KR101579676B1 - 다상유동 펌프 시험장치 - Google Patents

다상유동 펌프 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다상유동 펌프 시험장치에 관한 것으로서 본 발명에 따른 다상유동 펌프 시험장치는 다상유동 유체를 공급받아 외부로 토출하는 펌프의 성능을 시험하는 다상유동 펌프 시험장치에 있어서, 상기 펌프의 일단에 연결되어, 상기 펌프 측으로 액체가 공급되도록 하는 액체 공급부; 상기 펌프가 상기 다상유동 유체를 공급받을 수 있도록, 상기 펌프와 연결된 상기 액체 공급부에 기체를 공급하는 기체 공급부; 상기 다상유동 유체가 토출되는 상기 펌프의 타단에 마련되며, 상기 펌프로부터 회전하며 토출되는 상기 다상유동 유체를 직선이동 하도록 하는 변환부; 상기 변환부로부터 토출되는 상기 다상유동 유체를 액체와 기체로 분리하여 상기 액체 공급부와 상기 기체 공급부로 순환시키는 순환부; 상기 펌프에 공급되기 전의 상기 다상유동 유체의 상태량과 상기 펌프로부터 토출된 상기 다상유동 유체의 상태량을 측정하여 상호 비교함으로써, 상기 펌프의 성능을 시험하는 측정부;를 포함한다. 이에 의하여, 액체와 기체를 혼합하여 형성한 다상유동 유체를 펌프에 공급하여 실제 산업환경에 쓰이는 다상유동 펌프와 동일한 환경을 조성하며, 다상유동 유체의 공급 전·후의 상태량을 측정함으로써 다상유동 펌프의 성능을 시험하며, 펌프를 통과한 다상유동 유체를 순환시켜 펌프에 재공급함으로써 펌프 성능 시험을 반복적으로 할 수 있는 다상유동 펌프 시험장치가 제공된다.

Description

다상유동 펌프 시험장치{APPARATUS FOR TESTING MULTI-PHASE FLOW PUMP}
본 발명은 다상유동 펌프 시험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 액체와 기체를 혼합하여 형성한 다상유동 유체를 펌프에 공급하여 실제 산업환경에 쓰이는 다상유동 펌프와 동일한 환경을 조성하며, 다상유동 유체의 공급 전·후의 상태량을 측정함으로써 다상유동 펌프의 성능을 시험하고, 펌프를 통과한 다상유동 유체를 순환시켜 펌프에 재공급함으로써 반복적으로 펌프 성능 시험을 할 수 있는다상유동 펌프 시험장치에 관한 것이다.
대표적인 부존자원인 석유는 급격한 수요 증가로 인해 고유가 현상이 지속되고 있다. 따라서, 앞으로 다가올 자원 부족 문제를 해결하기 위한 방안으로 심해의 가스 및 원유 개발이 중요하다.
심해저 공정처리장비는 심해에서 채굴된 원유나 가스를 심해저에서 처리하고 정제하여 운반하는 기자재이다. 심해저 공정처리장비는 다상유동 펌프, 압축기, 분리기 등으로 구성된다.
여기서, 다상유동 펌프시스템(Multi-Phase Pump system,MPP)은 유정 내의 원유 또는 가스 등의 다상 혼합물을 해상 플랫폼이나 부유식 원유생산저장 및 하역설비(Floating Production Storage offloading,FPSO) 등의 원유처리 플랜트로 이송시킨다. 다상유동 펌프시스템은 원유생산원가를 절감시킬 수 있으며, 다양한 적용이 가능하기 때문에 육상 및 해상 모두에서 그 사용 범위가 확대된다.
다상유동 펌프시스템은 용적형과 회전형으로 분류된다. 용적형 다상유동 펌프시스템으로는 TSP(Twin-screw pump)와 PCP(Progressing cavity pump)와 피스톤 펌프 및 다이어프램 펌프 등이 있다. 또한, 회전형 다상유동 펌프시스템으로는 다단축류 펌프인 HAP(Helico-axial pump)와 다단원심펌프인 ESP(Electrical Submersible pump) 등이 있다.
나아가, 다상유동 펌프시스템에서는 두 가지 이상의 서로 다른 기체 또는 유체가 혼합된 혼합체에서 기체가 차지하는 상대적인 비율을 나타내는 가스체적분율(Gas Volume Fraction,GVF)이 중요한 요소로 작용한다.
