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  원심펌프 성능곡선 : 펌프Head가 변곡점이 있는 경우
  글쓴이 : 장현수   고유ID : jddast     날짜 : 19-10-31 10:10     조회 : 90    
   도면.png (12.2K), Down : 2, 2019-10-31 10:18:05
원심펌프 성능곡선 관련 질문입니다.

원심펌프는 Head가 줄어들면 유량이 증가하게되고 Head가 증가하면 유량이 감소하도록 되어 있습니다. 이는 API에도 명확히 Continuous Head Rise or Down라고 되어 있으며 펌프의 기본 원리이기도 합니다. 허나 최소필요유량 이상에서 일부구간 유량이 증가함에 따라 Head가 증가하는 곡선을 받았습니다. Head가 일부구간 증가하다가 다시 감소하게 되어 결국 두 유량점에서 같은 Head를 가지는 모양입니다.

펌프후단은 Suction Vessel Level Control (LV)을 하고 있고, Minimum Return 라인은 Flow Control (FV)을 하려고 합니다.

Q1) 이런경우 곡선이 역배열이 된 구간에서는 펌프가 Min.으로 가동 시 (LV Fully Closed) Flow Control만 하고 있습니다. 유량증가를 위해 FV가 열리게되면 Head가 감소하게 됨으로 유량이 더욱 감소하는 문제가 발생하게 됩니다. Reverse 로직을 구성하게 되면 정상곡선구간에서는 반대로 움직이게 되니 이상합니다. 또 일정유량을 (변곡점) 기점으로 밸브작동이 반대로 로직을 각각 구성하는 것이 가능할지 모르겠지만 이런것을 본적도 없고 변곡점에서는 트러블 발생이 예상됩니다. 어떻게 해야할까요?

Q2) 다른 옵션으로 변곡점이 생기는 구간 우측에서만 작동하도록 FV set point를 높게 잡게되면 어떻게 될까요? 물론 동력소모는 필요이상이고 펌프가동범위가 좁아지겠지만 문제 해결이 될까요?

Q3) Q2처럼 하는 경우, 펌프 초기가동시 문제가 발생하지 않을까요? 일반적으로 펌프 후단이 닫힌 상태에서 조금씩 열리면서 펌프가 기동되는데, 후단밸브 즉 FV가 조금씩 열리더라도 Head가 줄지않고 오히려 증가하는 곡선에서 우측방향 즉 유량이 증가하지 않을 것 같습니다.

펌프에 Restriction Orifice를 끼워 맞추는 방법도 있겠지만 Impeller를 바꾸고 Test를 다시 해야하는 등 여러가지 어려운 점이 있습니다. 위 같은 경우를 보신적이 있는지? 문제가 없겠는지 문의 드립니다.

Stefano    19-10-31 13:20
(1) 펌프 성능곡선은 해당 유량에서 나타내는 압력과 동력을 나타내는 도표이지만 운전영역은 반드시 Minimum Flow 이상에서 가동되어야 하기 때문에 반드시 일정유량 이상일 경우에만 정상가동한다고 가정하고 시스템을 구성해야 할 것입니다. 

따라서 정상운전되는 유량이상의 조건에서 운전될 것이고 또한 운전중에는 실제사용처에서 필요한 압력 이상의 압력이상으로 압력이 상승할 우려도 없습니다. 

(2) 물론 펌프 초기 펌프 가동시 순간적 압력충격이 발생할 수 있지만 시동시에는 자동조절시스템을 작동하지 않는 상태에서 가동해야 하므로 해당 Manual 상태에서 기동후 자동운전으로 전환하든지 자동시동을 적용하는 Control System을 구축한다면 반드시 <Start-up Bypass >회로를 구성해 두어야 시동이 가능하겠지요.

