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펌프 성능 곡선 완전 해설: Q-H, 효율, NPSH, 시스템 곡선과 운전점

촉촉박사 2025. 9. 28. 23:30

목차



     

    현장에서 펌프를 “감”으로만 돌리기에는 리스크가 큽니다. 성능 곡선을 읽고, 시스템 곡선과 교차하는 운전점을 이해하면, 에너지 효율을 높이고 고장과 캐비테이션을 예방할 수 있습니다.

     

    실무 엔지니어 관점에서 Q-H·효율·축동력·NPSH 곡선을 한 번에 정리하고, VFD·병렬/직렬 운전, 점도/온도 영향, 현장 성능시험 체크리스트까지 담았습니다.

    1) 펌프 성능 곡선의 4종 세트

    ① Q-H 곡선 (유량-전양정)

    보통 유량(Q)이 증가할수록 전양정(H)은 감소하는 하강 곡선입니다. 제작사 곡선도(카탈로그)는 보통 임펠러 구경별로 복수의 Q-H 곡선을 제공합니다.
    전양정 H [m] ≈ (토출 압력 − 흡입 압력)/ρg + 속도수두 차 + 설치고 차

    ② 효율 곡선 (η)

    효율은 Q에 따라 종형(종 모양) 곡선을 그리며, 정점이 BEP(Best Efficiency Point)입니다. BEP 부근 운전은 진동/소음/열화가 최소화됩니다.

    ③ 축동력(BHP) 곡선

    보통 유량이 증가할수록 축동력은 증가합니다. 모터 용량 선정 시 최대 필요 축동력 + 여유(보통 10~15%)를 반영합니다.
    축동력 P [kW] ≈ ρ·g·Q·H / (η_pump · 1000)

    ④ NPSHr (Required) 곡선

    캐비테이션을 회피하기 위해 펌프가 “필요로 하는” 최소 수두입니다. 유량 증가 시 NPSHr도 증가합니다. 현장 실제 가용 수두 NPSHa가 NPSHr보다 충분히 커야 합니다(통상 0.5~1.0 m 이상 여유 권장).

    NPSHa 산정(단위: m):
    NPSHa = (흡입면 절대압/ρg) − (증기압/ρg) − 흡입배관 손실수두 − 흡입면과 펌프 중심고 차이

    2) 시스템 곡선과 운전점(Operating Point)

    공정 배관·밸브·열교환기 등에서 발생하는 마찰 손실수두는 유량의 제곱에 비례합니다. 따라서 시스템 곡선은 보통 H = Hstatic + K·Q² 형태의 포물선입니다. 펌프 Q-H 곡선과 시스템 곡선이 만나는 지점이 실제 운전점입니다.

    간단 예시

    가정 : 정수계 Hstatic=12 m, 마찰계수 K=0.002 (m/(m³/min)²), 펌프 Q-H: H = 35 − 0.08Q² (Q: m³/h로 환산해도 무방, 여기선 m³/min 가정)
    교점 : 35 − 0.08Q² = 12 + 0.002Q² ⇒ 23 = 0.082Q² ⇒ Q ≈ 16.8 m³/min
    운전점 : Q≈16.8, H≈35 − 0.08×(16.8²) ≈ 12.4 m
    → 이 운전점에서 효율(η), 축동력(P), NPSH 여유를 확인해야 안전·경제 운전이 가능.

    3) Affinity Laws(상사법칙)로 간편 예측

    임펠러 직경(D) 또는 회전수(N) 변경 시 대략적 성능 변화를 예측합니다.

    • Q ∝ N·D³ (근사: Q ∝ N, D³는 동일 시리즈가 아닐 때 주의)
    • H ∝ (N·D)² (근사: H ∝ N²)
    • P ∝ (N·D)³ (근사: P ∝ N³)

    VFD(인버터)로 회전수를 60Hz→50Hz로 낮추면, 대략 Q는 0.83배, H는 0.69배, P는 0.58배 수준으로 줄어 에너지 절감 효과가 큽니다.

    4) 점도·온도·SL 특성 영향

    • 점도↑ : 마찰손실↑, 효율↓, BEP 좌측으로 이동·낮은 유량에서 동력↑ 가능 → 선정 시 점도 보정 필수
    • 온도↑ : 유체 밀도↓·증기압↑ → NPSHa 감소, 캐비테이션 위험↑
    • 흡입수두 부족 : 긴 흡입배관·밸브·스트레이너 막힘 → NPSH 여유 상실

    5) 병렬·직렬 운전의 곡선

    구성 곡선 변화 효과 주의점
    병렬 (두 대 나란히) Q 증가(두 곡선 수평 합) 유량 확장에 유리 유량 분담 불균형, 서지·사이클링
    직렬 (두 대 연달아) H 증가(두 곡선 수직 합) 높은 양정 필요 시 유리 NPSH·축동력·배관 허용압 확인

    6) 곡선으로 보는 트러블 슈팅

    증상 : 기대 유량 미달, 진동/소음 증가, 캐비테이션 음
    곡선 판단 : 시스템 곡선이 예상보다 위로 이동(밸브 폐색·이물 막힘) 또는 NPSH 여유 부족
    조치 : 스트레이너·필터 점검, 밸브 개방, 흡입배관 손실 개선, 탱크 액위↑, 유체 온도↓, 임펠러 트리밍·VFD 조정

    7) 현장 성능시험(Shop/Field) 체크리스트

    • 계측: 유량(Q), 토출/흡입 압력(Pd, Ps), 전력/전류, 진동, 온도
    • 성능 환산: H 계산, η·P 산정(모터·기어박스 효율 포함), NPSH 여유 확인
    • 곡선 비교: 제조사 카탈로그 대비 운전점 오차(보통 ±5~10%)
    • 환경: 밸브 개도, 배관 상태, 배출/흡입 탱크 수위 기록
    • 보고: 운전점, 여유, 개선안(VFD, 임펠러 트리밍, 배관개선) 제안

    8) 빠른 선정/검증 미니 가이드

    1. 과업 정의 : 목표 Q, 필요 H(정수두 + 마찰수두), 유체 특성(ρ, μ, T)
    2. 카탈로그 스크리닝 : Q-H 충족, BEP 부근 가능, NPSHr 낮은 모델 우선
    3. 동력/모터 : 최대 운전 조건에서 P 계산 + 여유
    4. 흡입 측 설계 : NPSHa ≥ NPSHr + 여유 (0.5~1 m↑)
    5. 제어 전략 : 밸브 스로틀 vs VFD — LCC 관점으로 결정
    팁 : BEP의 ±10% 유량 구간을 “안락 구간”으로 잡으면 소음·진동·베어링/씰 수명이 유리합니다.

    부록) 용어 요약

    용어 의미 실무 포인트
    Q-H 곡선 유량 대비 전양정 시스템 곡선과 교점=운전점
    BEP 최고 효율점 BEP 부근 운전 권장
    NPSHr 펌프 필요 흡입수두 NPSHa > NPSHr + 여유
    P(BHP) 축이 소모하는 동력 모터 용량 선정의 기준
    Affinity 상사법칙 VFD·임펠러 트리밍 예측

     

    ※ 본 글은 현장 엔지니어 해설 관점의 교육용 자료입니다. 실제 설계/선정 시에는 제조사 성능곡선, 유체 물성, 배관 상세, 안전 기준을 종합 검토하세요.