KR101307740B1 - 에너지 절감형 펌프시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배수지의 펌프시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡입측의 유량 및 압력에 연동하여 복수의 펌프를 피드백제어하여, 배관에서 요구되는 목표유량 및 목표압력을 조절하는 에너지 절감형 펌프시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
종래의 펌프시스템은 흡입측의 유량 및 압력을 전혀 고려하지 않고 단순하게 목표압력에 따라 펌프를 온오프 제어하는 방식이므로 펌프의 수명이 단축되고, 펌프의 효율성이 저하는 되는 문제점이 있으므로, 이를 개선하기 위해 본 발명은 메인배관으로부터 유체를 흡입하여 가압한 후 배출관을 통해 배관에 전달하는 펌프시스템에 있어서, 상기 메인배관에서 흡입된 유체를 펌프측으로 이송하는 연결관과; 상기 연결관을 통해 이송된 유체를 복수의 경로로 분기하며, 내측에 흡입된 유체를 가압할 수 있도록 각각 제1펌프, 제2펌프, 제3펌프가 구비된 제1분기관 내지 제3분기관과; 상기 제1분기관 내지 제3분기관에서 가압된 유체를 취합하여 외부로 전달하는 배출관을 포함하여 구성되고, 상기 연결관의 일측에는 흡입되는 유체의 압력을 검출하는 제1압력센서와, 유체의 유량을 검출하는 제1유량센서가 구비되며, 제어부에서는 상기 제1압력센서에서 검출된 흡입측 압력과 제1유량센서에서 검출된 흡입측 유량에 따라 제1펌프 내지 제3펌프를 선택적으로 온오프 제어하여 목표압력을 가변시킴으로써 흡입측 압력이 최초 설정된 목표압력을 넘어서더라도 펌프를 지속적으로 가동시키는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 펌프시스템 및 그 제어방법을 제안한다.
따라서, 본 발명에 의한 에너지 절감형 펌프시스템은 흡입측의 유량 및 압력에 연동하여 목표압력을 가변하는 펌프 피드백 제어가 진행되므로 펌프시스템의 작동에 필요한 기동전류를 최소화함으로써 에너지를 절감할 수 있다. 또한, 복수의 펌프가 제어부에 의해 선택적으로 동작하는 방식으로 구현되어 있으므로, 목표유량 및 목표압력에 대응되는 정도의 펌프 온오프 제어에 의해 장치의 수명을 연장하는 효과가 있다.

Description

에너지 절감형 펌프시스템 및 그 제어방법 {Pump system for energy saving and it's control process}
본 발명은 배수지의 펌프시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡입측의 유량 및 압력에 연동하여 배관의 목표압력을 가변함으로써 목표압력을 넘어서는 경우에도 펌프가 지속적으로 동작할 수 있도록 복수의 펌프를 피드백제어하는 에너지 절감형 펌프시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 상하수도의 취수장, 정수장 및 가압장과 도수, 송수 및 배수관로에 사용되는 송수관은 펌프 구동으로 대량의 유체를 공급하는 펌프시스템을 구비하게 된다.
일반적으로 펌프시스템에서는 배관에 따라 미리 설계된 목표압력을 맞추기 위해 펌프의 숫자를 늘이거나 각 펌프에 구비된 인버터의 회전수를 증가시키게 되는데, 상기 목표압력에 따라 단순하게 펌프를 온/오프제어하는 방식으로 구동된다.
이때, 일반적으로 펌프의 용량은 일최대, 시간최대, 순시최대값을 갖게 되며, 펌프시스템에서는 순시최대값을 감안하여 펌프를 설계하게 된다.
도 1은 고저차이가 있는 지형상에 설치된 송수관 시스템를 개략적으로 나타낸 모식도로서, 낮은 지역의 메인배관(1)에서 흡수정(2)에 유체를 저장하고, 가압펌프(4)를 통해 높은 지역의 공급배관(4)으로 이송하게 된다. 이 경우 흡수정(3)에서는 별도의 수위센서(3)가 구비되어 항상 일정한 수위를 유지하도록 관리하게 된다.
