원단위 분석 프로그램을 이용한 펌프 효율계 개발
The Development of Pump Efficiency Equipment Using WonDanwi Analysis
Program
1996. 12.
한국수자원공사 수자원연구소
주관
수 행 기 관 : 한국수자원공사 수자원연구소 연구책임자 : 김영규
참여연구원 : 연구원 신강욱 참여연구원 : 연구원 최광덕
요 약 문
1. 연구제목
원단위 분석 프로그램을 이용한 펌프 효율계 개발 2. 연구기간
1996. 1 - 1996. 12 3. 연구목적
현재 우리공사 수도사무소에서 운전되고 있는 펌프 모터의 효율시험은 1 년에 1 회 혹은 2 회정도 주기를 가지고 실시되고 있다. 이러한 효율시험은 현장 근무자의 수작업에 의하여 이루어지고 있으며, 효율시험에 많은 시간이 소요됨은 물론 효율시험의 주기가 길다는 단점을 가지고 있다.
또한, 펌프의 조합별 운전에서 펌프의 개별 효율특성이 좋은 조합으로의 운전이 항상 좋은 효율과 원단위 상태로 운전되고 있다고 생각할 수는 없다. 따라서, 현재 취수, 가압장에서 운전되고 있는 각종 펌프에 대한 실제적인 효율파악을 위해 데이터의 취합과 분석을 실시간으로 감시할 수 있다면, 각 펌프의 특성에 적합한 운전을 함으로써 펌프의 효율향상과 전력요금 절감이 가능할 것이다. 따라서 본 연구에서는 취수, 가압장에서 운전되고 있는 펌프의 효율 및 원단위를 실시간으로 감시할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하여 전 사업장에 설치 운전될 수 있는 상용 장비를 개발하고자 하였다.
4. 연구내용
4.1 각종 펌프 효율 및 원단위 분석을 위한 자료수집 -. 대외 관련 논문 자료수집
-. 수도사업소 취수, 가압장 현황조사
4.2 펌프효율 및 원단위 측정 알고리즘 개발
-. 전 수도사업소에 적용 가능한 표준 알고리즘 개발 -. 가장 효과적인 개발 프로그램 선정
-. 모의시험장치 구성
-. 시험 적용 현장 수도사무소 선정 -. 개발품 현장 설치
-. 에러체크 및 정밀도 검토 5. 연구결과
본 연구에서는 우리공사 수도사무소에서 운전되고 있는 펌프 모터의 효율 및 원단위를 실시간으로 감시할 수 있는 시스템을 개발하였다. 이 시스템은 모의 시험장치를 통하여 타당성을 확인하고 현장 수도사무소에 적용 운용함으로써 취수, 가압장의 펌프 운전에 많은 기여를 할 것이라 확신한다.
이 시스템의 특징을 요약하면 다음과 같은 점을 들 수 있다.
첫째, 본 시스템을 통하여 펌프의 공장시험, 운전시험 자료를 통한 특성곡선을 자동으로 출력 및 분석이 가능하다.
둘째, 대부분의 취수 가압장에서는 펌프의 단독운전 보다는 병렬운전을 실시하고 있다. 그러나 병렬운전시에는 지금까지 호기별 효율 및 원단위의 파악이 용이하지 못하였으나, 본 시스템을 통하여 병렬운전시에도 호기별 특성을 쉽게 감시할 수 있도록 하였다.
셋째, 지금까지 각 현장에서는 수작업을 통하여 효율 및 원단위를 파악함으로써 현재의 운전 효율을 즉시 또는 주기적 감시가 용이하지 못하였다. 그러나 본 시스템에서는 실시간으로 효율 및 원단위를 파악함으로써 펌프의 조합변경시 즉시 변경된 조합의 효율 및 원단위를 취득할 수 있다.
넷째, 본 연구에서는 각종 보고서 작성, 계산 및 그래프 작성을 쉽게 되도록 구성하였다. 또한, 펌프의 과거 운전 상태를 파악하기 위하여 일보 데이타 및 전체 데이타를 출력받아 확인 및 분석이 가능하도록 하였다.
이상과 같은 장점들을 충분히 활용한다면, 펌프의 효율적인 운전과 적절한 설비 교체시기를 산정할 수 있고, 또한 이러한 자료를 기반으로 보다 효율적으로 운전한다면 에너지 절감에도 일익을 담당할 것으로 기대된다.
제 1 장 서론
주기를 가지고 실시되고 있다. 이러한 효율시험은 현장 근무자의 수작업에 의하여 이루어지고 있으며, 효율시험에 많은 시간이 소요됨은 물론 효율시험의 주기가 길다는 단점을 가지고 있다.
이러한 단점은 펌프의 특성이 갑자기 좋아지거나 나빠지지 않는다는 관점으로 볼때에는 별다른 문제가 없는 것으로 생각될 수 있다. 그러나, 펌프의 조합별 운전에서 펌프의 개별 효율특성이 좋은 조합으로의 운전이 항상 좋은 효율과 원단위 상태로 운전되고 있다고 생각할 수는 없다.
따라서, 현재 취수, 가압장에서 운전되고 있는 각종 펌프에 대한 실제적인 효율파악을 위해 데이터의 취합과 분석을 실시간으로 감시할 수 있다면, 각 펌프의 특성에 적합한 운전을 함으로써 펌프의 효율향상과 전력요금 절감이 가능할 것이다. 따라서 본 연구에서는 취수, 가압장에서 운전되고 있는 펌프의 효율 및 원단위를 실시간으로 감시할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하여 전 사업장에 설치 운전될 수 있는 상용장비를 개발하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 목적을 가지고 수자원연구소에 설치되어 있는 모의시험장치(5 마력 펌프 3 대)에 연결하여 실험을 통한 알고리즘의 검증과 보완으로 펌프의 실시간 효율 및 원단위틀 감시할 수 있는 상용 장비를 개발하였다. 또한, 개발된 장비의 현장적용을 통한 실제 플랜트에서의 검증을 위해 팔당수도사무소 수도권 4 단계 펌프장에 설치하여 운전토록 하였다.
일반적인 취수 및 가압장에서는 펌프별 토출관로를 갖지 못하고 하나의 토출관로를 통하여 취수된 물을 송수하고 있다. 본 연구에서는 이러한 점을 중시하여 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하였지만, 팔당수도사무소 4 단계 펌프장의 경우에는 토출판로가 두곳이었다. 따라서, 효율계의 하드웨어중 A/D Board 를 1 셋트 추가 설치하여 토출관로별 효율 및 원단위를 감시할 수 있도록 하였다. 또한, 소프트웨어에서는 토출관로별 효율 및 원단위를, 화면상에서는 하나의 관로를 디스플레이 하지만 데이터베이스에서는 모든 관로의 효율 및 원단위를 실시간으로 저장하도록 하였다.
이러한 현장실험을 통하여 이 시스템이 우리공사의 전 수도사무소에 적용되어, 보다 효율적인 펌프관리 및 운전을 할 수 있도록 확산 적용하고자 한다.
1.2 연구내용
1) 각종 펌프 효율 및 원단위 분석을 위한 자료수집 -. 대외 관련 논문 자료수집
-. 수도사업소 취수, 가압장 현황조사 2) 펌프효율 및 원단위 측정 알고리즘 개발
-. 전 수도사업소에 적용 가능한 표준 알고리즘 개발 -. 가장 효과적인 개발 프로그램 선정
-. 하드웨어 설계에 따른 펌프 효율 프로그램 작성 3) 펌프 효율계 구성
-. 개발품 현장 설치
-. 에러체크 및 정밀도 검토
제 2 장 효율 관리 이론
2.1 수력기계 개요
2.1.1 수력터빈
수차의 작동원리는 에너지 평형의 관점에서는 펌프의 원리와는 반대이다.
현재 사용되고 있는 수차에는 펠톤 수차(Pelton Turbine), 프란시스 수차(Francis Turbine), 사류수차(Diagonal Flow Turbine), 프로펠러 수차(Propeller Turbine), 횡류수차(Cross Flow Turbine)등이 있으며, 프란시스 수차는 원심펌프, 사류수차는 사류펌프, 프로펠러 수차는 축류펌프와 각각 대응하고 유사하다.
수차 선정시에는 비속도와 형식수의 개념이 도입되는데, 비속도의 식은 다음과 같다.
가. 펠톤수차
수압철관으로 수차입구까지 유도된 고압의 물은 니들밸브 모양의 노즐을 통해 급속히 가속되어 분사되고, 이 분사가 버킷에 유입되어 반사될 때 발생하는 동력을 얻는 수차로 주로 수량이 적고, 고낙차의 경우에 적용한다.
나. 프란시스 수차
프란시스 수차의 구조는 원심펌프와 거의 같다. 단지 흐름의 방향과 회전방향이 반대이다.
