보일러 급수 펌프 (BFP) 용량 선정
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1. 일반
보일러 급수 펌프(BFP, Boiler Feedwater Pump)는 보일러에서 필요한 급수를 적정한 압력으로 공급해 주는 펌프로서, 발전소나 일반 열 전용 보일러 설비의 중추적인 펌프이며, 고온 고압에서 운전되는 관계로 펌프의 선정 및 운전에 있어 각별한 주의가 요구되는 펌프입니다.
보일러 급수 펌프 계통의 대표적인 구성은, 아래 그림과 같이 탈기기(Deaerator)로부터 급수를 흡입하여 고압 급수 가열기(High Pressure Feed Water Heater)를 거쳐 보일러 드럼(Drum)에 급수를 공급하는 것입니다.
일반 열 전용 보일러 설비의 경우에는, 발전소와 유사하나, 증기 압력이 저압인 관계로 대부분의 경우 탈기기가 설치되지 않으므로, 회수되는 응축수(Condensate)와 보급수(Make-up Water)가 합쳐지는 보급수 탱크로부터 급수를 흡입하여 고압 급수 가열기를 거치지 않고 바로 보일러에 공급되는, 아래 그림과 같이 구성됩니다.
한편 보일러 급수 펌프가 탈기기나 보급수 탱크와 같이 급수 저장소에서 흡입하지 않고, 다른 펌프의 토출측에서 직접 흡입하는 경우도 있습니다.
그중 하나는, 아래 그림에서와 같이, 탈기기에서 흡입하지만 급수 펌프가 주 급수 펌프와 가압 펌프(Booster Pump)로 나뉘어져 있는 경우로, 주 급수 펌프 입장에서 보면 다른 펌프의 토출측에서 흡입하는 경우입니다. 이러한 구성은 대부분 보일러 급수 펌프가 고온 고압인 대용량 발전소에서 주로 채택되는데, 주 급수 펌프 바로 상류측에 회전수가 낮은 가압(Boosting) 펌프를 설치하여 펌프 계통의 요구 NPSH (NPSH required)를 낮추기 위한 것입니다. 즉, 주 급수 펌프와 가압 펌프를 동일한 전동기의 서로 다른 쪽에 설치하되 가압 펌프나 주 급수 펌프측에 기어를 설치하여 서로의 회전수를 달리하는 것입니다. 하지만, 이 경우 초기 엔지니어링 단계에서는 가압 펌프의 용량이나 수두(Head)를 별도로 계산하지 않으며, 가압 펌프를 포함한 급수 펌프 일체를 하나의 펌프로 생각하여 선정한 후, 급수 펌프 제작 업체에서 한 대의 펌프로는 구매 사양서에 명기된 요구 NPSH 값을 맞출 수 없어서 가압 펌프를 추가한 경우에, 아래 6절에서 설명되는 참 흡입 수두의 적정성을 검토합니다.
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한편, 주 급수 펌프와 가압 펌프사이에 급수 가열기 (Feed Water Heater) 가 설치되는 경우도 있는데, 고압 급수 가열기의 값이 고온 급수 펌프에 비해 상대적으로 비싼 경우에 급수 가열기의 설계 압력을 낮출 목적으로 사용합니다. 그러나, 최근에는 급수 가열기의 설계 및 제작 기술이 발달하여 고압 급수 가열기의 값이 저렴해져서 많이 사용되지는 않습니다.
다른 하나는, 아래 그림에서와 같이, 복수기(Condenser)에 탈기 기능이 추가되어 있는 탈기 복수기(Deaerating Condenser)를 사용하는 경우로, 이 경우에는 별도의 탈기기 없이 복수기 출구측에 설치된 응축수 펌프(Condensate Extraction Pump)의 토출측 응축수가 바로 급수 펌프에 흡입되는 경우입니다.
보일러 급수 펌프의 구동기로는 전동기나 증기 터빈을 사용하는데, 일반적으로 대용량 발전소에서는 증기 터빈 구동 방식을 많이 채택하며, 중소형 발전소에서는 전동기 구동 방식을 주로 채택합니다. 대용량 발전소인 경우에는, 구동 마력이 너무 커서 그만한 용량의 전동기가 없어 터빈을 사용하기도 하지만, 증기 터빈을 이용하는 경우에는 용이하게 구동 회전수를 조정할 수가 있어, 부분 부하에서 낮은 회전수로 운전함으로써 구동 마력을 줄일 수 있기 때문에 채택되기도 합니다. 전동기를 사용하는 경우에도 유체 커플링(Hydraulic Coupling)이나 변속 전동기(Variable Speed Motor)를 사용하여 부분 부하에서의 구동 마력을 줄일 수 있습니다.
보일러 급수 펌프를 증기터빈으로 구동하는 경우에는, 발전소 기동시 펌프 구동용 증기가 없으므로, 별도의 전동기 구동 기동 급수 펌프(Motor-driven Start-up BFP)를 설치하거나 혹은 구동용 증기를 공급할 수 있는 보조 보일러 설비를 별도로 두어야 합니다. 기동 급수 펌프의 용량은, 보일러가 안정적으로 운전될 수 있는 최저 부하인 약 30%에서 40% 정도의 용량으로 선정합니다.
2. 정격 용량(Rated Capacity) 선정 (차례)
보일러 급수 펌프의 정격 용량은 토출(Discharge) 용량으로 정의되며, 토출 용량은 펌프 최종단 출구 용량을 포함하여 펌프 중간단에서 추기되는 용량도 포함됩니다. 펌프의 흡입 유량은 펌프 평형 드럼 누수 유량등 펌프 자체에서 필요한 유량들을 고려하여 펌프 제작자가 선정합니다.
이러한 보일러 급수 펌프의 정격(토출) 용량은 보일러의 최대 연속 정격 유량(Boiler Maximum Continuous Rating, BMCR)을 기준으로 선정합니다.
보일러의 BMCR은, 발전소의 경우에는 발전기를 구동하는 증기 터빈의 유량을 기준으로 선정하며, 열 전용 설비의 경우에는 공정 증기의 사용량을 기준으로 선정합니다.열 전용 보일러의 경우에는 보일러 용량이 작고 저압인 관계로 값이 비싸지 않아 여유있게 보일러 용량을 선정해도 큰 무리는 없으나, 발전용 보일러의 경우에는 용량이 크고 고압인 관계로 값이 비싸고 전력 소모량이 많아 용량 선정에 신중을 기해야 합니다.
발전용 증기 터빈의 용량을 정의하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 가장 많이 사용되는 용량 및 그 정의는 다음과 같습니다.
영문 약어 | 영문 및 한글 | 정의 |
VWO | Valve Wide Open (Rating) | 증기 터빈의 설계나 제작 여유를 고려한, 증기 터빈의 증기 유로(Steam Path) 설계 유량 정격으로, VWO 정격에서의 터빈 입구 증기 유량은 PGR에서의 유량보다 5% 크게 선정합니다. VWO 정격이란 증기 터빈의 조속 밸브(Governing Valves)가 완전히 개방된 상태에서 운전되는 정격을 의미합니다. |
밸브 완전 개방 (정격) | ||
TMCR | Turbine Maximum Continuous Rating | TMCR은 PGR과 동일한 정격이 될 수도 있으나, 증기 터빈 증기 유로 설계에 있어서 약간의 유량 여유를 갖기 위하여, PGR과 동일한 출력을 생산하되 일부 주요 설계 변수의 최악 조건을 고려한 출력일 수도 있습니다. 예를 들면, PGR은 복수기 냉각수의 평균 온도에 대해 설계되어 있는 반면, TMCR은 냉각수 최고 온도에서의 출력일 수도 있습니다. 이 경우에, TMCR의 증기 터빈 입구 증기 유량은 PGR에서의 증기 유량보다 약간 크게 선정되나, VWO 유량보다는 작습니다.. |
터빈 최대 연속 정격 | ||
PGR | Performance Guarantee Rating | 말 그대로 터빈 제작자가 성능을 보증하는 정격입니다. |
성능 보증 정격 |
발전용 보일러의 BMCR을, 증기 터빈의 어느 정격을 기준으로 선정하느냐는 발전소 건설에 관여하는 사람들의 관점이나 건설되는 발전소의 목적에 따라 달라질 수 있습니다. 미국 엔지니어링 회사의 영향을 많이 받은 한국 전력 공사의 발전소는 대부분 보일러 BMCR을, 증기 터빈의 VWO 정격 유량으로 선정합니다. 반면, 유럽의 발전소나 국내의 민간 업자가 건설하는 발전소의 경우에는 TMCR이나 PGR의 증기 터빈 입구 유량을 보일러의 BMCR 유량으로 선정합니다.
