KR20220073364A - 상하수 처리 공정에 이용되는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법 - Google Patents
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Abstract
산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법이 개시된다. 본 방법은 산기 장치가 설치된 수조에 상기 장치가 잠기도록 시험수를 채우고, 시험수의 용존 산소를 제거하는 단계, 수조 내 샘플링 위치에서 시험수의 초기 용존 산소 농도를 측정하는 단계, 산기 장치를 동작시켜 시험수에 공기를 공급하고, 샘플링 위치에서 시간 별 용존 산소 농도를 측정하는 단계, 산기 장치가 동작하는 동안의 소비 전력량 및 총 통기량을 측정하는 단계, 측정된 초기 용존 산소 농도, 시간 별 용존 산소 농도 및 총 통기량을 기초로 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 산출하는 단계, 산출된 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 기초로 표준 산소전달 효율을 산출하는 단계 및 측된 소비 전력량 및 산출된 표준 산소전달 효율을 기초로 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 상하수 처리 공정에 이용되는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 생활 하수, 산업 폐수, 농축산 폐수 등의 오수 또는 폐수를 처리하기 위해 물리적 방법과 화학적 방법이 결합된 생물학적 처리방법이 주로 사용되고 있다.
생물학적 처리방법은 호기성 처리방법과 혐기성 처리방법으로 분류될 수 있으며, 혐기성 처리방법은 산소공급이 필요 없으며 가연성 메탄가스를 에너지로 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 반응 기간이 길며 냄새가 발생하는 단점을 지니고 있다.
또한, 호기성 처리방법은 산소공급을 위한 에너지가 필요하다는 단점을 지니고 있으나, 짧은 반응시간과 완전히 유기물질을 제거할 수 있다는 장점을 가지고 있어, 현재의 하수처리공정의 대부분에 적용되고 있다.
호기성 처리방법에서 호기성 미생물의 성장 및 활동을 위하여 산소의 공급이 필요하며, 이를 위해 공기를 공급하는 산기 장치가 이용되고 있다.
산기 장치는 수조 내부에 설치되어 용존 산소(Desolved Oxygen: DO)를 유지하는 역할을 수행하는 장치로, 산기 장치는 판형, 돔형, 관형 및 디스크형 등의 다양한 형태의 제품이 존재한다.
이에 따라, 산기 장치의 성능 평가를 위한 다양한 방법들이 제안되고 있으나, 종래에는 산기 장치의 에너지성능효율을 평가하는 방법은 제안되고 있지 않다.
본 발명은 상술한 필요성에 따라 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 상하수 처리 공정에 이용되는 산기 장치의 에너지성능효율을 평가하기 위한 방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법은, 상기 산기 장치가 설치된 수조에 상기 산기 장치가 잠기도록 시험수를 채우고, 상기 시험수의 용존 산소를 제거하는 단계, 상기 수조 내 샘플링 위치에서 상기 시험수의 초기 용존 산소 농도를 측정하는 단계, 상기 산기 장치를 동작시켜 상기 시험수에 공기를 공급하고, 상기 샘플링 위치에서 시간 별 용존 산소 농도를 측정하는 단계, 상기 산기 장치가 동작하는 동안의 소비 전력량 및 총 통기량을 측정하는 단계, 상기 측정된 초기 용존 산소 농도, 시간 별 용존 산소 농도 및 총 통기량을 기초로 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 산출하는 단계, 상기 산출된 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 기초로 표준 산소전달 효율을 산출하는 단계 및 상기 측정된 소비 전력량 및 상기 산출된 표준 산소전달 효율을 기초로 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함한다.
그리고, 상기 소비 전력량은 메인 전원에서 상기 산기 장치의 송풍기로 공급되는 전류, 전압 및 전력 중 적어도 하나를 측정함으로써 산출되고, 상기 송풍기는 상기 산기 장치에 공기를 공급하는 장치일 수 있다.
또한, 상기 에너지성능효율을 산출하는 단계는, 하기 수학식을 이용하여 성능보증기반 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함하고,
[수학식]
상기 수학식에서 제1 표준산소전달 효율은 기 설정된 성능보증기준을 만족하는 표준산소전달 효율이며, 상기 제1 소비전력량은 상기 성능보증기준을 만족하는 동안 상기 산기 장치에서 소비된 전력량일 수 있다.
그리고, 상기 성능보증기준은, 상기 표준 산소전달 효율이 일정효율 이상으로 일정시간 동안 유지되는 조건일 수 있다.
