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펌프 운전 중에는 다양한 현상이 발생할 수 있으며, 이는 펌프의 성능 저하 및 손상으로 이어질 수 있습니다. 다음은 펌프 운전 중 주요 현상인 캐비테이션, 수격, 서징에 대한 설명과 방지 대책입니다.
1. 캐비테이션(Cavitation)
1) 현상 설명:
캐비테이션은 펌프 흡입 측의 압력이 액체의 증기압 이하로 낮아질 때 액체 내에 기포가 생성되고, 이 기포들이 펌프 임펠러의 고압 영역으로 이동하면서 갑자기 터지는 현상입니다. 이때 발생하는 충격파는 임펠러 표면에 심한 손상을 일으키고, 소음과 진동을 유발하며 펌프 효율을 저하시킵니다.
2) 발생 원인:
- 흡입 압력 부족: 흡입 탱크의 수위가 너무 낮거나 흡입 배관의 손실이 클 경우 발생합니다.
- 높은 액체 온도: 액체의 증기압이 높아져 캐비테이션 발생 가능성이 커집니다.
- 펌프 회전 속도 과다: 임펠러 주변의 압력을 급격하게 낮춰 캐비테이션을 유발할 수 있습니다.
- 흡입 배관 막힘 또는 밸브 과도한 조절: 흡입 측의 흐름을 방해하여 압력 강하를 일으킵니다.
- 펌프 설치 높이 과다: 흡입 양정이 너무 높으면 흡입 압력이 낮아집니다.
3) 방지 대책:
- 흡입 압력 증가:
- 흡입 탱크 수위 유지 및 증가
- 흡입 배관 직경 확대 및 배관 손실 최소화 (엘보, 밸브 개수 줄이기)
- 흡입 배관 막힘 여부 점검 및 청소
- 흡입 측 밸브 적절히 개방
- 액체 온도 낮추기: 가능하면 펌핑 액체의 온도를 낮춥니다.
- 펌프 회전 속도 적절히 조절: 펌프의 설계 운전 속도를 준수합니다.
- 펌프 설치 높이 낮추기: 흡입 양정을 최소화하여 흡입 압력을 확보합니다.
- 충분한 NPSH 확보: 펌프 제조사에서 제시하는 필요 흡입 수두(NPSHr)보다 실제 흡입 가능 수두(NPSHa)가 충분히 크도록 시스템을 설계하고 운전합니다.
- NPSHa 계산: 대기압 + 흡입 탱크 수위 - 흡입 배관 손실 - 액체의 증기압
- 캐비테이션 방지 기능이 있는 펌프 사용: 특정 환경에서는 캐비테이션에 강한 재질의 임펠러나 특수 설계된 펌프를 고려합니다.
2. 수격(Water Hammer)
1) 현상 설명:
수격은 배관 내 흐르는 유체의 속도가 갑자기 변할 때 발생하는 압력 파동 현상입니다. 펌프의 갑작스러운 기동 및 정지, 밸브의 급격한 개폐 등이 원인이 되어 발생하며, 배관 파손, 펌프 손상, 소음 발생 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.
2) 발생 원인:
- 펌프의 급격한 기동 및 정지: 유체의 흐름 속도가 순간적으로 변하면서 압력 파동이 발생합니다.
- 밸브의 급격한 개폐: 특히 급하게 닫히는 밸브는 유체의 흐름을 갑자기 차단하여 높은 압력 서지를 유발합니다.
- 배관 내 공기 존재: 배관 내에 갇힌 공기가 압력 파동을 증폭시켜 수격 현상을 악화시킬 수 있습니다.
3) 방지 대책:
- 펌프의 점진적인 기동 및 정지: 인버터 등을 사용하여 펌프의 속도를 서서히 변화시킵니다.
- 밸브의 천천히 닫히는 타입 사용: 급격한 유량 변화를 방지하기 위해 슬로우 클로징 밸브를 사용합니다.
- 에어 챔버 또는 서지 탱크 설치: 압력 파동을 흡수하여 압력 상승을 완화시키는 장치를 설치합니다.
- 압력 릴리프 밸브 설치: 과도한 압력 상승 시 자동으로 압력을 방출하여 배관 및 펌프를 보호합니다.
- 체크 밸브 설치: 펌프 정지 시 역류를 방지하여 수격 발생 가능성을 줄입니다.
- 배관 설계 시 고려: 배관의 지지대를 강화하고, 배관 경로를 최적화하여 압력 파동의 영향을 최소화합니다.
- 배관 내 공기 제거: 에어 벤트 또는 에어 릴리즈 밸브를 설치하여 배관 내 공기를 주기적으로 제거합니다.
3. 서징(Surging)
1) 현상 설명:
서징은 주로 원심형 압축기나 펌프에서 나타나는 불안정한 유동 현상으로, 유량과 압력이 주기적으로 크게 변동하는 것을 특징으로 합니다. 이는 펌프의 성능 저하, 진동 및 소음 증가, 심한 경우 펌프 손상을 유발할 수 있습니다.
2) 발생 원인:
- 펌프의 최소 유량 이하 운전: 펌프의 설계 운전 범위보다 훨씬 낮은 유량으로 운전될 때 발생하기 쉽습니다.
- 높은 배출 압력: 시스템의 배출 압력이 너무 높으면 유량이 불안정해져 서징이 발생할 수 있습니다.
- 시스템 설계 문제: 배관 시스템의 특성이나 연결 방식이 서징을 유발할 수 있습니다.
- 임펠러 또는 케이싱 내부의 유동 불안정: 특정 운전 조건에서 임펠러나 케이싱 내부의 유동이 불안정해져 서징이 발생할 수 있습니다.
3) 방지 대책:
- 펌프의 최소 유량 이상 유지: 펌프 제조사에서 제시하는 최소 연속 운전 유량 이상으로 운전합니다.
- 바이패스 라인 설치: 펌프의 최소 유량 확보를 위해 바이패스 라인을 설치하고, 필요시 유량을 순환시킵니다.
- 다단 펌프 운전 조절: 여러 대의 펌프를 병렬 운전하는 경우, 운전 대수를 조절하여 각 펌프가 적정 유량 범위에서 운전되도록 합니다.
- 가변 속도 드라이브(VSD) 사용: 펌프의 회전 속도를 조절하여 시스템 요구에 맞는 유량을 공급하고, 저유량 운전을 피합니다.
- 안정적인 시스템 설계: 배관 시스템을 설계할 때 서징 발생 가능성을 고려하고, 필요한 경우 완충 장치 등을 설치합니다.
- 적절한 펌프 선정: 시스템 요구 조건에 맞는 적절한 성능 곡선을 가진 펌프를 선정합니다.
- 운전 점검 및 유지보수: 펌프의 운전 상태를 주기적으로 점검하고, 임펠러나 케이싱 내부의 이상 유무를 확인합니다.
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