1. 서 론
충압펌프는 평상시 배관 내 압력을 일정하게 유지하여 주펌프의 불필요한 기동을 방지하는 역할을 한다. 그러나 현장에서는 충압펌프의 잦은 기동과 정지가 반복되는 단속운전 현상이 빈번히 발생하고 있으며, 이로 인해 감압밸브의 파손, 과압 방출, 스프링클러 헤드의 누수 등의 피해도 보고되고 있다. 2019년 경기도 남양주시의 한 공동주택에서는 화재가 발생하지 않았음에도 스프링클러 헤드가 개방되어 약 10억 원의 재산 피해가 발생하였다. 조사에 따르면 주펌프와 충압펌프의 장시간 체절운전으로 감압밸브 디스크 손상과 압력제어 붕괴로 이어져, 소화주펌프 동작으로 장시간 진행되면서, 주펌프 2차측 후렉시블 콘넥터 로드 볼트가 풀려 누수가 발생했고, 감압밸브가 제대로 동작하지 않은 것이 직접적인 원인으로 확인되었다(1). 충압펌프 단속운전 현상이 발생하는 경우에는 스프링클러 헤드 및 배관 부속의 누수⋅감압밸브 디스크 파손 등이 발생할 수 있다. 2차측 배관압력이 과도하게 상승하면 평상시에도 비화재 방수가 발생할 수 있다. 이와 같은 현상에는 충압펌프와 감압밸브의 구조적 상호작용 문제가 있다. 예를 들어 충압펌프와 감압밸브 사이 배관의 용적이 매우 작은 경우에는, 충압펌프가 가동되어도 2차측에 충분한 유량 및 압력이 채워지기 이전에 감압밸브 디스크가 닫혀버리고 펌프는 정지압에 도달하여 멈추게 된다. 이후 밸브 2차측 압력이 서서히 떨어지면 감압밸브가 다시 열리고 1차측 압력이 낮아져 충압펌프 기동압에 도달하면 재가동되는 사이클이 반복된다. 이처럼 감압밸브 1차측이 작은 배관 체적과 민감한 압력제어 설정이 맞물린 시스템에서는 충압펌프의 잦은 온-오프로 인해 시스템 안정화가 어려워진다. 이러한 상황에도 불구하고 현장에서는 단속운전의 근본 원인을 감압밸브 고장 탓으로만 돌리는 경향이 있다. 실제로 많은 고층건축물에서 충압펌프의 잦은 기동을 감압밸브 불량으로 취급하고 시공사에 하자 보수를 요구하면서, 소방시설을 장기간 정지 상태로 방치하는 사례도 발생하고 있다.
한편, 제도적 기준 또한 미비한 실정이다. 한국소방산업기술원의 소방용 감압밸브 성능 인증시험(2)에서는 방출시험 및 압력비례시험 시 800, 1600, 2400 L/min과 같은 대유량 조건만 규정하고 있으며, 충압펌프 특유의 소유량(60 L/min) 영역은 반영하지 못하고 있다. 다시 말해, 현행 인증기준 아래에서는 저유량 조건에서의 감압밸브 동작 특성 및 안정성이 검증되지 않아 충압펌프 단속운전의 위험성이 제도적으로 간과될 소지가 있다. 이 연구에서는 감압밸브 적용 시 발생하는 충압펌프 단속운전의 원인과 메커니즘을 실험적으로 규명하고, 문제 해결 방안을 제시하고자 한다. 실제 운전 조건을 모사할 수 있는 시험 시스템을 구축하고, 관경, 압력차 및 유량을 변수로 성능시험을 수행하였다. 시험 결과를 통해 감압밸브의 저유량 제어 한계를 확인하고, 충압펌프와 감압밸브 간 상호작용이 시스템 압력 안정성에 미치는 영향을 고찰하였다. 특히, 이 연구는 릴리프밸브를 추가하는 등 기존의 부품 단위 개선에서 벗어나, 소화설비 전체 시스템의 안정성 확보를 시도하였다는 점에서 기존 연구들과 차별성이 있다.
