KR100476277B1 - 정수처리장의 최적제어 응집기 및 그 최적제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정수처리장의 최적제어 응집기에 관한 것으로 응집기를 운전함에 있어서 설정하는 교반강도(G)로 일정하게 유지하기 위해 처리수의 온도, 응집지의 수위, 응집기의 회전수 그리고, 유입 원수유량과 약품(응집제) 투입량을 연속적으로 계측하여 교반강도를 자동으로 제어하여 플록(Floc) 형성을 최적화 해줌으로써 침전이 용이하도록 한 것에 관한 것이다.

즉, 수시로 변하는 원수수질상태와 응집 플록상태를 연속 검출하여 발신되는 계측신호와 인버터(Inverter) 등에 의해 조절 운전되는 응집기의 회전속도를 피드백(Feed Back) 받아 이들은 아날로그-디지털 변환기(A/D Converter) 등을 거쳐 중앙연산처리기(CPU)로 전달되고, 이 값들은 미리 짜여진 연산알고리즘에 의해 설정하는 G값의 최적 상태로 유지 되도록 하는 모터의 회전속도 계산 값을 다시 디지털-아날로그 변환기(D/A Converter)를 거쳐 모터 조절기나 인버터를 통하여 응집기 구동 모터 회전력을 조정하여, 처리수의 유체유동 확산에너지를 적정하게 제어할 수 있어 응집효율을 높이고 소요 동력이 절감되도록 한 것이다.

Description

정수처리장의 최적제어 응집기 및 그 최적제어방법{A best control cohesion machine of a water purification plant and its best control method}

본 발명은 정수시설의 응집기의 응집효율을 높이기 위한 방법으로, 더욱 상세하게는 응집기를 운전함에 있어서, 처리수의 온도와 응집지의 수위, 응집기의 회전수 그리고, 유입 원수유량과 약품 투입량에 따라 회전력을 조정하여 처리수의 유체유동에너지를 적절히 제어하고 플록상태를 검출하여 피드백 제어하므로 플록형성이 최적상태로서 응집 및 침전이 효과적으로 일어나도록 한 최적제어 응집기에 관한 것이다.

정수처리장의 응집기는 정수처리 공정에 유입되는 원수에 함유된 탁질 제거를 위해 응집제를 투입하므로 콜로이드 입자들의 결합을 유도하는 매카니즘(Mechanism)에 의한 기계적 교반 날개를 응집수중에서 회전하여 처리수에 에너지를 부가하므로 입자간에 속도구배를 발생되게 하여 미세플록이 응집기를 거치면서 점점 크고 무겁게 성장하여 침전지에 이르러 침강되도록 하고 있다.

이러한 응집기의 효율을 높이는 방법으로는 설비를 개선하는 방안과 응집기의 운전을 조절하는 방안으로 나누어 볼 수 있다.

전자의 경우는 물을 유동하는 교반 날개의 형상이나 물리적인 에너지 전달 장치의 구조나 방법 등에 관한 내용으로 개발 사용되고 있고, 후자의 경우는 플록 형성을 효과적으로 제어하는 방법에 관한 내용으로 개발 사용되고 있다.

콜로이드 입자들이 결합하여 플록을 크게 키워 가는 과정은 몇 가지 인자에 의하여 지배받게 되며, 플록의 성장은 입자의 충돌횟수에 비례하고 이 충돌횟수는 교반강도, 속도구배 등으로 불리는 G값(Velocity Gradient)에 비례하는데, G값이 낮으면 입자 충돌기회가 적어 응집효율이 낮으나, G값이 너무 높게 되면 오히려 플록이 파괴되므로 적정 G값을 유지하는 것이 바람직하다.

일반적으로 플록의 형성초기에는 G값을 높게 하고 플록이 성장됨에 따라 점차적으로 G값을 낮게 하여 성장된 플록이 다시 부서지지 않고 침전지에 이르러 침전이 용이하도록 단계별로 교반강도를 조정하여 사용한다. 경사 응집일 경우는 각 단계에서 각각 다른G값으로 설정 운전하게 된다. 하지만 임펠러가 회전되면서 물에 전해지는 교반 에너지를 일정하게 유지하려는 종래의 방법은 온도에 따라 변화하는 점도의 특성 때문에 온도가 변화하면 같은 임펠러 회전속도로서는 변화전과 동일한 교반 효과를 기대할 수가 없게되어 응집 효율이 떨어진다.

