KR100387334B1 - 밸브의 유체누설 감지장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밸브의 유체누설 감지장치에 관한 것으로서, 밸브 내부의 유체출구측에 유체누설로 인해 발생하는 파를 음향감지수단에서 감지하여 증폭기에서 증폭하여 제어유니트에 입력하여 분석함에 의해 밸브 내부의 유체출구측의 유체 누설량을 감지하는 밸브의 유체누설 감지장치에 있어서, 상기 음향감지수단과 증폭기 사이에는 이 음향감지수단에서 감지된 신호가 노이즈의 영향을 받지 않도록 이 신호를 반파정류하는 전치증폭기(Preamplier)(23)가 연결되어 있고, 상기 음향감지수단은 유체출구측의 밸브몸체부 외부벽에 용착된 전달봉(51)과, 상기 전달봉의 단부에 결합된 음향센서(53)로 이루어져 있으므로, 저주파대역과 고주파 대역의 음향을 효과적으로 감지하여, 밸브내부의 유체누설을 조기에 발견할 수 있으며, 사용자가 사전에 고장의 징후를 알게 되어 대형사고를 방지함과 동시에 밸브의 유지보수를 용이하게 할 수 있고, 음향감지수단에서 나오는 신호의 강약 및 감지되는 고주파 및 저주파를 분석처리기에서 분석하여 누설량도 효과적으로 알 수 있다

Description

밸브의 유체누설 감지장치{leakage monitoring apparatus for valve}

본 발명은 밸브의 유체누설 감지장치에 관한 것이다.

화력발전소 및 원자력발전소에 있어서, 증기의 손실은 열효율과 발전량의 감소가 직결된다. 즉, 발전소에 사용되는 터빈 바이패스 밸브 뿐만 아니라 주요위치에 설치되는 릴리이프 밸브, 첵 밸브등의 패킹 및 시트가 손상되면, 밸브를 잠갔는데도 스팀이 흐르게 되고, 이로 인해 터빈으로의 스팀흐름이 감소되어 전력이 감소되며, 히터율(Heat Rate)와 콘덴서 부하(Condenser Workload)를 증가시키게 된다.

문제가 되는 밸브를 그대로 방치할 경우에는 밸브 패킹 및 시일의 상태를 더욱 악화시켜 보수작업을 더욱 복잡하게 만들게 된다. 밸브의 누설이 심하면 발전소의 운전정지로 이어질 수가 있는데, 특히 원자력 발전소에서는 밸브에서 유체가 누설되면 심각한 문제를 야기할 수도 있다.

종래 밸브가 잠기었는데도 관로를 통해 유체가 흐르게 되는 밸브의 유체누설은 거의 사람 청각이나 촉각에 의해 감지하였다. 이러한 방법은 밸브패킹이나 시일의 상태가 현저히 악화되어 밸브누설이 상당한 경우에만 감지할 수 있었다.

따라서, 밸브내부에서 유체가 누설될 시에 그 누설을 감지하기 위해, 음향센서를 밸브몸체의 외부면에 다수개 부착하고, 상기 음향센서에서 감지된 신호를 마이컴에서 분석 처리하여 사용자에게 모니터를 통해 누설을 보이거나 경보음 등을 통해 밸브의 누설여부를 알리는 기술이 개시되어 있다.

음향센서를 이용하여 밸브의 유체누설을 감지하는 기술은 닫혀진 밸브의 밸브 시트를 지나는 내부 누설이 발생되는지의 여부, 밸브축(valve stem)의 움직임을 직접 관찰할 수 없을 때 밸브의 운전상태가 정상인지의 여부, 운전중에 접근할 수 없는 밸브로부터 패킹 또는 외부누설의 여부, 밸브의 위치결정, 첵크밸브의 운전상태가 적정한지 여부등을 효과적으로 감시하므로, 발전소에서 밸브의 유체누설을 감지하는 기술로서 각광을 받고 있다.

밸브에서 유체가 누설될 경우에 생기는 음향은, 밸브내의 압력강하(Pressure Drop), 액체의 탈가스(Degassing of a Liquid), 누설로 인한 압력강하에 의해 야기된 진공부(Cavitation)가 있을 경우 '증기에 액체의 섬발작용(Flashing of Liquid to Vapor)'에 의해 생성된다. 진공부(Cavitation)는 액체의 분열 또는 액체에 용해된 어떠한 가스의 증기압 이하로 압력강하에 의해 액체에서 진공이 형성된 것이다. 진공의 형성과 뒤따라 일어나는 진공의 쇠퇴는 모두 음향 신호를 생성하지만 진공의 쇠퇴시에 더 큰 진폭의 노이즈를 생성한다. 이러한 진공의 형성 및 쇠퇴는 개별적인(분리된) 것이며, 배경(Background) 또는 누설 노이즈 가운데에서 단속적인(간헐적인) 파열로서 식별된다.

