공직파(5-2) Pump Hydraulic Calculation

지난 글에서 Line Hydraulic Calculation을 통해 배관 시스템 내 유체의 흐름과 압력 손실을 산정하는 방법을 살펴보았습니다. 이번 글에서는 그 연장선상에서 펌프(Pump)의 유체역학적 계산에 대해 다루겠습니다. 주니어 엔지니어에게 이 과정은 단순한 수치 계산 이상의 의미를 가지며, 시스템 전체의 효율성과 안정성을 결정하는 핵심 설계 과정입니다.

 

펌프 유체역학 계산의 최종 목적은 적정 펌프 용량 선정과 시스템 효율 최적화입니다. 설계된 배관 시스템에서 요구되는 유량(Flow Rate)과 양정(Head)을 정확히 충족하면서, 에너지 손실 최소화, 안전한 운전 조건 확보, 최적 장비 선정 등 여러 측면에서 설계 및 운영을 최적화하는 것이 핵심입니다.

 

Pump Hydraulic Calculation은 Plant 운전의 효율을 극대화 하는 것이 목표입니다.

 

1. Pump Hydraulic Calculation의 필요성

펌프 계산을 통해 엔지니어는 다음과 같은 목표를 달성할 수 있습니다.

1. 필요 유량과 양정 확보
   펌프가 요구되는 유량과 양정을 충족하지 못하면 시스템 성능 저하와 장비 과부하, 운전 불안정이 발생할 수 있습니다. 정확한 계산은 설계 단계에서 이를 예방하고, 효율적인 유체 흐름을 확보합니다.
2. 에너지 효율 극대화
   부적절한 펌프 선정은 에너지 낭비로 이어집니다. 과도하게 큰 펌프는 불필요한 전력 소비를 유발하고, 작은 펌프는 과부하와 운전 불안정을 초래합니다. 최적화된 계산은 설계 요구 사항과 시스템 특성에 맞는 펌프를 선정하여 에너지 효율을 극대화합니다.
3. 시스템 안정성 확보
   펌프 운전 시 캐비테이션(Cavitation), 과압(Overpressure) 등 위험 요소가 발생할 수 있습니다. 이를 사전에 계산하고, 안전 계수를 적용하면 장기적인 시스템 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
4. 최적 장비 선정 및 운전 조건 확립
   계산 결과를 기반으로 펌프 모델과 크기를 결정하며, 운전 범위 내에서 안전하게 시스템을 운영할 수 있습니다. 이는 설계 단계뿐만 아니라 유지보수, 운영 효율성에도 큰 영향을 미칩니다.

결론적으로, Pump Hydraulic Calculation은 단순한 수치 계산이 아니라 배관과 장비가 조화를 이루어 효율적이고 안전하게 작동하는 시스템을 구현하는 필수 과정입니다. 주니어 엔지니어가 이 과정을 이해하고 숙련할수록 설계 능력과 실무 대응 능력이 크게 향상됩니다.

 

 

2. Pump Hydraulic Calculation의 기본 원리

펌프 유체역학 계산은 주로 다음과 같은 요소를 고려합니다.

1. 시스템 요구 유량(Q)
   배관 내 유체가 설계 기준에 따라 흐르는 유량입니다. 단위는 일반적으로 m³/h로 사용합니다.
2. 총 양정(Total Head)
   펌프가 유체를 상승시키거나 압력을 제공하기 위해 극복해야 하는 총 높이입니다. 이는 정압(Static Head)과 손실압력(Pressure Loss)을 합한 값입니다.
3. 펌프 효율(Pump Efficiency, η)
   실제 운전 시 펌프가 제공할 수 있는 유효 에너지를 나타내며, 설계 시 반드시 고려해야 합니다.
4. 시스템 손실(System Loss)
   배관, 밸브, 피팅 등에서 발생하는 마찰손실과 국소손실을 포함합니다. Line Hydraulic Calculation에서 산정한 압력손실 데이터를 활용합니다.

 

3. Pump Hydraulic Calculation 기본 공식

펌프 설계 시 주로 사용하는 공식은 다음과 같습니다.

