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  shuf-off pressure , head 관련 질문
  글쓴이 : 화공안전환…   고유ID : hiano     날짜 : 23-04-24 21:54     조회 : 217    
안녕하세요 환경안전분야에서 일하고 있지만 관련 법률 대응하다보니 화공쪽으로
궁금한게 있어서 질문 남겨드립니다.

1. Differential head와 total head가 같은 말인가요? 
아니면 Differential head가 discharge head인지.. 용어가 헷갈리네요

2.· The pump head at shutoff not exceed 120% of the head at the rated capacity point. 
In addition, it is required that pumps be capable of at least a 5% head increase 
at rated conditions by impeller replacement.
여기서 rated capacity point는 무엇을 의미하는 것일까요..
120%를 언급한 것 보면 shut-off head를 말하는 건가요..

3. Pump Discharge Pressure at shut-off = pump shut-off pressure + suction pressure
라고 스테파노님이 답변 하신걸 본적이 있습니다..!
그럼 펌프 디스차지 프레셔=펌프설계 압력 이라고 봐도 무방할까요??
또한 Pump Discharge Pressure at shut-off 는 토출압력을 말하는 것이라면
pump shut-off pressure는 어떤 압력을 말하는 것인가요.. 토탈헤드에 대한 값인가요?

또한 헤드의 경우 네거티브 석션 헤드의 경우, 
토탈해드=석션헤드+디스차지헤드+프릭션헤드로 알고 있습니다.

P(Shut-off pressure; Pa) = Ruh*g*h + Psuc.
Ruh : 밀도(kg/m-3), g : 중력 상수(m/s-2), h : shut-off head, Psuc. : 최대 흡입 압력

이런 식을 외국 사이트에서 봤는데요.. 그렇다면 P(Shut-off pressure; Pa) 이값이 설명해주신
[[Pump Discharge Pressure at shut-off = pump shut-off pressure + suction pressure]]
위 식의(Pump Discharge Pressure at shut-off)가 맞는 건가요?

4.외국 자료들을 보면 셧오프해드에서의 토출압력에서 
1.2배를 하여 셧오프 프레셔를 구하라는 자료를 봤는데,
P(Shut-off pressure; Pa) = Ruh*g*h + Psuc.
그럼 저식에 (Ruh*g*h*1.2)를 넣고 구한 P는  펌프의 설계 압력이라고 봐도 될까요? 

화학물질관리법에는 최고사용압력(사용 상태에서 배관에 걸리는 최고 압력을 말한다.)으로 
정의 되어 있는데, 이를 밸브가 block 되었을 경우를 최고 사용으로 봐야할지 
공정중 펌프 성능 곡선상 Typical operating point를 최고사용으로 봐야할 지 모르겠습니다..

스테파노 Stefano   23-04-25 02:01
A1)  Differential Head  또는 Differential Pressure 는 펌프 전후의 Head 차 또는 전후 압력차를 말하고
Discharge Head  또는 Discharge Pressure는  Suction Head나 Pressure에 펌프의 Differential Head 나 Pressure를 더한 값을 말합니다.  따라서 Differential Head는 Discharge Head와 같지 않습니다.

A2) "Rated"의 의미는 "여유를 가지고 선정된"의 뜻입니다. 
<The pump head at shutoff not exceed 120% of the head at the rated capacity point. >는 "Pump Shut-off 상태에서의  Head가 선정된 용량점에서 나타내는 Head의 120%를 넘지 않도록 할 것" 이라는 의미이고
<.., it is required that pumps be capable of at least a 5% head increase at rated conditions by impeller replacement.>는  선정조건과 동일 조건에서 Impeller를 (더 큰 직경의 것으로) 바꿨을 때 적어도 5% Head 증가가 가능한 펌프종이 되도록 하라"는 의미 입니다.    이는  구매 설치한 펌프의 Head가 부족할 경우에 대비(Impeller 교체하여 해결)하기 위함입니다.