(3) 유량이 증가하였을 때 펌프 배출압력이 사용처 필요 압력이하로 낮아지면 문제가 되겠지만  요구되는 압력이상으로 유지될 수만 있으면  시스템 가동에는 문제가 없을 것입니다.  단지  해당펌프가 최적효율이 아닌 곳에서 동작하고 있다는 것이 문제일 뿐입니다.    용량이 큰 펌프인 경우에는 이런 효율감소를 염두에 두고 펌프 선정에 신중해야 할 것이고 필요하다면..동력절감을 위해서라면 불필요한 압력상승이 일어나지 않도록 인버터를 달아 운전하던가  불필요한 펌프를 꺼두는 방법도 고려할 수 있습니다. 

(4) RO(Restriction Orifice)는 Pump Minimum Flow Loop를 구성할 경우에 사용되기는 하지만 Normal 배출구에 사용하는 경우라면 혹시 Motor 과부하 방지를 위해 할 수도 있겠으나 요즘 저비용으로 전력계통에 과부하 조절기능 구현이 잘되어 있어서 RO를 이용하는 경우는 거의 없는 것으로 봅니다.
     
장현수    19-10-31 16:07
답변 감사드립니다. 추가 질의가 있습니다.

(1) 위 성능곡선상 Min. Flow는 1.1m3/h이고 당연히 그 이상으로 운전을 해야합니다. 고로 FV는 1.1m3/h 이상의 적당한 지점을 Set Point로 잡을 것입니다. 그 지점에 Power Low도 확인할 것입니다.

문제는 실제 사용처에서 필요한 유량은 없으며 본 펌프는 Vessel에 축적된 liquid를 빼주는 컨셉임으로 Pressure Balance상 필요압력 이상인 것은 맞습니다. 하지만 LV는 Level만 보고 작동이 됨으로 Liquid가 어느정도 배출되기 전까지 계속 열라는 신호만 받게 될 것입니다. 혹시라도 어떠한 경우에 (LV가 계속 Open되는 동안은 Head가 높아짐) 변곡점인 근처 또는 곡선왼쪽으로 이동하게 되면, LV는 조금 더 열리면서 유량을 늘려줘야지만 Curve의 왼쪽으로 이동할 가능성이 있어 보입니다.

(2) 초기 구동시나 또는 (1) 시나리오처럼 LV가 열림에 따라 유량이 줄어들면서 FV Set Point에 도달하게 되면 Flow Valve가 열리면서 Bypass가 되어야 정상입니다. 하지만 FV가 열림에 따라 Head가 더욱 감소하게되니 Curve의 좌측으로 더욱 이동하게 되고 결국 Pump Shutdown이 되는 것이 아닌가 합니다.

(3) 저는 이런 펌프곡선이 생소하고 문제가 있을 수 있다고 생각하는데, 이러한 경험이 있으신지도 알고 싶습니다.
스테파노 Stefano   19-10-31 18:02
(A1)  올려져 있는 그림에서 FV가  Min. Flow Bypass 유량조절 밸브라고 한다면  펌프 배출유량이 이 최소유량 이상을 흘려보낼 수 있도록 하도록 되어 있을 것이고
 
<혹시라도 어떠한 경우에 (LV가 계속 Open되는 동안은 Head가 높아짐) 변곡점인 근처 또는 곡선왼쪽으로 이동하게 되면, LV는 조금 더 열리면서 유량을 늘려줘야지만 Curve의 왼쪽으로 이동할 가능성이 있어 보입니다. > 이 부분에서  <LV가 더 열리면서 유량을늘여줘야 Curve의 왼쪽으로 이동..> 이라는 의미가 무언지 알 수 없습니다.  또, 성능곡선상의 "변곡점"은 아마 변곡점이아니고 압력최고점을 의미하는 것 같습니다.   

유량이 늘어나면  최고 배출압력은 성능곡선의 우측방향으로 이동하면서 줄어들지만 실제로 운전되고 있는 압력은 그 압력보다 훨씬 낮은 압력으로 운전되고 있을 것이입니다. 

