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[Tech Report] (주)삼진정밀 수도용 컨트롤밸브
정 호 영 ㈜삼진정밀 기술연구소장
2007년 11월 12일 (월) 00:00:00 편집국 waterjournal@hanmail.net


국내 상수도 실정 맞게 개발…유수율 관리에 적합
   
관로 압력관리 통해 유수율 제고 탁월…외국 제품보다 성능 우수
감압밸브·체크밸브 등 부가장치 붙여 여러가지 용도로 사용 가능


   
▲ 정호영 ㈜삼진정밀 기술연구소장
최근 상수 관로가 대형화되고 장대화되면서 관로의 적절한 압력 및 유량 조절의 필요성이 대두되고 있는 실정이다. 더불어 관로의 불규칙한 압력 변동에 능동적으로 반응하여 안정적 물 공급을 가능하게 하는 밸브 개발은 상수도 밸브 업계에서는 오래된 과제 중 하나였다. 

특히, 상수 관로는 산업용 배관과 달리 사용자의 물 사용 시간, 계절적 요인, 수요 변동 등 예측하기 어려운 다양한 이유 때문에 상수도 시스템의 충분한 이해 없이는 압력 혹은 유량 조절용 밸브의 개발이 다른 산업용 밸브 개발보다 어려운 것이 사실이다.

이런 어려움 속에서도 최근 다양한 수도용 컨트롤밸브가 국산화되었다는 것은 반가운 소식이다. 따라서 최근 개발된 수도용 컨트롤밸브와 유수율 관리의 관계를 살펴보고, 수도용 컨트롤밸브의 특징은 무엇이며, 밸브의 구경은 어떻게 정하고, 설치하는지 알아보는 것은 의미 있는 일이라 할 수 있다.

   
▲ 국내 상수도 실정 맞게 개발된 (주)삼진정밀 수도용 컨트롤밸브.
유수율이란 생산하여 물 사용자에게 공급된 수돗물 비용에 대한 금전적 수입 비율을 의미한다. 예를 들면, 유수율이 낮다는 의미는 생산에 투입된 비용에 비해 회수율이 낮다는 것을 의미하게 된다.

특히 우리나라 유수율은 선진국에 비해 낮은 데다 수도 요금마저 높지 않기 때문에 상수도 재정 운영에 심각한 영향을 주고 있는 것이 사실이다. 따라서 다양한 방법의 유수율 제고 사업이 전국적으로 이루어지고 있다.

유수율 제고 사업은 노후화된 관로의 보수 및 교체가 선행되어야 하는 것을 전제로 하지만 관로의 보수 및 교체 후에도 지속적인 관로의 압력 관리는 낮은 유수율의 근본 원인인 누수에 직접적인 영향을 주기 때문에 필수적이라 할 수 있다.

일반적으로 누수량(L)과 수압(P)의 관계는 경험적인 데이터를 가지고 수립된 FAVAD (fixed and variable area discharge) 개념으로 이해할 수 있다. 지역이나 관로의 특성에 따라 차이가 있겠지만 가장 단순한 FAVAD 방정식 L= L0 (P/P0)N에 따르면 누수량은 수압에 대해 비례적으로 증가하는 경향을 보이고 있음을 알게 된다(통상 N은 0.5에서 1.50 범위의 값을 갖는다).

따라서 누수량을 줄이기 위해서는 관로의 압력, 즉 수압을 물 사용자가 원활하게 물 공급을 받을 수 있는 정도 범위에서 제어를 할 수 있다면 획기적으로 누수량을 줄여 유수율을 높일 수 있게 된다.

최근에는 상수 관망을 블록으로 구성하여 블록별로 수돗물의 공급량과 소비량, 및 누수율을 관리하는 블록 관망 시스템이 유수율 제고 사업의 한 방법으로 진행되고 있다. 따라서 각 블록 전단에 압력을 조절할 수 있는 수도용 컨트롤밸브를 배치하면 물 사용자가 원하는 최적의 압력으로 관리하여 유수율을 획기적으로 높일 수 있게 되는 것이다.

■  수도용 컨트롤밸브 구조·특징 
수도용 컨트롤밸브는 사용자의 특성상 유입 압력이 불규칙하고 시간대별, 계절별 사용량의 변화에 따라 예측이 어렵기 때문에 관로 압력에 능동적으로 반응하여 작동되어야만 한다.

또한, 상수 공급에 사용되는 밸브이기 때문에 수질에 영향을 주는 부식 등의 문제를 완벽하게 차단할 필요가 있다. 더불어 물 사용자가 원하는 유량을 충분히 공급받을 수 있도록 밸브가 설계되어야만 한다.

