플랜트 시설을 설계할 때 가장 많은 빈도로 설계하는 것이 펌프와 배관 설계입니다. 시설에 따라 차이는 있지만 펌프와 배관이 전체 기계시설에서 절반 이상 차지하는 경우가 많습니다. 어떤 설비와 설비를 이어주고, 시설에서 요구하는 유체의 흐름과 순환을 담당하는 시설이기 때문입니다. 송풍기가 안들어가는 시설(건축설비용은 제외)은 있어도, 펌프가 없는 시설은 정말 드뭅니다. 굳이 물 관련 시설이 아니더라도, 인간이 유지관리를 하기 때문에 시설에는 용수공급도 필요하고, 청소수를 드레인하여 배출하는 시설도 필요하기 때문입니다.

펌프와 배관을 같이 다루는 이유는 펌프와 배관이 단순히 이어진 이유만은 아닙니다. 펌프의 용량(유량)은 배관과 별도로 계산할 수 있으나, 펌프의 동력은 연결되는 배관과 연관이 있습니다. 바로 유체가 흐르면서 배관에서 발생하는 마찰 손실이 펌프에 더 많은 동력을 요구하게 됩니다. 에너지 소모가 단순히 물의 레벨을 올려주는 것뿐만 아니라 배관의 마찰력만큼 고려해주는 것이 필요합니다. 그래서 펌프 동력과 배관의 관경 선정과는 상호 연관이 있습니다. 1편에서는 펌프의 형식, 용량 선정에 대해 알아보고, 2편에서는 펌프의 동력과 배관의 관경에 관해 이야기 해보도록 하겠습니다.

펌프의 형식을 나누는 방식은 여러가지가 있습니다. 유량의 규모에 따른 분류도 있으며, 배치공간에 따라서 육상펌프와 수중펌프로 구분하기도 합니다. 펌프 이론을 보면 일반적으로 터보형과 용적식으로 나누어 설명을 하는데, 터보형은 임펠러의 회전력으로 밀어주는 형태이고, 용적식이라는 것은 임펠러의 회전이 흡입측의 공간에서 토출측의 공간으로 공간을 분할하여 넘겨주는 식인데, 인터넷에 모노펌프나 피스톤펌프의 작동개념을 보시면 이해가 편하실 것 같습니다. 유체의 농도가 높은 슬러지, 약품 등의 이송시에는 임펠러의 회전력만으로 효율적인 이송이 어렵기 때문에 공간을 분할하여 토출측으로 넘겨주는 형태의 용적식펌프를 많이 씁니다.

그리고 유체의 종류에 따라 케이싱,작동방식,임펠러 등의 차이가 있으며, 볼류트, 볼텍스, 스프르트, 모노(나사식),피스톤,다이아프램 등이 있습니다. 실제 설계를 하나보면 방금 이야기한 분류에서 선정을 많이 하게 됩니다. 펌프에 대해 이해하기 위해서는 각 펌프의 임펠러 모양을 잘 살펴볼 필요가 있습니다.

이송유체에 이물질 등의 혼입이 많은 경우에 케이싱과 임펠러 사이 공간이 대개 물을 대상으로 하기 때문에 크지 않고, 이물질 혼입시 막힘이 발생하게 됩니다. 이때 스프르트 펌프의 임펠러 모양은 큰 구멍이 있는 형태로 이물질도 통과가 가능합니다. 또한 슬러지나 폴리머 등의 고농도 유체의 이송에는 모노펌프를 주로 사용하고, 폴리머의 용량에 따라서 소용량인 경우는 다이아프램 펌프를 사용합니다. 대개 약품류는 주입량이 주사기로 주입하듯이 매우 작은 량을 일정하게 공급하는 것이 필요하므로, 다이아프램 펌프를 많이 사용하게 됩니다. 탈수케익은 컨베이어로 이송하는 방법도 있으나, 층을 이동한다거나 거리가 멀고 경로가 복잡한 경우에는 배관 구성이 가능한 피스톤펌프를 사용하는 경우도 있습니다.

앞서 육상펌프와 수중펌프의 구분도 이야기 하였는데, 모든 펌프가 수중펌프로도 제작이 되어 나오는 것은 아니며, 수중펌프 제작은 일부 형식에만 가능합니다. 또한 유지관리 측면에서도 수중펌프의 경우 용량이 커질수록 인력으로 끌어올리는 것이 어렵고, 인양대로 끌어올리고 해체하여 육상에서 수리후 다시 인양대로 내려서 설치를 해야하는데, 현장에서 관리가 쉽지는 않습니다. 가능한 육상펌프로 계획을 하는 것이 좋으나, 육상펌프를 계획한다는 것이 수조 옆에 펌프실이라는 공간이 필요하고, 펌프로 인하여 토목 구조물등의 확장이 요구되므로, 부지전체의 공간과 더불어 수조와 펌프실의 배치가 용이한 경우에 육상펌프를 계획하게 됩니다. 만약 육상펌프 계획할 공간이 부족하거나, 사용빈도가 적거나, 고장이 적은 형식과 구간이라면 수중펌프를 계획하는 경우도 있습니다. 설계라는 것이 한쪽이 좋으면 한쪽은 아쉬운 부분도 발생하기 때문에, 환경적인 제약과 성능과 유지보수의 편의성 뿐만 아니라 경제적인 면도 고려가 필요합니다. 또한 청소수들을 드레인 피트에 일시저장했다가 배출하는 소용량 펌프의 경우 수중펌프로 계획을 많이 합니다. 작은 드레인 피트를 위해 펌프실을 계획하는 것은 경제성이 맞지 않기 때문입니다.

