소화펌프의기동, 정지압력설정에관한고찰 소방기술사 여용주 소방기술인들이가장많이오해하고또는어려워하고있는부분이펌프의기동, 정지압력의설정에관한것이아닌가생각된다. 실상은아주단순하게생각하면간단한것이압력의설정방법인데도불구하고, 제대로개념이정립되지않아실무자들마다제각기고유의방법(?) 으로실무에적용하고있는것을많이볼수있다. 가장커다란문제점은주펌프의정지점을펌프의전양정에맞춤으로서발생하는펌프의기동과정지의반복적인현상에대해당연히정상적인현상으로받아들이고있다는데기인한다. 어떤경우에는 MCC의마그네틱콘덕터가손상되어펌프가정지해버리는현상도겪은적이있다. 만일실제화재시에그러한현상이발생하였다고생각하면생사에기로에선한사람을죽음으로몰아넣을수도있는중대한문제가될수도있을것이다. 소화펌프의기동과정지압력의설정은그러한의미에서매우중요한작업이기도하다. 국내에서관행처럼행해오던자동기동그리고자동정지의방법측면에서우선은고정관념을탈피해야할것이다. 가장확실한것은주펌프의정지를수동으로만하는것이가장좋은대안이될것이다. 그러나유지, 관리를의심할수밖에없는국내의현실을고려한다면어떤이유로주펌프가기동하였을경우기동된것조차모르고몇일이지나는경우도충분히생길수있는현실에서펌프의정지점을자동으로설정하는것도좋은대안이될수도있을것이다. 그러나혹그러한일이발생하였다할지라도순환릴리프밸브만제대로설치, 조정해두었다면소화펌프의손상이나고장은발생하지않을것이다. 어쨌거나, 현재의소화펌프압력설정방법의문제점을파악하고압력설정방법에대해자세히알아보도록한다. 주펌프의기동은무었을뜻하는가? 실제화재시능력을수행하는소화주펌프는평상시에는항상최상의성능을발휘할수있도록유지, 관리되어야하는것에대해아마누구도이의를제기하지는않을것이다. 그러나화재발생시에는펌프가망가질때까지지속적인운전을보장받을수있어야함은더욱중요한것이다. 주펌프는평소시운전을제외하고실제화재시이외는절대로운전될수가없는것이다. 주펌프의운전점은충압펌프의운전점보다낮기때문에주펌프가기동할려고하는압력이채떨어지기전에충압펌프가기동되어배관내의압력을상승시켜버리기때문이다. 이러한것은누구도다알고있는사 -1-
실인데도불구하고주펌프를굳이자동정지시키기위해서정지점을설정하고있는것이다. 그런데더욱아이러니한것은정지점을제대로설정하지못해서, 차라리정지점을설정하지않는것보다못한시스템을만들어가고있는것이더큰문제가아닐수없다. 그렇다면, 주펌프의정지점을포함하여전반적인압력설정방법에대해하나하나알아보도록하자. 소화주펌프의정지점설정 화재초기에예상할수있는시스템의최소유량이흐를경우를가정하고, 이때의최소유량이흐를경우에도기동된주펌프는정지되지않도록정지점을설정하여야한다. 예상할수있는시스템의최소유량은가장말단의스프링클러헤드의 1개개방의경우이며소화전설비의경우에는가장말단의소화전하나를개방방수하였을경우에해당된다. [ 그림1] 소화펌프의운전곡선과부하별운전점 그림1에서 y 축은펌프의토출측압력을나타내며, 토출압력 P 가정격양정( 전양정) 을압력으로환산 한값을나타낸다. x 축은유량을나타내며, 정격양정 P점에서의정격유량은 2000 LPM 이다. 흡입수 -2-
두를 0 으로가정한경우이며, 정확하게하기위해서는흡입수두와측정지점의오차를고려하여야하나거의미미한정도이므로현장에서는펌프의출구압력을직접양정으로환산하여계산하여도무방하리라생각한다. 위의그래프에서, 유량이적을수록펌프의토출압력이올라가는것을알수있다. 그것은원심펌프의운전특성에기인하는것으로, 반대로유량이증가할수록토출압력은점점떨어지게된다. 지나치게많은유량이송수될경우에는부하전류의증가로모터가손상되거나개폐기가차단되어펌프의운전이정지될수도있으므로, 펌프의운전은정격점이상에서상시운전이될수있도록하는것이중요하다. 