건설기계 특수차량의 수중 펌프 유체 부피 변화에 따른 성능 특성 분석에 대한 실험적 연구

1. 서 론

국내 최근 기후변화에 따른 이상기후가 일상화되며 매년 크고 작은 홍수가 꾸준히 발생하고 있어 농경지 침수로 인한 피해가 증가하고 있다. 2022년에는 집중호우로 인해 농경지의 침수를 막아주는 빗물펌프장이 충남 청양군 일대에서 설치된 4곳 중 3곳이 제대로 가동되지 않아 농작물과 시설하우스만 340여 동이 침수되는 피해가 발생하였다. 최근 기후변화에 따른 집중호우 및 이상기후의 증가로 인해 농경지 침수 및 펌프장 기능 상실 등 다양한 형태의 피해가 발생하고 있으며, 이에 따른 경제적 손실 규모 또한 지속적으로 증가하는 추세이다. 이러한 침수 피해를 방지하기 위하여 수중 펌프의 유동 특성을 향상시키기 위한 연구들이 수행되고 있다.

기존의 수중 펌프에 대한 연구를 살펴보면, Costa 등¹⁾은 심층 신경망(DNN: Deep Neural Network)를 기반으로 전기 수중 펌프(Electric submersible pump)의 불확실성에 대한 평가 방법을 연구하였다. 제안된 모델은 실험데이터를 기반으로 검증하였으며, 쵸크 압력(Choke pressure), 흡입 압력(Intake pressure) 그리고 생산 유량(Production flow) 등 전기 수중 펌프에 중요한 매개변수를 잘 예측하였음을 보고하였다. Fang 등²⁾은 SAGD(Steam Assisted Gravity Drainage) 공정에서 전기 수중 펌프의 고장 방지 및 작동상태 유지를 위하여 다변량 통계적 성능 모니터링알고리즘 개발에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과, 제안된 알고리즘은 VSD(Variable Speed Drive) 측정을 기반으로 새로운 기능 추출 기술을 확립하였으며, ESP(Electrical Submersible Pumps)의 성능저하를 반영하고 이를 평가할 수 있음을 확인하였다. Valdés 등³⁾은 실험과 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 기반으로 점성 뉴턴 및 비뉴턴 유체에 대한 수중 펌프의 성능을 비교하였다. 실험을 통하여 ESP 모터의 압력 상승과 전력소비를 확인하였으며, 개발된 CFD 모델은 헤드 상승에 대한 MSE(Mean Square Error)가 4.91 %로 실험과 잘 일치하였으며, 펌프 효율에 대한 MSE는 10.6 %로 일치함을 확인하였다. Wang 등⁴⁾은 전기 수중 펌프의 유압 시스템에 대한 에너지 특성의 단계 간 변동성을 수치 시뮬레이션과 실험을 통하여 엔트로피 생산 분석을 조사하였다. 그 결과, 내부 유동 구조의 분포와 일치하는 전기 수중 펌프 내의 일관된 에너지 특성은 엔트로피 생산 이론을 기반으로 확인하였다. 그러나 단계 간 차이를 반영할 때, 엔트로피 생산 이론에 기반한 에너지 특성화와 전통적인 효율 지수(Traditional efficiency index) 사이에 불일치가 있음을 확인하였다. Sperlich 등⁵⁾은 지하수 우물 현장에 대하여 가변 수중 펌프의 에너지 효율적인 거동 특성에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과, 시뮬레이션된 우물 현장의 경우 펌핑에 필요한 총 특정 에너지 수요는 공칭 펌프 속도 작동에 비해 부분 부하 작동에서 상당히 낮았으며, 저유량과 중간 유량에서는 공칭 속도 작동에 비해 20% 정도의 에너지 절감을 달성할 수 있음을 보고하였다. Zhou 등⁶⁾은 다양한 엔드 클리어런스에 대한 고속 전기 수중 펌프에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 그 결과, 엔드 클리어런스가 증가함에 따라 디퓨저 통로에서 난류 유동이 발생하게 되며 이에 따라 펌프의 성능이 더욱 저하되는 것을 확인하였다. Han 등⁷⁾은 블레이드 출구 각도가 고속 우물 수중 펌프의 성능 및 내부 유동 패턴에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 그 결과, 고속 우물 수중 펌프의 임펠러 베인 출구의 각도는 임펠러와 가이드 베인 내의 정압 분포, 속도 분포 및 유선 분포에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 펌프의 헤드 곡선, 전력 곡선 및 효율 곡선에도 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였다. Wang 등⁸⁾은 수중 관형 펌프에 대한 Bulb body의 압력 맥동 특성을 조사하였다. 개발된 수치해석 모델은 실험과 비교 하였으며, 효율-헤드 곡선이 잘 일치함을 확인하였다.

