펌프이론 2.1 – 펌프설치

올바른 펌프의 선택과 적절한 펌프 설치를 위해 여러 사항을 고려해야 한다. 펌프가 대형일수록 펌프의 초기 구매 가격, 설치비용, 운전비용 및 유지비용이 증가한다. 이렇게 전체 비용을 포함하는 개념을 제품의 수명 주기 비용 (LCC, Life Cycle Cost)이라 한다.
펌프를 선택할 시에는, 폭 넓은 제품군을 갖추고, 제품 적용에 대한 기술적인 지원이 가능하며, 판매 후 돌발적인 문제 상황 발생시 바로 대처할 수 있는 서비스 능력을 갖춘 펌프 업체를 고려하는 것이 올바른 선택이라 할 수 있다.
펌프를 설치할 경우 고려해야 할 점과 권고 사항을 알아보고 올바른 선택을 위한 권고 사항과 펌프의 신규 설치 및 기존 펌프의 교체의 경우로 나누어 아래에 제시 하였다.

2.1.1 신규 설치

배관 설비에 대한 계획이 아직 완성되지 않은 상태라면, 펌프의 효율, 펌프의 초기 구매 비용, 또는 제품의 수명주기비용 (LCC) 등을 먼저 고려해야 한다.
배관 설비 계획이 완료된 이후라면, 신규 설치를 한다고 하더라도 기존펌프의 교체 시와 같은 개념으로 펌프를 선택하여야 한다.

2.1.2 기존 설치된 펌프의 교체

아래에 제시된 다섯 단계의 고려 사항을 검토 한다면, 올바른 펌프 선택에 큰 도움이 될 것이다.

펌프가 설치된 현장을 방문하여 아래의 사항들을 미리 조사하여야 한다.

건물 전체의 배관의 배치 – 배관이 지하에서 올라오는 경우, 바닥에 평행한 경우, 상층에서 내려오는 경우 등
펌프 주위의 배관 배치 – 인라인 형식 또는 편흡입 형식, 배관 배치에 대한 자세한 치수, 배관헤더 설치 유무 등
펌프 설치 공간 – 설치 공간의 폭과 너비, 높이
펌프 설치 및 유지보수를 위한 여유공간 및 물품반입을 위한 통로 확보가능 여부
크레인, 호이스트 등의 중량물 이동 장비 현황 또는 동일 장비 진입가능 여부
펌프가 설치된 층, 즉 지층에 설치되는 경우 또는 지하실이 있는 1층이거나, 2층 이상에 설치하는 경우.
기존에 펌프가 설치된 기초 토대
기존의 전기 설비

기존의 펌프 사양

펌프 제조사, 펌프 종류, 기존의 운전점(유량, 양정)을 포함하는 펌프 사양, 샤프트 씰 형태, 펌프 각 부위의 재질, 개스킷, 제어 방법 등
제품 운전 년수, 유지 보수를 포함하는 이력추가 요청되는 사양

추가 요청되는 사양

개선 요구 사항 및 특이점
신규 운전점(유량, 양정), 운전 시간, 유체의 온도, 압력, 유체 특성 등의 운전 조건
향후 유지 보수를 위한 부속품 공급 가능 여부를 포함하는 공급업체 조건

개선 권고 안

제품의 변경으로 인하여 설치 시의 비용 절감, 제품 수명 주기 비용(LCC), 소음/진동과 같은 환경문제, 유지 보수 요청시의 편의성 등 장단기적인 이점을 전체적으로 고려하여 선정할 것을 권고하여야 한다.

제품 선정

제품에 대한 최종 선정은 상기 여러 가지 고려사항을 바탕으로 고객과의 우선순위에 대한 합의를 거쳐 이루어 져야 한다.

올바른 펌프의 선택과 설치를 위해서는 무엇보다 배관의 배치 및 소음/진동의 한계, 두 가지 사항을 반드시 고려하여야 한다.
배관에 따른 펌프 선정과 소음/진동에 대한 허용 한계 값에 대해서는 다음장에서 다루어진다.

2.1.3 1대의 펌프가 단독으로 설치될 때의 배관

Fig. 2.1.1은 1대의 펌프가 단독으로 설치될 때 여러가지 배관의 형상을 나타낸다. 2대 이상의 펌프가 병렬로 설치될 때에는 설치 및 유지보수 시의 여유 공간 및 접근 용이성이 펌프 선정의 주요 고려 사항이 된다.

펌프의 설치 시에는 가능한 한 배관이 복잡하지 않고 간단해야 하며 엘보의 사용갯수를 최소한으로 줄일 수 있어야 한다.

