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이 글의 목적은 산업 현장에서 펌프 설계압력을 신속하고 정확하게 확인하기 위한 표준 절차와 성능곡선 해석법, 단위 변환 및 계산 예시를 제공하여 도면 검토와 시운전, 변경관리 시 즉시 적용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. 설계압력의 정의와 적용 범위
설계압력은 장치가 안전하게 견뎌야 하는 최대 압력을 의미하며 설계온도에서의 허용치로 규정한다. 펌프의 경우 캐싱(casing), 커버, 노즐, 메커니컬씰 챔버, 베어링 하우징 연결부, 플랜지와 패스너까지 대상이 포함된다. 설계압력은 배관계통의 설계압력과 일치하거나 그 이상으로 설정하는 것이 일반적이다. 펌프는 유체 정지 시 셧오프 헤드가 더해져 차압이 최고가 되므로 흡입측 설계압력과 셧오프 시 발생 가능한 차압을 합산하여 확인한다. 압력등급을 갖는 플랜지나 씰, 인접 배관의 취약부도 동일 기준으로 검토한다.
2. 펌프 데이터시트와 성능곡선에서 읽어야 할 핵심 항목
성능곡선 기본 구성
- H–Q 곡선: 유량 대비 전양정(Head) 곡선이다.
- η–Q 곡선: 효율 곡선이며 BEP(Best Efficiency Point)를 확인한다.
- P–Q 곡선: 축동력 곡선이다.
- NPSHr–Q 곡선: 요구흡입수두 곡선이다.
- 최대 허용 차압 또는 셧오프 헤드: 0 유량에서의 최대 양정이다.
데이터시트에서 확인할 값
- 정격점(BEP 근처)의 유량, 전양정, 효율, 축동력이다.
- 설계온도, 유체 비중(SG), 점도, 증기압이다.
- 허용 작동영역(POR)과 확대 허용영역(AOR)이다. 일반적으로 POR은 BEP의 약 70~120% 범위를 사용하고 AOR은 약 50~120% 범위를 참고한다.
- 케이싱 MAWP(Maximum Allowable Working Pressure)이다.
- 플랜지 등급과 재질, 노즐 허용하중이다.
3. 설계압력 산정의 기본 원리
액체 펌프에서 양정 H[m]는 압력으로 환산 가능하다. 기본식은 다음과 같다.
ΔP = ρ·g·H, 게이지압 전환 시 ΔP(kPa) = 9.80665 × ρ(kg/m³) × H(m) / 1000 이다.
공정 실무에서는 비중 SG를 사용하여 다음과 같이 간략 계산한다.
ΔP(bar) ≈ 0.09807 × SG × H(m) 이다.
따라서 셧오프 헤드 HSO에서의 최대 차압은 ΔPSO = 0.09807 × SG × HSO 이다. 펌프 설계압력 점검의 1차 기준은 다음 합으로 본다.
Ppump,req = Psuction,design + ΔPSO 이다.
필요 시 운전 변동, 수격, 단열 구간의 열팽창, 차단밸브 급폐 등에 대한 여유를 별도 가산한다. 캐싱 MAWP는 위 요구치 이상이어야 하며 설계온도에서 확인한다. 시험압은 수압시험 시 MAWP 대비 통상 1.3~1.5배 범위를 적용하나 시험조건은 사양서에 따른다.
4. 단계별 확인 절차(체크리스트)
- P&ID에서 펌프 태그, 흡입/토출 라인 스펙, 차단·체크밸브, 최소유량라인, 압력안전밸브(PSV) 유무를 확인한다.
- 라인리스트에서 흡입·토출 설계압력/온도를 확인한다.
- 유체 물성에서 설계온도의 비중 SG, 증기압을 확인한다.
- 벤더 성능곡선에서 셧오프 헤드 HSO를 확인한다.
- ΔPSO = 0.09807 × SG × HSO로 환산한다.
- Ppump,req = Psuction,design + ΔPSO를 산출한다.
- 캐싱 MAWP와 플랜지 등급을 설계온도 기준으로 대조한다.
- PSV 또는 오리피스 리사이클이 있는 경우 비정상 시나리오 압력을 점검한다.
- POR/AOR 내 운전 범위에서 진동, 열화 가능성에 따른 변동 여유를 검토한다.
