빗물펌프장의 수력학적 과도현상에 관한 연구

2.1 시설물 개요

빗물펌프장은 침수지역인 내수위 상승 시 침수방지를 위해 어떠한 조건하에서도 배수펌프에 의한 강제배수가 가능하도록 설계되는데 계획 배수량과 계획 외수위, 흡수정의 고수위와 저수위를 Table 1에 나타내었다. 빗물펌프장은 펌프설비, 건축물, 토목구조물로 시설된 펌프장과 부속설비로 구성된다. 빗물펌프장 배치도를 Fig. 1에 나타내었으며, 펌프장 운영 및 효율적 관리가 가능토록 계획하고 주변여건들을 감안하여 최적 설비로 시설되었다.⁽⁴⁾

Table 1

Design conditions of rainwater pumping station

Fig. 1

Layout of rainwater pumping station

2.2 빗물펌프장 설비

빗물펌프장 설비는 설계 강우량을 30년 빈도로 적용하여 유량 변화에 따른 효율적이고 합리적 운전이 가능하도록 대용량 펌프 및 대수를 결정하여 효율화 설비로 설치되었으며, Fig. 2에 빗물펌프장의 계획평면도를 나타내었다.

Fig. 2

Floor plan of rainwater pumping station

빗물펌프장의 시설 능력은 유출량 변동에 대응하도록 계획배수량과 펌프 용량을 결정하고 운전 대수 및 운전시간 등을 통해 경제성과 최적의 합리적 운영을 고려하여 저용량 배수펌프와 주배수펌프를 함께 설치함으로써 강우 시 초기대응을 신속히 하여 안전성이 확보되도록 하였다. 배수펌프의 형식은 수직축 사류펌프 2상식으로서 저용량 배수펌프(Ø 1,350 mm × 255 m³/min × 690 kW) 2대와 주배수펌프(Ø 2,000 mm × 510 m³/min × 1,320 kW) 7대가 설치되어 있다. 빗물펌프장의 구내 전경은 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

View of rainwater pumping station

배수펌프는 흡수정 내에 설치된 수위계와 제어기능을 연계시켜 자동운전이 가능토록 구성되었다. 타 설비인 전기설비 및 계장설비와의 효율적인 연계를 통해 운영의 효율성 확보 및 유지관리의 편의성이 최적화되어 있다.

밸브설비는 각각의 기능과 사용 목적에 부합되도록 유출 유량제어 및 차단이 가능하도록 계획되었고, 비상시 배수시설의 보호 및 안전성을 확보할 수 있게 되어 있다. 펌프 토출 측에는 긴급 정전 및 펌프 긴급정지 시 역류방지 및 수격작용 완화를 위해 완폐식 체크밸브와 플랩밸브를 설치하여 펌프 및 부속 설비를 보호한다.⁽⁵⁾ 또한 펌프 토출배관에는 전동식버터플라이밸브를 설치하여 펌프의 운전조건에 따라 연동 운전이 가능하고 펌프의 효율적 운영 및 제어가 가능하게 되었다. 밸브는 저용량 배수펌프는 Ø 1,350 mm, 2대와 주배수 펌프는 Ø 2,000 mm, 7대씩 각각 설치되어 있다.

3.1 시험장치

현장시험을 위한 빗물펌프장은 주배수펌프 7대와 저용량 배수펌프 2대로 총 9대의 펌프로 구성되어 있으며, 수력학적 과도현상의 현장시험은 주배수펌프인 수직축 사류 펌프 2상식 형식의 Ø 2,000 mm × 510 m³/min × 1,320 kW를 대상으로 실시하였다.⁽⁶⁾ 주배수펌프의 시방은 Table 2와 같으며, 펌프 성능곡선도를 Fig. 4에 나타내었다.