(A2) <..LV가 열림에 따라 유량이 줄어들면서 FV Set Point에 도달하게 되면 Flow Valve가 열리면서 Bypass가 되어야 정상..>
=>  이부분은 거꾸로 설명되어 있습니다.  이는.. LV가 열리게되면 유량이 늘어나게 되고 Min Flow 이상으로 유량이 늘어나게 되면 FV는 닫아주는 것이 정상이라고 설명해야 합니다.

<..FV가 열림에 따라 Head가 더욱 감소하게되니 Curve의 좌측으로 더욱 이동하게 되고 결국 Pump Shutdown이 되는 것이 아닌가 합니다. >  ==> FV가 열리는 경우는 Main Flow가 Min. Flow 이하로 떨어질 때이며 Min Flow이상을 반드시 흘려주도록 하기 위해서 FV가 설치되어 있으므로  이 Min Flow 이상 흐르는 경우라면 Pump 구동에는 문제가 없습니다.

펌프 성능곡선에서 좌측 혹은 우측으로 이동하는 것은 유량이 변한다는 것을 뜻하고 그에 따라 해당펌프가 펌핑할 수 있는 최대 압력을 나타낸 것 뿐입니다.    실제 펌프가 운전되는 압력은 성는곡성의 압력보다 낮은 압력으로 운전되는것이지요.

(A3) 펌프 성능곡선이 약간 다르다고 해서 우려하는 바 대로 펌프가 정지되는 일은 없습니다.  따라서 그런 경험을 할 수도 없지요.   

결론적으로 해당 펌프는 구동 후,  액면조절기에서 열어주는 밸브 Position에서의 LV 차압과  배출측 말단 압력을 합한 압력이 펌프에 항상 걸린상태로 운전이 되고 있다가 Level이 설정치보다 증가하게되면 밸브가 더 열리고 Level이 낮아지면 LV가 닫히게 되는데  LV가 닫히게 될 때 FV가 Min Flow 이상 흐르도록 해 주면 Pump의 연속 가동에는 전혀 지장이 없습니다.

LV가 완전히 닫힌 상태에서는 FV는 설정치 유량을 흘러갈 수 있도록 열릴 것이고 이때에는 아마 이 유량에서 펌프의 성능곡선상의 압력을 나타낼 수 있을 것입니다.    LV가 열린상태라면  LV차압과 배출관측 차압을 더한 압력만큼의 펌프압력증가가 나타날 것입니다.
낭만고양이 kornight   19-11-04 16:02
1. <유량증가를 위해 FV가 열리게되면 Head가 감소하게 됨으로 유량이 더욱 감소하는 문제가 발생하게 됩니다.>
반대로, 성능곡선상의 1 영역에서는 유량이 늘어날 수록 Head가 커지므로, 유량이 감소하는게 아니라 FV Opening이 열리는 속도가 느려지겠죠. 말하기 쉽게 Valve 특성이 Linear 라고 가정한다면, Min. 유량(1.1m3/h) 근처에서는 10%가 열렸을 때 0.1 m3/h가 증가한다면, 2m3/h 지점에서는 Head가 높아졌으므로 5%만 열려도 0.1m3/h가 더해지더라. 이런 예시 입니다.

2. 그리고 어차피 성능곡선의 우측에서는 min. flow FV가 닫힌 상태로 운전될테니 컨트롤 고민을 할 필요가 없을 것 같은데요.
Stefano    19-11-05 16:17
(0) 바로 앞글 낭만고양이 님의 답글에 오류가 있어서 정정합니다. 

