[논문]과도수리현상 해석과 실증을 통한 펌프장 안정성 확보방안

라병필; 김진만; 박종호; 김경엽

문제 정의

공기밸브로 교체된 상태이다. 본 검토에서는 과도현상 중 작동될 수 있는 14개 지점에 설치된 공기밸브의 영향을 고려하여 수치계산을 수행하였다. 해석결과 얻어진 도수관로에서의 최대, 최소압력은 Fig.
본 논문은 자양 취수장에서 일산 정수장까지의 계통에서 현 취수용량을 기준으로 현장시험을 실시하고 이 결과에 의해 최대용량에 따른 안정성을 추정코자 한다. 특히 무인으로 운영되고 있는 취수펌프장의 안전설비로 설치되어 있는 안전변(pressure relief valve)과 공기밸브의 역할, 펌프 토출 밸브의 폐쇄시간³⁾ 등을 전산모의해석(computer simulation)과 현장실증을 통해 비교, 분석하므로써 펌프장과 관로의 안정성을 확보하는 데 있다.
이러한 수격작용을 완화시켜주기 위하여 펌프출구주관로상에 에어챔버를 설치하는 방안에 대하여 검토하였다.⁵⁾
자양 취수장의 현장시험(field test)을 수행한 후 수치해석 결과와 비교·검토함으로써 현재 취수용량을 기준으로 수격작용 프로그램 해석결과의 신뢰성을 검증하고자 하였다. 현장시험 기간 동안 자양 취수장 흡수정의 수위(한강)는 약 6.

제안 방법

이 물량를 공급하기 위해서는 양흡입 원심펌프 3대가 취수장에서 병렬로 운전되며, 운전되고 있는 펌프 3대가 갑작스런 정전으로 긴급 정지되었을 때 수격작용이 가장 심각하다. 수치계산은 기존 설치되어 있는 설비와 해석 후 안전대책이 필요할 경우를 대비하여 설비설치가 가능한 위주로 행하였으며 수치계산에 사용된 입력 자료는 Table 2.2와 같고 자양취수장에서 일산 정수장 착수정까지 관로형상(pipeline profile)은 Fig. 2.1 에 나타내었다.
펌프 #2, 3, 4호기 3대가 병렬로 운전되고 있을 때 비상정지 스위치를 동시에 눌러 펌프가 긴급 정지된 상황을 재현하여 현장 시험을 수행하였다. 취수펌프 3대가 병 렬로 운전되고 있을 때 토출측 밸브가 약 40% 개방되어 운전되었고, 관로 내 유량은 9,249 m³/h(222,000 m³/d), 압력은 7.
펌프 #2, 3, 6호기 3대가 병렬로 운전되고 있을 때 3 호기 펌프를 정상적으로 정지하는 시험을 하였다. 펌프 3대를 병렬운전 시 토출측 밸브는 약 33% 개방된 상태로 운전되었고, 유량은 9,223 m³/h(221,000 m³/day)으로 측정되었다.
펌프 #3호기를 단독으로 운전되고 있을 때 비상 정지 시험을 수행하였다. 초기 조건에서 토출측 밸브 가약 22% 개방된 상태로 운전되었고, 유량은 3, 441 m³/h(82, 600 m³/day), 압력은 2.
펌프의 정상적인 정지 시 발생하는 수격작용을 완화시켜주기 위하여 밸브의 폐쇄시간을 인위적으로 변경시켜 현장시험을 수행하였다. 취수장의 경우 밸브를 스텝 제어 형태로 수동 조작하여 6분 동안 밸브를 서서히 닫으면서 측정하였으며, #2, 3, 4호기 3대가 병렬로 운전되고 있을 때 3호기를 정상적으로 정지하였다.
펌프장 안정성 평가를 위한 수치해석 결과와 수격작용에 대한 현장 시험을 실시하여 비교 · 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
현재 최대공급량(220, 000 m³/day)을 기준으로 취수펌프장에서 정수장의 착수정까지 도수관로계에 대한 수격현상을 수치해석하였다. 이 물량를 공급하기 위해서는 양흡입 원심펌프 3대가 취수장에서 병렬로 운전되며, 운전되고 있는 펌프 3대가 갑작스런 정전으로 긴급 정지되었을 때 수격작용이 가장 심각하다.

