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Process & Operability Review Report

기술사사무소차스텍이앤씨㈜ 1

첨부#4

기술사사무소차스텍이앤씨㈜ PUMP HEAD CALCULATION PEFG-1002

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1. 개 요

본 설계 지침서는 펌프의 Hydraulic 계산 방법에 대해 기술한다.

2. 업무 분장

시스템 프로세스 엔지니어는 모든 펌프에 대한 Hydraulic 계산을 수행한다.

3. 설계 범위 및 기준

펌프 Hydraulic 계산 내역에 포함할 사항을 아래에 기술한다.

- 펌프를 포함한 배관 시스템 스케치

- 유체의 물성치 수집 및 결정

- 펌프의 Normal 과 Rating 상태의 토출압 계산

- 펌프의 Rating 상태에서 NPSH 계산

- Centrifugal 펌프 경우에 펌프 운전 곡선 예측

- 펌프 Driver 시방 결정

4. 계산 방법

통상의 펌프 계산은 펌프 계산 양식을 사용하여 단계별로 계산한다. 그러나 최근에 컴퓨터

소프트-웨어의 발달로 수계산의 번거로움을 피하고 편리하고 정확하게 계산할 수 있도록

Spread-sheet soft-ware 사용을 추천한다.

4.1 유량 (Flow)

4.1.1 유량 (Flow)

- 정상유량 (Normal flow)

공정이 정상 운전되는 상태의 유량으로서 물질 수지에 기록된 유량이다.

- 설계유량 (Rated flow)

공정이 요구하는 최대 (MAX) 유량으로서 이에 대한 특별한 데이터가 없을 경우 아래

사항을 참조한다.




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정상유량에 대한 설계유량의 마진

펌프 설치 목적 유량제어 방식 액위 또는 온도 제어 방식

단위공정에 대한 Feed 펌프 5 10

단위공정의 Product 펌프 10 15

2 차 가압 펌프의 공급 펌프 10 15

탑정 환류 15 20

Pump around 환류 20 20

리보일러 공급 펌프 15 20

보일러 공급 펌프 ------ 10*

간헐적으로 운전하는 펌프 0 0

Chemical Injection 20 - -----

Surface Condenser 의 응축수 펌프 ------ 10**

* 보일러 설계 용량에 대한 마진임

** Surface Condenser 설계 용량에 대한 마진임

4.1.2 밀도 (Density)

물질 수지에 기록된 정상 운전 상태에서 펌프의 입구측 배관 및 토출측 배관의 밀도로서

Hydraulic Head 결정시 사용된다.

즉 h1 x ρ △P : psi

△P = h1 : ft

144 ρ : lb/ft3

또는 h1 x ρ △P : Bar

△P = h1 : Meter

10200 ρ : kg/m3

4.1.3 도달 압력 (Destination Pressure)

도달 압력은 통상 유체가 펌프를 통해 공급되는 용기 또는 탱크의 최고 운전 압력 (설계

압력은 아님) 으로서 통상 Normal 과 Rating 이 서로 같다.




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4.1.4 배관 손실 (Line Loss)

배관, Fitting, 밸브 등의 압력 손실로서 펌프 계산 이전에 결정한다.

통상 Normal 유량으로 압력 손실을 계산하여 Rating 유량에서 압력 손실은

Rating flow 2

Rating △P = Normal △P x [ ] 이다.

Normal flow

4.1.5 유량계 압력 손실 (Meter Loss)

설계 단계에서 Orifice 유량계에 대한 압력 손실은 통상 3.6 PSI (2500 mm Water)이며

이중 약 60%가 회수된다. 따라서 영구적인 손실은 3.6 PSI x 0.4 = 1.44 PSI (1000 mm

Water)이나 최초 펌프 산정 시에는 유량계 압력 손실은 2 PSI (0.14 BAR)로 한다.

유량의 변화에 따라 Orifice 의 압력 손실은

Rated flow 2

Rating △P = Normal △P x [ ] 이다.

