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문제 정의
- 본연구에서는 수도권 광역상수도 5단계 사업의 일환으로 완공된 판교가압장이 용수 수요가 공급목표에 크게 미치지 못해 도수관로 손실수두가 작아 조절지 유입 부의 잔류 수두를 이용하기 위해 흡수정 가압방식에서직결식 펌프징^in-line pumping station)으로 운영되고 있어 이에 따른 수격현상에 대한 수치해석 및 현장시험 결과를 분석하여 직결식 가압장의 안전설비에 대한 재검토의 필요성 등 펌프장 및 도수관로의 안전성을 확보하기 위하여 몇 가지 보완되어야 할 사항들을 제시함을 목적으로 한다.
- 펌프제어밸브가 역류에 의해 갑자기 닫힌 경우 발생하는 슬램서지 현상에 대하여 검토하였다. 밸브폐쇄 시간이 4.
제안 방법
- 2, 300 mm 도수관로에 연결된 인라인 가압펌프 1대(2관로 8호기)를 단독으로 운전하면서 자료수집 장치를 사용하여 측정하였다. 인라인 가압펌프의 흡입 측에는 초기에 2.
- 급격히 상승하고 있다. 관로의 형상은 수주 분리 현상이 발생하기 쉬운 형태를 띠고 있으므로 관 상단부를 기준으로 검토하였으며, 수치계산은 수격작용의 여러 차례 주기를 검토하기 위하여 펌프 트립 후 40초까지로 하였다.
- 제시한다. 그리고 판교가압장과 조압수조 사이의 도수 관로 상에서는 수주분리현상이 발생하는 것으로 예측되어 이를 해결하기 위하여 판교가압장의 에어챔버와 도수관로 정점부에 공기밸브를 조합.설치하면 해결될 수 있다.
- 분석함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다. 또, 흡수정 방식은 1대부터 5대까지 긴급 정지와 정상 기동을 실시하였으나 본문에서 시험 결과는 주로 직결식 가압장을 위주로 정리하였다.
- 수격작용 발생 시 관 내 압력 및 에어챔버 내 수위변동 등을 측정하기 위하여 자료수집 장치 (data aqui- sition system)를 사용하였고 아날로그-디지털 변환 장치 (analog-to-digital converter, DaqBook/ 100) 와 컴퓨터를 연결한다. 압력전송기 (pressure transmitter) 및 수위전송기 (level transmitter) 등에서 측정 된 전기 적 인 신호 값은 검사기 (signal conditioner, DBK11A)를 거쳐 아날로그-디지털 변환 장치로 전송되고, 수집된 데이터는 노트북에 설치된 프로그램(DaqView)을 사용하여 현장에서 실시간으로 확인.
- 수도권 5단계 당초 설계시 수격작용으로부터 판교가압장을 보호하기 위한 주설비로는 펌프 제어 밸브가 선정 되었고, 압력 릴리프밸브는 펌프제어밸브가 오동작했을 경우를 대비한 보조설비로서 설치하도록 계획되었다. 펌프제어밸브가 슬래밍을 일으키는 경우 판교가압장에는 매우 위험한 수충압이 작용하고, 상황에 따라서는 뜻하지 않은 사고를 초래할 수 있는 것으로 분석 되 었다.
- 4초에 발생하는 것으로 예측되었으므로, 제1 단계 밸브폐쇄 시간(ti)은 4초로 결정하였다. 수치계산은 펌프제어 밸브가 완전히 폐쇄되는데 걸리는 시간이 각각 12, 16, 20초(n=3, 4, 5에 해당함)일 경우에 대하여 수행하였다.
- 와 컴퓨터를 연결한다. 압력전송기 (pressure transmitter) 및 수위전송기 (level transmitter) 등에서 측정 된 전기 적 인 신호 값은 검사기 (signal conditioner, DBK11A)를 거쳐 아날로그-디지털 변환 장치로 전송되고, 수집된 데이터는 노트북에 설치된 프로그램(DaqView)을 사용하여 현장에서 실시간으로 확인. 분석된 후 저장된다.
