소방펌프의 운전특성과 직병렬 조합운전

 

국가화재평가원

여용주 원장(소방기술사 / 공학박사)

 

펌프의 운전점

소방펌프는 화재 시 소화수를 공급하는 매우 중요한 역할을 하므로, 적절한 성능이 나올 수 있도록 설계에서 시공 및 운영까지 정확하고 확실한 계획이 필요하다. 이와 관련하여 소방펌프에서 가장 많이 사용하는 원심펌프의 운전특성과 직병렬 조합운전특성에 대해 알아보기로 한다. 일정속도에서 운전되는 펌프의 H-Q 곡선은 체절점 Q=0에서 Q=최대까지 광범위하게 표시되지만 실제의 사용 상태에서는 관로 저항곡선과 H-Q곡선과의 교차점이 운전점이 되고 그 상태에서의 H, Q, kW 등을 결정한다.

 

1) 단독운전

그림1과 같이 펌프가 실선으로 표시된 H-Q 곡선을 가진다면 어떤 실양정을 가진 관로 저항곡선 R과의 교점A가 운전점이다. 스프링클러설비에서 관로저항곡선을 설명하자면 헤드의 감열개수에 따라 관로저항곡선은 변동된다. 설계시 소화펌프의 용량을 결정하기 위한 헤드의 기준개수 개방에 대한 용량계산은 최대 부하를 산정한 값이 되며, 계산된 펌프의 양정과 유량은 스프링클러설비의 최대 부하 운전시의 값에 해당되는 것이다.

 

<그림1 관로저항곡선과 펌프의 운전특성>

 

배관이 오래되어 경년변화에 의해 녹이나 스케일이 형성되면 관로저항곡선이 R'로 되고 운전점도 B로 이동하여 토출량은 감소하게 된다. 이렇듯 관로 저항곡선은 배관상에 저항이 커져 마찰손실이 커지거나 또는 운전유량을 줄일 경우(스프링클러의 경우 헤드의 개방개수가 작을 경우)에 우 상향 그래프의 기울기가 커지게 된다. 커질 경우에는 펌프의 H-Q 커브상의 교점이 왼쪽으로 이동하게 되어 펌프측의 토출압력은 상승하지만 토출유량은 작아지게 되는 것이다.

 

이러한 문제를 예방하기 위하여 R'인 관로저항에도 소요토출량 Q를 확보할 수 있도록 펌프 성능에 미리 여유를 주어, 점선으로 표시한 바와 같은 H-Q곡선으로 잡는 것이 필요하다. 단, 이 경우 토출밸브를 완전히 개방하여 운전하게 될 경우에는 운전점이 C로 이동하여 과다하게 토출되므로 토출밸브를 조정하여 유량조절을 실시하여야 한다. 소화설비의 설계에 있어서는, 소화펌프의 용량계산시 배관의 조도 C의 값에 이러한 경년변화를 고려하여 반영되었기 때문에 별도로 펌프의 용량에 여유율을 두지 않아도 무방하다.

 

2) 밸브제어

토출밸브 개도를 조절하는 것으로 관로저항곡선을 인위적으로 변화시켜서 토출량을 조절할 수 있다(그림2). 그림에서 밸브를 완전히 열었을 때의 교점 A가 시스템에서 얻을 수 있는 최대 유량을 표시한다. 밸브를 개도율을 작게 하면 펌프의 운전점이 H-Q 커브상에서 왼쪽으로 이동되는 볼수 있다. 이때 밸브를 전개한 상태의 양정과 개도율을 조정하였을 때의 양정의 차이가 밸브손실이 된다.

 

 < 그림2 토출밸브제어시의 펌프의 운전특성 >

 

 

3) 속도제어

펌프의 회전수를 조정하는 경우에는 펌프성능곡선상의 유량Q는 회전수에 정비례하고 양정H는 회전수의 제곱에 비례하여 변한다는 것은 이미 펌프의 상사법칙에서 서술한 바 있고, H-Q선상의 각 점의 괘적은 곡선을 따라서 변하고 유량이 0인 경우에는 원점 0에서 끝난다. 그림3에서 펌프의 회전수가 n1, n2, n3로 변하게 되면 마찬가지로 펌프의 운전점도 A1, B2, B3로 변하게 된다. 그런데 실제 운전에서는 관로저항이 있기 때문에 이론값보다 작은 값이 된다. 그림의 A1, A2, A3의 교점은 이론적인 값이며 실제 운전점은 A1, B2, B3가 된다.