Normal flow

(단 Reynold Number > 10,000)

4.1.6 열교환기 압력 손실 (Exchanger Loss)

Normal 유량에서 압력 손실을 적용하여 유량 변화에 따른 압력 손실은

Rated flow 2

Rating △P = Normal △P x [ ] 을 적용한다.

Normal flow

4.1.7 제어밸브 압력 손실 (Control Vavle Pressure Drop)

- Normal 유량에서 Control Vavle 압력 손실은 다음과 같다.

Rated flow x 1.03

△Pcv.n = 0.05 x Pdischarge + 1.1 ] 2 - 1

Normal flow

x △Pfriction + △Pcv.Full-open

Pfriction : 펌프 출구측 압력

△Pfriction : 배관 및 열 교환기, 장치의 Normal flow 에서 압력 손실

△Pcv.Full-open : 제어 밸브의 Full-open 시 압력 손실




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△Pcv.Full-open

Type PSI

Single plug 11

Double plug 7

Cage valve 4

Butterfly 0.2

V-ball 1

위에서 계산된 압력 손실이 15 PSI (1 BAR) 보다 적을 경우 15 PSI (1 BAR)를

적용한다.

△Pcv = 15 PSI (1 BAR)

Rated 유량에서 Control Valve 압력 손실은 최대 설계 유량에서도 Control 이

유지되도록 결정하여야 한다.

Rated 유량의 1.03 배에서 Valve 가 Full open 되는 것을 기준으로 하여

(1.032-1) x △Prated friction = 0.06 x △Prated friction

Rated flow

△PR.f = △Pn x ( ) 2 이므로

Normal flow

Rated flow

△Pcv.r = 0.06 x △Pn ( ) 2 + △Pfull open + 0.05 x Pdischarge

Normal flow

4.1.8 펌프 토출 압력 (Discharge pressure)

펌프의 토출 압력은 도달 압력 (Destination pressure), 배관 손실 (Line loss), 유량계

압력 손실 (Meter loss), 열교환기 압력 손실 (Exchanger loss), 제어밸브 차압 (Control

valve △P) 및 기타 손실 (Other loss)의 합계이다.

펌프 토출 압력은 정상 유량 (Normal flow)에 의해 결정하며 이 토출 압력에서 입구압력을

감하여 차압을 얻게 된다.

이 정상 유량과 차압 (또는 Head)에 일치하는 Pump 의 표준 Curve 를 작도하여 설계

유량 (Rated flow) 및 설계 차압을 이 Curve 가 만족하면 설계는 완료되는 것으로 한다.




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5. SPREADSHEET PUMP CIRCUIT CALCULATION

원심펌프 계통의 연결 배관 및 장치의 마찰손실, 각종 유량제어 장치의 동작 및 펌프의 NPSH 가

상호 영향을 미치는 계통으로서 통상 여러 회를 계산해야 하는 번거로움이 있다.

이러한 일련의 계산과 분석을 신속, 정확히 수행하기 위해 LOTUS 를 이용한 Spread-Sheet 를

사용한다.

Spread-Sheet 의 이점은

- 펌프 흡입 및 토출측의 정상 유량 시 배관의 Hydraulic 계산을 프로그램에 의해 수행하여 유속,

Reynolds Number, 압력손실, 속도두 등을 출력하여 준다.

- 정상유량 (Normal Flow)에 의한 배관 및 장치의 압력 손실을 기본으로 하여 설계유량 (Rated

Flow)에 대한 배관 및 장치의 압력 손실을 프로그램에 의해 계산하여 준다.

- 정상유량 및 설계유량에서 도달 압력 (Destination Pressure) 및 부과수두 (Elevation)와

압력손실을 각각 집계하여 정상유량 및 설계유량에서 제어 밸브의 최소 압력 손실을

프로그램에 의해 계산하여 준다.

- 펌프 토출압, NPSH, Hydraulic Power 를 프로그램에 의해 계산하여 준다.

이러한 일련의 계산 과정은 여러가지 입력 자료가 바뀔 때마다 자동적으로 전체계산을

수행하므로 반복하여 분석하기가 매우 용이하다.




