Surge와 Water Hammer에 대한 고찰
1. 서론
1.1 Surging 현상
펌프 운전 중에 유체를 압송할 때 송출측 배관의 하류에서 밸브를 천천히 닫으면서 유량을 감소
시켜가면 갑자기 압력계가 흔들리고 송출량이 어떤 범위 내에서 주기적인 변동이 생기며 흡입,
송출 배관에서 주기적으로 소음 및 진동을 동반하는 현상을 Surging이라 한다.
1) Surging의 발생 원인
Surging 현상은 다음과 같은 네 가지 조건들이 동시에 갖추어졌을 때 발생한다.
① 펌프의 H~Q 곡선이 산고곡선, 즉 우향상승 구배 곡선일 때
② 송출량이 아래 그림에서 Q1 이하에서 운전할 때
③ 배관 도중에 수압탱크 또는 공기통이 있을 때
④ 기체 상태가 있는 부분의 하류측 밸브 B에서 송출량을 조절하는 경우
2) Surging의 방지법
① 저유량의 영역에서 펌프를 운전할 때 펌프 특성곡선이 우향하강 구배 곡선인 펌프를 사용
한다.
② 아래 그림과 같이 유량 조절밸브를 펌프 송출측 직후에 배치시킨다.
③ 바이패스(by pass) 관을 사용하여 운전점이 H~Q 곡선 우향하강 구배 특성 범위에 있도록
조절한다.
1.2 Water Hammer 현상
Water hammer 현상을 한마디로 정의하면, 배관 내의 유속의 급격한 변화에 따라 유체압력이
상승 또는 강하하는 현상이라 할 수 있으며 유체의 압력 상승, 강하로 인해 유체의 포화 증기압
이하로 될 때 기포가 발생하여 수주분리 현상이 생긴다. 분리된 유체의 흐름 방향 및 속도
변화로 인하여 수주가 재결합할 때 대단히 큰 충격파가 발생하며 시스템에 악영향을 주게 된다.
① 펌프의 기동시
② 펌프의 정지시
③ 펌프의 회전수 제어시
④ 밸브의 개폐시
등의 경우에 생기지만, 일반적으로 Water Hammer 현상이 문제가 되는 것은 정전 등에 의하여
펌프 구동력 차단에 따라 펌프가 급정지하는 경우가 대부분이다.
1) Water Hammer에 의한 피해
- 압력상승에 의해 펌프, 밸브, 플랜지, 배관 등 여러 기기가 파손된다.
- 압력강하에 의해 배관이 압괴되거나 수주분리가 생겨 수주가 재결합할 때 발생하는 격심한
충격파에 의해 배관이 파손된다.
- 진동, 소음의 원인이 된다.
- 주기적인 압력변동 때문에 자동 제어계 등 압력 컨트롤을 하는 기기들이 난조를 일으킨다.
2) Water Hammer 방지장치
Water Hammer 작용을 방지하기 위해서는 펌프 급정지 후의 관내유속의 변화가 늦어지도록
하면 좋지만, 그 주된 목적이 압력의 이상 저하에 있는지 이상 상승에 있는지에 대한 부설
계획과 더불어 Water Hammer에 대한 충분한 검토와 적절한 대책을 세울 필요가 있다.
① 부압(수주분리) 방지법
- 펌프에 Flywheel을 설치한다.
- 펌프 토출측에 공기조(Air Chamber)를 설치한다.
- 통상의 Surge Tank를 설치한다.
- One-Way Surge Tank를 설치한다.
② 압력상승 경감법
- 완폐 Check valve를 사용한다.
- 급폐 Check valve를 사용한다.
- Pressure Safety valve, Automatic Control Valve를 사용한다.
2. 본론
Process System 및 Pump 운전에 대한 이해가 부족한 상태에서 Surging과 Water Hammer 현상에
대한 이해와 차이점을 명확하게 구분하기란 쉽지가 않다. 그러한 이유로 서론에서 두 가지 현상에 대한 정의 및 발생 원인과 방지책을 간략하게나마 설명하였으며, 이러한 설명을 통해 Water System
에서 발생한 대부분의 문제가 Water Hammer와 관련된 것이라는 것도 알 수 있을 것이다.
본 장에서는 Surging과 Water Hammer 현상의 Surging 발생 사례 및 배관 상의 주의점에 대한
상세한 언급을 통하여, 각각의 경우에 대한 적절한 배관을 하는데 도움을 주고자 한다.
2.1 Surging 발생사례 및 배관상의 주의점
1) Surging은 대부분 Vapor를 운송하는 Compressor 등에서 발생하며 Liquid를 운송하는 Pump
의 경우에는 앞에서 언급한 조건이 갖춰졌을 경우에만 발생한다.
이에 대한 대책으로도 Pump나 Compressor Discharge Line에 By-Pass Line 및 Anti-Surge
Valve를 설치하여, Flow가 감소할 때 Pump 성능 곡선상의 H~Q 곡선에서 좌향하강 구배
특성 범위에 들어가기 전에 Anti-Surge Valve를 열어 Flow 감소를 방지한다.
2) By-Pass Line 및 Anti-Surge valve의 특성은 다음과 같다.
