, 실선(3b)은 밸브 동작시 유체의 압력이 있는 상태에서 운전될 경우의 스템마찰계수 선도이다. 스템 마찰계수는 언시팅구간(A-B), 러닝구간(B-C), 리미트 스위치트립구간(D-E), 열림 완료구간(E-F)로 구분된다.

언시팅구간(A-B)은, 밸브 디스크(8)가 밸브 시이트(9)에서 최초로 빠져나오는 상태이다. 이때 밸브 디스크(8)와 밸브 시이트(9) 사이의 상호 마찰력을 극복하기 위해 큰 추력이 요구되며 스템너트(6)와 스템(7)간의 마찰도 가장 크게 발생한다.

러닝구간(B-C)은, 밸브 디스크(8)가 밸브 시이트(9)에서 빠져나온 상태이다. 이때, 스템 부위의 누설을 방지하기 위해 설치한 패킹과의 마찰력만 존재하므로 스템너트(6)와 스템(7)간의 마찰은 비교적 낮고 일정하게 작용하며, 열림 행정의 대부분을 차지한다.

리미트 스위치 트립구간(D-E)은, 미리 설정된 열림 거리까지 스템(7)이 움직여 리미트 스위치(12)가 동작되는 구간으로서, 밸브의 움직임이 정지되는 구간이다.

열림 완료구간(E-F)은 모터(3)가 정지하고, 스템너트(6)와 스템(7)의 동작이 완전히 정지하면서 상호 밀착되는 구간이다. 이때 스템마찰계수가 약간 상승하게 된다.

도 4는, 닫힘 행정시 나타나는 스템마찰계수의 대표적 선도이다. 점선(4a)은 밸브 동작시 유체의 압력이 없는 상태, 실선(4b)은 유체의 압력이 있는 상태이며, 스템마찰계수는 닫힘 시작구간(A-B), 러닝구간(B-C), 시팅구간(C-D), 리미트스위치 트립구간(D-E), 닫힘 완료구간(E-F)로 구분된다.

닫힘 시작구간(A-B)는, 닫힘이 최초로 시작하는 구간으로 앞서 수행된

열림 행정에 의해 밀착되었던 스템너트(6)와 스템(7)이 조금 풀리면서 스템마찰계수가 조금 낮게 나타나는 경향이 있다. 유체의 압력이 존재하는 경우는 유체의 압력이 밸브의 닫힘을 방해하는 힘으로 작용하여 스템너트(6)와 스템(7)에 힘이 가해져서 스템마찰계수가 조금 높은값에서 시작하여 지속되는 경향을 보여준다.

러닝구간(B-C)은, 열림 행정시와 마찬가지로 패킹 마찰력만 존재하며, 일정한 스템마찰계수값을 유지하며 움직인다.

시팅구간(C-D)은, 밸브 디스크(8)와 밸브시이트(9)가 최초로 접촉하는 구간으로서, 시팅 이후 스템마찰계수는 거의 일직선에 가까운 일정한 값을 나타낸다. 유체 압력이 존재하는 경우에는 시팅후 스템마찰계수가 조금 낮아져서 일정한 값으로 나타난다.

리미트스위치 트립구간(D-E)은, 미리 설정된 닫힘거리까지 도달하여 리미트스위치가 동작하고 밸브의 움직임이 정지되는 구간이다.

닫힘완료구간(E-F)은, 모터(3)가 완전히 정지하고 닫힘행정이 완료되는 구간으로서, 2 구간, 즉 리미트스위치 트립구간(D-E)과 닫힘완료구간(E-F)에서 스템마찰계수가 일정한 값을 계속 유지하게 된다.

도 5와 도 6은 열림 및 닫힘 행정에서 밸브가 비정상 상태일 때 나타나는 스템마찰계수 선도의 예시를 각각 보여주고 있다.