2. 선행연구
선행 연구들을 살펴보면, 주로 현행 국가화재안전성능기준(NFPC)의 틀 안에서 충압펌프 단속운전 문제의 원인을 분석하고 개선책을 모색하는 방향으로 이루어져 왔다. Cho(3)의 연구에서는 국내 고층 건축물에 설치된 소방시설의 현장 실태 조사를 통해 충압펌프의 과도한 용량 선정과 부적절한 압력 스위치 설정이 단속운전의 주된 원인임을 지적하였다. 또한, 현장 실무자들이 설계 편의를 위해 실제 필요한 양보다 훨씬 큰 토출량의 펌프를 선정하는 경향이 있으며, 이는 압력의 급격한 상승을 유발하여 단속운전을 심화시킨다고 주장하였다. Heo와 Min(4)은 펌프 기동 및 정지에 따른 배관압력상승과 수격작용에 대한 중요성을 강조하였다. Park 등(5)은 기존의 소방용 직동형 감압밸브들의 균압현상의 문제점을 파이롯트 방식을 통해 단점을 극복하고자 하였다. 감압밸브의 감압비와 감압제어범위의 한계인 정격유량 10% 이내의 한계를 극복하기 위해, 감압밸브 내 피스톤(디스크) 사이 1차측과 2차측에 한계유량 통과 시 유도배관과 릴리프밸브를 만들어 감압비를 조정할 수 있는 균압방지밸브를 개발하였다. Lee(6)는 감압밸브 2차측에서 압력이 상승할 경우 감압밸브 본체에 소형 릴리프밸브와 배수배관을 장치함으로써 2차측 배관의 설정압보다 높을 경우 릴리프밸브를 개방하고, 외부로 배수함으로써 설정압력이 그대로 유지될 수 있도록 하였다. 그러나 이와 같은 노력에도 불구하고 충압펌프 단속운전 현상이 완전히 해소되지 못하였다. 자동 균압방지 감압밸브가 설치된 경우에도 여전히 충압펌프의 단속운전이 관찰되고, 그 결과 감압밸브 2차측에 연결된 스프링클러 헤드의 파손되거나 누수가 발생하고 있다. 밸브 성능 개선만으로는 단속운전 문제를 해결하는 데 한계가 있다고 볼 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이 인증 기준 측면에서도 저유량 상태에서의 거동을 평가하지 않기 때문에 이러한 문제는 간과되어 왔다.
3. 실험계획
3.1 실험방법
기존의 연구들에서는 주로 현장 사례 분석를 분석하거나, 통계적 데이터를 사용하였다. 또는 이상적인 조건 하에서의 수치 시뮬레이션을 수행하는 연구들도 있었다. 기존의 연구들은 현상을 설명하고 경향성을 파악하는 데는 유용하지만, 변수들 간의 인과관계를 명확히 규명하기는 어렵다. 특히, 배관의 직경, 시스템의 운전 압력 등이 충압펌프의 동적 안정성에 미치는 영향을 분석한 실험적 연구는 거의 전무하다. 수치 시뮬레이션의 경우, 배관 내 잔류 공기의 비선형적 압축성, 밸브 개폐 시의 복잡한 유동 현상, 센서의 응답 지연 등 실제 시스템이 갖는 복잡성을 완벽하게 모사하기 어렵다는 한계가 있다.
이와 같은 한계를 극복하고 다양한 변수들간의 인과관계를 규명하기 위하여 본 연구에서는 관경⋅압력차⋅유량을 변수로 실험을 계획하였다. 실험은 KFI 소방용 감압밸브 성능인증 시험 항목 중 방출시험 기준을 참조하여 수행되었다. 대유량 펌프시험장에서 800, 1,600, 2,400 L/min의 순서로 방출시험을 실시하였으며, 소유량 펌프시험장에서는 충압펌프의 정격유량인 60 L/min 및 스프링클러 소화설비 헤드 개방 수량에 따른 1개, 3개, 5개, 10개의 변수로 유량을 방출하였다. 2차측의 압력은 0.8 MPa로 고정하고, 감압밸브 규격은 40, 50, 80, 100 A 순서로 진행하였다. 방출시험 과정에서는 감압밸브의 헌팅 및 오버사이징 여부를 확인하고, 감압밸브 1차측 및 2차측에 설치된 압력계를 통해 2차측의 압력이 안정적으로 유지되는지를 확인하였다.
