KR102330150B1 - 펌프를 차단하기 위한 방법 및 펌프 스테이션 장치 - Google Patents

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Abstract

제 1 양태에 따르면, 본 발명은 도관(4)을 통해 액체를 펌핑하기 위한 펌프(2)를 턴오프시키기 위한 방법에 관한 것으로, 펌프(2)는 턴오프되기 전에 제어 유닛(6)에 의해 작동 속도(FN)로 구동된다. 본 방법은, 턴오프 지시에 따라 펌프(2)의 주파수를 저하시키는 단계, 및 저하 후에 펌프(2)를 정지시키는 단계를 포함하고, 저하의 종말 주파수는 펌프(2)의 작동 주파수(FN)에서 적어도 10 Hz를 뺀 것과 같으며, 저하 시간은 적어도 당해 도관에 대한 반사 시간(TR)이고, 저하의 종말 주파수는 10 Hz 이상이다. 제 2 양태에 따르면, 본 발명은 턴오프 방법을 실시하도록 되어 있는 펌프 스테이션 장치에 관한 것이다.

Description

펌프를 차단하기 위한 방법 및 펌프 스테이션 장치{METHOD FOR SHUTTING OFF A PUMP AS WELL AS PUMP STATION ARRANGEMENT}
본 발명은 일반적으로, 도관을 통해 액체를 펌핑하기 위한 펌프를 턴오프시키기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 펌프는 턴오프되기 전에 제어 유닛에 의해 작동 주파수로 구동된다. 특히 본 발명은 폐수를 펌핑하도록 되어 있는 펌프를 위한 턴오프 방법에 관한 것이다. 제 2 양태에 따르면, 본 발명은 펌프, 제어 유닛 및 펌프의 출구에 연결되어 있는 도관을 포함하는 펌프 스테이션 장치에 관한 것으로, 이 펌프 스테이션 장치는 상기 턴오프 방법을 수행하도록 되어 있다.
이러한 펌프 스테이션 장치에서 액체의 유량은 일반적으로 0.7 ∼ 1 미터/초이며, 이에 따라, 펌프로부터 연장되어 있는 도관에서 큰 운동량을 갖는 큰 액체 유동이 존재하게 된다. 액체의 유량은 도관 내의 침전을 피하기 위해 보통 0.7 미터/초 보다 높고, 또한 높은 마찰 손실이 일어나지 않도록 보통 1 미터/초를 초과하지 않는다. 더욱이, 도관의 길이는 수천 미터일 수 있다. 펌프로부터 도관으로의 액체 공급이 갑자기 멈추면, 액체에 압력파가 발생될 것이며, 이 압력파는 관 시스템을 통해 전달되어 액체의 서로 다른 부분들은 상이한 속도를 갖게 될 것이다. 이 성가신 상황으로 인해 도관에 진공 기포가 발생될 수 있으며, 또한 이 진공 기포가 파열되면(예컨대, 액체의 서로 다른 부분들이 도관에서 상이한 방향으로 이동하면), 도관과 그의 부품을 손상시키는 위험을 주는 소위 수격(water hammer) 현상이 일어나게 된다. 더욱이, 액체 기둥이 펌프 쪽으로 향하면, 펌프의 하류에 있는 통상적인 역류 방지 밸브가 쾅 닫혀 손상되는 위험이 있다.
수격 효과를 줄이기 위해, 자동적으로 또는 수동적으로 발생된 턴오프 지시에 따라 펌프의 주파수를 작동 주파수로부터 영으로 저하시키는 것이 전통적으로 알려져 있다. 이러한 저하의 목적은, 펌프가 항상 양의 펌프 압력을 발생시키게 하여 역류 방지 밸브를 열린 상태로 유지시켜 액체의 유량이 서서히 감소되게 하고 그래서 도관에 진공 기포가 발생되지 않게 하는 것이다. 진공 기포를 완전히 제거하기 위해, 상기 저하는 매우 길어야 하는데, 그래서 불필요한 양의 에너지가 소비된다.
더욱이, 작동 주파수로부터 영으로 저하시키는 경우, 실제로, 임펠러가 여전히 구동되어 액체 유동을 발생시킴에도 불구하고(하지만 펌핑 압력 및/또는 액체 유동은 액체를 도관 안으로 펌핑시키기에는 너무 작음) 역류 방지 밸브는 닫힐 것이다. 예컨대, 펌프는 유용한 출력 없이 에너지를 소비하게 된다.