이러한 단점을 해소하고자 실용신안 공고 94-1655는 G값 지시 연산자와 PID조절기 등을 설치하여 물의 온도변화에 대한 점성 값과 수위변화에 대한 교반체적 값을 연산 보상, 임펠러 회전력을 증감하여 일정한 속도구배 값을 유지토록 함으로써 양호한 응집 및 침전 효과를 얻고자 하였으며, 같은 발명자에 의하여 발명된 실용신안 제 137238은 응집기의 감속기에 회전 토오크 측정수단과, 날개 축에 회전수 측정수단을 부착하고, 물 속에서 직접 점도 측정 수단을 설치하여 응집기의 날개 축과 연결된 전동기 용량에 관계없이 회전 토오크를 검출하고 일정하게 유지되도록 제어하여 응집기 효율을 높이도록 하였다.

또 다른 발명자에 의하여 발명된 실용신안 공고 99-15543은 유입유량과 응집수의 온도를 동시에 측정하고 이를 이용하여 G값과 체류시간과의 곱이 일정하도록 하는 소요동력 혹은 임펠러 회전속도를 구하여 이 값으로 운전되도록 구성된 응집기의 운전방법에 의한 응집기 효율을 높이도록 하였다.

이러한 발명의 방법들은 매우 효율적으로 보여지지만 이 방법은 정수시설의 유입수의 유량이 항상 일정하게 조절되는 경우에는 적합할 수 있다.

하지만 실제 물 생산량은 수요에 따라 수시로 변하고 유입유량이 변하므로, 따라서 연산에 의하여 구해진 G값이 같더라도 체류 시간이 달라지므로, 이 유동 에너지에 대한 보상이 없이는 실제 플록 형성이 달라지게 되는데, 이점을 개선코자 발명된 실용신안 공고 99-15543은 플록 생성속도가 최대가 되는 G값으로 운전 할 때, 만약 유입수가 최대 값보다 적으면 체류 시간이 길어져서 그 길어진 시간만큼은 플록이 너무 커지거나 충돌에 의한 파괴로 효율이 감소하기 때문에 체류 시간이 길어지면 G값이 낮아져야 되는 것으로 판단하였으나, 실제는 이와는 반대로 기계적인 교반을 무시하더라도 유량이 많으면 체류시간이 짧고 물 자체 에너지도 크며 교반강도가 높은 상태이며 유량이 적어지면 체류시간이 길게 되고 물의 움직임이 적게되므로 교반강도가 낮은 상태로, 응집 효율을 결정 짓는 교반강도 값은 누적 값이 아닌 순간 값으로서, 응집 효율을 높이기 위해서는 G값을 일정하게 유지하여야 하므로 유량이 많아지면 응집기 회전력을 오히려 낮추고 유량이 적어지면 반대로 회전력을 높여주어야 일정한 교반강도 유지가 가능하다.

그리고 유입원수의 탁도 변화에 따라 응집제 투입량이 달라지고 그에 따라 플록 성장 속도가 다르므로 일단 형성된 플록을 다시 깨지지 않도록 하기 위해 적정 G값 유지를 위한 보상이 고려되지 않았다.

이를 고려한 개념의 본 발명의 방법은 G값 기본 공식에 G 최적 값(Gopt)을 합산하고 응집 플록상태를 연속 검출하여 발신되는 계측신호와 인버터(Inverter) 등에 의해 조절 운전되는 응집기의 회전속도를 피드백 제어하는 방식이며, 이를 고려하지 않을 경우에 만약 응집이 잘되는 교반강도로 회전력이 일정한 때 유입유량이 적어지면 응집 지내 교반강도가 낮아지므로 응집 효율이 떨어지게 되고 반대로 유량이 많아지면 교반강도가 적정치 보다 높아지므로 플록이 오히려 깨지게 된다.

또한 동일 조건에서 응집제 투입량만 많아지면 응집 촉진을 위해 교반강도를 높혀야 하고, 반대로 응집제 투입량이 적어지면 교반강도를 낮추어야 하는데, 그렇지 않으면 플록 형성 효율이 낮게 되는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 이러한 문제점을 개선하고자 원수의 온도 측정에 의한 점도와 응집지 수위 측정에 의한 교반조 체적 값과 유입유량 및 응집 가동상태에 따라 응집지 내의 체류시간을 판단하고 약품 투입량을 측정하여 응집기의 운전 G값이 일정하게 유지 되도록 자동 제어하므로 풀록 형성이 최적 상태로서 효과적인 침전이 일어나도록 하고자 하는데 주안점을 두고 그 기술적 과제로서 완성하였다.