또한, 상기 에너지성능효율을 산출하는 단계는, 하기 수학식을 이용하여 소비출력변화기반 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함하고,
[수학식]
상기 수학식에서 제2 표준산소전달 효율은 정격출력을 변경시키며 동작한 상기 산기 장치의 표준산소전달 효율이며, 상기 소비출력 변화전력량은 정격출력을 변경시키며 동작한 산기 장치가 소비한 소비출력의 변화 전력량일 수 있다.
그리고, 상기 에너지성능효율을 산출하는 단계는 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계는, 제1 통기량 및 제2 통기량에 따라 각각 획득된 표준 산소 전달량 및 소비전력을 하기 수학식에 적용하여 각각의 통기량에 따른 표준 폭기 효율을 산출하는 단계를 포함하며,
[수학식]
상기 수학식에서 
는 표준 폭기 효율, 
는 표준 산소 전달량, 
는 소비 전력일 수 있다.
그리고, 상기 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계는, 산출된 표준 폭기 효율을 하기 수학식에 적용하여 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계를 더 포함하고,
[수학식]
상기 수학식에서 제1 표준 폭기 효율은 제1 통기량으로 동작할 때의 표준 폭기 효율이고, 제2 표준 폭기 효율은 제2 통기량으로 동작할 때의 표준 폭기 효율일 수 있다.
또한, 상기 제2 통기량은 제1 통기량의 공급하는 공기의 양의 절반일 수 있다.
상술한 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 산기장치의 부하변동기반 에너지성능효율, 소비출력변화기반 에너지성능효율 및 성능보증기반 에너지성능효율과 같은 에너지성능효율 평가 방법을 제공할 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 산기 장치의 에너지성능효율 평가를 위한 시험 설비를 나타내는 도면이다
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산기 장치의 에너지성능효율 평가방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 소비전력 모니터링 지점을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지성능효율 산출하는 단계를 보다 구체적으로 나타내는 흐름도 이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산기 장치의 에너지성능효율 평가방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 소비전력 모니터링 지점을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지성능효율 산출하는 단계를 보다 구체적으로 나타내는 흐름도 이다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 산기 장치(15)의 성능 평가 방법을 구체적으로 설명하기에 앞서 본 명세서에서 사용되는 용어를 정의하면 다음과 같다.
* 산소 전달 계수 : 물에 산소가 흡수되는 속도로, min-1 또는 h-1로 나타낸 값
* 산소 전달량 : 단위 시간당 물에 흡수되는 산소의 양으로, kg/min 또는 kg/h로 나타낸 값
* 산소 전달 효율 : 단위 산소 공급량당 산소 전달량으로 %로 나타낸 값
* 통기량 : 송풍기에서 산기장치에 공급되는 공기의 양으로, L/(minㆍ개) 또는 L/(sㆍ개)로 나타낸 값
* 표준 산소 전달량 : 표준 상태에서의 산소 전달량으로 kg/min 또는 kg/h로 나타낸 값
* 표준 산소 전달 효율 : 표준 상태에서의 산소전달 효율로 %로 나타낸 값
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 국가물산업클러스터의 수조를 활용하여 시험을 진행하는 경우, 평가를 위한 시험 설비를 나타내는 예시도 이다.
도 1에서 국가물산업클러스터는 한국환경공단에서 운영하는 물산업 집적 단지로, 공급탱크(11)는 펌프(12)를 통해 시험 수조(13)로 시험수를 공급하고, 시험 수조(13)에는 시험수의 용존 산소 농도를 측정하는 복수의 용존 산소 측정 센서(14) 및 공기를 공급하는 산기 장치(15)가 설치될 수 있다. 여기서, 도 1에서 사용되는 시험수는 수온의 범위 10~30℃, 총 증발잔류물 500mg/L 이하인 상수 또는 하수를 사용할 수 있다. 그리고, 산기 장치(15)를 통해 시험수에 공급되는 공기는 산소일 수 있다.
그리고, 산기 장치(15)에는 송풍기(16)가 연결될 수 있고, 송풍기(16)는 압력을 가해 산기 장치(15)로 공기를 공급하는 장치를 의미하며, 송풍기(16)는 일 예로 터보 블로워와 루트 블로워 등으로 구현될 수 있다.
그리고, 산기 장치(15)는 송풍기(16)의 공기를 잘게 부수어 시험 수조(13)에 넣어 주는 장치를 의미하며, 판형, 돔형, 관형 및 디스크형 등으로 구현될 수 있다.