미국 엔지니어링 회사들이 증기 터빈의 VWO 유량을 보일러 BMCR 유량으로 선정하는 것은 다음과 같은 이유이므로, 그 적용 여부에 신중을 기해야 합니다.
미국의 대표적인 증기 터빈 제작 업체인 General Electric(GE)사의 VWO 열정산도에는 다음과 같은 주석이 붙어 있습니다.
CALCULATED DATA - NOT GUARANTEED |
Rating flow is ##### M at inlet steam conditions of @@@ P and $$$ T. |
To assure that the turbine will pass this flow, considering variations in flow coefficients from expected values, shop tolerances on drawing areas, etc., which may affect the flow, the turbine is being designed for a design flow (rating flow plus 5.0 percent) of &&&&& M." |
위 설명에 기술 되어 있듯이, VWO 유량은, 성능 보증 조건에서의 증기 터빈 입구 유량인 Rating Flow(= ##### M)에 설계나 제작을 위한 여유 5% 더한 유량(= &&&&& M)입니다. 즉, VWO유량은 발전소의 성능 보증을 위한 정격 유량이 아니며, 단지 증기 터빈이 보증 성능을 내도록 선정한 증기 터빈 자체의 설계 유량인 것입니다.
예를 들어, 펌프를 발주하는 경우에 펌프 제작 업체에서는 발주한 펌프의 보증 용량을 맞추기 위하여 펌프 회전익(Impeller)의 설계 유량을 발주 유량보다 크게 선정합니다. 이는 GE가 VWO 열정산도에 주석을 달아 놓았듯이, 설계나 제작시의 오차를 고려하여 여유를 갖고 설계 유량을 선정하는 것입니다. 하지만, 펌프 제작자의 설계 유량을 기준으로 엔지니어링 회사에서 펌프 흡입 배관을 선정하지는 않습니다. 발주한 펌프의 정격 유량을 기준으로 엔지니어링 회사 자체의 기준 여유를 고려하여 펌프 흡입 배관을 선정합니다.
그러므로, 보일러 BMCR을, 증기 터빈의 VWO 유량으로 선정하는 것은 너무 많은 여유를 고려하는 결과를 초래합니다. 왜냐하면, 보일러의 BMCR은 보일러 제작자의 입장에서 보면,성능 보증 용량이므로, 보일러 제작자도 BMCR을 보증하기 위해서 보일러의 설계 유량을 그보다 크게 선정하기 때문입니다.
하지만 이는 전적으로 발주자와 관련 엔지니어링 회사의 판단에 따른 문제로, 발주자나 엔지니어링 회사가 더 많은 여유를 선호한다면, VWO 유량을 기준으로 보일러 BMCR을 선정한다고 해서 결코 잘못된 것은 아닙니다. 단지, 보일러 BMCR 용량이 크게 선정되는 경우에는, 보일러 초기 투자비가 증가하여 발전소 경제성이 나빠진다는 점만 다를 뿐입니다.
한편, GE의 경우에는 일반적으로 발전기의 용량도 증기 터빈 VWO 조건에서의 출력을 기준으로 선정합니다. 이는, 설계나 제작이 잘되어서 증기 터빈이 VWO 유량을 모두 통과시키고 그에 따라 증기 터빈 출력이 VWO 열정산도에 나타난 출력을 모두 내는 경우에는, 그만큼의 발전을 더 하겠다는 의도가 숨어 있는 것입니다. 이러한 경우에, 보일러 BMCR 용량을 VWO 유량 기준으로 선정했다면, 발전소는 정격 용량 이상의 발전 용량을 낼 수 있는 행운을 갖게 됩니다. 이는 보증 조건이 아니기 때문에, 일종의 행운이라고 할 수 있습니다.
유럽이나 일본의 대부분의 증기 터빈 제작자들은 VWO 라는 용어도 사용하지 않지만, VWO 열정산도도 제출하지 않습니다. 그리고 발전기도 VWO 용량에 대해 선정하지 않습니다. 이러한 경우에, 엔지니어링 회사 임의로 정격 유량에 5% 여유를 더한 후, 이를 VWO 유량이라고 가정하고, 이를 보일러 BMCR 용량으로 선정하는 것은 잘못된 것입니다. 즉, 증기 터빈이 확실히 통과시킨다는 보장도 없는 유량을 기준으로 보일러 BMCR 용량을 선정한다는 것도 문제이고, 설령 증기 터빈이 다행히도 가정한 VWO 유량을 통과시켜 증기 터빈 축에서 VWO 출력이 나온다고 해도 발전기 용량이 VWO 출력을 기준으로 선정되지 않았기 때문에 증기 터빈을 VWO 유량에서 운전할 수도 없습니다. 그러므로, 이러한 경우에 VWO 유량을 기준으로 선정한 보일러 BMCR 용량은 단지 필요 이상의 여유일 뿐이며, 발전소의 경제성만 나쁘게 할 뿐입니다.
미국의 어느 유명한 엔지니어링 회사의 설계 지침서에는, 이렇게 VWO 유량을 보일러 BMCR 유량으로 선정하는 이유를, 증기 터빈이 잘못 제작되어 PGR 운전시 더 많은 증기를 요구하는 경우나, 나중에 증기 터빈이 노후되고 효율이 떨어져 더 많은 증기를 필요로 하는 경우를 대비하기 위한 것이라고 설명하고 있습니다. 하지만, 잘못 제작될 가능성이나 노후되는 것은 증기 터빈에만 있는 것이 아니고 보일러에도 동일하게 적용되기 때문에, 이러한 관점에서 본다면 보일러 용량만 키울 것이 아니라 증기 터빈의 용량도 원하는 PGR 용량보다 키워야 하며, 이렇게 되면 발전소 용량 자체가 커지는 결과를 초래합니다.
한편, 5% 초과 압력(Over-Pressure)운전에 대해 설계되는 발전소의 경우에는 실제로 5% 초과 압력 운전이 발생하므로, 보일러 BMCR 유량을 5% 초과 압력에서의 증기 터빈 유량을 기준으로 선정해야 합니다. 증기터빈의 통과 유량은 입구 압력에 정비례하므로, 5% 초과압력에 대한 증기터빈 열정산도가 없는 경우에는 정격유량에 5%를 더하여 선정하면 됩니다.
보일러 BMCR이 어떻게 선정되던지 간에, 보일러 급수 펌프는 보일러에서 필요한 급수를 원활히 공급하는 것이 목적이므로, 보일러 급수 펌프의 정격 용량은 보일러 BMCR을 기준으로 하여 다음과 같은 방법으로 선정합니다..
