가스 분배 시스템

가스 분배 소개 시스템 소개

가스 분배 시스템이란?

가스 분배 시스템이란 레귤레이터, 호스, 튜브, 피팅, 매니폴드 및 밸브와 같이 가스를 한 공급원 또는 더 압력이 높은 공급원에서 지정된 이용 현장까지 조달하는 특수 부품이 서로 연결된 모음을 말합니다.

어디에서 사용되나요?

상당한 양의 산업 가스를 정기적으로 사용하는 시설은 GDS를 사용하는 이용 현장에서의 접근을 관리합니다. 흔히 GDS를 이용하는 시설의 예는 다음과 같습니다.

• 현장 실험실(예: 샘플 검증)
• 공업 사업(예: 분석기 쉘터)
• 연구 시설(예: 상업 R&D, 정부, 대학 시설)
• 화학 및 가스 회사(예: 석유, 패키징)
• 의료 시설

왜 사용되나요?

GDS를 사용하는 시설은 이 시스템의 네 가지 성능면에서 상당한 가치를 인정합니다.

어떻게 사용되나요?

GDS의 중요성은 관리된 가스 공급에 대한 개별 접근 지점을 제공하는 간단한 쉬운 기능 외에도, 다음과 같은 중요한 운영 기능을 지원하는 데 있습니다.

• 반응성 높고 독성이 있는 부식성 가스를 위험한 누설 없이 안전하게 옮길 수 있습니다
• 흐름율 범위를 넘어 지정된 압력으로 이용 현장까지 가스를 조달합니다
• 중요한 가스 공급에 예정에 없는 방해 요소를 방지합니다
• 오염이나 유실 없이 고비용, 고순도의 가스를 다룹니다

가스 분배의 어려움 극복하기

기존 시스템 vs. 새로운 시스템

가스 분배 시스템을 적절하게 가동하고 유지 보수할 때 유용한 것은 현재 이를 가동하고 지원하고 있는 팀이 담당하기 전에 설치된 기존의 GDS를 사용할 때 맞닥뜨리는 어려움과 새 설비에 대한 요구를 비교하는 것입니다. 둘 사이에 유사점이 존재하기도 하지만, 차이점 때문에 우선 순위가 바뀌고 성능과 유지 보수 문제를 다루는 것에 대한 주안점이 달라질 수 있습니다.

기존 시스템

기존 GDS의 가동과 유지를 담당하는 엔지니어, 관리자, 및 기술공은 기존 시스템의 본래 특성과 설계 때문에 일차적으로 생기는 장애물을 자주 만납니다. 대부분의 경우 이 시스템은 비용이 한정된 가스 공급 업체가 제공하곤 했습니다. 편리한 점이 있지만, 이러한 시스템들은 특수한 애플리케이션의 필요를 바탕으로 한 장기적인 성능에는 적합하지 않습니다. 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 단일화된 접근 방식
• 한정된 부품 선택지
• 유지 보수 반복시 피팅의’ 마모에 대한 민감성
• 한정된 규제 및 성능 요건에 맞는 재질 선정
• 최적화 및 문제 해결 미흡

잘 고려된 사양을 갖춘 기존 시스템이라 하더라도 정확한 문서화가 없이는 지원 및 가동 팀에게 어려움을 안겨줄 수 있습니다. 특히 오래된 설계는 적절하지 못하게 라벨링되고 새로운 설계에 비해 직관적이지 못한 경향이 있습니다. 적절한 다이어그램이 없으면 특정한, 심지어 주기적인 유지 보수 또는 수리로 불완전한 성능 및 고장으로부터 시스템을 고치는 것은 어려울 것입니다.

이러한 문제에 초기 설계에 사용된 부품 이외의 제조사에서 제공하는 새로운 부품을 추가하여 시스템 기능이 기존의 범위 이상으로 확장되면 더 복잡해질 수 있습니다. 이러한 문제가 지속되면 엔지니어와 관리자는 누군가가 만든 해결할 수 없는 문제가 이어져 내려오고 있다는 인식을 갖게 될 수 있습니다. 결국 불확실한 결과 또는 예상 비용 때문에 누설을 감지하고 수리하려는 노력은 뒷전이 되고 맙니다.