그리고, 제어 장치(17)는 복수의 용존 산소 측정 센서(14), 메인 전원(18), 계측 장치(20), 송풍기(16)와 연결되어 각종 장치를 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 제어 장치(17)는 복수의 용존 산소 측정 센서(14)에서 센싱된 센싱 데이터를 계측 장치(20)에 전송할 수 있다. 이 경우, 계측 장치(20)는 센싱 데이터를 기초로 용존 산소 농도를 측정할 수 있다.
또한, 제어 장치(17)는 메인 전원(18) 및 송풍기(16)의 온(ON)/오프(OFF)를 제어할 수 있다. 만약, 송풍기의 동작이 온(ON) 된다면, 산기 장치(15)는 시험수에 공기를 공급할 수 있다.
한편, 전력량계(19)는 시험 설비에 포함된 각종 장비들에 공급되는 전력량을 측정할 수 있다. 일 예로, 전력량계(19)는 메인 전원(18)에서 송풍기(16)로 공급되는 전력량을 측정할 수 있다.
여기서, 메인 전원(18), 전력량계(19), 계측 장치(20)는 항온·항습의 시험 부스(100)에 설치될 수 있고, 시험 부스(100)는 이동 가능한 타입으로 구현될 수 있다. 이 경우, 시험 부스(100)는 타 장치들과 연결되어 산기 장치(15)의 에너지성능효율 평가에 이용될 수 있다.
도 2는 정수/하수처리장에 설치된 수조를 활용하여 시험을 진행하는 경우의 평가를 위한 시험 설비를 나타내는 예시도 이다. 도 2를 참조하면, 수조가 정수/하수처리장에 설치된 수조로 구현된다는 점에서 도 1과 차이가 있다.
즉, 정수/하수처리장 수조(21)에는 시험수로 정수 또는 하수가 보관되고 정수/하수처리장 수조(21)에는 용존 산소 농도를 측정하는 복수의 용존산소 농도 측정 센서 및 공기를 공급하는 산기 장치(15)가 설치될 수 있다.
이러한 차이점 외에 도 2의 평가 설비의 전반적인 구조 및 기능은 도 1과 유사하고 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 저류조를 활용하여 시험을 진행하는 경우, 평가를 위한 시험 설비를 나타내는 예시도 이다. 도 3을 참조하면, 정수/하수처리장 수조(31)에 보관된 시험수인 정수 또는 하수는 펌프(32)를 통해 시험 부스(200) 내의 저류조(33)로 공급되고, 저류조(33)에는 용존 산소 농도를 측정하는 복수의 용존 산소 농도 측정 센서 및 공기를 공급하는 산기 장치가 설치된다는 점에서 도 1 내지 2와 차이가 있다.
이 경우, 시험 부스(200) 내의 저류조(33)에 공급된 정수 또는 하수를 이용하여 산기 장치의 성능 평가가 수행될 수 있고, 평가가 완료되면 저류조에 공급된 정수 또는 하수는 시험 부스 외부로 배출될 수 있다.
이러한 차이점 외에 도 3의 평가 설비의 전반적인 구조 및 기능은 도 1 내지 2와 유사하고 이에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다.
이러한 도 1 내지 3에 도시된 평가를 위한 시험 설비는 산기 장치(15)의 에너지성능효율을 평가하는데 이용될 수 있다. 이러한 평가를 위한 시험 설비의 원리, 시험설비 세부 구성은 다음과 같을 수 있다.
[시험 설비 원리]
시험 설비의 원리는 시험 수조(11,23) 또는 저류조(33)에 산기장치(15)를 설치하고 시험수를 채운다. 이 후, 코발트 촉매 하에 아황산나트륨을 주입하거나 질소를 이용하여 탈기시켜 수중의 용존 산소를 제거한다. 이 후, 산기 장치(50)를 통해 공기를 주입시키면서 시험 수조(11,21) 또는 저류조(31)의 수심, 위치 및 폭기 시간에 따른 용존 산소 농도를 포화될 때까지 측정하여 산소전달 계수 및 용존 산소의 포화농도를 구한 후 산소 전달량 및 산소 전달 효율을 계산한다.
[시험설비 세부 구성]
산기장치(15)의 평가를 위한 시험 설비는 공급탱크, 수조, 배관류, 펌프류, 밸브류, 온도계, 유량계, 압력계, 전력계 및 송풍기 등으로 구성되고, 구성 부품은 스테인리스강 및 플라스틱 등으로 녹을 방지할 수 있는 재료를 사용한다.