보일러 급수 펌프 토출 정격 용량 | Rated discharge capacity of BFP | ||
= | 보일러 BMCR 유량 | = | Boiler BMCR flow |
+ | 보일러 브로우 다운 유량 | + | Boiler blow-down flow |
+ | 기타 유량 | + | Other flows |
+ | 5% 서지 여유 | + | 5% surge margin |
+ | 5% 마모 여유 | + | 5% wear margin |
주) | 1. | 기타 유량(Other flows)은 증기 터빈 입구와 급수 펌프 토출구 사이에서 공급되어야 하는 모든 정상 운전 유량을 포함합니다. 보일러의 검댕 제거기(Soot blowers) 유량은 간헐적으로 공급되는 유량이므로 일반적으로 기타 유량에 포함되지 않으나, 발주처나 엔지니어링 회사의 자체 설계 표준에 의해 추가하는 경우도 있습니다. |
2. | 드럼과 같은 저수조가 있는 보일러에 급수를 공급할 때, 해당 저수조의 수위 조절 계통의 정상적인 조정 편차에 의해 공급 유량이 반복적으로 늘고 줄고 할 수 있습니다. 이러한 현상을 서지(Surge)라고 일컫는데, 급수 펌프 용량 선정시 이러한 서지를 고려하여 4%에서 6% 범위의 여유를 주어야 합니다. 대용량 발전소에서는 낮은 쪽의 4% 값을 일반적으로 사용하며, 중소형 발전소에서는 일반적으로 5% 혹은 6%를 사용하는데, 이들 값은 일반적으로 해당 프로젝트에 관여하는 발주처나 엔지니어링 회사의 자체 설계 표준에 의해 결정됩니다. 이러한 서지 여유는 드럼 형식 보일러용 보일러 급수 펌프에만 적용하며, 드럼이 없는 관류형 보일러(Once-through Boiler)에는 적용하지 않습니다. 펌프에 있어서 서지(Surge)란, 토출측에 저수조가 있고 펌프 유량-수두 곡선에 변곡점이 있는 경우에 펌프 특성에 의해 유량이 반복적으로 늘고 줄어드는 현상을 일컫는데, 보일러 급수 펌프 경우에는 일반적으로 변곡점이 없으므로, 보일러 급수 펌프에서 서지란 이러한 펌프의 전형적인 서지가 아니고, 앞에서 설명한 수위 조절 계통의 조정 편차에 의한 서지라고 볼 수 있습니다. | |
3. | 서지 여유 외에 급수 펌프 운전에 따른 마모를 고려해, 마모(Wear) 여유를 고려합니다. 대용량 발전소에서는 낮은 쪽의 4% 값을 일반적으로 사용하며, 중소형 발전소에서는 일반적으로 5% 혹은 6%를 사용하는데, 이들 값은 일반적으로 해당 프로젝트에 관여하는 발주처나 엔지니어링 회사의 자체 설계 표준에 의해 결정됩니다. 여유 값을 서지와 마모로 분리하여 선정하는 이유는, 다음에 설명되는 급수펌프 수두 계산시 마모 여유에 의한 유량은 계산에서 제외되기 때문입니다. | |
4. | 전동기(Motor) 구동 급수 펌프나 발전용 증기 터빈에 의해 구동되는 급수 펌프의 경우, 전력 계통의 주파수 변동에 의해 구동기의 회전수가 낮아져, 펌프의 상사 법칙에 의해 펌프 용량이 비례로 줄어드는 것을 고려해 여유를 추가로 고려해야 한다는 견해도 있습니다. 이러한 여유도 일종의 서지 여유로 볼 수 있는데, 수위 조절 계통의 서지와 이러한 구동기의 회전수에 의한 서지가 동시에 발생한다고 가정하는 것은 너무 과잉 여유를 초래하므로, 추가로 주파수 변동을 대비한 서지 여유를 고려하는 것은 바람직하지 않습니다. |
3. 토출 수두(Discharge Head) 선정 (차례)
펌프의 수두를 선정할 때 항상 그 수두 선정 기준 유량이 있어야 합니다. 왜냐하면 펌프의 수두는 유량에 따라 변하기 때문입니다. 보일러 급수 펌프의 토출 수두 선정 기준 유량은 급수 펌프의 정격(토출) 용량입니다.
그리고, 보일러 급수 펌프의 토출 수두 선정 기준 압력으로는, 급수 펌프 정격 용량의 선정 기준 유량인 보일러 최대 정격 용량(BMCR)에서의 보일러 출구 압력을, 사용합니다. 발전소 보일러 급수 펌프의 경우에 증기 터빈 입구 압력을 기준으로 토출 수두를 선정하기도 하는데, 이 경우에 보일러의 여유(Margin) 고려 여부에 따라 BMCR과 터빈의 기준 용량이 다를 수가 있으며, 이때 그 다른 기준 용량에 따라 터빈 기준 압력을 다시 계산해야 하는 등, 혼동의 여지가 많아 보일러 급수 펌프의 본래 급수 공급 목적물인 보일러의 용량 및 압력을 기준으로 보일러 급수 펌프 용량 및 토출 수두를 선정하는 것이 바람직합니다.
기본적으로 보일러 급수 펌프의 토출 압력은 보일러 출구 압력에, 급수 펌프 출구로부터 보일러 출구까지의 마찰 손실 수두(Friction Loss Head) 와 위치 수두(Static or Elevation Head)를 더해 계산하며, 그 내용들을 항목별로 살펴보면 다음과 같습니다.
앞에서 설명하였듯이, 급수 펌프 용량 선정시 사용한 보일러 최대 정격 용량에서의 보일러 출구 압력을 보일러 급수 펌프 토출 수두 선정 기준 압력으로 사용합니다.
보일러 급수 펌프 토출 계통은 마찰 수두 측면에서 2부분으로 나뉘어 집니다. 한 부분은 급수 펌프 토출구에서 보일러 절탄기(Economizer)입구 혹은 보일러 드럼 입구(절탄기가 없는 경우)까지의 급수 계통이며, 다른 한 부분은 보일러 절탄기 입구 혹은 드럼 입구에서부터 보일러 출구까지의 보일러 내부계통입니다.
급수 계통의 마찰 손실 수두는 직접 계산해야 하는 반면, 보일러 내부의 마찰 손실 수두는 보일러 제작 업체가 제출한 손실 수두를 그대로 사용합니다.
가. 손실 수두 계산 유량
급수 계통의 마찰 손실 수두 계산 유량은 급수 펌프 정격 용량에서 마모 여유(Wear Margin) 유량을 뺀 유량입니다. 이렇게 단지 마모 여유 유량만을 빼고, 서지 여유(Surge Margin) 유량을 빼지 않은 이유는, 급수 펌프 용량 산정시 적용한 서지 여유는 유량의 변동폭을 의미하므로, 보일러 급수 계통에서 흐를 수 있는 최대 유량은 서지 여유를 더한 유량이기 때문입니다.
나. 마찰 손실 여유
계산에 의해 산출된 마찰 손실은 실제 배관이나 기기의 제작 상태에 따라 약간의 오차를 나타낼 수 있습니다. 이러한 오차를 감안하고 적정한 여유를 갖는 마찰 손실을 구하기 위해서 계산에 의해 산출된 마찰 손실은 10%의 여유를 고려해 줍니다.
한편, 보일러 계약서의 경우 일반적으로 보일러 계약자 공급 범위 내의 압력 손실은 보증 항목으로 규정하는데, 이렇게 보증 항목으로서 제공된 제작자의 마찰 손실은 여유를 더하지 않고 그대로 사용합니다. 한편, 제작자의 사양에 표시되어 있다 할지라도, 표시된 마찰 손실이 보증 항목이 아닌 경우에는, 계산된 마찰 손실과 마찬가지로 10%의 여유를 고려합니다.
3.3.1 위치 수두 기준 높이
위치 수두를 계산 할 때 그 기준 높이가 정확해야 합니다. 정확해야 한다는 말은 읽는 사람에 따라 기준 위치를 다르게 판단하지 않을 수 있는 기준 높이를 선정해야 한다는 말입니다. 이미 설치되어 있는 펌프의 수두를 계산하는 경우에는 정확한 기준 높이를 설정하는데 어려움이 없지만, 구매를 위한 펌프의 수두를 결정하는 경우에는 펌프의 크기가 결정되지 않은 상태라, 기준 높이에 대하여 설계자와 제작자간에 혼동을 초래할 수 있습니다.