TSP 펌프의 경우 높은 가스체적분율 조건에 적용되며, ESP는 40% 이하의 낮은 가스체적분율에 적용되는 등 각 펌프에 따라 요구되는 가스체적분율이 상이하다.
따라서, 기체, 고체, 액체로 혼합되어 있는 물질에 의하여 발생되는 압력의 변화에 대한 다상유동 펌프시스템의 안정성 및 신뢰성 등을 평가하기 위한 장비가 요구된다.
다만, 다상유동 펌프시스템의 성능 시험은 초기 구축 비용 및 운용비 확보의 어려움, 설치된 지역의 조건 등의 문제에 의하여 직접적인 시험은 어려운 문제점이 있다.
또한, 펌프를 통과한 다상유동 유체를 다시 펌프 시험에 사용하는 경우, 저장탱크 내부에 유입된 다상유동 유체의 기체와 액체로의 분리를 모두 탱크에서 담당하게 되며, 이를 탱크에서 모두 분리하지 못하면 일부의 기체가 다시 펌프로 재유입되는 문제점이 있다. 또한, 탱크에서 기체와 액체로 모두 분리하기 위해서는 탱크의 용적 또는 길이가 길어져야 하는 문제점이 있어 시험 설비의 구성의 가격 및 부피가 커지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액체와 기체를 혼합하여 형성한 다상유동 유체를 펌프에 공급하여 실제 산업환경에 쓰이는 다상유동 펌프와 동일한 환경을 조성하며, 다상유동 유체의 공급 공급 전·후의 상태량을 측정하여 다상유동 펌프의 성능을 시험하는 다상유동 펌프 시험장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 펌프를 통과한 다상유동 유체를 펌프 토출 배관 즉 순환부에서 일부 기체를 배출하여 기체 공급부로 공급함으로써 시험 설비의 부피를 줄이는 다상유동 펌프 시험장치를 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 다상유동 유체를 공급받아 외부로 토출하는 펌프의 성능을 시험하는 다상유동 펌프 시험장치에 있어서, 상기 펌프의 일단에 연결되어, 상기 펌프 측으로 액체가 공급되도록 하는 액체 공급부; 상기 펌프가 상기 다상유동 유체를 공급받을 수 있도록, 상기 펌프와 연결된 상기 액체 공급부에 기체를 공급하는 기체 공급부; 상기 다상유동 유체가 토출되는 상기 펌프의 타단에 마련되며, 상기 펌프로부터 회전하며 토출되는 상기 다상유동 유체를 직선이동 하도록 하는 변환부; 상기 변환부로부터 토출되는 상기 다상유동 유체를 액체와 기체로 분리하여 상기 액체 공급부와 상기 기체 공급부로 순환시키는 순환부; 상기 펌프에 공급되기 전의 상기 다상유동 유체의 상태량과 상기 펌프로부터 토출된 상기 다상유동 유체의 상태량을 측정하여 상호 비교함으로써, 상기 펌프의 성능을 시험하는 측정부;를 포함하는 다상유동 펌프 시험장치에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 순환부는, 상기 다상유동 유체를 기체와 액체로 분리하며, 상기 기체가 유출되는 유출부가 형성되는 분리부; 상기 유출부와 연결되며 분리된 상기 기체를 상기 기체 공급부 측으로 공급하는 기체 순환부; 일단은 상기 분리부와 연결되며 타단은 상기 액체 공급부와 연결되어 상기 액체 및 상기 기체의 일부를 상기 액체 공급부 측으로 공급하는 액체 순환부를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 분리부는, 중력방향의 반대방향에 상기 유출부가 형성되며, 내부에서 유동하는 상기 기체를 상기 유출부를 통하여 상기 기체 순환부로 유출시키는 배출밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 분리부는 투명한 소재로 마련되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기체공급부는, 기체가 저장되는 기체탱크; 상기 기체 탱크와 연결되며, 상기 기체가 이동하는 통로인 기체배관; 일단은 상기 기체배관과 연결되며 타단은 상기 액체공급부와 연결되어, 상기 액체공급부에 상기 기체를 공급하는 기체 공급로;를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 기체 공급부는, 상기 액체공급부와 연결되는 상기 기체공급로의 일단에는 기체가 분출되어 상기 액체와 혼합될 수 있도록 분출부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 투명한 소재로 마련되며, 내부에 상기 펌프가 설치되는 케이싱을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 실제 해양플랜트에서 사용되는 다상유동 펌프시스템과 동일한 환경을 조성한 다상유동 펌프를 함으로써, 설치된 지역의 조건, 운용비 등에 제약없이 다상유동 펌프의 성능을 시험할 수 있다.
