KR101753891B1 - 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법 - Google Patents

배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프에 관한 것으로서, 상세하게는 상수도 유량과 수용가로 공급되는 상수도의 유량을 측정하고, 배수지의 수위, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 배수지 수위 변동이 예측되면 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 배수지 수위가 일정하게 유지되도록 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하고, 배수지에서 병렬 운전 상태의 각 개별펌프의 토출유량을 수리학적 산출법과 열역학적 산출법으로 결정하고, 각 개별로 산출된 유량에 병렬로 연결된 펌프들중 최저 전력원단위와 최고 펌프 효율을 갖는 펌프를 선정하여 운영자에게 펌프 조합을 제시하고, 이에 따라 펌프를 운용하도록 하는 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

Description

배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법{APPARATUS AND METHOD OF REDUCED OPERATION FOR POWER CONSUMPTION OF PARALLEL OPERATION PUMP}
본 발명은 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프에 관한 것으로서, 상세하게는 상수도 유량과 수용가로 공급되는 상수도의 유량을 측정하고, 배수지의 수위, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 배수지 수위 변동이 예측되면 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 배수지 수위가 일정하게 유지되도록 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하고, 배수지에서 병렬 운전 상태의 각 개별펌프의 토출유량을 수리학적 산출법과 열역학적 산출법으로 결정하고, 각 개별로 산출된 유량에 병렬로 연결된 펌프들중 최저 전력원단위와 최고 펌프 효율을 갖는 펌프를 선정하여 운영자에게 펌프 조합을 제시하고, 이에 따라 펌프를 운용하도록 하는 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 상수도 공급 시스템의 구성에서 기본 요소는 대용량 가압식 펌프와 배수지가 있으며, 배수지의 유입 밸브 개도율과 펌프의 운영 대수 조절을 통해 배수지의 수위와 관압을 관리하고 있다.
배수지 하단 수용가의 수도 사용량을 분석하면 배수지의 수위 변동을 예측할 수 있고, 배수지의 수위 변동에 따른 관압의 변화도 예측할 수 있다.
배수지의 용량을 고려한 최적 배수지 유입 밸브 개도율과 펌프의 토출 유량을 결정하면 상수도 공급 원가 절감에 기여할 수 있다. 대용량 펌프가 병렬로 여러대 설치되어 있는 경우 펌프별 효율이 각각 다르고, 유량에 따른 양정의 변화가 다르기 때문에 각 펌프의 개별 유량의 정확한 값을 확인하고, 그 유량에서 가장 낮은 전력원단위와 높은 효율을 갖는 펌프를 조합하여 운전하는 것이 경제적 손실을 절감할 수 있는 방법이다.
정수장에서 사용하고 있는 대용량 펌프에는 인버터가 설치되지 않기 때문에 펌프 개별 유량 조절이 불가능하고, 개별 펌프 유량계도 설치되지 않아 배수지 수위관리와 펌프 운영은 운영자의 경험에 의존할 수밖에 없고, 이로 인해 운영자간 전력사용 편차가 발생하게 되는 문제점이 있다.
특히 인버터가 적용되지 않은 상황에서는 펌프의 가동 대수 변동을 통해 유량을 조절하기 때문에 적정 배수지 수위 유지 및 관압 유지를 위해서는 배수지로 유입되는 배수지 유입 밸브의 개도율을 효율적으로 조절해줘야 하는 문제점이 있다.
국내 등록특허공보 10-1585175호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 상수도 유량과 수용가로 공급되는 상수도의 유량을 측정하고, 배수지의 수위, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 배수지 수위 변동이 예측되면 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 배수지 수위가 일정하게 유지되도록 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하도록 하는 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 배수지에서 병렬 운전 상태의 각 개별펌프의 토출유량을 수리학적 산출법과 열역학적 산출법으로 결정하고, 각 개별로 산출된 유량에 병렬로 연결된 펌프들중 최저 전력원단위와 최고 펌프 효율을 갖는 펌프를 선정하여 운영자에게 펌프 조합을 제시하고, 이에 따라 펌프를 운용하도록 하는 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
정수지와; 상기 정수지와 연결되는 메인 유입 배관과; 상기 메인 유입 배관에서 분기된 복수의 분기 배관과; 상기 분기 배관에 각각 설치되는 복수의 펌프와; 각각의 상기 분기 배관이 합쳐지는 메인 토출 배관과; 상기 메인 토출 배관에 설치되어 상수도의 총합산 유량을 측정하는 제 1유량계와; 상기 메인 토출 배관에서 상기 제 1유량계의 후단에 설치되어 외부의 제어에 따라 개도율을 조절하는 배수지 유입 밸브와; 상기 메인 토출 배관과 연결되어 상수도가 저장되는 배수지와; 상기 배수지의 상수도를 수용가로 공급하는 공급 배관과; 상기 배수지에 설치되어 수위를 측정하는 수위계와; 상기 공급 배관에 설치되어 상기 수용가로 공급되는 상수도의 유량을 측정하는 제 2유량계와; 각각의 상기 분기 배관 상에 각각의 펌프의 전후단에 각각 설치되어 유체의 압력을 측정하는 제 1, 2압력계와; 각각의 상기 분기 배관 상에 각각의 펌프의 전후단에 각각 설치되어 유체의 온도를 측정하는 제 1, 2온도계와; 각각의 펌프의 전력을 측정하는 전력량계와; 상기 제 1, 2유량계와, 수위계와, 제 1, 2압력계와, 제 1, 2온도계 및 전력량계로부터 각각 측정값을 입력받아 전송하는 PLC; 및 상기 PLC로부터 전송되는 상기 제 1, 2유량계와, 수위계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 상기 배수지로 공급되는 상수도 유량과 상기 배수지에서 수용가로 공급되는 상수도의 유량 및 상기 배수지의 수위를 측정하고, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 상기 배수지 수위 변동이 예측되면 상기 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지의 