3.2 실험조건
3.2.1 대유량 방출시험 조건
(1) 대유량 소화펌프장 시험설비 구성
1) 전동기 규격: 150 Hp, 4 P, 380 V, 60 Hz
2) 다단볼류트 펌프: 정격유량 3,050 L/min, 정격양정 150 m, 배관경 150 A, 회전수 1,750 rpm
3) 유량계: 500~5,000 L/min 허용오차: 1.0%
4) 조건: 온도 20 ℃
5) 다단볼류트 펌프와 감압밸브를 연결하고, 감압밸브 1차측과 2차측에 압력계를 설치
6) Figure 1과 같이 감압밸브 2차측에 방출시험을 위한 소유량 전용 전자식유량계와 2차측에 압력계와 그르브 밸브를 설치
(2) 감압밸브 종류
(3) 대유량 방출시험 방법
Figure 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에서는 소방산업기술원 KFI인증기준 제12조 방출시험에 준하여 다음과 같은 절차에 따라 방출시험을 수행하였다.
1) 감압밸브 시험장치에 감압밸브를 설치한 후, 밸브 시트를 폐쇄하고 2차측 개폐밸브를 개방하여 2차측 압력계의 압력 값이 0 MPa가 되도록 설정함.
2) 2차측 개폐밸브를 폐쇄한 후 1차측 개폐밸브를 서서히 개방하여 사용압력에 도달하도록 한 뒤, 압력조정장치를 조정하여 2차측 설정압력을 조정함.
3) 2차측 개폐밸브를 개방하여 유량을 2 min간 방출시키고, 설정압력과의 편차 여부를 확임함.
4) 제조사가 제시한 2차측 설정압력 조건에서 차압을 0.5 MPa로 유지하며, 2차측 개폐밸브를 조정하여 800, 1,450, 1,750, 3,050 L/min 순으로 방출유량 시험을 수행함.
5) 방출시험 시 감압밸브의 1차 압력계와 2차 압력계 압력변화를 관찰하고 기록함.
3.2.2 소유량 방출시험 조건
(1) 소유량 소화펌프장 시험설비 구성
1) 전동기 규격: 3.7 Hp, 220 V, 60 Hz
2) 입형다단펌프 규격: 정격유량 60 L/min, 정격양정 150 m, 배관경 50 A, 회전수 3,050 rpm
3) 유량계: 0~1,000 L/min, 허용오차: 1.0%
4) 조건: 온도 20 ℃
5) 입형다단펌프와 감압밸브를 연결하고, 감압밸브 1차측과 2차측에 압력계를 설치
6) Figure 2와 같이 감압밸브 2차측에 방출시험을 위한 소유량 전용 전자식유량계와 2차측에 압력계와 그르브 밸브를 설치
(2) 감압밸브 종류
(3) 소유량 방출시험 방법
Figure 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에서는 소방산업기술원 KFI인증기준 제12조 방출시험에 준하여 다음과 같은 절차에 따라 방출시험을 수행하였다.
1) 감압밸브 시험장치에 감압밸브를 설치한 후, 밸브 시트를 폐쇄하고 2차측 개폐밸브를 개방하여 2차측 압력계의 압력 값이 0 MPa가 되도록 설정함.
2) 2차측 개폐밸브를 폐쇄한 후 1차측 개폐밸브를 서서히 개방하여 사용압력에 도달하도록 한 뒤, 압력조정장치를 조정하여 2차측 설정압력을 조정함.
3) 2차측 개폐밸브를 개방하여 유량을 2 min간 방출시키고, 설정압력과의 편차 여부를 확임함.
4) 제조사가 제시한 2차측 설정압력 조건에서 차압을 0.5 MPa로 유지하며, 2차측 개폐밸브를 조정하여 0, 60, 80, 250 L/min 순으로 방출유량 시험을 수행함.
5) 방출시험 시 감압밸브의 1차 압력계와 2차 압력계 압력변화를 관찰하고 기록함.
