[도입배경]

▲ 삼양발브 엔지니어링 사업부 김정열 과장

지난 2006년 개정된 스프링클러설비의 화재안전기준 ‘제5조 가압송수장치 16항’에 의해  소방펌프 운전 시 자동으로 정지하지 않도록 기준이 변경됨에 따라 정지 기능 없이 계속 운전되는 소방펌프에 의해 배관 내부에 과다 압력이 발생되었다.
 
이는 기존 시스템의 문제점이었던 압력스위치의 낮은 정밀도와 급격한 소방펌프의 기동으로 인한 과압발생의 문제점, 그리고 설계유량과 사용유량의 괴리에서 발생된 문제를 개선하기 위한 의도였으나 배관 비용 증가와 배관 및 장비의 유지관리 비용 증가 등의 문제로 인하여 몇 해 전부터 "ul"에서 사용 되던 소방감압시스템이 국내에 도입되기에 이르러 현재는 대다수의 건축 현장에서 소방감압시스템(주석 1.)이 사용되고 있는 실정이다.(주석 1.  “ul 1739 ; pilot-operated pressure-control valve for fire-protection service")
 
국내 도입 초기에는 150a 배관에 150a pilot type 감압밸브를 병렬로 사용하는 stand-by line을 갖춘 대-대감압시스템이 도입되었다. 그 이유는 ul 1739 code 기준이 pilot type 감압밸브(이하 'pilot'라 한다.) 만을 인정하고 있기 때문이다.
 
그러나 일반적으로 pilot는 대유량의 감압밸브로서 많은 유량을 통과시키기 위해서 보조의 구동력을 위한 pilot 밸브를 설치하여 구동시키는 밸브이지만 국내 대부분의 소방펌프는 1,450lpm 전후의 유량을 사용하는 경우가 대부분으로 pilot의 적용은 과도한 유량 능력을 가지고 있다(참고 1. pilot type 감압밸브와 direct type 감압밸브의 유량특성 비교 참조).
 
이와 같이 국내의 소방라인이 높은 양정에 적은 유량이 사용되는 조건임을 감안한다면, 미국식 소방감압시스템보다는 국내여건에 부합되는 직동식 감압밸브를 이용한 시스템이 필요하다고 할 수 있다.

이러한 추세에 맞추어 현재 대두되고 있는 소방감압시스템은 대-소감압시스템(참고 2. 대-소감압시스템 참고)이며, 이를 간략히 설명하자면 초기화재 시 대응할 수 있는 소감압밸브와 화재가 확산되어 많은 유량이 필요할 때 대응할 수 있는 대감압밸브를 병렬로 설치하여 압력에 따른 자동 작동을 할 수 있도록 구축하는 감압시스템이다.
 
이는 마치 소방펌프가 주펌프와 충압펌프로 구성되어 있는 이유와 같은 경우라 생각하면 이해에 도움이 될 것이다. 

즉, 국내 스프링클러헤드의 개방방식이 주로 구획별 일제개방식이 아닌 화재가 난 곳에만 진압을 하는 국소개방식이며, 펌프의 운전방식인 초기부터 주펌프의 기동으로 인한 체절운전 압력으로 살수가 된다는 점을 고려한다면 사용유량이 적은 경우(초기화재로 주로 스프링클러헤드 3개 + 옥내소화전 1개 = 370lpm)에는 작은 감압밸브를 통하여 적게 사용되는 유량에 맞게 적은 유량을 적정압력으로 보내주다가 그 상태에서도 화재가 확산되어 필요 유량이 늘어날 경우 작은 감압밸브로는 유량이 부족해짐에 따라 압력이 저하되다가 대감압밸브가 열리며 적정 압력 상태에서 적정유량을 보내주는 시스템이다.
 
만일 소감압밸브의 유량이 필요한 상태에서 소감압밸브 없이 대감압밸브만으로 작동(‘주2’의 경우)될 경우 밸브는 심한 cavatation 현상을 동반하며, 이와 함께 체터링 현상의 발생으로 일차측 또는 2차측 배관 및 부속물의 파손을 동반할 수 있는 것이다.

국내 초기 ul code 상의 배관시스템을 주장해 오던 업체들도 이와 유사한 방식의 시스템을 내놓고 있으나 일부업체의 경우 전체 유량을 압력대가 다른 두 대의 감압밸브에 백분율로 배분하여 전체유량을 100%로 맞추는 방식을 사용하고 있다.
 
그러나 이는 물이라는 유체에 대한 인식이 부족하여 발생된 오류로 압력이 상이할 경우 높은 쪽의 압력이 낮은 쪽 감압밸브에 배압으로 작용하기 때문에 압력을 다르게 설정한 상태에서 유량을 별도로 설정하는 것이 올바른 시스템이다.

