본 연구는 수격펌프를 이용하여 용수 공급의 가능성과 효율성을 평가하기 위하여 수행되었다. 연구지역은 경상북도 상주시 화남면 임곡리로 과거 석탄개발에 사용된 갱도로부터 지속적으로 지하수 유출이 발생하고 있다. 유출되는 지하수는 일평균 약 $260m^3/day$의 수량을 가지는 것으로 파악되었다. 수격펌프는 수격현상을 이용하여 전력없이 공급원으로부터 고도차(압력)에 의해 물의 일부를 높은 곳으로 이송시키는 펌프이다. 수격펌프의 효율성을 파악하기 위해 수격펌프와의 고도차에 따라 3지점(${\Delta}h=19m$ (1지점), 30 m (2지점), 40 m (3지점))에서 유량을 측정하였다. 1지점에서는 약 $8.6{\sim}10.8m^3/day$, 2지점은 약 $3.98{\sim}4.39m^3/day$ 그리고 3지점에서는 약 $2.35{\sim}2.59m^3/day$의 물을 운반할 수 있는 것으로 파악되었다. 이번 연구를 통해 수격펌프가 산간지역 등에서 전력없이 물공급 시스템에 활용할 수 있을 것으로 파악되었다.
본 연구는 수격펌프를 이용하여 용수 공급의 가능성과 효율성을 평가하기 위하여 수행되었다. 연구지역은 경상북도 상주시 화남면 임곡리로 과거 석탄개발에 사용된 갱도로부터 지속적으로 지하수 유출이 발생하고 있다. 유출되는 지하수는 일평균 약 $260m^3/day$의 수량을 가지는 것으로 파악되었다. 수격펌프는 수격현상을 이용하여 전력없이 공급원으로부터 고도차(압력)에 의해 물의 일부를 높은 곳으로 이송시키는 펌프이다. 수격펌프의 효율성을 파악하기 위해 수격펌프와의 고도차에 따라 3지점(${\Delta}h=19m$ (1지점), 30 m (2지점), 40 m (3지점))에서 유량을 측정하였다. 1지점에서는 약 $8.6{\sim}10.8m^3/day$, 2지점은 약 $3.98{\sim}4.39m^3/day$ 그리고 3지점에서는 약 $2.35{\sim}2.59m^3/day$의 물을 운반할 수 있는 것으로 파악되었다. 이번 연구를 통해 수격펌프가 산간지역 등에서 전력없이 물공급 시스템에 활용할 수 있을 것으로 파악되었다.
This study was conducted to evaluate the applicability and efficiency of water supply using hydraulic ram pump. Study area is the Imgok-ri, Hwanam-myeon, Sanju-si, Kyeongsangbuk-do. There is an abandoned coal mine, where groundwater is discharged from its entrance with a flow rate of approximately <...
This study was conducted to evaluate the applicability and efficiency of water supply using hydraulic ram pump. Study area is the Imgok-ri, Hwanam-myeon, Sanju-si, Kyeongsangbuk-do. There is an abandoned coal mine, where groundwater is discharged from its entrance with a flow rate of approximately $260m^3/day$. Hydraulic ram pump uses the waterhammer phenomenon and utilizes the power of falling water for pumping part of that water to a higher elevation than the water sources without electric power. To determine the efficiency of hydraulic ram pump, the flow rate was measured at three points according to the altitude difference (${\Delta}h=19m$ (point 1), 30 m (point 2), 40 m (point 3)). Flow rate measured at 1, 2, and 3 were about $8.6{\sim}10.8m^3/day$, $3.98{\sim}4.39m^3/day$, and $2.35{\sim}2.59m^3/day$, respectively. The current results suggested that, hydraulic ram pump could be applicable for the water supply system in mountain areas without external power supply.
This study was conducted to evaluate the applicability and efficiency of water supply using hydraulic ram pump. Study area is the Imgok-ri, Hwanam-myeon, Sanju-si, Kyeongsangbuk-do. There is an abandoned coal mine, where groundwater is discharged from its entrance with a flow rate of approximately $260m^3/day$. Hydraulic ram pump uses the waterhammer phenomenon and utilizes the power of falling water for pumping part of that water to a higher elevation than the water sources without electric power. To determine the efficiency of hydraulic ram pump, the flow rate was measured at three points according to the altitude difference (${\Delta}h=19m$ (point 1), 30 m (point 2), 40 m (point 3)). Flow rate measured at 1, 2, and 3 were about $8.6{\sim}10.8m^3/day$, $3.98{\sim}4.39m^3/day$, and $2.35{\sim}2.59m^3/day$, respectively. The current results suggested that, hydraulic ram pump could be applicable for the water supply system in mountain areas without external power supply.
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문제 정의
본 연구는 수격펌프를 이용하여 직접 용수 공급 가능성과 효율성을 평가하기 위하여 수행되었다.