본 발명의 목표는, 이미 알려져 있는 턴오프 방법의 전술한 결점과 단점을 최소화하고 또한 펌프를 위한 개선된 턴오프 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 기본 목적은, 가능한 한 짧은 시간 내에 펌프를 턴오프시키고 동시에 도관 내의 수격 효과를 실질적으로 줄이는, 서두에서 언급한 종류의 개선된 턴오프 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 진공 기포의 크기가 감소되는 턴오프 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 도관과 역류 방지 밸브를 분리시키는 턴오프 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 턴오프 중에 에너지 소비가 줄어드는 턴오프 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 적어도 상기 기본 목적은, 독립 청구항에 기재되어 있는 특징을 갖는, 서두에서 언급한 방법 및 펌프 스테이션 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시 형태는 종속 청구항에 더 기재되어 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 서두에서 언급한 종류의 턴오프 방법이 제공되는 바, 제어 유닛을 이용하여 턴오프 지시에 따라 펌프의 주파수를 저하시키는 단계, 및 상기 저하 후에 제어 유닛을 이용하여 펌프를 정지시키는 단계를 포함하고, 상기 저하의 종말 주파수는 펌프의 작동 주파수에서 적어도 10 Hz를 뺀 것과 같으며, 저하 시간은 적어도 당해 도관에 대한 반사 시간이고, 저하의 종말 주파수는 10 Hz 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 펌프, 제어 유닛 및 펌프의 출구에 연결되어 있는 도관을 포함하는 펌프 스테이션 장치가 제공된다.
상기 펌프 스테이션 장치의 특징으로서, 제어 유닛은 턴오프 지시에 따라 펌프의 주파수를 작동 주파수로부터 저하시키도록 되어 있고, 상기 저하의 종말 주파수는 펌프의 작동 주파수(FN)에서 적어도 10 Hz를 뺀 것과 같으며, 저하 시간은 적어도 당해 도관에 대한 반사 시간(TR)이고, 저하의 종말 주파수는 10 Hz 이상이고, 또한 상기 제어 유닛은 저하 후에 상기 펌프를 정지시키도록 되어 있다.
그래서, 본 발명은 저하의 시작시에 양의 효과를 사용하고 저하의 끝에서 음의 효과를 피한다는 지견에 기초하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 저하 후에 모터를 정지시키는 단계는, 펌프의 임펠러가 멈출 때까지 자유롭게 회전하도록 상기 제어 유닛을 이용하여 펌프를 해제시키는 것을 포함한다. 이렇게 해서, 펌프는 유용한 출력이 아닌 일은 하지 않는다.
본 발명의 일 대안적인 실시 형태에 따르면, 저하 후에 펌프를 정지시키는 단계는, 펌프의 모터가 펌핑된 액체로부터 받는 토크가 영이되게 제어되도록 제어 유닛을 이용하여 펌프의 주파수의 제 2 저하를 수행하는 것을 포함한다. 이렇게 해서, 임펠러가 멈출 때가지 그 임펠러의 자유 회전이 모방되며, 그리하여, 펌프는 유용한 출력이 아닌 일은 하지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 상기 저하의 종말 주파수는 35 Hz 이하이고 또한 25 Hz 이상이다. 이렇게 해서, 펌프가 유용한 출력이 아닌 일을 함이 없이 수격 효과를 실질적으로 줄이기 위해 충분한 저하를 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 이점과 특징은 다른 종속 청구항 및 바람직한 실시 형태에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다.
본 발명의 위에서 언급한 특징적 사항 및 다른 특징적 사항에 대한 더 완전한 이해는, 첨부 도면을 참조로 하는 바람직한 실시 형태에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 펌프 스테이션 장치를 포함하는 펌프 스테이션을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 턴오프 중에 펌프의 주파수, 액체 유동 및 압력이 시간에 따라 어떻게 변하는 지를 개략적으로 보여주는 선도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 턴오프 중에 펌프의 주파수, 액체 유동 및 압력이 시간에 따라 어떻게 변하는 지를 개략적으로 보여주는 선도이다.
