< 목 차 >

제1장 펌프의 기초지식과 응용

5. 펌프의 과열현상

...

5.2 캐비테이션의 영향

5.3 과열방지 대책

6. 펌프의 운전점

6.1 단독운전

6.2 병렬, 직렬 운전

...

1989년 설립된 효성에바라(주)는 농업관개용, 도시 상․하수도용, 대형 플랜트의 공업용, 제지․화학플랜트 및 발전소용에 이르기까지 용도에 따라 다양한 펌프를 생산, 공급함으로써 국내 최고의 시장 점유율을 차지하였던 효성중공업(주)(현, (주)효성)과 세계 펌프시장에서의 시장점유율 1위를 지키고 있는 일본의 (株)荏原(EBARA)製作所 그리고 원자력․화력․발전소용 특수펌프 제조 전문업체인 미국의 BW/IP International(현, Flowserve Corporation) 3개사가 펌프사업 부문에서 최고의 경쟁력을 갖추기 위해, 자본 합작과 기술제휴를 통해 설립된 회사이다.

이러한 우수한 기술력의 효성에바라(주)로부터 자료를 제공받아 「펌프란 무엇인가? 펌프의 기초부터 펌프의 원리, 펌프의 기술, 펌프의 응용분야」까지 펌프의 `A to Z`를 상세하게 소개하여 펌프를 공부하는 학생이나 이 업계의 종사자, 이 업계에 입문하려는 이들에게 펌프에 대한 이해를 높이고자 한다.

<편집자 주>

5.2 캐비테이션의 영향

축추력 Balance 장치로부터 Return수를 펌프 흡입구로 회수시키는 다단터빈펌프 등에서는 토출량이 극단적으로 감소하면 Return수의 온도도 상승하기 때문에 흡입구에서 섞인 후의 양액의 포화 증기압도 높게 되어 흡입측에 캐비테이션 발생이 쉽게 되므로 유효 흡입수두를 충분히 크게 잡아야만 한다.

H 1-ηp Q+Qe

△t = × [ + ]

427 ηp Q

Q × To + Qe × ( To+△t )

T₁ =

Q + Qe

여기서, T₁은 Return수가 흡입구에서 섞인 후의 양액의 온도(℃)

To는 Return수가 섞이기 전의 흡입구에서의 양액의 온도(℃)

그러므로 캐비테이션의 영향에 대해서는 앞에서 시술한 T₁에 대한 문제의 해결 및 흡입구에서의 액체의 증발을 방지하여야 한다. 즉, 흡입압력>T₁에 상당하는 포화증기압 ±NPSHre, 흡입압력>(To+△t)에 상당하는 포화증기압이라는 두 조건을 만족시켜야 한다.

5.3 과열방지 대책

펌프의 토출량을 교축하면 온도 상승이 점점 커져서 결국은 허용최고온도를 초과하기에 이른다. 이를 방지하기 위하여 허용 최소 토출량 이하로 되면 토출측의 Relief 장치를 열어서 펌프의 토출수를 흡입탱크로 되돌릴 필요가 있는데 이 장치는 펌프와 토출 슬루우스 밸브와의 사이에 설치하여야 한다.

1) 상시 Relief 장치

일반적으로, 펌프 토출압력이 50Kgf/cm² 이하에 사용된다. 이 장치는 펌프가 통상 다량 토출하여 수온상승의 염려가 없는 경우에도 항상 저압부로 Relief Return을 계속하므로 무효 동력이 커서 저효율 운전이 되는 문제가 있으나 장치는 단순하다.(펌프 용량은 사양 유량에 Relief량을 가산하여야 한다.)

2) 자동 Relief 밸브 부착 Check 밸브를 사용하는 방법

일반적으로 펌프 토출압력이 140Kgf/cm² 이하에 사용된다. 이 장치는 펌프의 정상운전 중에는 Relief 라인이 폐쇄되고, 허용 최소토출량 이하로 되면 자동적으로 밸브가 움직여 Relief 라인을 열어서 Relief수를 방출한다. 이 Relief 라인의 개폐는 펌프 토출량에 따라서 자동적으로 행해지는 것이다.