기존의 연구에서는 수중 펌프의 성능 특성을 파악하는데 해석적인 연구가 주를 이루고 있으며, 건설 특수차량에 적용가능한 수중 펌프의 실험적 연구는 미비한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 건설기계 특수차량의 배수용 수중 펌프 성능 실험을 수행하였으며, 다양한 유량 조건에서 모터실 배수 기능의 성능특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구의 결과는 침수 방지를 위한 수중 펌프의 성능 실험에 대한 기초적인 자료를 제공할 것으로 사료된다.

2. 건설기계 특수차량 실험장치 및 방법

본 연구에서 사용된 수중 펌프는 배관의 직경이 400 A (A : Nominal diameter)와 1,350 A의 대형 수중 펌프이며, 이를 고려한 수중 펌프의 실험 환경을 구현하였다.⁸⁾ Fig. 1에 본 연구에서 사용한 건설기계 특수차량의 수중 펌프의 구성도를 나타내고 있으며, Table 1에 수중 펌프의 사양을 나타내었다.

Fig. 1

Performance test diagram of a drainage submersible pump for construction special vehicles

Table 1

Specifications of the submersible pump

수중 펌프의 배수기능에 대한 성능 실험은 KS B 6301:2019를 준용하여 수행하였으며, Table 2에 수중 펌프의 배수기능에 대한 실험조건을 나타내었다. KS B 6301:2019⁹⁾의 시험 항목은 전 양정, 토출량, 회전 속도, 축동력(또는 입력 전력), 운전 상태를 시험한다. 이를 기반으로 수중 펌프의 전양정 및 토출량, 축동력(또는, 입력 전력), 펌프 효율, 펌프종합 효율, 운전 상태 등을 확인한다. 펌프 효율은 펌프의 수동력(L_w)과 축동력(L)을 기반으로 계산하며, 식 (1)과 같다.

Table 2

Experimental conditions

펌프종합 효율(Overall efficiency) η_gr는 식 (2)와 같이 입력 전력(L_gr)과 수동력(L_w)를 사용하여 계산할 수 있다. 수동력은 식 (3)과 같으며, ρ는 밀도, g는 중력가속도, Q는 토출 유량, H는 전양정이다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.2 400 A 수중 펌프 성능 실험 결과

본 연구에서는 직경 400 A의 배수용 수중 펌프의 토출 유량에 따른 펌프의 전양정(Total head)과 효율에 대한 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 수중 펌프에서 Total head는 배관의 마찰손실, 곡관부, 와류, 증기압 등의 여러가지 요소들을 고려한 펌프가 양수할 수 있는 압력의 총합이다. 따라서 Total head는 펌프의 종류 및 용량을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. 수중 펌프의 토출 유량이 17.26 m³/min일 때, 전양정은 5.43 m로 나타났으며, 18.4 m³/min에서는 4.93 m로 나타났다. 토출 유량이 19.37 m³/min과 19.96 m³/min에서 전양정은 각각 4.06 m와 3.86 m로 나타났다. 토출 유량이 20.55 m³/min에서 전양정은 3.46 m로 나타났으며, 전체적으로 토출 유량이 증가함에 따라 전양정은 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 펌프의 유량과 양정의 관계는 반비례하기 때문이다. 수중 펌프의 효율은 이론 동력과 축 동력의 비로 나타내며, 수중 펌프의 효율은 에너지 소비 효율을 확인하는 척도입니다.

Fig. 2

Performance test results for total head and pump efficiency of 400 A submersible pump

본 연구에서는 다양한 토출 유량에 따른 배수용 수중 펌프의 펌프 효율을 확인하였다. Fig. 2와 같이 수중 펌프의 토출 유량이 17.26 m³/min일 때, 펌프 효율은 83.45 %로 나타났으며, 18.4 m³/min에서는 84.4 %로 나타났다. 토출 유량이 19.37 m³/min과 19.96 m³/min에서 펌프 효율은 각각 81.4 %와 81.05 %로 나타났다.