도 5와 도 6에서 점선(5a, 6a)은 정상 상태일때의 스템마찰계수 선도를 나타내며, 실선(5b, 6b)은 비정상 상태를 나타낸다. 각 구간별 일점쇄선으로 표기된 박스는, 정상 상태 스템마찰계수 분포를 기준으로 부품의 자연적 성능저하 및 센서의 오차를 고려한 상한값(5c, 6c) 및 하한값(5d, 6d) 범위를 나타낸다. 만일, 스템마찰계수가 상한값 및 하한값 범위 내에 있으면 반복 운전에 의한 자연적인 성능 저하 현상이거나 또는 별도의 조치가 필요없는 경미한 비정상 상태로 판단하도록 한다.

그런데, 도 5에서 실선(5b) 스템 마찰계수선도가 러닝구간에서 일정한 간격으로 스템 마찰계수값이 참조부호 5e로 표기된 것과 같이 튀어 오르는 것을 볼 수 있다. 이는 스템너트(6) 또는 스템(7)의 나사산 중의 일부분이 파손된 경우로 판단할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 실선(6b)으로 표기된 스템마찰계수가 모든 구간에서 기준 상한값(6c)을 초과하여 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 스템너트(6)와 스템(7)의 마찰이 비정상적으로 크게 발생하고 있는 것을 나타내며, 스템 윤활유의 고화현상 또는 과도한 부하(패킹의 과도한 체결 등)가 원인으로 판단할 수 있다. 상기에서의 비정상 스템마찰계수 선도에 대한 분석 예시에서와 같이, 스템마찰계수 분석을 통하여 밸브 및 구동기에서 발생되는 대부분의 이상 운전상태 및 부품의 손상등을 찾아낼수 있다.

도 7은, 본 발명에 따라 여러 대의 스마트형 모터구동밸브들을 제어하여 운용하는 개념도를 나타낸다. 참조부호 13은, 구동기(2)에 부착되는 스마트 카드로서 스마트카드 입력단자에는 케이블(14)을 매개하여 스트레인게이지 센서(11)와 리미트 스위치(12)의 동작을 감지하는 프로브(probe: 도시안됨)가 연결된다. 입력된 측정값들은 스마트 카드(13)에 구비된 연산 및 처리장치(15)에서 행정구간별 스템 마찰계수값을 산출하고, 산출된 값들은 구간별로 미리 입력되어 있는 해당 밸브의 정상 스템 마찰계수값들과 비교 분석되어, 최종적으로 정상 또는 비정상 상태를 판정하게된다.

즉, 스템 마찰계수값이 비정상 상태인 것으로 판정되는 경우에는 추정되는 원인까지 분석하게 된다. 밸브 동작시 마다 측정 및 수집되는 데이터와 분석, 판정 정보들은 스마트 카드(13)의 메모리(도시안됨)에 모두 저장되고, 원거리에 있는 주제어실의 디스플레이 장치(16)로 유선 또는 무선으로 전송되어 관리자가 모든정보를 볼 수 있도록 설계된다. 나아가서, 상기와 같은 방식로, 동시에 여러 대의 밸브들을 실시간으로 감시할수 있도록 설계될 수 있다.

도 8은, 상기에서 설명한 스템마찰계수 측정 및 분석 기법을 이용하여 밸브 성능을 자체 진단할수 있는 스마트형 모터구동밸브의 진단 및 판정의 알고리즘에 따른 플로우챠트이다. 먼저, 밸브(1)를 최초로 설치할 때에, 해당 밸브의 스템마찰계수 기준값을 결정하기 위한 예비시험을 수행한다. 밸브(1)의 스템(7)에 스트레인게이지 센서(11)를 설치하여 밸브 동작시험을 수행하고(S1), 토오크 및 추력값을 측정한다(S2).

측정된 토오크와 추력값은, 스템마찰계수 계산식(1)에 의해 스템마찰계수를 계산하고, 전체 행정에 대해 구간별로 값을 표시한다(S3). 상기 단계 (S1)에서 (S3)까지 최소 3회반복 시험(S4)을 하고 각 구간별 스템마찰계수 평균값을 구한다(S5). 이 평균값을 기준값으로하여 기준이 되는 스템마찰계수 선도와 상한값/하한값을 설정한다(S6). 상기의 모든 연산은 스마트카드(13)내의 의 연산 및 처리장치(15)에서 계산되고, 기준값 선도로 저장되어 추후 밸브 동작시 마다 수집되는 스템마찰계수와 비교를 하게 된다.