축류펌프와 구조가 비슷하며 가변 날개를 갖는 프로펠러 수차를 카플란 수차라고 한다. 프로펠러 수차의 대부분이 가변 날개구조를 갖는다.
마. 펌프수차
최근에는 전력의 피크운용 때문에 펌프 수차의 필요성이 많아지고 있고, 또한 양수발전소도 건설되고 있는데 그 적용낙차는 다음과 같다.
2.1.2 펌프
유체를 압송하는 펌프의 분류는 다음과 같다.
볼류트 펌프는 원심력에 의해 유체에 주어진 운동 에너지가 볼류트나 스파이럴 케이싱에 의해 압력 에너지로 변환되는 펌프이다.
터어빈 펌프(디퓨져 펌프)는 원심력에 의해 유체에 주어진 운동 에너지가 가이드 베인에 의하여 압력 에너지로 변환되는 펌프를 말한다.
축류펌프는 유체에 압력 에너지를 바로 전달하는 펌프이다.
펌프의 특성상 소비동력이 같을 때, 양정의 크기는 원심펌프 > 사류펌프 >축류펌프 순으로 차이가 있는 대신에 유량은 역순으로 되는 경향이 있으므로 펌프 선정시에는 이러한 점을 고려하여 비속도나 형식수로 결정한다.
이고 둘은 k= n_{s}× (2π/g^{3/4}) 의 관계가 있다.
펌프의 선정시에서 양정이 높은 조건에서는 펌프의 단수를 증가시키고, 유량이 많은 조건에서는 양 흡입과 댓수 증가를 고려하는 것이 일반적이며, 작은 펌프의 여러대 조합보다는 대형펌프의 사용이 원단위가 낮게 되는 것이 일반적이다.
2.1.3 터어보형 펌프의 특성곡선
가. 개요
유체기계가 일정한 회전수, 일정한 유량으로 정상작동을 한다면, 정양정 소요동력, 운전효율 등은 정상적으로 결정된다. 이들 사이의 관계를 나타내는 선도를 특성곡선 (성능곡선)(Performance Curve)이라 한다.
펌프의 특성곡선은 펌프가 토출하는 유량에 따른 전양정, 소비전력, 효율의 변화상태룰 유량을 x 축으로 하는 그래프에 모두 표시한 것으로 펌프의 운전 조건이 변경되면 위 요소들은 특성곡선을 따라서 변하게 된다. 그러나 장시간 사용하게 되면, 물, 모래 및 접촉부의 마찰에 의한 마모로 인하여 임펠러와 케이싱 및 접촉부위가 마모되어 펌프의 효율이 저하되고 원단위가 상승하게 된다. 따라서 펌프관리자는 특성곡선(효율시험)을 정기적으로 점검하여 상태를 파악하고, 교체와의 손익분기점을 계산하여 성능이 우수한 펌프로 교체하여야 하는 매우 중요한 사항이다.
다음은 펌프특성곡선의 예이다.
그림 2.1 펌프 특성곡선 펌프의 양정, 소비전력, 유량, 효율과의 관계식은 다음과 같다.
γ : 유체의 비중량(㎏/ℓ)
Q : 유량 (㎥/min), H 전양정 (m) L : 축동력 (kw), η_{p} : 펌프 효율(%) 운전효율은 다음과 같다.
전체효율 = 펌프효율 × 모터효율 전양정의 계산식은 다음과 같다.
P_{s} : 흡입압력(㎏/㎠)
ν_{dg} : 토출구에서의 유속(m/s) ν_{sg} : 흡입구에서의 유속(m/s) g : 9.8 m/s²
Ha : 실양정(m) hℓ : 총 손실양정(m)
2.2 펌프효율시험
현재 펌프모터의 효율시험은 호기별로 유량계가 설치되어 있지 않기 때문에 펌프모터를 각 호기별로 1 대씩 가동하면서 유량, 소비전력, 압력 데이터를 얻어서 효율을 계산하고 있다.
이러한 방법은 호기별 특성곡선을 정확하게 구할 수 있으며, 펌프모터의 특성변화를 정확히 파악할 수 있다. 그러나
① 이 모든 작업이 현장 근무자나 본사 직원의 수작업에 의하여 이루어지고 있으며, 시험에 많은 시간이 소요되고 있는 실정으로 정기적으로 실시하고는 있으나, 주기가 긴 것이 흠이다.
② 각 사무소별 전양정 산출방법과 유량, 소비전력의 순시값을 적산에서(순시치가 산출되는 경우가 많으나 실제로는 정확성을 기하기 위해 적산치에서 산출) 산출해야 하는 등의 방법 및 효율 계산에서 축동력, 전체효율 등 계산시 충분한 이해없이 산출하므로 계산오차가 발생할 수 있다.
③ 또한 데이터화 하기 위한 입력문제와 시간별 특성곡선의 변화를 그래프에서 이해하기 쉽게 관리하기 어려운 점 등의 문제가 있다.
④ 시스템에서 관리하지 않고 근무자에 의한 기록에 의해서 작성되므로 계기판독시의 시차와 각 센서를 읽기위해 이동하는 동안의 시간차 등의 오차요인을 가지고 있다.
⑤ 실제의 운전은 대부분 병렬운전으로 실시하고 있으나, 효율시험은 유량계의 호기별 부착이 어려우므로 각각의 펌프를 효율시험하고 병렬운전시의 전체에 대한 효율과 원단위 계산을 할 수 있으나, 각 개별적인 펌프의 동작상태를 파악할 수가 없는 등의 문제가 있다.
⑥ 또한 운전 중에는 운전되고 있는 상태에서의 효율이나 원단위를 계산하지 않기 때문에 어떠한 상태에서 운전하는지는 관심을 가지고 근무에 임하는 직원만이 그때 그때마다 계산에 의하여 운전상태를 이해하고 있는 실정이다.
2.3.1 펌프의 운전점
일정속도에서 운전되는 펌프의 양정-유량성능은 체절점 유량=0 에서 유량=최대까지 광범위하게 표시되지만, 실제의 사용상태에서는 관로 저항곡선과 H-Q 곡선과의 교점이 운전점이 되고, 그 상태에서의 H, Q, KW 등이 결정된다. 여러 가지의 운전방정식에 대한 운전점을 고려하면 다음과 같다.
가. 단독운전
(1) 실양정이 변하지 않는 경우
그림 2.2 과 같이 펌프가 실선으로 표시된 H-Q 곡선을 가진다면 어떤 실양정을 가진 관로 저항곡선 R 과의 교점 A 가 운전점이다. 사용후의 경년 변화에 의해 배관에 녹이 발생하거나, 스케일이 끼면, 관로 저항곡선이 R'로 되고 운전점도 B 로 이동하여 토출량은 감소하게 된다.
이와 같은 현상을 방지하기 위하여 관로저항 R'에서도 소요토출량 Q 를 확보할 수 있도록 펌프 성능에 미리 여유를 주어 점선으로 표시한 바와 같은 H-Q 곡선으로 설정하는 것이 필요하다.
다만 에너지 절감 측면에서 과다한 여유는 피하여야 한다. 이 경우 토출밸브가 전개된 경우의 초기운전은 C 로 이동하여 과다하게 토출되므로 모터에 과부하가 걸릴 가능성이 있으므로 밸브제어를 실시하여야 한다.
그림 2.2 실양정이 변하지 않는 경우 운전점 (2) 실양정이 변하는 경우
그림 2.3 와 같이 실양정이 변하면, 밸브의 개도가 일정한 경우에도 관로 저항곡전이 상하로 평행 이동하므로 토출량이나 펌프 효율이 변하는 점에서 운전된다. 실양정이 변동하는 것은 배수 펌프등에서 많이 볼 수 있으며, 고효율 범위에서 운전하기 위하여는 실양정 변동폭과 빈도틀 고려하여 계획시에 펌프 최고 효율점의 위치률 선정하여야 한다.
그림 2.3 실양정이 변하는 경우 (3) 밸브제어
토출밸브 개도를 조절하는 것으로 관로 저항곡선을 인위적으로 변화시켜서 토출량을 조절할 수가 있다. 그림 2.4 에서 보듯이 밸브를 완전히 열었을 때의 교점 A 가 그 펌프설비에서 얻을 수 있는 최대 유량을 표시한다.
밸브제어의 경우는 우리공사에서 현재도 많이 사용하는 방법으로 적용되는 경우를 들면 다음과 같다.
① 댐과 같이 취수수위가 변동하는 경우에 수위가 상승하면 관로 저항곡선이 작아지면서 토출유량이 증가하고, 동시에 모터에 과전류로 인한 과부하가 걸리게 되어 위험하다. 따라서 이러한 과부하를 줄이기 위하여 벨브제어를 실시한다.