또한 시험 설비는 세척 및 청소가 쉽고, 안전성이 크며, 배관 내에 액이 고이지 않는 것으로 한다.
또한, 탱크 및 수조 내부는 부식되지 않는 재질로 높은 압력에 견딜 수 있고, 시험수를 완전히 배출할 수 있는 배관이 있어야 한다. 철강 또는 강화 콘크리트로 제작한다.
또한, 밸브류 세척 및 조작이 용이한 것으로 공기의 누출이 없어야 한다. 유량 조절 밸브는 높은 압력에서도 조작이 안정적이고 용이해야 한다.
또한, 배관 금속 재료로 방식, 방청하여야 하며 내구성이 커야 한다. 다만 내식성, 방청성인 것은 그럴 필요가 없다.
또한, 송풍기 송풍량을 조절할 수 있는 것으로 공기의 흐름이 안정적이어야 한다.
또한, 온도계에 규정하는 지시계의 계급 1.0급의 것으로서 미리 표준에 따라 교정한 것이어야 한다.
또한, 유량계 정확도 ±5%, 최소 눈금 1 L/min인 것으로 측정 범위가 시험시 최대 유량의 1.5~2배 정도인 유량계, 또는 그와 동등 이상의 성능을 가진 것으로 표준에 따라 교정한 것이어야 한다.
또한, 압력계는 최소 눈금이 0.1 kPa, 정확도 ±5% 인 것으로 표준 압력계로 교정한 것이어야 한다.
또한, 여과 필터는 공경(pore size)이 산기장치의 공경보다 작은 것으로 1 um 이상인 입자를 90 % 이상 제거할 수 있는 것을 사용한다.
또한, 전력량계는 정확도 ±5 %, 최소 눈금 0.1인 것으로서 측정 범위가 시험시 최대값의 2배 정도인 측정기로 사전에 교정한 것이어야 한다.
이하에서는 도 1 내지 3에 도시된 시험 설비를 이용한 산기 장치의 에너지성능효율을 평가하는 방법에 대해서 이후 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산기 장치(15)의 에너지성능효율 평가 방법을 나타내는 흐름도 이다. 도 4를 참조하면, 먼저 산기 장치(15)의 에너지성능효율을 평가하기 위해 시험 장치를 초기화할 수 있다(S101). 여기서, 초기화 단계(S101)은 다음과 같은 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 초기화 단계(S101)는 송풍기(16)와 산기 장치(15)의 이물질을 제거하고, 수조(13,21,33)에 산기 장치(15)를 설치하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 초기화 단계(S101)는 송풍기(16)의 운전 상태를 확인하고, 배관 각 연결부위, 송풍기(16) 및 산기 장치(15)의 고정 상태를 점검하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 초기화 단계(S101)는 산기 장치(15)가 설치된 수조(11,23,33)에 산기 장치(15)가 잠기도록 산기 장치(15)의 높이 보다 약간 높게 시험수를 채우고, 기 설정된 통기량으로 공기를 공급하면서 이상 유무 및 공기의 확산을 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 초기화 단계(S101)는 수조(11,23,33)에 시험수를 채우고 약 5분간 방치하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 초기화 단계(S101)는 송풍기(16), 유량계 및 압력계 등의 작동 상태를 점검하는 단계를 포함할 수 있다.
이 후, 수조에 채워진 시험수의 용존 산소를 제거하는 탈산소 과정을 수행할 수 있다(S102). 여기서, 탈산소 단계(S102)에서는 수조에 용액 상태의 염화코발트(6수화물) 또는 황산코발트를 주입하여 용해된 코발트염의 농도가 0.1 내지 0.5mg/L가 되도록 할 수 있다. 그리고, 아황산나트륨을 20 내지 250% 정도 과량으로 주입할 수 있다. 아황산나트륨 주입량은 다음 식에 따라 계산될 수 있다.
수학식 1에서 1.2는 20% 과량 주입시의 계수이고, M은 아황산나트륨량(kg), CTW는 시험수의 용존산소 농도(mg/L), V는 시험수량(m3)을 의미할 수 있다.
한편, 탈산소 과정을 수행하는 동안 복수의 용존 산소 측정 센서(14)의 설치 지점(이하, 샘플링 위치)에서 용존 산소를 측정하고, 간헐적으로 공기를 공급시키면서 샘플링 지점에서 용존 산소를 측정할 수 있다. 이를 통해 탈산소 과정의 진행 상황을 점검할 수 있다.
