펌프 직렬·병렬 운전

왜 배우는가: 펌프 여러 대를 직렬 또는 병렬로 묶으면 양정과 유량을 현장 요구에 맞게 바꿀 수 있어, 고층 급수나 대유량 송수 설비 설계의 핵심 판단이 된다. 시험에서도 특성곡선 합성, 회전수 제어와의 비교가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제112회 3교시 1번, 제96회 4교시 4번, 제91회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 펌프 직렬운전은 같은 유량에서 양정을 더하고, 병렬운전은 같은 양정에서 유량을 더하는 펌프 연결 방식이다.

• 직렬운전(Series Operation)
• 병렬운전(Parallel Operation)
• 합성 특성곡선(Combined Characteristic Curve)
• 관로 저항곡선(System Curve)
• 운전점(Operating Point)
• 상사법칙(Affinity Laws)
• 회전수 제어
• 비교회전도(Specific Speed)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 펌프 두 대를 줄 세우면 물을 더 높이 밀어 올리고, 나란히 세우면 물을 더 많이 보낸다. 직렬운전은 한 대의 토출구가 다음 펌프의 흡입구로 이어지는 연결이다. 같은 유량이 두 펌프를 차례로 통과하므로 두 펌프의 양정이 더해진다. 병렬운전은 두 펌프의 흡입측과 토출측을 각각 공통 관에 묶는 연결이다. 같은 양정에서 두 펌프의 유량이 더해진다.

직렬운전은 각 펌프가 같은 유량 Q를 받으므로 합성 곡선은 같은 Q에서 H₁(Q)+H₂(Q)로 그린다. 병렬운전은 각 펌프가 같은 양정 H를 내므로 합성 곡선은 같은 H에서 Q₁(H)+Q₂(H)로 그린다. 두 경우 모두 실제 운전점은 합성 특성곡선과 관로 저항곡선의 교점에서 정해진다. 관로 저항곡선은 정지 양정 Hₛ에 마찰손실이 더해진 곡선이며, 유량 증가에 따라 양정 요구가 커진다.

직렬과 병렬 중 무엇이 유리한지는 관로 특성으로 정한다. 저항이 크고 정지 양정이 큰 계통에는 직렬이 유리하고, 저항이 작고 유량이 많이 필요한 계통에는 병렬이 유리하다.

3. 등장 배경과 필요성

건물 급수나 송수 계통은 수요가 시간과 계절에 따라 크게 변한다. 대용량 펌프 한 대로 밸브를 조여 유량을 줄이면 펌프 최고효율점에서 벗어나 효율이 떨어진다. 펌프를 여러 대로 나누어 필요한 대수만 운전하면 각 펌프가 높은 효율 영역에서 운전된다.

고층 건물에서는 한 대의 펌프로 필요한 양정을 얻기 어려운 경우가 많다. 이때 펌프를 직렬로 연결해 양정을 나누어 분담한다. 대유량이 필요한 송수 설비에는 병렬로 연결해 유량을 나누어 맡긴다. 이렇게 하면 설비 용량을 수요에 맞게 단계적으로 늘릴 수 있다.

또한 펌프 한 대가 고장 나도 나머지가 운전을 이어 갈 수 있어 설비 신뢰성이 높아진다. 병렬 구성은 대수 제어로 최소 운전 비용을 달성하는 수단이기도 하다. 설계자는 수요 변동 폭과 관로 특성을 함께 보고 직렬·병렬 방식과 대수를 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

펌프 직렬·병렬 운전은 임펠러와 케이싱을 가진 원심펌프 두 대 이상을 배관상 이어 같은 관로에 물을 보내는 방식이다. 두 운전 방식의 차이는 두 펌프의 합성 특성곡선을 어떻게 만드는가에서 나온다.