또한, 펌프로부터 토출되는 다상유동 유체를 직선이동하도록 함으로써, 보다 용이하게 유체의 상태량 측정 등이 가능하다.
또한, 기체 공급로와 연결되는 기체배관의 일단은 하방으로 절곡되도록 형성함으로써, 각 기체 공급로에 균일한 유량의 기체가 공급될 수 있어, 기체의 유량 제어가 용이하다.
또한, 각 기체 공급로와 분출부의 연통을 선택적으로 차단함으로써 다상유동유체의 가스체적분율을 조절할 수 있어, 여러 종류의 펌프에 대한 성능검사를 할 수 있다.
또한, 펌프를 통과한 다상유동 유체를 기체와 액체로 분리하여 각각 기체 공급부와 액체 공급부에 공급함으로써 반복적으로 펌프에 대한 성능검사를 할 수 있다.
또한, 펌프를 통과한 다상유동 유체를 탱크에 유입하기 전에 기체와 액체로 분리하여 기체 일부를 기체 공급부로 배출함으로써 장치의 전체적인 크기가 작아진다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다상유동 펌프 시험장치의 장치도이다.
도 2은 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 개략적인 사시도이다.
도 3은 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 정면도이다.
도 4는 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 개략적인 저면사시도이다.
도 5는 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 순환부에서의 작동을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 다상유동 펌프 시험장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다상유동 펌프 시험장치의 장치도이며, 도 2은 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 개략적인 사시도이며, 도 3은 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 정면도이며, 도 4는 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 개략적인 저면 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 보면, 본 발명의 일실시예에 따른 다상유동 펌프 시험장치(100)는 펌프(110)와, 펌프(110) 하단에 연결되는 액체 공급부(120)와, 액체 공급부(120)의 일단에 연결되는 기체 공급부(130)와, 펌프(110)의 상단에 연결되는 변환부(140)와, 펌프(110)의 유출부와 연결되는 순환부(150) 및 펌프(110)와 소정간격 이격되어 설치되는 측정부(160)를 포함한다.
본 발명은 심해저에 사용되는 다상유동 펌프시스템과 동일한 환경을 조성하여 다상유동 펌프 시스템의 성능을 테스트하며 다상유동 유체를 분리하여 펌프에 재공금 함으로써 반복적인 펌프 시스템의 성능을 테스트하기 위한 것이다. 펌프(110)는 모터와, 다상유동 유체를 이송하기 위하여 회전하며 모터에 연결되는 임펠러(111)를 포함한다. 모터는 유체를 이송시키기 위하여 임펠러(111)에 구동력을 인가하는 장치이다. 임펠러(111)는 모터에 연결되어 모터로부터 구동력을 인가받음으로써 회전한다. 임펠러(111)의 외면에는 블레이드(112)가 설치된다. 임펠러(110)가 회전함에 따라 발생하는 원심력에 의하여 다상유동 유체에 속도에너지 및 압력에너지를 부여하여 다상유동 유체를 펌프(110) 하측으로부터 펌프(110) 상측으로 이송시킨다.
임펠러(111)는 케이싱(113) 내부에 설치된다. 케이싱(113)은 측정부(160)가 다상유동 유체의 상태량 등이 용이하게 측정하며 실험자가 육안으로 다상유동 상태를 확인할 수 있도록 투명한 재질로 마련된다. 한편, 본 실시예에서 케이싱(113)은 아크릴 소재를 이용하였으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 펌프(110)는 심해저에 설치되어 심해저 자원을 채취하기 위하여 수중에서도 운전가능하도록 마련된 다상유동 펌프시스템과 동일한 조건을 갖도록 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 펌프(110)는 송출량이 크고 저양정에서 사용되며, 다상유동 유체가 펌프(110)의 축방향으로 송출되는 축류펌프로 마련되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
액체 공급부(120)는 펌프(110)에 다상유동 유체를 공급할 수 있도록 펌프(110) 측으로 액체를 공급하는 장치이다. 액체 공급부(120)는 액체 탱크(121)와, 일단은 액체 탱크(121)와 연결되며 타단은 펌프(110)의 하단에 연결되는 액체배관(122)을 포함한다.
액체 탱크(121)는 액체를 저장하는 장치이며, 액체 배관(122)은 액체 탱크(121)에 저장된 액체가 이동하는 통로이다. 액체 배관(122)은 일단은 액체탱크(121)와 연결되며 타단은 펌프(110)의 하단에 연결된다. 펌프(110)의 모터가 작동하여 임펠러(111)가 회전하면 액체 탱크(121)에 저장된 액체는 액체 배관(122)을 따라서 펌프(110)로 유입된다.