실험에 사용된 소방용 감압밸브는 체터링 및 헌팅 현상 발생 시, 그 원인을 ‘오리피스 디스크 파손’, ‘disk seal 누수’ 등 개별 구성요소의 결함으로 원인을 분해⋅해석하고, 해당 부품을 교체하는 방식으로 해결하려는 경우가 많다. 본 연구에서는 이러한 인식이 잘못되었음을 실증적으로 입증하기 위해 실험 대상 감압밸브 전 제품을 모두 신품으로 준비하였다. 또한 감암밸브의 동작 특성 비교를 위해, 정적 거동의 문제점을 개선한 균압방지 기능형 강암밸브와 기존에 압력 크리프 현상으로 인해 현장에서 기피되었던 직동형 감압밸브의 두 가지 형태를 실험에 포함하였다. 감압밸브 제조사 선정은 다음과 같다. 외산 제품으로는 감압밸브 본체에 내장형 릴리프 밸브가 장착된 다이아프램형 균압방지 감압밸브(A사, B사), 국산 제품으로는 직동형 감압밸브를 제조하는 C사의 제품을 사용하였다. 이는 다양한 감압밸브의 실물 시험을 통해, 부품 개선이 실제로 체터링 및 헌팅 현상의 해결로 이어지는지를 검증하기 위함이다. 시험 유량 조건은, 소유량 방출시험의 경우 충압펌프의 정격유량은 60 L/min이며, 이는 스프링클러 헤드 1개당 방출유량(80 L/min) 보다 작은 값이다. 즉, 최소 유량은 60 L/min이며, 이후 스프링클러 헤드 개방 수량에 따라 1개(80 L/min), 3개, 5개, 10개 순으로 유량을 증가시켰다. 소방펌프는 정격유량 800 L/min, 전양정 150 m이다. 대유량 방출시험의 경우 정격유량 2,400 L/min, 정격양정 150 m의 펌프이며, 800, 1,600, 2,400 L/min의 순서로 실시하였다.
3.3 실험 차별성
기존 연구 및 기술기준은 충압펌프와 감압밸브 간 비정상 상호작용으로 인한 불안정성을 완전히 제거하지 못하였다. 본 연구는 바로 이러한 공백을 채우고자, 개별 부품 수준을 넘어 시스템 전체의 구조적 개선을 통한 해법을 제시한다는 점에서 기존 선행연구들과 차별성을 가진다. 본 연구에서는 가설을 검증하기 위해 핵심 수리학적 변수(관경, 압력, 유량)를 정밀하게 제어할 수 있는 실험 장치를 구축하였으며, 실험을 통해 변수를 분석하였다. 이는 각 변수가 시스템의 안정성에 미치는 영향을 정량적이고 독립적으로 평가할 수 있게 하였다. 즉, ‘이론’이나 ‘가상현실’에 머무르지 않고, 실제 물리적 현상에 기반한 공학적 해결책을 제시한다는 점에서 연구의 신뢰성과 실용성을 극대화하였다.
본 연구는 다음과 같은 방식으로 정량적 실험과 실물 기반 분석을 통해 결론을 도출하고자 하였다.
3.4 실험 조건별 방출시험 측정
Figure 3은 감압밸브를 0.5 MPa 압력셋팅으로 조정하고, 관경별 40 A부터 한 단위씩 올려 100 A까지 3개 제조사 신품으로 준비하였다. 방출시험에서 소유량 펌프에서는 체절운전부터(0 L/min)부터 60, 80, 280, 500 L/min까지 방출시험을 하였고, 대유량 펌프에는 800, 1,000, 1,350, 3,050 L/min까지 하나의 방출시험을 2번씩 실시하였다.
4. 실험 결과 분석
4.1 오버사이징, 언더사이징, 헌팅
이 연구에서는 실험을 통해 1차측 압력, 2차측 압력, 오버사이징, 언더사이징, 및 헌팅 발생 여부 등을 확인하였다. 오버사이징은 감압밸브 구경이 클 때 나타나는 현상으로, 요구되는 유량(설계 유량)에 비해 밸브의 용량이 과도하게 큰 밸브를 선정한 상태를 말한다. 밸브가 10% 미만의 개도율로 약간만 열려도 필요한 유량이 통과하며, 이로 인해 밸브 플러그(디스크)가 밸브 시트 근처에서 미세하게 작동해야 하므로 제어성이 극도로 나빠진다. 본 연구에서는 정량적 데이터 확보를 위해 방출유량에 따른 감압밸브의 동작 특성을 1차측과 2차측의 압력 변화 추이 및 압력계의 시간별 반응 그래프를 통해 계측하였다. 특히, 실험 중 관찰된 헌팅 및 오버사이징 현상은 다음과 같은 계측을 통해 분석 및 검증하였다.