새로운 시스템

기존 분배 시스템을 가동하며 생기는 어려움에 대해 알아보았으니, 새로운 시스템 설계와 관련한 성능 요구 사항에 대해 알아봅시다. 기존 문제 해결 및 적절한 새 시스템 사양 둘 모두에 적용되는 요건에 대해 이해하면 신뢰성 및 뛰어난 성능에 가장 큰 도움이 됩니다.

잘 설계된 GDS가 수행할 것으로 기대하는 네 가지 카테고리(안전성, 자원 절약, 가동 시간, 비용)의 성능은 다음 세 가지 강화 영역, 즉 주제 교육, 적절한 부품 선정 및 전문가 상담에 노력을 기울임으로써 얻을 수 있습니다.

안전성 개선

가연성 또는 인화성과는 상관 없이 분배 시스템에서 누출되는 모든 가스는 안전상의 문제를 안고 있습니다. 질소와 같은 불활성 가스조차 질식 위험이 있습니다. 대기 중의 산소 레벨이 밀폐된 공간 내에서는 위험한 수준으로 낮아지기 때문입니다. 독성 가스 및 활성 가스는 누출 시 더욱 위험합니다.

피팅 및 화재 방지

연소에 필요한 세 가지 요소, 연료, 열, 산소가 한 공간에 존재할 때 불은 매우 심각한 위험이 됩니다. (“화재 삼각형” 다이어그램 참고). 세 가지 요소 중 하나를 제거하면 연소를 방지할 수 있습니다. 항상 주의를 기울이는 것이 가스 분배에서의 화재를 예방하는 방법입니다. 예를 들어, 누설되는 피팅에서 새어나오는 수소나 산소를 감지하지 못하면 연소가 일어나기 쉬운 위험한 환경을 만들 수 있습니다.

가능한 모든 곳에 화재에 대한 인식이 제고되고 교육 프로그램이 시스템 설계자, 관리자 및 사용자에게 실시되어야 합니다. 배분되는 특수한 가스와 관련한 규정 및 모범적인 사례는 언제나 항상 철저히 검사하고 위험 물질의 적절한 처리를 보장하기 위해 정기적인 감사와 함께 정책 및 지침에 통합되어야 합니다. 분배 시스템 설계 담당 인력은 위험 가능성이 있는 모든 가스를 적절하게 다루는 법에 대해 교육을 받아야 하며 설계 문서를 작성하여 어디서 그리고 왜 시스템 설계에 안전성 기능이 통합되었는지 명시해야 합니다.

마모에 더 강한 잘 엔지니어링된 피팅 선택으로, 누설 가능성이 눈에 띄게 줄어들며 활성 및 불활성 가스 모두를 분배하는 것과 관련된 위험을 줄일 수 있습니다. 원하는 애플리케이션에 알맞는 크기와 재질 구성을 가진 압력 레귤레이터를 고르는 것은 마찬가지로 초과 압력 상태와 관련된 위험을 처리할 수 있습니다. 이 부품을 신중히 고르는 것은 인력의 안전과 건강을 보호하는 데 중요할 뿐만 아니라 이차적인 위험, 즉 시스템 오작동으로 인한 규제 패널티 그리고/또는 부정적인 여론에 노출될 가능성을 줄여 줍니다. 또한 적절한 부품을 선택하는 것은 시스템의 성능과 수명에 상당한 기여를 합니다.

안전성 문제를 철저히 처리하려면, 가스 분배와 관련된 잠재적 위험에 특화된 전문가와 시스템 설계 및 실행 전반에 관해 상담해야 합니다. 특히 기존 분배 시스템을 다룰 때, 철저하게 누설 감지를 실시해야 하는 전문가는 또한 위험을 식별하고, 분류하고, 우선 순위를 선정해야 합니다.

시간 및 자원 절약

정확하고 예측 가능하며 신뢰성 높게 시스템에서 압력을 제어하는 것은 잘 설계된 GDS가 시설 자원에 기여할 수 있는 일차적인 수단입니다. 압력 관리 부품이 잘못 매치되면 종종 시스템 효율이 나빠지고, 문제 해결 필요성이 늘어나며 품질이나 생산 결과물에 영향을 미칩니다.

시스템 부품의 작용

다양한 레귤레이터가 GDS에서 어떻게 압력을 유지하기 위해 상호 작용하는지 기능적으로 이해하는 것은 시스템을 적절히 설계하는 데 중요합니다. GDS가 흔히 가스 실린더에 밸브를 연결하기 위한 몇 개의 튜브 그리고 밸브들의 모음 같은 것이라고 인식되긴 하지만, 사실 그보다 훨씬 복잡하고, 가끔 깊은 오해의 소재가 되기도 합니다. 예를 들어, “공급 압력 영향”(SPE)라고 불리는 현상을 생각해보십시오.