본 발명은 정수를 목적으로 하는 응집기를 제어함에 있어서,

임펠러의 회전력을 조정하여 처리수의 유체유동에너지를 적절히 제어하고 플록상태를 검출 피드백하여, 기본 연산 G값과 최적 교반강도 Gopt를 합산한 현재치 교반강도 Gpv 값을 P.I.D 불록(Block)으로 피드백되게 하는 제어계를 구성하여 응집기를 운전함으로써 소요전력을 줄이면서도 응집 효율을 극대화할 수 있는 운전 방안으로서,

이에 관련된 연산식을 상세하게 설명하면,

이미 공지된 바와 같이 평균 교반강도 (Sec-1)로 정의(Camp & Stein) 되는데, 이식에서 요구 수동력(w) 이며, 이 식의 구성 요소

점성계수로 수온(t)에 의해서 연산되며, 응집조의 체적V=(가로 x 세로 x 수위)이다. 위 G값 공식을 기본으로 응집기를 설계하고 그 응집지에 적정 운전 G값이 설정되면 파워넘버 및 임펠러(11) 직경 등은 고정함수로써 항상 일정하므로 점성계수, 응집조의 체적변화에 따라 임펠러(11) 회전수를 적절히 조절하여 G값을 연산한다.

또한 G 최적(Optimum) 값 로 정의(Andreu-Villegas & Letterman)되며, 이식에서 체류시간로 응집기 가동상태 및 가동 응집조의 체척V를 판단하고, 매초 당 유입유량Q로 나눠구한 체류시간t 와 응집제 투입량C (㎎/ℓ) 와 연산하여 최적 교반강도Gopt를 구하고 운전되는 G값과 합산하여 구해지는 현재치 교반강도 Gpv = G + Gopt 이며, 다단식 응집지 각 열의 교반강도 최대값(G₁, G₂, G₃)이 다르므로, 각 열

점감식으로 적용한다. 만약 각 열의 교반강도 최대 값이 G₁;75, G₂;50, G₃;25 (Sec-1)이면

은 Gopt 적용율(0∼100%) 변경 불록을 거치면서 약품 투입량의 적정 상태 검출기(40)에 의한 약품량 변화와 플록 수량 검출기(70)에 의해 발신되는 계측신호에 따라서 적용율이 변경되어 P.I.D 제어 불록에 피드백 제어가 되도록 하므로써 제어변수(수온, 수위, 수동력, 유량, 약품 투입량 등)의 변화에도 무관하게 운전자가 설정하는 G값에 따라 자동 유지되도록 최적제어 하므로써, 응집효율을 높여줌은 물론 소요 전력을 줄일 수 있어 운영비용이 절감되도록 한 것이 특징이다.

이하, 첨부된 도 1은 종래의 G(또는 GT)값 표시 제어형 응집기를 나타낸 예시도이며, 도 2는 본 발명에 의한 최적제어 응집기을 보인 설명도로서, 이 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 유입수의 측온 센서(4)에서 계측된 온도와 응집조(1)의 수위 발신기(5)에서 계측된 수위, 응집기의 회전수 계측기(8)에서 검출된 회전수, 유입 원수유량 발신기(6) 에서 검출된 유량 및 응집제 투입량 발신기(7)에서 검출된 약품 유량 값이 신호선에 의하여 현장제어반(10) 또는 분산제어시스템(20)의 최적제어 연산기(101)로 전달된다.

최적제어 연산기(101)에는 별도로 위에서 언급한 여러 가지 상수값 및 필요한 함수 즉, 온도에 따른 처리수의 점도, 유량과 가동 응집조의 체적에 따른 응집지내의 체류시간 환산식 등이 별도로 입력 가능하도록 입력 키보드 및 기억장치들을 가지고 있으며, 이들 정보들을 이용하여 최적제어 연산기(101)는 임펠러 현상에 따른 함수와 회전력으로 소요 수동력 Pw을 연산하여 그 결과 응집기 구동 모터 속도 제어기 또는 인버터(60)에 전달된다.

구동모터 속도제어기 또는 인버터(60)는 회전수 계측기(8) 또는 인버터(60b) 등의 제어출력신호(104b)와 비교하면서 연산된 속도로 응집기를 운전한다. 위에서 언급한 과정은 여러 가지 방법으로 구현이 가능하다.

