KR101877544B1 - 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 송풍기의 이상 작동 상태를 정확하게 진단할 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 외부에서 제공되는 동력으로 회전하며, 저류조로부터 유입원수를 통과시켜 상기 유입원수에 포함된 유기물 및 영양염류 농도를 감소시키기 위해 소정 간격을 두고 복수의 망상형 미생물 접촉회전체를 구비한 회전원판조와, 상기 회전원판조의 각 망상형 미생물 접촉회전체들 사이에 설치되어 상기 회전체들에 바실러스 슬러지가 과잉적으로 부착되는 것을 방지하기 위한 슬러지 과잉 부착 방지수단과, 상기 망상형 회전원판조를 통과한 원수를 생물학적 반응으로 잔여 유기물 및 영양염류를 제거하는 생물반응조와, 상기 생물반응조에서 월류된 처리수를 저류하며, 상등수를 방류하는 침전조와, 상기 침전조 및 생물반응조에 각각 설치되어 침전슬러지를 회전원판조에 반송하는 슬러지 반송펌프와, 상기 슬러지 계측기로부터 계측된 계측값을 연산하여 용존산소(DO) 농도/송풍량, MLSS 농도, 슬러지의 반송유량 및 잉여량을 결정하는 제어부를 포함하는 하수처리장치에 구비되어, 상기 생물반응조를 호기조건으로 만들기 위해 상기 생물반응조에 송풍공기를 제공하는 복수 개의 송풍기의 노후화 예측 및 진단을 통해 에너지 최적화 제어 시스템이고, 복수 개의 송풍기들 각각에 공급되는 전력 및 누설전력에 따른 전류-전압을 측정하는 전류-전압 계측부; 상기 전류-전압 계측부에 연결되어 상기 복수 개의 송풍기들 각각에 공급된 전력의 전력주파수를 주기적으로 획득하고, 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 전력 주파수 획득부; 및 상기 전력주파수와 기준 전력주파수를 비교하여, 상기 송풍기의 부하상태를 예측하고, 상기 부하상태, 열화, 누설전력, 절연저항을 이용하여 송풍기의 이상상태 및 교체시점을 예측하는 모니터링부를 포함하고, 상기 모니터링부는 상기 송풍기의 전력주파수를 이용하여 열화를 진단하는 열화진단부; 상기 누설전력에 따른 전류-전압을 이용하여 상기 송풍기의 차전압, 차전류, 접지전류의 이상 발생여부를 판단하는 누설전력 진단부; 상기 열화 및 상기 누설전력에 기초하여 상기 송풍기의 절연저항 상태를 예측진단하는 절연저항 상태 진단부; 상기 송풍기의 주파수 영역 결함을 진단하는 결함진단부; 및 각각의 진단부의 결과값을 이용하여 이상여부를 진단하고, 상기 이상여부에 따른 상기 송풍기의 교체시점을 예측하는 교체시점 예측부를 포함하되, 상기 절연저항 상태 진단부는 상기 송풍기와 배전반 간에 연결된 선로에서 검출된 누설전류 및 상기 송풍기의 출력전류를 이용하여 계산한 실효 절연저항값과 상기 열화를 이용하여 산출한 절연저항의 합산값을 이용하여 상기 송풍기의 절연저항상태를 진단하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템을 개시한다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 외부에서 제공되는 동력으로 회전하며, 저류조로부터 유입원수를 통과시켜 상기 유입원수에 포함된 유기물 및 영양염류 농도를 감소시키기 위해 소정 간격을 두고 복수의 망상형 미생물 접촉회전체를 구비한 회전원판조와, 상기 회전원판조의 각 망상형 미생물 접촉회전체들 사이에 설치되어 상기 회전체들에 바실러스 슬러지가 과잉적으로 부착되는 것을 방지하기 위한 슬러지 과잉 부착 방지수단과, 상기 망상형 회전원판조를 통과한 원수를 생물학적 반응으로 잔여 유기물 및 영양염류를 제거하는 생물반응조와, 상기 생물반응조에서 월류된 처리수를 저류하며, 상등수를 방류하는 침전조와, 상기 침전조 및 생물반응조에 각각 설치되어 침전슬러지를 회전원판조에 반송하는 슬러지 반송펌프와, 상기 슬러지 계측기로부터 계측된 