펌프이론 4.1 – 펌프 성능 조절

주어진 시스템에 맞는 펌프를 선정할 때에는 펌프의 운전점이 고효율 구간에서 운전이 되도록 하는 것은 매우 중요하다. 반면에 펌프의 소비 동력은 펌프를 선정하는데 그리 중요한 것은 아니다. Fig. 4.1.1 참조

때에 따라 시간이 경과함에 따라 시스템 저항 곡선이 변경되거나 시스템의 요구사항이 변화되므로 (설계값과 실제값의 차이가 발생하기도 하므로) 최적의 운전점을 갖는 펌프를 선정하는 것은 쉽지 않다.

따라서, 변화된 요구 사항을 맞추기 위하여 펌프 성능 곡선 조정이 필요하다.

가장 일반적인 펌프 성능 곡선 변경 방법은 아래와 같다.

● 스로틀 밸브 콘트롤
● Bypass 콘트롤
● 임펠라 직경 조정
● 회전속도 조정

펌프 성능 곡선 조정 방법은 펌프의 운전비용과 함께 초기 투자비용을 고려하여 선택하여야 한다. 임펠러 직경을 변경하는 방법을 제외한 모든 방법은 운전을 하는 동안에 연속적으로 조정 될 수 있다. 가끔 시스템에 너무 큰 용량의 펌프가 선정이 되어 펌프 성능 (유량 또는 운전압력)을 제한할 필요가 있는 경우가 발생한다.

다음 장에서 위의 네 가지 조정 방법에 대하여 기술하였다.

4.1.1 스로틀 밸브

스로틀 밸브는 펌프의 운전점 조정이 가능하도록 펌프와 직렬로 설치한다.
유량을 감소 시켰을 때 V/V조정 결과는 4.1.2절에 보인 것과 같다. 스로틀V/V는 시스템에서 저항(마찰손실)을 증가시켜 더 높은 위치에서 시스템 저항 곡선을 상승시킨다. 스로틀 V/V가 없는 경우 유량은 Q2가 되며 스로틀V/V가 펌프에 직렬로 연결이 되면 유량은 감소되어 Q1이 된다.

스로틀 V/V는 펌프의 최대 유량을 제한하는데 사용 할 수도 있다. 스로틀 V/V를 설치함으로서 시스템에서 최대 허용 유량을 제한 할 수 있다.
비록 시스템 저항 곡선이 완전이 수평(시스템 저항이 ‘0’상태)이 되더라도 유량은 결코 Q3 보다 커질 수 없다. 스로틀 V/V를 조정하여 펌프의 성능곡선이 조정 되었을 때, 펌프의 토출 압력은 그 시스템이 갖는 고유의 저항(마찰손실) 보다 더 높게 된다.

Hp = Hs + Hv

만약 펌프와 스로틀 V/V를 없애고 더 작은 펌프만 설치한다면, 펌프의 운전점은 요구되는 유량 Q1점에서 운전될 수 있다. 하지만, 펌프의 운전압력도 낮아 질 것이며, 결과적으로 소비 동력도 낮아진다.
Fig. 4.1.2 참조

4.1.2 Bypass 밸브

펌프의 성능을 조정하기 위하여 펌프 토출에 V/V를 설치하는 대신에 펌프 흡입/토출을 연결하는 Bypass V/V를 사용 할 수 있다. Fig. 4.1.3 참조

스로틀 V/V와 비교해 볼 때 Bypass V/V를 설치하면 펌프의 최소유량 QBP를 확보할 수 있으며 Bypass V/V는 전체 시스템 특성과 다른 독립적인 회로를 갖는다. 유량 Qp는 시스템 통과 유량 Qs와 Bypass 통과 유량 Qbp의 합과 같다.

Qp = Qs +Qbp

Bypass V/V는 시스템에 공급되는 최대압력 Hmax 를 제한 할 수 있다.
Fig. 4.1.3 참조. 비록 시스템의 유량이 0 일지라도, 펌프는 절대 토출 V/V가 닫힌 상태로는 운전되지 않는다. 스로틀 V/V가 있는 시스템의 경우처럼 시스템에서 요구하는 유량 Qs는 Bypass V/V를 설치하지 않고 작은 펌프
로 교체 설치한다면 공급가능하다. 이렇게 더 작은 펌프로 변경한 경우 더 낮은 유량에서 운전되며, 에너지 소비도 낮아진다.