스템마찰계수 기준값 선도가 완료되면(S6), 밸브의 수명기간 동안 밸브(1)가 동작될 때마다 (S1'), 토오크 및 추력값이 자동 측정되고(S2'), 각 구간별 스템마찰계수가 계산되고(S3'), 스템 마찰계수선도가 작성되며(S6'), 얻어진 스템마찰계수는 스마트카드(13)에 설정된 제어 로직에 의해 기입력된 스템마찰계수 기준값과 비교하여 정상 상태 범위값을 벗어나는 구간이 있는지 판단된다(S7).

즉, 현재 계산된 스템마찰계수값이 기준 상한값보다 큰 경우(S8)에는, 현재스템마찰계수값이 [기준값 × 1.5]보다 큰지 판정을 하고(S9), 큰 경우에는 고(high)-고(high)-스템마찰계수 경보를 동작시키고(S10), 그렇지 않은 경우에는 고-스템마찰계수 경보를 동작시킨다(S11).

그런데, 단계 S8에서 현재값이 기준 상한값보다 작은 경우에는, 현재값이 기준 하한값보다 작은지 판정하고(S12), 작은 경우에는 다시 현재값이 [기준값

× 0.5]보다 작은지 판정한다(S13).만일, 현재값이 작은 경우에는 저(low)-저(low)-스템마찰계수 경보를 동작시키고(S14), 그렇지 않은 경우에는 저-스템마찰계수 경보를 동작시킨다(S15).

한편, 현재값이 기준 상한값과 기준 하한값 박스내부에 있을 경우에는 정상상태로 판정한다(S16).

상기 단계 S10 또는 S14에서, 고-고-스템마찰계수(또는 저-저-스템마찰계수)경보가 동작하는 경우는, 밸브(1)의 동작상태가 심각한 비정상상태인 것을 의미한다. 따라서, 관리자는 이러한 경보가 발생하면 즉시 밸브 운전을 정지시키고 밸브 상태 점검 및 그 원인을 제거해야한다. 그런데, 단계 S11 또는 S15에서, 고-스템마찰계수(또는 저-스템마찰계수)경보가 동작하는 경우는, 밸브(1)의 동작상태가 비정상 상태이기는 하지만 즉시 조치를 취할 정도의 비상상태는 아니기 때문에 그 추이를 좀 더 지켜보면서, 밸브를 동작하지 않을 때나 혹은 정기 보수기간에 점검을 하고 그 원인을 제거하도록 한다.

상기 기재는 본 발명의 바람직한 일실시예를 기술한 것으로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 범위 내에서 여러 변경, 수정이 가능함을 이해하여야 한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은, 발전소 등에 설치된 기존 모터구동밸브에 본 발명에서 제시한 스템마찰계수 분석 기법과 알고리즘이 적용된 하드웨어장치(센서 및 스마트카드 포함)를 장착하면 실시간 성능자체 진단이 가능한 스마트형 모터구동밸브가 된다. 또한 다수의 스마트형 모터구동밸브를주제어실의 디스플레이 장치를 통하여 한곳에서 감시할수 있기 때문에 설치 비용의 절감과효율적인 감시 시스템을 구성할수 있다. 특히 원자력발전소의 사고 방지 및 안전기능 밸브들의 상당수는 모터구동밸브로서 본 발명을 적용할 경우 밸브의 비정상 상태를 사전 감지하여 발전소의 안전성과운전성을 향상 시킬수 있으며, 밸브의 수명 연장에도 큰 효과를 거둘것으로 기대된다.