계측값을 연산하여 용존산소(DO) 농도/송풍량, MLSS 농도, 슬러지의 반송유량 및 잉여량을 결정하는 제어부를 포함하는 하수처리장치에 구비되어, 상기 생물반응조를 호기조건으로 만들기 위해 상기 생물반응조에 송풍공기를 제공하는 복수 개의 송풍기의 노후화 예측 및 진단을 통해 에너지 최적화 제어 시스템이고, 복수 개의 송풍기들 각각에 공급되는 전력 및 누설전력에 따른 전류-전압을 측정하는 전류-전압 계측부; 상기 전류-전압 계측부에 연결되어 상기 복수 개의 송풍기들 각각에 공급된 전력의 전력주파수를 주기적으로 획득하고, 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 전력 주파수 획득부; 및 상기 전력주파수와 기준 전력주파수를 비교하여, 상기 송풍기의 부하상태를 예측하고, 상기 부하상태, 열화, 누설전력, 절연저항을 이용하여 송풍기의 이상상태 및 교체시점을 예측하는 모니터링부를 포함하고, 상기 모니터링부는 상기 송풍기의 전력주파수를 이용하여 열화를 진단하는 열화진단부; 상기 누설전력에 따른 전류-전압을 이용하여 상기 송풍기의 차전압, 차전류, 접지전류의 이상 발생여부를 판단하는 누설전력 진단부; 상기 열화 및 상기 누설전력에 기초하여 상기 송풍기의 절연저항 상태를 예측진단하는 절연저항 상태 진단부; 상기 송풍기의 주파수 영역 결함을 진단하는 결함진단부; 및 각각의 진단부의 결과값을 이용하여 이상여부를 진단하고, 상기 이상여부에 따른 상기 송풍기의 교체시점을 예측하는 교체시점 예측부를 포함하되, 상기 절연저항 상태 진단부는 상기 송풍기와 배전반 간에 연결된 선로에서 검출된 누설전류 및 상기 송풍기의 출력전류를 이용하여 계산한 실효 절연저항값과 상기 열화를 이용하여 산출한 절연저항의 합산값을 이용하여 상기 송풍기의 절연저항상태를 진단하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템을 개시한다.
Description
본 발명의 일 실시예는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템에 관한 것이다.
국내 하천 수질이 급격히 나빠지는 커다란 이유 중의 하나는 하수처리과정에서 처리되지 않은 질소(N), 인(P) 등의 영양분이 하천으로 유입되어 수초조류 등이 증가함으로써 물이 탁해지고 바닥에 퇴적물이 쌓이는 등 부영양화 현상이 나타나기 때문이다.
따라서, 근래에는 부유물질과 유기물질 또는 질소와 인 화합물을 하수시스템에서 제거하는 하수고도처리시스템이 개발되어 시설되고 있다.
종래 이러한 하수고도처리시스템은 혐기성/무산소와 호기성 영역을 공간적으로 구분하는 연속운전시스템과, 시간적으로 구분하는 회분식(SBR)운전시스템으로 대별되며, 대다수는 DO(용존 산소량)센서의 신호에 따라 동작하는 블로워에 의해 산소량을 제어한다.
그런데, 종래의 이러한 시설은 혐기성/무산소와 호기성 영역에 필요한 용존산소농도를 유지하는 극히 초보적인 것으로, 이마저도 DO-센서의 관리 부실로 인하여 터보 블로워를 사용하지 않는 이상 적정한 용존산소를 공급하기 어렵고, 처리 효율 및 경제성이 떨어지며, 여기에 슬러지 내부반송은 반응조의 암모늄(NH4-N)과 질산염(NO3-N) 농도와 무관하게 설계되는 경우 대다수라 탈질효율이 매우 불안전한 문제가 있다.
첨부된 도 1은 용존 산소량을 측정하여 판단하는 방법에서 반응조(1)내에서 생성되는 미생물의 신진대사에 의하여 미량의 형광물질이 생산된다는 것에서 착안된 시스템이다.
이 시스템은 "SymBio" 공정이라 불리며, 형광물질의 변화 값을 분석하고 미생물의 활동성을 평가함으로써 용존 산소의 필요량을 예측함과 아울러 현재의 공정단계를 판단하는 것이다.
검출된 형광물질 활동성 측정값의 변화에 따라 이를 제어 프로그램이 연산하여 그 값을 출력하고, 이 출력값과 용존 산소 측정값을 합산하여 산소 공급설비 제어부가 산소공급 설비를 제어하는 것이다.