도 1에는 펌프 스테이션(1)을 포함하는 펌프 스테이션 장치가 개시되어 있으며, 펌프 스테이션은 적어도 하나의 속도 제어형 펌프(2), 보통 2개의 잠수형 펌프를 포함하며, 이 펌프는 작용 상태시 펌프 스테이션(1)의 섬프(sump)(3)로부터 액체를 펌핑하여, 펌프 스테이션(1)으로부터 연장되어 있는 도관(4)에 보내도록 되어 있다. 도관(4)은 펌프(2)에 근접하여 연결되어 배치되어 있는 역류 방지 밸브(미도시)를 포함한다. 또한, 펌프 스테이션(1)은 통상적인 방식으로, 펌프 스테이션(1) 내의 액위를 결정하는 적어도 하나의 수위 센서(5)를 포함하는데, 이 수위 센서(5)는 예컨대, 미리 정해진 액위를 결정하는 부유형 수위 센서 또는 상이한 액위를 결정하는 연속 수위 센서로 구성될 수 있다. 수위 센서(5)는 외부 제어 유닛(6)에 작동적으로 연결되는 별도의 장치이거나, 상기 적어도 하나의 속도 제어형 펌프(2)에 작동적으로 연결될 수 있으며, 또는 상기 적어도 하나의 속도 제어형 펌프(2)에 내장될 수 있다. 상기 적어도 하나의 속도 제어형 펌프(2)는 바람직하게는 이 펌프의 회전 속도가 조정될 수 있도록 외부 제어 유닛(6)에 작동적으로 연결되며, 대안적으로, 상기 적어도 하나의 속도 제어형 펌프(2)는 내장형 제어 유닛(미도시)을 포함할 수 있다. 이하, 제어 유닛(6) 이라는 용어는 그의 물리적 위치와는 상관 없이 사용될 것이다.
펌프(2) 및 제어 유닛(6)은 펌프 장치의 적어도 일 부분을 함께 구성하며, 펌프(2)는 상기 제어 유닛(6)에 의해 구동되는 전기 모터(7) 및 통상적인 방식으로 구동축(9)을 통해 모터(7)에 연결되는 임펠러(8)를 포함한다. 바람직하게는 임펠러(8)는 개방형 임펠러이고, 가장 바람직하게는 임펠러는 작동 중에 펌프의 입구에 있는 흡입 커버/인서트에 대해 펌프(2) 안에서 축방향으로 변위가능하다.
"속도 제어형" 이라는 용어는, 펌프의 회전 속도, 보다 정확하게는, 모터(7)의 회전 속도/작동 속도를 변화시킬 수 있는 모든 가능한 방법을 포함하며, 특히, 주파수 변환기(가변 주파수 구동기)를 이용하여 전류 공급 주파수를 조절하도록 되어 있으며, 주파수 변환기는 펌프에 내장되거나 외부에 있고 상기 제어 유닛(6)의 일 예이며, 회전 속도는 통상적인 작동 중에 전류 공급 주파수에 비례한다. 그러나, 내부 또는 외부에서 공급 전력 등을 제어하여 조정하도록 되어 있다. 그래서, 본 발명의 전반적인 수준에서는, 펌프(2)의 작동 속도를 어떻게 조절하는지는 중요하지 않고, 다만 펌프(2)의 회전 속도를 조정/제어할 수 있다는 것이 중요한 것이다.
펌프(2)는 세계 다른 곳에서 상이한 전력 주파수(보통 50 Hz 또는 60 Hz)를 갖는 전원에 작동적으로 연결된다. 일 대안적인 실시 형태에 따르면, 펌프(2)는 디젤 엔진 등을 이용하는 발전 유닛에 작동적으로 연결된다. 발전 유닛으로부터의 출력 주파수는 일정하거나 가변적일 수 있고 보통 50 Hz 또는 60 Hz 이다.
펌프(2)의 통상적인 작동 중에, 그 펌프는 작동 주파수(FN)(작동 속도라고도 함)로 제어 유닛(6)에 의해 구동된다. 작동 주파수(FN)는 시간에 따라 변할 수 있거나 일정할 수 있으며, 예컨대 최대 주파수, 즉 전원의 전력 주파수와 같을 수 있거나 그 전원의 전력 주파수의 90 ∼ 95% 일 수 있다.
어떤 상황으로 인해 펌프(2) 또는 펌프 스테이션 장치가 예컨대 수위 센서(5)로부터 자동적으로 또는 수동적으로 발생되는 턴오프 지시를 받으면, 제어 유닛(6)은 펌프(2)의 주파수(F)를 상기 작동 주파수(FN)로부터 제어식으로 저하시키게 된다. 이 저하는 작동 주파수(FN)로부터 저하를 위한 종말 주파수를 향해 선형적이거나(감소율이 일정함) 또는 비선형적일 수 있다(감소율이 변함).
이제, 시간(초)이 X-축에 나타나 있고 Y-축에는 펌프(2)의 주파수(F)가 나타나 있는 선도를 개략적으로 나타내는 도 2를 참조한다. Y-축은 상대적인 스케일을 갖는데, 펌프(2)의 작동 주파수(FN)는 1로 고정되어 있다(1은 100%에 대응하고, 이는 실제로 예컨대 50 Hz 이다). 펌프(2)의 주파수(F)는 중간에 있는 곡선으로 나타나 있다. 또한 Y-축은 또한 도관(4) 내의 액체 유동 및 펌프(2) 하류 영역에서의 도관(4) 내의 압력을 포함하는데, 상측 곡선은 액체 유동이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 보여주고 하측 곡선은 상기 압력이 시간에 따라 어떻게 변하는지를 보여준다. 액체 유동 및 압력은 상대적인 스케일로 주어지는 펌프(2)의 주파수(F)에 따른다.