② 시설용량이 사용량에 비하여 큰 경우에 관로 저항양정이 낮기 때문에 모터에 과부하가 걸릴 수 있다. 또한 펌프에 유체적인 흐름 조건이 악화되어 공동현상이 발생하기 쉽고, 이에 따라 진동이 발생하고 impeller 의 손상을 가져올 수 있다. 이 경우에도 대부분 밸브제어를 실시하고 있다. 그러나 원단위 측면에서는 밸브를 전개(全開)할수록 낮게되어 원가절감이 되는 운전조건이 되므로 모터의 과부하만 방지될 수 있으면 밸브전개 운전을 실시하여야 한다.
그림 2.4 토출측 벨브제어 운전 (4) 속도제어
펌프를 다른 회전수에서 운전하는 경우에는 특성 곡선상의 Q, H 가 회전수 비에 따라 다음 식과 같이 변한다.
H-Q 선상의 각 점의 궤적은 2 차 곡선을 따라서 변하고, 원점 o 에서 끝난다. 그림 2.5 에서 운전점은 펌프 특성과 어떤 실양정을 가진 관로 저항곡선과의 교점으로 표시되므로 1 승, 2 승의 관계가 어긋나게 된다. 그림 2.5 에서 속도제어에 따라 H-Q 성능과의 대응점은 A1, A2, A3 로 표시되나 펌프의 운전점은 저항곡선과의 교점 A1, B2, B3 가 된다.
그림 2.5 속도 제어 (5) H-Q 곡선 구배의 영향
① 최고 효율점이 전양정에 비하여 Q=0 인 체절점의 전양정이 비교적 높은 특성인 급한 구배 특성의 펌프는 평탄한 구배 특성의 펌프에 비하여 관로 저항곡선의 변동에도 토출량의 변화 ΔQ 는 작다.
② 실양정이 거의 변화하지 않는 설비에서는 펌프특성이 급한 구배인 펌프보다도 평탄한 구배펌프로 하는 편이 유량 조절을 하는 토출벨브가 부담하는 압력도 작게 되고, 관의 내압도 작게 된다.
그림 2.6 H-Q 곡선
2.3.2 병렬, 직렬 운전
가. 병렬, 직렬 운전의 선정조건
2 대 이상의 펌프를 이용하여 토출량을 증가시키는 경우에 병렬, 직렬의 어느 쪽이 유리한가는 저항곡선의 형상에 따라 결정된다. 그림 2.7 에 의해 알 수 있는 바와 같이 병렬, 직렬, 합성 특성곡선의 교점 a 로 된다. 관로 저항곡선이 a 점을 통과하는 R2 보다 높은 R3 와 같은 경우는 직렬 운전하는 것이 병렬운전 보다도 토출량이 많게 된다. 실양정의 변동이나 관로 저항의 변동을 포함하여 양정이 넓은 범위로 변화하는 설비에서는 2 대의 펌프를 조합시켜서 병렬, 직렬의 변환 운전을 실시하면 양정에 변동이 생겨도 토출량을 얻을 수가 있다. 병렬, 직렬 어느쪽으로 하더라도 안전하고도 경제적으로 운전하기 위하여는 복합 운전에서 각각의 펌프가 어떤 상황에서 운전되는지, 그 효율과 동력은 어떠한지는 물론 캐비테이션 발생에 대하여도 검토할 필요가 충분하다.
펌프의 동일 양정에 대응하는 토출량을 더하여 전체 가동펌프의 합성 H-Q 곡선을 구할 수가 있다.
이 합성 H-Q 곡선에서 전체 병렬운전의 운전점은 2 대 합성의 경우는 B1 이고, 3 대 합성의 경우는 C1 이 되며, 이에 대한 각 펌프마다의 운전점 B2, 또는, C2 를 그림상에서 구한다. 그림에 의해 밝혀진 바와 같이 관로 저항곡선이 일정한 경우에도 각각의 펌프 운전점은 운전 대수에 따라서 A -> B2 -> C2 로 변한다는 것을 알 수 있다. 펌프 합성성능의 토출량은 각각의 성능을 단순히 대수배하면 되지만, 합성 운전점의 토출량은 1 대의 운전시의 대수배 하여서는 안되며, 오히려 대수가 증가함에 따라 토출량의 증가는 a > b > c 로 작아진다. 이 경향은 관로 저항곡선이 그림 2.8 과 같이 급격하게 오른쪽 위로 올라가는 구배이고, 펌프의 H-Q 곡선이 평탄한 구배를 가지는 경우 더욱 현저하다.
그림 2.8 성능이 같은 펌프의 병렬운전 다. 용량이 다른 펌프의 병렬 운전
그림 2.9 에서 합성 운전점 A 에서 그은 수평선이 크고 작은 각각의 단독펌프 성능과 만나는 점이 각 펌프 개개의 운전점이 되고, 합성 운전점 A 의 양정이 소용량 펌프의 최고 양정 Z 보다도 낮은 경우에는 두 펌프가 공히 양수 가능하다.
단, 그림 2.10 와 같이 합류후 토출 밸브 S 에서 유량 조절을 행하는 경우에는 벨브를 서서히 닫으면 관로 저항곡선이 지나치게 상승하게되어 운전점 A 의 양정이 Z 보다 높게 되므로 소용량 펌프는 양정이 부족하게 되어 송수 불가능하게 된다. 이와 같은 경우에는 대용량 펌프만을 운전하고, 토출 밸브 T2 에서 제어함이 좋다.
그림 2.9 용량이 다른 펌프의 병렬 운전 라. 크고 작은 펌프의 직렬 운전
그림 2.11 에서와 같이 용량이 크고 작은 펌프의 합성직렬 성능은 각각의 단독 성능의 전양정을 합하여 구하면 된다. 관로 저항곡선 R1 에서의 합성운전점은 A 로 되고, 각 펌프의 운전점은 B, C 로 표시된다. 또한 관로 저항곡선 R2 가 Z 보다도 낮으면 합성 운전점은 A'로 되나 작은 펌프의 운전점 C'가 음의 양정이기 때문에, 저항으로 작용하므로 큰 펌프 1 대만을 운전하는 편이 양정이 B'로 높게 되거나 토출량이 B"로 많게 된다. 용량이 다른 펌프의 직결 운전시에는 펌프를 반드시 작은 펌프의 첫째단 입구측으로 가압되도록 할 필요가 있으며, 이것을 역으로 배치하면 큰 펌프의 입구측에서 공동현상이 발생한다.
그림 2.10 크고 작은 펌프의 직렬 연결
2.3.3 배관의 분기, 합류시의 운전점
가. 저항이 다른 직렬 관로의 송수
그림 2.12 은 펌프에서 저항이 다른 관로를 직렬로 연결하여 높이 Ha 로 송수하는 경우이다. 두 개의 관로 저항을 R1, R2 로 하면 R1 및 R2 를 종좌표축으로 합하여 배관계의 저항곡선 R 을 얻는다. 즉 ab+ac=de 로 된다.
그러므로 저항곡선 R 과 양정 곡선과의 교점 e 가 펌프의 운전점이 된다.
나. 분기관으로의 송수
(1) 실양정 0 에서 저항이 다른 병렬 분기관으로의 송수
그림 2.13 은 펌프에서 분기되어 B, C 두지점으로 송수하는 경우로 실양정이 0 이 경우이다.
R1 을 PB 간의 관로 저항, R2 를 PC 간의 관로 저항이라 하면 펌프에 대한 합성 저항곡선 R 은 R1, R2 를 동일 양정에서 횡좌표측으로 합한 것이다. 즉 ab+ac=ad 로 된다. 이 저항곡선 R 과 양정곡선과의 교점 d 가 펌프의 운전점으로 되고, 펌프의 토출량이 Q 인 경우 Q1, Q2 가 각각의 관로를 흐르는 유량으로 된다.
그림 2.11 저항이 다른 직렬 관로
그림 2.12 실양정 0 시 저항이 다른 분기관 (2) 실양정 및 저항이 다른 병렬 분기관으로의 송수
그림 2.14 은 펌프에서 분기하여 B, C 두지점으로 송수하는데 각각의 관로 토출 높이가 Ha1, Ha2 이고, R1 을 PB 간의 관로 저항, R2 를 PC 간의 관로 저항이라 하면, R1, R2 를 횡좌표측으로 더한 것이 연합 저항곡선 R 로 되고, 이것과 펌프의 양정 곡선과의 교점 a 가 펌프 운전점으로 되며, 펌프의 토출량이 Q 인 경우, Q1 과 Q2 가 각각의 관로를 흐르는 유량이 된다.