이 보다 한 단계 발전된 "modifed SymBio Logic"은 상기의 시스템에 추가적으로 반응조의 암모늄(NH4-N) 측정값을 활용하는 것으로 하수성상의 특성을 최대한 활용한 제어시스템이다.
또한, 국내 특허 제0432518호의 반응단계 판단장치를 이용하여 단일활성반응조에서 연속적인 탈질 및 질산화를 수행하기 위한 폐수처리시스템을 살펴보면, 상기 SymBio-공정과 흡사하게 단일 반응조에서 DO-센서, pH-센서, 전자전달조효소 센서(biobalance-sonde)에 감지된 신호에 의한 연산프로그램이 반응단계 종료시점을 판단하여 운전을 제어한다.
이러한 방법은 기본적으로 단일 반응조의 용존산소농도를 0.6mg/l로 유지하면서 반응단계 판단장치의 연산프로그램이 센서가 감지한 신호를 받아서 질산화와 탈질의 종료시점을 판단하고, pH-변화량이 0.1이하로, BPA(biological potential activity)-변화량이 0,2이하로 유지하도록 산소공급량을 0.3-0.8 mg/l로 조절하여 지속적으로 질산화와 탈질반응(simultaneous nitrification and denitrification process)을 유도하는 제어시스템이다.
그러나 이러한 장치 또한 미생물 활동능력을 전자전달조효소센서에 의하여 측정하여 산출한 BPA-변화량, pH-변화량과 DO-농도를 이용하여 질산화와 탈질화 종료 여부를 반응단계판단장치에서 해석하고, 이를 근거로 공기산소공급 및 운전을 제어하는 시스템에는 어려움이 있다.
다시 말해, 미생물이 어느 공정단계에서 얼마나 형광물질을 생성하고 있는지 구분이 불가능하고, 질산화와 탈질을 담당하는 미생물군(heterotrophic and facultative bacteria)이 중금속, 황화수소, pH, 암모니아 등 많은 유해물질에 민감하게 영향을 받기 때문에 이에 의한 활동저하의 결과를 BPA-, pH- 와 DO-농도 값의 변화로 잘못 인식하게 되어 반응단계 판단장치는 쉽게 오판할 수 있다.
이러한 오판은 일부 공정단계만을 지속적으로 활성화할 수 있으므로 미생물 유해물질 축적의 원인으로 작용하고, 이는 고도처리 효율저하의 원인이 되고 있다.
한편, 고도처리를 효율적으로 제어하기 위해서는 공간적으로 혐기-무산소-포기 영역을 구분하는 시스템보다, 시간적으로 영역을 구분하는 단일 반응조(SBR) 시스템이 효율적이고 경제적이다.
이는 시간과 요일 별로 유입하수의 유량과 성상변화가 심하게 나타나기 때문에 기존 고도처리 제어를 DO-센서에만 의하여 판단하여 송풍기를 운전하는 것은 각 단계반응에 적정한 (공기)산소 공급이 불가능하여 처리효율이 낮을 뿐만 아니라, 포기에너지 과잉소비의 원인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 하수처리장치에 사용되는 송풍기의 이상 작동 상태를 정확하게 진단할 수 있는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템은 외부에서 제공되는 동력으로 회전하며, 저류조로부터 유입원수를 통과시켜 상기 유입원수에 포함된 유기물 및 영양염류 농도를 감소시키기 위해 소정 간격을 두고 복수의 망상형 미생물 접촉회전체를 구비한 회전원판조와, 상기 회전원판조의 각 망상형 미생물 접촉회전체들 사이에 설치되어 상기 회전체들에 바실러스 슬러지가 과잉적으로 부착되는 것을 방지하기 위한 슬러지 과잉 부착 방지수단과, 상기 망상형 회전원판조를 통과한 원수를 생물학적 반응으로 잔여 유기물 및 영양염류를 제거하는 생물반응조와, 상기 생물반응조에서 월류된 처리수를 저류하며, 상등수를 방류하는 침전조와, 상기 침전조 및 생물반응조에 각각 설치되어 침전슬러지를 회전원판조에 반송하는 슬러지 반송펌프와, 상기 슬러지 계측기로부터 계측된 계측값을 연산하여 용존산소(DO) 농도/송풍량, MLSS 