[논문]발전소 급수용 펌프 배관계의 음향학적 현상 고찰

양경현; 조철환; 배춘희

doi:10.5050/ksnve.2011.21.11.1029

발전소 급수용 펌프 배관계의 음향학적 현상 고찰
Acoustic Investigation on BFP Piping System in a Power Plant 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.21 no.11, 2011년, pp.1029 - 1035

양경현 (한전 전력연구원) , 조철환 (한전 전력연구원) , 배춘희 (한전 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Pressure pulsation of exciting sources that generally occurs on the piping system connected to the discharge of BFP(boiler feed water pump) in power plants causes wave reflection, wave interference, resonance, standing wave and so on. But if the operating speed of the pump is changed, the state of the noise and vibration can be done because characteristics of the exciting source are changed. This paper is to investigate the cause of the noise and vibration occurring on the piping system when the operating speed of BFP is down in accordance with lowering of the power generation. It is approached to two points of view ; Firstly, it is examined whether the pulsation source impacts on the shell mode vibration that vibrates radially across the cross-section of the pipe. But it doesn't affect the shell mode as much as the resonance occurs. Secondly, to find the relation between the pulsation source and the acoustic mode of the piping system, analysis for the piping system by indirect BEM(boundary element method) is carried out. Therefore it is investigated that the mechanism of the noise and vibration relates with acoustic mode of the piping system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

급수 배관계에서의 소음과 진동의 특성 주파수가 고주파 영역이므로 먼저 유체 맥동압이 배관계 shell 모드의 진동과 관계가 있는지 이론식을 통해 검토하였다. 또한 가진력과 배관계의 음향학적인 관련성을 검토하기 위해 간접 경계요소법으로 음향모드 해석을 수행함으로써 결국 배관계에서 발생하는 이상 소음과 진동은 펌프 맥동압의 가진력이 배관계의 음향학적인 현상과 매칭되었음을 제시하고자 한다.
이 논문에서는 발전소 보일러 급수펌프가 출력변화에 의해 운전속도가 변화할 때 토출배관에서 발생된 소음 및 진동의 원인을 규명하고자 shell 모드 고유진동수의 계산과 간접 경계요소법에 의한 음향 모드해석을 수행하였다.
이 연구에서는 발전소 급수펌프 배관계에서 출력이 변화되면서 급수펌프의 정상속도 보다 낮아질 때 주기적인 소음과 진동이 발생하는 것에 주목하고, 관련 현상의 발생 원인을 찾고자 수행한 결과를 기술하였다. 급수 배관계에서의 소음과 진동의 특성 주파수가 고주파 영역이므로 먼저 유체 맥동압이 배관계 shell 모드의 진동과 관계가 있는지 이론식을 통해 검토하였다.
따라서 현장에서 발생한 이상 소음과 진동이 기준치를 초과할 정도로 상태가 좋지 못하므로 배관의 shell 모드 진동과 공진일 될 경우 설비의 각종 손상을 일으킬 수 있는 요인이 될 것이다. 이에 가진요소인 유체 유발의 압력맥동이 배관의 shell 모드와 관련성이 있는지 검토하게 되었다.

제안 방법

이 연구에서는 발전소 급수펌프 배관계에서 출력이 변화되면서 급수펌프의 정상속도 보다 낮아질 때 주기적인 소음과 진동이 발생하는 것에 주목하고, 관련 현상의 발생 원인을 찾고자 수행한 결과를 기술하였다. 급수 배관계에서의 소음과 진동의 특성 주파수가 고주파 영역이므로 먼저 유체 맥동압이 배관계 shell 모드의 진동과 관계가 있는지 이론식을 통해 검토하였다. 또한 가진력과 배관계의 음향학적인 관련성을 검토하기 위해 간접 경계요소법으로 음향모드 해석을 수행함으로써 결국 배관계에서 발생하는 이상 소음과 진동은 펌프 맥동압의 가진력이 배관계의 음향학적인 현상과 매칭되었음을 제시하고자 한다.
배관 내부는 급수 조건에 따른 물성치를 고려하였으며, 음장에서 나타나는 음압변화를 확인하기 위해 소음원 주파수는 380 Hz~455 Hz의 단일 주파수를 입력하였다.
배관계의 유체 매질과 배관 구조특성의 상호간섭에 의한 연성문제를 고려하여 음향특성을 파악하였다. SYSNOISE를 이용하였으며, 간접 경계요소법에 의해 수치해석을 실시하였다.

이론/모형

배관계의 유체 매질과 배관 구조특성의 상호간섭에 의한 연성문제를 고려하여 음향특성을 파악하였다. SYSNOISE를 이용하였으며, 간접 경계요소법에 의해 수치해석을 실시하였다.
배관계의 음향모드는 간접 경계요소법에 의해 해석적 방법을 사용하여 배관모델로부터 일정거리 떨어진 음장점에서 음압변화를 계산함으로써 음향모드를 구하였다. 해석결과 현장에서 나타났던 지배 주파수 성분인 417 Hz에서 음향모드가 거의 일치하고 있음을 확인하였다.