토출 유량이 20.55 m³/min에서 펌프 효율은 76.93 %로 나타났으며, 전체적으로 토출 유량이 증가함에 따라 수중 펌프의 효율은 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 토출 유량의 증가로 전양정과 소비전력이 감소하였으며, 이에 따라 펌프의 효율도 감소한 것으로 판단된다. 또한, 본 연구에서는 직경 400 A의 배수용 수중 펌프의 입력 전력과 종합 효율에 대한 성능실험을 수행하였으며, 이를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3

Performance test results for input power and overall efficiency of 400 A submersible pump

수중 펌프의 입력 전력은 모터에 대한 전력 입력값이며, 이를 기반으로 모터의 전력소비를 확인할 수 있다. 즉, 펌프에 주어지는 전기적 에너지가 운동에너지로 변환될 때 샤프트에 전달되는 모터동력을 의미한다. 수중 펌프의 Input power(입력 전력)는 펌프의 효율을 산출하는데 있어서 중요한 요소이다. 수중 펌프 모터실 배수기능의 토출 유량이 17.26 m³/min일 때, Input power는 21.31 kW로 나타났으며, 18.4 m³/min에서는 20.4 kW로 나타났다. 토출 유량이 19.37 m³/min과 19.96 m³/min에서 Input power는 각각 18.34 kW와 18.05 kW로 나타났다. 토출 유량이 20.55 m³/min에서 Input power는 17.57 kW로 나타났으며, 전체적으로 토출 유량이 증가함에 따라 Input power는 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 토출 유량이 증가함에 따라 전양정이 감소하여 이에 따라 모터에서의 소비전력이 감소하였기 때문이다. 중 펌프의 효율은 종합 효율은 유량, 전양정, 비중, 펌프와 모터의 전력소비에 대한 매개변수로 계산한다. 종합 효율을 기반으로 수중 펌프가 전기를 전기-기계적 작업으로 변환하는데 얼마나 효율적인지를 확인할 수 있다. 본 연구에서는 다양한 토출 유량에 따른 수중 펌프의 종합 효율을 분석하였다. Fig. 3에서와 같이, 수중 펌프 배수기능에 대한 토출 유량이 17.26 m³/min일 때, 펌프의 종합 효율은 71.83 %로 나타났으며, 18.4 m³/min에서 종합 효율은 72.65 %로 나타났다. 토출 유량이 19.37 m³/min과 19.96 m³/min에서 펌프의 종합 효율은 각각 70.07 %와 69.77 %로 나타났다. 토출 유량이 20.55 m³/min에서 펌프 효율은 66.22 %로 나타났으며, 전체적으로 토출 유량이 증가함에 따라 수중 펌프의 종합 효율은 감소하는 경향을 나타내었다. 이에 따라 토출 유량의 증가는 펌프의 전기—기계적 작업 변환에 대한 효율을 감소시킴을 확인하였다.

3.3 1,350 A 수중 펌프 성능 실험 결과

본 연구에서는 직경 1,350 A의 배수용 수중 펌프의 전양정과 펌프 효율에 대한 성능 시험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 확인할 수 있다.

Fig. 4

Performance test results for total head and pump efficiency of 1,350 A submersible pump

잠수 펌프의 토출 유량이 127.16 m³/min 일 때, 전양정은 4.36 m로 나타났으며, 토출 유량이 132.55 m³/min일 때, 전양정은 4.09 m로 확인되었다. 토출 유량이 138.01 m³/min과 143.36 m³/min일 때, 전양정은 각각 3.9 m와 3.53 m로 나타났다. 토출 유량이 149.84 m³/min일 때, 전양정은 2.86 m로 나타났으며, 전반적으로 토출 유량이 증가함에 따라 전양정은 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 운송해야 할 유체의 양이 많을수록 동일한 회전 속도에서 생성할 수 있는 전양정이 적어지기 때문이다.

직경 1,350 A의 배수용 수중 펌프의 다양한 토출 유량에 따른 펌프 효율을 분석하였다. Fig. 4와 같이, 수중 펌프의 배출 유량이 127.16 m³/min일 때 펌프 효율은 76.29 %로 나타났으며, 토출 유량이 132.55 m³/min일 때 펌프 효율은 75.62 %로 확인되었다. 토출 유량이 138.01 m³/min과 143.36 m³/min일 때 펌프 효율은 각각 76.77 %와 74.87 %로 나타났으며, 토출 유량이 149.84 m³/min일 때 펌프 효율은 73.7 %로 나타났다. 본 연구에서는 다양한 토출 유량에 따른 직경 1,350 A의 수중 펌프에 대한 입력 전력과 종합 효율을 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 배수용 수중 펌프의 토출 유량이 127.16 m³/min일 때 입력 전력은 129.49 kW로 측정되었으며, 토출 유량이 132.55 m³/min일 때 입력 전력은 127.63 kW로 확인되었다.

