® 자료제공: 효성EBARA주식회사

< 목 차 >

제1장 펌프의 기초지식과 응용

8. 펌프의 성에너지

8.1 성에너지 관점에서의 재검토

8.2 펌프의 성에너지화의 검토 순서8

8.3 펌프의 성에너지화

8.4 성에너지형 패키지 양수 가압 시스템

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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>

8. 펌프의 성에너지

펌프에 의해 소비되는 동력은 전동식, 내연기관 및 증기터어빈 구동으로 분류되나, 어느 경우이든 펌프 축동력의 절감은 성에너지화의 큰 테마의 하나이다. 축동력의 절감 방법에는 소요 전양정의 재검토와 저감, 펌프 성능의 향상, 최적 펌프 사양의 선정 등이 있으며, 또한 펌프의 부하 변동에 대한 합리적인 운전제어 등이 포함되므로 이들을 종합하여 전체적으로 검토하여야 한다.

8.1 성에너지 관점에서의 재검토

합리적이면서도 효과적인 펌프의 선정은 물론 운전방법에 의해서도 펌프의 성에너지화는 좌우되므로 아래에 그 검토 Point에 대하여 간단히 설명해 보기로 한다. 그리고 에너지 사용의 합리화에 관한 법률도 서서히 제정되고 있는 중이고, 개별적 성에너지에서 총체적 성에너지로 이행되고 있으므로 성에너지 관점에서의 검토는 매우 중요한 작업이다.

1) 성에너지의 검토에 즈음하여는 그 대상물에 우선순위를 두며, 용량이 큰 것이나 Plant 운전상 착수하기 쉬운 펌프 등 종합적인 효과를 주는 것으로부터 착수

2) 펌프 성능이 저하되고 있지는 않는가의 재검토, 내부점검, 부품교환(특히 섭동부)

3) 정격 H, Q나 그 여유의 재검토

4) 펌프 성능 판정 기준의 설정(H, Q 허용 범위에 대하여)

5) 부하변동 상황의 파악과 최적 펌프 사양의 설정(고효율 운전을 포함)

6) 최단 배관 경로의 채용과 배관내 Scale의 정기적 제거

7) Valve 제어 보다도 On-Off 제어 또는 회전수 제어를 행하고, 가능하면 동력회수 System을 채용한다.

8) 대․소 펌프의 조합

(부하의 변동 등에 대하여)

8.2 펌프의 성에너지화의 검토 순서

설비의 성에너지화를 계획할 때에 요구되는 H-Q가 시간에 따라 크게 변동할 것으로 예상되는 경우에는 분․시간․주․월․계절에 대하여 H-Q 수요를 고려하여 대수분할, 운전 원동기, 제어 System을 검토하여야 한다.
그 경우의 시간적 변동과 System의 응답성에 대하여는 주어진 사정에 따라 검토를 해야 한다. 또한 Initial Cost와 병행하여 Running Cost도 본 순서에 따라서 검토한다.

예를 들면,

1) 여유증가 - 증기터어빈 - 펌프구동

2) 여유압력액원 - 수터어빈구동 - 동력회수 등

펌프의 성에너지화 검토 순서도 내의 주는 다음과 같다.

주) 1) 배관 경로의 간략화나 기존의 펌프 운전 실적과 그때의 계획 H-Q를 비교하여 과대 여유를 제거한다.

2) 캐비테이션․서어징․주변 조건에 의한 제약, 유지 보수의 난이 등 일반적으로는 문제가 되지 않는 펌프 특유의 문제점의 감소

3) 특히 속도 제어의 경우는 속도 제어에 의한 전달 손실이 생기므로 충분히 검토하여야 한다.

4) H, Q 및 배관경로의 손실수두, 원동기의 입․출력의 실측을 계획치와 비교한다.

8.3 펌프의 성에너지화

1) 펌프 효율의 향상

연속 운전되는 500KW의 Motor 구동 펌프에서 만약 펌프 효율이 1% 상승하면 성에너지 효과는 크다. 어림 계산에도 500KW×0.01×24Hr×365일=43,800KWHr로 계산된다. 이것을 금액으로 환산하면 1KWHr=65.8원이란 가정하에, 연간 약 290만 원의 전력비가 절감된다.

2) 회전차의 외경 가공

예를 들면 전양정을 40m에서 35m로 변경할 경우, 회전차 외경을 가공하는 것으로 전양정의 감소에 해당하는 만큼 동력이 절감될 수 있다. 40m의 경우는 축동력을 100%로 하면 35m 경우의 소요동력은 대략 100×35/40=87.5%로 되어 약 12.5%의 동력이 절감된다. 회전차 가공은 형상치수에 따라서 그 가공 범위가 제한되므로 주의를 요한다. 또한 펌프효율도 약간 저하하므로 동력 절감량은 상기보다 어느 정도 작게 된다고 생각하여야 한다.

3) 다단펌프의 단수저감

예를 들면 10단의 회전차를 갖는 펌프가 전양정 100m로 운전되고 있는 것을 토출량은 그대로 두고 전양정을 90m 또는 80m로 저감시키는 경우에는 회전차를 1매 또는 2매 제거하여 약간의 개조를 실시하면 된다. 전양정 100m인 경우의 소요 동력이 100KW라고 한다면 90m, 80m인 경우의 소요 축동력은 90KW, 80KW로 되어 각각 10%, 20%의 동력이 절감된다.

이와 같이 회전차를 제거하여 성능을 감소시키는 경우에는 효율 저하의 방지를 위하여 Distance Liner, 특수안내 Sleeve의 삽입, 회전체의 Balancing 재검토 등이 필요로 하게 된다.