Table 2

Specifications for main drainage pump

Fig. 4

Performance curve of main drainage pump

펌프장에서 정지하고 있는 펌프를 기동 및 정지시키거나 정상 운전 중 정전으로 인하여 갑자기 동력을 잃게 될 때, 또는 밸브의 개도를 빠르게 변화시킬 때 그 순간 관로 내의 유속이 급격히 변화하면서 압력도 크게 상승하거나 변화하는 현상을 수력학적 과도현상이라 한다.^(7,8)

배수펌프의 정상적인 기동 및 정지 시 발생하는 수력학적 과도현상인 수격현상을 시험하기 위하여 펌프 출구측압력(PT1)과 체크밸브 출구측 압력(PT2)을 측정하고자 Table 3의 압력센서를 사용하여 0.02초 간격으로 측정하였다. 또한, 전기적 과도현상을 분석하기 위하여 전동기의 전압, 전류, 역률등은 동력계를 사용하여 0.5초 간격으로 측정하였다.^(9,10) 이렇게 측정된 압력과 전기 값들은 데이터 수집장치(data acquisition system)를 통하여 저장되며, Fig. 5와 Fig. 6은 현장시험 시 사용된 계측장비 구성도와 주배수펌프 종단면도를 나타내었다.

Table 3

Measuring equipment manufacturer and model

Fig. 5

Measuring equipment block diagram

Fig. 6

Main drainage pump longitudinal drawing

한편, 배수펌프의 정상 정지 시 전동 버터플라이밸브는 완전히 개방된 상태에서 전동기의 전원을 차단하는 것이 일반적인 운영 방식이다. 그러나 현장에서는 수격작용을 완화시키기 위하여 전동 버터플라이밸브를 상당히 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하는 방식을 택하고 있었다. 이에 따라 본실험에서는 전동 버터플라이밸브를 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하는 경우와 전동 버터플라이밸브가 완전히 개방된 상태에서 전동기의 전원을 차단하는 경우에 대하여 현장시험을 실시하였다. Fig. 7은 빗물펌프장의 배수펌프와 밸브 등이 설치된 구내 전경을 나타내었다.

Fig. 7

View of rainwater pumping station

3.2 밸브 교축 후 펌프 기동 및 정지에 따른 수격현상

본 시험은 배수펌프를 정상적으로 기동시킨 다음 유동이 안정된 후 배수펌프를 정지시키기 위해 전동 버터플라이밸브를 완전히 개방(밸브개도 100%) 상태에서 밸브개도 25%까지 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하는 경우이다. 이러한 과정에서 측정된 수력학적 과도현상과 전기적 과도현상을 Fig. 8에 각각 나타내었다. 주배수펌프의 가동시간 동안 내수위와 외수위의 변화는 Table 4와 같으며,⁽¹¹⁾ 빗물펌프장의 주배수 펌프 기동 시 측정된 수력학적 과도현상은 Table 5에 요약하여 나타내었다.

Fig. 8

Hydraulic transient according to start and stop of main drainage pump (valve open rate = 25%)

Table 4

Status of inside and outside water levels in rainwater pumping station

Table 5

Hydraulic transient according to start of pump

배수펌프 기동 전 체크밸브 전단에서 압력(PT1)은 –1.39 m로 부압이, 체크밸브 후단에서 압력(PT2)은 0.02 m로 대기압 가까이 작용하였고, 전원 전압은 6,588 V로 측정되었다. 시간 18.54초에 전동기로 전원이 공급되면서 기동 전류는 366 A까지 상승하였고, 전압은 6,262 V까지 최저로 떨어졌다. 주배수펌프가 가동됨에 따라 토출배관으로 물이 양수되면서 체크밸브 전후단에서 정방향 압력구배가 20.42초에 형성되고, 이때부터 체크밸브가 열린다. 주배수펌프의 관성 모멘트가 크기 때문에 전동기의 기동 전류와 동력은 24.42초에 각각 411 A와 1,923 kW인 최대값으로 측정되었다. 토출 배관에서 유동이 형성됨에 따라 펌프 출구측 압력(PT1)은 26.22초에 2.14 m까지 상승하나, 수격현상은 곧바로 안정되고 있음을 알 수 있다. 또한, 콘덴서에 의해 역률이 보상됨에 따라 전류는 26.22초에 정격전류(185 A) 이하인 107 A로 감소한 것으로 측정되었다.