펌프의 용량은 ‘용량계산서 작성‘ 편에서도 간단히 이야기 했지만, 다시 한번 다뤄보도록 하겠습니다. 펌프의 용량(유량)은 일반적으로 m3/min을 많이 씁니다. 분당 유량을 의미합니다. 시간당 필요한 유량을 계산하면 된다는 것입니다. 시설에서 이 펌프가 1일 중에 가동하는 시간이 24시간인지, 8시간인지, 1일간 이송해야할 총 유량은 몇m3인지를 계획하고 나누어 주면 되는 것입니다. 여기서 유량의 경우에는 기계분야 용량계산 설계 전에 이미 물질수지도에 각 시설별 유량이 잡혀있기 때문에 크게 문제가 없습니다. 그런데 가동시간은 기계분야에서 면밀히 검토가 필요합니다. 시설 전체는 24시간 가동 시설이나, 중간 처리설비의 경우 24시간 가동이 안되고 1일 8시간이나 16시간 등 가동되는 시설이 있을 수 있습니다. 그러한 경우에 펌프에서 이송받는 시설의 특성을 고려하여 펌프의 가동시간도 선정이 필요합니다. 또한 수처리 설비중에는 큰 개념으로는 24시간 가동이나 몇가지의 동작을 포함한 사이클 단위로 가동하는 시설이 있는데 예를 들어 유입 1시간 처리 4시간 배출 1시간이라면, 총 6시간 1사이클 중에 유입은 1시간이며, 1일에 총 4사이클이 가동 가능하므로, 유입은 1시간/사이클 x 4사이클/일 = 4시간/일 로 계획을 됩니다.

펌프 용량이 1일 이송량과 가동시간으로 1.5m3/min의 용량으로 계산되었다고 할 때, 최종 펌프 용량은 20%의 여유율을 준다고 하면 1.5 x 1.2 = 1.8m3/min 의 펌프를 선정하게 됩니다. 여기서 여유율은 정해진 것은 없으나, 약품 펌프가 아닌 경우 10~30%정도 여유율을 주는 경우가 많습니다. 약품펌프는 특히 폴리머 같은 경우 제작사 제품과 해당 지역의 폐수의 특성에 따라 합이 잘 맞고 안맞는 부분도 있고, 액상과 고상의 효과 차이도 발생하기 때문에 실제 시운전 하면서 약품 유량을 조정하는 경우가 있습니다. 그래서 펌프용량 산정시 여유율을 100% 주어, 필요 용량의 2배 용량으로 선정하기도 합니다. 일반적으로 약품 펌프용 다이아프램 펌프의 경우에 일반적인 터보형 펌프의 성능곡선 가동범위보다 더 넓은 범위로 유량 조정이 가능하기 때문에, 이 또한 고려하여 여유율을 크게 줄 수 있는 특수한 경우입니다.

또한 펌프 용량의 여유율과 관련하여 양정의 여유율과도 관련이 있습니다. 펌프의 사양에는 일반적으로 1.5m3/min x 20mH 이렇게 유량과 양정을 기입하면 대표적인 사양이 됩니다. 보통 설계를 막 시작한 설계자의 경우에 유량 산정시에도 여유율을 충분히 주고, 양정 계산시에도 여유율을 충분히 주게 되는데, 이렇게 여유율을 여러곳에 크게 주게 되면, 실제 필요한 것은 1.0m3/min x 10mH의 펌프인데, 펌프 용량을 큰 것으로 선정하게 되면, 실제 펌프가 가동하면서, 20mH의 저항이 걸려야 1.5m3가 배출이 되는데 10mH 의 저항만 걸리므로, “어라? 저항이 왜이렇게 적지. 그럼 난 많이 배출할 수밖에 없어” 라고 가동하게 됩니다. 펌프 성능곡선을 보시면 가동범위 내에서 저항이 적게 걸리면 유량은 증가하게 됩니다. 양정에 여유를 많이 주었기 때문에 실제 유량은 2~3m3 이런식으로 크게 증가하게 되는 것입니다. 만약 후단 시설이 단순한 저장용 수조라면 문제가 없지만, 후단 시설이 1.5m3 로 계획된 여과기 등의 시설이라면 시설 용량을 초과한 유입으로 제대로 처리가 안될수 있습니다. 여유율이 크지 않고 적정하다면, 배출밸브 측의 조정으로 어느정도 저항을 증가시켜서 원하는 유량으로 가동이 가능하지만, 유량 및 양정에 큰 여유율들을 적용하게 되면, 밸브로 조절이 어려울수 있고, 펌프 성능곡선 밖에 벗어나는 경우 정상 가동이 어려울 수도 있습니다. 그러므로 여유율은 적정선에서 과도하지 않게 관리하는 것이 필요합니다. 또한 양정 여유율을 이야기 했는데, 일반적으로 실 양정 산정시에 배관라인의 최고 높이와 수조의 가동 수위중 가장 낮은 L.W.L을 고려하여 양정을 산정하는데, 시설중에는 항상 가득찬 채로 가동되는 수조도 있으므로, 과도한 양정 선정은 없는지 검토가 필요하다.