농도, 슬러지의 반송유량 및 잉여량을 결정하는 제어부를 포함하는 하수처리장치에 구비되어, 상기 생물반응조를 호기조건으로 만들기 위해 상기 생물반응조에 송풍공기를 제공하는 복수 개의 송풍기의 노후화 예측 및 진단을 통해 에너지 최적화 제어 시스템이고, 복수 개의 송풍기들 각각에 공급되는 전력 및 누설전력에 따른 전류-전압을 측정하는 전류-전압 계측부; 상기 전류-전압 계측부에 연결되어 상기 복수 개의 송풍기들 각각에 공급된 전력의 전력주파수를 주기적으로 획득하고, 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 전력 주파수 획득부; 및 상기 전력주파수와 기준 전력주파수를 비교하여, 상기 송풍기의 부하상태를 예측하고, 상기 부하상태, 열화, 누설전력, 절연저항을 이용하여 송풍기의 이상상태 및 교체시점을 예측하는 모니터링부를 포함하고, 상기 모니터링부는 상기 송풍기의 전력주파수를 이용하여 열화를 진단하는 열화진단부; 상기 누설전력에 따른 전류-전압을 이용하여 상기 송풍기의 차전압, 차전류, 접지전류의 이상 발생여부를 판단하는 누설전력 진단부; 상기 열화 및 상기 누설전력에 기초하여 상기 송풍기의 절연저항 상태를 예측진단하는 절연저항 상태 진단부; 상기 송풍기의 주파수 영역 결함을 진단하는 결함진단부; 및 각각의 진단부의 결과값을 이용하여 이상여부를 진단하고, 상기 이상여부에 따른 상기 송풍기의 교체시점을 예측하는 교체시점 예측부를 포함하되, 상기 절연저항 상태 진단부는 상기 송풍기와 배전반 간에 연결된 선로에서 검출된 누설전류 및 상기 송풍기의 출력전류를 이용하여 계산한 실효 절연저항값과 상기 열화를 이용하여 산출한 절연저항의 합산값을 이용하여 상기 송풍기의 절연저항상태를 진단할 수 있다.
상기 시스템은 송풍기 배전반과 연결되되, 외부 환경으로부터 구성 요소들을 보호하기 위하여 폴리프로필렌 수지조성물로 조정된 케이스 내부에 구비되도록 설계되고, 상기 폴리프로필렌 수지 조성물은 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌 함량이 20~50 중량%인 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%로 이루어진 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체를 포함할 수 있다.
상기 전력 주파수 획득부는 시간 경과에 따른 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 변화를 용이하게 취득하기 위하여, 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 동기화 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 열화진단부는, 상기 송풍기의 상태변화에 따른 특정 주파수의 발생여부를 기준으로 상기 송풍기의 열화 진행상태를 진단하고, 상기 특정주파수는 상기 송풍기의 전력주파수, 고정자의 슬롯(slot)수 및 극수, 회전자 바(bar) 수, 회전 주파수에 의해 산출되는 주파수일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템은 하수처리장치에 사용되는 각 송풍기 별로 운전하면서 발생하는 누선전력, 열화, 절연전항의 특성 변화를 데이터베이스로 추적 감시하여 설비 관리자의 직관이나 경험에 의한 관리에 따르는 오류를 방지하고, 손쉽고 정확한 송풍기의 상태진단이 가능하도록 지원할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 송풍기 감시기능을 기계적인 요소가 없이 전기적인 요소만으로 구현하고, 구성을 단순화시키고 감지 제어 설비의 투자 비용을 절감하여, 기존 자원을 재사용할 수 있다.
