게시판 > 질답게시판 > Pump NPSH관련, Pressure Drop과 NPSHr값을 구하는 실험방법이 궁금합니다.

Stefano

22-09-09 23:55

(A1)Pump Suction위치라고 하면 바로 Impeller Eye입구를 말하는데 그 위치에서 (정압 및 동압)압력을 측정하고자 한다면 그곳에 Pitot Tube를 설치하면 될 것입니다만 실제 운전되는 펌프에서 이곳의 압력을 측정하는 경우는 거의 없습니다. Pump의 입구 Nozzle에서 Impeller Eye까지의 거리는 대부분 무시할 만하게 가까운 간격으로 떨어져 있습니다.

Pump Impeller에 흘러들어오는 유체는 Impeller Eye부분으로 유입된 후 직각으로 꺾여 Impeller의 원심방향으로 유체가 흘러가면서 회전하여 원주방향으로 고속회전하게 됩니다. 원심펌프의 원리는 바로 고속회전할 때 원주방향 속도가 펌프배출노즐의 유속으로 줄어들면서 정압으로 나타나게 되는 것이지요.

Impeller 내부에서의 정압과 동압을 동시에 측정하기는 어렵지만 Pump Vendor는 유체흐름 Simulation Program을 이용하여 각 위치에서의 전체 Head를 계산해 낼 수 있을 것입니다.

(A2) NPSH값은 측정으로 얻어질 수 없습니다. 그 이유는 계산수식에 나타나 있는 "액상에서 증기압"을 실제로 압력계 등으로 측정할 수 없기 때문입니다.

API Std. 610 관련 질문 내용중 <NPSHr값을 ... NPSH3%라고 봤을 때...>라고 언급했는데 이는 NPSH값이 달라진다는 이야기가 아니고 각 측정유량에서 Pump 배출 압력이 3%이하로 성능이 떨어지지 않도록 하기 위해 필요로 하는 NPSHr 값을 기준으로 Performance Chart를 만들어 달라는 의미입니다. .

NPSH값이 거론되는 이유는 Pump Impeller가 액을 흡입하여 유체선속도를 가속하기 시작하는 지점 (이곳이 가장 압력이 낮은 곳이라고 간주되는 곳)에서 <액이 증발될 우려가 있는지 그렇지 않은지>를 점검해 보기 위한 것입니다.

만일 Suction Nozzle(Impeller 입구 바로 앞)에서의 NPSH값이 0일 된다면 액이 가속되면서 운동에너지가 증가하게 되면 그 위치에서의 정압이 떨어지게 되고 정압이 증기압 이하로 떨어지기 시작하면 액이 바로 증발되기 시작하게 될 것입니다. 만일 그리되면 Impeller에 액의 증기가 채워지게 되고 그리되면 Impeller의 고유기능인 <액을 고속으로 회전시켜 원심력을 크게 늘여주어야 하는 기능>은 사라지고 액의 밀도의 약 1/500 ~1/1200 정도밖에 되지 않는 증기만 고속으로 회전시킬 뿐이라서 압력을 상승시킬수 없습니다. 이런 현상을 "Cavitation" 현상이라고 하지요.

여기서 더욱 큰 문제는... 증발된 증기가 Impeller 중심부에서 원심방향 쪽으로 압축되면서 다시 순식간에 응축이 일어나 Impeller와 Casing에 아주 큰 충격을 주게 되어 액충격으로 펌프가 파손되는 현상이 나타날 수 있습니다.

Pump Impeller에 흘러들어오는 유체는 Impeller Eye부분으로 유입된 후 직각으로 꺾여 Impeller의 원심방향으로 유체가 흘러가면서 회전하여 원주방향으로 고속회전하게 됩니다.  원심펌프의 원리는 바로  고속회전할 때 원주방향 속도가 펌프배출노즐의 유속으로 줄어들면서 정압으로 나타나게 되는 것이지요.

Impeller 내부에서의 정압과 동압을 동시에 측정하기는 어렵지만  Pump Vendor는 유체흐름 Simulation Program을 이용하여 각 위치에서의 전체 Head를 계산해 낼 수 있을 것입니다.

(A2) NPSH값은 측정으로 얻어질 수 없습니다.  그 이유는 계산수식에 나타나 있는 "액상에서 증기압"을 실제로 압력계 등으로 측정할 수 없기 때문입니다.

API Std. 610  관련 질문 내용중 <NPSHr값을 ...  NPSH3%라고 봤을 때...>라고 언급했는데 이는 NPSH값이 달라진다는 이야기가 아니고  각 측정유량에서 Pump 배출 압력이 3%이하로 성능이 떨어지지 않도록 하기 위해 필요로 하는  NPSHr 값을 기준으로 Performance Chart를 만들어 달라는 의미입니다.   .