4.1.3 임펠러 직경 수정

원심펌프의 성능을 조정할 수 있는 또 다른 방법으로는 펌프 임펠러 직경을 변경하는 방법이있다. 임펠러 직경이 감소되면 펌프의 성능도 감소된다. 임펠러 직경의 조정은 펌프를 정지시킨후 가능하다. 스로틀 V/V 방식이나 Bypass 방식과 비교해 볼 때, 위의 두 가지 방식은 운전 중에 조정 할 수 있는 이점이 있다. 그러나 임펠러 직경의 조정은 펌프의 설치하기 전이나 서비스 중에 가능하다. 다음 공식은 임펠러 직경과 펌프 성능과의 관계를 보여 준다.

위 공식은 이상적인 펌프라는 가정하에 성립되는 공식이다. 실제로 펌프 효율은 임펠러 직경이 감소 되면 감소하게 된다. 임펠러 직경이 Dx > 0.8•Dn 이내로 감소되기 때문에 효율은 불과 몇 % 이내에서 감소하게 된다. 효율 감소의 정도는 펌프 종류와 운전점(자세한 것은 펌프 고유 곡선 확인)에 따라 달라진다.

상기 공식에서 알 수 있듯이 유량과 양정은 임펠러 직경 변화의 제곱에 비례한다. 공식에 따라 운전점은 (0,0)에서 시작해 직선으로 움직이게 된다.
소비 동력의 변화는 임펠러 변화에 4제곱에 비례한다.

4.1.4 속도 콘트롤

펌프의 성능을 제어하는 마지막 방법은 회전수를 변경하며 제어 하는 방식이다. 주파수 변환기에 의한 회전수 제어 방식은 변화되는 필요 유량에 따라 펌프의 성능을 조절할 수 있는 가장 효율적인 방식이다.

아래 등식을 가지고 원심펌프의 회전수 변화에 따른 펌프 성능의 변화정도를 추정 할 수 있다.

상사법칙은 (0,0)을 지나는 포물선 형태로 nn에서 nx까지 회전수가 변해도 시스템 특성이 변하지 않는다는 전제에서 적용한다. (3.1.1절 참조.)
또한 동력 등식은 펌프 효율이 회전수가 다른 두개의 각 점(nn , nx)에서 변하지 않는 것을 나타낸다.

Fig. 4.1.5의 공식은 펌프 유량(Q)가 펌프 회전수(N)에 비례하는 것을 보여준다. 수두(H)는 회전수(n) 변화의 제곱에 비례하는 것을 보여준다. 또한 동력(P)는 회전수 변화의 세제곱에 비례하는 것을 보여준다. 어떤 경우는 회전수가 감소되면 효율이 미세하게 감소한다. 감소된 회전수(nx)에서의 효율(최대 회전수의 50% 이하 회전시의 효율 nx)은 아래의 공식에 의해 계산 될 수 있다.

만약 펌프 속도 감소에 따른 전력 절감량을 정확히 알고자 한다면, 모터와 주파수 변환기의 효율을 고려해야만 한다.

4.1.5 조정 방법간의 비교

지금까지 네 가지 다른 방식의 원심 펌프 성능 곡선 변경 방법을 기술하였으며 각 방법이 서로 어떻게 다른지 확인해 보았다. 펌프와 그 펌프의 성능 조절 방식을 고려 할 때, 그 조절 방식에 따른 QH-특성 결과를 알 수 있으며, 다른 시스템의 결과와 비교할 수 있다.

스로틀 V/V방식
스로틀 밸브 조작 방법은 Fig. 4.1.6a 처럼 펌프에 직렬로 밸브가 연결되어 있어야 한다. 이 연결은 최대 압력을 변경하지 않고 감소된 유량의 성능 곡선을 가지는 새로운 펌프로 운전 가능하게 한다. 펌프의 원래 곡선 Hn, 밸브 특성 곡선, 그리고 모든 것을 포함한 시스템 곡선 Hx.을 Fig.4.1.6b에 표시하였다.

Bypass V/V 방식
밸브가 그림 Fig. 4.1.7a 처럼 펌프의 흡/토출에 연결되어지고, 이 방식은 펌프의 최대 압력과 QH-곡선이 감소되어 특성이 변경된 새로운 펌프처럼 운전 되도록 한다. 이 곡선은 이차 포물선 곡선보다는 직선 모양이 된다.
Fig. 4.1.7b 참조

임펠러 직경 변경 방식
임펠러 직경 축소 방식은 별도의 장치도 필요하지는 않는다.
Fig. 4.1.8은 감소된 QH-curve(Hx)와 원래 크기 임펠러의 QH-curve(Hn)를 보여준다.