(앞글 인용/)
<유량증가를 위해 FV가 열리게되면 Head가 감소하게 됨으로 유량이 더욱 감소하는 문제가 발생하게 됩니다.>
반대로, 성능곡선상의 1 영역에서는 유량이 늘어날 수록 Head가 커지므로, 유량이 감소하는게 아니라 FV Opening이 열리는 속도가 느려지겠죠.
(/인용 끝)

==>영역 1이라고 해도 펌프배출유량이 늘어나게 되면 (압력에 전혀 관계없이) FV는 열리는 것이 아니라 닫혀야 합니다. 
이에 대해 이전의 답변 (A2)에 설명해 두었는데 다시 인용합니다.

(2) 이전 스테파노 답글 재인용
(인용시작/)
(1) (A2) <..LV가 열림에 따라 유량이 줄어들면서 FV Set Point에 도달하게 되면 Flow Valve가 열리면서 Bypass가 되어야 정상..>
=>  이부분은 거꾸로 설명되어 있습니다.  이는.. LV가 열리게되면 유량이 늘어나게 되고 Min Flow 이상으로 유량이 늘어나게 되면 FV는 닫아주는 것이 정상이라고 설명해야 합니다.

<..FV가 열림에 따라 Head가 더욱 감소하게되니 Curve의 좌측으로 더욱 이동하게 되고 결국 Pump Shutdown이 되는 것이 아
닌가 합니다. >  ==> FV가 열리는 경우는 Main Flow가 Min. Flow 이하로 떨어질 때이며 Min Flow이상을 반드시 흘려주도록 하기 위해서 FV가 설치되어 있으므로  이 Min Flow 이상 흐르는 경우라면 Pump 구동에는 문제가 없습니다.
(/인용끝)

(2) 올려진 도면에서 FV를 동작하게 하는 유량은  펌프배출유량 전체를 감지하고 있기 때문에 그 유량이 펌프 min flow 이상 흐를 경우에는 FV는 닫히게 될 것이고  (LV가 닫힙에 따라) 전체유량이 줄어들 경우에만 FV가 열리게 되어 있습니다. 

또한 FV의 Control Valve는 펌프의 배출압력과는 무관하게 단순히 전체유량만 감지하여 동작하기 때문에  펌프의 배출압력에는 무관합니다.  따라서  FV Contol이 유량영역의 높고 낮음에 관계없이, 또한 압력에는 무관하게 배출 총유량이 min flow 이상이 되도록 조절되도록 해야합니다.   

(3) ***주의할 점은...
해당 FV는 총유량과 관련하여 Reverse(전체 유량증가시 밸브 닫히는 모드)로 동작 한다는 것에 유념하여야 합니다.   

따라서 FV가 Reverse 동작이 일어나도록 제어계가 구성되어 있다면 문제가 없지만 만일 Normal 동작으로 연결되어 있다면 이를 바로잡아야 합니다. 

제대로 제어계가 연결된 상태라고 한다면...
올려진 성능곡선의 저유량영역에서 오히려 최대 배출압력이 약간 떨어지는 현상에 민감해 할 필요는 없습니다.  정상영역에서는 이 유량이상으로 운전이 될 것이고  또한 성능곡선에 해당하는 압력보다 낮은 압력으로 운전되고 있을 것이기 때문입니다.
     
낭만고양이 kornight   19-11-14 11:39
FIC를 Pump의 Min. Flow로 Control 할 때의 얘기가 아니라, FIC에 SP를 줘서 유량을 인위적으로 늘려줄 때의 Pump Performance Curve 1영역에 관한 FV Opening 얘기였습니다. 앞의 전제를 얘기 안해서 오해가 있으셨던 듯 합니다.
왜 이런 전제를 두고 얘기했냐면, 질문자께서 이미 '유량 증가를 위해서 FV를 Open할 때'라고 전제를 하였기 때문입니다.

스테파노님 말씀처럼 FIC를 Min. Flow Control 기능을 위해 Control 하게 되면 Pump 토출구의 유량이 늘 수록 Controller 차원에서 FV를 닫으니까 Pump 토출부의 유량이 늘수록 FV의 Opening은 줄어들다가 닫히는 것이 맞습니다.
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