유체 누설과 관련하여 생기는 음향발생의 다른 원인은 유체가 시스템을 벗어나는 데 따른 압력강하에 의한 급작스런 유체의 팽창 때문이다. 일반적으로 가스류가 주어진 압력차에서 액체보다 훨씬 압축성이기 때문에 가스류가 액체류보다 훨씬 높은 레벨의 음향을 일으킨다. 기타 음향발생에 영향을 주는 인자로서는 누설되는 통로, 누설이 발생되고 있는 지점을 통하는 물질이 있다.

한편 음향신호의 진폭은 누설을 가로지르는 차압(Differential Pressure)과 관련이 있다. 차압이 크면 클수록 음향신호의 진폭을 커진다. 음향신호의 진폭은 일반적으로 누설비율(Leak Rate)에 정비례하고 점성(Viscosity)에 반비례한다.

유체누설에 의해 생성된 음향신호는 10Hz에서 수백 KHz까지의 넓은 대역에걸쳐 있다.

그런데, 종래 음향센서를 밸브몸체의 외부면에 단순히 부착하여 밸브 내부의 음향신호를 감지하여 밸브의 유체누설을 감지하는 구성으로는, 저주파대역에서 고주파대역까지 넓은 대역에 걸친 음향신호를 감지할 수 없었다.

특히, 고주파대역의 신호는 밸브 내부의 공간에서 밸브벽으로 전달되는 중에 약해져 감지되지 못하므로, 밸브내부의 누설을 조기에 발견하지 못함으로 인해 보수작업을 어렵게 할 뿐만 아니라 누설로 인해 심각한 상태로 이어질 수 있다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 밸브 내부의 유체출구 측에 유체누설로 발생하는 고주파 및 저주파 대역의 신호를 동시에 누설초기에 신속하고 정확하며 효과적으로 감지할 수 있는 밸브의 유체누설 감지장치를 제공하는데 있다.

도1은 본 발명에 의한 밸브의 유체누설 감지장치의 블록도,

도2는 도1의 음향감지수단이 적용된 밸브를 나타내는 입면도,

도3은 도2의 밸브에 결합된 음향감지수단의 상세도,

도4는 도3의 음향센서의 구성도,

도5는 도4의 다이어 프램의 상세도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21 : 음향감지수단 23 : 전치증폭기

25 : 증폭기 27 : 필터

29 : 신호변환기 31 : 분석처리기

33 : 입력수단 35 : 표시수단

37 : 경보수단 51 : 전달봉

53 : 음향센서

본 발명에 의한 밸브 유체누설 감지장치는, 밸브 내부의 유체출구측에 유체누설로 인해 발생하는 파를 음향감지수단에서 감지하여 증폭기에서 증폭하여 제어유니트에 입력하여 분석함에 의해 밸브 내부의 유체출구측의 유체 누설량을 감지하는 밸브의 유체누설 감지장치에 있어서, 상기 음향감지수단과 증폭기 사이에는 이 음향감지수단에서 감지된 신호가 노이즈의 영향을 받지 않도록 이 신호를 반파정류하는 전치증폭기(Preamplier)가 연결되어 있고, 상기 음향감지수단은 유체출구측의밸브몸체부 외부벽에 용착된 전달봉과, 상기 전달봉의 단부에 결합된 음향센서로 이루어져 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 첨부 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.

도1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 밸브의 유체누설 감지장치는 유체출구측의 밸브 몸체부 외벽에 결합되는 음향감지수단(21)과, 상기 음향감지수단(21)에서 감지된 신호가 노이즈의 영향을 받지 않도록 이 신호를 반파정류하는 전치증폭기(Preamplier)(23)와, 상기 전치증폭기(23)에서 증폭된 신호를 증폭하는 증폭기(25)와, 상기 증폭기(25)에 증폭된 신호에서 소정의 대역만을 선별하는 필터(27)와, 상기 필터(27)를 통해 필터링된 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸는 신호변환기(29)와, 상기 신호변환기(29)에서 디지털 신호로 변화된 신호를 분석 처리하는 분석 처리기(31)와, 상기 분석 처리기(31)에 원하는 명령을 입력하는 입력수단(33)과, 상기 분석 처리기(31)에서 처리 및 판단된 결과를 표시하는 표시수단(35)과, 상기 분석 처리기(31)에서 처리 및 판단된 결과로 밸브몸체 내부가 이상 상태라고 판단될 시 경보를 발생하는 경보수단(37)을 구비하고 있다.

