서징(Surging)의 원인과 해결 방안: 펌프 및 압축기의 안정적 운전 방법

 

서징(Surging)의 원인과 해결 방안: 펌프 및 압축기의 안정적 운전 방법

 

1. 서징(Surging)이란?

서징(Surging)은 펌프나 압축기가 불안정한 영역에서 운전될 때 발생하는 현상으로, 토출량, 양정, 압력이 주기적으로 변동하는 현상입니다. 정상적인 운전 조건에서는 일정한 압력과 유량이 유지되지만, 특정 조건에서 펌프 내부의 유동이 불안정해지면서 압력 변화가 반복적으로 발생하게 됩니다.

서징은 주로 원심 펌프 및 터보 압축기에서 발생하며, 시스템의 손상 및 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 

따라서, 서징을 방지하고 적절히 제어하는 것이 중요합니다.

 

 

2. 서징의 원인

서징은 여러 가지 요인에 의해 발생할 수 있으며, 대표적인 원인은 다음과 같습니다.

  1) 펌프의 비정상적인 운전 조건

     - 펌프가 설계된 운전 곡선에서 벗어나 저유량 상태에서 운전될 경우 서징이 발생할 가능성이 높아집니다.

  2) 압축기 시스템의 과도한 부하 변화

    - 터보 압축기의 경우, 부하가 급격히 변하면 시스템의 압력 변동이 커져 서징이 유발될 수 있습니다.

  3) 흡입 및 토출 배관의 부적절한 설계

    - 배관이 너무 길거나, 굴곡이 많거나, 급격한 직경 변화가 있을 경우 유동이 불안정해지면서 서징이 발생할 수 있습니다.

  4) 배압(Back Pressure) 변동

    - 토출측 배압이 불규칙하게 변하면 압축기의 압력 변동이 심해지면서 서징이 나타날 수 있습니다.

  5) 밸브 조작의 영향

    - 토출 밸브를 급격하게 개폐하면 순간적인 압력 변화가 발생하여 서징이 유발될 수 있습니다.

  6) 펌프 및 압축기 내부 결함

    - 임펠러, 디퓨저, 베인 등의 부품 마모나 손상이 있을 경우 내부 유동이 불안정해져 서징이 발생할 수 있습니다.

 

 

3. 서징이 발생할 경우의 문제점

서징이 발생하면 여러 가지 부정적인 영향이 나타날 수 있습니다.

  1) 설비 손상

    - 지속적인 압력 변동과 진동으로 인해 펌프 및 압축기의 베어링, 샤프트, 임펠러 등이 손상될 수 있습니다.

  2) 운전 효율 저하

    - 서징이 발생하면 장비가 정상적인 성능을 발휘하지 못하고 에너지 손실이 증가합니다.

  3) 소음 및 진동

    - 서징이 심할 경우 설비에서 강한 소음과 진동이 발생하여 작업 환경을 악화시킵니다.

  4) 유체 공급 불안정

    - 서징이 지속되면 유체의 공급이 불규칙해지면서 전체 공정의 안정성이 저하됩니다.

  5) 운영 비용 증가

    - 설비 손상 및 유지보수 비용이 증가할 뿐만 아니라, 에너지 효율이 저하되어 운영 비용이 상승할 수 있습니다.

 

 

4. 서징의 대처 방안

서징을 방지하고 해결하기 위해 다음과 같은 방법을 적용할 수 있습니다.

  1) 운전 조건 최적화

    - 펌프 및 압축기를 정상적인 운전 곡선 내에서 운전하도록 조정합니다.
    - 부하 변화가 급격하게 발생하지 않도록 서서히 가동 및 정지 과정을 관리합니다.
    - 시스템의 압력 변화를 모니터링하고 이상 징후가 발생하면 즉시 조치합니다.

  2) 배관 시스템 개선
    - 배관 설계를 최적화하여 급격한 유속 변화나 배압 변동을 최소화합니다.
    - 서지 탱크(Surge Tank) 또는 배압 조절 장치를 설치하여 압력 변화를 완충합니다.
    - 배관 내 공기 포켓이 형성되지 않도록 적절한 공기 배출 장치를 적용합니다.

  3) 밸브 조작 개선
    - 토출 밸브를 급격하게 개폐하지 않고 서서히 조작하여 압력 변화를 완화합니다.
    - 자동 조절 밸브를 적용하여 일정한 유량과 압력을 유지할 수 있도록 합니다.

  4) 장비 보호 장치 적용
    - 안티 서징 컨트롤러(Anti-Surge Controller)를 설치하여 압축기의 운전 상태를 지속적으로 모니터링하고 필요 시 

      자동으로 조정합니다.
    - 리사이클 밸브(Recirculation Valve)를 적용하여 서징 발생 시 일부 유량을 순환시켜 안정적인 운전이 가능하도록 

      합니다.
    - 서지 방지용 체크 밸브를 설치하여 역류 현상을 방지합니다.

  5) 유지보수 및 점검 강화
    - 정기적인 점검을 통해 임펠러, 디퓨저, 베어링 등의 마모 상태를 확인하고 필요 시 교체합니다.
    - 센서를 활용하여 압력, 유량, 진동 등의 데이터를 실시간으로 모니터링하고 서징 발생 징후를 조기에 감지합니다.
    - 운전 데이터 분석을 통해 서징 발생 패턴을 파악하고 예방 조치를 마련합니다.

 

 

5. 서징 발생 사례

  1) 발전소 보일러 급수 펌프 서징 사례
    - 한 발전소에서는 보일러 급수 펌프가 반복적으로 서징을 일으켜 심한 진동과 소음이 발생하였습니다. 

    - 원인을 분석한 결과, 펌프의 운전 유량이 설계 최소 유량 이하로 감소하면서 불안정한 영역에서 운전된 것이

     원인이었습니다.

    - 해결을 위해 리사이클 밸브를 추가로 설치하여 최소 유량을 유지하도록 조치하였고, 이후 서징 현상이 사라졌습니다.

  2) 석유화학 공장의 터보 압축기 서징 사례
    - 한 석유화학 공장에서 터보 압축기가 서징을 일으켜 반복적인 정지가 발생하였습니다. 

    - 조사 결과, 배압 변동이 심하고 부하 변화가 급격하게 이루어지는 것이 원인이었습니다.

    - 이를 해결하기 위해 안티 서징 컨트롤러를 도입하여 압축기의 운전 범위를 최적화하고, 배압 조절 장치를 추가로

      설치하여 부하 변화를 완화하였습니다. 그 결과, 압축기의 안정적인 운전이 가능해졌습니다.

 

 

6. 결론

서징은 펌프 및 압축기의 운전 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 장비의 손상을 유발할 수 있는 심각한 문제입니다. 따라서, 운전 조건을 최적화하고 배관 시스템을 개선하며, 적절한 장비 보호 장치를 적용하는 것이 중요합니다.

또한, 지속적인 점검 및 모니터링을 통해 서징 발생을 사전에 예방하는 것이 필수적이며, 산업 현장에서 서징을 효과적으로 관리하는 것이 설비의 안정적인 운영을 보장하는 핵심 요소가 됩니다. 장기적으로 서징을 최소화하는 전략을 도입함으로써 유지보수 비용 절감과 함께 설비의 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.