펌프 서징(Surging)

펌프 서징이란

펌프 서징은 펌프와 토출 관로가 안정 운전 범위를 벗어나 생기는 불안정 현상이다.

유량과 압력이 주기적으로 변하며 소음과 진동을 일으킨다.

정의에는 주기성, 유량과 압력의 동시 변동, 운전점 이탈이 들어가야 한다.

양정-유량 특성곡선

양정-유량 특성곡선은 유량에 따라 펌프가 만드는 양정을 나타낸 곡선이다.

기울기가 음(-)인 구간은 안정 운전 영역이다. 유량이 늘면 양정이 줄어든다.

기울기가 양(+)인 구간에서는 운전점이 한 점에 머물지 못하고 진동한다.

안정 조건은 dH/dQ < 0 이다. 이 조건을 넘어서면 계는 불안정해진다.

서징이 한 주기 도는 과정

서징은 펌프, 관로, 저류 설비가 하나의 계를 이룰 때 생기는 불안정 현상이다.

밸브를 부분 폐쇄하면 유량이 줄고, 양정이 상승 구간에 들어가 토출압이 오른다.

압력은 관로와 기체 체적에 저장된다.

토출압이 낮아지면 유량이 역전되거나 급감한다.

저장된 압력이 방출되며 유량이 회복된다.

이 과정이 반복되어 맥동, 소음, 진동이 생기고 압력계 바늘이 흔들린다.

가상 계산 예

배관계의 질량 진동 주기는 헬름홀츠 공진식으로 추정한다.

배관 길이, 배관 단면적, 서지탱크 단면적, 중력가속도를 넣으면 주기 T가 나온다.

가상 조건은 배관 길이 200m, 탱크 단면적 1.0m², 내경 200mm 배관이다.

분자와 분모를 계산하면 비는 약 650이고, 제곱근은 약 25.5가 된다.

주기는 약 160초로, 수 분 단위의 완만한 주기다. 수격 파동보다 길다.

헷갈리는 세 현상

헷갈리기 쉬운 세 현상은 서징, 수격작용, 캐비테이션이다.

서징은 H-Q 곡선의 불안정 구간에서 유량과 양정이 주기적으로 요동하는 현상이다.

수격작용은 유속이 급변할 때 생기는 압력파이고 서징보다 주기가 짧다.

캐비테이션은 흡입 압력이 증기압 이하일 때 생기는 흡입 측 현상이다.

가장 흔한 실수는 서징을 수격현상과 같은 현상으로 쓰는 것이다.

대책과 직접 풀기

서징 대책은 운전점 이동과 시스템 용량 조절로 나뉜다.

바이패스는 최소 유량을 확보하지만 에너지 손실이 커진다.

인버터 제어는 곡선 자체를 바꾸지 않아 낮은 유량에서 서징이 남을 수 있다.

그래서 실무에서는 두 방법을 조합하는 것이 흔한 해법이다.

정리하면 서징은 운전점이 안정 구간을 벗어날 때 생기므로 운전점 관리가 핵심이다.