 

1. 총 양정 계산

총 양정(Total Head, Ht)

H_t = H_s + H_f 

• H_s : 정압(Static Head) (m)
• H_f : 배관 손실(Head Loss) (m)

 

 

2. 펌프 출력(Pump Power)

펌프 출력(P)

P = (ρ × g × Q × H_t) / η

• ρ : 유체 밀도 (kg/m³)
• g : 중력가속도 (9.81 m/s²)
• Q : 유량 (m³/s)
• H_t : 총 양정 (m)
• η : 펌프 효율 (0~1)

 

 

3. NPSH(Net Positive Suction Head)

NPSH 계산

NPSH_required < NPSH_available

NPSH_available = P_suction/ρg - P_vapor/ρg - H_{f suction}

• P_suction : 흡입구 압력 (kgf/cm²)
• P_vapor : 유체 증기압 (kgf/cm²)
• H_{f suction} : 흡입측 손실 (m)
• ρ : 유체의 밀도 (kg/m³)
• g : 중력가속도 (9.81 m/s²)

여기서 NPSHav는 유효흡입양정(수두)이고, NPSHre는 필요흡입양정(수두)입니다. NPSHav는 Client, 즉 제조사가 제공되어야 할 데이터라면, NPSHre는 펌프 공급업체(보통 Vendor라고 표현)에서 제공해야 할 데이터입니다.

펌프 타입 등을 선정하기 위해서는 일반적으로 NPSHav는 (1) NPSHre보다 0.6 m 높거나 (2) NPSHre의 1.3배 수준이 되어야 합니다. 해당 조건을 충족하지 못 할 경우, Cavitation이 발생합니다.

그러나, 펌프 선정 이후 현장에서 펌프의 적절성을 검증할때는 NPSHre보다 0.01 m만 높아도 운전이 되는 것으로 판단하시면 되겠습니다.

일반적으로 NPSH를 계산할 때는 압력(kgf/cm²) → 수두(m)로 단위변환을 한 후에 계산을 하는 것이 일반적이며, 물을 예시로 들때 가장 빠르게 계산하는 방식은 [압력(kgf/cm²) X 10]을 적용하면 되겠습니다. 

 

4. Pump Hydraulic Calculation 단계별 접근

펌프 계산은 단순한 공식 적용이 아니라, 시스템 특성을 이해하고 설계 의사결정에 반영하는 과정입니다. 주요 단계는 다음과 같습니다.

1. 시스템 요구 사항 확인
   배관 시스템의 유량과 양정 요구치를 Line Hydraulic Calculation 결과와 함께 검토합니다.
2. 총 양정 산정
   정압과 손실압력을 합산하여 펌프가 극복해야 할 총 양정을 계산합니다.
3. 펌프 출력 계산
   요구 유량과 총 양정, 펌프 효율을 적용하여 펌프 출력(Power)을 산정합니다.
4. NPSH 검토
   캐비테이션 방지를 위해 NPSH를 확인하고, 필요한 경우 흡입 조건이나 펌프 위치를 조정합니다.
5. 펌프 선택 및 운전 조건 검증
   계산 결과를 기반으로 적절한 펌프 모델과 크기를 선택하며, 운전 범위 내에서 안정성과 효율성을 검증합니다.

Pump를 선정함에 있어서 공정설계 엔지니어는 NPSHav 및 유체의 물성, 흡입/토출 압력을 선정하는 것이 업무 Scope이 되겠습니다.

결론

Pump Hydraulic Calculation은 배관 설계와 장비 선택을 연결하는 핵심 과정으로, 주니어 엔지니어가 반드시 숙지해야 하는 실무 지식입니다. 정확한 계산을 통해 유량과 양정 요구 충족, 에너지 절약, 시스템 안정성 확보, 최적 펌프 선정을 달성할 수 있습니다. 단순히 수치를 맞추는 계산이 아니라, 시스템 특성을 이해하고 설계 의사결정에 반영하는 과정이라는 점에서, 엔지니어로서의 전문성을 높이는 중요한 단계입니다.

 

따라서 주니어 엔지니어는 이번 글을 통해 펌프 계산의 기본 원리, 공식 적용, 단계별 접근 방법을 이해하고 실무에 활용할 수 있어야 합니다. 이는 향후 효율적이고 안정적인 유체 시스템 설계 및 운용 능력을 확보하는 데 결정적인 역할을 합니다.