3) 유량을 검출하여 Relief 밸브를 작동시키는 방법

펌프와 Relief 밸브와의 사이에 분지관과 공기작동 Relief 밸브를 설치하고, 이 밸브의 2차측을 Tank에 연결시킨다. 펌프의 정상운전 중에는 3-Pass 전자 밸브는 여자되고, Relief 밸브는 조작용 압축공기의 공급을 받아 폐쇄된다. 펌프 토출량이 감소하여 설정치 이하로 되면 차압식 유량계에서의 신호에 의해 3-Pass 전자 밸브는 소자되고, Relief 밸브는 자동적으로 열려서 Relief수를 흡입 Tank에 유입시켜 과열을 방지한다. 역으로 펌프 토출량이 회복되면 Relief 밸브는 자동적으로 폐쇄된다.

6. 펌프의 운전점

일정속도에서 운전되는 펌프의 H-Q 성능은 체절점 Q=0에서 Q=최대까지 광범위하게 표시되지만 실제의 사용 상태에서는 관로 저항곡선과 H-Q곡선과의 교점이 운전점이 되고 그 상태에서의 H, Q, KW 등을 결정한다. 이제, 여러가지의 운전방식에 대한 운전점에 대해 설명하여 보기로 하자.

6.1 단독운전

1) 실양정이 일정한 경우

<그림 38>과 같이 펌프가 실선으로 표시된 H-Q 곡선을 가진다면 어떤 실양정을 가진 관로저항곡선 R과의 교점 A가 운전점이다. 사용후의 경년변화에 의해 배관에 녹이 발생하면 관로저항곡선이 R′로 되고 운전점도 B로 이동하여 토출량은 감소하게 된다. 이와 같은 것을 예방하기 위하여 R′인 관로저항에서도 소요토출량 Q를 확보할 수 있도록 펌프 성능에 미리 여유를 주어 점선으로 표시한 바와 같은 H-Q 곡선으로 잡는 것이 필요하다(단, 성에너지의 관점에서 과다한 여유는 피하여야 한다). 단, 이 경우 토출밸브가 전개된 경우의 초기 운전은 C로 이동하여 과다하게 토출되므로 밸브 제어를 실시하여야 한다.

2) 실양정이 변하는 경우

<그림 39>와 같이 실양정이 변동하면 밸브의 개도가 일정한 경우에도 관로저항곡선이 상․하로 평행 이동하므로 토출량이나 펌프 효율이 변하는 점에서 운전된다. 실양정이 변동하는 것은 배수펌프 등에서 많이 볼 수 있으며, 고효율 범위에서 운전하기 위하여는 실양정 변동폭과 빈도를 고려하여 계획시에 펌프 최고효율점의 위치를 선정하여야 한다.

3) 밸브 제어

토출밸브를 조절하는 것으로 관로저항곡선을 인위적으로 변화시켜서 토출량을 조절하는 수가 있다(<그림 40> 참조). 단, 밸브를 완전히 열었을 때의 교점 A가 그 System에서 얻을 수 있는 최대 유량을 표시한다.

4) 속도 제어

펌프의 회전수를 조정하는 경우에는 펌프성능곡선상의 Q, H가 회전수 비의 1승, 2승에 비례하여 변한다는 것은 이미 펌프의 상사법칙{1.2 2)}에 서술한 바 있고, H-Q 선상의 각 점의 괘적은 2차 곡선을 따라서 변하고 원점 0에서 끝난다(<그림 41> 참조). 그렇지만 운전점은 펌프 특성과 어떤 실양정을 가진 관로저항곡선과의 교점으로 표시되므로 앞에서 말한 1승, 2승의 관계가 어긋나게 된다. <그림 41>에서 속도 제어에 다라 H-Q 성능과의 대응점은 A₁, A₂, A₃로 표시되나 펌프의 운전점은 저항곡선과의 교점 A₁, B₂, B₃로 된다.

5) H-Q 곡선 구배의 영향

a) 최고효율점의 전양정에 비하여 Q=0(체절)의 전양정이 비교적 높은 특성(급구배 특성)의 펌프는 평탄한 구배 특성의 펌프에 비하여 양정이 변동(관로저항 곡선의 변동)하여도 토출량의 변화 △Q는 작다(<그림 42>).

b) 실양정이 거의 변화하지 않는 System(예를 들면 보일러 급수나 관개용 등)에서는 펌프 특성이 급구배인 펌프보다도 평탄한 펌프로 하는 편이 유량 조절을 하는 토출밸브가 부담하는 압력도 작게 되고, 관의 내압도도 작게 되는 이점이 있다.

c) 속도 제어에 의해 유량조절을 행하는 경우에는 펌프 특성이 급구배인 편이 평탄한 펌프보다도 정도가 좋고 안정한 조절을 할 수 있다.