수위를 유지하기 위하여 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 자동으로 조정하고, 상기 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하여도 상기 배수지의 수위가 저하되거나 상기 제 1, 2압력계의 압력값이 연속으로 상승되면, 상기 복수의 펌프의 가동 조합 변경을 통해 유량을 조절하도록 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)과 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QT)을 산출한 다음, 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출해서 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프의 순위를 책정한 다음 각 펌프의 가동시간이 미편중되도록 기설정된 필요 유량을 송수하는 펌프의 조합을 제공하며, 이를 바탕으로 각 펌프를 제어하는 컴퓨터로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 컴퓨터는 상기 배수지 수위 저하가 예측되면 저하 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정하고, 상기 배수지 수위 증가가 예측되면 증가 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정한다.
여기에서 또한, 상기 컴퓨터는 상기 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하여도 상기 배수지의 수위가 저하되거나 상기 제 1, 2압력계의 압력값이 연속으로 상승되면, 상기 PLC로부터 전송되는 상기 제 1유량계와, 제 1, 2압력계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 각 펌프의 평균 펌프 양정을 결정하고, 평균 펌프 양정과 총합산 유량을 이용하여 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출하며, 상기 PLC로부터 전송되는 제 1, 2온도계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QT)을 산출한 다음, 이들을 상호 비교하여 기준 오차 미만인 경우 산출된 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)을 합한 다음 합한 값을 2로 나눠 펌프 개별 평균 유량(Q)을 산출하여 펌프 개별 효율 및 펌프 개별 평균 유량(Q)과 전력량계로부터 측정된 전력량을 이용하여 전력원단위를 산출한 후 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프의 순위를 책정한다.
여기에서 또, 상기 컴퓨터는 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)의 오차가 기준 오차 이상인 경우 상기 제 1유량계와, 제 1, 2압력계와, 제 1, 2온도계의 이상 유무를 확인하여 이상이 없으면 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출한 다음, 이를 이용하여 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출한다.
여기에서 또, 상기 컴퓨터는 연속적으로 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출하여 일순위 펌프의 가동시간과 전력원단위가 상승하고 펌프 개별 효율이 저하하면 차순위 펌프로 조합을 변경한 후 운영자에게 변경 내용을 제공한다.
본 발명의 다른 특징은,
상기의 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치의 제어 방법에 있어서, 제 1, 2유량계와, 수위계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 배수지로 공급되는 상수도 유량과 상기 배수지에서 수용가로 공급되는 상수도의 유량 및 상기 배수지의 수위를 측정하고, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 상기 배수지 수위 변동이 예측되면 상기 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지의 수위를 유지하기 위하여 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 자동으로 조정하는 제 1단계와; 상기 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하여도 상기 배수지의 수위가 저하되거나 제 1, 2압력계의 압력값이 연속으로 상승되면, 상기 제 1유량계와, 상기 제 1, 2압력계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 병렬 연결된 각 펌프의 평균 펌프 양정을 산출하는 제 2단계와; 산출된 평균 펌프 양정과 상기 유량계에서 측정된 총합산 유량을 이용하여 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출하는 제 3단계와; 제 1, 2온도계 및 전력량계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QT)을 산출하는 제 4단계와; 산출된 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)을 상호 비교하여 두값의 오차를 검출하는 제 5단계와; 오차값이 기준 오차 미만인 경우 산출된 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)을 합한 다음 합한 값을 2로 나눠 펌프 개별 평균 유량(Q)을 산출하는 제 6단계와; 펌프 개별 평균 유량(Q)을 통해 펌프 개별 효율을 산출하고, 펌프 개별 평균 유량(Q)과 전력량계로부터 측정된 전력량을 이용하여 전력원단위를 산출하는 제 7단계; 및 산출된 펌프 개별 효율과 전력원단위를 통해 펌프 개별 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프의 순위를 책정한 다음 각 펌프의 가동시간이 미편중되도록 기설정된 필요 유량을 송수하는 펌프의 조합을 제공하고, 이를 바탕으로 각 펌프를 제어하는 제 8단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 병렬 운전 펌프의 소모 전력 절감 운용 방법은 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)의 오차가 기준 오차 이상인 경우 상기 제 1유량계와, 제 1, 2압력계 및 제 1, 2온도계의 이상 유무를 확인하여 이상이 없으면 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출하는 제 9단계를 더 포함한다.
