[Fire Water Pump System] 소화펌프의 시스템 구성
1. 개요
화재를 진화하는 방법에는 여러 가지 방법이 있으나 유류화재, 전기 화재 및 특수화재를 제외한 대부분의 일반화재를 진화하는 데는 물을 이용한 소화설비가 가장 효과가 크고 경제적이며, 소화저수조에서 필요한 장소로 물을 공급하는 기능을 하는 소방펌프는 물소화설비에서 갖추어야 할 가장 기본이 되는 중요한 장비 중의 하나라고 할 수 있다.
펌프는 전동모터, 내연기관 등 구동부를 통하여 기계적 에너지를 받아서 액체에 압력과 속도를 주어 그 액체를 관을 통하여 높은 곳으로 올리거나 또는 먼 거리로 수송하는 데 사용되는 기계장치이며, 소방펌프(Fire Pump)는 소화용 저수조의 물을 관(Pipe)을 이용하여 필요한 압력과 유량을 공급하는 데 사용된다.
펌프는 구조에 따라 여러 가지 종류로 나눌 수 있으나 소방펌프는 대부분 회전차(Impeller)의 회전에 의한 원심력을 이용한 원심펌프(Centrifugal)를 이용한다.
2. 소방용 원심펌프(Centrifugal Pump)
2.1. 원심펌프의 구성
원심펌프를 구성하는 기본요소로는 본체 (Casing, Vortex, Guide), 회전차(Impeller), 주축(Main Shaft), 축이음(Shaft Couplling), 베어링(Bearing) 및 패킹상자(Stuffing Box)등이 있다.
원심펌프는 변곡 된 다수의 깃(Blade 또는 Vane)이 달린 회전차가 밀폐된 케이싱 내에서 회전함으로써 발생하는 원심력의 작용에 의하여 물을 회전차의 중심에서 흡입하고, 이 물은 반지름 방향으로 흐르는 사이에 압력 및 속도에너지를 얻어 토출구 및 관을 통하여 송출된다.
2.2 원심펌프의 분류
1) 안내깃의 유무에 의한 분류
원심펌프는 안내깃(Guide) 유무에 따라 안내깃이 없는 볼루트 펌프(Volute Pump)와 안내깃이 달린 터빈 펌프(Turbine Pump)로 문류하며, 대체로 볼류트 펌프는 회전차의 1단(Stage)이 발생하는 양정이 낮은 것에 쓰이고, 터빈 펌프는 양정이 높은 것에 사용된다.
2) 흡입구에 의한 분류
펌프의 흡입구가 회전차의 한쪽에 설치된 펌프를 편흡입 펌프(Single Suction Pump), 흡입구가 양쪽에 설치된 펌프를 양흡입 펌프(Double Suction Pump)라고 한다.
회전차의 외경, 내경 및 그 외의 치수가 동일한 경우, 양정은 동일하지만 유량은 양흡입이 편흡입의 2배가 되므로 요구되는 송출유량이 양정에 대하여 비교적 적은 경우에는 편흡입 펌프를 사용하고 송출량이 많은 경우에는 양흡입 펌프를 사용한다.
3) 단수에 의한 분류
펌프에 회전차(Impeller)를 1개 설치한 것을 단단 펌프(Single Stage Pump)라고 하며, 회전차를 2개 이상 설치한 것을 다단펌프(Multi Stage Pump)라고 한다.
단수에 따라 2단(Two Stage),3단(Three Stage), ···라고 하며, 회전차의 지름과 회전수의 관계에서 볼 때 다단펌프로 양수할 수 있는 범위는 약 80~100m 정도이며, 그 이상의 양정이 요구될 때에는 여러 개의 회전차를 직렬로 배치한 다단펌프를 사용한다.
다단펌프의 경우 1단에서 나온 물을 2단으로 흡입하고 차례로 다음단으로 송출함으로써 높은 양정을 얻는다. 다단펌프의 경우 회전속도를 높임으로써 양정을 높일 수도 있다.
4) 축의 방향에 의한 분류
펌프의 주축(Main Shaft)의 방향에 따라 주축이 수평일 때를 횡축펌프(Horizontal Pump), 수직일 때를 입축펌프(Vertical Pump)라고 하며, 저수조의 형태 및 위치와 펌프가 설치되는 장소의 여건에 적합한 형태의 펌프를 선정한다.