상기 펌프는 흡수정(2)에 저장되어 있는 유체를 높은 지역에 원활하게 이송할 수 있도록 관로종단도에 따라 정수두와 손실수두를 감안하여 펌프 용량이 설계되어 하며, 이는 도 2의 동수구배도를 통해 시각적으로 확인할 수 있다.
그러나, 종래의 펌프시스템은 단순하게 목표압력에 따라 온오프 제어되는 방식으로서 흡입측의 유량 및 압력을 전혀 고려하지 않고 시스템에서 요구되는 목표압력을 유지하도록 설계되어 있으므로, 흡입측의 압력 및 유량이 부족한 경우 펌프가 동작되어도 유체가 이송되지 않아 펌프의 효율성이 저하되는 문제점이 있었으며, 흡입측의 압력이 높아 금방 목표압력에 도달하는 경우 펌프시스템의 작동이 급격하게 정지하는 문제점이 있었다.
또한, 흡수정에 구비된 펌프시스템에서는 일시적으로 펌프를 가동시켜 한번에 순시최대값 이하의 대용량을 배출하게 되면 흡수정의 수위가 급격하게 내려가게 되므로, 흡수정의 수위에 따라 반복적 펌프의 작동 및 중지로 인해 펌프에 무리가 가해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 배수지의 펌프시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡입측의 유량 및 압력에 연동하여 복수의 펌프를 피드백제어하여, 배관의 목표압력을 가변시킴으로써 단속적인 펌프 온오프를 방지하는 에너지 절감형 펌프시스템 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 에너지 절감형 펌프시스템은 메인배관으로부터 유체를 흡입하여 가압한 후 배출관을 통해 배관에 전달하는 펌프시스템에 있어서, 상기 메인배관에서 흡입된 유체를 펌프측으로 이송하는 연결관과; 상기 연결관을 통해 이송된 유체를 복수의 경로로 분기하며, 내측에 흡입된 유체를 가압할 수 있도록 각각 제1펌프, 제2펌프, 제3펌프가 구비된 제1분기관 내지 제3분기관과; 상기 제1분기관 내지 제3분기관에서 가압된 유체를 취합하여 외부로 전달하는 배출관을 포함하여 구성되고, 상기 연결관의 일측에는 흡입되는 유체의 압력을 검출하는 제1압력센서와, 유체의 유량을 검출하는 제1유량센서가 구비되며, 제어부에서는 상기 제1압력센서에서 검출된 흡입측 압력과 제1유량센서에서 검출된 흡입측 유량에 따라 제1펌프 내지 제3펌프를 선택적으로 온오프 제어하여 목표압력을 가변시킴으로써 흡입측 압력이 최초 설정된 목표압력을 넘어서더라도 펌프를 지속적으로 가동시키는 것을 그 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 의한 에너지 절감형 펌프시스템은 흡입측의 유량 및 압력에 연동하여 배관에서 요구되는 목표압력을 가변시키면서 과부하압력에 도달되지 않도록 펌프 동작을 피드백제어하고, 목표유량에 따라 적절한 유량에 대한 펌프 피드백 제어가 진행되므로 펌프시스템의 작동에 필요한 기동전류를 최소화함으로써 에너지를 절감할 수 있다.
또한, 복수의 펌프가 제어부에 의해 선택적으로 동작하는 방식으로 구현되어 있으므로, 목표유량 및 목표압력에 대응되는 정도의 펌프 온오프 제어에 의해 장치의 수명을 연장하는 효과가 있다.
도 1은 낮은 지역의 메인배관에서 흡수정에 유체를 저장하고, 펌프를 통해 높은 지역으로 이송하는 것을 개략적으로 나타낸 모식도,
도 2는 도 1에서 유체가 이송되는 거리 및 고도에 따라 나타나는 관로의 동수구배도,
도 3은 본 발명에 의한 에너지 절감형 펌프시스템의 구성도,
도 4는 본 발명에 의한 에너지 절감형 펌프시스템의 제어방법에 대한 흐름도.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 에너지 절감형 펌프시스템은 메인배관으로부터 유체를 흡입하여 가압한 후 배출관에 전달하는 펌프시스템에 관한 것이며, 라인가압장 또는 하수나 오수용 라인의 흡수정 방식 펌프장에 모두 적용이 가능하다.