토출 수두와 흡입 수두의 차로 계산되는 펌프의 총 수두(Total Head)는 사실상 그 기준 높이의 정확성이 그렇게 중요하지는 않지만, 그 높이의 위치가 중요한 토출 수두(Discharge Head)나 흡입 수두(Suction Head), 특히 유효 흡입 수두(NPSH)의 경우 정확한 기준 높이 선정이 무엇보다 중요합니다.
펌프의 위치 수두 기준 높이로 가장 적절한 것이 펌프 수두 기준(Pump Datum)이며, 펌프 수두 기준은 펌프의 수두를 측정하는 기준 평면으로, 다음 그림과 같이 펌프 형식별로 약간씩 차이가 납니다.
하지만 펌프 수두 기준은 펌프의 설계가 완료된 후에나 결정되기 때문에, 구매를 위한 수두 계산시에는 위치 수두 기준선으로 펌프 수두 기준을 사용하지 않고, 펌프 수두를 계산하는 사람이나 제작하는 사람이 혼동없이 정확히 알 수 있고 결정할 수 있는 펌프 설치 바닥 높이(Pump Mounting Elevation)를 사용합니다.
그리고 구매 사양서에는, 주어진 수두 값들이 모두 펌프 설치 바닥 높이 기준임을 명시해 줍니다.
3.3.2 위치 수두
압력에 따라 다르지만 증기의 밀도는 일반적으로 물 밀도의 1/20 이하 수준으로, 증기에 의한 위치 수두는 물에 의한 위치 수두에 비해 무시할 정도로 작으므로, 보일러 내부 증기 계통의 위치 수두는 급수 펌프 수두 계산시 고려하지 않으며, 단지 물 계통의 위치 수두만 고려합니다.
기수 분리선이 명확한 드럼 형식 보일러의 위치 수두는, 보일러 드럼의 정상 수위(Normal Water Level)에서 급수 펌프의 수두 기준선까지의 높이 차이로 계산됩니다. 보일러 드럼 수위로 고수위(High Water Level)를 고려할 수도 있는데, 실제 운전 상황에서 보일러 드럼 고수위가 상당한 시간 동안 지속되는 경우는 없으므로, 굳이 고수위를 기준으로 급수 펌프 위치 수두를 계산할 필요는 없습니다.
일반적인 드럼 형식 보일러 계약서에는 과열기(Superheater) 및 절탄기(Economizer)의 마찰 손실 수두와 위치 수두를 별도의 보증 항목으로 규정하는데 반하여, 관류형(Once-through) 보일러의 경우에는 기수 분리선이 일정하지 않은 관계로 위치 수두와 마찰 손실 수두를 분리할 수 없어, 위치 수두와 마찰 손실 수두를 포함한 보일러의 전체 압력 손실을 보증하며, 이 경우에 보증된 보일러 전체 압력 손실은 마찰 손실 수두의 일부로서 계산하고, 급수 펌프의 위치 수두는 보일러의 급수 공급 입구점의 높이와 급수 펌프 설치 바닥의 높이 차이로 계산합니다.
기기의 높이는 운전 상황에 따라 바뀌지 않으므로, 계산된 위치 수두는 여유를 고려하지 않고 계산된 수치를 그대로 사용합니다.
ASME Section I, Rules for Construction of Power Boilers, PG-61.1과 PG-61.5에는 다음 사항을 규정하고 있습니다.
PG-61 FEEDWATER SUPPLY |
PG-61.1 |
Except as provided for in PG-61.3, PG-61.4, and PG-61.5, each source of feeding shall be capable of supplying water to the boiler at a pressure of 3% higher than the highest setting of any safety valve on the boiler. |
PG-61.5 |
A forced-flow steam generator with no fixed steam and waterline shall be provided with a source of feeding capable of supplying water to the boiler at a pressure not less than the expected maximum sustained pressure at the boiler inlet, as determined by the boiler manufacturer, corresponding to operation at maximum designed steaming capacity with maximum allowable working pressure at the superheater outlet. |
PG-61.1의 내용은, 드럼 형식 증기 보일러 급수 펌프의 경우, 보일러 안전 밸브(Safety Valve)의 최고 설정 압력보다 3% 높은 압력으로 보일러에 급수를 할 수 있는 능력이 있어야 한다는 내용입니다. PG-61.1에서 예외 규정으로 기술한 PG-61.3은 보일러 급수 연결 노즐 크기에 대한 규정이며, PG-61.4는 고온수 보일러에 대한 규정이며, PG-61.5는 아래에 설명된 바와 같이 관류형 보일러에 대한 규정입니다.
PG-61.5의 내용은, 일정한 기수 분리선이 없는 관류형 보일러 급수 펌프의 경우, 과열기 출구에서의 최대 허용 압력에서 최대 설계 용량으로 보일러가 운전될 때, 보일러에 급수를 할 수 있는 능력이 있어야 한다는 내용입니다.
이들 두 내용들은, 보일러가 최대 압력에서 운전되는 경우에도 보일러 급수 펌프는 보일러에 급수를 할 수 있는 능력이 있어야 한다는 내용인데, 사실상 그 때의 요구 급수 유량은 규정하고 있지 않습니다. Code에서 요구 급수 유량을 규정하지 않은 이유를 기술하지는 않았지만, 그 이유는 아마도 이러한 최대 압력이 발생하는 경우는 비상 사태로서, 보일러는 이전 부하로 계속 운전되지 않으며 바로 부하 감발을 하거나 운전 정지 단계에 돌입할 것이므로, 보일러 급수 펌프의 정격 용량보다 낮은 용량에서 이러한 최대 압력 요구 사항을 만족시키면 된다는 것으로 해석할 수 있습니다. 이러한 비상 사태의 경우, 어떠한 이유에서든지 요구하는 열 흡수량보다 많은 열이 흡수되어, 보일러 압력이 상승하게 되고, 그렇게 상승된 압력에서 증기는 계속적으로 분출되므로, 보일러 급수 펌프의 압력이 부족해 보일러 급수가 중단되면, 보일러 드럼이나 수냉벽 튜브의 물이 모두 증발되어 과열에 의한 보일러 파손이 발생합니다. 이러한 사태를 방지하기 위하여 보일러 급수 펌프의 토출 수두는 이러한 최대 압력에서도 보일러에 급수를 할 수 있는 능력이 있어야 하는데, 굳이 정격 용량에서 이러한 최대 압력 요구를 만족시킬 필요는 없으며, 원심 펌프의 경우 유량이 감소하면 압력이 상승하는 특성이 있으므로, 보일러 급수 펌프 선정시 약 70% 이상의 용량에서 이러한 최대 압력 요구를 만족시킬 수 있는 펌프로 선정하면 무리가 없을 것으로 판단됩니다. 비교적 정확한 용량 선정이 요구되는 경우에는, 보일러의 부하 감발 능력과 드럼/수냉벽의 물 보유량을 고려하여, 보일러 제작 업체와 협의해 결정하면 될 것으로 사료됩니다.
토출 수두의 일반적인 계산 방법은 다음과 같습니다.
