보일러 급수펌프(Boiler feed pump)의 선정방법

보일러 급수펌프(Boiler feed pump)의 선정방법

 

 

설비에서 취급하는 펌프의 종류는 대략 급수용과 순환용, 그리고 소방 및 배수용이 있다. 경우에 따라 특별한 용도의 펌프를 사용하기도 하나 이는 일반적인 경우가 아닐 것이다. 이 글에서는 순환용 펌프의 선정방법과 급수용, 그 중에서도 보일러 급수용 펌프를 선정하는 방법에 대해 언급해 보겠다.

 

1. 순환용 펌프의 선정 방법

순환용 펌프를 선정하는데 필요한 자료는 유량과 양정 및 사용내압, 그리고 사용온도이다. 급수펌프와는 다르게 흡입양정 부족으로 인한 캐비테이션의 우려가 거의 없으므로 흡입양정을 고려할 필요는 없다. 그러나 시스템에 압력 불균형이 발생되어 펌프의 운전에 지장을 주거나, 시스템에 공기장애 현상이 나타날 수도 있으며 이는 팽창탱크의 접속점을 잘못 선택했을때 나타난다.

팽창탱크의 접속점은 언제나 순환펌프 입구측에서 이루어져야 한다.

 

 

2. 압력과 온도

1)사용내압

펌프 정지시 펌프에 미치는 정수두와 펌프의 최고토출압력을 더한 압력이 펌프의 사용내압보다 낮아야 한다. 만약 팽창탱크를 밀폐형으로 설치한 경우 팽창시 상승압력 1~2kg/㎠를 감안해야 한다.

즉, 펌프 사용내압 〉 펌프 정수두 압력 + 펌프최고 토출압력 + 팽창압

- 펌프 최고 토출압력이란 펌프 토출 즉 밸브를 막고 운전했을 경우 상승하게 되는 최고압력을 말한다.

- 또한 펌프는 사용내압의 1.5배에 해당하는 시험압력에 30분이상 견뎌야 한다.

 

2) 사용온도

- 펌프의 사용온도는 주위온도와 사용유체의 온도를 말한다. 통상 펌프의 허용 주위온도는 60℃이하인 경우가 대부분이다. 주위온도가 지나치게 높으면 모터의 냉각에 영향을 주어 장기적으로 절연을 파괴하여 모터 소손의 원인이 된다. 유체의 온도는 펌프의 성능에 직결되는 중요한 요소이다. 유체의 온도가 높으면 펌프의 Sealing에 영향을 주게 되고 모터의 베어링에도 영향을 주게 된다. 따라서, 펌프의 축봉장치에 냉각System 설치여부를 신중히 고려해야 한다. 또한, 유체온도에 의한 포화증기압을 고려하여 시스템 전체에 압력의 감소로 인해 기화되는 부분이 없도록 적절히 가압해 주어야 한다. 보충수 탱크의 설치높이를 올리거나 보충수용 가압펌프를 설치하면 가능할 것이다.

- 온도가 120℃인 중온수의 경우 일반적으로는 냉각 시스템을 설치하나, 펌프 Type에 따라 냉각시스템 없이 사용 가능한 펌프도 있다.

- 시스템 보충수 펌프의 급수압력은 포화증기압 + 2kg/㎠이 적당하다.

 

 

3. 펌프선정 방법

1) 효율적인 펌프의 선정

일반적으로 유량에 따라 접속구경이 결정되고, 양정에 따라 임펠라 크기가 결정된다. 그러나 항상 주어진 유량과 양정에 한가지 모델만 선정되지는 않는다. 예를 들어 어떤 유량에 대해 접속구경이 65A인 펌프가 선정될 수도 있고, 80A인 펌프가 선정될 수도 있다.

