선박용 비상소화펌프 활용을 위한 다단 터빈펌프 성능평가 연구

Ⅰ. 서 론

선박에서 발생하는 화재사고는 매우 중대한 과실 중 하나이다. 특히 연안에서 떨어져 공해상을 장기간 항해하는 원양 선박이나 특수선을 포함한 모든 선박은 화재로부터 안전을 확보하고 인명보호의 의무가 있으므로 해상화재사고에 유의해야 한다. 이러한 선박 화재사고를 방지하기 위해 선내에는 다양한 소화설비가 설치되며 해양수산부에서는 2007년 개정된 ‘선박소방설비기준’을 적용하고 있으며, 이 기준은 선박안전법 제 26조에 의한 선박의 소화설비에 관한 필요한 사항을 규칙으로 규정하고 있다(NLIC, 2020).

선박은 화재 등급에 따라 분말과 포말을 이용한 일반적인 형태의 소화기, 고정식 CO₂소화기, 워터 미스트(Water Mist) 등 다양한 소화 장치가 설치되어 있지만, 특히 해상을 항해하는 선박의 특성에 따라 해수를 사용하여 소화하는 비상소화펌프(Emergency Fire Pump)장치는 가장 대표적인 선박 소화설비 중 하나이다.

이 비상소화펌프가 탑재되어 있는 선박은 항만국 통제(Port State Control, PSC) 검사 항목 중 선박안전협약인 SOLAS규정을 적용받는 대상기기이기 때문에 선박을 운용하는 담당사관은 비상소화펌프 관리보수 유지가 매우 중요한 장치이다.

항만국 통제는 항만과 해양의 환경을 보호하고 해양안전사고 방지를 위한 목적으로 국제사회에서 협의되어 시행한 제도이다(Lee, 2005). 1982년 1월 유럽국을 중심으로 약 14개 국가가 파리양해각서(Paris MOU)를 체결한 것을 기점으로 현재 전 세계 주요 9개국에서 협력체제가 구성된 PSC제도를 시행하고 있다(Lee and Lee, 2011).

국내에서는 1986년 부산항과 인천항에서 PSC를 실시하였으며 PSC와 관련한 비교적 다양한 연구가 수행되고 있다(Lee et al., 2005).

비상소화펌프의 경우 실제 특정 국가 및 항구 입항시 6개월마다 의무적으로 PSC수검과 갱신이 필수적이며, 항만국 통제 수검자(PSCO)가 방선하여 수검 도중 비상소화펌프의 작동기준에 부합하지 못할 경우, PSCO로부터 최대 Code-30을 부여받게 된다. 이는 ‘출항정지(Detention Ratio)’에 해당하게 되며(Kim et al., 2014), PSCO지적사항에서 Code-30을 조속히 대응하지 못할 경우 선주 및 선사, 화주는 막대한 시간적, 물리적 손실을 초래하게 되므로 매우 유의해야 할 사항중 하나이다.

이에 한국선급(Korean Register)에서는 해마다 항만국 통제에 관한 연간 보고서를 제시하고 있으며, 특히 출항정지에 관해서는 월별 단위 이내로 전 세계 선박의 출항정지 발생사례를 신속하게 업데이트하여 국내선박이 조치할 수 있도록 운영하고 있다(Korea Register, 2019).

위와 같이 항만국 통제 검사 항목 중 대표적인 중요 수검기기중 하나인 비상소화펌프의 작동조건에 부합하는 우수한 성능의 전용펌프 적용이 필요하다고 판단된다. 그러나 선박 소화설비에서 중요도가 높은 분야임에도 국내에서 비상소화펌프에 관한 구체적인 명확한 규정이나 비상소화펌프와 관련된 연구 사례는 전무한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 선박에 탑재된 비상소화펌프의 세부규정을 제시하고 그에 부합하는 펌프를 선정하여 성능평가를 실시하여 적합성을 판단할 목적으로 연구를 수행하고자 하였다.

Ⅱ. 연구 방법

1. 선박 비상소화펌프 작동기준

선박의 비상소화펌프의 작동기준은 국내 선박소방설비기준 제2장 물분사 소화장치 중 제6조 비상펌프에 제시되어 있으며 그 내용은 다음과 같다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2019). 고정식 비상소화펌프의 경우, 안지름 12mm 노즐에서 사정거리 12미터 이상 물줄기가 반드시 2곳이 동시에 분사되어야 하며, 이동식의 경우는 1개 이상의 물을 분사시킬 수 있어야한다. 두 방식 모두 연결된 송수관의 모든 부분에 과압을 방지할 수 있는 조정 가능한 안전밸브가 설치되어야 하며 잡용수 펌프(General Service Pump)등의 다른 배관라인과 독립된 동력으로 운전되어야 한다. [Fig. 1]은 12m 이상 직수 분사와 과압 조정이 가능한 표준 노즐로 본 연구자가 승선 당시 본선에서 비교 분사한 상태를 그림으로 나타낸 것이다.