또한, 코발트 대신 질소 가스를 통해 탈산소 과정을 수행할 수도 있고, 질소가스는 산기 장치(15)의 배관을 통하여 수조(11,23,33)에 주입될 수 있다.
이 후, 수조 내 샘플링 위치에서 시험수의 초기 용존 산소 농도를 측정할 수 있다(S103). 구체적으로, 복수의 용존 산소 측정 센서(14)를 이용하여 수조(11,23,33) 내 샘플링 위치에서 시험수의 초기 용존 산소 농도를 측정할 수 있다
여기서, 샘플링 위치는 수조(11,23,33) 내 적어도 3곳 이상으로 수조 수심을 기준으로 중간부분, 그 위 및 그 아래 위치에서 채취될 수 있고, 수조(11,23,33)의 벽, 바닥 및 수면에서 최소 0.5m 이상 떨어진 위치에서 채취될 수 있다.
또한, 초기 용존 산소 농도를 측정하는 단계는(S103)는 각 샘플링 위치에서 용존 산소 포화농도의 2% 이하가 되면 시험수의 수온, 총 증발잔류물 및 전기 전도율을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 후, 산기 장치(15)를 동작시키고(S104), 산기 장치(15)가 동작하는 동안 수조 내 샘플링 위치에서 시간 별 용존 산소 농도를 측정할 수 있다(S105). 구체적으로, 산기 장치(15)가 동작하는 동안 수조 내 샘플링 위치에서 용존 산소 농도를 복수의 용존 산소 측정 센서(14)를 이용하여 소정 시간 간격으로 측정함으로써 시간 별 용존 산소 농도를 측정할 수 있다.
여기서, 용존 산소 측정에는 격막 전극법(Membrane Electrode Method)이나 윙클러-아지드화나트륨 변법(Winkler with Azide Modification Method)이 이용될 수 있다. 또한, 격막 전극법은 샘플링 위치에 용존 산소 전극을 설치하여 용존 산소를 측정하거나 채수기로 샘플링 위치의 시료를 채취하여 용존 산소병에 넣어 측정할 수도 있다. 이러한 용존 산소 측정 방법은 기 공지된 기술이기에 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상술한 산기 장치(15)를 동작시키는 단계(S104)는 산기 장치(15)의 에너지성능효율 평가 종류가 성능보증기반 에너지성능효율 평가인지, 소비출력변화기반 에너지성능효율 평가인지 또는 부하변동기반 에너지성능효율 평가인지에 따라 서로 다르게 수행될 수 있다.
일 예로, 성능보증기반 에너지성능효율을 평가하는 경우, 산기 장치(15)를 동작시키는 단계(S104)는 산기 장치(15)를 기 설정된 성능보증기준(예를 들어, 표준산소전달효율 일정효율(%) 이상으로 1시간 내외 동안 유지)으로 동작시킬 수 있다.
다른 예로, 소비출력변화기반 에너지성능효율을 평가하는 경우, 산기 장치(15)를 동작시키는 단계(S104)는 산기 장치(15)의 소비 출력을 변화(예를 들어 100%, 75%, 50%, 25%)시키면서 산기 장치(15) 를 동작시킬 수 있다.
또 다른 예로, 부하변동기반 에너지성능효율을 평가하는 경우, 산기 장치(15)를 동작시키는 단계(S104)는 산기 장치(15)를 제1 통기량과 제2 통기량으로 동작시킬 수 있다. 여기서, 제2 통기량은 제1 통기량의 절반일 수 있으며, 제1 통기량은 100%의 통기량 일 수 있다.
이 후, 산기 장치(15)가 동작하는 동안 산기 장치(15)의 소비 전력량을 측정할 수 있다(S106). 여기서, 소비 전력량은 메인전원(18)에서 송풍기(16)에 공급되는 전류, 전압 및 전력 중 적어도 하나를 측정함으로써 산출될 수 있다. 이에 대해서는 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 소비전력 모니터링 지점을 나타내는 도면 이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따르면, 산기 장치(15)의 소비전력 측정을 위한 모니터링 지점은 메인 전원(18)과 송풍기(16) 사이일 수 있다.
즉, 메인 전원(18)에서 송풍기(16)로 공급되는 전류, 전압 및 전력 중 적어도 하나를 전력량계(19)를 이용하여 측정함으로써, 산기 장치(15)의 소비 전력량을 측정할 수 있다.