압력을 받은 가스 실린더가 압력 제어된 분배 시스템으로 내용물을 배출하면 유입구 압력 또한 내려갑니다. 만약 압력이 유출구에 가해질 때 생기는 영향이 무엇이냐는 질문을 받는다면, 전형적인 답변은 시스템 마지막에서 압력이 그만큼 떨어진다가 될 것입니다.

그러나 SPE로는 그 반대 현상이 일어납니다. 유입구 압력이 실린더의 배출에 의해 줄어들면 유출구 압력이 올라갑니다. 반대의 결과가 나와 종종 사람들이 놀라곤 합니다. 당연하게도 SPE에 대한 지식이 없으면 이러한 현상은 혼란을 가져오며 하나 이상의 시스템 부품이 기능을 잘못하고 있다는 믿음을 불러일으킬 수 있습니다. 결국 불필요한 문제 해결 작업이 실시되고 시간이 낭비됩니다.

SPE 현상에 대응하려면 몇 가지 접근법이 필요한데, 그 중 하나는 단순히 수동으로 유출구 압력을 원하는 수준으로 재설정하는 것입니다. 그러나 이러한 접근법은 사용량이 적은 애플리케이션을 제외한 모든 애플리케이션에서 비효율적이고 번거롭습니다.

수동 재설정 대신 쓸 수 있는 방법은 —특수하게 설계된 포펫 어셈블리(poppet assembly)에서 떨어지는 유입구 압력의 영향을 상쇄하기 위해 균형 포펫 압력 레귤레이터를 선택하고 설치하는 것입니다.

또 다른 대안은 두 번째 압력 레귤레이터—첫 번째 레귤레이터와 나란히 또는 단일 혼합 하우징에 포함된 두 레귤레이터—를 결합하여 다운스트림 레귤레이터에 의한 일차 영향의 전도로 업스트림 레귤레이터의 SPE에 대응하는 것입니다. 이 구성은 2 단계 제어로 알려져 있습니다.

SPE의 예를 생각해 보면 왜 압력 레귤레이터 기능에 대해 이해하는 것이 적절하게 GDS를 설계하는 데 중요한지 알 수 있습니다. 역압 레귤레이터가 부적절하게 통합될 경우 의도치 않은 고장이나 시스템 내 다른 레귤레이터의 기능을 무력화하는 것과 같이 비슷한 사례 또한 다른 부품의 역할을 이해하는 데 중요합니다. 업계 리더 또는 교육자가 제공하는 교육 프로그램은 엔지니어와 관리자에게 이러한 설계 및 기능을 적절히 이해시키는 데 효과적으로 사용될 수 있습니다.

압력 레귤레이터의 작용을 이해하는 것과 더불어, 압력 레귤레이터의 성능 특성에 대해 익숙해지는 것 또한 중요한 요소입니다. 이는 “흐름 곡선”이라는 그래프로 표현됩니다.

흐름 곡선

레귤레이터는 압력을 통제합니다. 다운스트림 밸브는 흐름을 통제합니다—흐름이란 매 초 레귤레이터를 통해 흐르는 가스의 용적 양을 말합니다. 각 레귤레이터에는 밸브가 열리고 닫힐 때 일어나는 흐름 변화(그래프의 X축)에 대응하여 유출구 압력(그래프의 Y축)을 레귤레이터가 얼마나 효과적으로 유지하는지 나타내는 해당 흐름 곡선 이 있습니다. 다이어그램에 나타난 대로, 흐름과 유지 가능한 유출구 압력은 반비례 관계입니다. 흐름이 증가하면 유출구 압력은 줄어들며 흐름이 감소하면 유출구 압력이 증가합니다.

그래프를 잘 살펴보면 흐름의 변화가 상대적으로 완만한 (또는 “편평한”) 유지 가능 압력의 변화를 만들어내는 넓은 X축 영역이 있습니다. 이 영역은 레귤레이터의 “이상적인 가동 범위, 유출구 압력”을 가장 효율적으로 제어할 수 있는 시스템 상태입니다. 이 영역의 경사는 “처짐”이라고 불리며 이론상으로는 완전히 편평한 수평선이지만 현실에서는 얻을 수 없는 이상적인 모양입니다.