도 3은 도 2의 과정을 좀더 구체적으로 구성한 예시도로서, 이를 설명하면,

먼저 처리수 온도는 측온센서(4)에서 온도에 비례하는 저항값을 검출하고 이를 저항/전류(또는 전압) 변환기(102)에서 온도에 비례하는 전류 또는 전압으로 변환하고,

응집조 수위는 압력식, 후롯트(Float)식, 초음파식 등의 다양한 방법으로 수위를 발신하는 계측기(5)를 통해 수위에 비례하는 전류 또는 전압으로 변환하며,

응집기 회전수는 타코 제너레이터(tacho Generator) 또는 펄스(Pulse) 발생기(8), 또는 속도 제어기나 인버터에서 발신하는 회전수 신호(104b)로서 감속비와 연산하여 응집기의 회전수에 비례하는 값으로 변환하여 적용하며,

유량은 다양한 방법으로 검출되는데, 유입 원수 유량(6) 및 응집제 투입량(7)은 각각의 유량 검출발신기(6,7)에서 유량은 전류 또는 전압으로 발신하며,

약품 투입량의 적정상태 검출기(40)인 SCD(Streaming Current Detector), 제타전위계(Zeta Potential Meter)등에 의해 검출되는 신호와 응집 플록의 형성 상태를 검출하는 플록입경 크기별 수량 측정기인 파티컬카운터(Patical Counter) 등의 플록 수량 검출기(70)에 의해 검출되는 침전이 가능한 플록입경 수량에 비례하는 전류 또는 전압신호를 발신한다.

이러한 제어변수 값은 최적제어 연산기(101)와 인터페이스(Interface)가 가능하도록 하여 연산기의 입력단으로 전달되는데, 이때 아날로그인 값들은 아날로그-디지탈 변환기(A/D Converter, 113)에서 디지탈 값으로 변환하여 중앙연산처리기 버스(CPU-Bus)에 연결한다.

조작자와 콘트롤러와의 대화를 위하여 Display 와 Key Board를 준비하고 있다.

CPU(120)는 그림과 같이 대부분의 주변회로가 집적되어있는 단일칩 마이크로 콘트롤러(Single Chip Micro Controller) 또는 개인용 컴퓨터(PC) 등도 사용이 가능하며, 내장된 롬(ROM)에는 필요한 데이타와 응집기 구동을 위한 소프트웨어가 기록된다.

연산 제어 알고리즘에 의해 산출된 제어출력 값은 디지털-아날로그 변환기(D/A Converter, 112)로 출력되어 응집기 구동 모터 속도 제어기나 인버터(60)로 입력되어 결국 응집기의 임펠러 회전 속도를 온라인(ON Line)으로 제어하게된다.

그리고 도 4는 본 발명에 의한 다른 실시예에 의한 제어 시스템을 보인 예시도인데, 이는 프로그램 로직 콘트롤러(50)로서 인버터(60)에 의한 속도제어로 최적제어 응집기 시스템을 구성한 예이다.

이상과 같이 상세히 살펴본 본 발명은 정수장에 유입되는 처리원수의 응집효율 영향인자(수온, 수위, 수동력, 원수유량, 약품 투입량 등)가 변화여도 계측되는 신호에 의해 스스로 판단하고, 운전자가 설정하는 G값으로 자동 유지되도록 최적제어 하므로써 종래의 방법보다 응집효율 향상과 소요 동력이 적어 운전비용이 절감되며, 원수 수질이나 원수 유입량 등 사용조건이 변화하여도 스스로 응집효율을 최적의 조건으로 유지가 가능하므로 자동화에 따른 운영 인력 절감과 효율적인 운영으로 경영합리화 및 수질개선으로 보다 안정적인 수돗물 생산이 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래의 G(또는 GT)값 표시 제어형 응집기를 나타낸 예시도.

도 2는 본 발명에 의한 최적제어 응집기를 보인 설명도.

도 3은 본 발명에 의한 최적제어 응집기의 구체적인 구성 예시도.

도 4는 본 발명에 의한 다른 실시예에 의한 제어 시스템을 보인 설명도.