성능/효과

해석된 결과로부터 음향 모드로 나타나는 주파수는 391 Hz, 399 Hz, 407 Hz, 417 Hz, 427 Hz, 448 Hz로 나타났다. 그 중 현장에서 측정된 소음의 지배 주파수와 거의 근사치인 417 Hz에서 음향 모드가 분명하게 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
따라서 현장에서 발생한 소음과 진동의 원인은 펌프의 깃 통과주파수에 의한 유체유동 맥동주파수가 변화하면서 배관의 음향모드와 일치하거나 근접할 때 발생한 현상이라는 결과를 도출하였다.
해석결과 현장에서 나타났던 지배 주파수 성분인 417 Hz에서 음향모드가 거의 일치하고 있음을 확인하였다. 또한 발전소의 출력이 낮아지면 급수펌프의 운전속도가 417 Hz의 음향모드에 가까워지면서 소음과 진동이 발생하고, 정상출력으로 높아지면 음향모드로부터 떨어지면서 소음과 진동이 정상화됨을 확인하였다.
배관계의 유체유발 맥동성분이 저주파수가 아니므로 배관의 beam 모드보다 배관의 shell 모드 진동주파수에 근접할 가능성이 있는지 여부를 확인한 결과 모드와 일치하거나 근접한 경우가 없는 것으로 나타나 진동모드에 의한 공진현상은 아닌 것으로 확인되었다.
발전소 출력변동시 펌프의 회전수 변화에 의한 임펠러 깃통과 주파수는 416∼426 Hz의 범위를 가지게 되며, shell 모드 진동수의 ±5 % 범위 이내에 들어가는 차수는 없는 것으로 나타나고 있다. 즉 급수펌프에 의한 유체의 압력맥동이 shell 모드 진동수에 영향을 미치지 않고 있음을 확인할 수 있었다.
배관계의 음향모드는 간접 경계요소법에 의해 해석적 방법을 사용하여 배관모델로부터 일정거리 떨어진 음장점에서 음압변화를 계산함으로써 음향모드를 구하였다. 해석결과 현장에서 나타났던 지배 주파수 성분인 417 Hz에서 음향모드가 거의 일치하고 있음을 확인하였다. 또한 발전소의 출력이 낮아지면 급수펌프의 운전속도가 417 Hz의 음향모드에 가까워지면서 소음과 진동이 발생하고, 정상출력으로 높아지면 음향모드로부터 떨어지면서 소음과 진동이 정상화됨을 확인하였다.
해석된 결과로부터 음향 모드로 나타나는 주파수는 391 Hz, 399 Hz, 407 Hz, 417 Hz, 427 Hz, 448 Hz로 나타났다. 그 중 현장에서 측정된 소음의 지배 주파수와 거의 근사치인 417 Hz에서 음향 모드가 분명하게 존재하고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

따라서 현장에서 발생한 이상 소음과 진동이 기준치를 초과할 정도로 상태가 좋지 못하므로 배관의 shell 모드 진동과 공진일 될 경우 설비의 각종 손상을 일으킬 수 있는 요인이 될 것이다. 이에 가진요소인 유체 유발의 압력맥동이 배관의 shell 모드와 관련성이 있는지 검토하게 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펌프 맥동압은 급수 배관계에 어떠한 문제를 발생시키는가?	급수 배관계에서 발생하는 유체유발 가진원 중 펌프 맥동압의 경우 파반사(wave reflection), 파간섭(wave interference), 공진, 정재파(standing wave) 등을 발생시키는 원인이 되며, 이것이 과도할 경우 펌프 자체 혹은 연결 시스템까지도 상당한 손상을 입히게 된다(2). 그러나 급수배관 펌프의 운전속도가 변화할 때는 펌프의 맥동압 가진력 역시 변화되므로 이때 급수배관계에 작용하는 소음과 진동에 대한 원인 규명은 더욱 어렵게 된다.
	본 연구에서 사용한 보일러 급수펌프의 급수 속도는 어떻게 조절하는가?	보일러 급수펌프는 구동측이 단기동 충동식 복수 터빈형식으로서 약 140 ℃의 고온 급수를 이송시키는 가변식 펌프이다. 전력 생산량(출력)에 비례하여 속도를 조절할 수 있도록 되어 있다. 펌프의 사양은 Table 1과 같다.
	발전소와 같이 대용량의 급수를 이송하는 연결 배관계는 주변기기로부터 전달되는 가진력 외에 무엇으로 인해 유체유발 가진원은 가질 수 있는가?	발전소와 같이 대용량의 급수를 이송하는 연결 배관계는 주변기기로부터 전달되는 가진력을 제외하고도 펌프의 맥동압 및 배관의 굴절, 밸브요소, 헤더 등으로 인해 다양한 유체유발 가진원을 발생시킬 수 있다(1). 그리고 급수 배관계에서 소음과 진동이 발생될 때는 단순히 특정 부위에서만 현상이 발생하지 않고 그 주변 시스템까지도 전달되는 경향을 가지므로 그 발생원인을 정확하게 진단하지 않으면 문제해결이 쉽지 않게 된다.

참고문헌 (14)

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Cho, C. H., Bae, C. H. and Yang, K. H., 2003, Research for abnormal Vibration & Noise Control on the Discharge Piping of the Pump Feeding Water, Ministry of Commerce, Industry and Energy.
Yang, K. H., Cho, C. H. and Bae, C. H., 2004, Study on Noise Control for Piping System of BFP in a Power Plant, Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference, pp. 490-494.
Lee, J. W., 2000, Noise & Vibration Handbook, Science Technology.
Yang, B. S., 2002, Vibration of Rotating Machines, Intervision Publishing Company, pp. 559-603.
Frank Fahy, 2001, Foundation of Engineering Acoustics, Academy Press, New York.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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