- 원수를 취수하여 평택 계통에 5단계 746, 550 m:7d, 6단계 504, 450 nf'/d(총 1, 251, 000 m3/d) 의 설계유량이 공급되도록 계획 . 설계되었고, 인천 계통은 사업 초기에는 바이패스(by-pass) 배관이 연결되어 가압없이 자연유하로 공급하며 평택 계통은 유입 관로를 통해 조절지에 일단 방류하여 흡수정을 거쳐 가압펌프에 의해 수지 정수장으로 공급된다.
- 제 2관로 5호기 펌프의 흡 . 토출배관에 압력전송기와 밸브개도 지시계를 설치한 후 실험을 수행하였다. Φ2, 300 mm 도수관로에 연결된 저양정 가압펌프 1 대(2관로 5호기)를 단독으로 운전하면서 펌프 1대를 긴급 정지시킨 후 자료수집장치를 사용하여 측정한 결과를 Fig.
- 판교 가압장을 보호하기 위한 주설비로는 역류 방지 및 유량제어를 동시에 수행할 수 있는 펌프제어 밸브가 선정되었고, 서지릴리프밸브는 펌프 제어 밸브가 오동작 했을 경우와 과다한 이상 압력에 대비한 안전설비로서 계획되었다. 이는 관로상에서 수주 분리 현상이 발생하지 않을 때 압력 상승만을 억제할 목적으로 사용되는 경우 매우 유용한 방안이라 할 수 있다.
- 판교가압장에서 병렬로 운전되고 있는 펌프들이 갑작스런 정전으로 긴급 정지되었을 때 발생하는 수격작용이 가장 심각한데, 이에 대한 수격현상은 전용 전산프로그램인 WHAP (WaterHammer Analysis Program)(5)(6)를 사용하여 수치해석하였다.
- 도수관로상에서의 역류 발생 시간은 펌프운전대수와 관경에 따라 달라진다. 펌프·모터의 GD2 가 850 kg·m2이고, 도수유량이 833, 760 m3/d 경우 2, 300mm 관로상에서 역류는 4.4초에 발생하는 것으로 예측되었으므로, 제1 단계 밸브폐쇄 시간(ti)은 4초로 결정하였다. 수치계산은 펌프제어 밸브가 완전히 폐쇄되는데 걸리는 시간이 각각 12, 16, 20초(n=3, 4, 5에 해당함)일 경우에 대하여 수행하였다.
대상 데이터
- 이러한 수격작용을 완충시켜주기 위하여 도수관로 정상부에는 직경 10 m의 조압수조를 설치하였다. 또한, 수도권 5단계 당초 설계시 수격작용으로부터 판교가압장을 보호하기 위한 주설비로는 펌프제어 밸브(또는 제어용 체크밸브)가 선정되었고, 압력 릴리프밸브는 펌프제어밸브가 오동작했을 경우를 대비한 보조설비로서 설치하도록 계획되었다. 그리고, 수도권 6단계 실시설계시 조압수조 상류의 도수관로 정점 부에서 부압이 발생하는 것으로 검토되었기 때문에 이 지점에는 수격방지용 공기밸브가 보완·설치되었다.
- 판교가압장은 팔당댐 상류에 위치한 팔당 3 취수장에서. 원수를 취수하여 평택 계통에 5단계 746, 550 m:7d, 6단계 504, 450 nf'/d(총 1, 251, 000 m3/d) 의 설계유량이 공급되도록 계획 .