상기 증폭기(25)와, 필터(27)와, 신호변환기(29)와, 분석처리기(31)는 하나의 케이스에 유니트로서 배설되어, 상기 음향감지수단(21) 및 전치증폭기(23)에서 나온 신호를 처리하게 된다.

도2는 본 고안의 음향감지수단(21)이 결합된 밸브이음부를 나타내고 있다. 도시한 바와같이, 밸브몸체(39)는 입구측 파이프(41)와 출구측 파이프(43) 사이에플랜지결합되어 있고, 밸브몸체(39)에는 유체의 흐름방향에 대해 직각으로 조작부(45)가 결합되어 있다. 상기 조작부(45)는 수동으로 조작하는 핸들이나 전자적으로 조작되는 솔레노이드로 되어 있다.

도3에 상세히 도시한 바와 같이, 상기 음향감지수단(21)은 유체출구측의 밸브 몸체부 외부벽에 용착된 전달봉(51)과, 상기 전달봉(51)의 단부에 결합된 음향센서(53)를 구비하고 있다. 밸브 몸체(39)의 외면에는 단열층(55)이 형성되어 있고, 단열층(55)의 외측면에는 외벽부재(57)로 덮여 있다.

그리고, 단열층(55)에는 상기 전달봉(51)이 통과하도록 구멍(59)이 형성되어 있다. 상기 전달봉(51)은 용접에 의해 용착되는 것이 바람직하다.

상기 전달봉(51)과 음향센서(53)의 외측은 커버부재(61)가 싸고 있어, 외부의 환경으로부터 음향센서(53) 및 전달봉(51)을 보호하고 있다. 상기 전달봉(51)은 스테인레스재의 된 원형봉으로 되어 있고, 상기 음향센서(53)는 전달봉(51)의 일측단부에 스터드(63)에 의해 연결되어 있다.

상기 음향센서(53)는 음파의 음압변화를 전기신호로로 변화시키는 압력형 마이크로폰으로 되어 있고, 변위비례 변화소자를 이용한 것이다. 이는 그 구동력(출력전압)이 주파수와 관계없이 일정한 값을 나타내고 있다.

상기 변위비례 변화소자는 위와 같이 그 출력전압을 주파수에 대하여 일정하게 하는 데는 변위비례 변화소자의 진동변위를 주파수에 관계없이 제어하여야 한다 이를 위해서 잘 알려진 스티이프네스 제어를 하게 된다.

도4는 상기 음향센서의 개념도이다. 도시한 바와 같이 음향센서(53)는 케이스(65)의 내부에 다이어프램체(67)와, 기공(69)을 가진 절연체(71)와, 음향저항체(73)와, 지지체(75)와, 고정부재(77)가 순차적으로 결합되고, 중간부에 리이드부재(79)가 관통되게 결합된 공지의 구조로 되어 있다.

상기 다이어프램체(67)는 도5에 도시한 바와 같이, 다이어프램 링(81)에 알루미늄을 증착하여 일렉트릭 도전처리를 한 도전층(83)을 형성하고, 상기 도전층(83)에 일렉트릭화 특수 고분자 필름층(85)을 적층하여, 그 표면에 1 ~ 3 x 10^-8C/cm²의 생성전하가 생기게 한 구조이다. 따라서 본 다이어프램체는 일렉트릭 대전처리를 함에 의해 외부에서 전극용의 직류전압을 인가할 필요가 없게 된다.

상기 전치증폭기(23)는 상기 음향센서(53)에서 검출되는 신호가 미약하여 그 신호를 바로 증폭기(25)의 입력으로 사용하지 못하므로, 신호를 적당한 레벨까지 올리기 위하여 반파 정류하는 기기로서, 비선형 연산증폭기의 하나인 능동 반파정류기로 되어 있다.