주배수펌프를 정상적으로 기동시킨 다음 유동이 안정된 후 배수펌프를 정지시키기 위해 전동 버터플라이밸브를 완전개방(밸브개도 100%) 상태에서 밸브개도를 25%까지 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하였을 때 즉, 주 펌프의 정지 시 측정된 과도현상은 Table 6에 요약하여 나타내었다. 정상 운전 중인 시간 160초에 체크밸브 전단에서 압력(PT1)은 1.66 m, 체크밸브 후단에서 압력(PT2)은 0.72 m가 작용하였고, 전동기 전류와 동력은 각각 105 A와 1,169 kW로 측정되었다. 전동 버터플라이 밸브 개도를 25%까지 교축시킴에 따라 펌프 출구측 압력(PT1)과 전동기 전류는 점차로 증가하는데, 277.32초에 PT1은 8.73 m까지, 전류는 139 A까지 상승하였다. 이순간 전동기 동력은 정격출력(1,320 kW)을 초과한 1,512 kW로 측정되었다. 이때 전동기 전원을 차단하였고, 펌프 출구측 압력은 급격히 떨어지면서 수력학적 과도현상인 수격현상이 발생한다. 시간 278.28 초에 체크밸브 전후단에서 역방향 압력구배가 형성되고, 이때부터 체크밸브가 닫힌다. 한편, 토출배관 말단에 설치된 플랩밸브도 닫히기 시작하는데, 밸브디스크의 관성 때문에 플랩밸브가 체크밸브보다 더 빨리 닫히는 것으로 현장시험 결과 확인되었다. 체크밸브가 닫힘에 따라 체크밸브 전단에서 압력(PT1)은 287.32초에 -2.69 m로 부압이, 체크밸브 후단에서 압력(PT2)은 0.03 m로 대기압 가까이 작용하고 있음을 알 수 있다.

Table 6

Hydraulic transient according to stop of pump (valve open rate = 25%)

3.3 밸브 완전 개방 후 펌프 기동 및 정지에 따른 수격현상

본 시험은 배수펌프의 토출배관에 설치된 전동 버터플라이밸브가 완전히 개방된 상태에서 배수펌프를 기동시킨 다음 유동이 안정된 후 전동 버터플라이밸브가 완전히 개방된 상태에서 배수펌프를 정지시키기 위해 전동기의 전원을 차단하는 경우이다. 이러한 과정에서 측정된 수력학적 과도현상과 전기적 과도현상은 Fig. 9에 각각 나타내었다. Table 7은 주배수펌프의 가동시간 동안 내수위와 외수위의 변화를 나타내었다.

Fig. 9

Hydraulic transient according to start and stop of main drainage pump (valve open rate = 100%)

Table 7

Status of inside and outside water levels in rainwater pumping station

빗물펌프장의 주배수펌프 기동 시 측정된 과도현상은 Table 8에 요약하여 나타내었다. 배수펌프 기동 전 체크밸브 전단에서 압력(PT1)은 -2.32 m로 부압이, 체크밸브 후단에서 압력(PT2)은 0.04 m로 대기압 가까이 작용하였고, 전원 전압은 6,609 V로 측정되었다. 시간이 24.50초에 전동기로 전원이 공급되면서 기동 전류는 379 A까지 상승하였고, 전압은 6,308 V까지 최저로 떨어졌다.

Table 8

Hydraulic transient according to start of pump

배수펌프가 가동됨에 따라 토출배관으로 물이 양수되면서 체크밸브 전후단에서 정방향 압력구배가 26.74초에 형성되고, 이때부터 체크밸브가 열린다. 주배수펌프의 관성모멘트가 크기 때문에 전동기의 기동 전류와 동력은 30.00초에 각각 439 A와 1,774 kW인 최대값으로 측정되었다. 토출배관에서 유동이 형성됨에 따라 펌프 출구측 압력(PT1)은 32.12초에 2.12 m까지 상승하나, 수격작용은 곧바로 안정되고 있음을 알 수 있다. 또한, 콘덴서에 의해 역률이 보상됨에 따라 전류는 32.12초에 정격전류(185 A) 이하인 109 A로 감소한 것으로 측정되었다.