▣ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ▣

1:응집조 2:모터

3:감속기 4:측온센서

5:수위 발신기 6:원수유량 발신기

7:응집제 투입량 발신기 8:회전수 계측기

9:토오크 측정기 10: 현장제어반

11:임펠러 20:분산제어시스템

30:약품 투입기 40:약품투입량 적정상태 검출기

50:PLC(PC) 60: 속도 제어기(인버터)

70: 플록 수량 검출기(Patical Counter)

Claims (6)

1. 정수처리장의 응집기를 운전함에 있어서,

   상기 응집기에 유입되는 원수의 점도, 체적, 수동력을 각각 구한 후 연산하여 평균교반강도 G값을 구하는 한편,

   체류시간과 응집제 투입량을 연산하여 최적교반강도 Gopt값을 구한 다음 상기 구해진 평균교반강도 G값과 최적교반강도 Gopt값을 합산 연산하여 현재치 교반강도 Gpv값을 얻고,

   그 얻어진 현재치 교반강도 Gpv값은 P.I.D제어 방법을 통하여 운전자가 미리 설정해둔 G값과 항상 일치할 수 있도록 제어 운전하는 것을 특징으로 한 정수처리장의 응집기 최적제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 원수의 점도, 체적, 수동력은 유입수 수온과 그 유입된 응집지내의 수위, 임펠러 회전수를 각각 측정한 후 값을 연산하여 얻어지는 것임을 특징으로 한 정수처리장의 응집기 최적제어방법.
3. 제 1항에 있어서,

   다단의 응집지 각 열의 교반강도 현재 값(Gpv1,~Gpv2,~Gpv3)을 적용하고자 하는 경우 점도와 응집조 체적과 수동력을 각각 연산하여 얻어진 G값과;

   체류시간과 응집제 투입량 변화에 의해 연산된 Gopt값을 각열 최대 G값(G₁,G₂,G₃)으로 응집지 각 열{G1:제1열(유입부), G2:제2열(중간부), G3:제3열(유출부)}에 대해 점감식 Gopt 적용율(0∼100%) 변경 불록에서 투입되는 약품량 변화와 플록 수량의 계측신호에 따라서 적용율이 변경됨과 동시에 그 값이 피드백되어 수질에 대한 제어변수 인자(수온, 수위, 수동력, 유량, 약품 투입량 등)의 변화에도 무관하게 운전자가 설정한 적정 교반강도(G)값으로 P.I.D 제어가 되도록 하는 것을 특징으로 한 정수처리장의 응집기 최적제어방법.
4. 제 1항에 있어서,

   최적 교반강도(Gopt)의 인자인 체류시간은 응집기 가동상태로서 가동 응집조의 교반체적을 판단하고 매초 당 유입되는 원수유량으로 나누어서 구하고, 응집제 투입량과 연산하여서 최적 교반강도의 제어가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 정수처리장의 응집기 최적제어방법.
5. 원수유량발신기(6), 약품투입기(30), 응집제 투입량 발신기(7)가 각각 분산제어시스템 DCS(20)과 신호 연결되는 한편, 응집지에는 모터(2), 감속기(3), 측온센서(4), 수위 발신기(5), 회전수 계측기(8), 현장제어반(10), 임펠러(11)가 각각 임펠러(11)가 현장제어반과 신호 연결되는 통상의 정수처리장에 있어서,

   상기 혼화지와 응집지 사이에 약품투입량 적정상태 검출기(40)를 더 구비시켜 상기 분산제어시스템 DCS(20)과 신호 연결시킨 것과;

   상기 응집조에 플록 수량 검출기(70)를 더 구비시켜 상기 분산제어시스템 DCS(20)과 신호 연결시킨 것을 특징으로 한 정수처리장의 최적제어 응집기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 현장제어반(10)에는 CPU(연산제어부, 120)를 중심으로 디지털입력부(110)와 디지털출력부(111), 아날로그-디지털 변환기(113), 디지털-아날로그 변환기(112)가 각각 구비되어 신호 연결됨과 동시에 분산제어시스템(20)의 신호를 입력받는 통신입력단(Com. pot, 114)이 각각 설치된 최적제어 연산기(101)를 구비하되,

   상기 아날로그-디지털 변환기(113)는 응집조에 설치된 측온센서(4), 수위 발신기(5), 회전수 계측기(8)와 신호 연결시키는 한편, 상기 현장제어반(10)의 일측에는 디지털-아날로그 변환기(112), 디지털 출력부(111) 및 감속모터(2)와 신호 연결된 감속모터 속도제어장치(60)를 설치하여서 된 것을 특징으로 한 정수처리장의 최적제어 응집기.