예를들어 170Lpm x 15M인 경우, 65A인 펌프가 선정될 수 있고(그림 Fig01), 80A인 펌프가 선정될 수 있다(그림 Fig02). 이 경우 선정기준은 주위배관이 아니고 효율로써 판단해야 한다. 즉, 65A인 경우 78%를 약간 웃돌고 80A인 경우 63%인 정도이다. 따라서 각각의 동력은 65A인 경우 3HP이나 80A인 경우 4HP이다. 즉, 펌프선정의 첫째 기준은 효율이다.

< Fig01. 170Lpm x 15M인 경우 65A 펌프선정 >

 

< Fig02. 170Lpm x 15M인 경우 80A 펌프선정 >

 

2) 안정적인 펌프의 선정

만약 효율과 동력이 비슷한 경우라면 어떻게 할것인가?

예를 들어 420Lpm x 40M인 경우를 보면 65A인 경우(그림 Fig03), 효율은 75%이고 동력은 20HP이다. 또 80A인 경우(그림 Fig04), 효율은 73%이고 동력도 20HP이다.

< Fig03. 420Lpm x 40M인 경우 65A 펌프선정 >

 

< Fig04. 420Lpm x 40M인 경우 80A 펌프선정 >

 

이 경우 고려해야 할 것은 유량변화에 따른 모터동력의 여유가 있는가 하는 것이다. 즉, 실제 시스템 저항특성곡선이 설계한 것과 다르게 마찰손실이 40M가 아니라 그 보다 낮다면 펌프는 예측된 운전점에서 운전하는 것이 아니라 그 보다 유량이 증가하는 점에서 운전하게 된다. 배관 마찰손실이 40M가 아니라 35M에서 운전하게 되면 65A인 펌프는 420Lpm x 40M용량의 펌프가 아니라 450Lpm x 35M인 펌프로 변하게 된다. 물론 효율은 69%로 변하게 된다. 또한 80A인 펌프는 420Lpm x 40M용량의 펌프가 아니라 600Lpm x 35M인 펌프가 되며 효율은 79%로 변하게 된다. 그러나 모터 동력은 25HP이 필요하게 된다.

 

만약 80A 펌프에 최초 사양대로 20HP짜리 모터를 설치했다면 이 모터는 소손 될 것이다. 모든펌프는 시스템 저항곡선과 펌프 성능곡선의 교차점에서 운전되므로 배관마찰손실 값이 변하게 되면 운전점 역시 변하게 되므로 이를 유의해야 한다. 항상 큰 것이 좋은것은 아니다. 특히 순환펌프의 경우 큰 것은 작은 것보다 불리할 경우가 더 많다.

위에서 예를 든 80A펌프를 설치하고 모터도 25HP으로 크게 설치하면 모든 문제가 해결될 것 같지만 유량의 지나친 증가는 냉난방을 오히려 불량하게 한다. 유량의 증가는 난방의 경우 공급온도는 설계치보다 낮게 되고 환수온도는 설계치보다 높게 된다. 따라서, 펌프의 토출측 밸브를 50% 이상 잠그고 운전해야 하므로 이는 소음과 진동의 원인이 된다. 즉 펌프선정의 두번째 기준은 안정성이다.

 

3) 펌프타입의 비교

우리나라에 소개되고 있는 순환펌프의 종류는 크게 편흡입 단단볼류트 타입과 인라인 단단볼류트 타입 두 가지가 있다.

두 펌프간의 특징을 살펴보면

● 편흡입 타입은 흡입구 방향과 토출구 방향이 직각을 이루고 있고, 모터와 펌프 사이에 Flexible coupling이 있으며 펌프와 모터를 지지하는 Bad가 있다. 또한 대부분 4극 모터를 이용하고 있으며, Grand Packing을 기본 사양으로 하고 있다. 또 흡입구의 크기가 토출구보다 대부분 한단계 크게 설계되어 있고, 고양정을 필요로 하는 경우 두 단계가 크다. 표기하는 방법이 100 x 80-215이라 하면 흡입구 100A, 토출구 80A, 임펠라 직경 215mm인 펌프를 뜻한다.