도 1은 종래의 하수처리장치를 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템이 적용되는 하수처리장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 4의 S740을 보다 상세하게 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템이 적용되는 하수처리장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 4의 S740을 보다 상세하게 나타내는 순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템이 적용되는 하수처리장치를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템이 적용되는 하수처리장치는 하·폐수를 포함하는 유입원수를 저류하는 저류조(2)와; 저류조의 원수에 포함된 슬러지 성분(예를 들어 NH4, NO3, PO4, COD, PH등)을 계측하는 자동 계측기(4)와; 저류조(2) 내에 설치되어 원수를 후술할 회전원판조로 공급시키기 위한 양수펌프(6)와; 양수펌프(6)에 의해 양수되는 원수배출유량을 측정하는 유량계(8)와; 원수유량을 자동제어하도록 외부의 제어신호에 의해 자동 개폐되는 자동제어밸브(10)와; 양수펌프(6)를 통해 유입되는 원수를 저류하며, 원수에 포함된 유기물 및 영양 염류의 농도를 1차로 감소시키기 위하여 망상형 미생물 접촉회전체(11)가 복수로 구비된 회전원판조(12)와; 회전원판조(12)를 통과한 원수에 포함된 잔여 유기물 및 영양염류를 생물학적 반응에 의해 제거하는 부유성장식 생물반응조(14)와; 생물반응조(14)를 호기조건으로 만들기 위해 그에 송풍공기를 제공하는 송풍기(16)와; 생물반응조(14)에 침전된 슬러지를 회전원판조(12)로 반송하는 내부순환펌프(18)와; 생물반응조(4)에서 월류된 처리수를 저류하며, 상등수를 유출하는 침전조(20)와; 침전조(20)의 하부에 침전된 침 전슬러지를 회전원판조(12)로 반송하기 위한 슬러지 반송펌프(22)와; 침전조(20)에 연결되어 슬러지반송펌프(22)를 통해 반송되고 남은 잉여슬러지를 외부로 반출하는 잉여펌프(24)와; 최적의 운전조건으로 하·폐수를 처리하기 위하여 자동계측기(4)로부터 계측된 계측값을 연산하여 용존산소(DO) 농도/송풍량, MLSS농도, 슬러지의 반송유량 및 잉여량을 결정하는 제어부(미도시)와; 제어부로부터 제어신호를 인가받아 회전원판조(12)와 생물반응조(14)의 처리운전에 사용되는 각종 제반기기(예를 들어, 자동조절밸브(10), 송풍기(16), 내부순환펌프(18), 슬러지반송펌프(22), 잉여펌프(24) 등)의 작동을 제어하는 제어기작(미도시)을 포함한다.
상기 생물반응조(14)는 3단 구조이고, 상기 생물반응조(14)에는 산화환원전위(ORP; Oxidation Reduction Potential)센서, 용존산소(DO) 농도 센서 및 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solid)농도 센서가 각각 설치된다. 따라서, 유입원수의 변동에 따른 생물반응조의 DO 및 ORP를 제어부의 자동제어에 의해 적절히 조절함으로써 회전원판조(12)에 투입되는 바실러스 종 혼합균을 우점화시킬 수 있고, 또한 반응조내 MLSS 및 잉여슬러지를 자동으로 제어하여 최상의 운전조건을 유지할 수 있다.
이하에서는, 상술한 바와 같이 하수처리장치의 생물반응조(14)에 연결되는 하나 또는 복수 개의 송풍기(16)의 이상 작동 상태를 정확하게 진단할 수 있는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템(100)에 관하여 도 3 내지 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템을 나타내는 블럭도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템(100)는 전류-전압 계측부(110), 전력 주파수 획득부(120), 송풍기 상태 측정부(130) 및 상태진단 모니터링부(140)를 포함할 수 있다.
본 명세서 내의 송풍기는 전동기를 사용하는 전동 송풍기를 의미하는 것으로서, 본 발명은 해당 전동 송풍기에 적용되는 전동기의 상태를 측정하여 노후화를 예측하고, 진단하기 위한 시스템이다.
상기 전류-전압 계측부(110)는 복수 개의 송풍기들 각각에 공급되는 전력 및 누설전력에 따른 전류-전압을 측정한다.
또한, 상기 전류-전압 계측부(110)는 송풍기의 압력, 온도 및 유량을 측정하여 해당 정보를 상태진단 모니터링부(140)로 제공하여 송풍기 효율을 측정하게 할 수도 있다. 이때, 상기 전류-전압 계측부(110)는 압력과 온도는 흡입구 측과 토출구 측에서 모두 측정하고, 유량은 토출구 측에서 측정할 수 있다.
상기 누설전력(누설전류)는 송풍기(16)의 선로에서 검출되는 부하저항을 이용하여 검출한다.
상기 전력 주파수 획득부(120)는 전류-전압 계측부(110)에 연결되어 복수 개의 송풍기(16)들 각각에 공급된 전력의 전력주파수를 주기적으로 획득한다.
상기 전력 주파수 획득부(120)는 복수 개의 송풍기(16)들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 동기화 제어부(121)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 동기화 제어부(121)를 통해 시간경과에 따른 복수 개의 송풍기(16)들 각각의 전력 주파수의 변화를 보다 용이하게 취득할 수 있다.