여러 대의 펌프를 병렬로 연결할 시에는 접근의 용이성이 펌프 타입 선정에 큰 영향을 준다. 일반적으로, 배관이 간편하게 구성되는 인라인 펌프의 경우도 여러 대가 병렬로 연결될 시에는 배관이 복잡해지게 되고 펌프 기자재에 대한 접근성이 떨어지며, 오히려 편흡입 펌프 형식이 접근성이 용이해 진다. Fig. 2.1.2, 2.1.3 참조
Fig. 2.1.2. 인라인 펌프 3대가 병렬로 연결된 경우 – 배관의 제약으로 유지보수를 위한 접근성이 떨어지는 경우
Fig. 2.1.3. 편흡입 펌프 3대가 병렬로 연결된 경우 – 유지보수를 위한 접근이 용이함.

2.1.4 소음 및 진동 규제

운전 중 소음 및 진동을 최소화하기 위하여, 진동 감쇄를 위한 별도의 설비를 고려할 필요가 있다. 일반적으로, 7.5kW 이상의 모터가 장착되는 펌프의 경우에는 소음 및 진동에 대한 고려가 필요하다. 그보다 작은 펌프에서도 소음과 진동이 문제가 되는 경우가 발생되기도 한다. 소음과 진동은 모터와 펌프의 회전 및 배관과 배관 부품을 지나는 유체의 흐름에 의해 발생하게 된다. 소음과 진동으로 인한 환경 문제의 발생은 펌프의 설치나 전체 배관시스템에 문제가 있을 때 발생하는 경우가 있다.
펌프 운전 소음 및 진동을 줄이기 위한 설치 시의 고려 사항 3 가지 :
펌프 설치 기초, 감쇄기, 익스펜션 조인트에 관해 다음 절에 기술하고자 한다.

설치 기초
펌프가 설치될 바닥은 아래의 두 가지로 나뉜다.

지면 위에 설치하는 경우 – Fig. 2.1.4와 같이 설치 기초에 의한 소음의 위험을 최소화 할 수 있다.

지하층이 있는 1층이나, 2층 이상에 설치하는 경우 – 설치 기초 바닥이 소음을 증폭시키는 공진 현상을 일으킬 수 있다. Fig. 2.1.5

펌프는 반드시 평행하고 단단한 기초 위에 설치되어야 하며 아래의 4가지 방법이 사용된다. 바닥 위에 설치, 고정 가대 위에 설치, 부동(浮動) 가대 위에 설치, 방진 가대 위에 설치

바닥 위에 설치
어떠한 가대 없이 바닥 위에 바로 펌프를 설치하며, 진동이 바닥에 전달된다. Fig. 2.1.6

고정 가대 위에 설치
바닥면 위에 바로 접하는 기초 위에 펌프를 설치한다. Fig. 2.1.7

부동 가대 위에 설치
모래와 같이 감쇄 효과를 내는 재질 위에 기초를 만들어 펌프를 설치한다.
진동의 전달을 막아 감쇄효과가 있음. Fig. 2.1.8

방진 가대 위에 설치
진동 전달을 통제하는 최선의 설치방법. Fig. 2.1.9

경험적으로 콘크리트 기초의 무게는 펌프 중량의 1.5배로 하며, 펌프가 저속으로 운전할 때진동 감쇄를 효과적으로 얻기 위해서는 이러한 콘크리트의 중량 설치가 필요하다.

감쇄기

올바른 감쇄기의 선택을 위해 아래의 데이터가 필요하다.

감쇄기에 작용하는 힘
모터의 회전수를 제어하는 경우, 모터의 회전수
필요 감쇄도 % (70%의 값을 일반적으로 제안함)

올바른 감쇄기의 선택은 현장에서의 여러 가지 펌프 설치 조건에 따라 변한다. 감쇄기를 잘못 선정하였을 경우, 펌프의 운전으로 발생한 진동을 증가 시킬 수도 있다. 따라서 설치 시의 면밀한 주의가 요구된다.

펌프 설치 시 감쇄기를 설치할 경우, 펌프가 흡입/토출 양측의 플랜지 사이에 고정되어 설치되는 것을 방지하기 위하여, 반드시 익스펜션 조인트를 펌프의 흡입측과 출구 측에 추가로 설치해 주어야 한다.

익스펜션 조인트

익스펜션 조인트가 설치되는 이유는 아래와 같다.

배관을 흐르는 유체의 온도 변화에 따른 배관의 확대/응축을 흡수하기 위해
배관의 압력파에 의한 기계적 응력을 줄이기 위해
기계적 소음을 배관 상에서 고립시키기 위해 (단, Metal Bellows 타입의 경우 해당 없음)

배관상의 단순한 맞춤을 위해서 익스펜션 조인트를 사용하는 것은 금지한다.