여기에서 또한, 상기 제 1단계는 상기 배수지 수위 저하가 예측되면 저하 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정하고, 상기 배수지 수위 증가가 예측되면 증가 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정한다.
여기에서 또, 상기 제 8단계는 연속적으로 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출하여 일순위 펌프의 가동시간과 전력원단위가 상승하고 펌프 개별 효율이 저하하면 차순위 펌프로 조합을 변경한 후 운영자에게 변경 내용을 제공한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치 및 제어 방법에 따르면, 상수도 유량과 수용가로 공급되는 상수도의 유량을 측정하고, 배수지의 수위, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 배수지 수위 변동이 예측되면 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 배수지 수위가 일정하게 유지되도록 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 배수지에서 병렬 운전 상태의 각 개별펌프의 토출유량을 수리학적 산출법과 열역학적 산출법으로 결정하고, 각 개별로 산출된 유량에 병렬로 연결된 펌프들중 최저 전력원단위와 최고 펌프 효율을 갖는 펌프를 선정하여 운영자에게 펌프 조합을 제시하고, 이에 따라 펌프를 운용하여 펌프 소모 전력을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 병렬 운전 펌프의 소모 전력 절감 운용 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 병렬 운전 펌프의 소모 전력 절감 운용 장치(1)는 정수지(A)와, 메인 유입 배관(L1)과, 분기 배관(L2)과, 복수의 펌프(P1~Pn)와, 메인 토출 배관(L3)과, 제 1유량계(Ft)와, 배수지 유입 밸브(Vin)와, 배수지(B)와, 공급 배관(L4)과, 수위계(L)와, 제 2유량계(Fo)와, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)와, 제 1, 2온도계(Tin, Tout)와, 전력량계(W)와, PLC(10) 및 컴퓨터(20)를 포함하여 구성된다.
먼저, 정수지(A)는 오염된 물을 정수한다.
그리고, 메인 유입 배관(L1)은 정수지(A)와 연결되어 정수된 물을 배출한다.
또한, 분기 배관(L2)은 메인 유입 배관(L1)에서 복수개로 분기된다.
또, 펌프(P1~Pn)는 분기 배관(L2)에 각각 설치되어 하기에서 설명할 컴퓨터(20)의 제어에 따라 동작된다.
계속해서, 메인 토출 배관(L3)은 각각의 분기 배관(L2)을 합쳐 정수된 물을 배출한다.
이어서, 제 1유량계(Ft)는 메인 토출 배관(L3)에 설치되어 각 펌프(P1~Pn)에서 토출되는 총합산 유량을 측정한다.
그리고, 배수지 유입 밸브(Vin)는 메인 토출 배관(L3)에서 제 1유량계(Ft)의 후단에 설치되어 컴퓨터(20)의 제어에 따라 개도율을 조절한다.
또한, 배수지(B)는 메인 토출 배관과 연결되어 정수된 물, 즉 상수도가 저장된다.
또, 공급 배관(L4)은 배수지(B)의 상수도를 수용가(C)로 공급한다.
또, 수위계(L)는 배수지(B)에 설치되어 수위를 측정한다.
한편, 제 2유량계(Fo)는 공급 배관(L4)에 설치되어 수용가(C)로 공급되는 상수도의 유량을 측정한다.
그리고, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)는 각각의 펌프(P1~Pn)의 전후단에 각각 설치되어 각 펌프(P1~Pn)에서 토출되는 유체의 압력을 측정한다.
또한, 제 1, 2온도계(Tin, Tout)는 각각의 펌프(P1~Pn)의 전후단에 각각 설치되어 유체의 온도를 측정한다. 이때, 제 1, 2온도계(Tin, Tout)는 미세한 온도 차이를 이용하여 열역학적 유량을 산출할 수 있도록 고정밀 온도계가 적용되는 것이 바람직하다.
또, 전력량계(W)는 각각의 펌프(P1~Pn)의 전력을 측정한다.
이어서, PLC(10)는 제 1, 2유량계(Ft, FO)와, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)와, 제 1, 2온도계(Tin, Tout) 및 전력량계(W)로부터 유무선 통신망을 통해 각각 측정값을 입력받아 컴퓨터(20)로 유무선 통신망을 통해 전송한다. 이때, PLC(10)는 각 측정값이 아날로그 신호이면 선택에 따라 이를 디지털 신호로 변환시켜 전송할 수도 있다.