그림 2.13 실양정과 저항이 다른 병렬 분기관 (3) 한 개의 관로를 도중에서 분기하는 병렬 관로로의 송수
그림 2.15 는 펌프보다 Ha1 만큼 높은 B 를 경유하여 높이 Ha2 인 C 점과 높이 Ha3 인 D 점의 두 지점으로 송수하는 경우를 표시하며, 송수관로 저항은 PB 간을 R1, BC 간을 R2, BD 간을 R3 로 하는 경우, B 점에서의 펌프 특성곡선은 다음의 특성곡선 A 에서 R1 과 Ha1 간의 차를 뺀 곡선 A'로 된다. 다음에 BC, BD 간의 연합 저항곡선 R 을 구하여, 이것과 곡선 A'와의 교점 a'가 펌프의 토출량 Q 로 되며, 그 교점에서 수평으로 직선을 그어, 각각의 관로 저항 곡선 R2, R3 와의 교점이 각각의 관로 C, D 에 송수되는 유량 Q2 와 Q3 를 나타낸다.
그림 2.14 한 개의 배관을 도중에서 분기하는 관로 (4) 관로의 중간에서 일정량을 뽑아내는 경우
그림 2.16 는 펌프에서 말단 C 에 이르는 송수관의 도중 B 에서 Q3 인 일정 유량을 뽑아 내는 경우로 실양정이 0 인 경우에 대하여 서술하여 본다.
PB 간의 관로 저항을 R1, BC 간의 관로 저항을 R2 라 하면, R1 인 관로 저항곡선은 0 을 원점으로 하는 곡선으로 되고, R2 인 관로 저항곡선은 횡좌표측에서 Q3 인 유량의 위치 K 를 원점으로 하는 곡선이 된다. 이 R1 과 R2 두개의 관로 저항을 합성하면 연합 저항곡선 R 이 얻어지고, 이것과 펌프의 특성곡선과의 교점 a 가 펌프의 운전점으로 된다.
그림 2.15 관로 중간에서 일정량을 뽑아내는 경우 (5) 두 지점에서 한 지점으로 합류하는 관로로의 송수
그림 2.17 은 A, B 두개의 펌프장에서 각각의 저항 R1, R2 인 송수관을 통하여 C 점에서 합류하여 저항 R3 인 합류관을 통하여 D 에 송수하는 것이다.
이 경우 AC, BC 간의 펌프는 단독 운전되고 CD 간 만이 펌프가 병렬 운전되므로 A 와 B 의 펌프 특성을 C 점에서의 특성으로 변환시켜서 고려하면 된다. C 점에서의 A 펌프의 특성은, 그 특성 곡선 A 에서 R1 을 뺀 곡선 A'로 된다. 같은 방법으로 B 펌프의 C 점에서의 특성은 곡선 B'로 된다.
여기에서 이 두 개의 변환 특성 A' 및 B'를 가지는 2 대의 펌프가 C 점에서 D 점으로 병렬 운전하는 것으로 생각하면 된다. 즉 A' + B'의 병렬 연합 특성 E 를 그리고, 저항 R3 와의 교점 a 를 구하면 펌프 두 대의 유량합계 Q3 로 된다. 이 교점에서 수평선을 그어서 각 펌프의 토출 유량 Q1 및 Q2 를 얻는다. 이 그림을 A, B, C, D 점을 모두 동일 레벨에 있는 것으로 고려하였으나, 만약 각각의 지점에 고저가 있다면 실양정은 저항곡선에 가산하여 표시하면 된다.
그림 2.16 두지점에서 한지점으로 합류하는 관로 (6) 정격외 운전에 대한 이해
① 펌프에서 토출 밸브률 전개하여 펌프가 발생시키는 H-Q 에너지를 모두 활용하는 것이 원단위가 가장 낮은 운전이다.
② 일반적으로 복수 대의 펌프의 병렬 운전에서는 유량 부하가 증가하여도 가능한 한 소수의 펌프로 꾸려나가는 것이 외관상으로는 펌프 효율이 낮은 점에서 운전되더라도 총 소비동력은 작다.
③ 이와 같이 토출 배출 밸브를 전개하여 운전하는 경우에는 각각의 펌프는 종종 정격점을 초과한 과대 토출량 상태에서 운전되기 때문에 다음의 문제를 발생시킬 수가 있다.
- 공동현상이 일어나기 쉽고, 그 때문에 소음을 발생하며, 극단적인 경우에는 송수 불가능하다.
- 비속도가 작은 펌프에서는 원동기에 과부하가 걸린다.
- 운전을 단독 또는 병렬운전 등으로 변화시킬 때에 생기는 운전점의 추이는 H-Q 곡선과 관로 저항곡선의 구배여하에 따라 현저하게 형상이 변하므로 각각의 계획에 대하여 검토하여야만 한다.
④ 병렬운전시의 총 토출량은 펌프 가동 대수배로는 되지 않으며, 오히려 가동 대수를 증가할수록 1 대당의 토출량은 감소하여, 물의 원단위는 증가하게 된다. 그러므로 관로내의 유량이 계절에 따라서 큰 폭으로 변화하고, 더욱이 각각이 장기간 계속되는 관로에서는 고효율 운전을 하기 위하여 소유량시에 한하여 전용인 저양정 펌프군과 대유량시 전용인 고양정
2.3.4 펌프 대수에 대한 일반적인 사항
펌프 설비 전체의 총 유량이나 전양정이 결정되어 있어도, 이것을 몇대의 펌프로 분할하여 공급하며, 각 펌프 시방을 어떻게 결정하는가는 건설비나 유지 관리에도 영향을 주는 중요한 사항이므로 각항에 대하여 검토하지 않으면 안된다.
가. 대수의 선정의 일반적인 사항 (1) 운전 동력비의 절약
유량 부하의 변동 상황을 사전에 검토하고, 그 빈도와 계속기간 등을 고려하여 총 유량을 적절하게 분할하고 펌프의 대수를 결정한다.
(2) 대수와 경제성
일반적으로 전 유량의 분할 방법으로서 소수의 대형 펌프로 하는 편이 다수의 소형 펌프로 하는 것보다도 건설비가 싸고, 설치 면적도 작고, 펌프의 최고 효율도 높은 것을 얻기 쉽다. 그러나 각각의 펌프는 가능한 한 정격 회전수 및 밸브 전개 상태에서 운전하는 것이 합리적이므로 신축성 있는 유량 부하의 변동에 대하여는 소형 펌프를 다수 설치하는 쪽이 원활한 운전이 가능하고, 총 소비동력도 적게 소모된다.
(3) 호환성과 등용량 분할
비교적 여러대로 분할하는 경우에는 각 펌프를 전부 동일 규격으로 통일하면 부품이나 예비품의 호환성이 생기고, 보수도 편리하다.
(4) 크고 작은 용량으로 분할
분할 대수가 작은 경우에는 전 용량을 대형 펌프와 소형 펌프로 분할하면 부하 변동에 대해서도 신축성 있게 조절할 수 있고, 설계 양정이 적절하면 병렬 운전도 가능하다. 단, 부품의 호환성이 없게 되는 결점이 있다.
(5) 토출량과 양정이 다른 조합
부하 변동의 상황 여하에 따라서는 유량이 다른 것외에 소요 전양정도 크게 변화하는 경우가 있으므로 이와 같은 경우에는 운전 계속 시간도 고려하고, Full 운전시의 대유량, 고양정 영역에 전용인 그룹외에 소유량, 저양정 영역에 전용인 소용량 펌프를 병행하여 설치하면 운전이 가장 합리적으로 실시된다. 단, 건설비가 비싸지는 결점이 있다.
2.4 펌프의 에너지 절감
펌프에 의해 소비되는 동력은 주로 전동식이며, 예외적으로 내연기관 및 증기 터어빈 구동으로 분류되나, 어느 경우이든 펌프 축동력의 절감은 에너지절감 측면에서 큰 과제의 하나이다.
축동력의 절감 방법에는 소요 전양정의 재검토와 저감, 펌프 성능의 향상, 최적 펌프 시방의 선정 등이 있으며, 또한 펌프의 부하변동에 대한 합리적인 운전제어등이 포함되므로 이들을 종합하여 전체적으로 검토하여야 한다.
2.4.2 펌프의 에너지 절감 방안 검토
설비의 에너지 절감을 계획할 때에 양정이나 유량이 시간에 따라 크게 변동할 것으로 예상되는 경우에는 분, 시간, 주, 월, 계절에 대하여 양정, 유량변동을 고려하여 대수분할, 운전 원동기, 제어 시스템을 검토하여야 한다.
펌프의 에너지 절감을 검토할 때의 주요내용은 다음과 같다.
가. 배관 경로의 간략화나 기존의 펌프 운전 실적과 계획양정과 유량을 비교하여 과대 여유를 제거한다.
나. 공동현상, 서어징, 주변조건에 의한 제약, 유지보수의 난이 등 일반적으로는 문제가 되지 않는 펌프 특유의 문제점을 제거 또는 감소시킨다.