상주시 임곡리에는 과거 1920년대부터 1990년대 초까지 석탄광(전호탄광) 개발이 이루어졌던 곳으로 석탄을 개발하기 위한 갱도가 지하에 분포되어 있다. 이 폐광 갱도로부터 다량의 지하수가 지속적으로 유출되고 있어 이 물을 마을에 공급하기 위해 전력이 필요 없는 수격펌프를 설치하여 활용가능성을 파악하고자 하였다(Fig. 3(a, b)).
제안 방법
수격펌프로부터 운반되는 유량은 저류지까지의 고도 차(이송수두)에 따라서 다르기 때문에 고도가 다른 3개 지점에서 (수격펌프와의 고도 차: 18, 30, 40 m) 운반되는 유량을 측정하였으며 40 m 지점까지의 배관의 총 길이는 약 225 m 정도 되었다. 또한 물을 이동시키는 배관의 직경에 따라 배출되는 유량이 다를 수 있으므로 관 직경에 따른 효율성을 평가하기 위해 2개의 배관직경(20, 16 mm)에 대하여 유량을 측정하였다.
원수는 앞서 언급했듯이 석탄광 폐광 갱도 입구에서 지속적으로 유출되는 물이며 이를 대상으로 2015년 7월부터 11월까지 유출량과 현장 수질을 측정하였다. 유출량은 파이프라인과 유량계를 설치하여 측정하였고 현장 수질은 온도, pH, 전기전도도(EC), 용존산소농도(DO), 산화환원전위 (ORP)를 측정하였다(Table 2).
대상 데이터
수격펌프는 Green & Carter Ltd의 1.5인치 Vulcan Ram Pump(무게 54 kg)를 사용하였고 공급원인 갱도 입구로부터 수두 낙차를 고려하여 탄광 입구에 공급배관을 새로 설치하였으며, 공급배관은 구경이 40 mm인 PE관이다.
수격펌프의 효율성을 시험하기 위해 수원지(갱도 입구)와 수격펌프의 수두차인 공급수두를 약 6 m 정도로 설정하였고 수원지와 수격펌프까지의 총 길이는 약 90 m 정도 되었다. 수격펌프로부터 운반되는 유량은 저류지까지의 고도 차(이송수두)에 따라서 다르기 때문에 고도가 다른 3개 지점에서 (수격펌프와의 고도 차: 18, 30, 40 m) 운반되는 유량을 측정하였으며 40 m 지점까지의 배관의 총 길이는 약 225 m 정도 되었다. 또한 물을 이동시키는 배관의 직경에 따라 배출되는 유량이 다를 수 있으므로 관 직경에 따른 효율성을 평가하기 위해 2개의 배관직경(20, 16 mm)에 대하여 유량을 측정하였다.
수격펌프의 효율성을 시험하기 위해 수원지(갱도 입구)와 수격펌프의 수두차인 공급수두를 약 6 m 정도로 설정하였고 수원지와 수격펌프까지의 총 길이는 약 90 m 정도 되었다. 수격펌프로부터 운반되는 유량은 저류지까지의 고도 차(이송수두)에 따라서 다르기 때문에 고도가 다른 3개 지점에서 (수격펌프와의 고도 차: 18, 30, 40 m) 운반되는 유량을 측정하였으며 40 m 지점까지의 배관의 총 길이는 약 225 m 정도 되었다.
연구지역은 충청북도 보은군 마로면과 경상북도 상주시 화남면의 임곡리로 행정구역상 두 지역의 경계로 나누어져 있는 곳이다. 이 지역은 광역상수도가 들어오지 않아 생활용수 및 농업용수를 마을상수도에 의존하고 있다.
수격펌프를 이용하여 물을 공급하기 위해서는 물공급 원수에 대한 조사가 필수적이다. 원수는 앞서 언급했듯이 석탄광 폐광 갱도 입구에서 지속적으로 유출되는 물이며 이를 대상으로 2015년 7월부터 11월까지 유출량과 현장 수질을 측정하였다. 유출량은 파이프라인과 유량계를 설치하여 측정하였고 현장 수질은 온도, pH, 전기전도도(EC), 용존산소농도(DO), 산화환원전위 (ORP)를 측정하였다(Table 2).
성능/효과
•수격펌프로부터 운반되는 물의 유량은 펌프와 배출 지점의 고도 차에 많은 영향을 받는 것으로 파악되었으며, 그 외에도 배관의 직경(배관내의 물의 양)도 중요한 변수가 된다는 것을 알 수 있었다.
•수격펌프를 이용한 물공급 시스템은 현장상황에 적합한 설계를 통해 용수공급량 증가 또는 효율성을 증가시킬 수 있는 것도 확인하였다.