저하의 종말 주파수는 펌프(2)의 작동 주파수(FN)에서 적어도 10 Hz를 뺀 것과 같으며 10 Hz 아래로 떨어지지 않을 것이다. 도 2에 개시된 실시 형태에서, 저하의 종말 주파수는 작동 주파수(FN)의 60%인데, 즉 작동 주파수(FN)가 50 Hz 이면 30 Hz가 된다. 바람직하게는, 저하의 종말 주파수는 40 Hz 이하이거나 또는 가장 바람직하게는 35 Hz 이하이다. 또한, 저하의 종말 주파수는 20 Hz 이상, 가장 바람직하게는 25 Hz 이상인 것이 바람직하다.
저하 시간은 당해 도관(4)에 대한 적어도 하나의 반사 시간(TR)이다. 도 2에 개시된 실시 형태에서, 저하 시간은 대략 15 초이다.
당해 도관(4)의 상기 반사 시간(TR)은 그러한 펌프 스테이션 장치에서 알려져 있고, 도관(4) 내의 압력파가 그 도관(4) 안에서 앞뒤로 이동하는데에 걸리는 시간을 말한다. 반사 시간(TR)은 2×L/C 이며, 여기서 L 은 도관의 길이고 C 는 재료 특정적인 상수이다. 도관(4)이 플라스틱으로 만들어져 잇는 경우 C 는 300 ∼ 400 이고, 도관(4)이 강으로 만들어져 있는 경우에 C 는 1000 ∼ 1200 이다. 그래서, 플라스틱으로 만들어져 있고 2000 미터의 길이를 갖는 도관(4)의 경우, 반사 시간(TR)은 10 ∼ 13 초이고, 강으로 만들어진 도관(4)에 대한 대응하는 값은 3.5 ∼ 4 초이다.
일 바람직한 실시 형태에 따르면, 저하 시간은 적어도 10 초이고, 가장 바람직하게는 적어도 15 초이다. 이는 적어도 도관(4)의 반사 시간이 어떤 이유로든 알려져 있지 않은 경우에도 해당될 수 있다.
저하 후에, 본 발명의 턴오프 방법은, 제어 유닛(6)을 이용하여 펌프(2)를 정지시키는 단계를 포함한다.
도 2에 개시되어 있는 가장 바람직한 실시 형태에 따르면, 저하 후에 모터(2)를 정지시키는 단계는, 펌프(2)의 임펠러(8)가 멈출 때까지 자유롭게 회전하도록 제어 유닛(6)을 이용하여 펌프(2)를 해제시키는 것을 포함한다. 제 2 실시 형태(미도시)에 따르면, 저하 후에 펌프(2)를 정지시키는 단계는, 펌프(2)의 모터(7)가 펌핑된 액체로부터 받는 토크가 영이되게 제어되도록 제어 유닛(6)을 이용하여 펌프(2)의 주파수(F)의 제 2 저하를 수행하는 것을 포함한다. 이 제 2 저하는 펌프(2)의 주파수(F)가 영이될 때 끝난다. 다시 말해, 제 2 실시 형태는, 임펠러(8)의 자유 회전이 모방되는 것을 암시한다. 제 3 실시 형태(미도시)에 따르면, 제 1 저하 보다 가파른 제 2 저하가 수행될 수 있다.
도 3에는 도 2에 대응하는 종래 기술에 따른 턴오프 과정의 선도가 나타나 있는데, 펌프(2)의 턴오프는 작동 주파수에서 펌프(2)의 임펠러(8)을 해제시키고 임펠러(8)가 멈출 때가지 자유롭게 회전할 수 있게 하여 수행된다. 하측 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 도관(4) 내에 큰 과소압력이 발생되어 대규모의 수격(water hammering) 현상이 발생하게 된다. 상측 곡선으로부터 알 수 있듯이, 도관(4)에 액체 유동의 대규모 맥동(pulsation)이 일어난다.
본 발명의 가능한 변형예
본 발명은 도면에 나타나 있는 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 이 실시 형태는 주로 설명적이고 예시적인 목적으로 주어진 것이다. 본 특허 출원은 여기서 설명한 바람직한 실시 형태의 모든 조정 및 변화도 포함하며, 그래서, 본 발명은 첨부된 청구 범위의 기재 사항으로 규정되고, 장치는 첨부된 청구 범위 내에서 모든 방식으로 수정될 수 있다.