다. 속도제어의 경우는 속도 제어에 의한 전달 손실이 생기므로 충분히 검토하여야 한다.
라. 양정, 유량 및 배관의 손실수두, 원동기의 입, 출력의 실측을 계획치와 비교 검토 한다.
2.4.3 펌프의 에너지 절감 방안
가. 회전차(Impeller)의 외경 가공
전양정을 40m 에서 35m 로 변경할 경우, 회전차 외경을 가공하는 것으로 전양정이 감소하는 대신에 유량이 증가하기 때문에 동력이 절감될 수 있다. 40m 의 경우는 축동력을 100%로 하면 35m 의 경우의 소요동력은 대략 100 × 35/40 = 87.5%로 되어 약 12.5%의 동력이 절감된다.
회전차 가공은 형상치수에 따라서 그 가공 범위가 제한되므로 주의를 요한다. 또한 펌프효율도 약간 저하되므로 동력 절감량은 상기 계산보다 어느 정도 작게 된다고 생각하여야 한다. 이러한 방법은 펌프 운전초기에 시설용량보다 운전용량이 작은 경우와 댐과 같은 곳에서 설계양정보다 낮은 양정으로 운전되는 경우에 적용할 수 있다.
나. 다단펌프의 단수저감
다단의 회전차를 갖는 펌프가 전양정 100m 로 운전되고 있는 것을 토출량은 그대로 두고 전양정을 90m 또는 80m 로 저감시키는 경우에는 회전차를 1 매 또는 2 매 제거하여 약간의 개조를 실시하면 된다. 전양정 100m 인 경우의 소요동력이 100KW 라고 한다면 90m, 80m 인 경우의 소요 축동력은 90KW, 80KW 로 되어 각각 10%, 20%의 동력이 절감된다. 이와같이
긴 시간 간격(1 시간 정도이상)으로 총 토출량이 변동하는 경우에는 가동펌프의 대수 제어를 행하고, 소요 수량에 적절한 대수의 펌프만을 운전하여 동력 절감을 도모한다. 이 경우는 변동 수량과 시간의 관계를 사전에 파악하여 두던가, 소비유량과 수압의 변동상황을 계측하여 대수제어를 행할 필요가 있다. 대수선택에서 각 병렬 조합의 원단위가 운전실적에 의해서 산출이 가능하므로 가장 적은 병렬 조합을 선정하는 것이 에너지 절감의 한 방안이 될 수 있다. 본 연구과제의 부가적인 목적이 여기에 있으며, 원단위가 최소로 되는 병렬조합을 산출하고자 하였다. 또한 피크전력의 적용이 안되는 심야전력을 이용하여 심야에 착수정 수위를 최대로 운영하여 원가 절감을 달성하고자 하는 방안 역시 에너지 절감 방안으로 현재 적극적으로 실행되고 있다.
라. 중간 양정(또는 크기)의 펌프를 추가 설치하는 방안
유량 조절용으로 중간 유량의 펌프를 추가로 설치하여 운전하는 방안이 대형 점프를 가동, 정지를 반복하는 경우보다는 에너지 절감 측면에서 효과적이다. 또 댐과 같은 수위변동이 큰 공에서 취수하는 경우에 중간 양정의 펌프를 설치하여 운전한다면 고 양정에서의 밸브제어에 의한 손실을 절감할 수 있다. 다만 추가 설치하려면 설치비가 필요하고, 설치공간이 여유 있어야 한다.
마. 속도제어
펌프의 회전수 변경에 의한 성능 변화를 이용하는 것이 목적 달성을 위한 가장 효율적인 방법이다. 펌프의 양정-유량곡선이 평탄하고, 동시에 관로 저항 곡선도 수평에 가까운(마찰저항등이 작용)경우에는 약간의 속도제어에 의해 큰 폭의 유량 조정이 가능하게 되는 잇점을 가지지만 회전속도나 저항곡선에 미소한 변화를 생성시켜도 제어 결과에 큰 변동을 생기게 하므로 특히 정밀한 제어를 필요로 하는 경우에는 급구배의 H-Q 곡선을 가지는 펌프를 선정하는 것이 바람직하다. 이 방법에는 원동기 속도 제어용 부속 장치가 필요하게 된다.
최근에는 대용량형 인버터가 개발되어 적용하고 있으나, 현 단계에서는 설비비가 과다하여 중간단계 펌프모터를 설치하거나 임펠러를 가공하여 운영하는 방안이 더 경제적인 방안이 된다.
그러나 인버터의 가격이 낮아지고 있어 머지않아 많이 사용하게 될 것으로 기대된다.
2.4.4 최적효율관리 이론
최적인 전체 효율을 얻기 위한 설비의 운전점 설정문제에서 수학적인 해는 Lagrange Multiplier 의 사용을 기본으로 한다. 이는 서로 다른 설비가 운전되고, 각각 효율곡선을 가지고 있는 것으로 가정한다. 이는 최소의 총 토출유량이 다음과 같이 입력된다.
이는 설정된 값으로 고정된다. 또한 함수의 정적인 점을 찾으므로써 완성된다.
식(2.4.2)과 식(2.4.2)을 하나의 식으로 다음과 같이 표시할 수 있다.
여기서 λ 는 Largrange Multiplier 이다. 이는 다음과 같이 편미분할 수 있다.
이의 정확한 해는 다음과 같다.
효율곡선이 잘맞고, 각 설비가 운전점 근처에서
이면, 이 해는 설정된 출력에 대해서 전체 효율이 최적이 되는 운전점이다.
이는 서로다른 설비의 결합을 선정하거나, 운전점 조정으로 최고 효율을 찾아내는데, 모든 효율곡선의 기울기가 일정함을 보여준다.
설정된 출력이 모든 설비를 운전한 것보다 크지 않다면, 최대 전체 설비효율을 찾는 문제의 해는 설정된 출력을 낼 수 있는 설비 조합의 모든 경우의 해를 비교하여 원단위가 가장 작은 조합으로 선정하여 운전할 필요가 있다. 만약 효율곡선이 자세히 설정되어 있다면, 운전점의 조정과 설비의 최적조합 설정이 컴퓨터 해석으로 해결될 수 있다.
만약, 자세한 자료가 없으면, 설비의 효율곡선을 작성하기 위하여 on-line 측정에 의한 자료에 의하여 효율곡선을 설정한다. 본 연구에서는 최소 자승법을 이용하여 작성하였다.
에 대하여 f(x_{j})≈y_{i}, j=1, …, n 인 함수 f(x) 를 결정한다. 이 함수의 형이 어떤 것이 되겠는가 하는 것은 문제의 성질에 의하여 추정 되는 것이며, 적당한 차수의 다항식으로 가능할 경우가 많다.
본 연구에서는 9 차식까지를 작성하고, 각 다항식에서 자료의 중간값이 1 차식으로 연결하였을때와 비교하여 오차가 가장 작은 다항식을 선정하여 이 차수의 다항식의 각 계수를 선정하고, 효율곡선을 작성한다.
최소 자승법은
으로 주어진 점 (x₁, y₁),…, (x_{n}, y_{n})을 지나는 곡선맞춤을 하자면, 주어진 점으로부터 이 직선까지의 거리의 자승이 최소가 되도록 하여야 한다. 여기서 거리는 직선방향으로(y 축방향)으로 잰 거리이다.
직선상의 점으로서 x 좌표가 x_{j}인 것은 y 좌표가 a+bx_{j}이다. 따라서 점으로부터 이 직선까지의 거리는 │y_{j}-a-bx_{j}│이며, 그 평방의 합은
이다. 여기서 q 는 a 와 b 에 관계된다. 이 q 가 최소가 되기 위한 필요 충분조건은
이다. 따라서
이다. 이 방정식을 정규방정식(normal equation)이라고 부른다. 곡선 맞춤을 다루는데 있어서 1 차 다항식 y= a+ bx 대신에 차수가 m(≤n-1)인 다항식
을 생각하여 일반화 할 수 있다. 그러면 q 는
와 같이 되고, 이것은 (m+1)개의 매개변수 b_{0},…, b_{m} 에 존재한다.
식(2.4.10) 대신에는 (m+1)개의 조건
을 얻게 되는데, 이것으로부터 (m+1)개의 정규방정식을 얻는다. 2 차인 경우는
과 같이 되고, 정규방정식은
수동입력에 의한 특성곡선을 작성할 수 있도록 메뉴를 만들어 사무실에서나 근무자가 볼 수 있도록 하였으며, 이 곡선을 가지고, 압력에 의한 각 호기별 유량의 계산과 소비전력을 이용한 토출유량의 계산을 할 수 있도록 하였으므로 둘 중에서 선정하여 사용하면 된다.