배수펌프를 정상적으로 기동시킨 다음 유동이 안정된 후 배수펌프를 정지시키기 위해 전동 버터플라이밸브가 완전히 개방된 상태에서 전동기의 전원을 차단하였을 때 즉, 주배수펌프의 정지 시 측정된 과도현상은 Table 9에 요약하여 나타내었다. 정상 운전 중인 시간 131.62초에 체크밸브 전단에서 압력(PT1)은 1.61 m, 체크밸브 후단에서 압력(PT2)은 0.55 m가 작용하였고, 전동기 전류와 동력은 각각 104 A와 1,173kW로 측정되었다. 이때 전동기 전원을 차단하였는데, 펌프출구측 압력은 급격히 떨어지면서 수력학적 과도현상인 수격현상이 발생하였다. 시간 132.76초에 체크밸브 전후단에서 역방향 압력구배가 형성되고, 이때부터 체크밸브가 닫힌다. 한편, 토출배관 말단에 설치된 플랩밸브도 닫히기 시작하는데, 밸브 디스크의 관성 때문에 플랩밸브가 체크밸브보다 더 빨리 닫히는 것으로 현장시험 결과 확인되었다. 체크밸브가 닫힘에 따라 체크밸브 전단에서 압력(PT1)은 141.62초에–0.03 m로 부압이, 체크밸브 후단에서 압력(PT2)은 0.03 m로 대기압 가까이 작용하고 있음을 알 수 있다.

Table 9

Hydraulic transient according to stop of pump (valve open rate = 100%)

4.1 펌프 기동 및 정지 시 수격현상

빗물펌프장의 수격현상 발생 여부 및 원인을 분석하기 위하여 주배수펌프의 정상적인 기동 및 정지 시 발생하는 과도현상에 관한 현장시험을 실시하였다. 현장 시험은 2가지 경우 즉, 첫째 전동 버터플라이밸브를 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하는 경우, 둘째 전동 버터플라이밸브가 완전히 개방된 상태에서 전동기의 전원을 차단하는 경우에 대하여 실시하였다.

Table 10은 빗물펌프장의 배수펌프 기동에 따른 전기적 과도현상을 서로 비교하여 나타내었다. 전동기의 정격전류 대비 최대 기동전류는 2.23~2.38배로 흐르고, 과전류 지속시간은 6.02~6.40초로 측정되었다. 비속도가 큰 배수펌프는 전동식 버터플라이밸브를 완전히 개방한 후 기동시키는데, 이는 기동 전류가 과다하게 증가하여 전동기의 권선이 소손되는 것을 방지하기 위함이다.

Table 10

Comparison of electrical transient according to pump start

빗물펌프장의 배수펌프 기동에 따른 수력학적 과도 현상인 수격현상은 Table 11에 서로 비교하여 나타내었다. 펌프 출구측 압력(PT1)은 2.126∼2.144 m 범위로 상승하고, 체크 밸브 출구측 압력(PT2)은 0.566~0.601 m까지 상승하는 것으로 나타났다. 또한, 체크밸브가 열리기 시작하는 정방향 압력구배는 전동기로 전원이 공급된 후 1.88~2.24초 사이에서 형성되는 것으로 측정되었다.

Table 11

Comparison of hydraulic transient according to pump start

배수펌프 정지에 따른 수력학적 과도현상 시험은 배수펌프를 긴급차단시킨 것과 같은 시험으로서, Table 12는 빗물펌프장의 배수펌프 정지에 따른 수력학적 과도현상을 서로 비교하여 나타내었다. 전동 버터플라이밸브를 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하는 경우는 펌프 출구측 압력(PT1)은 8.734 m로 상승하고, -2.694 m까지 떨어진 것으로 측정되었다. 또한 전동 버터플라이밸브가 완전히 개방된 상태에서 전동기의 전원을 차단하는 경우는 펌프 출구측 압력(PT1)은 1.612 m로 정상상태 압력수두를 넘지 않았고, -0.039 m까지 하강하는 것으로 나타났다. 두 경우 모두 펌프 출구측 압력은 1 kgf/cm²를 넘지 않고, 기계설비의 설계압력이 10 K인 점을 고려할 때 수격압은 그다지 우려할 수준은 아닌 것으로 판단된다. 또한, 배수펌프 정지 후 역류방지용 밸브의 거동과 배관 내 유동에 따른 소음을 현장에서 확인하였는데 특별한 문제점은 발견되지 않았다.⁽¹²⁾