2.3. 원심펌프의 특성곡선(Characteristic Pump Curves)
펌프의 성능을 표시할 때 특성곡선을 사용하며, 펌프의 회전수와 흡입양정을 일정하게 하여 횡축에는 유량(Q), 종축에는 양정(H), 동력(K) 및 효율(η)을 표시하여 양정-유량(H-Q), 동력-유량(L-Q) 및 효율- 유량(η-Q) 간의 변화량을 곡선으로 그린 것을 펌프의 특성곡선이라고 한다.
적절한 설계 및 제작 결과 구해진 특성곡선의 경우에는 효율곡선(η-Q)의 최고점의 위치가 양정곡선(H-Q) 상의 요구점과 동일 좌표가 된다.
양정곡선(H-Q)이 종축과 만나는 점, 즉 Q=0일 때의 양정을 체절양정(Shutt Off Head)이라고 한다. 원심펌프에 있어 체절양정은 정격양정의 140%를 넘지 않도록 해야 하며, 펌프의 경우 정격유량과 정격양정의 교차점은 항시 양정 곡선사에 위치하거나 양정 곡선 아래 지점에 위치해야 하며, 소방펌프의 경우 정격유량의 150% 유량송출 시 펌프의 양정은 정격양정의 65% 이상이 되어야 한다.
3. 소방펌프의 시스템 구성
3.1. 소방펌프의 구성
건물, 일반 산업공장, 플랜트(Plant) 등의 규모와 화재발생 시 피해위험도 등에 따라 적용되는 소화설비가 다르며, 대개 물을 사용하여 소화하는 설비가 주류를 이루고, 이에 필요한 소화수(물)를 충분히 공급할 수 있는 소방펌프설비를 갖추는 것은 중요한 요소 중의 하나라고 할 수 있다.
소방펌프의 구성은 필요한 소화수의 공급량에 따라 달라질 수 있으며, 여기서는 일반적으로 가장 흔히 이용하는 소방 주펌프(Main Fire Pump), 소방예비펌프(Emergency Fire Pump) 및 충압펌프(Jockey Pump)로 구성되는 소방펌프 시스템(Fire Pump System)에 대하여 논한다.
- 소방펌프(Main Fire Pump)
- 소방예비펌프(Emergency Fire Pump)
- 충압펌프(Jockey Pump)
1) 소방 주펌프
소방 주펌프는 필요한 소화수의 공급량에 따라 1대 또는 2대 이상의 펌프로 구성한다. 소방주펌프의 1대의 최대용량은 1134 M³/Hr 이하가 되어도 방호대상 지역에 설치된 소화설비의 사용 여건에 따라 소방 주펌프를 2대로 또는 그 이상의 수로 나누어 설치할 수 있으며, 또한 그 이상의 수로 나누어 설치하라 수 있으며, 또한 각각의 소화설비 종류별로 필요한 소화수 공급량에 맞도록 소방 주펌프를 분리하여 설치할 수 있다.
예로서 건물의 경우 옥내소화전(5개 사용기준)과 스프링클러 설치(스프링클러 헤드 30개 동시 개방 기준)를 설치할 때의 소방 주펌프의 구성을 경우별로 나누어 보면,
경우 1)
· 옥내소화전 및 스프링클러 : 1대(용량 3050 LPM→183 M³/Hr) 겸용 주 펌프
경우 2)
· 옥내소화전용 주펌프 : 1대(용량 650 LPM→39 M³/Hr)
· 스프링클러용 주펌프 : 1대(용량 24000 LPM→144 M³/Hr)
경우 3)
· 옥내소화전용 주펌프 :1대(용량 650 LPM→39 M³/Hr)
· 스프링클러용 주펌프 : 2대(용량 1200 LPM→72 M³/Hr)
이상의 3가지로 구성할 수 있다.
건물의 경우 위의 조건에서는 경우 3)의 방법을 선호하고 있으며, 이는 소방 주펌프가 모터구동 펌프(Moter Driven Pump)로서 평상시는 사용전원을 공급받도록 함으로써, 비상시 소방 주펌프 기동에 필요한 기동 전력을 줄입으로써 비상 발전기 용량 증가에 따른 비용절감의 효과를 기대할 수 있고, 또한 소규모 화재 시 적절한 용량의 펌프가 기동 됨으로써 불필요한 전력의 손실을 방지할 수 있고, 경우 1)과 경우 2) 보다 작은 용량의 펌프를 설치함으로써 펌프 기동시 보다 적은 지동이 발생하는 장점이 있다.