나. 압력, 소비동력에 의한 호기별 유량산출
최소자승법에 의해 작성된 특성곡선을 가지고, 각 호기별 유량을 소비동력이나, 전양정에 의하여 구하게 되고, 이를 모두 합하여도 유량계에서 입력된 총 유량과의 오차가 발생한다. 이는 토출유량의 비를 가지고 오차를 수정하는 방식으로 해결한다. 즉 각 호기별 산출 유량을 전부 합한 것을 Q_{T}라 하고, 오차유량을 Q_{e}라 할 때, 호기별 유량을 Q₁, Q₂,… 이라고 하면 1 호기의 토출 유량은 Q_{f₁} = Q₁+ Q₁/ Q_{T}×Q_{e}가 된다.
다. 호기별 최고 효율
병렬 운전시의 각 호기별 최고 효율은 호기별 특성곡선의 식을 1 차 미분식이 되고 이 식에 의하여 최상의 운전조건을 조절할 수 있게 된다.
제 3 장 하드웨어 구성
3.1 효율계 구성
3.1.1 구성도
각 수도 사무소에서 설치 운영될 효율계의 특징은 산업용으로 활용되는 제품으로 내구성이 뛰어나고 신뢰성이 확보된 하드웨어를 선정하였다.
하드웨어의 구성은 아래 그림 3.1 과 같다.
그림 3.1 H/W 흐름도
3.1.2 효율계 사양
가. Micro Panel (1) 일반사항
- 입력전압 : 85VAC ~ 264VAC - 내구성 Noise : 80VA
- 내전압 : AC 1,200V 50/60 ㎐ 1 분(입력-FG 단자간) - 사용환경온도 : 섭씨 0 도 ~ 50 도
- 사용환경습도 : 5 ~ 95%
- 크기 : 320W * 251H * 160D (2) 특별사항
- CPU : 486 DX2-80
- 입력 : Touch Screen(85*63 Infrared 방식), Keyboard, Mouse
- 확장 Slot : 8 Slot
- External I/F : Parallel I/F, 외장형 FDD Port, VGA Port - 통신 Port : COM1, COM2(RS-232C), COM4(RS-422/485) 나. Analog Input Module
- Micro Panel 과 호환가능 - 16 Channel(Differential) - Resolution : 12bit 다. 기타
- HDD : 1.2 GB(IDE Type) - Printer : HP 660K - FDD : 3.5"
3.1.3 하드웨어 어드레스
가. Slot 별 I/O Address (1) Slot #1 ＆H200 - ＆H207 (2) Slot #2 ＆H208 - ＆H20F (3) Slot #3 ＆H210 - ＆H217 (4) Slot #4 ＆H218 - ＆H21F (5) Slot #5 ＆H220 - ＆H227 (6) Slot #6 ＆H228 - ＆H22F (7) Slot #7 ＆H230 - ＆H237 (8) Slot #8 ＆H238 - ＆H23F (9) Slot #9 ＆H240 - ＆H247
나. I/O Mapped I/O Address LOW DATA = BASE ADDRESS HIGH DATA = BASE ADDRESS + 1 COMMAND = BASE ADDRESS + 2
END OF CONV = BASE ADDRESS + 3(D7;1=END, 0=CONVERSION) BOARD ID = BASE ADDRESS + 7(RESERVED)
3.2 모의 시험 장치
본 시험장치는 수자원연구소 '92-'93 년도 연구과제 관련으로 우리공사 취수, 가압장을 대상으로 모의 시험을 위해 구성된 시스템이다. 따라서 본 연구에서는 기존에 존재하는 모의시험장치를 효율시험이 가능하도록 시스템의 보완작업을 통하여 효율계의 적용 타당성 시험을 실시하였다.
모의시험장치의 구성은 그림 3.2 와 같다.
그림 3.2 모의시험장치 구성도
3.2.1 제어반
제어반의 구성은 펌프모터의 운전 및 콘트롤밸브의 개폐지령을 하는 IBM-386 PC, 각 센서에서 수집되는 정보를 비교 연산하는 프로그래머블 콘트롤러, 제 1 호 펌프모터의 가변속을 위한 인버터, DC 전원 공급장치, AC 3 상 220V 와 110V 를 공급하는 전원부, 각각의 T/D 들로 구성되어 있다. 이들 구성품 중에서 효율프로그램의 시험을 위하여 가변속을 위한 인버터는 작동되지 않도록 변경하였다.
가. DC 전원 공급장치(인버터 구동전원과 PLC Fan 전원용) (1) 모델 : DHM-8470
(2) 입력 : AC 90-130V, 180-260V (3) 출력 : DC 5V, 12V, 24V
(2) Input : 4-20 ㎃ DC (3) Output 1 : 4-20 ㎃ DC (4) Output 2 : 4-20 ㎃ DC 다. WATT T/D(추가분) (1) PT : 220V
(2) CT : 5A (3) Input : 2000W (4) Output : 4-20 ㎃
라. Current Transformer(추가분) (1) Type : kj-25
(2) Class : 30 (3) Freq. : 50/60/㎐
(4) MaxVolt : 1150V
마. 프로그래머블 콘트롤러(PLC) (1) 기술시방
- CPU 모듈(TYPE : CPUC-16S) - 전원모듈(TYPE : SPSA-60S) . 메모리용량 : 16K 스텝 . 입력 전원 : AC 110V-22OV . 메인포트 : RS-232C(6Pin) . 보조포트 : RS-232C(9Pin)
- 입력모듈(TYPE : DDIF 1 개, AGIS 3 개) - 출력모둘(TYPE : DAOR 2 개, AGOS 1 개)
3.2.2 펌프
펌프모터는 유도전동기와 직결된 편흡입 볼류트 펌프 3 대가 설치되어 있다. 3 대 모두 같은 규격을 갖고 있으며, 구체적인 시방은 다음과 같다.
-. 형식 : DSV 250-50 -. 토출량 : 0.35 ㎡/min
3.2.3 유량계
토출측 유량계의 출력값을 아날로그 4-20 ㎃값을 입력받기 위하여 Magnetic Flowmeter 를 설치 시험하였다. 유량계의 시방은 다음과 같다.
가. 전기적 시방 (1) Model : FM-100M
(2) Power Supply : AC 220V, AC 110/60 ㎐, 50 ㎐ (3) Current Output : 4-20 ㎃(Key Setting Full Range) (4) Minimum Liquid Conductivity : 5μs /㎝
(5) Ambient Temperature : -30 - 6O℃
나. 순간유량 단위설정
유량계 전면판넬의 케이스를 열고 Up, Down Key 를 이용하여 원하는 순간 유량의 Mode 를 선택한다.
(1) L-min 선택시 순간유량의 단위는 ℓ/min 이 되며 (2) ㎡-hour 선택시 순간유량의 단위는 ㎡/h 로 변경된다.
다. 아날로그 출력신호의 설정
순간유량 단위설정과 마찬가지로 케이스를 열고 키를 이용하여 원하는 유량값의 범위를 설정한다.
여기서 출력되는 아날로그 출력값은 4-20 ㎃이다.
아래 그림은 0-100 ㎡/h 일때 4-20 ㎃ 아날로그 출력을, 0-80 ㎡/h 일 때 4-20 ㎃ 아날로그 출력을 변경시킨 예이다.
그림 3.3 유량계 출력 변경의 예
3.2.4 압력계
압력계는 흡입측 1 개소와 펌프 토출측 3 개소에 설치하였으며, 흡입, 토출측 범위는 0-5Kg/㎠이며, 토출측 압력계 3 개소를 신설하였다.
3.3 현장적용(수도권 4 단계 )
본 연구에서 개발된 실시간 펌프 효율계의 현장적용은 팔당수도사무소 제 4 단계 취수장을 대상으로 적용하였다. 타 수도사무소와 달리 팔당수도 사무소의 토출 관로는 그림 3.4 에서 보는 것과 같이 취수장별 2 개의 토출관로를 갖고 있다. 아래 그림은 팔당수도사무소 제 3, 4 단계 취수장의 펌프 배관 구성을 나타내었다.
그림 3.4 팔당 4 취수장 펌프 구성도
본 연구에서 개발한 효율계는 일반적인 취수.가압장을 대상으로 토출관로가 하나라는 가정하에 하드웨어 및 소프트웨어를 구성하였다.
그러나, 그림 3.4 에서 보듯이 팔당수도사무소는 취수장별 토출관로가 두 곳이라는 것에 따라 효율계의 A/D Board 를 1set 추가하여 시스템을 재구성 현장 설치하였다.
현재 설치 운용중인 효율계는 A/D Board 2set 를 내장하여 제 4 취수장 펌프 7 대의 효율을 감시할 수 있도록 구성되어 있다. A/D Board 각각의 Pit 별 입력은 각 펌프 흡입압력, 토출압력, 전력량, 그리고 각 Pit 별 토출유량을 실시간으로 입력받도록 구성되어 있다. 현재, 제 4 취수장의 토출측 유량은 3Pit 펌프 4 대, 4pit 3 대로 구성된 토출 유량 데이터를 갖고 있다. 이러한 현장 조건에 맞게 다음과 같이 펌프 효율계를 설치하였다.