회전속도 변환 방식
회전수 제어 방식은 유량과 양정이 감소된 새로운 QH-curve를 만든다. 회전속도가 감소하면 펌프의 성능곡선(QH-curve)는 원래의 곡선보다 평평해지며, 유량이 감소하는 것보다 양정이 더 많이 감소하게 된다.
다른 방식과 비교해 볼 때 회전수 제어 방식은 회전을 정격 회전수 이상으로 증가시킴으로써 원래 상태의 QH-curve 보다 더 넓게 펌프 성능의 범위를 확장 할 수 있다는 장점이 있다. (Fig. 4.1.9에서 Hy-곡선 참조) 만약 이
방식(정격 회전수 이상의 운전)을 하고자 한다면, 반드시 모터의 동력을 고려 해야만 한다.

4.1.6 펌프 시스템 전체 효율

스로팅 방식과 우회 방식 모두 어느정도의 수력학적 밸브 손실 (Ploss = kQH)을 가져온다. 그렇게 되면 펌핑 시스템의 효율은 감소하게 되고 임펠러 사이즈 변경(Dx / Dn > 0.8) 방식은 펌프 효율에 큰 영향을 주지는 않는다. 이 방법은 전체적인 시스템의 효율에는 나쁜 영향을 미치지는 않는다.

회전수 조절 방식에서 펌프 정격 회전수의 50%이하로 운전하지 않는다
면 회전수 제어방식의 효율은 매우 제한된 범위 내에서 영향을 미친다.
만약 효율이 낮은 정도로 감소가 된다는 것이 확인된다면 그것은 총체적인 회전수 제어 방식의 경제적 타당성 결정에 중요하지 않다.

 4.1.7 예제 : 유량이 20%까지 감소된 경우 상관전력 소모

주어진 조건에서 유량을 60ton/h에서 50ton/h로 감소시키고 유량은 60ton/h, 양정은 70m 이고 원래의 운전점에서 펌프가 소비하게 되는 동력을 100%라고 가정했을때, 펌프의 성능 조절 방식에 따라 동력이 감소되는 값은 각각 달라진다. 각 펌프의 성능 조절 방식에 따라 소비 동력이 어떻게 달라지는지는 다음과 같다.

스로틀 V/V 콘트롤
유량이 적어지면 소비 동력은 94%로 감소가 된다. 토출 V/V 조정은 펌프 압력을 상승 시킴에 따라 (Fig. 4.1.10 참조) 어떤 펌프는 최대 소비동력이 최대 유량보다 더 낮은 유량점에서 발생되기도 한다. 이러한 경우는 소비 동력이 밸브가 잠김에 따라 증가하게 된다.

Bypass 콘트롤
시스템의 유량을 줄이기 위하여, Bypass V/V로 펌프 양정을 55m까지 떨어뜨리면 된다. 하지만 이것은 단지 펌프의 유량 증가만을 가져온다.
Fig. 4.1.11에 나타나듯이 유량은 81ton/h까지 증가될 것이며 이로인해 처음 운전점보다 10% 이상 소비 동력이 증가 한다. 증가의 정도는 펌프타입과 운전점에 의해 결정된다. 어떤 경우 P2 의 증가는 0에 가까울 것이며 특이한 경우 P2 값이 약간 감소될 수 있다.

임펠러 수정
임펠러 직경이 감소 될 때 펌프의 유량과 양정은 모두 감소된다. 유량이 20% 감소하면 처음 운전점보다 소비 동력은 67% 가까이 감소가 된다.
Fig. 4.1.12 참조

속도 콘트롤
펌프의 회전수가 제어 될 때, 유량과 양정 모두 감소하게 된다.
(Fig. 4.1.13 참조) 따라서, 소비 동력은 정속 운전시 동력에 비해 65%가 까이 감소하게 된다.
가능한 가장 높은 효율을 얻고자 할 때, 임펠러 직경 조절 방식이나 회전수 제어 방식이 펌프의 유량을 감소 시켜야 되는 시스템에서는 가장 적절한 방법이다.
펌프의 운전점을 변경해야 할 경우 만약 운전점의 변화가 없다면 임펠러의 직경을 조절하는 방식이 최상의 방식이다. 그러나 필요 유량이 변화된다면 회전수 제어 방식이 최상의 해결책이 될 것이다.