감압밸브 1차측 압력계의 바늘이 심하게 떨리는 경우, 오버사이징이 발생한 것으로 판단하였다. 언더사이징은 정격유량 이상으로 흐르는 경우로 개도율이 100% 개방되면서 감압밸브 1차측의 압력계가 강하되면서 2차측의 압력계가 동시에 다운되는 경우로 유량에 비해 밸브가 너무 작을 때 나타나는 현상으로, 시스템에서 요구하는 최대 유량에 비해 밸브의 용량이 부족한 밸브를 선정한 상태를 말한다. 시스템이 최대 유량을 필요로 할 때, 밸브가 완전히 열려도 요구되는 유량을 통과시키지 못한다. 이로 인해 밸브 자체가 배관의 큰 저항으로 작용하여, 밸브 후단(2차측)의 압력이 감압밸브 셋팅한 압력을 유지하지 못하고 현저하게 떨어지는 ‘드룹(droop)’ 현상이 발생한다. 이 연구에서는 감압밸브 1차측 압력계의 떨림 현상이 관찰된 경우 언더사이징이 발생한 것으로 판단하였다. 헌팅은 제어 대상이 목표값 근처에서 지속적으로 진동하거나 왕복 운동을 반복하면서 안정 상태에 도달하지 못하는 상태를 말한다. 이 연구에서는 2차측 압력값의 진동이 있는 경우 헌팅이 발생한 것으로 판단하였다.
Figure 4의 다이어프램식 감압밸브는 균압압지를 목적으로 설계되어, 감압밸브에 자체 소유량 릴리프 밸브가 추가되어 있다. 이 밸브는 순간적으로 2차측에 압력이 상승하는 것을 방지하기 위해 만들어 주어 감압밸브 설정압력이상이 되면 릴리프밸브가 개방되어 2차측의 수압을 낮추는 효과가 있다. 그러나 본 실험에서는 2차측 밸브가 개방되어 방출유량이 연속으로 흐르고 있음에도 불구하고, 릴리프 밸브의 개방과 정지가 반복되면서 감압밸브 2차측의 압력계가 요동치는 과정이 발견되었다. 이는 특히 소유량 조건에서 발견되었으며, 정지압력에서 릴리프 밸브 개방에 따른 누수가 발생함으로써 감압밸브의 헌팅 현상을 유발하고, 결과적으로 무한 반복을 초래하는 원인 중 하나로 추가적으로 확인되었다.
4.2 관경별 유량값 변수에 따른 체터링에 의한 헌팅현상 분석
Table 1은 A사 감압밸브 관경별 방출시험 데이터를 나타낸 것이다. 100 A 감암밸브에서는 60 L/min부터 250 L/m까지의 유량 구간에서 오버사이징 현상이 나타났으며, 특히 60 L/min 조건에서는 2차측 압력이 0.75 MPa에서 0.9 MPa까지 헌팅 현상이 동반되었다. 반면, 80 A 감압밸브에서는 소유량 및 대유량 조건 모두에서 오버사이징과 헌팅 현상이 발생하지 않았다. 50 A 감압밸브에서는 60 L/min부터 250 L/min까지의 구간에서 오버사이징은 관찰되지 않았으나, 60 L/min부터 80 L/min까지의 구간에서 2차측 압력이 0.78 MPa에서 0.80 MPa로 진동하는 헌팅 현상이 확인되었다. 40 A 감압밸브에서는 60 L/min부터 80 L/min까지의 구간에서 오버사이징과 헌팅 현상이 확인되었다. 결과를 종합하면, A사의 균압방지 감압밸브(40 A, 50 A, 65 A, 80 A, 100 A)에 대한 시험에서 80 A를 제외한 모든 규격에서 60 L/min 및 80 L/min 조건에서 오버사이징 또는 헌팅이 발생함을 확인하였다. 또한, 40 A, 50 A, 65 A 감압밸브에서는 정격유량 이상 구간에서 언더사이징이 확인되었다. 특이한 점은 40 A (정격유량 430 L/min)와 50 A (정격유량 800 L/min) 감압밸브가 정격유량의 10%를 크게 하회하는 60 L/min 및 80 L/min 조건에서 헌팅 현상이 발생되었다는 것이다.