NPSH값이 거론되는 이유는  Pump Impeller가 액을 흡입하여 유체선속도를 가속하기 시작하는 지점 (이곳이 가장 압력이 낮은 곳이라고 간주되는 곳)에서  <액이 증발될 우려가 있는지 그렇지 않은지>를 점검해 보기 위한 것입니다.

만일 Suction Nozzle(Impeller 입구 바로 앞)에서의  NPSH값이 0일 된다면 액이 가속되면서 운동에너지가 증가하게 되면 그 위치에서의 정압이 떨어지게 되고 정압이 증기압 이하로 떨어지기 시작하면 액이 바로 증발되기 시작하게 될 것입니다.   만일 그리되면 Impeller에 액의 증기가 채워지게 되고 그리되면  Impeller의 고유기능인 <액을 고속으로 회전시켜 원심력을 크게 늘여주어야 하는 기능>은 사라지고 액의 밀도의 약 1/500 ~1/1200 정도밖에 되지 않는 증기만 고속으로 회전시킬 뿐이라서 압력을 상승시킬수 없습니다.   이런 현상을 "Cavitation" 현상이라고 하지요.

여기서 더욱 큰 문제는... 증발된 증기가 Impeller 중심부에서 원심방향 쪽으로 압축되면서 다시 순식간에 응축이 일어나  Impeller와 Casing에 아주 큰 충격을 주게 되어 액충격으로 펌프가 파손되는 현상이 나타날 수 있습니다.

피곤한곰돌… chaser72

22-09-10 22:26

상세한 답변 감사합니다!
관련하여 아래와 같이 추가적인 문의드립니다.
(답변해주신 내용을 제가 정확히 이해를 못한 부분이 있는 것 같아 추가질문 드립니다.)

Q1) Pump Vendor에서는 Pressure Drop(Suction Pr'-Pr' at Impeller Eye)을 직접 Pump를 돌려서 확인한다고 알고 있습니다.
이때 Pump Vendor에서 실험하는 방법이 궁금해서 문의드렸었습니다.
(A1) 답변을 주신 내용에 대해 이해하기로는 Simulation Program을 이용해서 확인한다고 답변주신 것 같은데,
Pump Vendor에서는 초기 Pump 제작 후 직접 운전을 통해 Pressur Drop을 확인 하는 것으로 알고 있는데 아닌가요?
(물론 말씀하신 바와 같이 End User가 실제 사용할 때는 운전되는 Pump의 Pressure Drop은 측정하지 않겠지만요)
또한, 말씀하신 바와 같이, Pump Suction Nozzle에서 Impeller Eye까지의 거리가 무시할 만한 수준의 가까운 거리이나,
그 거리에서 Pressure Drop이 발생하고 잘못하면 Cavitation까지 발생할 수 있는 중요한 부분이기 때문에
Pressure Drop을 측정하는 것이 중요하다고 알고 있습니다.

Q2) (A2)답변에서 주신 바와 같이, NPSHr값을 기준으로 Performance Chart를 만들기 위해서는,
Pump Vendor 측에서는 NPSHr값을 알고 있어야 하는것 아닌가요?
그러기 위해서 End User(or EPC 사)에서 Pump Vendor 측에 API Std.610 기준으로 NPSH3를 NPSHr값으로 정해준 경우,
Pump Vendor 측에서는 본인들이 제작한 Pump를 Test하여 NPSHr값을 End User에게 제공해야 할 것 이구요.
저의 최초 질문은 이때, NPSHr값을 찾는 방법이 궁금했습니다.
(NPSH3의 정의가 3%의 Head Loss가 되는 지점의 NPSH값이며, 결국 그 지점이 NPSHr 값이 될 테니깐요)
또한, 만약 NPSHr값의 정의를 End User 측에서 NPSH5(5% Head Loss)로 정해주면
NPSHr값도 달라질 수 있는 것 아닌가요?

참고로, 아시겠지만 API Std.610에서의 NPSHr(Net Positive Suction Head Required) 정의는
- NPSH3
: NPSH that results in a 3 % loss of head (first-stage head in a multistage pump) determined by the vendor
by testing with water

혹, 답변주신 내용에 대해 제가 잘못 이해하고 추가질문을 드린 것이면,
죄송하지만 다시 한번 답변 부탁드립니다.

상세한 답변 감사합니다!
관련하여 아래와 같이 추가적인 문의드립니다.
(답변해주신 내용을 제가 정확히 이해를 못한 부분이 있는 것 같아 추가질문 드립니다.)