대상 데이터

본 대상 사업장은 취수펌프장에서 정수장 착수정까지 대구경(ψ 1,500 mm) 장거리 (35.4 km) 관로로 원수를 송수하는 계통이며, 취수펌프의 기동, 정지 시 소음 발생과 배관의 진동, 부압으로 인한 문제가 제기되었다. 특히 정전으로 인하여 갑자기 동력을 잃게 될 때 또는 밸브의 개도를 급폐쇄 할 때 도수관로 내의 유속이 급격히 변하면 압력도 크게 상승하거나 강하하게 되어 심한 수격작용을 일으키고 있다.
본 연구대상인 자양취수장은 한강 잠실 수중보에서 약 1 km 상류에 위치하였는데, 이는 일산 신도시 및 고양시에 용수를 공급하기 위한 시설물로서 취수펌프장은 시설용량인 250,000 m³/day이며, 현재 일일 평균 취수량은 200,000 m³/day 정도이다.

이론/모형

수격해석에 대한 상용 코드가 몇 가지 있지만 수치해석에는 WHAP (Water Hammer Analysis Program)를 사용하였다.

성능/효과

1) 펌프 3대를 병렬로 운전중 펌프 1대를 정상적으로 정지할 때 펌프 토출 밸브를 급폐쇄(32초)하는 경우가 동중인 펌프 2대에 영향을 미치게 되므로 토출밸브 폐쇄시간을 최소 6분 이상 연장하는 것이 수격작용으로 인한 영향을 최소화 할 수 있다.
2) 가동중인 펌프 3대가 비상정지 시 최초 가동되는 펌프는 약 30분 이상 대기한 후 재가동하므로써 수격에 의한 피해를 줄일 수 있다.
3) 공기 밸브실에는 공기의 유 · 출입이 자유로울 수 있도록 반드시 통기관을 설치해야 하고 배수펌프설치 등 침수방지 시설도 갖춰야 한다.
4) 긴 관로 시스템에서는 압력파가 관마찰 손실에 의해 소산되기 때문에 상승압력보다는 부압발생을 효과적으로 방지할 수 있는 수격완화 설비가 필요하다.
다음으로 펌프의 정상가동 중에 비상정지 가능성을 고찰해 보면 1)) 도수관로 주요지점의 구경 250 mm 쌍구형 공기밸브와 200mm 급속 공기밸브가 제대로 작동되지 않는 경우 도수관로 구역에 부압(negative pressure)이 형성되는 것으로 예측되었으며 2)) 부압발생에 따른 관로 내 압력이 대기압보다 낮아지면 관로에 좌굴이 일어날 수 있으며, 증기공동에 의해 분리되었던 수주가 재결합할 때 높은 압력이 유발되어 심한 수격현상이 일어나 도수관로에 파손을 입힐 우려가 있다. 또한 3)) 도수관로를 사전 점검한 결과 일부 공기밸브실의 침수와 외부로 공기출입을 자유롭게 하기 위한 통기관(ventilation pipe)이 거의 설치되지 않아 공기밸브로서의 역할이 원활치 않을 것으로 예상되었고 4)) 취수펌프장 토출측에 안전변(pressure relief valve, ψ350mm×2sets)이 설치되어 있으나 설정압력이 12.
3에 각각 나타내었다. 도수관로상의 전 구간에 걸쳐 관로 내 압력이 물의 포화증기압 이하로 낮아져 증기공동이 형성되며 결국 수주분리현상이 발생하고, 다운서지에 의한 부압 발생시간도 비교적 오랫동안 지속되는 것으로 예측되었다. Table 2.
또한 3)) 도수관로를 사전 점검한 결과 일부 공기밸브실의 침수와 외부로 공기출입을 자유롭게 하기 위한 통기관(ventilation pipe)이 거의 설치되지 않아 공기밸브로서의 역할이 원활치 않을 것으로 예상되었고 4)) 취수펌프장 토출측에 안전변(pressure relief valve, ψ350mm×2sets)이 설치되어 있으나 설정압력이 12.0 kgf/cm²로 상승압에 의한 동작가능성이 낮아 보였으며, 5)) 도수관로에서 발생하는 수주분리현상을 방지할 수 있는 수격완화 설비가 없었다.
