KR20110114756A - 순환펌프의 캐비테이션 방지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순환펌프 운전 중 발생하는 캐비테이션을 방지하기위한 것으로 순환수에 포함된 용전기체가 펌프의 케이싱 내에서 고속으로 이동할 때 유체의 압력의 변화로 유체 중에 포함된 기체가 분리되어 공동(cavity)을 형성하고 공동(cavity)으로 인하여 수격 작용이 발생하여 펌프 임펠러나 혹은 케이싱 내부가 침식 됨 과 동시에 펌프의 효율이 저감된다.

이를 감지하는 방법으로 종래에는 캐비테이션이 발생하므로 진동이나 소음이 발생하는 것을 진동센스나 음향센스를 부착 이들 센스로부터 발생하는 신호의 세기로 이를 감지하였는데 이를 사용하지 않고 캐비테이션의 발생조건이 펌프 케이싱 내부의 유체의 온도와 압력 상태에 따라 발생하므로 온도와 압력에 따를 캐비테이션 발생 임계 선을 얻고 이 임계 선에 일정한 안전 마진을 두고 안전운전 임계 선을 설정하여 흡입유체의 온도에 따라 자동으로 회전수를 조절하여 캐비테이션이 발생 하지 않는 상태로 운전되는 방법과 유체의 온도 상승으로 펌프의 회전속도가 낮아지므로 펌프가 이송하는 유체의 양이 줄어지므로 전체 시스템 운전에 지장을 초래하는 것을 감지하여 예비펌프가 자동 기동 하게 하기도 하는 것이다.

공동(cavity), 온도, 압력, 캐비테이션 발생 임계선, 안전운전 임계선,

Description

순환펌프의 캐비테이션 방지{Prevent cavitation of circulation pump}

물 등 액상의 유체를 이송하는 수단으로 사용되는 펌프에서 동력이 입력되고 입력된 동력에 의하여 유체가 이송 시 유체내부의 압력변화가 발생 하고 이 압력변화에 의하여 유체내부에 녹아있는 기체가 이 압력차에 의하여 유체로부터 분리되어 유체 내에서 공동(Cavity)을 형성하고 형성된 공동으로 비압축성인 액상의 유체와 압축성인 기체가 혼합되어 이동시 발생하는 수격작용(Water hammering) 혹은 액격(Liquid hammering)으로 소음과 진동이 발생하므로 장치의 내부를 침식하여 장치를 손상 하는 것과 그리고 효율을 저감하므로 에너지를 낭비하는 결과를 초래한다.

이를 사전에 방지하는 방법과 이런 방법을 실현하기위한 장치에 관한 것이다.

종래에는 펌프의 케이싱 혹은 관로에 진동센스 혹은 음향센스를 장치하여 이들 센스로부터 감지되는 신호를 분석하여 캐비테이션 발생여부를 감지한다.

감지된 결과에 따라 펌프와 관로를 점검 하고 보수하는 것이 통례이다.

일단 캐비테이션이 발생하면 발생한 캐비테이션의 정도에 따라 펌프를 교체 하든지 혹은 관로를 점검 보수 하여야 한다.

이로서 냉각수를 공급 하거나 난방수를 공급 하는 중요 장치에는 예비 펌프와 관로를 이중으로 두고 관리하기위하여 상기 센스와 센스로부터 발생한 신호들을 받아 분석하는 고가의 장치들을 두어야 한다.

그러나 이들 고가의 장치를 두고 관리하는 경우는 중요 산업 시설에 한정되고

대부분의 산업시설이나 주거시설에는 이런 장치를 두고 관리하지 않고 그대로 사용하므로 장치의 수명을 단축하거나 캐비테이션 발생으로 인하여 펌프의 효율이 저하되고 펌프의 효율저하로 인하여 많은 량의 에너지를 낭비는 결과를 초래한다.

유체에는 용전기체가 포함되어 있고 이들 기체들이 유체의 온도 압력에 따라 용해되기도 하고 용해된 기체들이 유체에서 분리되어 기포를 형성하기도 한다.