그림1 에서, 시스템의최소유량시펌프의토출압력은 P3 를나타내고있다. 이것은펌프의정지점이 P3 이하로설정해서는안된다는의미를가진다. 만일 P3보다낮은값을설정할경우에는펌프는지속적으로운전되지못하고정지할것이때문이다. 그렇다면 P3 값을어떻게찾아내는것이중요한문제가될것이다. 이는이론적으로정확하게정할수없는어려운문제이다. 왜냐하면, 추후설치될소화펌프의정확한운전특성에대한정보를알수없고소화배관이실제현장에시공된후의여러가지변화될수있는변수에대한정확한자료를알수가없기때문이다. 그러나대략적으로근사값은추정할수있으며, 그것을근거로이후논의될압력스위치의규격에대해설계도서에명시할수있어야하기때문이다. 결론은주펌프의정지점설정은현장에서적절한값을찾아서설정해야하는것이다. 이론적으로그림의그래프를보면서정지점설정에대해알아보자 1. [ 그림2] 소화주펌프의정지점설정범위 우선은펌프의체절운전을방지하기위해설치하는릴리프밸브로부터의방출유량이있다. 시스템으로부터의유출이없을경우에펌프를운전하면, 릴리프밸브로의유량의누출이발생하고이것이펌프의토출압력을약간떨어뜨리게되는데이때의운전점이 P2 가된다. 펌프의특성에따라달라지겠으나경험치로서는대략체절압력보다 0.5 Kg/cm 2 정도낮아지는것을확인했다. 그리고시스템의최소유량은최상층의스프링클러시험밸브함을열거나, 옥내소화전을 1 개개방하여측정할수있다. 10층건물의최상층의최말단소화전을개방하여시험한결과 P2점보다약 0.5 Kf/cm 2 정도낮아지는 것을확인했다. 따라서, 주펌프의정지점은 P2와 P3값사이에서결정되어야최소유량시펌프가지 -3-
속적으로운전될수있다. 만일시운전의경우에최상층시험밸브함을개방하여유수시험시펌프의기동을확인하고시험밸브함을잠그었을경우에는소화펌프가정지되는것을확인할수있을것이다. 예를들어펌프의정격양정이 72m 이고정격유량이 2000 LPM 이며, 체절압력이 10 kg/cm 2, 릴리프밸브작동시운전압력이 9.5 kg/cm 2, 최소소요유량시운전압력이 9.0 kg/cm 2 일경우의, 펌프의정지점P( 정지) 는 9.0 kg/cm 2 < P( 정지) < 9.5 kg/cm 2 의범위에설정되어야한다. 소화주펌프의기동점, 충압펌프의기동및정지점설정 주펌프의기동점설정은시스템의최소소요압력이하로떨어지기전에기동되어야한다. 예를들어스프링클러의경우헤드가개방되었을경우헤드의방수압력이기준방수압인 1 kg/cm 2 이하로떨어지기전에주펌프가기동되어야하며, 마찬가지로소화전의경우기준방수압인 1.7 kg/cm 2 이하로떨어지기전에기동되도록설정되어야한다. 그림3 에서, 실양정 H를자연낙차압력으로환산한 H/10 kg/cm 2 에스프링클러의경우방수압1kg/cm 2, 소화전의경우방수압 1.7 kg/cm 2 를더한압력에서주펌프을기동시키면시스템의소요방사압을만족할것이나, 기동시간과압력도달시간의지연을고려하여상기계산한값에 0.5 kg/cm 2 을더한값으로기동점을정하는것이보다합리적인방법이될것이다. [ 그림3] 소화설비의실양정 -4-
예를들어,H가 35m 일경우, 스프링클러주펌프의기동점은 3.5+1+0.5=5kg/cm 2 이되며, 소화전주펌프의기동점은 3.5 + 1.7 + 0.5 = 5.7 kg/cm 2 6.0 kg/cm 2 이된다. 겸용일경우에는압력이높은소화전을기준으로하면될것이다. 충압펌프의기동점은주펌프의기동점보다는높아야평상시주펌프가운전되는일이없을것이다. 따라서일반적으로 0.5 kg/cm 2 ~ 1.0 kg/cm 2 이상높게설정하며, 충압펌프의정지점은충압펌프의기동점보다 1~2 이상높은값을설정하면된다. 