상기 모니터링부(140)는 전력주파수와 기준 전력주파수를 비교하여, 송풍기의 부하상태를 예측하고, 부하상태, 열화, 누설전력, 절연저항을 이용하여 송풍기의 이상상태 및 교체시점을 예측한다.
보다 구체적으로, 상기 모니터링부(140)는 열화진단부(141), 누설전력 진단부(142), 절연저항 상태 진단부(143), 결함진단부(144) 및 교체시점 예측부(145)를 포함할 수 있다.
상기 열화진단부(141)는 각 송풍기(16)의 상태변화에 따른 전력주파수의 변화를 이용하여 열화를 진단한다.
예컨대, 상기 열화진단부(141)는 송풍기의 상태변화에 따른 특정 주파수의 발생여부를 기준으로 송풍기의 열화 진행정보를 진단한다. 상기 특정주파수는 송풍기의 전력주파수, 고정자의 슬롯(slot)수 및 극수, 회전자 바(bar) 수, 회전 주파수에 의해 산출되고, 특정 주파수의 에너지 크기에 따라 송풍기의 열화에 따른 양호 및 불량 상태를 판단하게 된다.
이를 위하여, 각 분기별 전류에 포함된 고조파를 분석하여 분기별 전력 부하의 상태를 판단할 수 있다.
다음으로, 상기 누설전력 진단부(142)는 누설전력에 따른 전류-전압을 이용하여 송풍기의 차전압, 차전류, 접지전류의 이상 발생여부를 판단한다.
상기 절연저항 상태 진단부(143)는 열화 및 상기 누설전력에 기초하여 송풍기의 절연저항 상태를 예측진단한다.
상기 절연저항 상태 진단부(143)는 송풍기의 선로에서 검출된 누설전류 및 송풍기의 출력전류를 이용하여 계산한 실효 절연저항값과 열화진행정보를 이용하여 산출한 절연저항의 합산값을 이용하여 송풍기의 절연저항상태를 진단한다.
상기 결함진단부(144)는 전류-전압, 진동값을 이용하여 유도송풍기의 슬립(slip) 및 회전주파수를 계산하고, 계산된 유도송풍기의 슬립 및 회전주파수와 기 설정된 주파수 영역 결함별 진단 파라미터를 이용하여 전력주파수에 따른 결함요인을 진단한다.
다음으로, 상기 교체시점 예측부(145)는 각 진단부의 결과값을 이용하여 송풍기의 교체시점을 예측한다.
이때, 상기 교체시점 예측부(145)는 MLR(Multiple Linear Regression), PLS(Partial Least Sqaures), RIDGE, LASSO(Least Absolute Shrinkage and Selection Operator), SCAD(Smoothly Clipped Absolute Deviation), MCP(Minimax Concave Penalty), SVM(Support Vector Machine), Bagging, Boosting 및 Random Forest 중 어느 하나의 예측모델을 이용하여 수명 및 교체시점을 예측할 수 있다.
또한, 상기 교체시점 예측부(145)는 데이터 마이닝 알고리즘, 예컨대, 데이터 집합의 다른 특성을 기반으로 하나 이상의 불연속 변수를 예측하는 분류 알고리즘, 데이터 집합의 다른 특성을 기반으로 수익 또는 손실과 같은 하나 이상의 연속 변수를 예측하는 회귀 알고리즘, 데이터를 속성이 유사한 항목의 그룹 또는 클러스터로 나누는 세그먼트화 알고리즘, 데이터 집합에 있는 여러 특성 사이의 상관관계를 찾는 연결 알고리즘을 이용할 수 있다.
또한, 의사결정트리(Decision Tree) 알고리즘, 인공신경망 (Artificial Neural Network) 알고리즘, 군집분석 알고리즘을 이용할 수 있다.
참고로, 데이터 마이닝이란 대용량의 데이터로부터 이들 데이터 내에 존재하는 관계, 패턴, 규칙 등을 탐색하고 찾아내어 모형화함으로써 유용한 지식을 추출하는 일련의 분석과정을 의미한다.
데이터 마이닝의 기능으로는 분류(Classification), 추정(Estimation), 예측(Predecation), 유사집단화(Affinity Grouping), 군집화(Clustering), 기술(Descriotion) 등이 있다.
데이터 마이닝에서 데이터를 추출하는 과정은 ①샘플링(sampling) → ②탐색(exploration) → ③수정/변환(modification) → ④모델링(modeling) → ⑤평가(assessment)로 나눌 수 있다.