보일러 급수 펌프 토출 정격 수두 | Rated discharge head of BFP | ||
= | 보일러 최대 정격 용량(BMCR)에서의 보일러 출구 압력 | = | Boiler outlet pressure at Boiler Maximum Continuous Rating(BMCR) |
+ | 보일러 입구에서 출구까지의 보일러 업체 보증 마찰 손실 수두 | + | Guaranteed friction head provided by boiler manufacturer, from boiler inlet to outlet. |
+ | 급수 펌프 토출구에서 보일러 입구끼지 급수 계통의 계산된 마찰 손실 수두 x 1.1 | + | Calculated friction head of feed water system from BFP discharge to boiler inlet x 1.1 |
+ | 위치 수두 (드럼 정상 수위 높이 - 펌프 설치 바닥 높이) | + | Static head (Normal drum water level elevation - Pump mounting floor elevation) |
4. 흡입 수두(Suction Head) 선정 (차례)
보일러 급수 펌프의 흡입 수두는, 정격(혹은 VWO) 용량에서의 탈기기 압력에 탈기기의 위치 수두를 더하고, 흡입 배관의 마찰 손실을 빼서 계산합니다.
탈기기의 위치 수두는, 탈기기에 설정되어 있는 급수 펌프 정지 수위 높이에서 급수 펌프설치 바닥 높이를 뺀 값이며, 여유를 고려하지 않습니다.
흡입 배관의 마찰 손실 계산 유량은, 토출측 마찰 손실 계산 유량에서 급수 펌프 내부에서 유출입되는 유량을 가감하여 선정하며,계산된 마찰 손실은 토출측과 마찬가지로 10%의 여유를 더합니다.
탈기기의 설치 높이는, 다음 절에서 설명되는 급수 펌프의 NPSH 요구 사항을 만족시키는 높이에 설치되어야 합니다.
탈기기에서 흡입하는 보일러 급수 펌프 흡입 정격 수두 | Rated suction head of BFP taking suction from a deaerator | ||
= | 정격(혹은 VWO) 용량에서의 탈기기 압력 | = | Deaerator pressure at rated(or VWO) capacity |
+ | 위치 수두 (탈기기 급수 펌프 정지 수위 높이 - 펌프 설치 바닥 높이) | + | Static head gain (BFP trip deaerator water level elevation - Pump mounting floor elevation) |
- | 흡입 배관 계통 마찰 손실 x 1.1 | - | Calculated friction head loss of suction piping system x 1.1 |
주) | 1. | 탈기기의 압력으로 열정산도상에 나타난 압력을 그대로 사용하지 않고, 탈기기 공급 압력의 일상적인 변동폭(Fluctuation)을 고려해 탈기기 압력을 2% 낮추어서 적용하는 경우가 있습니다. 하지만, 일반적으로 탈기기의 압력이 높지 않고, 탈기기 압력의 2%에 해당하는 수두가 급수 펌프의 총 수두에 비해 미미할 정도로 작으므로 무시해도 됩니다. |
2. | 흡입 배관의 마찰 손실 계산 유량은, 급수 펌프 토출측 계산 유량에 급수 펌프 내부에서 유출입되는 유량을 가감하여 선정하며,계산된 마찰 손실은 토출측과 마찬가지로 10%의 여유를 더합니다. |
탈기기를 설치하지 않고, 복수기에서 탈기하는 경우에 응축수 펌프에서 펌핑되는 급수가 바로 보일러 급수 펌프 흡입측에 흡입되는 경우입니다. 한편, 탈기기에서 흡입하되 가압(Boosting) 펌프가 설치되는 경우도 주 급수 펌프 측면에서 보면, 이 경우에 해당하는데, 이 경우에는 가압 펌프와 주 급수 펌프를 분리하여 용량 선정하는 경우에만 해당됩니다.
이러한 경우 급수 펌프의 흡입 수두는, 흡입 수두 계산 유량에서의 응축수 펌프(혹은 가압 펌프)의 토출 압력에서, 보일러 급수 펌프와 응축수(혹은 가압 펌프) 설치 바닥 높이 사이의 위치 수두를 빼고, 다시 보일러 급수 펌프와 응축수(혹은 가압 펌프) 사이의 배관 및 급수 가열기의 마찰 손실을 빼서 계산합니다. 계산된 마찰 손실에는 10%의 여유를 더합니다.
응축수 펌프나 가압 펌프의 토출 압력은, 다음에 설명되는 급수 펌프의 NPSH 요구 사항을 만족하는 압력이어야 합니다.
다른 펌프 토출측에서 흡입하는 보일러 급수 펌프 흡입 정격 수두 | Rated suction head of BFP taking suction from a booster pump | ||
= | 흡입측 펌프 토출 압력 | = | Suction-side pump discharge pressure |
- | 위치 수두 (급수 펌프 설치 바닥 높이 - 흡입측 펌프 설치 바닥 높이) | - | Static head loss (BFP mouting floor elevation - Booter pump mounting floor elevation) |
- | 흡입측 배관 및 급수 가열기 마찰 손실 x 1.1 | - | Calculated friction head loss of suction piping and feed water heaters x 1.1 |
주) | 1. | 흡입측 펌프 토출 압력 기준 유량이나 흡입 배관의 마찰 손실 계산 유량은, 급수 펌프 토출측 계산 유량에 급수 펌프 내부에서 유출입되는 유량을 가감하여 선정하며, 계산된 마찰 손실은 토출측과 마찬가지로 10%의 여유를 더합니다. |
급수 펌프의 총 수두는, 위에서 계산된 토출측 수두에서 흡입측 수두를 빼 계산합니다.
급수 펌프 총 정격 수두 | Rated BFP total head | ||
= | 펌프 토출 수두 | = | Pump discharge head |
- | 펌프 흡입 수두 | - | Pump suction head |
일반적인 펌프의 경우에는, 위에서 계산된 흡입 수두에서 펌핑 유체의 증기압(Vapor Pressure)을 빼, 가용 NPSH (NPSH available)를 계산하여, 계산된 가용 NPSH보다 작은, 요구 NPSH (NPSH required)를 갖는 펌프를 선정하면 됩니다.
하지만, 탈기기에서 흡입 하는 급수 펌프의 경우에는, 탈기기에 공급되는 가열 증기의 갑작스러운 중단에 뒤이어 발생하는 급격한 압력 강하에 의한 가용 NPSH의 감소를 고려해야 합니다. 이러한 가용 NPSH 강하 양은, 탈기기의 물 저장 용량, 급수 펌프 흡입 배관의 물 저장 용량, 가열증기 공급 중단 시작 시점에서의 탈기기 초기 엔탈피 및 가열증기 공급 중단 이후에 탈기기로 유입되는 응축수의 엔탈피 등에 의해 좌우되는데, 그 계산 방법은 별도의 탈기기 압력 강하(Pressure Decay) 페이지에서 다루기로 하며,여기서는 그러한 추가적인 가용 NPSH의 강하와 함께 펌프 과유량(Run-out) 운전에 따른 요구 NPSH 증가까지 고려하여, 급수 펌프의 요구 NPSH를 선정하는 방법을 소개하고자 합니다.
6.1.1 급수 펌프가 병렬 운전되는 경우
급수 펌프뿐만 아니라, 여러 대의 펌프가 병렬 운전되는 경우에는 항상 발생할 수 있는 문제인데, 과유량(Run-out) 운전에 의한 펌프의 요구 NPSH 증가입니다. 여러 대의 펌프가 병렬 운전되는 상황에서 1대 이상의 펌프가 여하한 이유에서든가 갑작스럽게 정지하게 되면, 정지하지 않고 계속 운전되는 나머지 펌프의 유량이 증가하게 되고, 그에 따라 펌프의 요구 NPSH도 증가하게 됩니다.
보일러 급수 펌프에서 고려할 수 있는 최악의 경우가, 병렬 운전 상황에서 운전 중인 펌프 일부가 갑작스럽게 운전 정지되고, 그 이후에 바로 탈기기 가열 증기 계통의 공급 증기가 갑자기 감소하거나 중단되는 경우입니다. 이러한 상황에서는, 탈기기 압력 강하에 의해 급수 펌프의 가용 NPSH가 감소하고, 동시에 병렬 운전 중인 급수 펌프에 과유량 상태가 발생하여 급수 펌프의 요구 NPSH가 증가하게 되는 최악의 NPSH 상황이 발생합니다. 그러므로, 탈기기에서 흡입하는 병렬 운전 급수 펌프는 이러한 상황을 고려하여 가용 NPSH를 계산하고, 그렇게 계산된 가용 NPSH가 설치되는 급수 펌프의 과유량 요구 NPSH보다 작은 경우에는 탈기기의 높이를 조정해야 합니다.