그림 3.5 효율계 설치 구성도
펌프장에 설치된 펌프별 흡입.토출압력 센서의 출력은 통신실에 있는 Isolator 에 입력된다. 이 신호를 Isolator 의 출력포트를 이용하여 효율계 전용 단자대에 입력되도록 하였다. 또한 배전반에 설치된 기존 KW T/D 의 출력값은 신호 분배기를 신설하여 통신실에 설치된 효율계 전용 단자대에 입력 되도록 하였다. 각 Pit 별 토출유량 데이터 또한 통신실에 신호 분배기를 신설하여 효율계용 단자대에 연결하였다.
효율계 전용 단자대에 모든 신호를 연결하여 제어실에 설치한 효율계의 터미널 보드에 4-20 ㎃의 센서 신호가 입력되도록 하였다.
현장의 펌프 흡입압력, 토출압력, 전력량 그리고 토출유량 데이터를 취득하기 위하여 아래 그림과 같이 케이블 포설과 단자대 작업을 실시하였다. 그림 3.6 와 3.7 은 케이블 결선도이며, 그림 3.8 에서 그림 3.15 는 전력신호 및 유량신호를 위해 설치된 Isolator 의 결선도이다.
그림 3.6 Cable Connection Diagram(1)
그림 3.7 Cable Connection Diagram(2)
그림 3.8 Loop Diagram(1)
그림 3.9 Loop Diagram(2)
그림 3.10 Loop Diagram(3)
그림 3.11 Loop Diagram(4)
그림 3.12 Loop Diagram(5)
그림 3.13 Loop Diagram(6)
그림 3.14 Loop Diagram(7)
그림 3.15 Loop Diagram(8)
KW T/D 에서 출력되는 신호를 취득하기 위하여 배전반에 설치된 신호 분배기와 유량을 입력받기 위한 신호 분배기의 전원변경 및 출력신호 변경 방법을 살펴보자.
신호 분배기의 전원을 220V 혹은 110V 로 변경하는 방법은 각각 그림 3.16, 그림 3.17 와 같다.
그림 3.16 220V 전원 Dip Switch 위치도
그림 3.17 110V 전원 Dip Switch 위치도
신호 분배기의 출력값을 4-20 ㎃ 혹은 1-5V 로 Setting 을 변경하는 방법은 각각 그림 3.18, 그림 3.19 과 같다.
그림 3.18 출력 4-20 ㎃ 연결도(1 번과 2 번 연결)
그림 3.19 출력 1-5V 연결도(2 번과 3 번 연결)
제 4 장 효율 및 원단위 프로그램
4.1 프로그램 구성
4.1.1 프로그램 개요
가. 사용 언어 : Microsoft Visual Basic 4.0 나. OS : Microsoft window 95
다. 메모리 : RAM 16M, HDD 1GB 이상 라. DataBase : Access 2.0
마. 프로그램 특징
(1) 프로그램의 전체적인 구성도가 균형을 이루도록 작성 (2) 운영자가 쉽게 접근할 수 있도록 화면 배치를 구성
(3) Historical Data 틀 저장하여 화면과 프린터로 출력할 수 있도록 구성
(4) 프로그램 가동시 기본적인 과정(단위 설정, 공장시험 데이터)을 생략하도록 구성
FTData.MDB : 공장시험 데이터 DB
3_Opt.MDB : 3 관로 펌프가동시험 DB(8, 9, 10, 11 호기) 4_Opt.MDB : 4 관로 펌프가동시험 DB(12, 13, 14 호기)
(2) 초기설정 데이터가 저장된 파일(총 2 개 파일)
4.1.2 구성도
가. Foreground 구성도
그림 4.1 ForeGround 프로그램 순서도
(1) 팔당 수도 사업소 4 단계의 구조가 8, 9, 10, 11 호기 펌프를 1 개의 관로 12, 13, 14 호 펌프를 1 개의 관로로 내보내므로 프로그램의 초기화면에서 운영자가 보고자하는 펌프를 찾아 들어가도록 하였다.
저장토록 하였다. 여기서 저장될 Database 도 시스템 타임의 연도를 3 으로 나눠서 나머지에 따라 Year0.mdb, Yea1.mdb, Year2.mdb 라하여 코딩상에 쉽게 구현토록 하였다.
따라서 실시간 과거 데이터는 3 년간 보관하였다가 4 년째 되는 해에 갱신토록 된다.
나. 3 Pit Processing(8 호기, 9 호기, 10 호기, 11 호기)
그림 4.2 3 Pit Processing 순서도 (1) 3Pit 초기화면에서 전체 구조를 균등하게 유지토록 하였다.
(2) 공장시험 데이터에서는 3Pit 펌프호기만 관리토록 하였다. (8, 9, 10, 11 호기)
(3) 펌프운전 시험를 클릭하면 3 호기의 센서에서 여러 데이터를 받아오는 AScan 프로그램이 먼저 Background 에서 가동하여 DDE(Dynamic Data Exchange)로 각 센서데이터를 보내와 계산된 데이터들이 3_Opt.mdb 파일에 저장된다.
(4) 데이터 출력을 화면에 먼저 출력하여 운전자가 필요한 부분을 프린터로 선택 출력하게끔 하였다.
다. 4 Pit Processing(12 호기, 13 호기, 14 호기)
그림 4.3 4 Pit Processing 순서도 라. Background 구성도(AScan, BScan 구성도)
그림 4.4 BackGround 프로그램 순서도(AScan, BScan) (1) AScan 데이터(13 개 데이터)
3Pit 토탈 유량 1 개, 각 호기당 흡입압력 4 개 각 호기당 토출압력 4 개, 각 호기당 전력량 4 개 (2) BScan 데이터(10 개 데이터)
4Pit 토랄 유량 1 개, 각 호기당 흡입압력 3 개 각 호기당 토출압력 3 개, 각 호기당 전력량 3 개 마. TScan 순서도(3Pit, 4Pit 총 32 개의 데이터를 Scan)
그림 4.5 TScan 처리 순서도 (1) 3, 4Pit 전체 데이터를 Scan 하는 프로그램
(2) TScan 데이터(23 개 데이터) 3Pit 토탈 유량 1 개
4Pit 의 토탈 유량 1 개 3Pit 각 호기당 흡입압력 4 개 4Pit 각 호기당 흡입압력 3 개 3Pit 각 호기당 토출압력 4 개 4Pit 각 호기당 토출압력 3 개 3Pit 각 호기당 전력량 4 개 4Pit 각 호기당 전력량 3 개 바. EPMS 전체 구성도
그림 4.6 EPMS 전체 시스템 순서도
그림 4.8 펌프 운전시험 순서도(3 Pit, 4 Pit)
그림 4.9 데이터 분석 순서도(3 Pit, 4 Pit)
시스템을 가동시키면 윈도우 95 화면이 로딩되면서 바탕 화면에 다음과 같은 아이콘이 나타날 것이다. EPMS 시스템은 입력 장치를 마우스 또는 손이나 볼펜끝으로 원하는 곳을 클릭하여 프로그램을 실행시킬 수 있다. 먼저 부팅이 완료되었으면 바탕화면에서 그림 4.10 의 아이콘을 찾아 실행시키면 EPMS 시스템이 가동된다.
그림 4.10 EPMS 아이콘
4.2.1 초기 화면
효율계를 적용한 팔당 수도 사무소는 서울 수도권 지역의 생수를 공급하므로 많은 양의 물과 그만큼의 양을 공급할수 있는 자체 설비가 필요하다.
따라서 팔당 수도 사무소는 늘어나는 물량을 차질없이 공급하기 위해 점진적으로 설비들을 늘려 현재는 제 5 단계 작업을 진행중에 있다. 그러므로 초기화면에 보이는 버튼들은 제 4 단계중의 펌프 8 호기부터 11 호기까지의 유량이 나가는 3 관로(Pit)와 12 호기부터 14 호기까지의 유량이 나가는 4 관로(Pit)로 나눠 시스템이 만들어졌다. 바탕그림의 펌프 화면의 No8, No.9...들은 해당 펌프 번호틀 나타낸다.
그림 4.11 의 메뉴 특징은 다음과 같다.