한편, 펌프(110)의 하단과 연결되는 액체 배관(122)의 일단에는 복수 개의 유입공이 형성된다. 유입공에는 후술하는 기체 공급부(130)의 기체공급로(133)가 연결되어, 액체 배관(122) 내부로 기체가 공급된다. 즉, 펌프(110)의 하단과 연결되는 액체 배관(122)의 일단에서는 액체 탱크(121)로부터 펌프(110)로 유입되는 액체와 기체공급로(133)로부터 공급되는 기체가 혼합되어 다상유동 유체가 만들어진다. 다시 말해, 펌프(110)와 연결되는 액체 배관(122)의 단부에서 기체공급로(133)로부터 공급되는 기체에 의하여 다상유동 유체가 형성되어 펌프(110)로 유입된다.
기체 공급부(130)는 펌프(110)에 다상유동 유체가 공급될 수 있도록 액체 배관(122)에 기체를 공급하는 장치이다. 기체 공급부(130)는 기체탱크(131)와, 기체탱크(131) 일단에 연결되는 기체 배관(132)과, 일단은 기체 배관(132)에 연결되고 타단은 액체 배관(122)에 연결되는 기체공급로(133)와, 기체공급로(133)에 연결되는 분출부(134) 및 역류방지부재(135)를 포함한다.
기체 탱크(131)는 기체가 저장되는 장치이다. 기체 배관(132)은 기체 탱크(131)에 저장된 기체가 이동하는 통로이다. 기체 배관(132)은 일단은 기체탱크(131)와 연결되며, 타단은 기체공급로(133)와 연결된다. 펌프(110)의 모터가 작동하여 임펠러(111)가 회전하면 기체 탱크(131)에 저장된 기체는 기체 배관(132)을 따라서 펌프(110) 측으로 이동한다.
기체공급로(133)와 연결되는 기체 배관(132)의 타단은 하방으로 절곡되어 형성되는 절곡부(132a)가 마련된다. 절곡부(132a)에는 복수 개의 토출공(132b)이 형성되며, 각 토출공(132b)에는 기체공급로(133)가 연결된다. 한편, 절곡부(132a)는 적어도 일부가 하방으로 갈수록 횡단면이 점점 넓어지는 형상으로 마련된다. 즉, 절곡부(132a)의 전체가 하방으로 갈수록 횡단면이 점점 넓어지는 형상으로 마련되거나, 일부분만 하방으로 갈수록 횡단면이 점점 넓어지는 형상을 마련될 수 있다. 기체공급로(133)와 연결되는 기체 배관(132)의 타단이 절곡되어 형성됨으로써 기체가 절곡부(132a)에서 임시저장된 뒤 토출공(132b)을 통하여 기체공급로(133)로 토출된다. 이로 인해, 각 토출공(132b)으로부터 토출되는 기체의 양은 균일하다. 각 토출공(132b)으로부터 균일한 양의 기체가 토출되므로, 펌프(110)로 공급되는 기체의 양을 용이하게 제어할 수 있다. 한편, 본 실시예에서 토출공(132b)은 절곡부(132a)에 형성되며 상호 나란하게 배열되도록 하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 펌프(110) 측으로 유입되는 기체의 양 등을 종합적으로 고려하여 달리 형성될 수도 있다.
기체 배관(132) 내부에는 토출공(132b)과 기체 공급로(133)의 연통을 선택적으로 차단할 수 있도록 조절부가 설치되는 것이 바람직하다. 절곡부(132a)에 형성된 복수 개의 토출공(132b) 중 일부를 차폐함으로써, 기체가 토출되는 토출공(132b)의 개수를 조절하여 펌프(110)로 공급되는 기체의 양을 조절한다. 이로 인해, 가스체적분율(Gas Volume Fraction,GVF)을 용이하게 제어함으로써, 실제 해양플랜트에서 사용되는 다양한 종류의 다상유동 펌프시스템의 성능을 단일의 펌프(110)만으로 테스트할 수 있다.