펌프 자료가 없는 초기 설계 단계에서부터, 설치될 급수 펌프의 자료가 확정되는 시점까지 NPSH에 따른 급수 펌프 흡입 계통의 설계 변수를 결정하는 과정은 다음과 같습니다.
급수 펌프 NPSH에 따른 탈기기 높이 선정 (병렬 운전 펌프) | |
1) | 과거의 경험을 기준으로, 정격 유량과 과유량(Run-out) 상태에서의 급수 펌프 유량과 요구 NPSH를 가정합니다. 병렬 운전 중인 펌프에 최대 과유량이 걸리는 조건은, 운전 중인 다른 모든 펌프가 정지되고, 오직 1 대의 펌프만이 남아 운전될 때입니다. 보일러 급수 펌프가 병렬 운전되는 대부분의 경우는 50% 2대가 운전되는 경우가 일반적이며, 이 경우 과유량에서의 펌프 유량은 정격 유량의 120%로 가정하고, 요구 NPSH는 정격 유량에서의 요구 NPSH의 145%로 가정하면 적정합니다. |
2) | 과유량을 기준으로 탈기기 압력 강하에 의한 가용 NPSH 강하량을 계산합니다. 과유량은 급수 펌프 1대 기준의 과유랑이며, 2대 값을 사용하면 안됩니다. 2대가 동시에 과유량이 걸리는 경우는 없습니다 (2대 병렬 운전시). |
3) | 과유량을 기준으로 탈기기에서 급수 펌프까지 흡입 배관 계통의 마찰 손실을 계산합니다. |
4) | 1), 2), 3)에서 계산된 값들, 즉 과유량에서의 펌프 요구 NPSH, 과유량에서의 탈기기 압력 강하에의한 가용 NPSH 강하량, 흡입 배관 계통의 마찰 손실을 더하고, 그 값에 10% 여유를 더해서, 탈기기 높이에 의해 확보해야 하는 급수 펌프의 최저 가용 NPSH(NPSH avaiable) 값을 계산합니다. 즉, (탈기기 급수 펌프 운전 정지 수위 높이 - 급수 펌프 설치 바닥 높이) 한 값이, 최저 가용 NPSH 값보다 같거나 커야 합니다. 이렇게 NPSH 값들과 마찰 손실만을 더해 탈기기의 높이를 결정하는 배경에는, 탈기기 내부의 급수가 포화수라는 가정이 깔려 있습니다. 한편, 흡입 수두 계산시 탈기기 압력의 일상적인 변동폭(Fluctuation) 2%를 고려한다할지라도, 이곳에서 계산되는 탈기기의 높이는 탈기기 압력의 2%에 해당하는 높이만큼 올릴 필요는 없습니다. 그 이유는, 고려하는 탈기기 압력 변동이 급수 펌프의 총 수두를 여유있게 확보하기 위한 목적이지 NPSH의 여유를 확보하기 위한 것이 아니므로, 그러한 압력 변동이 충분한 시간을 갖고 천천히 진행되는 것으로 간주하여, 압력 변동이 되더라도 탈기기의 내부의 급수 온도는 탈기기 압력의 포화온도로 계속 유지되는 것으로 볼 수 있기 때문입니다. |
5) | 1) 단계에서 가정한, 급수 펌프 정격 유량에서의 요구 NPSH를 기준으로 급수 펌프 구매 사양을 작성하여 급수 펌프를 구매한 후, 펌프 제작자로부터 유량-수두(H-Q) 선도와 요구 NPSH 선도를 입수합니다. |
6) | 급수 펌프 계통의 H-Q 선도를 작성합니다. 급수 펌프 계통의 수두 선도(System Curve) 작성 방법은 별도의 장에서 다루기로 하겠습니다. 작성된 계통 수두 선도와 펌프 1대의 유량-수두 선도를 겹쳐서 과유량을 선정한 후, 펌프 요구 NPSH 선도로부터 과유량에서의 요구 NPSH를 선정합니다.(아래 그림 참조) 과유량 운전 상태에서는 보일러의 급수 요구량이 급수 펌프의 펌핑 능력보다 커서, 보일러 수위 조절 밸브는 전개(Full Open0 상태를 유지하므로, 계통 수두 선도와 펌프 유량-수두 선도로부터 과유량을 찾아낼 때 보일러 수위 조절 밸브에서의 압력 강하는 전개 상태에서의 압력 강하량을 적용해야 합니다. |
7) | 6) 단계에서 선정한 실제 펌프의 과유량과 요구 NPSH를 사용하여, 2), 3), 4) 단계를 반복하여 선정한 탈기기의 높이가 적정한지 확인하고, 적정하지 않을 때는 탈기기의 높이를 조정합니다. |
주) | 1. | 급수 펌프 구동기가 전동기 구동이거나 혹은 발전용 증기 터빈의 축에 의해 구동되어 항상 일정한 속도로 운전되는 경우에는, 정격 회전 속도에서의 펌프 H-Q 선도 및 요구 NPSH 선도를 사용하지만, 급수 펌프가 자체 증기 터빈에 의해 구동되는 경우에는, 최악의 경우 구동 증기 터빈이 정격 회전 속도의 105%까지도 상승할 수 있으므로, 105% 정격 속도에서의 펌프 H-Q 선도 및 요구 NPSH 선도를 사용합니다. 105% 정격 속도에서의 과유량은 정격 속도에서의 정격 유량의 130%로 가정하고, 과유량에서의 요구 NPSH는 정격 속도, 정격 유량 값의 170%로 가정합니다. |
6.1.2 급수 펌프가 단독 운전되는 경우
급수 펌프가 단독 운전되는 경우에도, 위에 설명된 병렬 운전 경우와 동일하되, 단지 과유량이 존재하지 않으므로, 과유량 대신에 정격 유량의 105% 유량(최대 유량)을 적용합니다.
펌프의 H-Q 선도가 없는 초기 단계에서는, 최대 유량에서의 펌프 요구 NPSH를, 정격 유량에서의 펌프 요구 NPSH의 123%로 가정합니다. 그리고 최대 속도가 정격 속도의 105%까지 올라갈 수 있는, 자체 증기 터빈 구동 급수 펌프의 경우에는, 123% 대신에 130%를 사용합니다.
6.2 다른 펌프 토출측에서 흡입하는 급수 펌프 (차례)
다른 펌프 토출측에서 흡입하는 급수 펌프의 구성은 다양한 구성이 있을 수 있으나, 여기서는 일반적으로 자주 사용되는 2가지 경우에 대해서만 살펴보기로 하겠습니다.
6.2.1 주 급수 펌프와 가압(Boosting) 펌프로 구성되어 있고, 가압 펌프가 탈기기에서 흡입하는 경우
대개 초기 엔지니어링 단계에서 주 펌프와 가압 펌프로 나누어 설계하지는 않으며, 탈기기의 높이를 더 이상 높일 수 없거나 혹은 펌프의 압력과 급수 온도가 비교적 높아, 구매 사양에 제시된 급수 펌프 요구 NPSH가 일반적인 상용 펌프로서 맞추지 못하는 경우, 제작자가 급수 펌프의 요구 NPSH를 낮출 목적으로 가압 펌프를 설치하여 공급합니다.