Table 1
Flow Discharge Test Data by Pipe Diameter (Company A)
Table 2는 B사 감압밸브 관경별 방출시험 데이터를 나타낸 것이다. 100 A 감압밸브에서는 60 L/min부터 80 L/min 구간에서 오버사이징 현상이 발생하였으며, 해당 구간에서 2차측 압력은 0.75 MPa부터 0.83 MPa까지 진동하며 헌팅 현상이 함께 나타났다. 80 A 감압밸브 또한 60 L/min부터 80 L/min 구간에서 오버사이징이 발생하였으며, 이때 2차측 압력은 0.81 MPa부터 0.82 MPa로 미세하게 변동되었으나 압력차 반응이 거의 없는 상태에서 헌팅이 발생하였다. 헌팅은 저유량 조건(60~80 L/min)에서만 관찰되었다. 50 A 감압밸브의 경우 오버사이징이 발생하지 않았으며, 2차측 압력은 0.78 MPa부터 0.80 MPa로 거의 변화 없이 유지되었음에도 불구하고, 동일 유량 구간에서 헌팅 현상이 발생하였다.
Table 2
Flow Discharge Test Data by Pipe Diameter (Company B)
Table 3은 C사 감압밸브 관경별 방출시험 데이터를 나타낸 것이다. 100 A 감압밸브에서는 60 L/min부터 160 L/min 구간에서 오버사이징 현상이 지속적으로 발생하였으며, 이 때, 2차측 압력이 0.73 MPa에서 최대 1.43 MPa까지 급격히 진동하는 심한 헌팅 현상이 관찰되었다. 또한 80 A 감압밸브는 60 L/min부터 160 L/min 구간에서 오버사이징이 발생하였으며, 같은 구간에서 2차측 압력은 0.82 MPa부터 0.86 MPa까지 나타났고, 실질적인 심한 헌팅은 160 L/min 조건에서 발생하였다.
Table 3
Flow Discharge Test Data by Pipe Diameter (Company C)
5. 고 찰
5.1 감압밸브의 동적 불안정성(체터링/헌팅)에 의한 단속운전
감압밸브 2차측 구역 내에서(예: 스프링클러 헤드 피팅) 허용 가능한 수준의 미세한 누수가 발생하게 되면, 이 누수로 인해 충압펌프가 기동하고, 감압밸브를 통해 매우 적은 유량의 유체가 흐르게 된다. 이 유량은 매우 적기 때문에, 감압밸브는 불안정한 저개도 영역에서 작동하게 되어 체터링 현상을 일으킨다. 감압밸브의 불안정한 작동은 1차측 배관 내에 상당한 압력 맥동을 발생시키며, 충압펌프의 매우 민감한 자동기동압력 스위치가 이러한 맥동을 감지하게 된다. 압력 스위치는 설정된 기동/정지 편차(약 10 psi 내외)를 기준으로 작동하게 되는데, 압력의 진동으로 인해 반복적으로 이 편차를 초과하게 된다. 결과적으로 충압펌프가 짧은 시간 간격으로 급속한 단속운전을 수행하게 된다. 즉, 충압펌프는 소화설비 내의 소량 누수를 보충하기 위해 동작하지만, 압력의 안전화를 시도하는 기동과 정지를 반복하게 되는 역설적인 상황에 놓이게 된다. 이 과정에서 펌프와 밸브는 피드백 루프에 갇히게 된다.
Figure 5는 충압펌프 단속운전 시 감압밸브 및 충압펌프의 단위 시간당 압력 변화를 나타낸 것이다. 그래프의 x축은 시간, y축은 압력이다. 충압펌프가 매우 짧은 시간 동안 기동과 정지를 반복하는 것을 볼 수 있다. 감압밸브는 충압펌프가 기동할 때 급격한 압력 상승을 보이고, 충압펌프가 정지하면 2차측 배관을 통한 누수로 인해 압력이 서서히 감소하게 된다. 결과적으로, 이러한 압력 변화가 펌프의 무한 반복 기동을 유도하는 메커니즘으로 작용하는 것으로 판단할 수 있다.