여기서, 소비 전력량을 측정하는 단계(S106)는 시험 장치의 초기화 단계(S101) 및 탈산소 단계(S102)를 마친 후 송풍기(16)를 가동시켜 용존 산소를 측정하는 시점부터 시험이 종료될 때까지 송풍기의 전류, 전압 및 전력 중 적어도 하나를 일정 시간 간격으로 5회 이상 측정하고 기록함으로써 수행될 수 있다. 그리고, 시험기간 동안의 전류, 전압, 및 전력 중 적어도 하나의 평균값을 산출하여 소비 전력량을 측정할 수 있다.
이 후, 산기 장치(15)가 동작하는 동안 송풍기(16)의 총 통기량을 측정할 수 있다(S107).
이 후, 획득된 초기 용존 산소 농도, 시간 별 용존 산소 농도 및 총 통기량을 기초로 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 산출할 수 있다(S108). 여기서, 단계(S108)은 다음과 같은 세부 단계로 구성될 수 있다.
먼저, 아래 수학식 2를 통해 용존 산소 포화농도 추정값 및 산소전달 계수를 산출할 수 있다. 각 샘플링 위치 별로 시간 t에 따른 용존 산소 농도 Ct를 측정하고 수학식 2에 따라 비선형 분석법으로 용존 산소 포화농도 추정값, 시험 초기 용존산소 농도와 산소전달 계수를 산출할 수 있다.
수학식 2에서 
는 시간 t에서의 용존 산소 농도(mg/L), 
는 용존 산소 포화농도 추정값(mg/L), 
는 초기 용존 산소 농도(mg/L), 
는 산소 전달 계수(min-1), t는 샘플링 시간 또는 용존 산호 측정 시간(min)일 수 있다.
그리고, 수학식 2를 통해 산출된 용존 산소 포화농도 추정값을 수학식 3에 적용하여 수조(11,23,33) 내 샘플링 위치 별로 표준 상태의 용존 산소 포화농도를 계산할 수 있다.
수학식 3에서 
는 표준 상태의 용존 산소 포화농도 (mg/L), 
는 20
, 1기압에서의 용존 산소 포화농도(mg/L), 
는 T
, 1기압에서의 용존 산소 포화농도(mg/L), 
는 표준 상태의 대기압(101.325kPa), 
는 시험시 대기압(kPa)일 수 있다.
그리고, 수학식 2를 통해 산출된 산소전달 계수를 수학식 4에 적용하여 표준 상태의 산소전달 계수를 계산할 수 있다.
수학식 4에서 
는 표준 상태에서의 산소전달 계수(min-1), 
는 온도 T
일 경우의 산소전달 계수(min-1), 
는 온도보정 계수일 수 있다.
그리고, 수학식 3 및 4을 통해 산출된 각 샘플링 위치의 산출된 표준 상태에서의 산소전달 계수와 표준 상태의 용존 산소 포화농도를 수학식 5에 적용하여 표준 상태의 산소 전달량을 산출할 수 있다.
수학식 5에서 SOTR는 표준 상태의 산소 전달량(kg/h), 
는 표준 상태의 용존산소 포화농도(mg/L), 
는 표준 상태에서의 산소전달 계수(min-1), 
는 시험수량(m3)일 수 있다.
그리고, 수학식 6을 이용하여 산소 공급량을 산출할 수 있다.
수학식 6에서 
는 산소 공급량(kg/h), 
는 표준 상태의 공기밀도(kg/m3), 
는 표준 상태로 환산한 총 통기량(m3/h), 0.232는 공기 중 산소의 무게분율일 수 있다.
이 후, 계산된 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 기초로 표준 산소전달 효율을 산출할 수 있다(S109). 구체적으로, 표준 산소전달 효율을 산출하는 단계(S109)는 수학식 5를 통해 산출된 표준 산소 전달량 및 수학식 6을 통해 산출된 산소 공급량을 하기 수학식 7에 적용하여 표준산소전달 효율을 산출할 수 있다.
수학식 7에서 
는 표준 산소전달 효율(%), 
는 표준 산소전달량, 
는 산소 공급량(kg/h)일 수 있다.