즉, 초기 단계에서는 앞 절에 기술된, 탈기기에서 흡입하는 급수 펌프와 동일한 방법으로 요구 NPSH를 선정하고, 선정된 요구 NPSH를 구매 사양에 기술하여 급수 펌프를 구매합니다. 그리고 구매된 급수 펌프에 가압 펌프가 설치되어 있는 경우에는, 가압 펌프의 NPSH를 확보하기에 탈기기의 높이가 적정한지, 그리고 주 급수 펌프의 NPSH를 확보하기 위해 가압 펌프의 수두가 적정한지를, 다음과 같은 방법으로 확인합니다.
여기서는, 직렬로 연결된 주 급수 펌프와 가압 펌프 2열이 병렬로 운전되는 경우에 대해서만 기술하며, 단독 운전되는 경우에는 과유량 대신에 110%의 최대 유량을 사용하면 됩니다. 주 급수 펌프나 가압 펌프가 별도의 자체 증기 터빈에 의해 구동되는 경우에는, 정격 회전 속도 대신에 105% 정격 회전 속도에서의 펌프 H-Q 선도 및 요구 NPSH 선도를 사용합니다
가압 펌프의 NPSH 확보를 위한 탈기기 높이 확인 (병렬 운전 펌프) | |
1) | 급수 펌프 계통의 H-Q 선도를 작성합니다. 펌프 제작자로부터 접수한 주 급수 펌프와 가압 펌프의 H-Q 선도를 사용해, 아래 그림과 같이 주 급수 펌프와 가압 펌프 직렬 운전 H-Q 선도를 작성합니다. 계통 H-Q 선도와 직렬 운전 H-Q 선도를 겹쳐서 직렬 운전 펌프 1열의 과유량을 선정합니다. 가압 펌프(Booster Pump, 주 급수 펌프가 아님)의 요구 NPSH 선도에서, 선정된 과유량에서의 가압 펌프 요구 NPSH를 선정합니다.(아래 그림 참조) |
2) | 직렬 운전 펌프 1열의 과유량을 기준으로, 탈기기 압력 강하(Pressure Decay)에 의한 가압 펌프 흡입측의 유효 NPSH 강하량을 계산합니다. |
3) | 직렬 운전 펌프 1열의 과유량을 기준으로, 탈기기에서 가압 펌프까지 흡입 배관 계통의 마찰 손실을 계산합니다. |
4) | 1), 2), 3)에서 계산된 값들, 즉 과유량에서의 가압 펌프 요구 NPSH, 과유량에서의 탈기기 압력 강하에의한 가압 펌프 흡입측 유효 NPSH 강하량, 가압 펌프 흡입 배관 계통의 마찰 손실을 더하고, 그 값에 10% 여유를 더해, 탈기기 높이에 의해 확보해야 하는 가압 펌프의 최저 유효 NPSH 값을 계산합니다. 그리고, 초기 엔지니어링시 선정한 (탈기기 급수 펌프 운전 정지 수위 높이 - 가압 펌프 설치 바닥 높이)가 계산한 최저 유효 NPSH 보다 같거나 큰지 확인하고, 작을 때는 탈기기의 높이를 올리거나, 탈기기의 높이를 더 이상 올리기 어려울 때는, 구매 사양의 요구 NPSH를 낮추어서 더 낮은 요구 NPSH를 갖는 가압 펌프를 구매하도록 합니다. |
주 급수 펌프의 NPSH 확보를 위한 가압 펌프의 최저 수두 확인 (병렬 운전 펌프) | |
1) | 직렬 운전 펌프 1열의 과유량에서, 주 급수 펌프의 요구 NPSH를 구합니다. |
2) | 직렬 운전 펌프 1열의 과유량을 기준으로, 탈기기 압력 강하에 의한 주 급수 펌프 흡입측의 유효 NPSH 강하량을 계산합니다. 이때 적용하는 주 급수 펌프의 흡입 배관은, 탈기기에서 가압 펌프 흡입측까지의 배관에 추가로, 가압 펌프와 주 급수 펌프 사이에 설치되는 배관 및 급수 가열기(설치되는 경우)도 포함해야 합니다. |
3) | 직렬 운전 펌프 1열의 과유량을 기준으로, 탈기기에서 주 급수 펌프까지 흡입 배관 계통의 마찰 손실을 계산합니다. |
4) | 가압 펌프에서 급수가 가압되면, 펌프의 마찰 손실에 의해 급수의 온도가 상승하게 되며, 급수의 온도가 상승하면 NPSH의 기준 온도인 포화 증기 압력이 높아져서 주 급수 펌프의 유효 NPSH가 감소합니다. 대부분의 경우 가압 펌프에서의 급수 온도 상승은 무시할 정도로 미미하나, 가압 펌프에서의 압력 상승이 큰 경우에는 이 값을 계산합니다. 즉, (가압 펌프 출구 급수 온도에서의 포화 압력 - 가압 펌프 입구 급수 온도에서의 포화 압력) * 급수 비체적 |
5) | 주 급수 펌프와 가압 펌프 사이에 급수 가열기(Feed water heaters)가 설치되는 경우에는, 당연히 급수 가열에 의한 급수의 포화 압력 상승에 의해 주 급수 펌프의 유효 NPSH 가 감소하며, 이 값을 계산합니다. 즉, (주 급수 펌프 입구 급수 온도에서의 포화 압력 - 가압 펌프 출구 급수 온도에서의 포화 압력) * 급수 비체적 |
6) | 급수 가열기 출구의 급수 온도는, 급수 가열기에 공급되는 가열 증기, 즉 증기 터빈 추기 증기 혹은 보조 증기 헤다로부터 공급되는 증기의 압력에 비례합니다. 그러므로, 가열 증기의 압력의 변동에 따라 주 급수 펌프 흡입측에 공급되는 급수의 온도도 변동될 수 있습니다. 이러한 급수 가열기 가열 증기 압력의 변동폭을 고려하여, 주 급수 펌프 상류측의 급수 가열기 공급 압력의 10% 상승할 때 급수의 포화 압력 상승에 의한 주 급수 펌프의 유효 NPSH 감소 값을 계산합니다. 즉, (정격 혹은 VWO 출력 조건, 급수 가열기 가열 증기 압력의 110% 압력에서의 가열기 출구 급수 온도에 해당하는 포화 압력 - 정격 혹은 VWO 출력 조건, 급수 가열기 가열 증기 압력에서의 가열기 출구 급수 온도에 해당하는 포화 압력) * 급수 비체적 |
7) | 1), 2), 3), 4), 5), 6)에서 계산된 값들을 더하고, 그 값에 10% 여유를 더해, 가압 펌프 수두 및 탈기기 높이에 의해 확보해야 하는 주 급수 펌프의 최저 유효 NPSH 값을 계산합니다. 계산된 주 급수 펌프의 최저 유효 NPSH 값에서, (탈기기 급수 펌프 운전 정지 수위 높이 - 주 급수 펌프 설치 바닥 높이)를 빼서, 가압 펌프에서 확보해야 하는 최저 수두 값을 계산합니다. |
8) | 가압 펌프의 H-Q 선도에서, 직렬 운전 펌프 1열의 과유량에서의 가압 펌프 수두를 읽어, 그 값이 위에서 계산한 최저 수두 값보다 작은 경우에는, 제작자에게 가압 펌프의 정격 수두를 그 만큼 높여 다시 설계토록 요구합니다. |
6.2.2 급수 펌프가 응축수 펌프 토출측에서 직접 흡입하는 경우
급수 펌프가 응축수 펌프 토출측에서 직접 흡입하는 경우는, 탈기 기능이 있는 복수기를 설치하는 경우이며, 대개의 경우 응축수 펌프와 급수 펌프 사이에 저압 급수 가열기가 설치됩니다. 물론, 급수 펌프와 응축수 펌프 사이에 다시 가압 펌프가 설치되는 경우는 없습니다. 그러므로, 위에 설명된, 탈기기에서 흡입하는 주 급수 펌프 및 가압 펌프의 경우와 동일한 계산 방법을 사용하되, 단지 다음 사항을 고려하면 됩니다.