여기서, 가스체적분율(Gas Volume Fraction,GVF)이란 두 가지 이상의 서로 다른 기체 또는 유체가 혼합된 혼합체에서 기체가 차지하는 상대적인 비율이다. 가스체적분율은 다상유동 펌프시스템에서 중요한 요소로 작용한다. 다상유동 펌프 시스템 중 TSP 펌프의 경우 높은 가스체적분율 조건에 적용되며, ESP는 40% 이하의 낮은 가스체적분율에 적용되는 등 각 펌프시스템에 따라 요구되는 가스체적분율이 상이하다. 따라서, 조절부에 의하여 토출공(132b)으로부터 토출되는 기체의 양을 조절함으로써 각 펌프(110)에 따라 요구되는 가스체적분율의 조건을 충족시킬 수 있다.
기체 공급로(133)는 토출공(132b)으로부터 토출된 기체가 액체 배관(122)으로 유입되도록 하는 것이다. 기체 공급로(133)는 일단은 기체 배관(132)의 토출공(132b)에 연결되며 타단은 액체 배관(122)의 유입공에 연결된다. 한편, 액체 배관(122)과 연결되는 기체 공급로(133)의 일단에는 기체가 분출되어 액체 배관(122)에 유입될 수 있도록 분출부(134)가 설치된다. 즉, 분출부(134)는 기체가 분출되어 액체와 혼합될 수 있도록 하는 것이다. 분출부(134)에 의하여 기체가 분출됨으로써, 보다 용이하게 다상유동 유체를 생성시킬 수 있다. 본 실시예에서 분출부(134)는 노즐을 사용하였으나, 다상유동 유체를 용이하게 생성할 수 있다면, 기체 공급로(133)와 액체 배관(122)의 연결상태 등을 종합적으로 고려하여 다른 구성요소를 사용할 수도 있으며, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 기체 공급로(133)에는 역류방지부재(135)로서 체크밸브가 설치된다. 따라서, 토출공(132b)으로부터 토출되는 기체는 기체 배관(132) 측으로 역류하지 않으며 모두 액체 배관(122)으로 유입된다.
또한, 기체 공급로(133)에는 액체 배관(122)과의 연통을 차단할 수 있는 개폐부재가 설치될 수 있다. 개폐부재에 의하여 액체 배관(122)으로 공급되는 기체를 차단함으로써 액체 배관(122)으로 공급되는 기체의 양을 제어할 수 있다. 따라서, 조절부와 같이 각 펌프(110)에 따라 요구되는 가스체적분율의 조건을 용이하게 충족시킬 수 있다.
변환부(140)는 펌프(110)로부터 회전하며 토출되는 다상유동 유체를 직선이동 하도록 하는 장치이다. 변환부(140)는 펌프(110)의 상측에 설치된다. 펌프(110)의 임펠러(111)가 회전함에 따라 발생하는 원심력에 의하여 펌프(110)로부터 유출되는 다상유동 유체는 회전하며 토출된다. 다상유동 유체가 회전하며 토출되는 경우 측정부(160)에 의한 측정이 용이하지 않다. 이때, 변환부(140)에 의하여 다상유동 유체가 직선이동 함으로써 펌프의 성능 시험을 보다 용이하게 할 수 있다. 한편, 다상유동 유체는 펌프(110)로부터 회전하며 토출되어 압력이 낮아지나, 변환부(140)를 통과함으로써 다시 압력이 상승하게 된다.
순환부(150)는 펌프(110)를 통과한 다상유동 유체를 액체와 기체로 분리하여 각각 액체 공급부(120)와 기체 공급부(130)로 재공급하는 구성이다. 즉, 펌프(110)의 성능 등을 측정하기 위하여 펌프(110)에 공급되어 유출되는 다상유동 유체를 액상과 기상으로 분리한 뒤 각각 액체 공급부(120)와 기체 공급부(130)로 순환시켜 이를 다시 펌프(110)로 유입함으로써 펌프(110)의 성능을 반복적으로 측정하도록 하는 구성이다. 순환부(150)는 분리부(151)와, 기체 순환부(152) 및 액체 순환부(153)를 포함한다.
분리부(151)는 다상유동 유체를 기체와 액체로 분리하기 위한 구성으로서 펌프와 연결되어 다상유동 유체가 배출되는 배출배관의 일부이다. 즉, 펌프(110)와 탱크를 상호 연결하여 펌프(110)로부터 배출되는 다상유동 유체를 탱크 측으로 이송하기 위한 배출배관의 일부가 분리부(151)가 된다. 다시 말해, 펌프(110)의 유출부와 연결되는 배출배관의 일부가 분리부(151)가 되며, 분리부(151) 이후의 배출배관은 액체 및 소량의 기체만 이동하는 액체 순환부(153)가 된다. 정리하면, 펌프(110)와 액체공급부(120)를 상호 연결하여 다상유동 유체가 배출되는 배관이 배출배관이며, 펌프(110)를 기준으로 다상유동 유체가 유동하는 배출배관, 분리부(151), 액체 순환부(153) 순으로 배열되어 액체 공급부(120)와 연결된다.