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5.1 적용범위 및 제한점

이 Spread Sheet 를 사용 전에 사용 지침서에 대한 충분한 이해가 선행되므로 아래와 같은

제한점은 쉽게 이해될 것이다.

- 이 Spread Sheet 는 펌프 토출측에 상변화가 일어나지 않는 액상에 적용된다.

토출측에 열교환기나 기화기, 팽창밸브에 의한 기화가 일어나는 경우에는 정상 및 설계

유량시의 압력 손실을 각각 계산하여 입력하여야 한다.

- 이 Spread Sheet 는 Turbulent Flow 로서 충분히 전개된 유체에 적용된다. 만일 정상

유량과 설계유량의 마찰계수 (Friction Factor) 차가 클 경우 다음 등식은 성립되지

않는다.

Q1

△P2 = △P1 x ( ) 2

Q2

- 정상 조건과 설계 조건은 유량만 차이가 있는 것으로 간주한다.

만일 밀도, 점도가 상호 차이가 클 때는 이에 대한 보완이 필요하다.

5.2 SPREAD SHEET 사용설명

본 Spread Sheet 는 배관 Hydraulic 계산, 배관 Hydraulic 계산 보조 데이타, 펌프 계산,

제어 밸브 △P 계산 보조 데이타로 구성되어 있다.

각각의 Spread Sheet 배열표는 다음과 같다.




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Spread - Sheet 배열표

L21 AB21

배관 Hydraulic 계산

보조 데이타

L64 AB64

L82 W82

제어 밸브 △P 계산

보조 데이타

L101 W101

A13 K13

배관 Hydraulic 계산

A64 K64

A74 K74

펌 프 계 산

A131 K131

5.2.1 배관 Hydraulic 계산 용지 (HYDRAULIC CALCULATION)

이 용지는 배관의 압력 손실을 계산하기 위해 작성되었다.

배관 압력 손실은 펌프의 입구측과 출구측의 배관 관경별로 계산할 수 있도록 4 개의

칸으로 구분되었다.

입력 자료는 Star Mark (*)로 표시되었으며 출력자료는 Box 로 표시되었다.

입력 자료 : 정상유량

밀도

점도




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배관 관경

각종 밸브, 엘보우 등 배관장치의 갯수

배관의 길이

출력 자료 : 유속

레이놀즈 넘버

마찰 계수

단위 압력 손실 (Bar/100 Meter)

속도두

배관 장치의 갯수에 따른 상당길이

배관의 압력 손실

Corrected P.drop 은 배관의 압력 손실 (Piping P.drop)을 점검하여 사용자가 필요

Margin 을 넣어 입력 시킨다. 여기서 사용된 마찰 계수 계산식은 “Chen” Equation 을

적용하였다.

5.2.2 배관 Hydraulic 계산 보조 데이타

이 용지는 배관 Hydraulic 계산에 필요한 상당길이 계산을 출력 시키기 위해

작성되었으므로 입력 데이타는 없다.

상당 길이 계산표는 “배관 Hydraulic 계산용지”에 입력된 배관 장치 및 갯수에 따른

각각의 상당 길이와 총 상당 길이를 테이블로 출력하여 준다.

Pipe Roughness 표에는 배관 재질에 따른 Roughness 를 제시하였으며 프로그램에 사용된

식은 탄소강에 대한 ε = 0.0018 inch 를 기 적용 하였다.

만일 다른 종류의 재질에 대한 계산이 요구될 때는 본 Hydraulic 계산 용지의 마찰 계수

계산항 (f)의 “Chen” 식을 해당 Roughness 로 수정해야 한다.

기타 단위환산, Piping Data 는 본 프로그램의 사용에 편의를 주기위해 정리되었다.

5.2.3 펌프 계산 (PUMP CALCULATION SHEET)

펌프 계산 용지는 양정 및 NPSH 를 결정하기 위해 작성 되었다.

입력 자료는 Star Mark (*)로 표시되었으며 출력 자료는 Box 로 표시되었다.