상기 증폭기(25)와 필터(27)는 공지의 증폭기 및 필터로서, 상기 증폭기(25)에서 증폭가능한 주파수 대역은 저주파가 2kHz ~ 12kHz로 되어 있고 고주파가 35kHz ~ 175kHz되어 있다. 상기 필터(27)에서 필터링할 수 있는 주파수 범위는 100Hz ~ 950kHz로 되어 있다.

상기 신호변환기(29)는 비디오 등의 광대역 신호를 다루는 분야나 고속기록장치등의 고속처리를 요하는 용도로 사용되는 μPD 6950 C로 되어 있다.

상기 분석처리기(31)는 중앙연산장치(CPU), 보조연산장치, 연산/처리를 도우는 램(RAM) 및 롬(ROM)등으로 되어 있다.

상기 입력수단(33)은 키보드 마우스등의 장치로 되어 있고, 표시수단(35)은 모니터 등의 디스플레이장치로 되어 있고, 상기 경보수단(37)은 음향을 발생하는 스피커등으로 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 밸브의 유체누설 감지장치에서, 밸브를 잠갔는데도 밸브출구측으로 유체가 누설되어 진공부등이 형성되면, 이로 인한 음향발생 메커니즘에 의해 생긴 넓은 대역의 음향은 밸브벽을 타고 전달봉(51)에 전달되어 바로 음향센서(45)에 전달되므로 밸브내부의 유체출구측의 유체누설을 효과적으로 감지할 수 있게 된다.

상기 전달봉(51)을 통해 진동이 음향센서(53)에 전달되면, 음향센서(53)의 다이어프램체(67)가 진동하고 필름층(85)을 통하여 전기신호가 발생한다.

이 전기신호는 전치증폭기(23)을 거쳐 반파정류된 다음, 증폭기(25), 필터(27) 및 신호변환기(29)를 순차적으로 거쳐 분석처리기(31)에 입력된다. 이때 상기 전치증폭기(23)는 음향센서에서 검출된 신호가 미약하여 바로 증폭기(25)의 입력으로 사용하지 못하므로 이를 보완하기 위해 신호를 적당한 레벨까지 올리기 위해 사용되는데, 반파정류되므로 신호가 증폭기(25)까지 전송하는 도중에 노이즈의 영향을 받지 않는다.

상기 분석처리기(31)에서는 데이터를 지속적으로 읽어 연산 처리한 다음, 처리결과를 상기 표시수단(35)에 표시하는 한편, 이상신호라고 판단되면, 경보수단(37)을 통해 경보음을 울리게 하며, 입력수단(33)에 의해 분석처리기(31)에 명령을 입력하는 한편 소프트웨어에 의해 사용자가 밸브내부의 유체누설을 효과적으로 감시할 수 있게 된다.

상기 음향감지수단(21)의 전달봉(51)은 저주파대역(2kHz ~ 12kHz)과 고주파대역(35kHz ~ 175kHz)의 진동을 상기 음향센서(53)에 효과적으로 전달한다.

본 발명에 의한 밸브의 유체누설 감지장치에 의하면, 저주파대역과 고주파 대역의 음향을 효과적으로 감지할 수 있으므로, 밸브내부의 유체누설을 조기에 발결할 수 있으며, 사용자가 사전에 고장의 징후를 알게 되어 대형사고를 방지함과 동시에 밸브의 유지보수를 용이하게 할 수 있다

또한 음향감지수단에서 나오는 신호의 강약 및 감지되는 고주파 및 저주파를 분석처리기에서 분석하여 누설량도 효과적으로 알수 있다. 이러한 분석 처리는 다양한 소프트웨어에 의해 달성될 수 있다.

Claims (1)

1. 밸브 내부의 유체출구측에 유체누설로 인해 발생하는 파를 음향감지수단에서 감지하여 증폭기에서 증폭하여 제어유니트에 입력하여 분석함에 의해 밸브 내부의 유체출구측의 유체 누설량을 감지하는 밸브의 유체누설 감지장치에 있어서,

   상기 음향감지수단과 상기 증폭기 사이에는 이 음향감지수단에서 감지된 신호가 노이즈의 영향을 받지 않도록 이 신호를 반파정류하는 전치증폭기(Preamplier)가 연결되어 있고,

   상기 음향감지수단은 유체출구측의 밸브몸체부 외부벽에 용착된 전달봉과, 상기 전달봉의 단부에 결합된 음향센서로 이루어져 있어, 상기 밸브의 유체누설로 인해 발생하는 저주파대역으로부터 고주파대역에 걸친 음향신호를 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 밸브의 유체누설 감지장치.