1: 모터 구동밸브 2: 구동기
3: 모터 6: 스템너트
7: 스템 8: 밸브 디스크
9: 밸브 시이트 11: 스트레인게이지 센서
12: 리미트 스위치 13: 스마트 카드
14: 케이블 15: 연산 및 처리장치
16: 디스플레이장치

Claims (7)

1. 모터 구동밸브(1)를 최초로 설치할 때에, 이 밸브(1)의 스템(7)에 작용하는 토오크와 추력값으로부터 스템마찰계수 평균값을 결정하기 위한 예비시험을 수행하는 단계와;
   이 예비시험에서 얻어진 스템마찰계수 평균값을 기준값으로 하여 스템마찰계수 선도와 상한값 및 하한값을 설정하는 단계;
   밸브(1)의 동작시마다 스템(7)에 작용하는 토오크와 추력값을 측정하여 밸브의 행정거리 구간별 스템마찰계수값을 구하는 단계;
   이 스템마찰계수값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위이내인지를 판단하는 단계; 및
   스템마찰계수값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위 내인 경우에는 밸브의 동작이 정상상태라 판정하고, 범위 외인 경우에는 경보를 발생하는 단계를 포함하는, 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 예비시험 단계에서는, 밸브(1)의 스템(7)에 스트레인게이지 센서(11)를 설치하고, 밸브 동작시험을 수행하여 토오크 및 추력값을 측정하고, 측정된 토오크와 추력값은, 아래의 계산식에 의하여 스템마찰계수(μ_s )를 계산하는 것을 특징으로 하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법.
   

   

   
   여기서, μ_s 는 스템 마찰계수, torque와 thrust는 스트레인게이지 센서에서 측정된 토오크 및 추력값, α는 스템 나사산의 반각, θ는 스템나사 리드각, d는 [스템 외경 - 스템피치/2]를 나타낸다.
3. 제2항에 있어서, 상기 예비시험 단계에서는, 최소 3회반복 시험을 하여 밸브의 동작행정의 각 구간별 스템마찰계수 평균값을 구하고, 이 평균값을 기준값으로하여 기준이 되는 스템마찰계수 선도를 구하고, 아래의 계산식들을 이용하여 스템마찰계수의 상한값과 하한값을 각각 설정하는 것을 특징으로 하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법.
   

   

   ,
   

   

   
   여기서 μ_s,_상한 은, 스템 마찰계수 상한값, μ_s,_하한 은 스템 마찰계수 하한값, SPR는 스프링팩 풀림, SLD는 스템 윤활저하, Serr는 스트레인게이지 센서의 측정 오차, TSR은 토크스위치 반복성을 나타낸다.
4. 제1항에 있어서, 측정된 스템마찰계수의 현재값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위이내 인지를 판단하는 단계는, 현재값이 기준값 × 1.5의 값보다 큰 지를 판단하고, 크다면 고-고 스템마찰계수 경보를 발생하고, 작다면 고- 스템마찰계수 경보를 발생하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법.
5. 제1항에 있어서, 측정된 스템마찰계수의 현재값이 스템마찰계수 선도의 상한값 및 하한값 범위이내 인지를 판단하는 단계는, 현재값이 기준값 × 0.5의 값보다 작은 지를 판단하고, 작다면 저-저 스템마찰계수 경보를 발생하고, 크다면 저- 스템마찰계수 경보를 발생하는 단계를 더 포함하는것을 특징으로 하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단방법.
6. 구동기(2)를 매개로 모터(3)에 의해 동작하면서 배관(10)내의 유체흐름을 개폐하는 복수의 밸브(1)와:
   구동기의 스템(7)에 갖춰져 토오크와 추력값을 측정하도록 된 스트레인게이지 센서(11);
   이 스트레인게이지 센서(11)에 케이블(14)을 매개로 연결되면서, 측정된 토오크와 추력값으로부터 스템마찰계수값을 산출하여 밸브(1)의 정상상태여부를 판정하도록된 연산 및 저장장치(15)를 갖춘 스마트카드(13);및
   스마트카드(13)로부터의 정보를 유선 또는 무선으로 전달받아 표시하도록된 디스플레이장치(16)를 포함하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단시스템.
7. 제6항에 있어서, 상기 스마트카드(13)는, 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에따른 방법을 이용하여 밸브(1)의 정상상태여부를 판정하고, 실시간 측정되는 데이터를 저장하도록 된 것을 특징으로 하는 모터구동밸브의 실시간 성능 진단시스템.
   
   

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