A3-1) pump shut-off pressure
이는 Pump 배출량이 0일 때 배출구측에 나타나는 압력에 해당하는데  유량 0일 때의 압력에다  Pump Suction의 압력이 더해져 나타나는  배출구 측에서 최고의 압력을 나타낼 때의 압력입니다.  Pump Discharge Line에 걸릴수 있는 최고의 압력을 확인하기 위한 압력에 해당합니다. 

A4-1) Total Discharge Head 는 
운전중 Pump 배출구측에 걸리는 전체 Head를 말하는데  이 값은  펌프가 현장에서 가동되고 있을 때 (1) 장치에 걸린 압력까지 높이고(Pressure Head), 액을 높게 퍼올리고(Static Head),  펌핑유체가 흘러갈 때 손실되는 마찰손실 (Discharge Line 뿐 만 아니라 Suction Line, Control Valve 등 모든 Friction Head)를 이겨내는데 사용됨을 의미합니다. 

Suction Line이 Pump 밑에 설치되어 있다면  이에 해당하는 Static Head도 더해주어 펌프가 선정되어야 합니다.

Pump 유량이 0일 때의 Discharge Head에 Pump Suction에 걸려있는 Static Head를 더한 값이 됩니다.  Pump 유량이 0일 때에는  Friction Head가 0이 되므로  (1) Suction 측의 Static Head에 해당하는 압력에다  (2) Pump 유량 0일때의 Discharge Head에 해당하는 차압을 더한 값이  Pump Discharge Line Shut-off Case에 연결되어 있는  Liquid Feed Line & Equipment에 걸리는 최고의 압력이 되지요.

상세하게 설명되지 않았을 때의 "Typical operating point"는 정상운전시의 운전점을 말합니다.  최고사용압력과는 관련없습니다.
화공안전환… hiano   23-04-25 14:12
늦은시간에도 답변해주셔서 감사합니다 스테파노님!
답변이 생각을 정리하는 데에 많은 도움이 됐습니다
추가적으로 몇가지만 더 질문 드려도 될까요?

a4-1) 답변 관련하여,

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
P(discharge pressure) = Ruh*g*h + Psuc. ``````````(가)
Ruh : 밀도(kg/m-3), g : 중력 상수(m/s-2), h : shut-off head, Psuc. : suction pressure
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
제가 이해한대로 한번 말씀드려보겠습니다..

[1]
식(가)에서 (Ruh*g*h)에 해당하는 부분이 shut-off에서의 differential pressure 입니다.
이때 h는 shut-off head인데 이는 펌프 성능 곡선상 유량이 0일때에 total head에 해당 하는 값입니다.

[2]
또한 shut-off head를 모르는 상황에서의 discharge pressure는 (Ruh*g*h)의 h에 total head*1.1(API610; shut-off는 정상양정의 10%범위로 수두 상승)값을 대입하여 추정pressure를 구합니다.

[3]
최고사용 압력은 펌프의 유량이 0이고 마찰손실이 0인 상태일 경우의 압력이므로
Pump Discharge pressure(at shut-off)로 구한다.

[4]
마지막으로 설계 압력(펌프의 설계 압력, 펌프 후단시스템의 설계 압력)은 Pump discharge Pressure(at shut-off) 보다 큰값으로 설정한다.(KOSHA guide, API610근거)

위의 내용들이 맞을까요?
Stefano    23-04-26 00:47
AA1)  Ruh 가 어떤 과정으로 계산되었는지 알 수 없지만 Pump에 의해 상승되는 압력에 해당하는 것으로 보이나 이 값이 유량 0일때의 값인디 그렇지 않은지 확인해 보세요.  Ruh가 무엇의 약어인지  어쩐 Subscript(첨자)를 사용하고 있는지도 알아보세요.

AA2)  Pump  성능곡선자료를 입수하지 못한 경우  추정하는 방법으로 제시한 모양이나  API에서는 Normal Diffential Head값의 110%를 취하여 Pump 성능곡선상 유량 0일때의 Head만을 취하는 것으로 봅니다.