곡선의 모양이 극단적이어서 작은 흐름 변화만으로도 유지 가능 압력이 급격하게 변하는영역도 있습니다. 그래프의 가장 왼쪽의 가파른 곡선 영역은 “시트 로드 드롭(seat-load drop)” 또는 “로크업(lockup)”이라고 불리는 다운스트림 밸브가 거의 닫힌 매우 낮은 유량의 범위입니다. 그래프의 맨 오른쪽에는 “임계 유동”이라고 불리는 가파른 곡선 구역이 있습니다. 다운스트림 밸브가 완전히 열렸거나 거의 열린 상태입니다. 이는 레귤레이터가 압력에 대해 신뢰할 수 있는 제어를 행사할 수 없는 흐름의 영역입니다.

주어진 “설정 압력”에 대한 적절한 흐름 곡선을 고르고, 온도, 유입구 압력 및 사용하는 가스의 비중에 대한 조정을 적용함으로써 예상되는 애플리케이션의 흐름 요구는 원하는 압력을 믿을 수 있게 유지하는 레귤레이터를 고르는 데 사용됩니다.

부품 선정

성능 특성에 대한 이해(예: 흐름과 압력)를 마쳤으면, 잘 작동하는 GDS를 구성하는 커스텀 가스 패널 하위 시스템의 네 가지 카테고리에서 사용되는 적당한 압력 레귤레이터를 고를 차례입니다.

• 공급원 유입구
• 자동 변환
• 1차 가스 압력 제어
• 이용 현장

공급원 유입구

공급원 유입구는 시스템의 “시작 부분”으로, 고압 가스의 공급원이 되는 지점이며, 때로는 압력을 받은 실린더의 형태로 GDS에 포함됩니다. 필터, 호스/튜브 등과 같은 적절한 보조 부품이 하나 이상의 유입 공급원으로 함께 구성되기도 하며 이는 단일 패널에서부터 여러 실린더를 포함하는 큰 매니폴드까지 다양한 폼 팩터를 이룹니다.

자동 변환

자동 변환 시스템은 한 가스원을 다른 가스원으로 변환하여 원활한 가스 공급을 돕습니다. 이는 두 압력 레귤레이터의 설정 포인트를 통해 수행되며, 1차 가스원이 바뀔 때 시스템이 계속해서 작동할 수 있습니다.

1차 가스 압력 제어

1차 가스 압력 제어는 시스템의 “중간”에 위치하며 공급원 유입구에서 들어오는 고압 가스의 압력을 최초로 감소시킵니다. 단일 또는 여러 단계의 압력 레귤레이터의 모양을 하여 공급 가스를 다운스트림 시스템 세그먼트까지 제어합니다.

이용 현장 패널

이용 현장 패널은 “라인의 마지막”에 있으며 압력 제어된 가스가 GDS가 지원하는 애플리케이션으로 공급되는 매우 중요한 마지막 단계입니다. 이용 현장 패널은 보통 최소한 작동자로 하여금 압력 레귤레이터, 게이지, 차단 밸브를 구성하도록 하여 애플리케이션의 필요에 맞는 압력을 정확히 조정하게 합니다.

전문가의 지침은 가스 분배 시스템 개발에 전문화되어 있어 압력 레귤레이터에 대한 정확한 이해와 선정 과정에 대한 자신감을 빠르게 북돋아 줄 것입니다. “처음” 압력 제어를 실시함으로써, 자재, 설계 자원 및 인력 시간 등의 불필요한 자원 지출이 최소화됩니다.

전문가와의 상담 또한 선택한 부품을 적절히 커스텀 그리고/또는 액세서라이징하는 데 유용합니다. 예를 들어 ,공급원 유입구는 고압 또는 위험한 가스(예: 산소)를 다룰 때 특수한 자재 구성을 사용한 특화된 연결 부품을 사용해야 할 수 있습니다.

가동 시간 증가

GDS의 가치를 쉽게 이해할 수 있는 실제적인 영역은 GDS가 가동시간에 얼마나 기여하는지에 있습니다. 고성능, 고품질, 그리고 유지 보수 필요가 적은 부품을 시스템 설계에 통합하면, 분석기와 같은 중요한 애플리케이션에 압력 제어 가스를 공급하는 작업을 원활하게 수행할 수 있습니다.