계속해서, 컴퓨터(20)는 PLC(20)로부터 전송되는 제 1, 2유량계(Ft, FO)와, 수위계(L)에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 배수지(B)로 공급되는 상수도 유량과 배수지(B)에서 수용가(C)로 공급되는 상수도의 유량 및 배수지 수위를 측정하고, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 배수지 수위 변동이 예측되면 배수지 수위 예측 모델링 프로그램(ANFIS 프로그램)에서 지속 예상 시간을 산출해서 배수지(B)의 수위를 유지하기 위하여 배수지 유입 밸브(Vin)의 개도율을 자동으로 조정한다.
또한, 컴퓨터(20)는 배수지 유입 밸브(Vin)의 개도율을 자동으로 조정하여도 배수지(B)의 수위가 저하되거나 제 1, 2압력계(Pin, Pout)의 압력값이 연속으로 상승되면, 복수의 펌프(P1~Pn)의 가동 조합 변경을 통해 유량을 조절하는 데, PLC(10)로부터 전송되는 제 1유량계(Ft)와, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)와, 제 1, 2온도계(Tin, Tout) 및 전력량계(W)로부터 각각 측정값을 입력받아 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QH)과 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QT)을 산출한 다음, 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출해서 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프(P1~Pn)의 순위를 책정한 다음 각 펌프의 가동시간이 미편중되도록 기설정된 필요 유량을 송수하는 펌프(P1~Pn)의 조합을 제공하고, 이를 바탕으로 각 펌프(P1~Pn)를 제어한다.
이때, 컴퓨터(20)는 PLC(10)로부터 전송되는 제 1유량계(Ft)와, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 각 펌프(P1~Pn)의 평균 펌프 양정을 결정하고, 평균 펌프 양정과 총합산 유량을 이용하여 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QH)을 산출하며, PLC(10)로부터 전송되는 제 1, 2온도계(Tin, Tout)에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QT)을 산출한 다음, 이들을 상호 비교하여 기준 오차 미만인 경우 펌프 개별 평균 유량(Q)을 산출하여 펌프 개별 효율 및 펌프 개별 평균 유량(Q)과 전력량계(W)로부터 측정된 전력량을 이용하여 전력원단위를 산출한 후 펌프 개별 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프(P1~Pn)의 순위를 책정한다.
또한, 컴퓨터(20)는 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)의 오차가 기준 오차 이상(예를 들어 5%)인 경우 제 1유량계(Ft)와, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)와, 제 1, 2온도계(Tin, Tout)의 이상 유무를 확인하여 이상이 없으면 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QH)을 산출한 다음, 이를 이용하여 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출한다.
또, 컴퓨터(20)는 연속적으로 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출하여 일순위 펌프의 가동시간과 전력원단위가 증가하고 펌프 개별 효율이 저하하면 차순위 펌프로 조합을 변경한 후 운영자에게 변경 내용을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 병렬 운전 펌프의 소모 전력 절감 운용 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
《제 1단계-S10》
먼저, 컴퓨터(20)는 PLC(20)로부터 전송되는 제 1유량계(Ft)와 수위계(L)를 통해 정수지(A)에서 배수지(B)로 공급되는 상수도 유량 및 배수지 수위를 측정하고(S11), 제 2유량계(FO)를 통해 배수지(B)에서 수용가(C)로 공급되는 상수도의 유량을 측정하며(S13), 외부 또는 기 저장된 데이터베이스를 통해 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여(S13), 배수지 수위 예측 모델링 프로그램(ANFIS 프로그램)을 통해 배수지 수위 변동을 예측한다(S14).
배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 배수지 수위 변동이 예측되면, 컴퓨터(40)는 다시 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 배수지 수위 증가 여부를 예측한다(S15).
예측 결과, 배수지 수위 저하가 예측되면(S16), 컴퓨터(40)는 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 저하 지속 예상 시간을 산출해서(S17a), 산출된 시간에 대응되도록 배수지 유입 밸브(Vin)의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정하고(S17b), 조정 후에도 배수지(B)의 수위 저하가 지속되는지를 판단하여(S17c), 미지속되면 현재 펌프 가동 조합을 그대로 유지시킨다(S19).
반대로 배수지 수위 증가가 예측되면(S16), 증가 지속 예상 시간을 산출해서(S18a), 배수지 유입 밸브(Vin)의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정한 후(S18b), 제 1, 2압력계(Pin, Pout)에서 측정된 압력값을 통해 압력이 미상승되면, 현재 펌프 가동 조합을 그대로 유지시킨다(S19).
《제 2단계-S20》
그리고, 컴퓨터(20)는 배수지 유입 밸브(Vin)의 개도율을 자동으로 조정하여도 배수지(B)의 수위가 저하가 지속되거나 제 1, 2압력계(Pin, Pout)의 압력값이 연속으로 상승되면, 복수의 펌프(P1~Pn)의 가동 조합 변경을 통해 유량을 조절하도록 PLC(10)로부터 전송되는 유량계(Ft)와, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 각 펌프(P1~Pn)의 평균 펌프 양정을 결정한다.