따라서 낮은 밸브 디스크 개도에서도 캐비테이션 등의 이상 현상이 없도록 설계되어야 하고, 몸통 역시 수두 손실이 적도록 최적화하여 개발되어야만 한다. 이러한 밸브 자체의 구조적인 특징 이외에도 토사 등의 관내 이물질에 방해를 덜 받도록 하는 관련 부속품이 장착되어야만 한다.

밸브 디스크 개도 변화에 캐비테이션을 최소화하면서 충분한 유량을 확보하기 위해서는 밸브 몸통 형상과 밸브 디스크 구조를 면밀히 검토하여 설계할 필요가 있게 된다. 최근에는 밸브 설계 단계에서 유동 해석 및 구조 해석 등의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최적화된 밸브구조를 찾는 방향으로 개발이 진행되고 있다.

[그림1]은 유동 해석을 통해 컨트롤밸브의 디스크 형상이 밸브의 개발에 어떤 도움을 주는지 보여주는 그림이다. 일반적으로 수도용 컨트롤밸브에 적용하여 사용되는 디스크는 밑면이 평평한 구조로 되어 있는 데, 이와 같은 구조는 물 사용량이 적어 밸브 디스크의 개도가 낮은 경우에는 캐비테이션이 발생하여 원하는 압력 제어에 심각한 영향을 받을 수밖에 없게 된다.

[그림1]  컨트롤밸브의 디스크 형상에 따른 유체의 속도 벡터

[그림1-1] 콘 모양의 디스크  
   
           [그림1-2] 일반적인 디스크
   

[그림1-1]에서 보는 것처럼 일반 수도용 컨트롤밸브가 저개도 위치에 있을 때는 유체 속도가 상당히 빨라 압력 저하로 인한 케비테이션 위험이 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 밸브의 진동이나 소음의 주원인이 되며 결국 원하는 수압 관리가 불가능하게 된다. 

이 때, 디스크 형상을 콘 모양으로 설계하면 [그림1-2]에서 보여주는 것처럼 디스크가 유체의 흐름에 방해를 주지 않고, 유속이 빠르지 않아서 저개도에서도 문제없이 수돗물을 공급할 수 있다는 것을 보여준다. 결국 수도용 자동 컨트롤밸브는 저개도에서도 운전이 가능해야 하기 때문에 콘 모양의 디스크 형상이 이상적임을 알 수 있게 된다.

물 사용자에 충분한 유량을 공급하기 위해서는 밸브 몸통의 형상에 기인한 에너지 손실이 최소화 되도록 설계되어야만 한다. 흔히 관로 중 밸브에 의한 마찰 손실을 속도 수두, 혹은 속도 압력항으로 표시하는 손실계수(K)를 통해 유량 특성이 우수한 밸브의 몸통 형상을 선택할 수 있다.

간단하게 이해하기 위해 밸브의 유체 교축부를 같은 크기의 오리피스 직경으로 간주하면 밸브 형상 계수(C)와 함께 이론적인 손실 계수를 얻을 수 있게 된다. dL을 밸브 입구의 직경이라 할 때, dE= C(dL)1.07, b= 유체에 따른 계수(액체의 경우 2.786)로 보면 이론 손실 계수는 K= b(dL/dE )4으로 표현할 수 있다.

유체 흐름 방향에 디스크 밑면이 수직으로 놓이는 몸통 구조를 갖는 G-패턴 몸통의 형상 계수는 0.73이고, 유체 흐름 방향에 디스크 밑면 방향이 거의 근접한 구조를 갖는 Y-패턴 몸통의 형상 계수는 0.95가 된다. 이 경우 100mm 직경 밸브의 손실계수는 이론적으로 6.6과 2.3을 갖게 됨을 식을 통해 알 수 있게 된다.

   
▲ (주)삼진정밀의 ‘수도용 컨트롤밸브’는 국내 상수도 실정에 맞게 개발되었기 때문에 관로 압력 관리를 통한 유수율 제고에 탁월한 성능을 가지고 있다. 특히 이 제품은 지난해 11월 대구 전시컨벤션센터에서 개최된 ‘Water Korea 2006’에서 관람객으로부터 인기를 끌었다.
따라서 충분하게 물 사용자에게 유량을 제공하기 위해서는 G-패턴 몸통보다는 손실계수가 작은 Y-패턴 몸통이 수도용 자동 컨트롤 밸브에 적당함을 알 수 있게 된다. 다만 Y-패턴 몸통은 가공 및 조립이 쉽지 않기 때문에 많은 밸브 회사가 기피하고 있는 실정이다.