이 후, 계산된 소비 전력량 및 표준 산소전달 효율을 기초로 에너지성능효율을 산출할 수 있다(S110). 여기서, 에너지성능효율을 산출하는 단계(S110)는 성능보증기반 에너지성능효율, 소비출력변화기반 에너지성능효율 및 부하변동기반 에너지성능효율 중 적어도 하나를 산출하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지성능효율 산출하는 단계를 보다 구체적으로 나타내는 흐름도 이다. 도 6을 참조하면, 성능보증기반 에너지성능효율을 평가하는 경우, 에너지성능효율을 산출하는 단계(S111)는 다음과 같은 단계로 구성될 수 있다.
구체적으로, 에너지성능효율을 산출하는 단계(S111)는 주 성능보증기준을 설정하고 그 성능보증기준을 만족하는 시간 동안 누적된 소비전력량을 측정한 후, 최종적인 에너지성능효율을 산출할 수 있다. 이 때, 산기 장치(15)의 성능보증기준은 표준산소전달효율이 일정효율(%)이상으로 일정 시간(1시간 내외)동안 유지되는 것을 그 성능보증기준을 만족하는 것으로 하며, 누적 소비전력량은 송풍기(16)에 공급되는 전력으로 계산될 수 있다. 여기서, 일정효율은 일 예로 10 내지 50%일 수 있다.
이러한 성능보증기반 에너지성능효율을 산출하는 단계(S111)는 하기 수학식 8을 이용하여 성능보증기반 에너지성능효율 산출(S111)할 수 있다.
수학식 8에서 제1 표준산소전달 효율은 기 설정된 성능보증기준(예를 들어 일정효율 이상으로 일정시간 내외로 유지된 경우)을 만족하는 표준산소전달 효율, 제1 소비전력량은 기 설정된 성능보증기준을 만족하는 동안 산기 장치(15)에서 소비된 소비전력량일 수 있다.
또한, 소비출력변화기반 에너지성능효율을 평가하는 경우, 에너지성능효율을 산출하는 단계(S112)는 다음과 같은 단계로 구성될 수 있다.
구체적으로, 에너지성능효율을 산출하는 단계(S112)는 일정시간 내 산기 장치(15)의 소비출력의 변화(정격출력 100%, 75%, 50%, 25%)에 따른 성능인자와 누적된 소비출력 변화전력량을 측정한 후, 최종적인 에너지성능효율을 평가할 수 있다. 이 때, 일정 가동 시간은 1시간 내외, 산기장치의 성능인자는 표준산소전달효율(SOTE)을 기반으로 할 수 있다.
이러한 소비출력변화기반 에너지성능효율을 산출하는 단계(S112)는 하기 하기 수학식 9를 이용하여 소비출력변화기반 에너지성능효율을 산출(S112)할 수 있다.
수학식 9에서 제2 표준산소전달 효율은 소정 간격으로 정격출력을 변경시켜 동작한 산기 장치(15)의 표준산소전달 효율, 소비출력 변화전력량은 정격출력을 변경시켜 동작한 산기 장치(15)가 소비한 소비출력의 변화 전력량일 수 있다.
또한, 부하변동기반 에너지성능효율을 평가하는 경우, 에너지성능효율을 산출하는 단계는 다음과 같은 단계로 구성될 수 있다.
구체적으로, 제1 통기량 및 제2 통기량에 따라 각각 획득된 표준 산소 전달량 및 소비전력을 하기 수학식 10에 적용하여 각각의 통기량에 따른 표준 폭기 효율을 산출(S113)할 수 있다. 그리고, 산출된 표준 폭기 효율을 하기 수학식11에 적용하여 부하변동기반 에너지성능효율을 산출할 수 있다(S114).
수학식에서 
는 표준 폭기 효율, 
는 표준 산소 전달량, 
는 소비 전력일 수 있다.
수학식 11에서 제1 표준 폭기 효율은 제1 통기량으로 동작할 때의 표준 폭기 효율이고, 제2 표준 폭기 효율은 제2 통기량으로 동작할 때의 표준 폭기 효율일 수 있다.
국내 정수 및 하수처리공정에서 사용되는 판형, 돔형, 관형 및 디스크형 산기장치의 산소전달률 성능시험에 대한 에너지소비효율을 평가하는 것은 장비의 성능 평가를 위하여 매우 중요한 요소이다.
상술한 본 발명에 따르면, 산기장치의 부하변동기반 에너지성능효율, 소비출력변화기반 에너지성능효율 및 성능보증기반 에너지성능효율과 같은 에너지성능효율 평가를 가능하게 할 수 있다.