[Fig. 1]

Comparison of adjusting spray nozzle.

만약 독립된 소화펌프의 구동 방식이 전동기(Motor)구동이 아닌 디젤구동일 경우 0℃의 상태에서도 수동으로 시동 및 작동이 되어야 하고 수동으로 시동이 불가능할 경우 별도의 예열장치나 압축공기, 전기 등에 의한 시동장치가 구비되어야 한다. 또한 엔진으로 구동할 경우 국제항에 종사하는 여객선은 가솔린 기관을 사용하지 않도록 규정하고 있다. <Table 1>은 고정식과 이동식 비상소화펌프의 작동기준 주요 항목을 간략히 요약한 것이다. 또한 비상소화라인의 체결구는 반드시 국제육상시설연결구의 조건에 부합해야 한다. 체결구의 경우 전 세계 어느 선박이라도 상호 호환이 되어야 하므로 규격화되어야 하고 타 선박과의 체결이 용이해야 하므로 표준화되어 있다. [Fig. 2]는 국제 육상시설연결구의 규격을 나타낸 것이다(Marinesite, 2019).

<Table 1>

Comparison of operating standard emergency fire pump

[Fig. 2]

Dimensions and diagram for international shore connection.

사용 압력의 경우, 약 1.0MPa 압력에 대한 충분한 강도가 있어야 하며 플랜지의 한쪽 부분은 평면으로 되어야 있어야 한다. 다른 쪽 면은 선박에 비치되어 있는 소화전 및 소화호스와 체결이 가능한 이음쇠가 부착되어 있어야 하며 사용압력에 충분한 강도를 지니는 가스켓(Gasket)과 지금 16mm, 길이 50mm의 볼트4개와 와셔8개가 비치되어 있어야 한다. 플랜지의 총 지름은 178mm, 내구경은 64mm, 볼트체결 끝단지름은 132mm로 표준화 되어 있다.

소화펌프의 비치는 총톤수 4,000톤 이상의 제1종선 및 제2종선에는 3대, 총톤수 4,000톤 미만의 제1종선 및 제2종선은 2대, 연해구역 이하를 항해하는 총톤수 1,000톤 미만 제2종선에는 1대 이상의 소화펌프를 설치하여야 한다.

여기서 제1~4종선의 규정은 선박구명설비기준을 따른다. 제 1종선이란 국제항해 종사하는 여객선, 제2종선은 국제항해 종사하지 않는 여객선, 제3종선은 여객선 이외 선박으로 국제항해에 종사하는 총톤수 500톤 이상의 선박이다. 제4종선은 여객선 이외 선박으로 제3종선 이외의 선박을 말한다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2020).

또한 선박의 최대 송수량을 인접하는 어느 소화전을 경유하여 송수하는 어떤 경우라도 반드시 펌프는 해당 토출 압력을 유지해야 하며 <Table 2>와 같이 총톤수 4,000톤 이상의 제1종선 및 제2종선은 0.4MPa이상, 4,000톤 미만의 제 1종선 및 제2종선은 0.3MPa이상을 유지해야 한다.

<Table 2>

Above minimum pressure for emergency fire pump

2. 비상소화펌프의 항만국 통제 수검사례

선박의 항만국 통제(PSC) 주요 국가는 호주의 AMSA, 미국의 USCG를 중심으로 여러 국가에서 매우 엄격하게 운영되고 있다. 특히 비상소화펌프, 비상발전기 및 구명정 등 선박안전에 직접적인 영향을 미치는 요소들은 선박설비 전체의 안전관리 상태를 가장 극단적으로 확인할 수 있는 척도가 되므로 빈번하게 적발되는 대상이다.

특히 비상소화펌프와 관련된 최대 통제 코드인 Code-30(출항정지) 사례는 해마다 빈번하게 적발되고 있으며 가장 최근 1년간 한국선급에서 제시한 비상소화펌프 적발사례는 다음과 같다(Korea Resister, 2020).

2019년 3월 한국 원산항에서 수검한 일반화물선(Cargo Ship)내 비치된 비상소화펌프의 압력 불충분으로 출항정지 코드를 부여받은 사례와 2020년 4월 발생한 폴란드 슈체친 항에서 비상소화펌프의 압력부족으로 부여받은 사례가 있다.