《제 3단계-S30》
평균 펌프 양정이 결정되면, 컴퓨터(20)는 평균 펌프 양정과 총합산 유량을 이용하여 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QH)을 산출한다.
상기 제 2단계(S20)와 제 3단계(S30)를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 수리학적 유량 산출법에서 각 펌프당 유량계를 설치하여 유량을 산출하는 방식이 아니라 메인 토출 배관(L3)에 제 1유량계(Ft)를 설치하여 각 펌프(P1~Pn)에서 토출되는 총합산 유량을 측정한 후 각 펌프(P1~Pn)의 운전 양정이 동일하다는 가정과 기존 운영자료 정보를 활용하여 운전중인 펌프(P1~Pn)의 평균 펌프 양정을 결정한 후 각 펌프(P1~Pn)의 평균 펌프 양정과 유량 관계식을 통해 유량을 산출한다.
그리고, 가동중인 펌프의 특정 조합에 대한 평균 펌프 양정(y)과 총합산 유량(x)과의 관계식은 운영중에 수집되는 정보(흡입 압력, 토출 압력)를 가지고 결정 가능하다. 예를 들어 펌프 1, 2호가 가동되는 경우는 다음과 같다.
Figure 112016116318157-pat00001
위와 같은 총합산 유량(x)에 대해 동일한 n차 다항식을 사용하여, 개별 펌프의 평균 펌프 양정(y)과 총합산 유량(x)은 알고리즘으로 해결되는 미지의 계수로 정의된다. 예를 들면, 펌프(1)의 경우는 다음과 같다.
Figure 112016116318157-pat00002
개별 펌프의 평균 펌프 양정(y)-총합산 유량(x) 관계에서 미지의 계수를 구하기 위해서는, 총합산 유량에 대한 최소 수치가 필요하다.
예를 들어 3개의 펌프가 병렬 배치의 경우 평균 펌프 양정(y)-총합산 유량 관계식(즉, 세가지의 다른 펌핑 시나리오)에 필요하다. 예를 들면, 이러한 데이터는 펌프 1, 2호기 가동, 다음에 펌프 2, 3호기 가동, 다음에 펌프 1,3호기 가동의 세 가지 시나리오 운영을 통해 취득할 수 있다. 다른 대안으로는 세 가지 시나리오를 펌프 1호기 가동, 다음에 펌프 1, 2호기 가동, 그 다음에 펌프 1, 3호기 가동을 통해 얻을 수 있다.
각 개별펌프의 유량-양정 관계식을 풀기 위해 필요한 최소한의 데이터를 얻기 위해서는 다양한 펌핑 시나리오가 수행되어야 할 것으로 판단된다. 최소한의 요구데이터를 얻기 위해서는 일련의 펌핑 시나리오가 필요하며 각 시나리오에서는 한대 이상의 펌프가 가동되어야 하며 각 개별 펌프는 최소한 하나의 서로 다른 시나리오에서 운영되어야 한다.
다음의 예시에서, 양정과 총합산 유량 데이터는 다음의 펌프조합, 1&2, 1&3, 2&3에 대해 취득된다.
세 종류의 이차함수에 주어진 데이터는 아래와 같다.
Figure 112016116318157-pat00003
y12=y13=y23=yt이 주어졌다고 가정한다.
Figure 112016116318157-pat00004
내포된 이차함수의 계수는 아래와 같은 수학식 6과 같은 방식으로 구할 수 있다.
Figure 112016116318157-pat00005
먼저, yt를 기본으로 하는 x12,x13,x23값에서 독립변수인 x1,x2,x3에 대한 식을 구하기 위해 (4), (5) 및 (6) 공식을 사용한다. 세 종류의 관계는 3x3 행렬방정식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016116318157-pat00006
또는
Figure 112016116318157-pat00007
다음의 행렬 방정식을 풀어보면
Figure 112016116318157-pat00008
x = (x1,x2,x3)에 대한 수치가 구해지며, 다음과 같이 나타난다.
Figure 112016116318157-pat00009
이를 통해 최종적으로 아래와 같은 행렬이 도출된다.
Figure 112016116318157-pat00010
또한, x에 관한 방정식이 수립된다.
Figure 112016116318157-pat00011
이 관계는 항상 y=yt이라는 상수값을 갖는다. 엄밀히 말하자면, 이 방법은 방정식처럼 정반대의 경우가 존재하고 수치가 변하는 2차 방정식에만 적용된다.
Figure 112016116318157-pat00012
수치 범위인 상단 우측에 전환점이 없기 때문에, 이는 본 문제점에 항상 적용되어야 한다.
지금부터, 주어진 yt로, 해결해야 할 이차함수는 다음과 같다.
Figure 112016116318157-pat00013
yt에 대한 x1,x2,x3이라는 공지된 값이 있다.
Figure 112016116318157-pat00014
상기 공지된 값을 (24) ?? (26) 방정식에 대입하면, 아래와 같이 정리된다.