형성된 기포가 캐비테이션을 발생한다.

유체 내에서 기포가 발생하는 것은 용해된 기체의 포화증기압에 기인하고 유체의 온도와 압력에 따른다. 유체의 압력이 용해된 기체의 포화증기압보다 낮으면 용해된 기체는 액체로부터 분리되어 기포를 형성한다

이러한 점에 착안 하여 펌프 내부의 액체의 이송 과정에 유체의 압력이 가장 낮은 부분은 흡입관로와 임펠러 흡입구와 연결되는 부위이고 이부위에서 유체 의 온도가 용전기체의 포화증기 온도 보다 높고 유체의 압력이 포화증기 압력보다 낮 을 때 반드시 유체에 녹아있는 기체는 유체로부터 분리되어 기화하고 기포를 형성 한다.

이러한 점에 착안하여

이곳의 온도와 압력을 감지하고 펌프의 회전 속도를 조절하여 이곳의 압력이 용전기체의 포화증기압 보다 높게 유지하여 펌프 케이싱 내부에서 캐비테이션이 발생하지 않게 하는 것이다.

또한 펌프의 속도를 조절하므로 열을 전달하는 유체의 양이 부족 하는 문제가 발생시 이를 사전에 감지하여 운전자에게 알려주므로 예비펌프를 가동 하거나 혹은 관로를 점검 하여 장치를 가장 효율적으로 운전 할 수 있게 하는 것이다.

종래에는 캐비테이션으로 인한 진동 및 소음의 신호를 받아 캐비테이션 발생여부를 판단하므로 이미 캐비테이션이 발생하여야 이를 감지 할 수 있고 이로서 장치에 대한 고장 및 캐비테이션으로 인 한 장치의 결함이 발생 한 후에 이를 감지하게 된다.

이로서 펌프의 수명이 단축되고 그리고 펌프의 효율이 저하 하므로 이에 따라 펌프에 공급되는 전력에너지를 낭비함은 물론 펌프에 의하여 공급되는 냉각수 혹은 난방수의 공급이 원활하지 못하므로 발생하는 손실은 지대하다.

이러한 문제점을 해결 하기위하여 먼저 펌프에서 캐비테이션이 발생 하는 조건들을 온도와 압력을 통하여 정확히 알아내는 것이다.

도1에서와 같이 시료펌프(100)를 중심으로 하여 흡입 측 관로 말단에 흡입압 력 제어장치(110)와 토출관로 말단에 토출 압력 제어 장치(120)를 두고 펌프의 흡입관과 토출 관에는 각각 Expansion Joint를 두거나 연결관로는 고무나 플라스틱 호스를 사용하여 시료펌프에서 발생한 진동이 관로를 통하여 다른 장치로 전달되지 않고 또한 관로와 펌프 이외의 장치에서 발생 한 진동이 펌프로 전달되지 않게 한다.

시료펌프(100)의 흡입관에는 펌프의 흡입 압을 측정하는 흡입 압력 전송기(PS), 토출 관에는 토출압력 전송기(PD), 펌프 케이싱에는 진동센스(101), 펌프주위에는 펌프에서 발생 하는 음향을 측정 하는 음향센스(102)를 둔다.

흡입 압 제어장치(110)는 내부에 순환수에 포함된 용전 기체의 증발을 막기 위하여 물위에 뜨는 가벼운 물질로 만들어진 뜨개(112)를 물위에 띄워 놓고 흡입압력 제어 조 상부공간에 차있는 공기를 진공펌프(111)를 통하여 빨아내어 시료 펌프의 흡입 압력을 제어 할 때 물속에 녹아 있는 용전 기체의 증발을 막는다.

시료 펌프가 작동 시 펌프의 흡입압력은 흡입압력 제어기(PCI1)에 의하여 진공 펌프의 작동을 제어 하므로 이루어진다.