 

 <그림3 속도제어 따른 펌프의 운전특성 >

 

 

4) H-Q곡선 구배의 영향

최고 효율점의 전양정에 비하여 Q = 0(체절)의 전양정이 비교적 높은 특성(급구배 특성)의 펌프는 평탄한 구배 특성의 펌프에 비하여 양정이 변동(관로저항의 변동)하여도 토출량의 변화 △Q는 작다(그림4).실양정이 거의 변화하지 않는 시스템(예를 들어 보일러 급수나 관개용 등)에서는 펌프특성이 급구배인 펌프보다도 평탄한 펌프로 하는 편이 유량 조절을 하는 토출밸브가 부담하는 압력도 작게되고, 관의 내압도도 작게 되는 이점이 있다. 만일 속도제어에 의해 유량 조절을 행하는 경우에는 펌프 특성이 급구배인 편이 평탄한 펌프보다도 정도가 좋고 안정한 조절을 할 수 있다.

 

소방용 펌프의 경우에는 완만한 구배의 H-Q 특성을 요구하고 있다. 예를 들어 체절압력은 정격압력의 1.4배를 초과하지 않도록 하여야 하며, 정격토출량의 1.5배 유량에서 정격양정의 65% 이상이어야 한다는 기준이 그러하다.

 

그렇게 완만한 구배의 H-Q 특성을 요구하는 이유는 소화배관의 경우 유량변동이 크기 때문에 넓은 유량범위에서 안정적인 방수압력을 유지하기 위해서이다. 예를 들어 스프링클러의 기준개수가 30개인 경우의 펌프 운전범위는 80 ~ 2,400 ℓ/min의 넓은 범위에서 운전될 것이기 때문이다.

 

 

펌프의 직렬 · 병렬 운전

 

2대 이상의 펌프를 이용하여 토출량을 증가시키는 경우에 병렬, 직렬의 어느 쪽이 유리한가는 관로저항곡선의 양상에 따라 정한다. 그림5에 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 직렬운전보다도 전체적으로 토출량이 크다. 또한 관로저항곡선이 R₂보다 높은 R₃와 같은 경우는 직렬 운전하는 편이 병렬 운전 보다도 토출량이 크게 된다. 실양정의 변동을 포함하여 양정이 넓은 범위로 변화하는 시스템에서는 2대의 펌프를 조합시켜서 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.

 

1) 성능이 같은 펌프의 병렬 운전

여러 대의 펌프가 공동으로 송수 본관에 접속하여 병렬 운전하는 경우에는 그림6과 같이 각 펌프의 동일 양정에 대응하는 토출량을 더하여 펌프 전체 대수의 합성 H-Q 곡선을 구할 수가 있다.

 

                  

                <그림5 동일성능의 펌프2대의 병.직렬운전>                                             <그림6 펌프3기의 병렬운전과 완만한 구배 관로저항곡선과의 운전특성>

 

 

이 합성 곡선에서 전체의 운전점은 2대 합성의 경우는 B₁이고, 3대 합성의 경우는  C₁이 되며, 그것에 대한 각 펌프마다의 운전점 B₂,또는 C₂를 그림 상에서 구한다. 그림에 의해 밝혀진 바와 같이 관로저항곡선이 일정한 경우에는 각각의 펌프 운전점의 양정은 운전 대수에 따라서 A→B₂→C₂로 변한다는 것을 알 수 있다. 펌프 합성 성능의 토출량은 각각의 성능을 단순히 대수 배하면 되지만 합성 운전점의 토출량은 1대의 운전시 대수 배하여서는 안되며, 오히려 대수가 증가함에 따라 토출량의 증가는 a〉b〉c로 작아진다. 이 경향은 관로 저항곡선이 그림7과 같이 급격하게 오른쪽 위로 올라가는 구배이고, 펌프의 H-Q곡선이 평탄한 구배를 가지는 경우 더욱 현저하다.

 

그림7의 예는 스프링클러설비에서 소화펌프를 병렬로 운전하는 경우, 화재발생 초기에 헤드의 개방개수가 적을 경우에 해당될 것이다. 즉, 소유량이 흐를 것이므로 관로저항곡선은 가파를 것이고 소화펌프는 병렬로 2기가 동시에 운전될 것이다.