본 발명은 일 실시예로 도 3에 도시된 바와 같이, 메인배관(10)에서 흡입된 유체를 펌프측으로 이송하는 연결관(20)과; 상기 연결관(20)을 통해 이송된 유체를 복수의 경로로 분기하며, 내측에 흡입된 유체를 가압할 수 있도록 각각 제1펌프(21), 제2펌프(22), 제3펌프(23)가 구비된 제1분기관 내지 제3분기관(24∼26)과; 상기 제1분기관 내지 제3분기관(24∼26)에서 가압된 유체를 취합하여 외부로 전달하는 배출관(40)을 포함하여 구성되며, 상기 제1펌프(21)와 제2펌프(22) 및 제3펌프(23)는 후술하는 제1압력센서(31) 및 제1유량센서(33)의 감지신호에 따라 제어부(30)에서 온오프 동작을 피드백(feedback) 제어함에 그 기술적 특징이 있다.
즉, 본 발명의 연결관(20)의 일측에는 흡입되는 유체의 압력을 검출하는 제1압력센서(31)가 구비되며, 제어부(30)에서는 관리자가 미리 설정한 목표압력을 상기 제1압력센서(21)에서 검출된 흡입측 압력에 따라 가변시키면서 제1펌프 내지 제3펌프(21∼23)를 선택적으로 온오프 제어하게 된다.
이는 일시적으로 흡입측 압력이 목표압력보다 높을 경우 펌프가동이 중지되는 종래 펌프시스템의 문제점을 보완하기 위해 제안된 본원발명의 기술적 특징으로서, 상기 목표압력은 배관에서 허용되는 최대압력과, 위험상태로 인식되는 과부하압력(일반적으로 최대압력의 2/3)에 비해 낮게 조정되는 것이므로, 비록 목표압력을 가변하더라도 배관의 안정성을 떨어뜨리지는 않게 된다.
이때, 제어부(30)에서는 펌프시스템을 안정성을 위해 상기 제1유량센서(33)에서 검출된 흡입측 유량이 목표유량과 비교하여 그 한도를 넘지 않도록 제1펌프(21)와 제2펌프(22) 및 제3펌프(23)의 온오프 동작을 피드백(feedback) 제어하게 된다. 이는 후술하는 흡수정이 구비된 펌프시스템에서 흡수정의 안정성을 보완하기 위함이며, 흡수정이 없는 펌프시스템에서는 흡입측 압력에 따라 가변하는 목표압력과 마찬가지로 흡입측 유량에 따라 목표유량을 가변할 수도 있다.
(흡입측의 압력과 흡입측의 유량은 비례하는 것이 일반적이므로 배관의 안정성이 크게 해치지 않는 범위내에서 많이 유입되는 경우에는 많이 배출하도록 펌프시스템을 제어하게 된다.)
한편, 본 발명의 다른 실시 예로서, 상기 연결관(20)과 제1·2·3분기관(21)(22(23) 사이에는 별도의 흡수정(2)이 연결될 수 있다.