5.2 충압펌프와 감압밸브 사이 배관 내 적은 용적과 충압펌프 동작패턴
충압펌프의 정격 성능은 60 L/min임에도 불구하고, 충압펌프와 감압밸브 사이 배관 체적이 작아 감압밸브 2차측으로 충분한 유량과 압력이 도달하기 전에, 1차측 배관 내 압력이 급격하게 상승하게 된다. 이로 인해 감압밸브 디스크가 조기에 닫히게 되고, 동시에 충압펌프는 정지 압력에 도달하여 작동을 멈추게 된다. 이후, 감압밸브는 닫힌 상태를 유지하다가, 2차측 배관의 압력을 채우기 위해 서서히 재개방되며, 이 과정에서 1차측 압력이 다시 낮아지게 된다. 이에 따라 충압 펌프는 기동 압력에 재도달하면서 재차 기동하게 되며, 단속운전 현상이 발생한다. 이것의 근본원인은 감압밸브가 소유량에서 오리피스 역할을 하는 디스크의 개방과 폐쇄가 반복적으로 나타나는 체터링현상이 발생하고 이때, 감압밸브 2차 측에 누수가 지속될 경우 감압밸브 헌팅현상이 발생한다. 현재 상용화된 감압밸브의 경우 정격유량의 약 10% 이하 유량에서 제어가 불가능한 영역이 존재하며, 이는 물리적⋅기계적 설계의 한계로 판단되고 있다. 이 연구에서 수행된 실험 결과로부터 충압펌프의 비정상적 동작 패턴은 감압밸브 부품의 고장이나 손상이 없더라도 발생할 수 있음을 확인하였다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 소유량 조건에서 체터링 및 헌팅이 발생하지 않는 소유량 전용 감압밸브와 대유량 대응 감압밸브를 조합하는 이중 설계 방안이 필요하며, 이를 통해 충압펌프의 단속운전이 사라질 것으로 기대한다.
5.3 소방용 감압밸브 선정 문제점
감압밸브의 규격은 배관의 직경을 기준으로 선정하는 것이 아니라, 밸브 자체의 용량을 기준으로 선정하여야 한다. 출구 압력이 설정 압력보다 낮아지는 ‘fall-off’ 현상이 나타나는 것은, 실제 사용유량이 해당 밸브의 처리 용량을 초과하고 있음을 의미하며, 이 경우 요구 유량에 이를 때까지 출구 압력은 지속적으로 감소한다. 이처럼 밸브의 용량이 사용 유량에 비해 작을 경우, 더 큰 용량의 밸브로 교체한다면 문제를 해결할 수 있다. 반면, 감압밸브가 오히려 지나치게 크게 선정된 경우에도 소음 발생, 디스크 진동에 의한 seat 손상, 저유량 영역에서의 불안정한 작동 등의 문제가 발생할 수 있다. 특히 최소유량 상태에서 밸브 디스크와 시트의 반복적인 충돌은 내구성 저하와 기능 손실로 이어질 수 있다. 이러한 문제는 유량 조절 밸브 전반에서 공통적으로 나타나는 현상이다. 따라서 밸브 규격의 적정성을 확보하기 위해서는 제조업체가 제공하는 규격별 압력 손실 곡선, 사용 유량별 적정 규격 범위 도표, 감압 가능 범위 선도 등을 활용하여 설계에 반영할 필요가 있다.
국가화재안전기준(NFTC, NFPC)은 소방감압밸브에 대한 기술기준이 없으며, 소방산업기술원의 소방용감압밸브 KFI인증기준 관련 기준은 800, 1,600, 2,400 L/min의 대유량 방출시험 조건에 대해서만 시험 및 인증기준을 규정하고 있다. 화재 초기단계에서 실질적으로 중요한 소유량 조건(ex 충압펌프 60 L/min 이하 또는 스프링클러 헤드 1~2개 개방 시 유량)에 대해서는 별도의 시험 조건이나 설계 기준이 마련되어 있지 않다. 이로 인해 1) 소유량 영역에서의 작동 안전성에 대한 기술적 기준 부재로 인해 체터링, 헌팅, 단속운전과 같은 이상 현상이 발생할수 있으며, 2) 대부분의 화재는 스프링클러 헤드 1~2개의 작동으로 초기 진압이 이루어지는데 이러한 실제 화재 초동 대응 단계에서 필요한 유량조건에 대한 감압밸브 적용 기준이 존재하지 않아 실제 화재 특성과의 괴리가 발생할 수 있고, 3) 시스템의 압력 안정성과 주요 부품의 신뢰성 및 시스템 전체의 신뢰성에 심각한 영향을 미칠 수 있다.