2019년 4월 중국 대련항에서 발생한 비상소화펌프의 시동 불량 및 ‘선원의 친숙화’ 부족으로 출항정지 코드를 부여받은 사례이며 특히 비상소화펌프의 경우, 본선 직원 누구라도 신속하게 가동되어야 하나 주로 담당사관 위주로 운전되다 보니 타 직재의 선원이 작동하지 못한 사례이다.

2019년 7월 인도 첸나이 항에서 발생한 비상소화펌프의 밸브 플랜지 가스켓 부분에서 다량 누수로 인해 해당 PSCO는 장시간 관리 운영이 되지 않았다고 판단하여 출항정지를 부여한 사례이다. 또한 가장 최근 사례로 2020년 9월 러시아 노보로시스크 항에서 발생한 비상소화펌프 작동불량으로 출항정지를 부여받은 사례가 있다.

상기 최근 사례에도 알 수 있듯이 비상소화펌프의 작동유무는 특정국가나 특정항에 상관없이 공통적으로 수검하므로 철저한 관리 운영이 필요하다. 한국선급에서 항만국 통제에 대비하기 위해 제시한 비상소화펌프의 점검 사항 5항목은 <Table 3>과 같다(Korea Resister, 2020).

<Table 3>

Emergency fire pump checklist for port state control for owner

반드시 규정시간 이내에 정상 작동이 되어야 하며 선박의 드래프트가 낮아 공선상태라 할지라도 진공펌프 등을 이용한 자흡(Self-Suction)이 가능한 상태를 확인해야 한다. 아울러 어느 구간이라도 누수가 발생하지 않아야 한다. 두 번째 충분한 흡입압력과 토출압력을 형성해야한다. 세 번째로 물줄기 분사 시연을 반드시 선수와 선미에 2개의 분사기를 연속적으로 토출해야하며 이 상황은 반드시 사진으로 기록되어야 한다. 배관라인의 보호가 이루어져야 하며 필요할 경우 배출 배관 등을 분해정비 관리토록 유도하고 있다.

3. 비상소화펌프용 다단 원심펌프 선정

통상적으로 기름 성분이나 점도가 높은 고점성 유체를 이송할 경우는 압력에너지를 유량에너지로 변환하는 기어방식의 용적식 펌프를 가장 많이 사용하지만, 물과 같은 일반적 유체를 이송할 때는 속도에너지를 유량에너지로 변환하는 비용적식 펌프를 가장 많이 사용한다. 비용적식 펌프의 효율을 선정하기 위해서는 비교회전도(Specific Gravity)를 선정할 수 있으며 이 비교회전도 값에 따라 적정한 펌프를 선정할 수 있게 된다.

비교회전도 Ns값에 따라 적합한 펌프를 선정할 수 있으며 유도 공식은 식(1)과 같다.

$\[ Ns= \frac{n\sqrt{Q}}{{\left(H/i\right)}^{\frac{3}{4}}} \]$

(1)

여기서 n은 펌프 회전수, Q는 유량, H는 전양정이다. 만약 입구 측 배관이 단흡입 방식이 아닌 양흡입 방식일 경우에는 Q/2가 되며, 임펠러의 단수 i에 따라 H를 환산하여야 한다.

최종적으로 Ns가 500이하 일 때 벌류트 펌프, 1,000이하일 때 사류(혼류식)펌프, 1,000이상일 때 축류(Axial flow)펌프를 선정하여 사용한다. 운전조건에서 충분한 유량과 토출압력이 검사기준으로 적용받는 선박용 비상소화펌프의 경우 임펠러 단수가 1개인 단단(Single-Stage)펌프보다 동일 유량대비 더 높은 토출양정을 얻을 수 있는 다단(Multi-Stage)펌프가 더 적합하다고 판단되었다.

또한 해수(Sea Water)를 작동유체로 활용하므로 부식과 내식에 강해야 하며 비상소화펌프는 상시 가동되지 않고 대부분 작동 대기 상태로 유지되기 때문에 정기적인 시운전과 관리보수를 통해 운전 컨디션을 철저히 유지해야 항만국 통제 수검으로부터 대비가 가능할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 국내 펌프 제조회사인 D사의 다단 원심펌프 DMT-50-5S를 선정하여 비상소화펌프로 적용을 위한 공장시험을 실시하였다(Dongwon, 2020).