즉, 상기 흡수정(2)에서는 연결관(20)을 통해 흡입된 유체가 일정한 수위에 도달할 때까지 저장한 후 내측에 구비된 수위센서(32)에서 목표수위에 도달한 것으로 감지된 경우 제어부(30)의 제어신호에 따라 제1분기관 내지 제3분기관(24∼26)으로 이송하게 된다. 이와 같은 흡수정(2)은 입력측의 유체 유입량이 적은 펌프시스템에서 안정성 향상을 위해 반드시 필요한 구성요소이다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시 예로서, 상기 배출관(40)의 일측에는 외부로 배출되는 유체의 압력을 검출하는 제2압력센서(34)와 배출되는 유체의 유량을 검출하는 제2유량센서(35)가 구비되며, 상기 제2압력센서(34)에서 감지된 측정압력이 미리 설정된 배관의 과부하압력에 도달하거나 상기 제2유량센서(35)에서 감지된 측정유량이 목표유량에 도달한 것으로 감지된 경우 제어부(30)의 제어신호에 따라 제1펌프 내지 제3펌프(21∼23)의 온오프를 선택적으로 제어하도록 구성할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 연결관(20)에 구비된 제1압력센서(31)서 측정되는 입력측 압력 및 제1유량센서(32)에서 측정되는 입력측 유량과, 흡수정(2)의 수위센서(33)에서 측정되는 현재수위에 따라 제어부(30)에서 복수의 펌프를 피드백제어하는 과정을 도 4의 흐름도를 통해 단계적으로 설명한다.
먼저, 관리자가 목표압력 및 목표유량을 수동으로 설정(S10)하고 펌프시스템을 기동하면 제어부(30)에서는 연결관(20)의 입력측 압력 및 유량을 측정(S20)한다.
이때, 연결관(20)에서 측정된 입력측 압력을 배관의 과부하압력과 비교(40)하고, 만일 입력측 압력이 과부하압력보다 낮을때까지 제1펌프(24)와 제2펌프(25)와 제3펌프(26)를 순차적으로 구동함으로써 목표압력을 변동시켜 펌프 작동을 유지(S50)한다.
또한, 연결관(20)에서 측정된 입력측 유량을 배관의 목표유량과 비교(S60)하며, 입력측 유량이 목표유량보다 적으면 S50으로 피드백하여 제1펌프(24)와 제2펌프(25)와 제3펌프(26)의 작동을 유지하고, 목표유량에 도달하면 제1펌프(24)와 제2펌프(25)와 제3펌프(26)를 순차적으로 정지(S70)시킨다.
마지막으로, 배출관(40)에서 측정된 출력측 압력과 유량을 배관의 과부하압력 및 목표유량과 비교(S80)하고, 배출관(40)의 출력측 압력이 과부하압력보다 크거나 출력측 유량이 목표유량보다 크면 S70단계로 진행하고, 그렇지 않으면 S50단계로 피드백하게 된다.
한편, 상기 S20 단계와 S40단계 사이에는 연결관(20)에서 이송된 유체가 흡수정(2)에 저장되는지를 판단하는 단계(S30)가 부가된다. 이때, 상기 흡수정(2)에서는 현재수위를 측정하여 미리 지정된 설정수위와 비교하는 단계(S31)를 거쳐 흡수정(2)의 현재수위가 설정수위보다 높은 경우에만 펌프작동을 위한 다음 단계로 진행된다.
따라서, 본 발명은 입력측 압력에 목표압력을 가변하는 방식으로 동작되어 펌프의 입구 조건에 따라 펌프의 온오프 동작을 효율적으로 제어하게 되며, 입력측 유량을 목표유량을 비교하여 펌프의 온오프 동작을 제어하는 과정을 추가함으로써 펌프시스템의 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.
상기와 같은 본 발명은 상술한 특정의 실시례에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.