Figure 112016116318157-pat00015
상기 3 종류의 방정식은 yt에 대하여 a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3라는 9가지의 미지수를 갖는다. 따라서, 본 시스템을 확실히 해결하기 위해서, yt,yu,yv에 대하여 3개의 y 상수값을 취해야 한다. 그러면, 9가지의 미지수로 9가지의 방정식이 나오게 된다.
Figure 112016116318157-pat00016
3 개의 미지수의 3개의 방정식으로 이루어진 3 개의 무리는 다음과 같다.
Figure 112016116318157-pat00017
i가 1,2,3인 상태에서, 다음의 행렬방정식이 다시 생긴다.
Figure 112016116318157-pat00018
공지된 벡터 b와 공지된 매트릭스 A에서 미지수 x벡터를 찾을 수 있다. 방정식을 풀기 위해 정반대의 매트릭스를 다시 찾아야 한다.
Figure 112016116318157-pat00019
메이플(Maple)같은 컴퓨터 대수학 시스템을 이용하여, 다음의 공식으로 A-1에 근접한 형태를 구할 수 있다.
Figure 112016116318157-pat00020
따라서, 다음의 공식을 구하기 위한 행렬 곱셈을 할 수 있다.
Figure 112016116318157-pat00021
(27)-(29) 방정식 및 xi,u과 xi,v을 구하기 위한 두 종류의 측정점과 유사한 공식을 이용하여, 마침내 공지값과 관련된 모든 필요 계수를 산출할 수 있게 된다.
3개의 상수값 y만을 사용해야 할 필요는 없다. 데이터의 문제를 완화시키기 위해 시스템에 제한을 두기 위한 더 많은 기준점을 쓸 수 있다. 하지만, 이런 경우에서는, A-1에 근접한 형태를 구하기란 불가능하기 때문에, 본 시스템을 해결하기 위해 수치 계산법을 사용하는 것이다.
프로그램에는 3개의 상수값 y에 대한 x, y값을 포함한 입력파일(input-file)이 있다.
Figure 112016116318157-pat00022
주어진 샘플 데이터상의 수치를 이용하여, 다음의 3가지의 샘플 입력파일을 만든다. 'sample1.dat'은 다음과 같다.
Figure 112016116318157-pat00023
'sample2.dat'은 다음과 같다.
Figure 112016116318157-pat00024
'sample3.dat'은 다음과 같다.
Figure 112016116318157-pat00025
상기 3종류의 샘플 파일을 통하여 다음을 얻는다.
Figure 112016116318157-pat00026
동일한 데이터를 나타내는 3종류의 샘플 파일에서 나온 결과가 서로 일치하여 결과에 대한 정확도를 얻을 수 있다.
방정식 (7)-(9)으로 대체되는 a1,a2,a3,b1,…,c3계수를 가지고, 각 개별펌프의 평균 펌프 양정(y)-총합산 유량(x)의 관계식이 결정된다. 따라서 주어진 양정에 대하여, 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QH)이 결정된다.
《제 4단계-S40》
계속해서, 컴퓨터(20)는 PLC(10)로부터 전송되는 제 1, 2온도계(Tin, Tout)에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QT)을 산출한다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 제 1, 2온도계(Tin, Tout)를 이용하여 각 펌프(P1~Pn)의 유체의 열역학 변화량을 측정하여 이를 유량으로 산출한다.
펌프를 흡입, 토출구를 가진 정상상태 단열 개방시스템으로 단순화하여 열역학 제 1법칙을 적용하면, 펌프에 입력되는 일률 Win은 유효한 출력 일률 Wout과 손실률 Losses의 발생으로 나타난다.
Figure 112016116318157-pat00027
여기서 유효출력일 Wout은 유량 Q와 전해드 상승 △H의 곱으로 표시된다. 이때 펌프 내에서 발생하는 각종 유동손실 Losses가 통과하는 유체의 온도상승 △T로 나타난다고 하면,
Figure 112016116318157-pat00028
로 표현된다. 이때 펌프의 효율
Figure 112016116318157-pat00029
는 입력일률에 대한 유효한 출력일률의 비이므로
Figure 112016116318157-pat00030
와 같이 계산될 수 있다.
한편, 펌프의 유효출력 Wout은 모터의 입력일률 Pm, 모터효율
Figure 112016116318157-pat00031
, 펌프효율
Figure 112016116318157-pat00032
의 곱으로 표시되므로,
Figure 112016116318157-pat00033
의 관계가 성립하고 각 펌프의 유량 Q는
Figure 112016116318157-pat00034
에 의해서 계산될 수 있다.
여기에서, 수학식 28, 30, 31의 Q는 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QT)이다.
《제 5단계-S50》
이어서, 컴퓨터(20)는 산출된 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)을 상호 비교하여 두값의 오차를 아래의 수학식 32와 같이 검출한다.