Table 12

Comparison of hydraulic transient according to pump stop

현장에서 배수펌프의 정지 시 수격작용을 완화시키기 위하여 전동 버터플라이밸브를 상당히 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하는 방식은 토출배관 내 유속은 줄일 수 있으나, 배수펌프의 압력상승 효과가 더 크게 나타나는 것으로 분석되었다. 즉, 펌프 출구측 압력(PT1)은 더욱 증가하고, 펌프 양수관 내 부압(negative pressure)도 더 크게 발생하는 것으로 측정되었다. 이러한 경향은 빗물펌프장의 주배수 펌프에서 두드러지게 나타나고 있는데, 배수펌프가 재기동 될 때 양수관 내 공동(cavity)으로 인하여 체크밸브의 개방시간이 2.24초로 늦어지고 전동기의 기동 전류가 2.38배로 커지는 것으로 분석되었다.

4.2 펌프 토출 배관의 밸브류 수격현상

빗물펌프장의 배수펌프 정지에 따른 수력학적 과도현상을 서로 비교한 Table 12에 의하면, 역류방지용 체크밸브가 닫히기 시작하는 역방향 압력구배는 전동기 전원이 차단된 후 0.96~1.14초 사이에서 형성되는 것으로 측정되었다. 역류가 발생하면 토출배관 말단에 설치된 플랩밸브는 유압장치가 장착된 체크밸브보다 먼저 닫히는 것으로 관측되었다. 매우 큰 단일 디스크가 1초 전후로 급격히 닫힐 때 슬래밍(slamming)이 발생하여 밸브디스크와 밸브시트가 충격(impact)으로 인하여 플랩밸브가 파손될 우려가 있기 때문에 각별한 주의가 필요하다.⁽¹³⁾ Fig. 10은 슬래밍이 발생하여 파손된 플랩밸브를 나타내었다.

Fig. 10

Damage of the flap valve

빗물펌프장에는 차수용 밸브로서 전동식 버터플라이밸브를 설치하였고, 역류방지용 밸브로서 완폐식 체크밸브와 플랩밸브를 병용하여 설치하였다. 일반적으로 플랩밸브는 완전한 수밀성을 기대하기 어렵기 때문에 체크밸브를 병용해서 사용함으로써 빗물펌프장의 침수 가능성을 낮추기 위한 조치로 판단된다. 빗물펌프장의 토출배관은 사이폰(siphon)형상으로 설계되었고, 펌프출구측에 체크밸브가 설치되었으며, 펌프 정지 후 전동버터플라이밸브를 닫기 때문에 플랩밸브를 제거하여도 토출배관을 통한 역류가 발생할 가능성은 매우 낮은 것으로 판단된다.

빗물펌프장의 배수펌프 정지에 따른 수력학적 과도현상에서 체크밸브와 플랩밸브 사이의 토출배관은 배관 상부에 설치된 에어벤트 설비에 의해 부압 발생이 방지되는 것으로 분석되었다. 배수펌프의 기동 및 정지 시 공기의 원활한 출입을 위하여 저용량 배수펌프 및 주배수펌프 토출배관에는 구경 150 mm와 200 mm의 에어벤트가 각각 설치된 것이 확인되었다. 그러나 펌프 양수관과 체크밸브 사이의 토출배관에서는 상당한 부압이 발생하는 것으로 현장시험 결과 확인되었다. 양수관에서 부압은 전동 버터플라이밸브를 교축시킨 후 전동기의 전원을 차단하는 경우의 결과가 전동 버터플라이밸브가 완전히 개방된 상태에서 전동기의 전원을 차단하는 경우의 결과보다 더 크게 나타났다. 따라서, 부압을 줄여 수력학적 과도현상을 완화시키기 위해서는 저용량 배수펌프 및 주배수펌프의 양수관 상부에 각각 구경 150 mm, 구경 200 mm의 급속공기밸브를 추가로 설치하는 것이 필요하다.