Exit Click => EPMS 시스템을 종료
3 Pit Monitor Click => 8, 9, 10, 11 호기를 모니터 4 Pit Monitor Click => 12, 13, 14 호기를 모니터 기능을 한다.
그림 4.11 EPMS 초기화면
Exit 버튼을 누르면 EPMS 시스템을 나가는 프로시져가 처리되며 특별한 이유로 시스템의 작동을 중단시킬 필요가 있을 때 이 버튼을 누르면 된다. 그 외에는 운전자가 의도하는 펌프 호기를 찾아서 맞는 버튼을 누르면 그림 4.12 와 같은 화면이 뜬다. 여기서 그림 4.12 의 화면이 각 Pit 별 처리의 초기 화면으로 그림 4.2 와 그림 4.3 같은 처리를 한다.
그림 4.12 은 그림 4.11 에서 3 Pit Monitor 를 누르든 4 Pit Monitor 를 누르든 같은 모양의 화면이 보여진다. 물론 화면이 보여지면서 각 Pit 별로 행해지는 작업은 다르지만 EPMS 는 똑같은 화면으로 디스플레이 된다.
4.2.2 각 Pit 별 초기 화면
그림 4.12 각 Pit 의 메인 메뉴 그림 4.12 는 6 개의 메뉴를 가지고 있는 각 Pit 별 초기화면이다.
각 Pit 별 초기 화면에서 각각의 메뉴 이동은 다음과 같다.
(1) 펌프 자료 설정 Click => 그림 4.14 (2) 펌프 운전 시험 Click => 그림 4.20 (3) 데이터 분석 Click => 그림 4.24 (4) 실시간 운전 감시 Click => 그림 4.22 (5) 나가기 Click => 그림 4.12 으로 복귀
4.2.3 펌프 자료 설정
그림 4.12 에서 펌프 자료 설정 버튼을 클릭하면 그림 4.14 의 화면이 나타난다.
만일, 펌프 자료 설정을 클릭하지 않고 다른 버튼을 클릭하면 그림 4.13 의 각 파일에서 Default 로 정해준 변수값은 AInitial.ini 혹은 BInitial.ini 파일에 저장된 값이 로딩된다.
그림 4.13 그림 11 로딩시 행해지는 작업 가. 단위 설정
그림 4.14 에서 단위 설정을 클릭하면 그림 4.15 화면이 나타난다.
여기서 그림 4.15 의 각 리스트 박스에는 다음과 같은 단위들이 들어있고 화면에 보여지는 단위들이 Default 단위이다.
그림 4.14 펌프 자료 설정 화면
표 4.1 에서는 리스트 박스에 들어있는 변수들과 단위가 변경되었을 때 각 Pit 별로 단위들의 지정된 값들이 변하는 값들을 보여주고 있다.
만일 운전자가 유량의 단위를 Default 로 지정된 ㎥/Hr 대신에 ㎥/sec 로 변경을 했다면 3600 이란 값이 .ini 파일에 저장되고 WaterDanwi 라는 유량 단위 변수에 3600 이란 값이 대입되어 계산된다.
흡입측 압력이나 토출측 압력의 값들도 마찬가지다.
본 시스템에서 다음과 같은 처리를 포함시킨 이유는 첫째 현장에서 운전되는 센서의 단위가 한 가지로 결정되지 않고 여러 가지로 각 현장마다 다르게 설치되어 있고 둘째, 센서 교체시 단위 설정의 변경이 용이하도록 하기 위함이다.
그림 4.15 에서 설정 버튼을 클릭하면 그림 4.14 의 화면으로 복귀하게 된다.
그림 4.15 단위 설정 화면 나. 토출 직경
그림 4.14 에서 토출 직경 버튼을 클릭하면 그림 4.16 토출 직경 화면이 나타난다. 토출 직경 입력시 숫자 버튼을 클릭한 후 설정 버튼으로 변경된 데이터를 3Pit 면 Alnitial.ini 파일에 4Pit 면 Blnitial.ini 파일에 저장한다.
재설정 버튼은 잘못된 숫자를 입력했을 경우에 이 버튼을 이용하여 토출 직경을 재입력 할 수 있다. 그리고, 나가기 버튼을 클릭하면 그림 4.14 의 화면으로 복귀한다.
다. 설치 펌프 댓수
그림 4.14 에서 설치 펌프 댓수를 클릭하면 다음 화면이 나타난다. 펌프 댓수를 입력시 숫자 버튼을 클릭한 후 설정 버튼으로 변경된 데이터를 3Pit 면 AInitial.ini 파일에 4Pit 면 Blnitial.ini 파일에 저장한다. 재설정 버튼은 잘못된 숫자를 입력했을 경우 이 버튼을 이용하여 펌프 댓수를 재입력할 수 있다. 그리고, 나가기 버튼을 클릭하면 그림 4.14 의 화면으로 복귀한다.
그림 4.17 설치 펌프 화면 라. 공장시험 데이터
그림 4.14 에서 공장시험 데이터 버튼을 클릭하면 그림 4.18 화면이 보여진다.
그림 4.18 화면은 데이터의 추가 및 수정 기능을 갖고 있다.
(1) 데이터 추가 Click => 이 버튼을 선택시 커서가 데이터 수 박스에 온다.
(2) 데이터 삭제 Click => 데이터 입력중 잘못된 데이터가 들어갔을 경우 입력한 모든 데이터를 지우는 기능
(3) 다음 데이터 Click => 3Pit 일 경우 8 호기의 데이터가 그림 4.18 같이 보여지고 한번 더 클릭하면 9 호기의 데이터가 보여주는 식으로 3Pit 일 경우 11 호기까지 보여주고, 4Pit 일 경우 12 호기부터 14 호기까지 나타난다.
그림 4.18 공장시험 데이터 화면
(4) 이전 데이터 Click = > 다음 데이터 기능의 역기능으로 데이터 탐색을 쉽게 하기 위한 버튼이다. 3Pit 에서 클릭하면 11 호기 데이터들이 나타나며 한 번 더 클릭하면 10 호기 데이터가 나타나는 식으로 8 호기까지의 데이터가 나타난다. 물론 4Pit 는 14 호기에서 12 호기까지의 데이터를 보여준다.
(5) 최소 자승법 Click => 한 호기의 공장시험 데이터가 모두 입력되었을 때 활성화되며, 입력한 데이터를 가지고 최소자승법을 이용해서 2 차에서 (데이터 수 - 1)차까지의 가장 오차가 적은 차수를 구해 각 데이터들과 함께 FTData,mdb 파일에 저장하는 기능을 한다.
(6) 그래프 Click => 그림 4.19 와 같이 각 초기별 공장 시험 특성 곡선을 그린다.
(7) 나가기 Click => 그림 4.14 화면으로 복귀한다.
그림 4.19 공장시험 데이터 특성 곡선 그래프 화면
위의 그림 4.19 은 그림 4.18 에서 그래프를 클릭할 경우 최소 자승법으로 구한 여러 차수중 가장 오차가 적은 차수를 가지고 그린 그래프를 보여주는 프로시져이다.
그림 4.19 화면에서는 나감 버튼을 클릭함으로써 그림 4.18 로 복귀하는 기능만 갖고 있다.
운전자가 유의해야 할 사항은 버튼을 클릭했는데 기능을 안하는 버튼이 있을 수 있다. 그런 경우는 그 당시 전혀 가동할 필요가 없는 버튼들을 비활성화해서 쓸데없는 오류가 발생하지 않도록 하였다. 일 예로 그림 4.18 이 처음 로딩하면 데이터 삭제 버튼, 최소자승법 버튼, 그리고 그래프 버튼들은 비활성화 상태가 되고 데이터들이 입력된 상태에서 위의 버튼들이 활성된다.
4.2.4 펌프 운전 시험
그림 4.12 에서 펌프 운전 시험 버튼을 클릭할 경우 그림 4.20 과 같은 펌프 운전 시험의
펌프 선택 버튼을 누르세요 라는 라벨이 없어지고 그림 4.21 처럼 각 Pit 의 호기가 체크버튼으로 나타난다. 원하는 펌프를 선택하면 체크버튼의 색깔이 노랑색에서 빨강색으로 변한다.
나. 시험 시작
3Pit 면 AScan, 4Pit 면 BScan 이 실행되면서 그림 4.21 과 같이 운전시험중의 실시간 효율 및 원단위 값을 확인할 수 있다.
다. 시험 정지
Scan 프로그램으로 들어온 데이터중 균등한 데이터들을 뽑아 3_Opt.mdb 나 4_Opt.mdb 에 저장한다. 만일 저장할 테이블명과 같은 것이 있으면 메시지 박스로 운전자에게 같은 테이블이 있다고 알려주며, 갱신 버튼을 선택 했으면 새로 입력된 데이터로 이전 테이블을 Update 한다.
그림 4.20 펌프 운전 시험 초기 화면 라. 나가기
운전 시험 프로시져를 마치고 그림 4.12 로 복귀한다.
그림 4.21 펌프 가동 시험중 화면
펌프 운전 시험은 각 데이터베이스에 입력할 데이터를 모든 입력 데이터로 하는것이 아니라,