Figure 112016116318157-pat00035
《제 6단계-S60》
그리하여, 오차값이 기준 오차 미만인 경우(S61), 컴퓨터(20)는 펌프 개별 평균 유량(Q)을 아래의 수학식 33과 같이 산출한다(S62).
Figure 112016116318157-pat00036
《제 7단계-S70》
그런 다음, 컴퓨터(20)는 산출된 펌프 개별 평균 유량(Q)을 이용하여 펌프 개별 효율(
Figure 112016116318157-pat00037
)을 산출하고, 산출된 펌프 개별 평균 유량(Q)과 전력량계(W)로부터 측정된 전력량(kWh)을 이용하여 전력원단위(kwh/m3)를 산출한다.
즉, 수학식 29와, 수학식 31을 이용하여 개별 펌프의 효율(
Figure 112016116318157-pat00038
)를 산출할 수 있으며, 각 개별 펌프의 계장에 설치한 전력량계 값으로 산출된 유량(Q)(m3) 당 사용된 전력량(kWh)을 계산하여(=사용 전력량 / 유량), 전력원단위(kwh/m3)를 산출한다.
《제 8단계-S80》
이어서, 컴퓨터(20)는 산출된 펌프 개별 효율과 전력원단위를 통해 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프(P1~Pn)의 순위를 책정한 다음 각 펌프의 가동시간이 미편중되도록 기설정된 필요 유량을 송수하는 펌프의 조합을 관리자에게 제공하고, 이를 바탕으로 각 펌프(P1~Pn)를 제어한다.
이후, 컴퓨터(20)는 실시간으로 상기의 과정을 반복하면서 연속적으로 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출하여 일순위 펌프의 가동시간과 전력원단위가 상승하고 효율이 저하하면 차순위 펌프로 조합을 변경한 후 운영자에게 변경 내용을 제공한다.
《제 9단계-S90》
한편, 제 6단계(S60)에서 오차가 기준 오차 이상인 경우 컴퓨터(20)는 유량계(Ft)와, 제 1, 2압력계(Pin, Pout)와, 제 1, 2온도계(Tin, Tout)의 이상 유무를 확인하여(S91), 이상이 없으면(S92), 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프(P1~Pn)의 개별 유량(QH)을 산출한 다음(S93), 제 7단계(S70)로 패스되어 이후 과정을 수행한다. 이때, 이상이 발생하면 제 8단계(S80)로 패스되어 이후 과정을 수행하는 데, 오류 메시지를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 펌프장뿐만 아니라 복수의 펌프가 병렬 연결되는 모든 산업 현장에 적용이 가능하다.
10 : PLC 20 : 컴퓨터
A : 정수지 B : 배수지
C : 수용가 Ft ,Fo : 제 1, 2유량계
P1~Pn : 펌프 Pin, Pout : 제 1, 2압력계
Tin, Tout : 제 1, 2온도계 Vin : 배수지 유입 밸브
W : 전력량계

Claims (9)

  1. 정수지와;
    상기 정수지와 연결되는 메인 유입 배관과;
    상기 메인 유입 배관에서 분기된 복수의 분기 배관과;
    상기 분기 배관에 각각 설치되는 복수의 펌프와;
    각각의 상기 분기 배관이 합쳐지는 메인 토출 배관과;
    상기 메인 토출 배관에 설치되어 상수도의 총합산 유량을 측정하는 제 1유량계와;
    상기 메인 토출 배관에서 상기 제 1유량계의 후단에 설치되어 외부의 제어에 따라 개도율을 조절하는 배수지 유입 밸브와;
    상기 메인 토출 배관과 연결되어 상수도가 저장되는 배수지와;
    상기 배수지의 상수도를 수용가로 공급하는 공급 배관과;
    상기 배수지에 설치되어 수위를 측정하는 수위계와;
    상기 공급 배관에 설치되어 상기 수용가로 공급되는 상수도의 유량을 측정하는 제 2유량계와;
    각각의 상기 분기 배관 상에 각각의 펌프의 전후단에 각각 설치되어 유체의 압력을 측정하는 제 1, 2압력계와;
    각각의 상기 분기 배관 상에 각각의 펌프의 전후단에 각각 설치되어 유체의 온도를 측정하는 제 1, 2온도계와;
    각각의 펌프의 전력을 측정하는 전력량계와;
    상기 제 1, 2유량계와, 수위계와, 제 1, 2압력계와, 제 1, 2온도계 및 전력량계로부터 각각 측정값을 입력받아 전송하는 PLC; 및
    상기 PLC로부터 전송되는 상기 제 1, 2유량계와, 수위계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 상기 배수지로 공급되는 상수도 유량과 상기 배수지에서 수용가로 공급되는 상수도의 유량 및 상기 배수지의 수위를 측정하고, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 상기 배수지 수위 변동이 예측되면 상기 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지의 수위를 유지하기 위하여 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 자동으로 조정하되, 상기 배수지 수위 저하가 예측되면 저하 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정하고, 상기 배수지 수위 증가가 예측되면 증가 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정하고, 상기 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하여도 상기 배수지의 수위가 저하되거나 상기 제 1, 2압력계의 압력값이 연속으로 상승되면, 상기 PLC로부터 전송되는 상기 제 1유량계와, 제 1, 2압력계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 각 펌프의 평균 펌프 양정을 결정하고, 평균 펌프 