그런데 이러한 배관시스템에서는 대-소감압밸브를 설치할 공간적 문제가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 (주)삼양발브종합메이커에서는 전혀 새로운 개념인 “공압식 뉴메틱 소방감압밸브”를 이용한 소방감압시스템을 출시하였다.

“공압식 뉴메틱 소방감압밸브 시스템”은 배관 내 유체의 힘과 공압의 밸런싱에 의하여 구동되는 방식으로, 밸브의 rangeability가 큰 밸브를 이용하여 2차측의 필요유량에 따라 밸브의 개도를 조절하여 작동되는 밸브이며, parabolic의 anti-cavitation 구조로서 적은 유량이 통과될 경우에도 cavitation 발생을 방지하는 구조이다.
 
따라서 2대의 밸브를 이용하는 대-소감압시스템이 아닌 1대의 밸브로 2대의 밸브 이상의 기능을 할 수 있는 획기적인 소방감압시스템으로, 특히 초고층빌딩이나 점차 기능화 되는 intelligent 빌딩 및 초정밀 제어가 요구되는 플랜트 분야에 가장 적합한 소방감압시스템이라 할 수 있다.
 
그렇다면 왜 “ 적은 유량이 필요한 곳에 많은 유량 능력의 밸브를 설치하면 안 되는 것일까?”의 문제가 대두될 것이다.

여기에 감압밸브의 작동을 설명하자면 모든 감압밸브는 cv 값의 능력을 갖고 있는데 direct type과 pilot type에 대한 비교를 정리하자면 다음과 같다.
 
cv 표

▲ 단, (주)삼양발브종합메이커 제품 기준으로 외산 제품의 경우 125a 제품 없음.

이와 같은 능력을 가지고 있는 밸브로서, 150a 배관을 사용하며, 14k에서 10k로의 감압이 요구되며, 1,450lpm의 유량을 사용할 경우 대감압밸브 만을 선정한다면,

cv = {(1.167 x 1,450lpm x √1) / (√(14 - 10))}
     = 50.8

이라는 결론이 도출되며, 이 값을 상기 표와 비교한다면 직동식은 125a 제품(75 cv), 파이롯식은 65a 제품(62.5cv)이 선정되나 밸브의 선정은 배관경 대비 2단계를 초과하여 작게 선정할 수 없는바 부득이하게 pilot 식이라도 100a 제품(160 cv)을 사용하여야 한다.

이 경우 밸브를 통한 최대 통과 유량은 직동식 125a 제품은 2,322lpm, 파이롯식 100a 제품은 5,109lpm을 통과시킬 수 있는 능력을 보유하고 있는 것이다.

이 말을 선정된 밸브가 제대로 작동되기 위한 조건인 밸브의 양정(lift)과 비교한다면, 수치상으로 직동식 125a 제품은 전체 양정의 62% 양정 상태에서 운전되는 것이나, 파이롯식 100a 제품은 전체 양정의 28% 양정 상태에서 운전된다는 것이다.

이것은 전체 유량 상태에서의 비교이며, 만일 초기화재시 370lpm (스프링클러헤드 3개 + 옥내소화전 1개)의 조건으로 대입하여 본다면 문제는 더욱 심각해 진다.

직동식 125a 제품은 전체 양정의 16% 양정 상태에서 운전되지만, 파이롯식 100a 제품은 전체 양정의 7% 양정 상태에서 운전된다는 것이다.

7% 양정 상태라는 것은 밸브의 케비테이션 조건에 해당되는 것으로 일반적인 경우(소방이 아닌 경우) 이러한 조건 상태는 2단 직렬 감압을 해야 하는 조건에 해당되는 것이다.

또한 직동식의 경우에도 370lpm을 사용하는 조건은 16% 양정 상태에서 운전되는 것이기 때문에 소감압밸브를 병렬로 설치하여 운전하는 대-소감압시스템이 적용되어야 하는 것이다. 즉, 밸브란 압력과 유량조건에 적절한 밸브를 사용해야 하는 것이다.

그러나 설치 공간 상 대-소 병렬감압시스템을 설치할 공간이 협소하거나 초고층 건축물 또는 인텔리전트 건축물, 플랜트 설비 등의 경우에는 공압식 뉴메틱형의 감압밸브를 적용하여 소방감압시스템을 구축하는 것이 가장 바람직 할 것이다.
 
또한 감압밸브란 ansi class iv등급의 허용누설량을 가지고 있는 밸브로서, 동압현상 발생 가능성이 있기 때문에 2차측에 릴리프밸브 또는 일차압력조절밸브를 적용하여 과압을 방출하여 동압현상을 방지하는 것이 중요 (물론 밸브 자체에서 허용누설량을 zero로 맞추는 밸브가 최근 국내에 도입이 되고는 있다.)한 문제이며, 이에 대하여 ul code에서는 ul 1748 ; fire pump relief valves라는 별도의 규정을 두고 있다.
 