Fig. 5

Performance test results for input power and overall efficiency of 1,350 A submersible pump

토출 유량이 138.01 m³/min과 143.36 m³/min일 때 입력 전력은 각각 124.99 kW와 120.41 kW로 나타났다. 토출 유량이 149.84 m³/min일 때 입력 전력은 105.68 kW로 나타났으며, 전반적으로 토출 유량이 증가함에 따라 입력 전력은 감소하는 경향을 나타내었다. 그 이유는 유량이 증가함에 따라 전양정은 감소하고 토출 유량과 입력 전력 값은 반비례하기 때문이다. 다양한 배출 유량에 따른 잠수 펌프의 종합 효율을 분석하였다. Fig. 5에서와 같이, 배수용 수중 펌프의 토출 유량이 127.16 m³/min일 때 펌프의 종합 효율은 69.95 %로 나타났으며, 132.55 m³/min에서 종합 효율은 69.32 %였다. 토출 유량이 138.01 m³/min과 143.36 m³/min일 때 펌프의 종합 효율은 각각 70.07 %와 69.77 %로 확인되었다. 토출 유량이 149.84 m³/min 일 때 종합 효율은 66.22 %로 나타났으며, 토출 유량이 증가함에 따라 배수용 수중 펌프의 종합 효율은 감소하는 경향을 나타내었다.

4. 결 론

본 연구에서는 다양한 토출 유량 조건에서 건설기계 특수차량의 배수용 수중 펌프 성능 실험을 수행하였으며, 이에 대한 성능 특성을 확인하였다. 물리적 원인을 분석해 보면 토출 유량이 증가함에 따라 전양정 및 효율이 감소하는 경향은 펌프 내부 유동 손실 증가와 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있었다. 일반적으로 유량이 증가할수록 임펠러 및 배관 내부에서의 유속이 증가하게 되며, 이에 따라 마찰 손실 및 난류 손실이 비선형적으로 증가하게 된다. 특히 Darcy–Weisbach 관계식에 따르면 마찰 손실은 유속의 제곱에 비례하여 증가하게 되므로, 유량 증가에 따른 에너지 손실 증가가 전양정 감소의 주요 원인으로 작용하게 되는 것이다. 또한 시스템 저항 곡선(System curve)이 상향 이동함에 따라 동일한 회전 속도 조건에서 펌프가 생성할 수 있는 유효 양정은 감소하게 되며, 이러한 유체역학적 특성은 원심 펌프의 일반적인 성능 곡선 특성과 일치하는 경향성을 확인할 수 있었다.

각각 실험 결과를 확인해보면, 400 A의 직경을 갖는 수중 펌프의 경우 전양정은 토출 유량이 17.26 m³/min에서 20.55 m³/min로 증가함에 따라 전양정은 5.43 m에서 3.46 m로 약 36.28 % 감소하였으며, 펌프 효율은 83.48 %에서 76.93 %로 약 7.81 % 감소하였다. 토출 유량이 증가함에 따라 입력전력은 21.31 kW에서 17.57 kW로 17.55 % 감소되었으며, 종합 효율은 71.83 %에서 66.22 %로 약 7.81 % 감소함을 확인하였다. 토출 유량의 증가는 전양정을 감소시키고 이에 따라 수중 펌프 모터에서의 소비 전력이 감소되었으며, 결과적으로 펌프 효율 및 종합 효율이 감소되었다. 1,350 A의 직경을 갖는 수중 펌프의 전양정은 토출 유량이 127.16 m³/min에서 149.84 m³/min로 증가함에 따라 전양정은 4.36 m에서 2.86 m로 약 34.4 % 감소하였으며, 펌프 효율은 76.29 %에서 73.7 %로 약 3.39 % 감소하였다. 토출 유량이 증가함에 따라 입력전력은 129.47 kW에서 105.68 kW로 18.37 % 감소되었으며, 종합 효율은 69.95 %에서 66.26 %로 약 5.28 % 감소함을 확인하였다. 배수용 수중 펌프의 토출 유량에 따라 직경 산정이 중요하며, 직경이 증가함에 따라 전체적으로 수중 펌프의 입력전력은 더 많이 소요되었으며, 전양정, 펌프 효율, 종합 효율은 낮게 나타났다.

본 연구 결과로부터 펌프 직경 증가에 따라 입력 전력 요구량은 증가하는 반면 전양정 및 효율은 상대적으로 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 펌프 상사 법칙(Pump Affinity Law)에 따라 펌프 직경이 증가할수록 유량 및 동력 요구량이 비선형적으로 증가하기 때문으로 해석할 수 있다. 따라서 실제 건설기계 특수차량의 배수 시스템 설계 시 요구 유량, 설치 공간, 에너지 소비량 및 운전 조건을 종합적으로 고려하여 적정 펌프 직경을 선정하는 것이 중요하며, 본 연구 결과는 현장 적용을 위한 펌프 용량 및 직경 선정 기준 수립에 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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