서지탱크

왜 배우는가: 서지탱크는 수력발전소와 펌프 설비에서 수격작용과 압력 변동을 줄여 관로와 기계를 보호하는 핵심 설비다. 상수도 송수·도수관로의 수격 검토와 펌프장 보호 설계에서 반복해 다뤄지므로 시험에서 자주 출제된다.

출제 이력: 제115회 1교시 13번, 제96회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

서지탱크는 관로의 수압이 급변할 때 자유수면을 가진 수조가 수량을 흡수하고 공급해 수압 변동을 완화하는 설비다.

• 서지탱크(Surge Tank)
• 수격작용(Water Hammer)
• 조압수조(Surge Tank)
• 자유수면
• 수위 승강
• 차동형(Differential Surge Tank)
• 제수공(Orifice)
• Thoma 안정조건

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 관로 중간이나 끝에 세운 물탱크다. 밸브나 수차 입구가 갑자기 닫히면 관 안의 물이 밀려 압력이 급상승한다. 이때 물이 탱크로 들어가 수위를 올려 압력을 흡수한다. 반대로 물이 부족해지면 탱크의 물이 관으로 내려가 압력 저하를 막는다.

정식으로는 서지탱크를 펌프의 배출관(또는 배출터널)에 연결해 설치한 자유수면 탱크로 정의한다. 배출관의 수압이 급격히 변할 때 수압 변동을 완화해 관로와 펌프를 보호하는 역할을 한다. 수력발전에서는 수압철관이 길 때 수차와 수로 사이에 설치하는 조압수조가 같은 역할을 한다.

서지(Surge)는 유량 변화로 생긴 압력과 수위의 과도적 진동을 말한다. 서지탱크는 이 진동의 진폭을 줄이고 감쇠 시간을 짧게 만든다. 수위는 평형 위치를 중심으로 오르내리다가 마찰에 의해 점차 안정된다.

자유수면은 탱크 상부가 대기에 열려 있어 수위가 압력을 직접 결정하는 상태를 뜻한다. 이 때문에 탱크 용량과 단면적이 설계의 핵심 변수가 된다.

수격작용은 유속이 급변할 때 관내 압력이 급상승하거나 급강하하는 현상이다. 서지탱크는 이 현상을 막는 대표적 수단이다.

3. 등장 배경과 필요성

관로가 길고 낙차가 큰 수력발전소에서 문제가 시작됐다. 수압철관이 길면 물의 관성이 커서 수차 조속기가 밸브를 닫을 때 압력 상승이 크게 발생한다. 이 압력은 수압철관과 수차 케이싱의 강도를 넘을 수 있다. 그래서 수로와 수압관 사이에 물을 흡수할 수 있는 탱크를 두게 됐다.

상수도에서도 같은 원리가 적용된다. 송수관로나 펌프 배출관이 길면 펌프 정지 시 역류와 압력 상승이 생긴다. 이때 서지탱크나 공기밸브 같은 완충설비가 필요하다. 상수도 설계에서는 수격 해석 결과에 따라 서지탱크 설치 여부를 판단한다.

서지탱크가 없으면 관로 파손, 조속기 과부하, 발전 정지와 같은 문제가 생긴다. 따라서 탱크 크기는 안정성과 경제성을 함께 고려해 결정한다. 이 점이 시험에서 설계 원리와 함께 묻는 이유다.

4. 구성요소·원리·절차

서지탱크는 자유수면을 가진 수조, 수조와 관로를 잇는 연결부, 그리고 수위 변동을 조절하는 장치로 이루어진다. 수조 상부는 대기에 노출되어 있으므로 무부하 시 수조 내 압력은 대기압뿐이며, 이때 수위는 저수지 쪽 수위와 같아진다.

표의 구성은 형식에 따라 달라진다. 단동형은 수조와 수로를 단순히 연결한 가장 간단한 구조이고, 차동형은 라이저와 제수공을 함께 둔다. 제수공형은 라이저 없이 작은 제수공만 둔다.

서지(surge) 원리는 다음과 같다. 밸브나 안내날개가 닫히면 관로 유량이 줄고 관내 압력이 상승한다. 이때 남는 물이 수조로 들어가 수위가 올라간다. 수조 수위에 의한 수두가 관로 서지압과 균형을 이루면 흐름이 반대로 바뀌고 수위가 내려간다. 이 진동은 마찰에 의해 점차 감쇠한다. 부하가 증가하면 반대 순서로 수조가 물을 공급한다.

안정 해석에서는 Thoma 안정 단면적을 기준으로 한다. 단순 수조의 최소 단면적은 다음 식으로 구한다.

$A_{s}=\frac{L\,a}{2\,g\,H_0}$

여기서 A_s는 수조 단면적(㎡), L은 압력수로 길이(m), a는 수로 단면적(㎡), g는 중력가속도(9.8m/s²), H_0는 정상 상태의 유효 수두(m)다. 식의 결과는 수조가 진동을 억제하기에 충분한 크기인지 판단하는 기준이 된다. 실무에서는 이 값에 안전계수 n_f를 곱해 여유를 둔다. 안전계수는 경험값에 기대는 부분이 있다.

설계 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 관로 길이, 수로 단면적, 유효 수두 등 기본 조건을 정리한다.
• 밸브 폐쇄나 부하 급변 조건에서 수격 해석을 수행한다.
• Thoma 식으로 최소 단면적을 구하고 안전계수를 적용한다.
• 형식(단동형, 차동형, 제수공형)을 정하고 라이저와 제수공 크기를 결정한다.
• 수위 진동이 빨리 감쇠하는지 확인하고 수조 높이와 여유고를 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

서지탱크 설계에 직접 적용하는 법정 고시 수치는 없다. 실무에서는 수격 해석과 안정 해석 결과로 규모를 정한다. 상수도 설계에서는 수격 방지 대책 전반을 관로 설계 기준에 따라 함께 검토한다. 아래 표는 본문에서 사용한 기준값을 모은 것이다.

단동형은 수면 승강이 느리므로 수조 용량이 커야 한다. 차동형은 용량을 줄일 수 있지만 구조가 복잡하고 서징주기가 짧아 조속기에 부담을 준다. 제수공형은 수조를 작게 만들 수 있으나 수격을 충분히 흡수하지 못해 보조 수조로 쓴다. 따라서 표준형 조압수조는 구조가 단순한 단동형을 기준으로 하고, 수격이 큰 경우 차동형으로 보완하는 방식이 일반적이다.

6. 유형과 비교

서지 탱크는 단동형, 차동형, 제수공형, 수실형으로 나뉜다. 형식은 구조의 복잡도와 수격 흡수 능력, 필요한 수조 용량에 따라 선택한다. 아래 표는 네 가지 형식을 같은 기준으로 비교한 것이다.