이외에도 스프링이나 유압 방식에 의해 구동되는 방식보다는 상수 관로에 있는 풍부한 유체 에너지를 활용하는 방식이 수도용 컨트롤밸브에는 유리하다고 할 수 있다. 밸브 몸통과 분리된 별도의 파일롯(pilot) 밸브에 의해 2차측(출구) 압력을 조절하는 방식이 유리하며 이때 주 밸브는 다이아프램(diaphragm) 압력 챔버를 사용하는 것이 좋다.

물론 다이아프램 재질의 한계 때문에 상당한 고압에서는 사용하기가 곤란하지만 2MPa 미만이 주로 적용되는 수도용으로서는 문제가 없다고 할 수 있다. 다만 아주 고압이라면 피스톤 방식의 압력 챔버도 고려해 볼 수 있다.

또한, 수도용 컨트롤밸브는 제품의 내구성을 위해서도 그렇지만 상수도에서 사용되기 때문에 부식을 견뎌 내거나 방지할 수 있는 구조로 개발되어야만 한다. 최근 선진국에서는 이러한 밸브의 부식으로 생기는 수질 문제를 해결하기 위해 일반 액상 도장은 기피하고 대신에 에폭시 분체 수지(epoxy powder resin)를 사용하여 코팅하는 방법을 사용하고 있다.

값비싼 도장 설비 및 환경 설비를 갖춰야 하는 문제로 업체 부담이 되기도 하지만 깨끗한 수돗물 공급을 위해서는 필수적인 선택일 수밖에 없다. 이러한 에폭시 분체 수지 도장 이외에도 밸브의 철금속에 대해 전위차를 갖는 금속을 활용한 희생 양극법(sacrificial anode method)을 활용하여 부식을 방지하는 방법이 수도용 컨트롤밸브에 적용되기도 한다. 이는 부식 방지를 위한 도장 방법을 넘어 전기 방식으로 밸브의 부식에 따른 수질 오염을 효과적으로 차단할 수 있다.

[그림 2-1, 2-2]는 수도용에 적합하도록 특화하여 개발한 자동 컨트롤밸브의 내구 구조 및 외부 모양이다. 컴퓨터 시뮬레이션과 이론적인 계산에서처럼 난류나 캐비테이션에 의한 에너지 손실을 줄여 충분한 유량을 확보할 수 있는 Y-패턴 밸브 몸통과 콘 모양 디스크 형상이 수도용에는 적합한 것을 알 수 있다. 또한 상수 관로의 유체 에너지를 활용한 파일롯 구동 방식과 다이아프램 압력 챔버가 수도용 자동 컨트롤밸브에 가장 적합하다.

[그림 2-1] 수도용에 적합하도록 개발한 콘 디스크 형 컨트롤밸브 내부 구조

   

[그림 2-2] 수도용 자동 컨트롤밸브의 외부구조

   

■  수도용 컨트롤밸브 설치 및 운전
앞에서 언급한 것과 같이 상수 관로에 적합하게 밸브를 설계하여 개발했다 하더라도 상수 관로의 이해 없이 컨트롤밸브를 설치하면 원하는 압력 관리를 제대로 할 수 없게 되는 경우가 대부분이다.

따라서 상수 관로에 많은 경험을 갖고 있는 업체를 통해 설치하지 않으면 고가의 밸브를 설치하고도 제대로 운영하지 못하는 경우가 다반사이며, 특히 밸브의 구경은 여러 요소가 복합적으로 고려하여 선정해야 하므로 전문가와 충분히 상담하여 결정해야만 올바른 수압관리를 할 수 있게 된다.

일반적으로는 필요한 관로 조건을 수집하여 하젠-윌리암 공식 등과 같은 여러 공식을 활용하여 정확한 구경 산정을 해야만 원하는 압력 관리가 가능하게 된다.

[표 1]은 대략적인 밸브의 구경 산정 과정을 예시하였다. 경험이 많은 업체에서는 이러한 일련의 과정을 계산하는 소프트웨어를 가지고 있으므로 전문가와 상담하면 최적의 결과를 얻을 수 있게 된다.

[표 1] 수도용 자동 컨트롤 밸브의 구경 산정 과정

   

위의 과정에 의해 밸브 구경 산정이 완료되더라도 원활한 밸브의 운영과 밸브의 안전한 운전을 위해서는 [그림 4]에서 보는 것처럼 밸브실이 구성되어야 한다.