그리고 시료펌프로 흡입되는 유체의 온도는 흡입 압 제어 조(110) 내부에 봉입된 전열기(113)에 의하여 가열되고 이때 전열기(113)에 공급되는 전력은 흡입유체의 온도에 의하여 제어된다.

토출 압 제어장치(120)는 토출 압 제어 조에 공기압축기(121)에서 압축된 고압공기를 전공변환기(123)를 통하여 압축공기를 충진 하여 제어 한다. 이때 시료 펌프의 토출 압은 토출 압력 전송기(PD)를 통하여 토출 압력 신호를 토출압 제어기 (PC12)에 공급되고 이 신호에 의하여 제어 신호를 전공변환기(123)에 전기적 신호를 주어 제어 한다.

시료 펌프(100) 구동 전동기는 Inverter를 통하여 전력이 공급되게 하여 펌프의 회전수를 가변 한다.

이때 펌프에 흡입되는 유체의 온도를 일정하게 두고 펌프의 속도를 점차적으로 증가 해 갈 때 흡입되는 유체의 압력은 점차 낮아지고 이때 시료 펌프에 설치된 진동센스(101)와 음향센스(102)를 통해 캐비테이션 발생 여부를 판단 할 수 있다.

이러한 방법으로 펌프로 흡입되는 유체의 온도를 바꾸어 가면서 캐비테이션 발생하는 온도와 압력의 임계 선을 다음 그림과 같이 얻을 수 있다.

그리고 캐비테이션 발생 임계 선에서 일정한 마진을 두고 안전운전 임계 선을 두고 펌프로 흡입되는 온도에 따라 펌프로 흡입되는 유체의 압력을 안전임계선 이상의 압력이 되게 회전 속도를 자동 조절 하여 운전한다.

이로서 펌프는 항상 캐비테이션이 발생하지 않는 상태로 운전되고 흡입유체 의 온도에 따라 흡입압력이 결정되므로 온도가 높아지면 이에 유체의 흡입 압력도 높아지게 되므로 펌프의 회전 속도가 낮아진다.

낮아지는 회전속도로 인하여 펌프가 이송 하는 유체의 양이 줄어지고 이송되는 유체가 줄어지므로 전체 시스템에 영향을 주는 것을 막기 위하여 펌프의 회전 속도가 일정 이하로 줄어질 때 예비펌프가 자동 기동 되게 한다.

상기발명의 내용대로 펌프를 운전하므로 펌프에 취명적인 캐비테이션 발생을 근원적으로 막아 펌프의 수명을 연장함 과동시에 캐비테이션 발생으로 인한 펌프의 효율저하를 막으므로 전력에너지를 절약한다.

펌프는 중요산업시설 즉 발전소 등 전력생산 시설은 물론 모든 산업시설에 사용 하는 필수 장치인 펌프 운전을 최상으로 유지 할 때 이와 관련된 모든 생산시설의 효율이 향상되는 효과가 있다.

펌프가 필수적으로 사용되는 발전설비의 복수기에 냉각수를 공급하는 펌프에 본 발명의 실시로 순환 펌프를 운전 하는 실례를 들면 도5에서와 같이 발전기를 가동하는 터빈은 원자로에서 생성된 고온 고압의 증기가 터빈에서 동력으로 전환하기 위하해서 복수기에서 응축되어 액상으로 변해야하고 이때 복수기는 원자로에서 발생한 열량과 비슷한 양의 열을 순환 펌프(501,502)를 통하여 바닷물을 순환 하게 하여 바닷물로 흡수 하여 방출 하여야 한다.

이때 만약 복수기에 공급되는 냉각수인 바닷물을 이송하는 펌프에서 캐비테 이션이 발생 하여 냉각수의 순환이 원활하지 못하면 원자로의 가동을 중단 하여야 한다.

그래서 이를 방지하기위하여 종래에는 복수기에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급펌프의 고장 진단을 위하여 진동 및 음향 등을 감지하여 캐비테이션 발생여부를 항상 감시하고 캐비테이션이 발생하여 진동과 소음이 발생시 이를 감지하고 예비로 설치된 펌프를 가동 하고 캐비테이션이 발생한 펌프와 이 펌프가 연결된 관로를 점검하고 보수 한다.