펌프(110)로부터 배출되는 다상유동 유체는 배관을 따라 이동하면서 비중 차이에 의하여 기체와 액체층으로 분리된다. 따라서, 분리부(151)는 다상유동 유체가 기체와 액체층으로 분리되는 위치 즉, 펌프(110)로부터 충분히 이격된 곳에 위치하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 분리부(151)와 펌프(110) 사이의 배출배관의 길이는 다상유동 유체가 이동하면서 비중차에 의하여 기체층과 액체층으로 분리되도록 마련되는 것이 바람직하다.
분리부(151)의 상면에는 기체가 배출되는 유출부가 형성된다. 분리부(151)는 다상유동 유체가 기체층과 액체층으로 분리되는 영역에 위치한다. 이때, 기체층이 액체층에 비하여 상대적으로 높은 곳에 위치하며, 기체가 무게에 의하여 분리부(151)로부터 배출될 수 있도록 유출부는 분리부(151)의 상면 즉, 중력방향과 반대방향에 형성된다.
분리부(151)는 배출밸브(151a) 와 배출관(151b)을 포함한다. 배출관(151b)은 일단은 분리부(151)의 유출부에 연결되며 타단은 기체 순환부(152)에 연결되어 분리부(151) 내부의 기체가 기체 순환부(152) 측으로 이동하는 통로이다. 배출밸브(151a)는 배출관(151b)에 설치되어 분리부(151) 내부에서 유동하는 기체를 배출하기 위한 구성이다. 배출밸브(151b)는 배출관(151a)을 개폐가능하도록 하는 구성으로서 분리부(151) 상부에 기체가 적층되면 배출관(151a)을 개방함으로써 기체를 배출한다. 이때, 분리부(151) 내부는 대기압과 유사한 압력을 가지므로 배출밸브(151a)의 개방에 의하여 액체가 배출관(151a) 측으로 배출되지는 않는다.
분리부(151)는 투명한 소재로 마련된다. 펌프(110)를 통과한 다상유동 유체는 곧바로 액체와 기체로 분리되는 것이 아니라 배출배관을 이동하면서 비중차에 의하여 분리된다. 또한, 분리부(151)에서 기체를 배출하기 위하여 배출밸브(151b)를 항상 개방하는 것은 아니며, 분리부(151) 상부에서 기체가 어느 정도 적층되면 배출밸브(151b)를 개방하여 기체를 배출한다. 이때, 기체층과 액체층이 분리가 되었는지 여부 및 기체가 분리부(151) 상부에 적층이 되어 있는지 여부 등을 용이하게 확인할 수 있도록 투명한 소재로 마련된다. 한편, 본 실시예에서 분리부(151)는 아크릴로 형성하였으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
기체 순환부(152)는 펌프(110)를 통과한 다상유동 유체에서 분리된 기체와 액체 중 기체 일부를 기체 공급부(130) 측으로 공급하는 장치이다. 기체 순환부(152)는 기체 공급부(130)와 배출관(151a)를 상호 연결한다. 즉, 분리부(151)에서 분리된 기체는 배출관(151a)을 통하여 기체 순환부(152)로 공급되어 기체 공급부(130) 측으로 이동한다.
액체 순환부(153)은 펌프(110)를 통과한 다상유동 유체에서 분리된 기체와 액체 중 액체 및 기체 일부를 액체 공급부(120) 측으로 공급하는 장치이다. 상술한 바와 같이 액체 순환부(153)는 배출배관의 일부이다. 즉, 액체 순환부(153)는 일단은 분리부(151)와 연결되며 타단은 액체 공급부(120)와 연결되어 분리부(151)를 통과한 액체 및 기체 일부가 액체 공급부(120) 측으로 이동되는 통로이다.
측정부(160)는 펌프(110)를 통과하는 다상유동 유체의 상태량 등을 측정하여 펌프(110)의 성능을 측정하는 장치이다. 펌프(110)로 공급되기 전의 다상유동 유체의 상태량과, 펌프(110) 내부에서의 다상유동 유체의 상태량 및 펌프(110)로부터 토출된 다상유동 유체의 상태량 등을 측정한 뒤, 이를 상호 비교함으로써 펌프(110)의 성능을 시험한다. 구체적으로 각 위치에서의 다상유동 유체의 온도, 압력, 유속, 수력 성능, 유효흡입수두 등을 측정한다. 나아가, 액체 배관(122)으로 분출된 기체에 의하여 생성된 버블의 상태 등도 측정하여 펌프(110)의 성능을 시험한다.