Q1) Pump Vendor에서는 Pressure Drop(Suction Pr'-Pr' at Impeller Eye)을 직접 Pump를 돌려서 확인한다고 알고 있습니다.
      이때 Pump Vendor에서 실험하는 방법이 궁금해서 문의드렸었습니다.
      (A1) 답변을 주신 내용에 대해 이해하기로는 Simulation Program을 이용해서 확인한다고 답변주신 것 같은데,
             Pump Vendor에서는 초기 Pump 제작 후 직접 운전을 통해 Pressur Drop을 확인 하는 것으로 알고 있는데 아닌가요?
             (물론 말씀하신 바와 같이 End User가 실제 사용할 때는 운전되는 Pump의 Pressure Drop은 측정하지 않겠지만요)
      또한, 말씀하신 바와 같이, Pump Suction Nozzle에서 Impeller Eye까지의 거리가 무시할 만한 수준의 가까운 거리이나,
              그 거리에서 Pressure Drop이 발생하고 잘못하면 Cavitation까지 발생할 수 있는 중요한 부분이기 때문에
              Pressure Drop을 측정하는 것이 중요하다고 알고 있습니다.
     
Q2) (A2)답변에서 주신 바와 같이, NPSHr값을 기준으로 Performance Chart를 만들기 위해서는,
      Pump Vendor 측에서는 NPSHr값을 알고 있어야 하는것 아닌가요?
      그러기 위해서 End User(or EPC 사)에서 Pump Vendor 측에 API Std.610 기준으로 NPSH3를 NPSHr값으로 정해준 경우,
      Pump Vendor 측에서는 본인들이 제작한 Pump를 Test하여 NPSHr값을 End User에게 제공해야 할 것 이구요.
      저의 최초 질문은 이때, NPSHr값을 찾는 방법이 궁금했습니다.
      (NPSH3의 정의가 3%의 Head Loss가 되는 지점의 NPSH값이며, 결국 그 지점이 NPSHr 값이 될 테니깐요)
      또한, 만약 NPSHr값의 정의를 End User 측에서 NPSH5(5% Head Loss)로 정해주면 
      NPSHr값도 달라질 수 있는 것 아닌가요?
      
      참고로, 아시겠지만 API Std.610에서의 NPSHr(Net Positive Suction Head Required) 정의는
      - NPSH3 
        : NPSH that results in a 3 % loss of head (first-stage head in a multistage pump) determined by the vendor 
          by testing with water

혹, 답변주신 내용에 대해 제가 잘못 이해하고 추가질문을 드린 것이면,
     죄송하지만 다시 한번 답변 부탁드립니다.

Stefano

22-09-11 00:23

AA1) Pump Nozzle과 Impeller Eye(Impeller 입구 부분)사이의 압력차에 대해 문의하였는데 그 부분에는 아무 지장물이 없고 거리도 짧아 <압력차>를 논할 정도의 영향을 주는 부분이 아니라는 것이라서 계산으로도 알수 있습니다. 또한 이 직선부분의 영역에 의해 Cavitation영향을 주는 부분이 아니라서 그리 중요한 부분도 아닙니다. 또한 실제 운전에서 측정하는 것은 이 부분에서의 차압을 언급하는 것이 아닙니다. 이 부분은 잘못 이해하고 있는 내용입니다.

AA2) <..NPSH3의 정의가 3%의 Head Loss가 되는 지점의... NPSHr 값..>이라는 것 앞서 필자가 설명했던 내용이고 이는 바로 질문의 아랫부분이 API Std. 610의 내용을 언급하는 것입니다. 이 내용은 질문자가 정확히 잘 이해하고 있네요. 3% Head Loss를 적용하는 것이 API 표준이고 기타 다른 조건에 대해서는 언급되어 있지 않습니다 .

NPSHr 값을 찾은 방법에 대해 다시 질문했는데 그 값은 Vendor가 실제 운전 실험을 통해서 구합니다. 측정방법은 측정유량실험 조건에서 Suction Valve를 서서히 닫아줘 가면서 3% Discharge Head Loss를 나타내게 되면 그 때의 Suction과 Discharge 압력을 측정한 다음 (3)항의 수식(1)을 이용하여 Actual Net Positive Suction Head(NPSHa)의 계산한 값을 구해서 Performance Chart 상에 NPSHr값으로 도표로 함께 나타낸 다음 End User에게 제공해야 합니다. 이 내용도 잘 이해하고 있는 것으로 보입니다. 직접 실험해서 작성해 내지 않으면 인정되지 않습니다.

(3) 계산방법은 다음수식과 같습니다.

NPSHr = H_대기압 + H_Suction + H_Velocity - H_Vapor Pressure +/- H_Pressure Gauge ------------(1)

위의 수식의 우변의 대기압은 실험조건에서의 대기압이고, Suction Head는 Suction Pressure Gauge로 측정된 값이며, 3번째 항은 흡입측 관경에서의 유속으로부터 유체의 Velocity Head (V^2/2g)로 계산해서 구하는 값이고 네번째 항은 측정된 흡입측 액체 온도에서의 액의 증기압으로 액의 물성치도표나 물성모사값으로부터 계산해서 빼주어야 할 값이고 마지막 값은 압력계측기가 달려있는 위치에 따라 보정해 주어야 할 계산값입니다.