단점으로는 펌프대수가 경우 1), 경우 2) 보다 상대적으로 많은데 따른 설치공간의 확대 및 펌프 설치비용이 증가될 수 있다. 그러므로 해당 건물의 적용소화설비 및 필요한 소화수 공급량을 파악하여 이러한 장단점을 상세히 검토하여 소방 주펌프를 구성해야 한다.
예로서 1500 M³/Hr의 소화수 공급량이 필요할 때 소방 주펌프의 구성을 경우별로 보면,
경우 1)
· 소방 주펌프(모터구동) : 3대(용량 500 M³/Hr)
경우 2)
· 소방 주펌프 (모터구동) : 2대(용량 500 M³/Hr)
· 소방 주펌프(엔진구동) : 1대 (용량 500 M³/Hr)
(이 경우 용량이 1000 M³/Hr가 되도록 비상용 엔진구동 예비펌프 별도 설치)
경우 3)
· 소방 주펌프(모터구동 ) :1대 (용량 500 M³/Hr)
· 소방 주펌프(엔진구동) : 1대(용량 1000 M³/Hr)
(이 경우 용량이 500 M³/Hr가 되도록 비상용 엔진구동 예비펌프 별도 설치)
위의 경우는 소방 주펌프의 1대 용량을 500 M³/Hr를 기준했으나 위의 경우 외에도 여러 가지 방법으로 소방 주펌프를 구성할 수 있으며, 대체로 모터구동 펌프의 경우 1대의 용량을 500 M³/Hr 이하로 하며, 엔진기동 펌프의 경우에는 1000 M³/Hr 이하로 한다.
대규모의 플랜트에 있어서 발전소, 정유공장, 화학공장 위험물 저장기지 등 특성에 따라 소화수 공급량에 상당한 차이가 있으나 대체로 해당 방호 대상물에 필요한 최대 소화수 공급량을 소방 주펌프로 공급토록 하고 별도의 예비펌프를 설치하여 전원공급 차단으로 인한 모타구동 소방주펌프 사용 불능 시를 대비하고 있다
2) 소방 예비펌프(Emergency Fire Pump)
소방 예비펌프는 소방 주펌프의 고장, 수리 또는 전원 공급이 차단되는 경우를 대비하여 설치한다. 그러나 건물의 경우 일반적으로 소방 주펌프(모터구동)에 비상전원을 공급하도록 조치하고 별도의 예비펌프를 설치하지 않고 있으며, 대규모 플랜트의 경우 반드시 예비펌프는 엔진구동 펌프를 설치하여 비상시 상용전원의 공급이 차단되더라도 엔진구동 펌프로서 해당 방호대상 지역에 필요한 소화수를 충분히 공급할 수 있도록 구성한다.
3) 충압펌프(Jockey Pump)
충압펌프는 소방 주펌프 토출 측에서부터 설치된 소방설비로 소화수를 공급하는 관(Pipe) 내의 압력을 일정 기준 이상으로 항상 유지시켜 주기 위하여 설치한다.
충압펌프의 용량은 소방법상에는 60 LPM 이하인 것을 사용하고, 다만, 정격토출량이 60 LPM 초과 200 LPM이하인 경우로서 펌프의 토출 측 부근에 유효한 감압장치를 설치함으로써 하나의 옥내소화전만 개방하더라도 소방 주펌프가 자동적으로 기동 할 수 있는 경우에는 그러하지 아니하도록 규정하고 있다.
미국의 규정인 NFPA-20에는 상시 가압되는 배관의 연결부위에서 발생할 수 있는 누수 예상량을 계산하여 충압펌프가 기동하여 10분 이내에 보충할 수 있는 용량과 3.8 Lpm(1 Gpm) 중 큰 쪽을 기준으로 충압펌프의 용량을 결정하도록 되어 있다.
3.2. 소방펌프의 기동방법
1) 소방펌프의 기동방법
소방펌프의 기동방법에는 수동기동 방법, 자동기동 방법이 있으며 근래에 와서는 대개가 자동기동 방법을 사용하고 있다.
2) 수동기동 방법
소방펌프의 수동기동의 경우, 현장기동은 펌프 인근에 설치되는 펌프조작반(Pump Control Panel)에 설치되는 스위치를 직접 조작하여 펌프를 기동시키는 방법이며, 원격기동의 경우, 관련 소화설비 사용 필요시 소화설 비기 인근에 설치된 펌프 기동스위치(옥내, 옥외 소화전함 등에 설치)를 조작함으로써 펌프를 기동시키는 방법이다.