AA3) 이는 Pump 자체 성능곡선상의 유량Discharge Pressure이지 설치된 System에 걸리는 Pump Shut-off Pressure를 의미하는 것은 아닐 것입니다 \

AA4) KOSHA 혹은 API Guide는  (Pump 성능을 언급하는 것이 아니고)  펌프가 현장에 설치되어 있는 경우, "Pump 배출구에 연결되어 있는 배관 및 기기들의 최종 출구가 막혔을 경우  "Closed Outlet 상황"에서 그 배관과 기기에 걸릴 수 있는 최고의 압력을 산출하여 배관 및 기기의 설계압력으로 하라"는 주문입니다.

따라서 만약.. (1) Pump Suction Drum에 압력이 걸려있고  (2) 그 Drum이 Pump보다 꽤 높은 곳에 설치되어 있으며, (3) Pump가 가동중에 있어서 압력을 높여주고 있는데 (4) 어떤 이유에서인지  Pump 배관 - 기기 를 거쳐 기기 출구에 있는 Control Valve가 갑자기 닫혀버렸다던가  (5) 누가  기기 출구 Block Valve를 잠궈버렸다고 한다면

(1)~(3)에 해당하는 압력을 모두 고려한 Pump Shut-off Pressure를 고려하여 연결된 기기(Equipment)가 있으면 이 기기와 배관들은 모두 그 압력을 고려한 최고의 압력을 설계압력으로 해달라는 것을 암시하고 있습니다.
화공안전환… hiano   23-04-26 14:49
감사합니다 스테파노님... 추가적으로 더 질문해도 될까요... 계속해서 질문드려서 죄송합니다 ㅜㅠㅠㅠ

B1) 

Differential Head  또는 Differential Pressure 는 펌프 전후의 Head 차 또는 전후 압력차를 말한다고 하셨습니다.

전양정(Total head)는 토출양정, 흡입양정, 손실양정의 합이고, 실양정(Actual head)는 토출양정, 흡입양정의 합으로 알고있습니다.

그렇다면 Differential Head  또는 Differential Pressures는 전양정에 대한 값인가요 실양정에 대한 값인가요?

B2)

Ht= total head
Hf=friction head
Hd=discharge static head
Hs=suction static head
라 하면,
- 흡입측의 수위가 펌프보다 높은 경우의 정상양정(Rated differential Head)
HT  =  Hf + HD - HS

-흡입 측의 수위가 펌프보다 낮은 경우의 정상양정(Rated differential Head)
HT  =  Hf + HD + HS

이경우가 맞나요?

3)
위에서 답변해주신 AA4)에 의하면
(1)~(3)에 해당하는 압력을 모두 고려한 Pump Shut-off Pressure를 설계압력으로 하라는 것이 가이드지침 내용이라고 하셨습니다.

그러면 추가적으로 굳이 (1)~(3)에 해당하는 압력을 모두 고려한 Pump Shut-off Pressure 보다 더 높게 설계압력을 잡아야할 필요는 없는 것인지요?
스테파노 Stefano   23-05-01 22:46
(0)  Ruh≡?? 에 대한 답이없습니다 .

<...전양정(Total head)는 토출양정, 흡입양정, 손실양정의 합이고, 실양정(Actual head)는 토출양정, 흡입양정의 합으로 알고있습니다. ...>  <==이말은 어디에서 유래했는지 모르겠지만  틀렸습니다.   

(1)  Differential Pressure of Pump = Discharge Pressure - Suction Pressure 
      Differential Head of Pump = Discharge Head - Suction Head

(2)  기호 및 첨자가 혼동스러우면 이해도 혼동스러울 것으로 봅니다. 
Static Head를 수위 Z로 나타내고  Pressure Head를 h로  Velocity Head를 hv로 나타내고 Friction Head를 hf,  Pump의 Total Head 를 Hp로 나타내어 펌프 전후를 숫자 즉 <1=suction,  2=discharge>로 구분해서 Bernoulli Equation을 적어보면 혼동스러웠던 점이 명쾌해질 것으로 보입니다. 
 