위, 아래, 위쪽, 아래쪽 등과 같은 용어에 대한 모든 정보는, 참조 번호가 적절히 읽힐 수 있도록 도면이 배향되어 있고 또한 장치가 도면에 따라 배향된 상태에서 해석되거나 읽혀져야 한다. 따라서, 그러한 용어는 나타나 있는 실시 형태에서의 상호 관계만 나타내는 것이고, 본 발명의 장치가 다른 구조/설계를 갖게 되면 그 관계는 변할 수 있다.
또한, 그래서 일 특정 실시 형태의 특징적 사항이 다른 실시 형태의 특징적 사항과 결합될 수 있다는 것이 명시적으로 언급되어 있지 않더라도, 그러한 결합이 가능하면 자명한 것으로 생각되어야 한다.

Claims (10)

  1. 도관(4)을 통해 액체를 펌핑하기 위한 펌프(2)를 턴오프시키기 위한 방법으로서, 상기 펌프(2)는 턴오프되기 전에 제어 유닛(6)에 의해 작동 주파수(FN)로 구동되며, 상기 방법은,
    제어 유닛(6)을 이용하여 턴오프 지시에 따라 펌프(2)의 주파수를 저하(ramping down)시키는 단계, 및
    상기 저하 후에 제어 유닛(6)을 이용하여 펌프(2)를 정지시키는 단계를 포함하고,
    상기 저하의 종말 주파수는 펌프(2)의 작동 주파수(FN)에서 적어도 10 Hz를 뺀 값을 가지며, 저하 시간은 적어도 당해 도관에 대한 반사 시간(TR)이고, 저하의 종말 주파수는 10 Hz 이상이고,
    상기 저하 후에 모터를 정지시키는 단계는, 펌프(2)의 임펠러(8)가 멈출 때까지 자유롭게 회전하도록 상기 제어 유닛(6)을 이용하여 펌프(2)를 해제시키는 것을 포함하는, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  2. 도관(4)을 통해 액체를 펌핑하기 위한 펌프(2)를 턴오프시키기 위한 방법으로서, 상기 펌프(2)는 턴오프되기 전에 제어 유닛(6)에 의해 작동 주파수(FN)로 구동되며, 상기 방법은,
    제어 유닛(6)을 이용하여 턴오프 지시에 따라 펌프(2)의 주파수를 저하(ramping down)시키는 단계, 및
    상기 저하 후에 제어 유닛(6)을 이용하여 펌프(2)를 정지시키는 단계를 포함하고,
    상기 저하의 종말 주파수는 펌프(2)의 작동 주파수(FN)에서 적어도 10 Hz를 뺀 값을 가지며, 저하 시간은 적어도 당해 도관에 대한 반사 시간(TR)이고, 저하의 종말 주파수는 10 Hz 이상이고,
    저하 후에 펌프(2)를 정지시키는 단계는, 펌프(2)의 모터(7)가 펌핑된 액체로부터 받는 토크가 영이되게 제어되도록 제어 유닛(6)을 이용하여 펌프(2)의 주파수의 제 2 저하를 수행하는 것을 포함하는, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저하의 종말 주파수는 40 Hz 이하인, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 저하의 종말 주파수는 35 Hz 이하인, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저하의 종말 주파수는 20 Hz 이상인, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 저하의 종말 주파수는 25 Hz 이상인, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 저하 시간은 적어도 10 초인, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 저하 시간은 적어도 15 초인, 펌프를 턴오프시키기 위한 방법.
  9. 펌프(2), 제어 유닛(6) 및 펌프(2)의 출구에 연결되어 있는 도관(4)을 포함하는 펌프 스테이션 장치로서, 상기 제어 유닛(6)은 턴오프 지시에 따라 펌프(2)의 주파수를 작동 주파수(FN)로부터 저하시키도록 되어 있고, 상기 저하의 종말 주파수는 펌프(2)의 작동 주파수(FN)에서 적어도 10 Hz를 뺀 값을 가지며, 저하 시간은 적어도 당해 도관에 대한 반사 시간(TR)이고, 저하의 종말 주파수는 10 Hz 이상이고, 또한 펌프(2)의 임펠러(8)가 멈출 때까지 자유롭게 회전하도록 상기 제어 유닛(6)은 저하 후에 상기 펌프(2)를 해제시켜 펌프(2)를 정지시키도록 되어 있는, 펌프 스테이션 장치.
  10. 삭제
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