 

● 인라인 펌프의 경우 흡입구 방향과 토출구 방향이 동일한 직선상에 있다. 즉, 배관의 중간을 잘라내고 설치할 수 있는 구조이다. 또 모터는 펌프에 붙어 있으므로 Coupling이 있는 타입도 있고, 장축모터를 이용하여 Coupling이 없는 타입도 있다. Coupling이 있는 경우 Flexible Type이 아닌 Rigid Type이므로 모터와 펌프의 축을 일치시키기 위한 작업(Alignment)이 필요 없다. 모터와 펌프가 붙어 있으므로 펌프 Bad는 없고, 모터는 2극과 4극이 다양하게 사용되고 대부분 Mechanical seal을 기본으로 장착하고 있다. 또한 흡입구와 토출구의 크기가 동일하므로 표기도 단순하다. 즉, 80-215이면 흡,토출구 크기가 80A이고 임펠라 직경이 215mm인 펌프를 뜻한다. 또, 임펠라 재질은 GC20 또는 GG25인 주물 재질 제품도 있고, 스테인레스 스틸 재질 제품도 있다.

 

● 2극 펌프와 4극 펌프의 비교는 용이하지 않다. 서로 장단점이 있기 때문이다. 4극 펌프는 회전수가 낮으므로(1750rpm) 냉각 Fan 소음은 작으나 고양정인 경우 임펠라가 커져야 하므로 펌프가 커지게 된다. 2극 펌프는 회전수가 높으므로(3500rpm) 고양정인 경우에도 펌프가 작아지므로 취급이 용이한 반면 냉각Fan의 소음은 크나 배관에 영향을 주지는 않는다. 2극 펌프를 기피하는 이유가 소음이 크고, 고속회전이므로 수명이 짧을것 이라는 것 때문이다. 그러나 Fan 소음은 배관을 타고 세대로 전달되는 소음은 아니며 적당한 흡음장치를 부착하면 소음은 대폭 감소하며, 펌프의 수명은 회전수에 의한 것이 아니고 모터에 부착된 베어링과 제작가공 정밀도에 의존되는 것이다. 고속회전시 수명이 짧다는 것은 모터 베어링을 잘못 선택하였거나 제작기술이 뒤떨어 진다는 반증일 뿐인 것이다. 입형 다단 펌프의 경우 모두 2극 모터를 설치하는데 이 펌프의 수명이 다름 펌프에 비해 짧다는 데이터를 본적이 없다. 즉, 펌프의 수명은 회전수가 아니라 베어링과 제작 가공 기술에 의한 것이다.

 

4) 주물 재질의 임펠라는 필요한 사양점에 일치되도록 임펠라 크기를 수정할 수 있으나, 스테인레스 스틸 재질의 임펠라는 쉽지 않다. 제조회사에서 제시한 종류의 임펠라에서 선택해야 하는 것이다. 이럴 경우 어떻게 해야 하는가?

920Lpm x 22M인 사양에 맞는 펌프를 선정해보자. 펌프 크기는 80A이고 임펠라 길이는 정확히 일치하지 않는다.(그림 Fig05). 제조사의 제공 가능한 길이는 114mm와 125mm이나 사양점은 그 중간에 위치하고 있다. 사양점 보다 큰 임펠라는 동력이 7.5HP이고, 작은 임펠라는 동력이 4HP이다. 이 경우 일반적으로 큰 임펠라를 선택하는데 이는 동력 낭비를 초래하는 경우가 많다. 연간 운전시간을 하루 10시간 x 365 = 3650시간 x 1.5kW = 5,475kW의 동력을 더 소비하게 된다. 그렇다면 작은 펌프를 선정했을 경우 냉난방에 문제가 생기지는 않는가? 다음의 표를 보면 큰 문제는 없어 보인다.(그림 Fig06)

유량과 양정을 정확히 맞출 수 없다면 큰 펌프보다는 작은 펌프를 선택할 것을 권장한다. 냉난방에 큰 영향을 주지 않으며 구매비용의 절감과 운전비용 및 설치공사 비용을 절갈할 수 있다.