 

        

 < 그림7 펌프2기의 병렬운전과 급구배 관로저항곡선과의 운전특성 >    <그림8 용량이 서로다른 펌프의 병렬운전시 송수가 양호한 상태> 

 

2) 용량이 다른 펌프의 병렬 운전

그림8에서 합성 운전점 A에서 그은 수평선이 크고 작은 각각의 단독 펌프 성능과 만나는 점이 각 펌프 개개의 운전점이 되고, 합성 운전점 A의 양정이 소용량 펌프의 최고 양정 Z보다도 낮은 경우에는 두 펌프로 공히 양수 가능하다. 단, 그림9와 같이 합류 후 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. 소화펌프에서는 화재발생시 서로 양정이 다른 충압펌프와 주펌프가 동시에 운전될 경우에 발생할 수 있다. 예를 들어 헤드의 감열개수가 적어 소유량으로 운전이 될때, 운전 압력이 두 펌프중의 체절압력보다 높은 값에서 운전될 경우, 체절압력이 운전압력보다 낮은 펌프의 경우에 송수불능이 발생하게 될 것이다.

 

 < 그림9 용량이 서로다른 펌프의 병렬운전시 소용량펌프의 송수불능 상태예시 >

 

소화펌프에서는 화재발생시 서로 양정이 다른 충압펌프와 주펌프가 동시에 운전될 경우에 발생할 수 있다. 예를 들어 헤드의 감열개수가 적어 소유량으로 운전이 될때, 운전 압력이 두 펌프중의 체절압력보다 높은 값에서 운전될 경우, 체절압력이 운전압력보다 낮은 펌프의 경우에 송수불능이 발생하게 될 것이다.

 

3) 크고 작은 2대의 펌프의 직렬 운전

그림10에 나타낸 바와 같이 용량이 크고 작은 2대의 펌프 합성 직렬성능은 각각의 단독성능의 전양정을 합하여 구하면 된다. 관로 저항곡선 R₁에서의 합성 운전점은 A로 되고, 각 펌프의 운전점은 B, C로 표시된다. 또한 관로 저항 곡선 R₂가 Z보다도 낮으면 합성 운전점은 A'로 되나 작은 펌프의 운전점 C'가 음의 양정이기 때문에, 저항으로 작용하므로 큰 펌프 1대만을 운전하는 편이 발생 양정B"로 많게 된다. 용량이 다른 펌프의 직렬운전시에는 용량이 큰 펌프의 토출측을 용량이 작은 펌프의 흡입측에 연결하여 가압되도록 할 필요가 있으며 이것을 역으로 배치하면 큰 펌프의 입구측에서 캐비테이션이 발생할 가능성이 높아진다.

 

 < 그림10 서로용량이 다른 펌프의 직렬운전 >

 

정격외 운전에 대한 이해

 

펌프의 운전에서 토출 밸브를 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 구성함으로서 외관상으로는 펌프 효율이 낮은 점에서 운전 되더라도 총 동력은 작다. 그러나 이와 같이 토출 밸브를 완전히 열어서 운전하는 경우에는 각각의 펌프는 종종 정격점을 초과한 최대 토출량 상태에서 운전되기 때문에 다음의 문제를 발생시킬 수가 있다.

 

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

● 비속도가 작은 펌프에서는 원동기에 과부하가 걸린다.

● 운전을 단독 또는 병렬운전 등 변화시킬 때에 생기는 운전점의 추이는 H-Q곡선과 관로저항곡선의 구배 여하에 따라 현저하게 양상이 변하므로 각각의 계획에 대하여 검토 하여야만 한다.

● 병렬운전시의 토출량은 펌프가동 대수대로는 되지 않으며, 오히려 가동대수를 증가할수록 1대당의 토출량은 감소하여, 물의 단위중량당의 송수 원가는 증가하게 된다.

● 그러므로 송수본관내의 유량이 계절에 따라서 큰 폭으로 변화하고, 더욱이 각각 장기간 계속되는 계통에서는 고효율 운전을 하기 위하여 소유량시에 한하여 전용인 저양정 펌프군과 대유량시 전용인 고양정 펌프군으로 나누어 설치하여, 부하에 따라서 사용하는 것이 합리적인 방법이다.

● 고양정 펌프를 정격상태 보다도 현저히 작은 유량에서 운전하면 레디얼하중(회전방향으로 작용하는 하중)과 스러스트하중(축방향으로 작용하는 하중)에 의해 베어링이나 주축의 손상이 발생하고, 회전차, 케이싱의 이상 침식이나 과열 등이 발생된다.

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 3호에 기고된 글입니다.