이상, 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 명세서를 통해 개시된 모든 실시예들과 조건부 예시들은, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 독자가 본 발명의 원리와 개념을 이해하도록 돕기 위한 의도로 기술된 것으로, 당업자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
한편, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 평가 방법은 프로그램으로 구현되어 서버 또는 기기들에 제공될 수 있다. 이에 따라 각 장치들은 프로그램이 저장된 서버 또는 기기에 접속하여, 상기 프로그램을 다운로드 할 수 있다.
또한, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 평가 방법은 프로그램으로 구현되어 다양한 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다. 비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
Claims (8)
- 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법에 있어서,
상기 산기 장치가 설치된 수조에 상기 산기 장치가 잠기도록 시험수를 채우고, 상기 시험수의 용존 산소를 제거하는 단계;
상기 수조 내 샘플링 위치에서 상기 시험수의 초기 용존 산소 농도를 측정하는 단계;
상기 산기 장치를 동작시켜 상기 시험수에 공기를 공급하고, 상기 샘플링 위치에서 시간 별 용존 산소 농도를 측정하는 단계;
상기 산기 장치가 동작하는 동안의 소비 전력량 및 총 통기량을 측정하는 단계;
상기 측정된 초기 용존 산소 농도, 시간 별 용존 산소 농도 및 총 통기량을 기초로 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 산출하는 단계;
상기 산출된 표준 산소 전달량 및 산소 공급량을 기초로 표준 산소전달 효율을 산출하는 단계; 및
상기 측정된 소비 전력량 및 상기 산출된 표준 산소전달 효율을 기초로 에너지성능효율을 산출하는 단계;를 포함하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 소비 전력량은 메인 전원에서 상기 산기 장치의 송풍기로 공급되는 전류, 전압 및 전력 중 적어도 하나를 측정함으로써 산출되고,
상기 송풍기는 상기 산기 장치에 공기를 공급하는 장치인 것을 특징으로 하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지성능효율을 산출하는 단계는,
하기 수학식을 이용하여 성능보증기반 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함하고,
[수학식]
상기 수학식에서 제1 표준산소전달 효율은 기 설정된 성능보증기준을 만족하는 표준산소전달 효율이며, 상기 제1 소비전력량은 상기 성능보증기준을 만족하는 동안 상기 산기 장치에서 소비된 전력량인 것을 특징으로 하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법. - 제 3 항에 있어서,
상기 성능보증기준은,
상기 표준 산소전달 효율이 일정효율 이상으로 일정시간 동안 유지되는 조건인 것을 특징으로 하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지성능효율을 산출하는 단계는,
하기 수학식을 이용하여 소비출력변화기반 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함하고,
[수학식]
상기 수학식에서 제2 표준산소전달 효율은 정격출력을 변경시키며 동작한 상기 산기 장치의 표준산소전달 효율이며, 상기 소비출력 변화전력량은 정격출력을 변경시키며 동작한 산기 장치가 소비한 소비출력의 변화 전력량인 것을 특징으로 하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 에너지성능효율을 산출하는 단계는 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계는,
제1 통기량 및 제2 통기량에 따라 각각 획득된 표준 산소 전달량 및 소비전력을 하기 수학식에 적용하여 각각의 통기량에 따른 표준 폭기 효율을 산출하는 단계;를 포함하며,
[수학식]
상기 수학식에서는 표준 폭기 효율,
는 표준 산소 전달량,
는 소비 전력인 것을 특징으로 하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계는,
산출된 표준 폭기 효율을 하기 수학식에 적용하여 부하변동기반 에너지성능효율을 산출하는 단계;를 더 포함하고,
[수학식]
상기 수학식에서 제1 표준 폭기 효율은 제1 통기량으로 동작할 때의 표준 폭기 효율이고, 제2 표준 폭기 효율은 제2 통기량으로 동작할 때의 표준 폭기 효율인 것을 특징으로하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 제2 통기량은 제1 통기량의 공급하는 공기의 양의 절반인 것을 특징으로 하는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200161373A KR20220073364A (ko) | 2020-11-26 | 2020-11-26 | 상하수 처리 공정에 이용되는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200161373A KR20220073364A (ko) | 2020-11-26 | 2020-11-26 | 상하수 처리 공정에 이용되는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법 |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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| KR1020200161373A KR20220073364A (ko) | 2020-11-26 | 2020-11-26 | 상하수 처리 공정에 이용되는 산기 장치의 에너지성능효율 평가 방법 |
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-
2020
- 2020-11-26 KR KR1020200161373A patent/KR20220073364A/ko not_active Application Discontinuation
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