지금부터는 본 발명의 일실시예에 따른 다상유동 펌프 시험장치의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 측정의 대상이 되는 다상유동 펌프시스템의 가스체적분율 등의 조건을 측정한다.
이 후, 가스체적분율을 충족하기 위한 적정량의 기체의 양을 산출한 뒤, 각 토출공(132b)으로부터 토출되는 기체의 양으로부터 기체 공급로(133)와 연통되는 토출공(132b)의 개수를 산출한다. 다만, 반드시 조절부를 이용하는 것은 아니며, 기체공급로(133)에 연결되는 개폐부재에 의하여 가스체적분율의 조건을 충족할 수도 있다. 즉, 개폐부재를 이용하여 액체 배관(122)과 연통되는 기체 공급로(133)를 차단함으로써 액체 배관(122)으로 유입되는 기체의 양을 제어할 수도 있다.
액체 배관(122)으로부터 공급되는 기체의 양이 결정되면, 펌프(110)의 모터를 구동한다. 모터로부터 임펠러(111)에 구동력이 인가되면 임펠러(111)는 회전한다. 임펠러(111)의 회전에 의하여 액체 탱크(121)와 기체 탱크(131)로부터 각각 액체와 기체가 펌프 측으로 흡입된다. 액체 탱크(121)에 저장되는 액체는 액체 배관(132)을 통하여 펌프(110) 측으로 이동되며, 기체 탱크(131)에 저장되는 기체는 기체 배관(132)을 따라 이동된다. 이 후, 기체는 절곡부(132a)에 임시저장된 뒤 각 토출공(132b)으로 균일한 양으로 토출된다. 이때, 복수 개의 토출공(132b)은 가스체적분율 조건을 충족하기 위하여 일부는 차폐되어 있으므로, 기체는 기체 공급로(133)와 연통하는 토출공(132b)으로만 토출된다.
기체 공급로(133)를 따라서 이동되는 기체는 분출부(134)를 통하여 액체 배관(122)으로 분출된다. 따라서, 펌프(110)의 일단에 연결되며 유입공이 형성된 액체 배관(122)의 일단에서는 액체와 기체가 혼합되어 다상유동 유체가 생성된다.
임펠러(111)가 회전함에 따라 발생하는 원심력에 의하여 다상유동 유체에 압력에너지를 부여받은 다상유동 유체는 펌프(110) 측으로 공급된다. 펌프(110)의 임펠러(111)가 회전함에 따라 발생하는 원심력에 의하여 펌프(110)로부터 유출되는 다상유동 유체는 회전하며 펌프(110) 상측으로 토출된다. 이 후, 다상유동 유체는 변환부(140)를 통과하면서 직선이동하게 된다.
액체 배관(122)의 일단에서 형성된 다상유동 유체의 상태량과, 펌프(110) 내부에서의 다상유동 유체의 상태량 및 변환부(140)를 통과하여 직선이동하는 다상유동 유체의 상태량 등을 측정부(160)을 이용하여 측정한다. 측정된 다상유동 유체의 상태량 등을 상호비교함으로써 실제 해양플랜트에서 사용되고 있는 다상유동 펌프시스템의 성능을 측정할 수 있다. 한편, 투명한 소재로 마련되는 케이싱(113)에 의하여 보다 용이하게 펌프(110)의 성능 등을 측정할 수 있다.