      Z1 + h1 + hv1 + Hp = Z2 + h2 + hv2 + hf  ..........................................(1)  <---velocity head, friction head 포함식

      Hp = Total Head of the Pump = (Z2-Z1) + (h2-h1) + (hv2-hv1) + hf ......(2)  <--- 펌프소요 head  hf는 유량이 있을 경우
         
여기서  Pressure Head는 h = p/(ρ g)로 계산되고, Velocity Head는 hv = v^2/(2g)로 계산되며 Friction Head는 유량이 있을 경우에만 해당되기 때문에 (2) 식은 정상 유량일 때의 마찰손실이 고려된 펌프의 Total Head 계산에 사용될 수 있습니다.

위의 수식(2)는 정상운전시 펌프가 공급해야할 실제 양정(Actual Head)에 해당합니다.  즉 여유값이 없이 딱 들어맞는 펌프 총 양정에 해당합니다.  펌프를 선정할 경우에는 여기에다 여유값이 더해져야 합니다.  Friction이 늘어나거나  Pump Suction 수위가 최저일 때 즉 Z1이 최소값일 때에도  필요유량을 공급할 수 있도록 데이터시트 작성시 주의해야 하고 특히 Pump 설치위치와 주위 배관설계가 완료되는 단계에서 Pump Suction Line에서의 NPSH점검 및 배출관 전체에 대한 Hydraulic Analysis 결과와 공급되는 Pump Vendor Data를 검토해 봐서 발주규격이나 배관설계등의 변경여부를 반드시 확인해야  시운전 단계에서의 "낭패"를 면할 수 있습니다.

기준 수위를 Pump Suction Nozzle 중앙으로 볼 때  펌프보다  낮은곳에 있으면  Z>0    펌프보다  낮은 곳에 있으면 Z<0이 되므로 (2) 식에서 Z1이  음수값이라면 ( Z1 = - Y ,  Y>0, Y= (절대값, 양수값으로 타나낸) Suction Lift)이라면  첫항은  (Z2-Z1) = Z2-(-Y) =  Z2 + Y 가 됩니다.    (질문에서  Hs 값을 빼는건지 더해주는 건지 혼동스러워 하는 것으로 보이는데 모두 양정Y값으로 나타내보면서 부호가 어떻게 바뀌는지 확인해 보세요.  (2)식에서 양정이 +값이라면 빼주고 양정이 -값이라면 더해주고..)

(3) 여러 상황에서의 Pump Shut-off Pressure를 고려한 Design Pressure
이 항목 이전의 상황은 Pump  선정과 소요동력을 결정할 때 고려할 때에 일어나는 것이고 이(3)항에서는 Pump에 연결되어있는 배관이나 기기장치가 운전중 도달할 수 있는 최고의 압력을 판단할 때 검토해야 할 상황에서 벌어지는 일입니다.

따라서 검토하려는 문제가  <펌프를 선정하기 위한거냐?>  혹은 < 기기장치 설계조건을 위한거냐> 를 구분하여  판단하여 참여하는 엔지니어들에게 혼돈을 유발시키지 말아야 합니다.  맨 처음 질문부터 이 둘을 혼합하여 질문해 오고 있었습니다.

Pump Suction 압력이 없고 배출 유량이 0일 때의  Pump Shut-off Pressure = Pump Performance Chart상 유량 0일 때의 Head에 상당하는 배출압력 = P(at no flow) = ρ g h (at Q=0)      <----(2)식에서  Z, hv, hf, h1 값들이 모두 0일때의 h2값에 해당합니다.

Pump가 정상운전중 설치되어 정상운전중일 때의 Pump Shut-off Pressure는 (2)식에서 hf값만 0으로하여 계산하여 계산되는 h2값에 해당하는 Pressure인데  기기장치가 연결되어 있는 위치에 따라 압력이 달라지므로 이를 고려해야 해당 기기의 설계압력의 적정성 여부를 판단할 수 있습니다.   

여기서 계산되는 압력보다 굳이 높이 잡을 필요는 없지만 어떤 또다른 상황 (예를 들어 열팽창, 반응, 등)이 발생하거나  밸브의 갑작스런 닫힘에 의한 수격현상 (Hammering)등의 우려가 있는지도 검토해 보아야 합니다.
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