기동점과정지점과의간격을너무작게할경우에는펌프의잦은기동을유발할수있으며, 또너무크게설정할경우에는배관의상시압력을너무높임으로서시스템의유지, 관리측면에서바람직하지못한결과를초래할수있다. 정리하면, 스프링클러및소화전겸용의경우충압펌프의기동점은 6.0kg/cm 2 + 0.5kg/cm 2 = 6.5kg/cm 2, 정지점은 6.5kg/cm 2 + 1kg/cm 2 = 7.5 kg/cm 2 이된다. 여기에서, 충압펌프의정격양정은충압펌프의기동점인 65 m 로설정하면적절할것이다. 표은설정값을나타낸것이다 1. [ 표1] 소화펌프및충압펌프의기동정지압력설정값예, 최종정리하여보면다음과같다. 1) 주펌프의기동점 = 자연낙차 + (1 or 1.7) + 0.5 kg/cm 2 2) 주펌프의정지점 = 시스템최소소요유량운전점 ~ 릴리프밸브개방운전점사이 kg/cm 2 3) 충압펌프기동점 = 주펌프의기동점 + 0.5 kg/cm 2-5-
4) 충압펌프정지점 = 충압펌프기동점 + 1.0 kg/cm 2 NFPA 20 규정에의한펌프의압력스위치설정법 참고로 1) NFPA 20 규정에는펌프의기동, 정지에대한압력스위치의설정방법이다음과같이기술되어있다. 1) 충압펌프의정지점은주펌프의체절압력에 2) 최소급수정압을더한것과같다. 2) 충압펌프의기동점은충압펌프의정지점보다적어도 10 psi (0.7 kg/cm 2 ) 낮아야한다. 3) 주펌프의기동점은충압펌프기동점보다 5 psi (0.4 kg/cm 2 ) 낮아야한다. 4) 최소가동시간이정해진경우에는주펌프의정지압력에도달하여도죄소가동시간내에는펌프가정지되어서는안되며, 다만최대압력이배관부속류의 3) 허용압력이초과되지않도록하여야한다. 예 ) 체절압력이 8.2 kg/cm 2, 정격압력이 7 kg/cm 2 의주펌프의경우, 1) 충압펌프의정지 = 8.2 kg/cm 2 2) 충압펌프의기동 = 8.2-0.7 = 7.5 kg/cm 2 3) 주펌프의정지 = 8.2 kg/cm 2 4) 주펌프의기동 = 7.5-0.4 = 7.1 kg/cm 2 NFPA 에서제시하는압력스위치설정방법은상당히보수적이라고할수있다. 특징적으로는상시배관의충압압력을주펌프의체절압력까지가압하므로서, 헤드나소화전의개방시압력드롭 (Pressure Drop) 의시간을빨리하여, 펌프가즉각기동될수있도록한것이특징이아닌가생각된다. 병렬연결펌프에서의기동. 정지압력설정방법 우선은병렬연결은바람직하지않다는견해를가지고있다. 더높은신뢰성을요구하기때문이다. 그이유는시스템의구성이복잡해지고 1) NFPA 20 - Standard for Installation of Statuionary Pumps for Fire Protection 1999 Edition, A-11-2.6 (d) 2) 최소급수정압이란펌프에흡입되는급수압력을말하는것으로서, 상수도배관을흡입측에직결하는경우에는고려가되어야하나, 국내에서는드물기때문에최소급수정압을고려하지않아도된다. 3) 배관부속류가최대한견딜수있는사용압력이며, 보통 10K 또는 20K 등으로표시되어있다. -6-
[ 그림4] 단독기동과병렬기동시소요곡선과의비교예 만일용량을절반씩나누어병렬시스템으로구성하였을경우에는화재시 2기가동시에운전되도록구성하는방안이가장최선이며, 다만동시에기동하되약간의시간적지연을주는것이좋겠다. [ 표2] 병렬기동시 No.1,2 소화펌프및충압펌프의기동, 정지압력설정값예 -7-