4) 대수선택

비교적 긴 시간 간격(1시간 정도 이상)으로 Total 토출량이 변동하는 경우에는 가동 펌프의 대수 제어를 행하고, 소요 수량에 적절한 대수의 펌프만을 운전하여 동력절감을 도모한다. 이 경우는 `변동 수량과 시간의 관계`를 사전에 파악하여 두던가, 소비 유량과 수압의 상황을 계측하여 대수 제어를 행할 필요가 있다.

5) 속도 제어

펌프의 회전수 변경에 의한 성능 변화를 이용하는 것이 목적 달성을 위한 가장 효율적인 방법이다. 펌프의 H-Q 곡선이 평탄하고, 동시에 관로저항곡선도 수평에 가까운(마찰저항 등이 작용) 경우에는 약간의 속도 제어에 의해 큰 폭의 유량 조정이 가능하게 되는 잇점을 가지지만 회전속도나 저항곡선에 미소한 변화를 생성시켜도 제어 결과에 큰 변동을 생기게 하므로 특히 정밀한 제어를 필요로 하는 경우에는 급구배의 H-Q 곡선을 가지는 펌프를 선정하는 것이 바람직하다.

이 방법에는 원동기 속도 제어용 부속장치가 필요하게 된다. 속도 제어방식에는 기계식 제어와 전기식 제어가 있다. 전자에는 유체 변속기․Belt 변속이 있고, 후자에는 농형인 경우 극수변환․주파수 제어(인버터)․1차 전압 제어․권선형인 경우에는 2차 저항제어․2차 여자제어․2차 위상제어, 일차 전압제어 등 여러 가지가 있다. 펌프 회전수를 대략 ±20%의 범위에서 변화시키면 펌프 성능은 일정의 상사법칙에 따라 변화한다.

그때의 효율 변화는 작으므로 무시할 수 있다. 단, 속도의 변동 범위가 큰 경우에는 이 환산 결과는 실제의 값과 다소 차이가 있으므로 주의하지 않으면 안된다.

이것들은 펌프 그 자체의 성능 환산을 표시하지만 실제의 운전 조건에 적용시킨다면 <그림 57>과 같이 되고, Plant에서의 토출량은 관로저항곡선과 펌프의 성능곡선(H-Q 곡선)과의 교점으로 결정되므로 처음은 펌프성능(I)과 관로저항곡선(R)과의 교점 A(토출량 Q)에서 운전되고 있던 것이 회전수 변경에 의해 펌프 성능이 (I′)로 변화하면, 펌프 성능상의 대응점은 A′(토출량 Q′)로 되지만 실제의 토출량은 관로저항곡선(R)과 펌프의 성능(I′)의 교점 a(토출량 q)로 된다. 소요동력도 이것에 준하는 동력곡선(II′) 상에서 토출량 q에 대응하는 값 b로 된다(<그림 58>).

따라서 소요동력은 <그림 58>중에서 B에서 b까지 절감할 수 있다. 펌프의 축동력은 회전속도의 3승에 비례하므로 구동기의 변속효율이 얼마간 희생되더라도 일반적으로 ±20% 이상의 감속을 행한 경우에는 상당한 소요동력을 절감할 수 있다.
 
또한 앞의 그림에서도 알 수 있는 바와 같이 감속에 따른 실제의 소요동력 b는 상사법칙에 의해 B′보다도 오히려 낮은 값으로 되어 더욱 유리하게 전개된다.

8.4 성에너지형 패키지 양수 가압 시스템

1) 제품 소개

본 제품은 펌프를 병렬로 2대 또는 3대를 설치하고, 각 펌프(Lead Pump & Main Pump)의 유량 배분율을 Duplex Type인 경우 종래의 50%-50%에서 33%-67%로, Triplex Type인 경우 33%-33%-33%에서 20%-40%-40%로 하여 효율적인 펌프의 조합을 통해 소요동력을 최소화 하고, 이들 펌프의 자동운전 설비와 보호장치를 겸비하여 성에너지화․자동화를 실현한 패키지 양수 가압 시스템이다.

2) 용도

사무실용 빌딩․병원․아파트․기숙사․호텔 등의 상수도 공급용

3) 시스템 호칭 방법

4) 성에너지 효과

System에서의 시간에 따른 부하의 변동이 주어졌을 때 성에너지 효과를 높이기 위하여는 펌프의 대수 선정 및 용량 분할을 어떻게 하여야 하는가에 대하여 검토하여 보기로 하자.

예를 들어서 System에서의 시간에 따른 부하 변동이 <그림 59>와 같이 주어진 경우, 전형적인 Duplex, Triplex와 성에너지 효과 향상에 역점을 둔 효성 Duplex, Triplex를 비교하여 검토하기로 한다. 아래의 검토 결과에서 알 수 있는 바와 같이 전형적인 Type에 비하여 효성 Duplex Type으로 하는 경우에는 25%, Triplex Type으로 하는 경우에는 11%의 에너지 절감 효과를 얻는다.

a) DUPLEX TYPE

가) 전형적인 Duplex Type인 경우

전형적인 Duplex Type으로 하는 경우(유량 배분율 50%-50%), 아주 작은 유량에 대해서도 50% 용량의 펌프가 운전되어야 하며, 사용 유량이 50% 이상이 되면 두대의 펌프가 운전되어야 하므로 <그림 60>에 나타나 있는 바와 같이 사용동력은 198.8HP-Hr/Day(그림에서 사각형 내부의 면적)가 되고, 평균 모터 부하를 80%로 하는 경우의 1년 동안의 소요 동력은 43,305KW-Hr/Year(=198.8×0.8×0.746×365)가 된다.