양정과 총합산 유량을 이용하여 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출하며, 상기 PLC로부터 전송되는 제 1, 2온도계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QT)을 산출한 다음, 이들을 상호 비교하여 기준 오차 미만인 경우 산출된 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)을 합한 다음 합한 값을 2로 나눠 펌프 개별 평균 유량(Q)을 산출하여 펌프 개별 효율 및 펌프 개별 평균 유량(Q)과 전력량계로부터 측정된 전력량을 이용하여 전력원단위를 산출한 후 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프의 순위를 책정한 다음 각 펌프의 가동시간이 미편중되도록 기설정된 필요 유량을 송수하는 펌프의 조합을 제공하며, 이를 바탕으로 각 펌프를 제어하는 컴퓨터로 이루어지며,
    상기 컴퓨터는,
    각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)의 오차가 기준 오차 이상인 경우 상기 제 1유량계와, 제 1, 2압력계와, 제 1, 2온도계의 이상 유무를 확인하여 이상이 없으면 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출한 다음, 이를 이용하여 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출하고, 연속적으로 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출하여 일순위 펌프의 가동시간과 전력원단위가 상승하고 펌프 개별 효율이 저하하면 차순위 펌프로 조합을 변경한 후 운영자에게 변경 내용을 제공하는 것을 특징으로 하는 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항의 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 장치의 제어 방법에 있어서,
    제 1, 2유량계와, 수위계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 배수지로 공급되는 상수도 유량과 상기 배수지에서 수용가로 공급되는 상수도의 유량 및 상기 배수지의 수위를 측정하고, 계절, 휴일 유무, 시간의 변수를 적용하여 배수지 수위 예측 모델링 프로그램을 통해 수위를 예측하고, 상기 배수지 수위 변동이 예측되면 상기 배수지 수위 예측 모델링 프로그램에서 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지의 수위를 유지하기 위하여 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 자동으로 조정하는 데, 상기 배수지 수위 저하가 예측되면 저하 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정하고, 상기 배수지 수위 증가가 예측되면 증가 지속 예상 시간을 산출해서 상기 배수지 유입 밸브의 개도율을 1~5%씩 자동으로 조정하는 제 1단계와;
    상기 배수지 유입 밸브 개도율을 자동으로 조정하여도 상기 배수지의 수위가 저하되거나 제 1, 2압력계의 압력값이 연속으로 상승되면, 상기 제 1유량계와, 상기 제 1, 2압력계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 병렬 연결된 각 펌프의 평균 펌프 양정을 산출하는 제 2단계와;
    산출된 평균 펌프 양정과 상기 제1 유량계에서 측정된 총합산 유량을 이용하여 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출하는 제 3단계와;
    제 1, 2온도계 및 전력량계에서 측정된 각각 측정값을 이용하여 열역학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QT)을 산출하는 제 4단계와;
    산출된 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)을 상호 비교하여 두값의 오차를 검출하는 제 5단계와;
    오차값이 기준 오차 미만인 경우 산출된 각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)을 합한 다음 합한 값을 2로 나눠 펌프 개별 평균 유량(Q)을 산출하는 제 6단계와;
    펌프 개별 평균 유량(Q)을 통해 펌프 개별 효율을 산출하고, 펌프 개별 평균 유량(Q)과 전력량계로부터 측정된 전력량을 이용하여 전력원단위를 산출하는 제 7단계와;
    산출된 펌프 개별 효율과 전력원단위를 통해 펌프 개별 효율이 높고, 전력원단위가 낮은 순으로 각 펌프의 순위를 책정한 다음 각 펌프의 가동시간이 미편중되도록 기설정된 필요 유량을 송수하는 펌프의 조합을 제공하고, 이를 바탕으로 각 펌프를 제어하며, 연속적으로 펌프 개별 효율 및 전력원단위를 산출하여 일순위 펌프의 가동시간과 전력원단위가 상승하고 펌프 개별 효율이 저하하면 차순위 펌프로 조합을 변경한 후 운영자에게 변경 내용을 제공하는 제 8단계; 및
    각 펌프의 개별 유량(QH)과 개별 유량(QT)의 오차가 기준 오차 이상인 경우 상기 제 1유량계와, 제 1, 2압력계 및 제 1, 2온도계의 이상 유무를 확인하여 이상이 없으면 수리학적 유량 산출법으로 각 펌프의 개별 유량(QH)을 산출하는 제 9단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배수지 유입 밸브 및 병렬 운전 펌프의 제어 방법.
  7. 삭제
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