입력 자료 (1) :

- 정상 유량

- 최대 유량

- 토출측 배관의 밀도 (운전 온도에서)

- 입구측 배관의 밀도 (운전 온도에서)

** 펌프 토출측 배관에 열교환기가 연결되어 유체의 밀도가 변하는

경우가 있다. 이 경우 평균 밀도를 적용하거나 큰 값을 적용한다.

입력 자료 (2) :




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- 도달 압력 (Destination Pressure)

이송되는 용기 또는 탱크의 최고 운전 압력

- 수두 (Static head)

펌프 토출구 센터로부터 도달 용기의 최고 수위

(Maximum Liquid Level)의 차

- 토출배관의 압력 손실

정상 유량에 대한 토출 배관의 압력 손실

- 열교환기, Orifice Meter 및 기타 압력 손실

정상 유량에 대한 압력 손실

- 제어 밸브 압력 손실

정상 유량 및 최대 유량에 대한 제어 밸브 압력 손실이다.

이 압력 손실은 4.1.7 항에 기술한 압력 손실로서 토출압, 배관 압력

손실, 제어변 완전 open 시 압력손실, 최대 유량등에 결정되어지므로

이 프로그램에서는 control valve min. △P 를 4.1.7 항에 제시한

수식에 의해 계산한다.

따라서 정상 유량 및 최대 유량에서 제어 밸브의 압력 손실은

프로그램에 의해 출력된 값과 같거나 큰 값을 입력하여야 한다.

이는 2~3 회의 시행 오차를 필요로 한다.

- 제어 밸브 Full open 압력 손실

최대 유량에서 제어 밸브의 Full-open 시 압력 손실로서 제어 밸브의

종류에 따라 다르다. 기준값은 제어 밸브 △P 계산 보조 데이터

Spread Sheet 에 제시 되어 있다.

출력 자료 (2) : 펌프 토출 측 자료로서

- 최대 유량에 대한 배관, 열교환기, Orifice Meter 및 기타 압력손실.

입력된 정상 유량의 압력 손실 데이타에 의해 최대 유량에서의 압력

손실을 계산, 출력한다.

최대유량 2

즉 최대 유량에서 △P = 정상 유량에서 △P x ( )

정상유량

- 제어밸브의 최소요구 압력 손실 (Control Valve min Delta P.)

입력 자료에 의해 정상 유량 및 최대 유량에서 요구되는 제어 밸브의

최소 압력 손실을 4.1.7 항에 기술한 수식에 의해 계산하여 출력한다.

- 펌프 토출압력 (Discharge Pressure)

펌프 토출 노즐에 필요한 압력을 정상유량 및 최대 유량에 대해 각각

집계하여 출력한다.




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입력 자료 (3) : 펌프 흡입 측 자료로서

- 공급 압력 (Source Pressure)

펌프에 공급되는 유체를 저장하는 용기나 탱크의 최저 운전 압력

(게이지 압)

- 수두 (Static Head)

펌프 흡입구 센터로부터 공급 용기의 최저 수위

(Minimum Liquid Level)의 차

- 흡입 배관의 압력 손실

정상 유량에 대한 흡입 배관의 압력 손실

- Strainer 및 기타 압력 손실

정상 유량에 대한 흡입측 장치의 압력 손실

출력 자료 (3) : 펌프 흡입 측 자료로서

- 최대 유량에 대한 배관, Strainer 및 기타 압력 손실, 입력된 정상

유량의 압력 손실 데이타에 의해 최대 유량에서의 압력 손실을 계산,

출력한다.

최대유량 2

즉, 최대 유량에서 △P = 정상 유량에서 △P x ( )

정상유량

- 펌프 입구 압력 (Suction Pressure)

펌프 흡입노즐에 걸리는 압력을 정상 유량 및 최대 유량에 대해 각각


입력 자료 (4) : 펌프 NPSH 계산 자료로서

- 펌프에 공급되는 유체의 증기압 (Vapor Pressure)

펌프 NPSH 계산을 위한 유체의 증기압을 입력한다.

출력 자료 (4) : 펌프 NPSH 계산자료로서 정상 및 최대 유량 각각에 대해

- 공급 압력 (Source Pressure)

기 입력된 흡입측의 용기나 탱크의 최저 운전 압력을 절대압으로

변환, 출력한다.