- MOC(변경관리)와 시운전 단계에서 계장 트립·차단 로직과 인터락을 교차 확인한다.
| 항목 | 근거 | 확인 방법 | 판정 기준 |
|---|---|---|---|
| 흡입 설계압력 | 라인리스트 | 설계온도 조건값 확인 | 수치 명시 |
| 셧오프 헤드 | 성능곡선 | 0 유량 교차점 | 최대 양정값 |
| ΔP 환산 | SG, 변환식 | 0.09807×SG×H | bar 단위 |
| 펌프 요구치 | 계산식 | Psuction+ΔP | bar 단위 |
| 캐싱 MAWP | 벤더 DS | 설계온도 기준 | MAWP ≥ 요구치 |
| 플랜지 등급 | 규격표 | 온도-압력 등급 | 등급 ≥ 요구치 |
5. 성능곡선 해석 포인트: POR·AOR와 셧오프
셧오프 부근 운전은 열 상승과 재순환로터 진동 위험이 커지므로 피해야 한다. 정격설계는 BEP 근처에서 수행하고 POR 내에서 일상 운전하도록 한다. AOR은 일시 운전 허용 범위로 보고 지속 운전은 지양한다. 최소유량 라인 또는 자동리사이클밸브(ARC)를 통해 셧오프 접근을 방지한다. 이때 리사이클 압력강하는 토출측 스로틀 또는 오리피스에서 소산되며 배관 설계압력으로 반영한다.
6. 단위 변환·압력 환산 표
| 항목 | 식 | 비고 |
|---|---|---|
| Head→Pressure | ΔP(bar)=0.09807×SG×H(m) | 액체에 적용 |
| kPa→bar | bar = kPa/100 | 정의 |
| kgf/cm²→bar | bar ≈ kgf/cm² | 근사치 |
| mWC→bar | bar ≈ 0.09807×H(m) | SG=1 기준 |
7. 수격·차단 시나리오와 여유 설정
급폐 시 수격은 단기간 과압을 유발한다. 장치 설계압력은 정상 및 예견 가능한 비정상 상태를 포함하여 결정한다. 토출측 차단 시 재순환이 없으면 셧오프 상태가 지속되므로 온도 상승과 캐비테이션 위험이 높아진다. 최소유량 라인의 차단밸브 포지션, 인터락, DP 트랜스미터 알람 설정치를 함께 검토한다. 필요 시 허용 과압 비율을 기준으로 PSV 또는 라인 릴리프를 포함한 과압 보호를 적용한다.
8. 케이싱 MAWP와 플랜지 등급의 일치 검토
케이싱 MAWP는 설계온도에서의 허용 운전압력 상한이다. 플랜지 등급은 온도-압력 테이블에서 등급별 허용압력으로 정해진다. 검토 순서는 다음과 같다.
- 설계온도에서의 플랜지 허용압력을 확인한다.
- 케이싱 MAWP와 비교한다.
- Ppump,req가 두 값 모두 이하인지 판정한다.
불일치 시 상위 등급 플랜지 선택, 재질 변경, 설계온도 재검토, 성능곡선 재선정 중 하나를 선택한다.
9. 예시 계산: 경유 이송 원심펌프
조건
- 유체: 경유, SG = 0.85 @ 40 °C이다.
- 흡입 라인 설계압력: 6.0 bar(g)이다.
- 벤더 성능곡선 셧오프 헤드 HSO = 120 m이다.
- 설계온도: 80 °C이다.
계산
ΔPSO(bar) = 0.09807 × 0.85 × 120 = 9.99 ≈ 10.0 bar이다.
Ppump,req = 6.0 + 10.0 = 16.0 bar(g)이다.
판정: 케이싱 MAWP ≥ 16.0 bar(g) @ 80 °C이어야 한다. 플랜지 등급 또한 80 °C에서 허용압력이 16.0 bar(g) 이상이어야 한다.
10. 예시 계산: 물 이송 펌프(최소유량 리사이클 포함)
조건
- 유체: 물, SG = 1.00이다.
- 흡입 설계압력: 2.5 bar(g)이다.
- HSO = 90 m이다.
- 리사이클 라인 설치로 셧오프 지속 방지이나 밸브 고착 가능성을 고려한다.
계산
ΔPSO = 0.09807 × 1.00 × 90 = 8.83 bar이다.
Ppump,req = 2.5 + 8.83 = 11.33 bar(g)이다.
판정: MAWP ≥ 11.33 bar(g) @ 설계온도, 플랜지 등급 허용 ≥ 11.33 bar(g) 조건을 만족해야 한다. 리사이클 밸브 고착 시 셧오프 도달을 가정하므로 추가 가산은 불필요하나, 수격 위험이 있으면 별도 여유를 검토한다.