- By-Pass Line의 Sizing이 일반적인 경우보다는 작게 되므로 By-Pass Line을 통과하는
유속이 상당히 빠르게 된다. 이로 인한 소음과 진동에 대한 Support 대책을 강구해야 되며
배관 Line은 가급적 짧게 하고 Elbow도 최대한 줄이는 것이 좋다.
- 통상 Anti-Surge Valve는 순간적으로 열리므로 Vapor Service일 경우에는, 내부 유체의
특성상 Condensate가 발생될 우려가 있으면 Anti-Surge Valve 전, 후단에 Low Point
Pocket은 피해야 한다. Anti-Surge Valve가 열리는 순간의 반력도 상당하므로 Support를
충분히 고려해서 설계해야 한다.
- By-Pass Line은 Check Valve 전단에서 Branch하여 Inlet Line에 연결하게 되는데, 이 경우
Pump나 Compressor Discharge Nozzle로부터 Check Valve 사이의 Volume이 매우 중요
하므로(작을수록 좋다), 반드시 Pump나 Compressor Vendor에게 Confirm을 받아야 한다.
마찬가지로 Anti-Surge Valve의 위치도 Check Valve에서 가까울수록 좋다.
상기 Volume이 너무 커졌을 경우에는 Pump나 Compressor에 역회전이 발생할 수 있다.
2.2 Water Hammer 발생 사례 및 배관상의 주의점
1) Water Hammer는 앞에서 언급한 대로 압력의 급상승이나 급강하로 인한 충격파의 발생이
일차적인 원인이며 이는 Line상의 막힌 곳에서 Impact Load로 작용한다.
유체가 유동중인 배관계통을 급폐쇄할 때 순간적으로 상승되는 압력은 1898년 러시아의
Joukowsky가 발표한 공식으로 계산할 수 있다. 즉 상승되는 압력을 Pr [kg/cm²], 유체의
비중량을 γ[kg/m³], 압력파의 전파속도를 α[m/s], 유속을 v [m/s], 중력 가속도를 g라 하면,
γ α v
Pr = ------------- [kg/㎠] 으로 표시된다.
10,000 g
배관 내 유체가 상온의 물일 경우에는, 물의 비중량이 1,000kg/m³이고 압력파의 전파속도는
1,200∼1,500m/s이므로, 이 값을 식에 대입하면 대체로 유속의 14배 정도에 해당하는 압력이
발생한다.
또 다른 방법으로 계산한 바에 의하면
Water Hammer : P = (0.070) (V) (L) / t + P1
여기서 P = Increase in pressure
P1 = Inlet Pressure
V = Flow Velocity (ft/sec)
t = Valve closing time (Sec)
L = Upstream Pipe Length (ft)
Upstream Pipe Connection이 50 ft인 배관계에서 갑자기 Valve를 닫았을 때, Water
Hammer의 영향을 계산해 보면
L = 50 ft
V = 5.0 ft / sec (Recommended Velocity for PVC Piping Design)
t = 40 ms (Solenoid Valve Closing Time is approx. 40-50 ms)
P1 = 50 psi (Inlet Pressure)
그러므로 P = 0.07 x 5 x 50 / 0.040 + P1
또는 P = 437.5 psi + P1
Total Pressure = 437.5 + 50 = 487.5 psi
상기의 계산에서 보듯이 Inlet Pressure보다 10배 정도의 압력 상승이 발생하는 것을 알 수
있다.
2) Water hammer의 발생 우려가 높은 System은 대체로 다음과 같은 특징을 갖는다.
- 대구경, 장거리 이송 Line
- 전체 System의 압력강하가 큰 경우 : User Point가 Pump보다 상당히 높은 경우 포함
- 2대 이상의 Pump를 동시에 운전하는 경우
상기의 System에 대해서는 반드시 Water Hammer를 고려해야 하며 통상적으로 Surge
Analysis에 의해 계산된 Maximum Surge Pressure는 Water Hammer에 의한 Impact Load로
보면 된다.
Surge Analysis의 결과에 따라 Water Hammer를 최소화하기 위해 Hammerless Check Valve
를 사용하기도 하는데, 상기 Valve의 특징은 유량의 변화에 빨리 반응해야 하며 최종 Close
시점에 느리게 닫혀야 한다.
3) Steam Line에서도 Water Hammer가 빈번하게 발생하는데 이는 본 내용에서는 제외하기로
한다.
3. 결론
최근에는 Plant가 점차 대형화되는 추세에 따라, 대구경 배관이 사용되고 장거리로 유체를 수송하는
경로가 점차 복잡해지므로, Surging이나 Water Hammer 현상이 보다 심각한 문제가 되고 있으며
다른 사고와는 달리 대형사고로 연결되어 커다란 문제를 야기할 수 있다.
따라서 해석결과가 그 시스템이 Surging이나 Water Hammer에 견딜 수 있는 경우에는 상관없지만,,
그렇지 못한 경우에는 시스템의 설계조건을 변경하거나 완화 및 조절할 수 있는 각종 장치를
설치하도록 하여야 하며, 이 경우에도 여러 장치들을 신중하게 고려하여 경제적이며 안전한 설계가
되도록 유의하여야 할 것이다.
참고 : (주)한국스파이렉스사코