압력 레귤레이터의 기능에 대해 설계자와 관리자를 교육하는 시스템은 부품 기능에 대한 직관적인 이해를 제공하여 공급원이 바뀌더라도 가스 흐름이 끊기지 않고 원활합니다. 또한, 폭넓은 부품 특성에 대해 시스템 설계자와 관리자를 적절히 교육시키면 잦은 유지 보수가 필요하지 않은 부품으로 시스템을 구성할 수 있을 것입니다.

원활한 가동을 편리하게 도와 주는 부품 중 하나는 체인지오버(변환), 그 중에서도 오토매틱 체인지오버(자동 변환)입니다. 체인지오버는 한 실린더가 내용물을 소진했을 때 다른 하나가 즉시 서비스를 계속할 수 있도록 분배 시스템에 두 가스원을 연결할 수 있도록 하는 특수한 유입구 패널입니다. 오토매틱 체인지오버는 수동 작업 없이도 이러한 가스원 대체를 수행합니다.

가스 분배 시스템 설계 및 가동 전문가와 상담하면 가동 시간에 영향을 미치는 문제에 대한 선명한 그림을 그릴 수 있습니다. 경험이 풍부하고 숙련된 전문가와 협업하여 가동 시간 개선을 위한 부품 식별 및 분류를 수행하면 설계자가 잦은 유지 보수의 필요를 줄이는데 초점을 더 잘 맞출 수 있습니다.

비용 절감

잘 설계된 GDS가 가동 비용을 절감할 수 있고 이는 매우 중요합니다. 이전에 언급한 대로, 애플리케이션에 적합한 자재를 사용한 믿을 수 있는 부품을 선정하는 것은 일상적인 잦은 유지 보수 및 검사를 현저히 줄여 주고 계획에 없던 유지 보수 필요도 줄여 줍니다. 또한, 정확한 압력 제어와 결부된 적절한 여과 작업을 하는 것은 애플리케이션 결과물이 공정 사양과의 편차 또는 오염으로부터 영향을 받지 않았다는 것을 확인하는 데 도움을 줍니다.

적절한 교육으로 관리자와 시스템 설계자가 비용에 영향을 미치는 시스템 가동 관련 요소에 집중할 수 있습니다. 인라인 여과 및 재료 과학과 같은 문제가 잠재적으로 시스템 성능과 다운스트림 품질에 영향을 미친다는 것을 이해하면 계획에 없는 지출을 막을 수 있습니다. 설계 선택, 즉 나사 연결구가 적은 모듈러 패널을 선택하는 것과 같은 작업으로 전반적인 비용에 영향을 주는 잠재적인 누설 지점을 줄일 수 있습니다. 가스 분배와 관련한 다양한 측면의 재료 과학 교육 또한 부적절한 자재 사용으로 인한 지출을 줄일 수 있습니다.

분배 시스템에 포함하기 위한 부품은 언제나 증명된 내구성에 주의를 기울이고 기대 성능과 특성 및 재질 요건과 꼼꼼하게 맞추어 선정하여야 합니다. 예를 들어 설계되지 않은 압력 레귤레이터가 유입구 압력에 사용되면 흐름 곡선은 급격하게 나빠집니다. 이와 비슷하게, 특정 가스는 적절한 화학적 구성 및 정확한 예상 온도 및 공급 가스에 맞추어 조정되는 부품과 함께 사용되어야만 합니다.

결론

가스 분배 시스템에 좋은 해결책은 맞춤 해결책입니다. 새 GDS를 설계하든 기존 시스템을 개선하든 인프라스트럭처와 애플리케이션마다 고유한 가동상의 어려움을 주의 깊게 살펴야 합니다.

다양한 GDS 구성과 부품의 뉘앙스를 이해하면 기관의 안전성을 개선할 수 있고, 자원을 아낄 수 있으며, 가동 시간을 높이고 결국 비용을 절감할 수 있습니다.

가장 좋은 품질의 부품이 있다 하더라도 유입구 공급원, 다양한 종류의 압력 레귤레이터와 애플리케이션 이용 현장 유출구 사이의 상호 작용과 결부된 주어진 애플리케이션의 요구 흐름에는 적절하고 지속적으로 수행되는 해결책을 설계하기 전에 GDS 기능에 대한 철저한 이해가 필요합니다.

스웨즈락은 자사의 실력 있는 자문 팀 내뿐만 아니라 고객과 업계 전체에 이러한 지식을 알리는 데 최선을 다하고 있습니다.

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