- 가압 펌프 대신에 응축수 펌프가 사용되므로, 가압 펌프 용어 대신에 응축수 펌프를 적용하면 됩니다..
- 가압 펌프의 NPSH는 탈기기의 높이로 확보하나, 응축수 펌프의 NPSH는 원통(Can) 형식의 수직 원심 펌프(VerticalPump) 경우 원통 깊이에 의해 NPSH를 확보하며, 수평 원심 펌프의 경우에는 수평 원심 펌프가 설치되는 지하 구조물의 깊이에 의해 NPSH를 확보합니다. 그러므로, 가압 펌프에서 확인하는 탈기기의 높이 대신에, 응축수 펌프 설치 바닥 높이로부터 복수기의 응축수 펌프 정지 수위까지의 높이 차이를 확인합니다.
- 복수기에서는, 탈기기에서와 같이 공급 증기의 갑작스러운 중단에 의한 응축수 펌프의 가용 NPSH 감소 현상이 없습니다. 탈기기에서 발생하는 가용 NPSH 감소는, 탈기기에 공급되는 가열 증기가 갑작스럽게 중단된 상태에서 낮은 온도의 응축수가 갇혀진 증기 공간으로 뿌려져, 탈기기 내부의 증기 압력이 응축에 의해 갑자기 붕괴됨으로써 발생하는 현상인데, 복수기의 경우에는 증기 터빈으로부터 갑자스럽게 증기 공급이 중단된다 하더라도, 갇힌 증기 공간에 뿌려지는 응축수가 없기 때문에 응축수 펌프의 급격한 가용 NPSH 감소 현상은 없습니다. 그러므로, 위의 계산식에서 탈기기 압력 강하(Pressure Decay)에 의한 응축수 펌프 및 급수 펌프 흡입측의 유효 NPSH 강하량을 계산하지 않습니다.
6.3 펌프의 요구 NPSH (NPSH required) (차례)
펌프 제작자가 제시하는 요구 NPSH 값은 대개 3% 수두 강하 요구 NPSH (3% Head Drop NPSH required)입니다.
펌프 제작 시험시 일정한 토출 압력하에서 흡입측 압력을 낮추어 가면, 펌프의 유량이 변화하면서 펌프의 총 수두(Total Head)가 (다단 펌프인 경우에는 제 1단의 총 수두) 성능 곡선을 따라 완만하게 변화하는데, 흡입 압력이 어느 일정 값에 도달하면 펌프의 총 수두가 갑자기 떨어지는 현상을 나타냅니다. 이렇게 갑자기 펌프 총 수두가 떨어지는 이유는 증기 공동(Cavitation) 현상에 의한 것입니다. 시험시 증기 공동 현상이 발생하기 시작하는 시점, 즉 총 수두가 떨어지기 시작하는 시점을 인지하기 어려우므로, 총 수두가 3% 강하하는 시점의 흡입 압력을 기준으로 NPSH 값을 계산해 펌프의 요구 NPSH 값으로 제시하며, 이렇게 제시된 펌프의 요구 NPSH 값이 3% 수두 강하 요구 NPSH입니다.
3% 수두 강하가 발생한 시점은 어느 정도 증기 공동 현상이 발생한 이후 시점으로, 엄밀히 말해서는 가용 NPSH(NPSH available) 값이 3% 수두 강하 요구 NPSH 값과 동일한 경우에는 이미 증기 공동 현상이 발생했다고 볼 수 있습니다. 하지만, 설치되는 대부분의 펌프의 경우 가용 NPSH 값이 3% 수두 강하 요구 NPSH 값보다 크기만 하면 증기 공동 현상에 의한 문제가 없다는 것이 경험에 의해 입증되었습니다.
그러나, 펌프의 총 수두가 200 meters를 넘거나 펌프 1단의 마력이 300 HP를 넘는 고 에너지(High Energy) 펌프의 경우에는 문제가 있을 수 있으며, 이러한 고 에너지 펌프의 경우에는 가용 NPSH 값이 3% 수두 강하 요구 NPSH 값보다 어느 정도의 여유를 갖고 커야 합니다.
참고 문헌 1에 기술된 어느 고 에너지 펌프 연구에 의하면 가용 NPSH 값이 0%에서 1% 사이의 수두 강하를 나타내는 값일 경우에 증기 공동 현상에 의한 손상이 가장 컸던 펌프도 있었다고 합니다. 이러한 현상은 특히 흡입 압력이 커서 펌프의 회전익 입구(Impeller Eye) 원주 속도가 큰 펌프에서 심하다고 합니다.
하지만 이러한 현상은 고 에너지 펌프에서 항상 일어나는 것도 아니고, 일반적인 기준으로는 예측이 불가능하므로, 각각의 펌프마다 제작자와 협의하여 가용 NPSH가 가져야 하는 여유 값을 선정하는 것이 바람직합니다.
제작자가 제시한 펌프의 요구 NPSH 값이 몇% 수두 강하에서의 요구 NPSH 값인지 명확하지 않은 경우에는, 제작자에게 % 수두 강하 기준을 확인해야 하며, 제시된 요구 NPSH 값이 0% 수두 강하 값이 아닌 경우에는 가용 NPSH 값을 선정하기 위한 제작자 추천 여유 값을 확인하여, 제시된 요구 NPSH 값에 제작자 추천 여유 값을 더해 계통 설계시 펌프의 요구 NPSH 값으로 사용해야 합니다.
위의 2,3,4, 5절에 기술된 급수 펌프 정격 용량 및 토출/흡입 수두, 총 수두는, 운전되는 급수 펌프 전체에 대한 것이므로, 급수 펌프가 병렬 운전되는 경우에는 계산된 정격 용량을, 병렬 운전되는 급수 펌프 대수로 나누어 각각의 급수 펌프 용량을 계산하여야 합니다. 단, 병렬 운전되는 급수 펌프의 토출 및 흡입 수두, 총 수두는 급수 펌프 전체에 대해 계산된 값을 그대로 사용하여야 합니다. 50% 용량의 급수 펌프 3대를 설치하는 경우의 예를 들어 설명하면 다음 표와 같습니다.
항목 | 급수 펌프 전체에 대한 값 | 50%용량 급수 펌프의 사양 |
정격 용량, m3/hr | 1000 | 500 |
토출 수두, m | 2200 | 2200 |
흡입 수두, m | 100 | 100 |
충 수두, m | 2100 | 2100 |
한편, 6절에서 설명하였듯이 병렬 운전하는 펌프에서 일부 펌프만 운전되는 경우에는 과유량이 흐르게 됩니다. 이러한 과유량에서는 NPSH만 증가하는 것이 아니고, 펌프의 축 마력(Brake Horse Power, BHP)도 증가합니다. 그러므로, 병렬 운전되는 급수 펌프의 구동기(전동기 등) 출력은, 정격 용량에서의 축 마력을 기준으로 선정하면 안되며, 과유량에서의 축 마력을 기준으로 선정하여야 합니다. 즉, 구매 사양에 급수 펌프이 정격 유량을 기입하여 구매를 하되, 구동기의 출력은 과유량을 기준으로 선정하여야 한다고 기술하여야 하며, 제작자가 과유량을 선정할 수 있도록 급수 펌프 계통 H-Q 선도를 구매 사양에 첨부하여야 하며, 추후에 구매된 급수 펌프의 구동기 출력이 적정한지도 확인해야 합니다.
참고 문헌 : (차례)
1. ANSI/HI 1.1-1.5-1994, American National Standard for Centrifugal Pumps for Nomenclature, Definitions, Application and Operation
Copyright (c) 2000 - 2001 ENGSoft Inc., Seoul, Korea, All right reserved. [출처] 보일러급수펌프(bfp) 선정
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전정섭
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