- 수두 (Static Head)

기 입력된 펌프 흡입측 수두를 압력 단위로 환산, 출력한다.

- 흡입측 배관 및 장치 압력 손실 (Suction Losses)

기 입력된 펌프 흡입측 배관, Strainer 및 기타 장치의 압력을





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- 소계 (Sub-total)

소계는 NPSH 를 압력 단위로 집계한 것으로서

Sub-total = Source Pressure - Vapor Pressure +

Static head Pressure - Suction Losses 를 출력한다.

- NPSH Calculated

소계로 구한 NPSH 를 수두 (Hot-Liquid)로 환산하여 출력한다.

입력 자료 (5) : 펌프 시방 작성에 대한 자료로서

- NPSH available

출력된 NPSH Calculated 값에 Margin 을 감하여 NPSH available 을

입력한다.

출력 자료 (5) : 펌프 시방 작성에 대한 자료로서

- 펌프 차압 (Pump diff. press.)

- 펌프 수두 (Pump diff. head)

펌프 차압을 수두 (Hot-Liquid)로 환산하여 출력한다.

- hydraulic Power

펌프의 효율이 적용되지 않은 동력을 출력한다.

Hydraulic Power

즉 BHP = 이다.

eff.

5.2.4 제어밸브 △P 계산 보조 데이타

이 용지는 제어밸브의 △P 계산을 위한 각종 자료가 제시되었고 추가로 제어 밸브의

Cavitation 을 방지하기 위한 최대 허용 압력 강하를 계산하여 준다.

- 최대유량과 정상유량의 제공 비

배관, 장치 및 제어 밸브의 최대 유량에서 압력 손실을 계산하기 위한 인자로서

Max. flow 2

( ) 값을 출력한다.

Nor. flow

- 제어 밸브가 완전히 열렸을 때의 압력 손실 (CV full open P. drop)

제어 밸브가 완전히 열렸을 때의 압력 손실은 유량에 따라 다르나 통상 설계 목적으로

적용하는 압력 손실을 밸브의 종류에 따라 열거하였다. 이는 설계에 해당되는 값을

선정하여 Pump Calculation sheet 에 입력시키기 위함이다.




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- Km, 제어밸브 압력손실 회복인자 (CV recovery coeff.)

제어밸브의 cavitation 방지를 위한 최대 허용 압력 계산을 위한 Km

(CV recovery coeff.)을 밸브 종류에 따라 열거하였다. 이는 설계에 해당되는 값을

선정하여 입력시키기 위함이다.

- 제어 밸브내에서 기화 방지를 위한 최대 허용 압력 손실

(CV max. allow. P. drop for non-flushing)

원심 펌프에서 유량은 성능곡선에 따라 변화하고 이를 조절하는 기기는 제어 밸브로서

유량이 최소일 때 제어변에서 압력 손실은 최대이다. 따라서 최소 유량 (Min flow)에서

요구되는 제어 밸브의 압력 손실이 다음식에 의해 구한 최대허용 압력손실보다 클 때는

유체 일부의 기화로 인한 제어 밸브의 Cavitation 이 예견된다.

△Pallow = Km (Pinlet - Rc X Pv)

Pv 0.5

Rc = 0.96 - 0.28 ( )

Pc

여기서 Km : Valve recovery coefficient

Pv : 제어밸브에 들어가는 유체의 증기압 (절대압)

Pc : 유체의 임계 압력, (절대압)

Rc : 임계압에 대한 증기압 비인자

Pinlet : 제어 밸브에 들어가는 유체의 압력 (절대압)

본 프로그램에서는 Pinlet, Pc, Pv 및 Km 을 입력하면 Rc 및 △Pallow (Max. allowP

drop)을 상기식에 의해 계산, 출력 하여준다.

5.3 기타

5.3.1 Spread Sheet 의 사용단위

본 Spread Sheet 는 사용단위에 따라 KMS 와 Engineering (Ft-Lb-PSI) 단위계로 각각 작성

되었다.

5.3.2 Spread Sheet Sample

별지 참조




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