소방펌프의 수동기동 방법은 과거 소방대상물의 규모가 작고 위험성이 낮으며, 옥내소화전, 옥외소화전 설비 등 단순 소화설비가 설치되는 소방대상물에 설치된 경우가 있었으나, 근래에 와서는 압력스위치를 이용한 자동기동 방식을 대부분 채택하고 있다.
3) 자동기동 방법
자동기동 방법은 평상시 소방펌프를 토출 측 관내의 소화수 압력을 충압펌프를 사용하여 일정 범위 내에서 가압된 상태로 유지시키고, 소방펌프에 연결된 소화설비기구(옥내소화전, 옥외소화전, 스프링클러 등) 사용 시 일정 기준 이하로 떨어지는 수압을 압력스위치가 인지하여 자동으로 소방펌프를 기동 하도록 하는 방법이다. 압력스위치를 압력챔버(Pressure Chamber)에 설치하는 방식은 우리나라 및 일본에서 추천되는 방식이며, 미국의 규격인 NFPA-20에서는 압력스위치를 펌프 토출 측 배관상에 직접 설치하는 방식을 채택하고 있다.
a) 충압펌프의 자동기동
우리나라 소방법에는 충압펌프의 정격토출압력은 그 설비의 최고위 호스접결구의 자연압보다 2kg/㎠이상 크게 하도록 되어 있으나, 일반적으로 소방 주펌프의 정격토출 압력과 같도록 한다.
충압펌프의 자동기동은 소방펌프 토출 측 배관에 누수 등에 의하여 항시 유지해야 할 압력점 이하가 되면 충압펌프 기동용 압력스위치(Press·Low)가 작동하여 충압펌프를 자동 기동시키며, 충압펌프의 기동에 의하여 다시 압력이 올라가서 압력스위치(Press·High)가 작동하여 충압펌프를 자동 정지시킨다.
충압펌프의 기동용 압력스위치의 작동점은 정지용 압력스위치의 작동점보다 0.7kg/㎠ (10 psi) 낮게 잡는다.
b) 소방 주펌프의 자동기동
소방 주펌프의 지동기동은 설치된 고정 소화설비가 작동하여 소화수를 방출할 경우 펌프 토출 측 배관 내의 압력이 저하되어 소방 주펌프 기동용 압력스위치가 작동하여 소방 주펌프를 자동 기동 시킨다.
소방 주펌프 자동기동용 압력스위치의 작동압력은 충압펌프의 기동압력점보다 약 0.35kg/㎠ (5 psi) 낮게 설정하며, 소방 주펌프를 2개 이상으로 분리하여 설치하는 경우에는 기동 순서에 따라 순차적으로 각 펌프의 압력스위치 작동압력을 0.7kg/㎠ 씩 낮게 설정한다.
c) 소방 예비펌프의 자동기동
소방 예비펌프의 자동기동은 예비펌프 기동용 압력스위치를 설치하여 소방 주펌프의 기동 압력점보다 약 0.7kg/㎠ 낮은 압력에서 자동 기동토록 할 수 있고 또한 압력스위치를 사용하지 않고 소방펌프를 컨트롤 로직(Control Logic) 상에서 소방 주펌프가 기동 되어야 함에도 불구하고 정전, 수리 등에 의하여 기동 되지 않을 경우 (Main Fire Pump T
rouble) 자동으로 예비펌프를 기동 하도록 할 수 있다. 일반적으로 예비펌프의 자동기동은 후자의 방법을 사용한다.
4) 소방펌프의 제어반(Fire Pump Contro Panel)
소방펌프의 제어반(Fire Pump Contro Panel)을 소방펌프 인근에 설치하고, 주 제어반(Main Fire Control Panel)은 중앙제어실 또는 종합방재실에 설치한다.
주 제어반 소방펌프의 기동, 정지 및 관련 소방설비 전체의 작동상태를 알 수 있도록 구성한다. 소방펌프제어반에서는 펌프를 수동으로 기동 또는 정지시킬 수 있고 또한 펌프 기동시 표시등이 점등됨과 동시에 경보음을 울리게 하는 기능이 있으며, 현장기동 및 원격기동용 선택스위치가 설치된다.
소방펌프의 수동 및 자동기동 운전상태를 알 수 있도록 이를 도면으로 표기하는데 이를 컨트롤로직도면(Control Logic Diagram)이라고 하며, 소방펌프 제어반 및 주 제어반(Main Fire Control Panel) 제작 시 이 도면을 사용한다.
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