® 자료제공: 효성EBARA주식회사

< 목 차 >

제1장 펌프의 기초지식과 응용

6. 펌프의 운전점

6.2 병렬, 직렬 운전

6.3 배관의 분지, 합류와 운전점

7. 펌프 대수의 선정과 위험분산

7.1 대수의 선정

7.2 단독펌프의 영향

7.3 위험 분산과 예비펌프

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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 응용분야까지 펌프의 `A to Z`를 상세하게 소개하여 펌프를 공부하는 학생이나 이 업계의 종사자, 이 업계에 입문하려는 이들에게 펌프에 대한 이해를 높이고자 한다.

<편집자 주>

6.2 병렬, 직렬 운전

5) 불안정 성능의 병렬 운전

펌프 특성이 산(山)형으로 불안정한 경우에도 관로저항곡선과 단 1점에서 만나는 경우에는 안정하게 운전할 수 있다. 예를 들면 <그림 49>와 같이 관로저항곡선 R₁ 아래에서 1대가 단독 운전중이라면 운전점 A에서 안정하게 운전 가능하다.

그러나 두번째 펌프가 추가 기동하는 경우, A점은 펌프의 체절양정 C보다 높기 때문에 Check 밸브를 열리게 하는 능력이 없어 병렬 송수가 불가능하게 되어서 두번째 펌프는 무송수 운전된다.

만약, 관로저항곡선이 R₂라면 첫번째 펌프의 운전점 B는 체절양정보다도 낮으므로 두번째 펌프는 완전하게 병렬 운전 가능하다.

6) 크고 작은 2대의 펌프 직렬 운전

<그림 50>에 나타낸 바와 같이 용량이 크고 작은 2대의 펌프의 합성 직렬성능은 각각의 단독성능의 전양정을 합하여 구하면 된다. 관로저항곡선 R₁에서의 합성 운전점은 A로 되고, 각 펌프의 운전점은 B, C로 표시된다.
 
또한 관로저항곡선 R₂가 Z보다도 낮으면 합성 운전점은 A　로 되나 작은 펌프의 운전점 C　가 음의 양정이기 때문에, 저항으로 작용하므로 큰 펌프 1대만을 운전하는 편이 발생 양정이 B　로 높게 되거나 토출량이 B　　로 많게 된다. 용량이 다른 펌프의 직렬 운전시에는 펌프를 반드시 작은 펌프의 첫째단 입구측으로 가압되도록 할 필요가 있으며 이것을 역으로 배치하면 큰 펌프의 입구측에서 캐비테이션이 발생한다.

6.3 배관의 분지, 합류와 운전점

1) 저항이 다른 직렬 관로로의 송수

<그림 51>은 펌프 P에서 저항이 다른 관로를 직렬로 배관하여 높이 Ha로 송수하는 경우이다. 두개의 관로저항을 R₁, R₂로 하면 R₁ 및 R₂를 종좌표축으로 합하여 배관계의 저항곡선 R을 얻는다. 즉 ab+ac=de로 된다. 그러므로 저항곡선 R과 양정곡선과의 교점 e가 펌프의 운전점이 된다.

2) 분지관으로의 송수

a) 실양정 0에서 저항이 다른 병렬 분지관으로의 송수

<그림 52>는 펌프 P에서 분지되어, B, C 두 지점으로 송수하는 경우로 실양정이 0인 경우이다. R₁을 PB간의 관로저항, R₂를 PC간의 관로저항이라 하면 펌프에 대한 합성저항곡선 R은 R₁, R₂를 동일 양정에서 횡좌표측으로 합한 것이다. 즉 ab+ac=ad로 된다. 이 저항곡선 R과 양정곡선과의 교점 d가 펌프의 운전점으로 되고, 펌프의 토출량이 Q인 경우, Q₁과 Q₂가 각각의 관로를 흐르는 유량으로 된다.

b) 실양정 및 저항이 다른 병렬 분지관으로의 송수

<그림 53>은 펌프 P에서 분지하여 B, C 두 지점으로 송수하는데 각각의 관로 토출높이가 Ha₁, Ha₂이고, R₁을 PB간의 관로저항, R₂를 PC간의 관로저항이라 하면, R₁, R₂를 횡좌표측으로 더한 것이 연합 저항곡선 R로 되고, 이것과 펌프의 양정곡선과의 교점 a가 펌프 운전점으로 되며, 펌프의 토출량이 Q인 경우, Q₁과 Q₂가 각각의 관로를 흐르는 유량이 된다.