6.2 병렬, 직렬 운전

1) 병렬, 직렬 운전의 선정 조건

2대 이상의 펌프를 이용하여 토출량을 증가시키는 경우에 병렬, 직렬의 어느 쪽이 유리한가는 저항곡선의 양상에 따라 정한다. <그림 43>에 의해 알 수 있는 바와 같이 병렬, 직렬의 한계점은 병렬, 직렬, 연합특성의 교점 a로 된다. 관로저항곡선이 a점을 통과하는 R₂보다 낮은 R₁과 같은 경우는 병렬 운전하는 편이 직렬 운전 보다도 전체적으로 토출량이 크다. 또한 관로저항곡선이 R₂보다 높은 R₃와 같은 경우는 직렬 운전하는 편이 병렬 운전 보다도 토출량이 크게 된다. 실양정의 변동이나 관로저항의 변동을 포함하여 양정이 넓은 범위로 변화하는 System에서는 2대의 펌프를 조합시켜서 병렬, 직렬의 변환 운전을 행하면 양정에 변동이 생겨도 토출량을 얻을 수가 있다. 병렬, 직렬 어느 쪽으로 하더라도 안전하고도 경제적으로 운전하기 위하여는 복합 운전에서 각각의 펌프가 어떤 상황에서 운전되는지, 그 효율과 동력은 어떠한지는 물론 캐비테이션 발생에 대하여도 검토하여야만 한다.

2) 성능이 같은 펌프의 병렬 운전

여러대의 펌프가 공동으로 송수 본관에 접속하여 병렬 운전

하는 경우에는 <그림 44>와 같이 각 펌프의 동일 양정에 대응하는 토출량을 더하여 펌프 전체 대수의 합성 H-Q 곡선을 구할 수가 있다.

이 합성 곡선에서 전체의 운전점은 2대 합성의 경우는 B₁이고, 3대 합성의 경우는 C₁이 되며, 그것에 대한 각 펌프마다의 운전점 B₂, 또는 C₂를 그림상에서 구한다.
 
그림에 의해 밝혀진 바와 같이 관로저항곡선이 일정한 경우에도 각각의 펌프 운전점은 운전 대수에 따라서 A®B₂®C₂로 변한다는 것을 알 수 있다. 펌프 합성성능의 토출량은 각각의 성능을 단순히 대수 배하면 되지만 합성 운전점의 토출량은 1대의 운전시의 대수 배하여서는 안되며, 오히려 대수가 증가함에 따라 토출량의 증가는 a>b>c로 작아진다.

이 경향은 관로저항곡선이 <그림 45>와 같이 급격하게 오른쪽 위로 올라가는 구배이고, 펌프의 H-Q 곡선이 평탄한 구배를 가지는 경우 더욱 현저하다.

3) 용량이 다른 펌프의 병렬 운전

<그림 46>에서 합성 운전점 A에서 그은 수평선이 크고 작은 각각의 단독 펌프성능과 만나는 점이 각 펌프 개개의 운전점이 되고, 합성 운전점 A의 양정이 소용량 펌프의 최고 양정 Z보다도 낮은 경우에는 두 펌프로 공히 양수 가능하다.

단, <그림 47>과 같이 합류후 토출밸브 S에서 유량 조절을 행하는 경우에는 밸브를 서서히 닫으면 관로저항곡선이 지나치게 서게 되어 운전점 A의 양정이 Z보다 높게 되므로 소용량 펌프는 양정이 부족하게 되어 송수 불가능하게 된다. 이와 같은 경우에는 대용량 펌프만을 운전하고, 토출밸브 T₂에서 제어함이 좋다.

4) 원심 펌프와 왕복동 펌프의 병렬 운전

왕복동 펌프의 H-Q곡선은 종좌표 축에 평행하므로 왕복동 펌프와 원심 펌프가 병렬로 운전될 때는 <그림 48>에 표시되어 있는 방법으로 운전점을 찾을 수 있다. 즉, 원심펌프는 단독운전의 운전점 A에서 병렬 운전시의 운전점 B로 바뀌고, 왕복동 펌프는 단독운전시 운전점 a에서 병렬 운전시의 운전점 b로 바뀌어서 각각 운전되게 된다.