수격펌프 시험 결과, 유입량이 260 m3/day 일 때 운반된 유량은 이송배관 직경이 20 mm인 경우 ∆h = 18 m 지점에서 8.6 m3/day, ∆h = 30 m지점에서는 3.98 m3/day 그리고 ∆h = 40 m지점에서는 2.35 m3/day로 측정되었으며 이송배관 직경이 16 mm인 경우에는 ∆h = 18 m 지점에서 10.8 m3/day, ∆h = 30 m지점에서는 4.39 m3/day,그리고 ∆h = 40 m지점에서는 2.59 m3/day로 측정되었다(Table 3, Fig. 4(a))
유출량 측정결과, 파이프라인을 통해 유출되는 유량은 약 236~282 m3/day로 월별 유량 변동이 적으며 평균적으로 260 m3/day 이상이 안정적으로 유출되었다. 파이프라인 밖으로 흘러나가는 유출수량도 상당한 양이어서 이를 감안하면 갱도로부터 유출되는 물은 최소 300 m3/day 이상이 될 것으로 판단된다.
유출수는 온도 12.4~12.8oC, pH 7.14~7.29, EC 428~507 µS/cm, DO 8.72~9.1 mg/l, 그리고 ORP 157.4~225.0 mV 로 비교적 안정된 현장수질을 유지하였다.
/day), h는 수격펌프로부터 이송되는 고도차(m)이다. 이송배관 직경에 따른 효율성은 직경 20 mm 배관에서 6.0~9.9%의 효율성을 보였으며 16 mm 직경에서는 6.6~12.5%의 효율을 보이는 것으로 측정되었다. 수격펌프의 효율은 각 제조사별로 다르지만 일반적으로 10~20%(1:9, 2:8)정도이다.
이번 연구결과 해당 수격펌프의 효율은 수격펌프로 부터 이송되는 고도차와 공급배관의 직경에 따라서 다른 결과를 나타내었다. 이송시키고자 하는 고도가 높아질수록, 공급배관의 직경이 클수록 효율성은 떨어지는 것을 알 수 있었다.
후속연구
따라서, 향후 수격펌프의 효율성을 증가시키기 위해서는 초기 수원지와 수격펌프와의 수두 차를 증가시키고 저류지까지 운반되는 이송배관의 길이를 최소화 한다면 수격펌프의 효율을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
이번 현장 검증을 통해 산간지역 등에서 전기 없이 물을 공급하는데 있어 수격펌프를 이용 가능 할 것으로 판단되며, 특히 여름철의 하천 또는 계곡에서 유출 되는 물을 수격 펌프를 통해 고지대에 저장시켜 물이 부족 할 때 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수격현상이란?
관 내에 유체가 꽉 찬 상태로 흐를 때 유체의 속도를 급격하게 변화시키면 관 내부에 압력변화가 생겨 순간적으로 압력파에 의한 진동이 발생하게 되는 것을 수격현상(water hammer) 이라고 한다(Kwon, 2012). 관로 내부를 흐르던 유체는 하류 부분에 위치한 밸브를 급격히 닫거나 열 때, 운동에너지가 압력에너지로 변환되면서 관 내부를 전파하게 된다(Kim and Lee, 1997; Lee, 1998).
수격펌프를 이용하여 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 이송시키는 원리는?
1). 유도관(drive pipe)을 통해 수원지로부터 물이 중력의 의해 공급되며 펌프 안에서 유입속도와 운동에너지가 증가하며 배출 밸브(waste valve)를 통해 일부가 유출되면서 마찰력이 증가한다. 마찰력이 증가함에 따라 배출밸브가 닫히게 되면 압력 상승에 의해 수격현상이 발생하고 이송체크 밸브(delivery check valve)가 열리며 압력챔버(pressure vessel) 내부에 압력이 증가하게 되며 증가된 압력에 의해 이송관을 따라 유체가 상부로 이동하게 된다. 이송관(delivery pipe) 출구(outlet)를 통해 유체가 이동하면 압력과 유속이 감소하여 그 흐름이 역으로 전환되게 된다. 이때 이송 체크밸브는 닫히면서 상부로 이송된 유체가 하부로 빠져나가지 못하도록 한다. 하부에 남아 있는 잔여 유체는 배출밸브를 통해 유출된다. 위와 같은 과정이 연속적으로 진행되면서 유체는 지속적으로 운반과 배출이 병행되면서 고도가 더 높은 곳까지 이동하게 되는 것이다.
수격펌프란?
유출되는 지하수는 일평균 약 $260m^3/day$의 수량을 가지는 것으로 파악되었다. 수격펌프는 수격현상을 이용하여 전력없이 공급원으로부터 고도차(압력)에 의해 물의 일부를 높은 곳으로 이송시키는 펌프이다. 수격펌프의 효율성을 파악하기 위해 수격펌프와의 고도차에 따라 3지점(${\Delta}h=19m$ (1지점), 30 m (2지점), 40 m (3지점))에서 유량을 측정하였다.
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