<Table 4>는 펌프의 세부 사양을 나타낸 것이다. 운전 변위는 조절 노즐 밸브 개폐 각도를 5구간으로 설정하였으며 공장시험 조건에서 토출량 산정은 삼각위어 방식으로 실시하였다. 측정 항목은 시간당 유량, 토출압력, 전동기 동력과 축 동력이다. 최종적으로 펌프 효율(%)을 계상하여 최적 성능 구간을 파악하고자 하였다.

<Table 4>

Specification of DMT-50-5S

Ⅲ. 연구 결과

비상소화펌프 용도로 적합성 여부를 판단하기 위한 다단 원심 펌프 DMT-50-5S의 성능시험은 <Table 5>에 요약하였다(Han, 2017).

<Table 5>

Result of DMT-50-5S conditions

밸브 개폐 조절에 따른 총 운전 조건에서의 토출 압력과 유량은 [Fig. 3~5]에 도표로 제시하였다. 다만 그래프에서는 보다 쉽게 비교하기 위하여 토출 압력은 허용기준 단위인 MPa를 kg/cm² 로 변환하여 제시하였으며, 최소 조건에서 토출 압력은 0.78MPa, 최대 조건에서 0.42MPa로 형성되어 본 비상소화펌프의 최소 토출 압력 규정인 0.3~0.4MPa를 충분히 만족하였음을 알 수 있었다.

[Fig. 3]

Comparison of pressure and flowrate.

[Fig. 4]

Comparison of power consumption.

[Fig. 5]

Comparison of pump efficiency.

또한 유량(Flowrate)의 경우, 최소 5.94m³/h에서 최대 22.92m³/h로 형성되었음을 알 수 있었다.

밸브 개폐 조절에 따른 총 운전 부하 조건에서의 소비 전력은 [Fig. 4]에 제시하였다. 전동기 측 입력은 최소 조건에서 4.75kW이며 실제 축 동력은 4.179kW, 최대 조건에서 전동기 측 8.49kW, 축 동력 7.471kW로 형성되었음을 알 수 있었다. 손실을 고려한 기계효율은 미미한 차이가 있으나 평균 88% 수준으로 나타났다.

최종적으로 본 연구범위 내에서 펌프 총 효율을 유도하였다. 총 효율을 유도하기 위해서는 수력효율 E_h과 기계효율 E_m, 체적효율 E_v을 구해야 하며 방법은 식(2)~(4)로 구할 수 있다.

상기 공식에서 H는 펌프의 실양정이며, H_th는 이론적 양정이다. L은 축 동력, ΔL_m은 손실 동력이다. Q는 송출 유량, ΔQ는 누설 유량이다. 각 도출된 효율의 합산을 통해 식(5)로 펌프의 총 효율 E를 구할 수 있다.

본 실험 조건의 DMT-50-5S 펌프 운전 성능은 50% 부하 조건에서 최적 운전 구간임을 알 수 있으며 총 효율은 약 43.47% 수준으로 나타났다.

Ⅳ. 결론 및 고찰

본 연구를 통해 선박에 탑재된 비상소화펌프에 관한 국내 허용규정 및 작동기준을 파악하여 제시하고 DMT-50-5S 적용을 위한 성능 분석을 실시한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

(1) 선박용 비상소화펌프의 경우 고정식은 반드시 직경 12mm이상의 조절이 가능한 분사 노즐을 통해 물줄기를 2개소 이상 분출되어야 하며, 이동식의 경우 1개소 이상 분출되어야 함을 알 수 있었으며 탑재된 펌프의 토출 압력은 선종에 따라 최소 0.3MPa 또는 0.4MPa이상으로 유지되어야함을 알 수 있었다.

(2) 항만국 통제 검사자(PSCO)의 주요 지적사항 중 비상소화펌프 관련한 출항정지 사례는 실제로 빈번하게 발생되고 있으며, 2019~2020년 국내·외 최근 2년간 주요 원인은 토출 압력 미달이 2건, 선원의 운전 미숙 1건, 운전 상태 불량 1건, 누설 및 파공 발생 1건 등으로 발생하였음을 사례 연구를 통해 알 수 있었다.

(3) 본 연구에 적용된 DMT-50-5S의 조절밸브를 통한 부하 특성에 따른 성능 분석을 실시한 결과 토출 압력은 약 0.42~0.78MPa로 비상소화펌프 운전 압력 조건을 만족함을 알 수 있었으며 실험 조건 범위 내에서 펌프 총 효율은 최대 43.47%로 나타남을 알 수 있었다.

본 연구는 펌프의 작동은 동일한 상태에서 밸브 개폐 상태로 비교 운전을 실시하였으며, 향후 자동 부하 조정이 가능한 인버터 제어 모드를 적용한 최적 효율 실험을 실시할 계획이다.

References

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