결국 각 실험조건마다 측정해야 기록할 값은 대기압/흡입압력/(3%떨어질때의)배출압력/흡입액 온도/흡입관경/유량/압력계 부착위치 등이고 이들 값으로부터 Velocity Head/Vapor Pressure 값들은 계산하거나 Table에서 찾아야 할 값이고 이들자료로 부터 (1)식을 이용하여 해당 유량에서 3% Head Loss를 나타내는 NPSHa 값 1개 Point를 구하여 이를 NPSHr로 취하게 됩니다.

다른 유량 Q_i 점에서도 NPSHr_i 를 다수 구하여 이들 점을 이어서 Performance Chart에 가로축 유량 세로축 NPSHr로 나타내면 이 귀중한 정보가 Vendor가 제공하는 NPSHr Data가 됩니다. 유량범위는 발주자의 Max. 유량이 될 때까지 입니다.

(4) 참고로 유명한 펌프 제작업체인 Sulzer 사의 NPSHr값 측정방법과 계산값의 불확도 계산하는 방법이 소개된 곳을 소개합니다. 이 자료를 참고하시고 필요시 추가질문 바랍니다.

Ref. Site: https://www.nrc.gov/docs/ML1230/ML12300A224.pdf

AA2) <..NPSH3의 정의가 3%의 Head Loss가 되는 지점의... NPSHr 값..>이라는 것 앞서 필자가 설명했던 내용이고  이는 바로 질문의 아랫부분이 API Std. 610의 내용을 언급하는 것입니다.   이 내용은 질문자가 정확히 잘 이해하고 있네요.    3% Head Loss를 적용하는 것이 API 표준이고 기타 다른 조건에 대해서는 언급되어 있지 않습니다 .

NPSHr 값을 찾은 방법에 대해 다시 질문했는데 그 값은 Vendor가 실제 운전 실험을 통해서 구합니다.  측정방법은  측정유량실험  조건에서 Suction Valve를 서서히 닫아줘 가면서 3% Discharge Head Loss를 나타내게 되면 그 때의 Suction과 Discharge 압력을 측정한 다음  (3)항의 수식(1)을 이용하여 Actual Net Positive Suction Head(NPSHa)의 계산한 값을 구해서 Performance Chart 상에 NPSHr값으로 도표로 함께 나타낸 다음 End User에게 제공해야 합니다.  이 내용도 잘 이해하고 있는 것으로 보입니다.  직접 실험해서 작성해 내지 않으면  인정되지 않습니다.

(3) 계산방법은 다음수식과 같습니다.

NPSHr =  H_대기압  + H_Suction  + H_Velocity - H_Vapor Pressure  +/- H_Pressure Gauge ------------(1)

위의 수식의 우변의 대기압은 실험조건에서의 대기압이고,  Suction Head는 Suction Pressure Gauge로 측정된 값이며, 3번째 항은 흡입측 관경에서의 유속으로부터 유체의 Velocity Head (V^2/2g)로 계산해서 구하는 값이고 네번째 항은 측정된 흡입측 액체 온도에서의 액의 증기압으로 액의 물성치도표나 물성모사값으로부터 계산해서 빼주어야 할 값이고  마지막 값은 압력계측기가 달려있는 위치에 따라 보정해 주어야 할 계산값입니다.

결국 각 실험조건마다  측정해야 기록할 값은  대기압/흡입압력/(3%떨어질때의)배출압력/흡입액 온도/흡입관경/유량/압력계 부착위치 등이고   이들 값으로부터   Velocity Head/Vapor Pressure 값들은 계산하거나 Table에서 찾아야 할 값이고 이들자료로 부터 (1)식을 이용하여  해당 유량에서 3% Head Loss를 나타내는  NPSHa 값 1개 Point를 구하여 이를 NPSHr로 취하게 됩니다.

다른 유량 Q_i 점에서도 NPSHr_i 를 다수 구하여 이들 점을 이어서  Performance Chart에 가로축 유량 세로축 NPSHr로 나타내면 이 귀중한 정보가 Vendor가 제공하는 NPSHr Data가 됩니다.   유량범위는 발주자의 Max. 유량이 될 때까지 입니다.

(4) 참고로  유명한 펌프 제작업체인 Sulzer 사의  NPSHr값 측정방법과  계산값의 불확도 계산하는 방법이 소개된 곳을 소개합니다.    이 자료를 참고하시고  필요시 추가질문 바랍니다.

Ref. Site:  https://www.nrc.gov/docs/ML1230/ML12300A224.pdf