도 5는 도 1의 다상유동 펌프 시험장치의 순환부에서의 작동을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 펌프(110) 상측으로 토출된 다상유동 유체는 배출배관을 따라 이동한다. 배출배관을 따라 이동하면서 다상유동 유체는 비중차이에 의하여 액체층과 기체층으로 분리된다. 분리부(151)는 투명한 소재로 마련되므로 육안으로 기체층과 액체층의 분리상태를 확인할 수 있으며, 분리부(151) 상부에 기체가 어느정도 적층되었는지 용이하게 파악할 수 있다. 분리부(151) 상부에 기체층이 적층되면 배출밸브(151a)를 개방한다. 배출밸브(151a)의 개방에 의하여 기체는 분리부(151)의 상측 즉, 중력방향과 반대방향으로 배출되며 배출관(151b)를 통하여 기체 순환부(153)으로 공급된다. 기체는 기체 순환부(153)를 따라 이동하여 기체공급부(130)의 기체탱크(131)에 유입된다. 한편, 분리부(151) 내부의 액체 및 기체 일부는 액체 순환부(152)를 따라 이동하여 액체 공급부(120) 측으로 이동한다. 액체 공급부(120)의 액체 및 기체 공급부(130)의 기체는 다시 펌프(110) 측으로 이동되어 다상유동 유체를 형성하여 펌프(110)에 공급된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 액체와 기체를 혼합하여 형성한 다상유동 유체를 펌프에 공급하여 실제 산업환경에 쓰이는 다상유동 펌프와 동일한 환경을 조성하며, 다상유동 유체의 공급 전·후의 상태량을 측정함으로써 다상유동 펌프의 성능을 시험하며, 펌프를 통과한 다상유동 유체를 순환시켜 펌프에 재공급함으로써 반복적으로 펌프 성능 시험을 할 수 있는 다상유동 펌프 시험장치가 제공된다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 : 다상유동 펌프 시험장치 110 : 펌프
111 : 임펠러 112 : 블레이드
113 : 케이싱 120 : 액체 공급부
121 : 액체 탱크 122 : 액체배관
130 : 기체 공급부 131 : 기체 탱크
132 : 기체배관 132a : 절곡부
132b : 토출공 133 : 기체공급로
134 : 분출부 135 : 역류방지부재
140 : 변환부 150 : 순환부
151 : 분리부 151a : 배출밸브
151b : 배출관 152 : 기체 순환부
153 : 액체 순환부 160 : 측정부

Claims (7)

  1. 다상유동 유체를 공급받아 외부로 토출하는 펌프의 성능을 시험하는 다상유동 펌프 시험장치에 있어서,
    상기 펌프의 일단에 연결되어, 상기 펌프 측으로 액체가 공급되도록 하는 액체 공급부;
    상기 펌프가 상기 다상유동 유체를 공급받을 수 있도록, 상기 펌프와 연결된 상기 액체 공급부에 기체를 공급하는 기체 공급부;
    상기 다상유동 유체가 토출되는 상기 펌프의 타단에 마련되며, 상기 펌프로부터 회전하며 토출되는 상기 다상유동 유체를 직선이동 하도록 하는 변환부;
    상기 변환부로부터 토출되는 상기 다상유동 유체를 액체와 기체로 분리하여 상기 액체 공급부와 상기 기체 공급부로 순환시키는 순환부;
    상기 펌프에 공급되기 전의 상기 다상유동 유체의 상태량과 상기 펌프로부터 토출된 상기 다상유동 유체의 상태량을 측정하여 상호 비교함으로써, 상기 펌프의 성능을 시험하는 측정부;를 포함하는 다상유동 펌프 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 순환부는,
    상기 다상유동 유체를 기체와 액체로 분리하며, 상기 기체가 유출되는 유출부가 형성되는 분리부; 상기 유출부와 연결되며 분리된 상기 기체를 상기 기체 공급부 측으로 공급하는 기체 순환부; 일단은 상기 분리부와 연결되며 타단은 상기 액체 공급부와 연결되어 상기 액체 및 상기 기체의 일부를 상기 액체 공급부 측으로 공급하는 액체 순환부를 포함하는 다상유동 펌프 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 분리부는,
    중력방향의 반대방향에 상기 유출부가 형성되며,
    내부에서 유동하는 상기 기체를 상기 유출부를 통하여 상기 기체 순환부로 유출시키는 배출밸브를 더 포함하는 다상유동 펌프 시험장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분리부는 투명한 소재로 마련되는 다상유동 펌프 시험장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체공급부는,
    기체가 저장되는 기체탱크; 상기 기체 탱크와 연결되며, 상기 기체가 이동하는 통로인 기체배관; 일단은 상기 기체배관과 연결되며 타단은 상기 액체공급부와 연결되어, 상기 액체공급부에 상기 기체를 공급하는 기체 공급로;를 포함하는 다상유동 펌프 시험장치
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기체 공급부는,
    상기 액체공급부와 연결되는 상기 기체공급로의 일단에는 기체가 분출되어 상기 액체와 혼합될 수 있도록 분출부를 더 포함하는 다상유동펌프 시험장치.
  7. 제6항에 있어서,
    투명한 소재로 마련되며, 내부에 상기 펌프가 설치되는 케이싱을 더 포함하는 다상유동 펌프 시험장치.
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