11. 성능곡선과 설계압력의 상관관리
- 펌프 교체나 임펠러 트림 변경 시 H–Q 곡선이 변하여 셧오프 헤드가 달라질 수 있다. 변경관리로 설계압력 재검토를 수행한다.
- 인버터(VFD) 적용 시 속도법칙에 따라 H ∝ N², Q ∝ N, P ∝ N³로 변한다. 속도 상승 시 ΔPSO가 크게 증가하므로 주의한다.
- 다단펌프는 단수 증가에 비례하여 양정이 증가하므로 케이싱 분할 구조와 각 스테이지의 압력 누적을 확인한다.
12. 시운전 및 계측 연동
토출측 압력계와 흡입측 압력계의 교정상태를 확인한다. 시운전 시 정격점, 최소유량점, 셧오프 인접점에서 압력과 진동, 전류값을 기록한다. 인터락은 저NPSH, 저유량 조건에서 재순환 개시 또는 펌프 정지를 수행하도록 설정한다. 트립 세팅은 POR 범위에서 안정적으로 작동하도록 여유를 둔다.
13. 보고서용 계산서 템플릿
| 항목 | 기호 | 값 | 단위 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| 흡입 설계압력 | Psuction,design | bar(g) | 라인리스트 | |
| 셧오프 헤드 | HSO | m | 성능곡선 | |
| 비중 | SG | - | 설계온도 | |
| 셧오프 차압 | ΔPSO | =0.09807×SG×HSO | bar | 계산 |
| 펌프 요구압력 | Ppump,req | =Psuction+ΔPSO | bar | 판정값 |
| 케이싱 MAWP | MAWP | bar | 벤더 DS | |
| 플랜지 허용압력 | - | bar | 온도-압력 표 | |
| 최종 판정 | - | 적합/부적합 | - | 첨부 근거 |
14. 자주 발생하는 오류와 예방
- SG를 1.0으로 고정하여 저비중 유체의 ΔP를 과대평가하는 오류가 있다. 설계온도 SG를 사용한다.
- 성능곡선의 셧오프 헤드를 정격점 양정으로 오해하는 오류가 있다. 0 유량 교차점을 반드시 확인한다.
- 플랜지 등급을 상온 기준 허용압력으로 판단하는 오류가 있다. 설계온도 기준으로 확인한다.
- VFD 상향 설정 후 셧오프 헤드 증가를 간과하는 오류가 있다. 속도법칙으로 재계산한다.
- 리사이클 밸브의 포지션 피드백 미구성으로 셧오프 접근을 놓치는 사례가 있다. 인터락과 포지션 검출을 함께 설정한다.
15. 신속 적용을 위한 요약 프로토콜
- 문서확인: P&ID, 라인리스트, 벤더 DS, 성능곡선이다.
- 값추출: Psuction,design, SG, HSO이다.
- 계산: ΔPSO=0.09807×SG×HSO이다.
- 합산: Ppump,req=Psuction+ΔPSO이다.
- 판정: MAWP와 플랜지 허용압력이 요구치 이상인지 확인한다.
- 보완: 리사이클, PSV, 인터락 설정을 재점검한다.
FAQ
왜 흡입 설계압력에 셧오프 차압을 더하는가?
셧오프 상태에서 토출 유량이 0이 되면 펌프가 발생 가능한 최대 차압이 걸리기 때문이다. 이때 흡입측의 설계압력은 그대로 존재하므로 합산하여 펌프가 견뎌야 하는 최대 조건을 정의한다.
정격 운전점의 전양정으로 계산하면 충분한가?
충분하지 않다. 정격점은 통상 운전상태이며 과압 보호의 기준이 아니다. 0 유량 교차점인 셧오프 헤드가 최대 양정이므로 이를 사용해야 한다.
POR과 AOR 중 어느 범위를 기준으로 삼아야 하나?
설계 기준은 POR 내에서 설정하는 것을 권장한다. AOR은 일시 운전 허용 범위로 보고 설비 보호 로직을 강화하여 위험을 낮춘다.
VFD로 속도를 낮추면 설계압력도 낮출 수 있는가?
변경관리 절차를 거쳐 재확인하면 가능하다. 다만 최악조건을 보수적으로 정의하여 수격, 밸브 고착, 제어실패 등 비정상 시나리오를 포함하여 판단한다.
케이싱 MAWP와 플랜지 등급이 상이하면 무엇을 기준으로 하는가?
둘 중 낮은 값이 시스템의 약점이 된다. 설계요구치가 이를 초과하면 부품 업그레이드나 운전조건 조정이 필요하다.