펌프 직렬·병렬 운전

왜 배우는가: 펌프를 두 대 이상 연결해 운전하는 방식은 설비가 요구하는 양정과 유량을 함께 맞추는 실무 수단이다. 운전점이 어디로 이동하는지를 Q-H 선도로 설명하는 능력은 여러 교시의 논술형 문항에서 공통으로 묻는 내용이다.

출제 이력: 제131회 2교시 5번, 제129회 4교시 2번, 제122회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

펌프 직렬운전은 같은 유량에서 양정을 더하고, 병렬운전은 같은 양정에서 유량을 더하는 펌프 연결 운전이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 쓰고, 이어서 아래 키워드를 본문에 정확히 쓴다.

• 직렬운전: 한 펌프의 토출측을 다음 펌프의 흡입측에 연결하여 같은 유량이 펌프를 차례로 통과하게 하는 운전이다.
• 병렬운전: 여러 펌프의 흡입측과 토출측을 각각 공통 헤더에 묶어 같은 양정을 공유하게 하는 운전이다.
• 양정: 펌프가 유체 단위 중량당 준 에너지를 유체 기둥의 높이(m)로 나타낸 값이다.
• 합성 Q-H 곡선: 같은 유량 또는 같은 양정에서 펌프 성능을 더하여 그린 곡선이다.
• 관로 저항곡선: 유량이 늘수록 관로가 요구하는 양정이 커지는 관계를 그린 곡선이다.
• 운전점: 합성 곡선과 관로 저항곡선이 만나 실제 양정과 유량이 정해지는 점이다.

2. 개념 풀이

펌프 직렬운전과 병렬운전은 같은 펌프를 관로에 어떻게 연결하느냐에 따라 나뉘는 운전 방식이다. 직렬운전은 합성 Q-H 곡선을 양정 방향으로 확장하는 운전이다. 모든 펌프가 같은 유량을 통과시키므로 합성 곡선은 같은 유량에서 각 펌프 양정을 더한 곡선이 된다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$H_{합}(Q)=H_{1}(Q)+H_{2}(Q)$

직렬운전의 합성 곡선은 같은 유량에서 두 펌프 양정의 합이다. 따라서 직렬운전의 효과는 같은 유량에서 양정이 더해짐으로 요약된다. 이 때문에 직렬운전은 양정이 부족한 설비에서 토출압력을 높이는 수단으로 쓰인다.

병렬운전은 두 펌프의 흡입관과 토출관을 공통으로 묶어 같은 양정을 공유하게 하는 운전이다. 각 펌프는 같은 양정에서 자기 유량을 내고, 합성 곡선은 같은 양정에서 두 유량을 더한 곡선이 된다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$Q_{합}(H)=Q_{1}(H)+Q_{2}(H)$

병렬운전의 효과는 같은 양정에서 유량이 더해짐으로 요약된다. 따라서 병렬운전은 양정은 유지하면서 유량을 늘려야 하는 설비에 적용한다.

펌프의 실제 운전점은 펌프 성능곡선만으로 정해지지 않는다. 펌프가 내는 양정은 관로가 요구하는 양정과 같아야 하므로, 관로 저항곡선은 실양정과 유량 제곱에 비례하는 손실의 합으로 나타낸다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$H_{sys}=H_{st}+kQ^{2}$

여기서 H_{sys}는 관로가 요구하는 양정(m), H_{st}는 흡입면과 토출면 사이의 실양정(m), k는 관로 손실 계수, Q는 유량(㎥/s)이다. 운전점은 합성 곡선과 관로 저항곡선이 만나는 교점이며, 실제 양정과 유량은 이 교점에서 정해진다.

관로 저항곡선이 가파르면 유량이 조금 늘 때 필요한 양정이 크게 늘므로 양정을 키우는 직렬운전이 유리하다. 반대로 저항곡선이 완만하면 양정 변화가 작아 유량을 늘리는 병렬운전이 유리하다. 이 경향은 원리상의 판단이며, 실제 선택은 운전 범위 전체의 교점으로 판단한다.

동일 성능의 펌프 두 대를 직렬로 운전하면 같은 유량에서 양정이 두 배가 된다. 병렬로 운전하면 같은 양정에서 유량이 두 배가 된다. 그러나 실제 운전점의 증가폭은 두 배보다 작은데, 저항곡선이 교점을 이동시키기 때문이다.

직렬운전에서 뒤쪽 펌프의 흡입압력은 앞 펌프의 토출압력이므로, 뒤쪽 펌프는 케이싱과 축봉이 그 압력을 견디는지 함께 판단해야 한다. 병렬운전에서 두 펌프의 양정 차이가 크면 양정이 낮은 펌프로 유체가 역류하거나 한 대에 유량이 몰리는 문제가 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

단일 펌프로 설비가 요구하는 양정과 유량을 모두 맞추기 어려운 경우가 많다. 관로가 길어져 손실이 커지면 한 대의 양정으로는 말단의 토출압력을 확보할 수 없고, 수요 변동으로 유량 범위가 넓어지면 한 대로는 전 구간에서 효율을 유지하기 어렵다. 이때 새 펌프를 설계하기보다 기존 펌프를 연결하여 운전 범위를 넓히는 방법이 직렬운전과 병렬운전이다.

실제 설비에서는 고층 건물의 급수 가압, 냉각수 순환, 장거리 이송 배관, 준설선의 슬러리 이송 등에 이 방식이 쓰인다. 준설 슬러리 이송에서는 원심펌프가 긴 배관을 통해 토사를 보내야 하므로, 펌프 연결 방식과 관로 저항의 관계를 함께 고려한다. 흡입측에서는 캐비테이션을 피해야 하므로 흡입 조건도 같이 검토한다.