다만 여기서 말하는 릴리프밸브는 국내에서 말하는 안전밸브 형태의 릴리프밸브가 아니라 주로 일차압력조절밸브를 의미하나 이러한 일차압력조절밸브란 낮은 양정에 많은 유량이 필요한 경우에 사용되는 밸브로서, 국내와 같이 높은 양정에 적은 유량이 필요한 경우에 부합되기엔 무리가 있다.

그 이유는 소방라인은 사용을 안 할 경우에는 폐쇄계로서 수두가 형성되지 않는 조건이지만 사용된 이후에는 개방계로 바뀌는 특성을 가지고 있기 때문이다.

개방계로 바뀐 후에는 전체 양정이 릴리프밸브에 전달이 되며, 이때 형성된 압을 방출하는 역할이 중요해 진다.(낮은 양정이 필요한 경우에는 반대로 과압도피기능이 중요해 진다.) 이 외에도 동압방지 기능과 감압밸브가 소방라인 작동 중 다이어프램 파손 등으로 문제가 발생되어 일차측의 높은 압력이 이차측으로 전달될 경우의 상황까지 생각한다면 일차압력조절밸브 보다는 릴리프밸브의 적용이 훨씬 적정한 선정이 될 것이다.
 
이와 같이 설명된 소방라인에 감압밸브를 적용하는데 있어 가장 큰 문제점은 아직 국내환경에 맞는 배관시스템이 확립되지 않았다는데 있을 것이다. 따라서 외국 시스템의 무분별한 도입이나 일부 업체의 이익을 위한 시스템이 아닌 밸브와 펌프, 배관의 유기적인 고찰에서 가장 적절한 방식을 찾는 것이 가장 중요할 것이다.
 
이러한 측면에서 (주)삼양발브종합메이커에서는 국내 소방배관의 사용조건에 가장 적합한 소방감압시스템을 제안하였으며, 이는 많은 이들이 공감을 하는 부분이기도 하다.
 
허나 그간 소방계통에서 감압밸브에 대한 적용이 많지 않다보니 밸브의 성능을 펌프의 성능곡선에 맞추어 마치 밸브가 펌프를 제어하는 것으로 인식하고 있으며, 이는 밸브업체들의 홍보 미비에서 기인하는 것이다. 하지만 직동식대소감압시스템은 현재의 기술에서의 최선이며 최적일 뿐이며, 향후에는 소방업체와 밸브업체 및 펌프업체간 머리를 맞대고 폴어나가 좀더 완벽한 국내 소방환경에 적합한 소방감압시스템이 탄생되어야 할 것이다.
 
2)pilot type 대-대 감압시스템 그림 예


참고 1. pilot type 감압밸브와 direct type 감압밸브의 유량특성 비교

▲ 감압밸브의 유량특성 비교     © 소방방재신문

 
 
 
 
 
  cv={(1.167xwx√g)/√(p1-p2)}
   여기서,
   cv ; cv 일람표 참조
   w ; 밸브통과 최대 유량
   g ; 물의 비중 ( ≒ 1 )
   p1 ; 14 kgf/cm2.g 인 경우
   p2 ; 10 kgf/cm2.g 인 경우
 
 
 
 
 
 
  
참고 2. direct type 대-소감압시스템

▲ pilot type 대-대 감압시스템 그림 예     ©소방방재신문

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
참고 3. pilot 감압밸브 / direct 감압밸브  사진

▲                                       direct식                                                                                   pilot 식

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
참고 4. 물에서의 케비테이션이란?


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ; 물에는 공기가 녹아있으며, 압력이 높을 때는 유체 속에 녹아 있으나 압력이 떨어지게 되면 공기가 발생한다. 공기는 1차측 압력이 높으므로 그대로 있으나 유체가 밸브를 통과하여 압력이 떨어지게 되면 기포가 발생한다.
 
발생된 기포는 압력이 회복되는 부분까지 이동을 하여 기포가 터지게 되는데 이때 기포의 폭발로 압력이 상승하여 소음이 발생되며, 이 현상으로 배관의 진동과 배관 내부의 침식, 부식, 마식 현상이 발생한다. 위의 그림은 케비테이션 발생과 현상에 관한 것이다.

이러한 밸브 전/후 압력 변화로 인한 현상은 케비테이션 뿐만 아니라 플러싱이라는 현상도 발생하는데 플러싱은 유체 중에서 액체에만 나타나는 현상으로 액체가 밸브를 통과하면 압력이 가장 낮은 지점에서 액체의 일부가 증발하는 현상을 말한다.

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