또한 정수장내 착수정에서 반사되어 되돌아온 양압력파에 의해 관로로 유입된 공기가 외부로 모두 빠져나갔을 때 취수장에서 압력은 급격히 상승하는 것으로 예측되고 있으나, 실제로 압력은 서서히 그리고 완만하게 상승하는 것으로 측정되었다. 이는 관로 정점부의 공기밸브를 통하여 공기가 외부로 유출될 때 관로 내 수면 변동fluctuation)과 2상 유동(two phase flow)등의 원인에 의해 차이를 보이는 것으로 판단된다.
6+37)어) 설치된 공기밸브를 통하여는 외부의 공기가 약 223초 동안 100 m³ 정도가 관로로 유입된 것으로 예측되었다. 수치해석결과 도수관로에서의 수주분리현상은 이 공기밸브에 의해 매우 효과적으로 방지될 수 있으나, 공기밸브 사이의 중간 구역에서는 약간의 부압이 발생하는 것으로 예측되었다.
펌프 토출밸브(ψ700mm)의 개폐시간은 95초로 조사되었다. 이에 따라 밸브의 개도가 33%인 상태에서 운영되다 펌프를 정지시키는 경우 밸브의 폐쇄 시간이 32초(95/3)로 매우 빨라 심각한 수격작용을 유발하는 것으로 분석되었다. Fig.
10은 이 공기밸브를 통하여 관로로 유입된 공기의 체적을 나타내었다. 취수장의 에어챔버와 공기밸브에 의해 도수관로에서는 증기공동이나 수주분리현상이 발생하지 않고, 업서지에 의한 압력상승도 정상상태 압력을 거의 넘지 않는 것으로 분석되었다. Table 2.
토출밸브가 열림에 따라 관로로 물이 공급되면서 펌프 출구측 압력은 떨어지고 주 관로 내 압력은 상승하게 되는데, 이러한 과정에서 발생하는 과도현상은 밸브개도가 고정된 후 짧은 시간 안에 안정되고 있으며, 이 때 작용하는 수격작용도 그다지 우려가 없는 것으로 분석되었다. 취수펌프 3대가 병렬로 운전함으로써 관로 내 유량은 9,219 m³/h(221,000 m³/day) 으로 증가하였고, 이에 따라 주 관로 내 압력도 5.3 kgf/cm²에서 6.9 kgf/cm²로 증가된 것으로 측정되었다.
87 kgf/cm²로 측정되었다. 토출밸브가 열림에 따라 관로로 물이 공급되면서 펌프 출구측 압력은 떨어지고 주 관로 내 압력은 상승하게 되는데, 이러한 과정에서 발생하는 과도현상은 밸브개도가 고정된 후 짧은 시간 안에 안정되고 있으며, 이 때 작용하는 수격작용도 그다지 우려가 없는 것으로 분석되었다. 취수펌프 3대가 병렬로 운전함으로써 관로 내 유량은 9,219 m³/h(221,000 m³/day) 으로 증가하였고, 이에 따라 주 관로 내 압력도 5.

후속연구

4 km)이므로 펌프 토출 밸브의 개폐시간인 상대적으로 짧다. 3)) 밸브개폐시간은 10 L/a (L:관로길이, a:압력파 전파속도) 이상 유지하여야 하므로 취수펌프의 토출밸브 개폐시간을 충분히 늘려야 하며 4)) 기동·정지 시 수격작용을 신속히 안정시킬 수 있는 설비가 필요하고 5)) 취수펌프장의 운영에 대한 개선방안이 검토되어야 할 것이다.

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