< Fig05. 420Lpm x 40M인 경우 80A 펌프선정 >

 

< Fig06. 시스템 저항곡선-운전점 >

 

 

4. 보일러 급수용 펌프의 선정방법

1) 순흡입양정(NPSH)

보일러 보급수 펌프는 고온의 유체를 이송해야 하는 부담이 있다.

증기 보일러에서 생산된 증기가 사용된 다음 온도가 저하되어 응축되면 이 응축된 물을 버리지 않고 다시 보일러에 급수하게 된다. 증기가 냉각되어 응축된 물이라고 해도 그 온도는 80℃가 넘는 고온이다. 따라서 일반 펌프를 사용하기에는 여러 문제가 따르게 된다. 우선 냉각에 문제가 발생하고 제일 큰 문제인 흡입 양정에 문제가 발생한다. 순환펌프는 흡입양정에 의한 Cavitation장애가 없으나 급수펌프는 그 장애가 발생할 수 있다.

펌프에 있어서 흡입양정은 대단히 중요한 문제이다. 급수펌프의 본래 목적이 필요한 양의 물을 필요한 장소까지 이송시키는 것인데, 필요한 장소까지 이송시키기 위해 압력이라는 것이 필요하다. 펌프에 흡입된 물을 이송시키는 것은 펌프에 의해 쉽게 가능하나, 물탱크에 있는 물을 펌프까지 도달시키는 것은 쉽지 않다. 더구나 물탱크보다 펌프가 높은 곳에 위치하면 이는 더욱 어렵게 된다. 탱크에 있는 물은 어떻게 펌프까지 오게 되는가?

탱크 수위가 펌프보다 높으면 자연스럽게 공급되겠지만 탱크 수위가 낮으면 어떻게 펌프까지 물이 올라가는가? 펌프의 임펠라가 회전하면 임펠라 안내깃을 따라 원심력이 증가하면서 압력이 발생하고 그에 따라 밖으로 물이 빠져나간다. 그러나 임펠라 가운데 부분은(이를 Impeller Eye)라 한다. 압력이 낮아지게 되어 펌프 밖에 있는 물을 끌어 들이게 되는것이다.(찻잔속의 물을 빠르게 회전시키면 가장자리는 수위가 증가하고 가운데 부분의 수위는 낮아진다. 즉 개기압보다 낮아지게 된다.) 펌프가 흡입할 수 있는 최대 높이는 10M이다. 그러나 이것은 이상적인 경우이고, 수온은 상온인 경우이다. 펌프가 흡입 가능한 높이는 배관 마찰손실 + 포화증기압 + NPSHr + 흡입높이 등을 합산한 높이가 10M보다 높으면 흡입이 불가능 하다.

즉, 10m-배관 및 밸브 마찰손실-포화증기압-NPSHr-흡입높이-안전율 = NPSHa 일때 NPSHa는 0보다 커야 한다.

여기서 NPSHr(Net Positive Suction Head Required)이란 펌프가 갖는 고유의 값으로 제조사 사양이며, 펌프가 물을 흡입할 때 발생하는 마찰손실 값으로 유량이 증가하면 증가한다.

 

2) 펌프의 선정

예를들어, 배관마찰손실이 2.5M이고 수온이 80℃, 탱크에서 펌프까지의 높이가 1.5M이며, 선정된 펌프의 NPSHr이 2M이면 흡입이 가능한지를 계산해 보자. 표에서 80℃의 포화증기압이 4.8M로 보면(그림 Fig07)

 

10 - 2M - 4.8 - 2 - 1.5 - 1(안전율 = -1.3M

따라서 흡입이 불가능하다.

만약 흡입높이(탱크에서 펌프까지의 높이)가 0M 즉, 동일레벨이면

10 - 2M - 4.8 - 2 - 0 - 1(안전율) = +0.2M

즉 0보다 크므로 흡입이 가능하다.