2 : 흡수정 4 : 가압펌프
1, 10 : 메인배관 20 : 연결관
21 : 제1분기관 22 : 제2분기관
23 : 제3분기관 24 : 제1펌프
25 : 제2펌프 26 : 제3펌프
30 : 제어부 31 : 제1압력센서
3, 32 : 수위센서 33 : 제1유량센서
34 : 제2압력센서 35 : 제2유량센서
40 : 배출관

Claims (5)

  1. 메인배관으로부터 유체를 흡입하여 가압한 후 배출관을 통해 배관에 전달하는 펌프시스템에 있어서,
    상기 메인배관(10)에서 흡입된 유체를 펌프측으로 이송하는 연결관(20)과; 상기 연결관(20)을 통해 이송된 유체를 복수의 경로로 분기하며, 내측에 흡입된 유체를 가압할 수 있도록 각각 제1펌프(24), 제2펌프(25), 제3펌프(26)가 구비된 제1분기관 내지 제3분기관(21)(22)(23)과; 상기 제1분기관 내지 제3분기관(21)(22)(23)에서 가압된 유체를 취합하여 외부로 전달하는 배출관(40)을 포함하여 구성되고,
    상기 연결관(20)의 일측에는 흡입되는 유체의 압력을 검출하는 제1압력센서(31)와, 유체의 유량을 검출하는 제1유량센서(33)가 구비되며,
    제어부(30)에서는 상기 제1압력센서(31)에서 검출된 흡입측 압력과 제1유량센서(33)에서 검출된 흡입측 유량에 따라 제1펌프 내지 제3펌프(24)(25)(26)를 선택적으로 온오프 제어하여 목표압력을 가변시킴으로써 흡입측 압력이 최초 설정된 목표압력을 넘어서더라도 펌프를 지속적으로 가동시키되,
    상기 연결관(20)과 제1분기관 내지 제3분기관(21)(22)(23) 사이에는 연결관(20)을 통해 공급된 유체가 일정한 수위에 도달할 때까지 저장하는 흡수정(2)이 구비되고,
    제어부(30)에서는 흡수정(2)의 일측에 설치된 수위센서(32)에서 현재수위가 목표수위에 도달한 것으로 감지된 경우에만 제1분기관(21)에 설치된 제1펌프(24)와, 제2분기관(22)에 설치된 제2펌프(25)와, 제3분기관(23)에 설치된 제3펌프(26)를 구동하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 펌프시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배출관(40)의 일측에는 외부로 배출되는 유체의 압력을 검출하는 제2압력센서(34)와 유체의 유량을 검출하는 제2유량센서(35)가 구비되며,
    제어부(30)에서는 상기 제2압력센서(34) 및 제2유량센서(35)에서 감지된 배출측 압력 및 배출측 유량이 미리 설정된 과부하압력 또는 목표유량에 도달한 것으로 감지된 경우마다 제1펌프(24)와 제2펌프(25) 및 제3펌프(26)의 작동을 중지시키는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 펌프시스템.
  3. 펌프의 제어방법에 있어서,
    목표압력 및 목표유량을 수동으로 설정하는 단계(S10);
    연결관(20)의 입력측 압력 및 유량을 측정하는 단계(S20);
    연결관(20)에서 측정된 입력측 압력을 배관의 과부하압력과 비교하는 단계(S40);
    입력측 압력이 과부하압력보다 낮을때까지 제1펌프(24)와 제2펌프(25)와 제3펌프(26)를 순차적으로 구동함으로써 목표압력을 변동시켜 펌프 작동을 유지하는 단계(S50);
    연결관(20)에서 측정된 입력측 유량을 배관의 목표유량과 비교하는 단계(S60);
    입력측 유량이 목표유량보다 적으면 S50으로 피드백하여 제1펌프(24)와 제2펌프(25)와 제3펌프(26)의 작동을 유지하고, 목표유량에 도달하면 제1펌프(24)와 제2펌프(25)와 제3펌프(26)를 순차적으로 정지시키는 단계(S70);
    배출관(40)에서 측정된 출력측 압력과 유량을 배관의 과부하압력 및 목표유량과 비교하는 단계(S80);
    배출관(40)의 출력측 압력이 과부하압력보다 크거나 출력측 유량이 목표유량보다 크면 S70단계로 진행하고, 그렇지 않으면 S50단계로 피드백하되,
    상기 S20단계와 S40단계 사이에는 연결관(20)에서 이송된 유체가 흡수정(2)에 저장되는지를 판단하는 단계(S30)가 부가되고, 상기 흡수정(2)에서는 현재수위를 측정하여 미리 지정된 설정수위와 비교하는 단계(S31)를 거쳐 흡수정(2)의 현재수위가 설정수위보다 높은 경우에만 펌프작동을 위한 다음 단계로 진행되는 것을 특징으로 하는 에너지 절감형 펌프시스템의 제어방법.
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