c) 한 개의 관로를 도중에서 분지하는 병렬 관로로의 송수

<그림 54>는 펌프 P보다 Ha₁만큼 높은 B를 경유하여, 높이 Ha₂인 C점, 높이 Ha₃인 D점 두 지점으로 송수하는 경우를 표시하며, 송수관로저항은 PB간을 R₁, BC간을 R₂, BD간을 R₃로 하는 경우, B점에서의 펌프 특성곡선은 처음의 특성곡선 A에서 R₁과 Ha₁간의 차를 뺀 곡선 A　로 된다. 다음에 BC, BD간의 연합 저항곡선 R을 구하여, 이것과 곡선 A`와의 교점 a　가 펌프의 토출량 Q로 되며, 그 교점에서 수평으로 직선을 그어, 각각의 관로저항곡선 R₂, R₃와의 교점이 각각의 관로 C, D에 송수되는 유량 Q₂와 Q₃를 나타낸다.

d) 관로의 중간에서 일정량을 뽑아내는 경우

<그림 55>은 펌프 P에서 말단 C에 이르는 송수관의 도중 B에서 Q₃인 일정량을 뽑아내는 경우로 실양정이 0인 경우에 대하여 서술하여 본다.

PB간의 관로저항을 R₁, BC간의 관로저항을 R₂라 하면, R₁인 관로저항곡선은 O를 원점으로 하는 곡선으로 되고, R₂인 관로저항곡선은 횡좌표측에서 Q₃인 유량의 위치 K를 원점으로 하는 곡선이 된다. 이 R₁과 R₂ 두 개의 관로저항을 합성하면 연합저항곡선 R이 얻어지고, 이것과 펌프의 특성곡선과의 교점 a가 펌프의 운전점으로 된다.

3) 두 지점에서 한 지점으로 합류하는 관로로의 송수

<그림 56>은 A, B 두개의 펌프장에서 각각의 저항 R₁․R₂인 송수관을 통하여 C점에서 합류하여 저항 R₃인 합류관을 통하여 D에 송수하는 것으로 한다. 이 경우 AC, BC간은 펌프는 단독 운전되고 CD간만이 펌프가 병렬 운전되므로 A와 B의 펌프특성을 C점에서의 특성으로 변환시켜서 고려하면 된다. C점에서의 A펌프의 특성은, 그 특성곡선 A에서 R₁을 뺀 곡선 A　로 된다. 같은 방법으로 B펌프의 C점에서의 특성은 곡선 B　로 된다.
 
여기에서 이 두개의 변환특성 A　 및 B　를 가지는 2대의 펌프가 C점에서 D점으로 병렬 운전하는 것으로 생각하면 된다. 즉 A　+B　의 병렬 연합특성 E를 그리고, 저항 R₃와의 교점 a를 구하면 두대의 펌프의 합계 유량 Q₃로 된다. 이 교점에서 수평선을 그어서 각 펌프의 토출유량 Q₁ 및 Q₂를 얻는다. 이 그림은 A, B, C, D점을 모두 동일 레벨에 있는 것으로 고려하였으나 만약 각각의 지점에 고저가 있다면 실양정은 저항곡선에 가산하여 표시하면 된다.

4) 정격외 운전에 대한 이해

a) 펌프의 운전에서 토출밸브를 전부 열어서 펌프가 발생시키는 H-Q 에너지를 완전히 활용하는 것이 실효율이 가장 높은 운전이다. 일반적으로 복수 대의 펌프의 병렬 계통에서는 유량 부하가 증가하여도 가능한 한 소수의 펌프로 꾸려나가므로써 외관상으로는 펌프효율이 낮은 점에서 운전되더라도 총동력은 작다.

b) 이와 같이 토출밸브를 완전히 열어서 운전하는 경우에는 각각의 펌프는 종종 정격점을 초과한 과대 토출량 상태에서 운전되기 때문에 다음의 문제를 발생시킬 수가 있다.

가) 캐비테이션이 일어나기 쉽고, 그 때문에 소음을 발생하며, 극단적인 경우에는 송수 불가능하다.

나) 비속도가 작은 펌프에서는 원동기에 과부하가 걸린다.

c) 운전을 단독 또는 병렬 운전 등 변화시킬 때에 생기는 운전점의 추이는 H-Q 곡선과 관로저항곡선의 구배 여하에 따라 현저하게 양상이 변하므로 각각의 계획에 대하여 검토하여야만 한다.

d) 병렬 운전시의 총토출량은 펌프 가동 대수배로는 되지 않으며, 오히려 가동 대수를 증가할수록 1대당의 토출량은 감소하여, 물의 단위량당의 송수단위 원가는 증가하게 된다.