 

만약 0보다 작다면 어떻게 할 것인가? 탱크의 수위를 변경시켜 펌프보다 높게 설치할 수 있다면 좋으나 통상 응축수 탱크의 위치는 보일러보다 낮게 위치하므로 이는 간편한 해결책이 될 수 없다. 펌프를 탱크와 동일 레벨이나 그보다 낮게 설치하면 좋겠으나 이 또한 물탱크의 구조를 바꾸어야 하는 등의 어려움이 따른다. 따라서 탱크와 펌프의 위치를 바꿀수 없는 경우에 그 해결책을 살펴보자.

① NPSHr값이 낮은 펌프를 선택한다.

- 펌프의 모델에 따라 주어진 유량에 대한 NPSHr값이 낮거나 높을수 있다. 따라서 이 값이 낮은 모델을 선택한다.

② 흡입 배관의 마찰손실을 감소시킨다.

- 배관의 Size나 밸브의 종류, 스트레이나 등을 검토하여 배관마찰손실을 줄인다.

③ 응축수 온도를 떨어뜨린다.

- 응축수 회수라인과 탱크는 보온이 잘 되어 있는 편이다. 물론 응축수 온도를 떨어뜨리지 않아야 보일러 운전비용이 감소한다. 그러나 흡입이 불가능하다면 온도를 강화시켜야 한다. 수온을 80℃에서 75℃로 낮추면 포화증기압은 4.8M에서 3.9M로 낮아지므로 효과가 아주 큰 편이다. 그러나 위의 방법 이전에 물탱크의 높이와 펌프의 위치를 조정하여 펌프의 레벨이 탱크와 동일하거나 낮게끔 설계, 시공되는게 바람직하다.

 

3) 펌프선정시 주의사항

또한 흡입양정 못지 않게 중요한 것은 펌프의 저양정 운전이다. 이는 다단펌프의 경우 유량변화에 따라 양정 변화가 심하므로 특히 주의해야 한다.

예를들어 20Ton 보일러의 경우 333Lpm의 급수부하를 갖게 되며 압력을 10~11Bar를 필요로 한다고 하자. 따라서 사양은 350Lpm x 11Bar로결정되었다.(그림 Fig07).

< Fig07. 물의증기압 >

 

보일러 보급수 펌프의 급수압력은 보일러 운전시 보일러 내부의 압력보다 높아야 급수가 가능하므로 대부분 고압의 펌프가 필요하나, 어떤이유에 의해 압력이 낮은 상태로 운전이 되면 펌프의 운전은 11Bar에서 8~9Bar이하로 낮아질수 있으며 이렇게 되면 펌프는 430~450Lpm이상의 유량을 급수하게 된다. 이렇게 되면 펌프는 저양정 운전상태가 되어 펌프고장의 원인이 된다. 즉, 보일러 보급수 펌프는 용량이 적으면 보일러에 저수위 알람이 잦게 되지만, 규격보다 큰 펌프가 운전되어도 고장의 원인이 된다. 저양정 운전은 소음과 진동의 원인이 된다.

 

또한 펌프 토출측에 안저변을 설치할 경우 과다압력으로 인해 안전변이 작동되면 분출된 물은 물탱크로 이송시켜야 한다. 이 분출된 물을 보일러 보급수펌프의 흡입 배관에 연결하면 펌프에 영향을 주게 되는 경우도 있으므로 반드시 회수배관을 물탱크로 연결해야 한다.

 

또한 보일러 보급수펌프의 용량은 보일러의 설계증발량에 맞추게 되나 경험상 보일러의 설계증발량에 맞추게 되며 보일러 최대 운전시 저수위 경보가 작동되는 것을 흔히 목격하였다. 따라서 10~20%의 안전율을 확보하는 것이 안전하다.

< Fig08. 유량-양정 곡선 >