데이터처리
- 판교 가압펌프장의 흡수정 방식과 직결식 펌프장에서 수격현상에 대한 현장 시험을 1대~3대의 경우에 수행하였으나 패턴이 비슷하여 1대의 경우 내용만을 수치해석 결과와 비교. 분석함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
성능/효과
- (1) 용수 수요가 공급 목표에 도달할 때까지는 흡수정 방식의 저양정 펌프와 직결식 펌프를 병렬로 조합 운영하는 경우 토출관로에서의 수격현상은 흡수정 방식의 경우와 별다른 차이가 없었으나, 흡입관로에서의 수격압은 3.25kg/cm2 까지 상승하는 것으로 측정되었다. 이처럼 직결식 펌프장의 형태로 수도시설을 운영하는 경우에는 압력파가 흡입관로를 통하여 상류로 전파될 수 있으며, 이러한 수격현상에 대한 이해가 부족한 경우에는 판교가압장의 흡입관로 및 팔당에서 판교가압장까지의 도수터널 등에서 사고가 발생할 우려가 있으므로 주의하여야 한다.
- (3) 펌프 트립 후 버터플라이형 체크밸브(또는 펌프제어 밸브)는 밸브디스크의 구조 및 관성으로 인하여 역류가 발생하는 순간에 닫히지 못하고 약간의 역류를 허용하면서 닫히기 때문에 여전히 슬래밍 현상이 발생하였으나, 이 슬램서지는 에어챔버가 설치됨으로써 주기가 매우 길어진 다운서지(압력이 떨어지는) 과정 중에 발생하였기 때문에 그다지 우려할 상황이 아닌 것으로 분석되었다. 또한, 펌프제어밸브의 슬래밍 현상을 줄이기 위하여 유압실린더의 밸브 개도를 변화시켜 쿠션 작용을 일으킬 수 있도록 조절하였을 때 밸브디스크는 매우 부드럽게 닫혔으며, 충격음 및 채터링 역시 현격히 감소한 것으로 관측되었다.
- (4) 판교 가압장에 보완 설치된 에어챔버는 5단계 시설용량에 대하여 도수관로에서 발생하는 수격작용을 매우 효과적으로 완화시키고 있음이 현장시험 및 수치해석을 통하여 확인되었다. 흡수정 방식 및 인라인 펌프장의 서로 다른 형태로 운영될 수 있는 판교 가압장에서 보다 신속한 용수 공급을 위하여 펌프의 기동 시비교적 빠른 속도로 밸브를 개방하더라도 수격작용은 에어챔버에 의해 효과적으로 완화되었다.
- 것으로 예측되었다. 또한, 펌프장 흡수정의 수위와 조압수조 내 수위가 낮을수록 다운서지가 커져 관로에서 수주분리현상이 발생할 가능성은 더욱 커지며, 도수관로 상류에 설치된 300 m 공기밸브가 제대로 작동되지 않는 경우 부압은 더욱 심화될 수 있는 것으로 예측되었다.
- 분석되었다. 또한, 펌프제어밸브의 슬래밍 현상을 줄이기 위하여 유압실린더의 밸브 개도를 변화시켜 쿠션 작용을 일으킬 수 있도록 조절하였을 때 밸브디스크는 매우 부드럽게 닫혔으며, 충격음 및 채터링 역시 현격히 감소한 것으로 관측되었다.
- 과도특성을 요약하여 나타내었다. 수치계산 결과로부터 펌프제어밸브는 20초 정도에 완전 폐쇄시키는 것이 바람직함을 알 수 있다. 이 때, 도수관로 상에서의 최대압력은 정상상태 압력을 약간 상회하는 것으로 예측되었다.
- 흡수정 방식 및 인라인 펌프장의 서로 다른 형태로 운영될 수 있는 판교 가압장에서 보다 신속한 용수 공급을 위하여 펌프의 기동 시비교적 빠른 속도로 밸브를 개방하더라도 수격작용은 에어챔버에 의해 효과적으로 완화되었다. 이러한 결과들을 종합적으로 검토해 볼 때 판교 가압장에 에어챔버가 보완 설치됨으로써 시스템의 안전성이 크게 향상된 것으로 판단된다.
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