현재 실무에서는 특정 소방대상물의 용도에 따라 주펌프 정격유량에 근거하여 소방용 감압밸브를 선정하고 있으나, 충압펌프와 같은 소유량에 적합한 감압밸브는 고려되지 않고 있다. 기존 방식은 소유량 운전 조건에서 체터링 및 헌팅 발생 원인이 될 수 있으므로, 충압펌프에 적합한 소유량 전용 감압밸브의 병렬 설치 및 규격 검토가 필요할 것으로 판단된다.
6. 결 론
본 연구에서는 감압밸브의 불안정한 동작 특성을 실험적으로 규명하고, 감압밸브의 선정 및 운전조건의 개선 방향을 제시하고자 하였다. 실험적 연구를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1. 감압밸브의 제어 가능한 한계가 하한 유량이 정격 유량의 약 10% 수준으로 알려져 있다. 그러나 본 연구에서 수행된 실험에 따르면, 정격 유량의 25% 수준에서도 체터링과 헌팅 현상이 발생하였으며 유량이 작아질수록 이러한 불안전성은 심화되었다. 이는 감압밸브의 제어영역이 기존 설계 기준보다 더 협소하다는 사실을 시사한다. 현재 대부분의 소방설계는 정격 유량에 기반한 감압밸브 규격 선정에 집중되어 있으며, 스프링클러 헤드 1~2개 수준의 소유량 조건에 대한 감압밸브 동작 안전성은 고려되지 않고 있다. 이는 균일한 살수 밀도 확보 실패, 초기 화재 억제 실패, 급속한 화재 확산 등으로 이어질 수 있다. 또한, 60 L/min 규모의 충압펌프가 공급하는 유량이 감압밸브의 제어 하한을 벗어날 경우, 2차 피해로 이어질 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 감압밸브가 소유량 조건에서는 신뢰성을 중시하는 소방 시스템에 적합하지 않을 수 있다.
2. 실험에 사용된 균압방지형 감압밸브와 개선된 직동형 감압밸브 모두 소유량 조건에서 체터링 및 헌팅 현상을 완전히 해소하지는 못하였다. 동일한 형식의 감압밸브임에도 불구하고 밸브별로 성능 편차가 매우 크며, 감압밸브의 유동 특성 및 부품의 민감도가 단속운전 발생에 유의미한 영향을 미치는 것으로 판단된다. 현재 많은 제조사들은 감압밸브에 레귤레이터를 부착한 구조를 채택하여 개선을 시도하고 있으나, 실험 결과 레귤레이터 배수관로를 통한 지속적인 미세 누수 발생과 이로 인한 단속운전은 여전히 해결되지 않았다. 이로 인해 성능 개선은 크지 않으면서 제품 단가만 상승하는 결과를 초래하고 있다.
3. 본 연구에서는 기존 감압밸브의 한계와 위험성을 규명하고, 시험을 통해 관경, 압력차, 유량 변화에 따른 감압밸브의 동작 특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 몇 가지 개선안을 제안하고자 한다. 첫 번째는 소방용 감압밸브의 KFI 인증기준 개정이다. 현재는 정격 유량 조건에서만 시험이 이루어지므로, 60 L/min 또는 정격 유량의 10% 이하 유량 조건의 안정적인 작동 여부를 판단하는 ‘소유량 시험 항목’을 추가하는 것을 고려할 수 있다. 두 번째는 화재 시 대유량을 처리하는 감압밸브와 평상시 충압펌프 운전에 적합한 소유량 감압밸브를 병렬 조합하는 설계 방식이 고려될 수 있다. 예컨대, 스프링클러 헤드 1개(80 L/min)나 옥내소화전 1개(130 L/min) 작동 시에도 안정적인 감압 제어가 가능해야 한다. 마지막으로 부품 개선 중심의 접근에서 벗어나, 감압밸브 2차측에 충압펌프와 자동기동장치를 연동 배관으로 연결하여, 충분한 2차측 압력이 충전된 이후 펌프가 정지되도록 하는 새로운 설계 모델을 제안할 수 있다. 이를 통해 감압밸브의 저유량 불안전성에 의한 단속운전을 근본적으로 방지할 수 있을 것으로 기대한다.
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