그리고용량의분배에따른압력스위치의별도설정방법이있을것이다. 예를들어 1번주펌프기동후유량이부족할경우에 2 번주펌프를운전하도록하는방법이다. 흔히 2번펌프의기동점을 1번펌프의기동점보다약 0.5 kg/cm2 이하로설정하는경우가많은데, 이러한방법은예비펌프를기동하기위한압력설정방법을잘못이해하고적용하고있는결과인것이다. 예비펌프와용량을절반으로나눈 2 번펌프의관계는전혀다른개념임을알아야할것이다. 결론적으로, 병렬로구성되어있을경우의압력설정은간단하다. 정지점은앞에서설명한방법대로 1번과 2 번이모두같도록하고, 2번펌프의기동점은 1 번펌프의정격토출압력으로설정하면된다. 여기서문제는 2번펌프의기동점이 1번펌프의기동점보다높기때문에반드시제어반에서 1번펌프가기동되어야만 2번펌프의제어회로가 Stand-By 되도록시퀀스를구성해야하는전제가있어야한다. 그림4는유량 1500 LPM, 양정 50 M의펌프의유량을절반으로나누어병렬로연결하여설계한예를들고있다. 그림4에서 A 점은단독기동시정격점이며, B점은시스템의설계부하를 2번이기동되지않은채 1번펌프만운전할경우의운전점이며,C점은절반부하시스템소요곡선에서 2번펌프가운전된후병렬운전시의운전점을나타낸것이다. 그림에서처럼 2번펌프의운전점은 1번펌프의정격점이하로내려오기전에운전이될수있도록하여야부하증가에따른압력과유량의부족을막을수있다. 표에서병렬펌프기동방식에대해추가해서표현하면표와같이표현할수있다 1 2. 제시기준과 NFPA 기준의기동, 정지압력설정범위비교 [ 그림5] 기동, 정지압력설정의제시기준과 NFPA 기준과의비교그림 -8-
그림5 의비교그림에서확연히드러나듯이, NFPA 기준이굉장히보수적인방법을취하고있다. NFPA 의설정기준은압력감소후주펌프가기동할수있는시간을확실히줄여준다. 또한평상시가압하는압력이, 다소높을정도의압력으로가압하고있으며, 주펌프의정지점을체절압력으로설정하므로서, 자동정지의의미가사실상없는것이나마찬가지의결과를내포하고있는것이특징이다. 압력스위치의규격 위의결과를압력스위치를조작하여설정을함으로서마무리가된다. 따라서, 압력스위치에서위의결과값이설정가능해야만계획한대로펌프의운전이가능해질것이다. 문제는여기에있는데, 현재국내에서생산되는압력챔버에미리부착되어나오는압력스위치의규격이압력챔버의규격이 10K 용의경우조절가능한압력스위치의 Diff' 가최대 3 kg/cm 2 이며, 20K용의경우는최대 5 kg/cm 2 까지가능하다. 위의예에서압력챔버의규격은아마도 10K 를선정하였을것인데, 주펌프에서설정해야할 Diff' 가 3.3 Kg/cm 2 이므로설정이불가능하게된다. 이럴경우주펌프의기동, 정지의설정이어렵게되기때문에압력스위치를교체하여야하는결과를초래하게된다. 이는국내의압력챔버의형식승인시압력스위치의규격에대해별도로규정하지않은결과이며소화시스템에대한이해와개념의부족이그원인으로생각된다. 결국은별도의압력스위치로교체하거나아니면압력릴리프밸브를설치하여토출배관내정격양정이상의압력상승이없도록하는방법이있으나, 압력릴리프밸브는설비부속의허용압력을초과할경우에사용하는장치로서, 이는적절한방법이아니다. 따라서, 압력스위치에대한규격이압력챔버의형식승인시추가되거나, 아니면압력스위치는별도의형식승인대상으로분류되어야할것이다. 현행법에서압력스위치를교체하는것은위법이되는것이지만그렇다고시스템을비정상적으로설계할수는없는노릇이다. 상기결과에서주펌프와충압펌프의압력스위치의규격은다음과같이설계도서에표기되어야한다. [ 표3] 압력스위치의여러가지규격례 -9-
< 주펌프용압력스위치 > 허용내압 15 kg/cm 2 이상, 조정범위최소 10 kkg/cm 2, 개폐압력차범위 1 kg/cm 2 ~ 5 kg/cm 2 < 충압펌프용압력스위치 > 허용내압 15 kg/cm 2 이상, 조정범위최소 8 kg/cm 2, 개폐압력차범위 1 kg/cm 2 ~ 3 kg/cm 2 표3은 H 사의압력스위치의여러가지규격에대한것으로, 다양한범위의압력스위치가생산되는것을알수있다. -10-