그러므로 송수 본관 내의 유량이 계절에 따라서 큰 폭으로 변화하고, 더욱이 각각이 정기간 계속되는 계통에서는 고효율 운전을 하기 위하여 소유량시에 한하여 전용인 저양정 펌프군과 대유량시 전용인 고양정 펌프군으로 나누어 설치하여, 부하에 따라서 사용하는 것이 가장 합리적인 방법이다.

e) 고양정 펌프를 정격상태 보다도 현저하게 작은 유량에서 운전하면 레디얼스러스트에 의해 주축이나 베어링의 손상이 발생하고, 회전차, 케이싱의 이상 침식이나 과열 등이 발생한다.

7. 펌프 대수의 선정과 위험분산

펌프설비 전체의 총유량이나 전양정이 결정되어 있어도, 이것을 몇대의 펌프로 분할하여 공급하며, 각 펌프 사양을 어떻게 결정하는가는 건설비나 유지관리에도 영향을 주는 중요한 사항이므로 각 항에 대하여 검토하지 않으면 안된다.

7.1 대수의 선정

1) 운전 동력비의 절약

유량 부하의 변동 상황을 사전에 검토하여 그 빈도와 계속기간 등을 고려하여 총용량을 적절하게 분할하여 펌프의 설비대수를 결정한다.

2) 대수와 경제성

일반적으로 전용량의 분할방법으로서 소수의 대형 펌프로 하는 편이 다수의 소형 펌프로 하는 것보다도 건설비가 싸고, 설치 Space도 작고, 펌프의 최고효율도 높은 것을 얻기 쉽다. 그러나 각각의 펌프는 가능한한 정격 회전수 및 밸브 전개 상태에 운전하는 것이 합리적이므로 신축성 있는 유량부하의 변동에 대하여는 소형 펌프를 다수 설치하는 쪽이 원활한 운전이 가능하고 총소비동력도 적게 되는 잇점이 있다.

3) 호환성과 등용량 불할

비교적 여러 대로 분할하는 경우에는 각 펌프를 전부 동일 사양으로 통일하면 부품이나 예비품의 호환성이 생기고, 보수도 편리하다.

4) 크고 작은 용량으로 분할

분할 대수가 작은 경우(예를 들면 2대)에는 전용량을 대형펌프와 소형펌프(예를 들면 유량비 2:1)로 분할하면 부하 변동에 대해서도 신축성 있게 조절할 수 있고, 설계 양정이 적절하면 병렬 운전도 가능하다. 단, 부품의 호환성이 없게 되는 결점이 있다.

5) 토출량과 양정이 다른 조합

부하 변동의 상황 여하에 따라서는 유량이 다른 것 외에 소요 전양정도 크게 변화하는 경우가 있으므로 이와 같은 경우에는 운전 계속 시간도 고려하고, Full 운전시의 대유량, 고양정 영역에 전용인 Group 외에 소유량, 저양정 영역에 전용인 소용량 펌프를 병행하여 설치하면 운전이 가장 합리적으로 실시된다. 단, 건설비가 비싸지는 결점이 있다.

6) 부속 설비와의 관련성

펌프 대수 분할은 이것에 관련하는 원동기, 수전용량, 배전반, 토목, 건설, 용지, Crane, 동력전달장치 등에도 영향을 미치므로 각각의 부속 설비에 대하여도 검토가 요망된다.

펌프의 분할 대수의 선정에 따라서 1대당의 용량은 저절로 결정되지만, 가능한한 관련기기 Maker의 표준 용량인 것을 사용하는 편이 현명하고, 선정을 잘못하여 대단히 대형으로 되어 제작이나 수송에 곤란을 초래하는 일이 없도록 계획하여야 한다.

7.3 위험 분산과 예비펌프

1) 설비의 목적상, 짧은 시간이라도 펌프 고장에 의한 양수 불능이 허용되지 않는 경우에는 이 위험을 피하기 위해 사용 펌프를 반드시 2대 이상 분할 설치하지 않으면 안된다.

더욱 중요한 것으로는 고장시에도 소정의 능력을 유지할 수 있도록 예비펌프를 설치해야 한다. 상용 펌프의 분할 대수를 작게 하면 예비펌프도 이와 같은 용량을 설치하여야 하므로 예비펌프를 포함한 전 건설비는 분할 대수가 많은 경우보다 역으로 비싸게 되는 경우가 있으므로 주의를 요한다.

2) 짧은 시간의 Peak 송수를 필요로 하는 경우에는 예비펌프가 있다면 이것을 이용하여 Peak 송수하면 되므로 Peak용 펌프를 생략할 수가 있다.

3) 정전 등을 고려하여 중요한 예비펌프의 원동기를 Diesel 기관 구동으로 하거나 예비 전원용 Diesel 발전장치를 설치한다.