[그림 3] 수도용 컨트롤밸브실의 표준 구조

   
▲ ①압력계 부착 새들 분수전 ②소프트 실 제수 밸브 ③스트레이너 ④티이 ⑤90°엘보 ⑥콘 디스크형 감압밸브 ⑦신축이음관 or 어댑터 + 1F 단관 ⑧콘 디스크형 릴리프 밸브 ⑨유량계 ⑩2F 단관 ⑩정류격자 2F 단관

이렇게 설치된 수도용 컨트롤밸브의 경우는 사용자의 물 사용량에 무관하게 원하는 압력 관리가 가능하게 된다. 일반적으로 물 사용량은 관로의 수압과는 반비례 경향을 보이게 된다. 즉, 물을 많이 사용하지 않는 시간대에서는 수압 상승으로 인해 관로의 누수가 발생할 가능성이 높아지게 된다.

하지만 수도용 자동 컨트롤밸브가 설치된 관로에서는 밸브의 사용에 관계없이 일정한 압력 관리가 가능하게 되므로 유수율 관리에 최적의 결과를 얻을 수 있게 되는 것이다. [그림 5]는 사용자의 급격한 물 사용에도 불구하고 관로의 압력이 2.3kgf/㎠에서 일정하게 유지되고 있음을 보여주고 있다.

[그림 4] 콘 디스크형 컨트롤밸브가 설치된 지역의 시간대별 유량 및 압력변동
   

■  부가장치 따른 다양한 컨트롤밸브
수도용 컨트롤밸브는 관로의 압력 관리를 통한 유수율 제고에 탁월한 성능을 가지고 있지만, 이 밖에도 다양한 부가 장치를 붙인다면 수도 시스템에 적용하여 사용할 수 있는 다양한 제어 밸브로 만들어 사용할 수 있게 된다. 특히, 관로 내 밸브의 차압에 의해 디스크가 조절되거나 차단되기 때문에 능동적으로 반응하는 제어 밸브를 개발할 수 있게 된다.

[그림 6] 수도용 컨트롤밸브에 다양한 부가장치를 붙여 여러 가지 용도로 사용될 수 있는 예이다. 밸브 구경의 제한에도 불구하고 관로 상 유체의 적절한 제어를 가능하게 하므로 압력 관리뿐만 아니라 전반적인 상수 관로의 관리가 가능하게 된다.

[그림 5] 부가 장치에 따른 다양한 컨트롤밸브

   
▲ 좌로부터 △감압밸브, △릴리프밸브, △솔레이드 On-Off 밸브기능, △수위조절밸브, △체크밸브.

유수율 관리의 핵심인 누수율을 획기적으로 줄이기 위해서는 관로의 압력을 효율적으로 관리해야 할 필요가 있다. 특히 유수율 관리의 한 방법으로 추진되고 있는 블록 관망 시스템이 제대로 구축된다면 수도용 컨트롤밸브와 함께 누수 문제가 획기적으로 개선되리라 전망할 수 있다.

수도용 컨트롤밸브를 설치하여 누수율을 줄이게 되면 투자 대비 원금회수기간은 대략 6개월에서 4년 정도가 소요된다고 최근 연구결과는 밝히고 있다(“수압조절을 통한 누수저감의 경제성 효과 분석”, 이진효, 서울시립대학교, 2006).

이러한 원금 회수기간은 외국의 고가 수도용 컨트롤밸브를 수입함으로써 더욱 길어질 수밖에 없는 데, 최근 국내 상수도 실정에 맞게 개발된 콘 디스크 형 컨트롤밸브는 외국 제품에 비해 투자 대비 원금회수기간을 단축시킬 수 있다. 더구나 국내 상수도의 특별한 상황에 맞게 개발되었기 때문에 외국 제품보다 더 좋은 성능을 가지고 있다고 할 수 있다.

최근에는 블록 관망 시스템에 설치된 수도용 컨트롤밸브를 중앙에서 관리할 수 있는 방법 (예, PRSys[삼진정밀]) 이 개발되고 있는 데, 이러한 수도용 컨트롤밸브의 원격 감시 제어장치(SCADA, supervisory control and data acquisition) 역시 외국과는 다른 상수도 시스템을 갖고 있는 국내 실정에 맞게 개발되어야만 한다.

이러한 개발은 고가의 외국 제품을 대체하여 원금 회수기간을 단축시키는 경제적인 측면뿐만 아니라 국내 실정에 맞는 제품을 사용함으로써 효율적인 수압 관리를 가능하게 해줄 것이다.    <문의= 042-672-3600>

 

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