상기와 같은 방법은 항상 캐비테이션이 발생 하여야 만이 행해 질수 있으므로 이에 따라 보수비용의 증가는 물론 고가의 순환 펌프를 교체하여야 한다.

이러한 결함을 막을 수 있는 본 발명의 실시는 상기 발명의 내용대로 펌프로 이송 하는 유체로 사전에 실험 하여 얻어진 유체의 온도에 따를 흡입압력의 안전운전 임계선 이상의 압력을 유지 하며 작동 하므로 펌프는 절대 캐비테이션이 발생 하지 않게 된다.

즉 바닷물의 온도 상승으로 인하여 펌프1(501)이 안전운전 임계선 이상의 흡입 압력을 유지 하면서 가동하므로 복수기에서 필요 하는 냉각수를 충분히 공급 하지 못할 경우 복수기 출구 냉각수 온도 감지센서(507)로 감지된 온도로 이를 감지하고 이때는 다른 펌프2(502)가 가동 하여 두 대의 펌프가 동시에 작동하여 충분한 냉각수를 공급 하고

냉각수의 온도가 낮아지므로 펌프의 속도가 증가 하므로 펌프 한대만으로 충분한 냉각수를 공급 할 수 있을 때는 두 대 중 한대는 정지하게 된다.

이로서

항상 펌프 내부에서 발생하는 캐비테이션 발생을 근원적으로 막아 모든 장치가 원활 하게 가동 되는 펌프 운전 시스템을 제공 할 수 있다.

도1 : 펌프의 안전운전임계선 을 정하는 실험장치 계략도

도2 : 실험장치의 제어 시스템 개략도

도3 : 온도 압력으로 구성된 캐비테이션 발생 임계선 및 안전운전 임계선도

도4 : 본 발명 실시 제어 시스템 개략도

도5 : 본 발명 구체적 실시 도

[도면의 중요부분에 대한 부호 설명]

100 : 시료 펌프

101 : 진동센스

102 : 음향센스

PS : 펌프 흡입 압력 전송기

PD : 펌프 토출 압력 전송기

110 : 흡입 압력 제어 조

111 : 진공펌프

112 : 뜨개( 유체 내부의 용전기체 증발 방지용)

113 : 흡입유체 온도 제어용 전열기

T1 : 흡입유체 온도 감지기

PIC1 : 흡입유체 압력 제어기

120 : 토출압력 제어 조

121 : 공기 압축기

122 : 수위 제어기

123 : 전공 변환기(토출압 제어용)

124 : 유량조절 변

501 : 펌프1

502 : 펌프2

503 : 역류 금지 변 1

504 : 역류 금지 변 2

505 : 압력 전송기

506 : 온도 감지기

507 : 복수기 출구온도 감지기

Claims (3)

1. 도1에서와 같이 정해진 용도로 제작된 펌프와 사용되는 유체를 이용하여 시료펌프(100) 흡입 압 제어장치(110) 토출 압 제어장치(120), 진동 센스 음향센스로 구성된 흡입유체의 온도에 따라 캐비테이션이 절대 발생하지 않는 흡입압력으로 정해진 안전 운전 임계선 을 얻는 실험 장치
2. 청구항1의 실험장치로 얻어진 흡입유체의 온도에 따른 안전운전 임계선 이상의 흡입 압력을 유지하는 회전수로 펌프가 가동되게 하는 인버터의 운전속도 지령 및 유체의 온도 등을 감지하여 캐비테이션 발생을 근원적으로 막는 펌프 운전 방법.
3. 청구항 2의 운전 방법을 실시하는 온도 압력 신호를 받아 이 두신호로 펌프운전속도를 제어하므로 캐비테이션발생을 근원적으로 막는 인버터와 인버터에 속도지령을 주는 제어 시스템

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