익스펜션 조인트는 펌프 입/출구와 최소 1~1.5DN (배관지름의 1~1.5배) 이상의 간격을 띄운 곳에 설치하여야 하며, 이것은 익스펜션 조인트를 흐르는 유체의 난류를 막아 흡입조건을 개선하고 과도한 마찰 손실을 방지하기 위함이다.
유속이 빠른 경우(5m/s 이상), 배관의 직경 보다 큰 익스펜션 조인트를 사용하여야 한다.

Fig. 2.1.11~2.1.14는 다양한 재질의 벨로우즈 타입 익스펜션 조인트를 나탸낸다.

익스펜션 조인트로 인해 발생하는 힘을 최소화하기 위해 익스펜션 조인트에 타이 바(Tie Bar)를 채용하기도 하며, 배관경 DN100 이상의 배관에는 타이 바를 적용할 것을 권장한다. 타이 바를 적용하지 않는 경우, 익스펜션 조인트에 생선된 과도한 힘이 펌프 플랜지에 바로 전달되어 펌프 및 배관에 영향을 주기 때문이다.

배관은 Fig. 2.1.11과 같이 익스펜션 조인트 및 펌프에 응력을 전달하지 않도록 고정되어 있어야 한다. 배관의 고정점은 익스펜션 조인트와 최대한 가까이 두어야 한다.

배관의 유체가 섭씨 100도 이상의 고온이고 고압일 경우 익스펜션 조인트의 파손을 방지하기 위하여 주로 금속제 벨로우즈 타입 익스펜션 조인트를 사용한다.

2.1.5 소음 수준(L)

기계 시스템의 소음 수준은 데시벨(dB)로 측정된다.
소음 측정은 아래의 3가지 방법에 의해서 이루어 진다

소음의 압력-Lp : 공기파의 압력
소음의 세기-Lw : 소리의 세기
소음의 밀도-Ii : 단위 면적 당(1m2) 음의 세기 (본 책자에서는 다루지 않음)

위 세 가지 값들을 동시에 비교할 수는 없지만, 표준에 의해 상관관계를 계산할 수 있다.
경험치에 의하면 그 공식은 아래와 같다.

소형펌프. 1.5kW : Lw=Lp+11dB

대형펌프. 110kW : Lw=Lp+16dB

기계류에 대한 유럽연합의 기준 (EU Machine Directive)은 소음 수준이 85dB(A) 이하의 경우 음압으로 나타내도록 하고, 85dB(A) 초과의 경우에는 음의 세기로 나타내도록 규정하고 있다.

소음의 정도는 주관적이며, 나이와 성별등 개인의 청력에 따라 느껴지는 강도가 다르다. 따라서 상기 2.1.15절의 소음 값은 보통 사람의 청력을 기준으로 가중치를 두어 조정하였다. 이러한 가중치 조정을 소음의 A-가중치 조정이라고 하며, L 로 나타낸다. 소음의 측정값은 Fig. 2.1.16과 같이 소음의 주파수에 의해 조정되며, 주파수에 따라 때로는 높게, 때로는 낮게 조정한다. 이 외에도 소음의 가중치 조정에 기타 조건을 감안한 B-가중치 조정, C-가중치 조정이 사용되나 이러한 것들은 다른 목적을 위해서 사용되며 본서에서는 기술하지 않는다.

두 대 이상의 펌프가 운전될 때의 소음 수준은 계산에 의하여 산출할 수 있다. 만일 운전되는 펌프들 각각의 소음수준이 동일하다면, 전체의 운전소음은 Fig. 2.1.17의 해당 운전 대수에 따른 소음 상승분을 더한 값과 같다.
예를 들어, 두 대의 펌프가 운전될 때의 전체 운전 소음은 한 대의 펌프가 운전될 때의 운전 소음 Lp의 표에서 읽은 값에 3dB을 더하면 되고, 세 대가 동시에 운전 될 때의 전체 운전 소음은 Lp에 5dB을 더한 값이 된다.
만일 각각의 펌프가 다른 소음 수준을 보인다면, Fig. 2.1.18의 그래프를 이용하여 계산할 수 있다.

소음 수준에 대한 측정값들은 반향이 없는 자유공간을 가정하여 무소음실에서 측정되며, 이는 벽이 없는 공간에서의 소음을 의미한다. 하지만, 실제 현장에서 특정한 공간과 배관 시스템으로 이루어진 상태에서의 소음 수준을 보증한다는 것은 어려운 일이다. 현장에서는 다양한 구조물에 의한 간섭, 기타 장비의 소음, 배관 계통의 증폭 등으로 인해 소음을 증가 시키는 많은 조건이 서로 존재한다. 펌프의 설치 방법이나, 설치 기초 기반을 변경하여 소음의 증가를 줄일 수 있는 방법에 대한 제안이 가능하다.