①샘플링(sampling)은 적절한 양의 표본을 원 자료로부터 추출하는 과정이고, ②탐색(exploration)은 여러 가지의 자료의 탐색을 통해 기초통계자료, 도수분포표, 평균, 분산, 비율 등과 같은 기본적인 정보를 획득하는 과정이고, ③수정/변환(modification)는 데이터의 효율적인 사용을 위한 변수의 변환, 수량화, 그룹화 등을 통하여 데이터를 변환하는 과정이고, ④모델링(modeling)은 분석목적에 따라 적절한 기법을 사용하여 예측모형을 만드는 과정이고, ⑤평가(assessment)는 모형화의 결과에 대한 신뢰성, 유용성 등을 평가하는 과정이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템의 동작을 나타내는 순서도이며, 도 5는 도 4의 S740을 보다 상세하게 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템의 동작방법(S700)은 우선, 전류-전압 계측부(110)에서 복수 개의 송풍기들 각각에 공급되는 전력 및 누설전력에 따른 전류-전압을 측정(S710)하며, 상기 누설전력(누설전류)는 송풍기(16)의 선로에서 검출되는 부하저항을 이용하여 검출한다.
다음으로, 전력 주파수 획득부(120)에서 전류-전압 계측부(110)에 연결되어 복수 개의 송풍기(16)들 각각에 공급된 전력의 전력주파수를 주기적으로 획득(S720)한다. 여기서, 상기 S720은 복수 개의 송풍기(16)들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 단계를 포함할 수 있다.
이후, 모니터링부(140)에서 실 계측한 전력주파수와 기준 전력주파수를 비교하여, 송풍기의 부하상태를 예측하고, 부하상태, 열화, 누설전력, 전연저항을 이용하여 송풍기의 이상상태(결함진단)(S740) 및 교체시점을 예측(S750)한다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 S740 과정은 열화진단부(141)를 이용하여 송풍기의 부하상태 및 상태정보를 이용하여 열화를 진단하고, 누설전력 진단부(142)에서 누설전력에 따른 전류-전압을 이용하여 송풍기의 차전압, 차전류, 접지전류의 이상 발생여부를 판단하며, 절연저항 상태 진단부(143)에서 상기 열화 및 누설전력에 기초하여 상기 송풍기의 절연저항 상태를 진단한다.
여기서, 상기 절연저항 상태 진단은 송풍기의 선로에서 검출된 누설전류 및 송풍기의 출력전류를 이용하여 계산한 실효 절연저항값과 열화진행정보를 이용하여 산출한 절연저항의 합산값을 이용하여 송풍기의 절연저항상태를 진단하는 과정일 수 있다.
다음으로, 결함진단부(144)에서 전류-전압, 진동값을 이용하여 송풍기의 슬립(slip) 및 회전주파수를 계산하고, 계산된 유도송풍기의 슬립 및 회전주파수와 기 설정된 주파수 영역 결함별 진단 파라미터를 이용하여 전력주파수에 따른 결함요인을 진단한다.
다음으로, 교체시점 예측부(145)에서 각 진단부의 결과값을 이용하여 송풍기의 교체시점을 예측하는 과정을 포함할 수 있다.
한편, 상기 열화진단과정은 송풍기의 상태변화에 따른 특정 주파수의 발생여부를 기준으로 송풍기의 열화 진행정보를 진단하는 과정일 수 있다.
상기 특정주파수는 송풍기의 전력주파수, 고정자의 슬롯(slot)수 및 극수, 회전자 바(bar) 수, 회전 주파수에 의해 산출되고, 특정 주파수의 에너지 크기에 따라 송풍기의 열화에 따른 양호 및 불량 상태를 판단하게 된다.
이를 위하여, 각 분기별 전류에 포함된 고조파를 분석하여 분기별 전력 부하의 상태를 판단한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템(100)은 각 구성요소들을 서로 연결하고, 구성요소들 간의 통신(예: 제어 메시지 및/또는 데이터)를 전달하는 회로를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템(100)은 통신 인터페이스를 포함할 수 있다.
예를 들면, 관리자 단말(미도시) 및 관리서버(미도시) 간에 통신을 설정할 수 있다. 무선 통신은, 예를 들면, 셀룰러 통신 프로토콜로서, 예를 들면, LTE(long-term evolution), LTE-A(LTE Advance), CDMA(code division multiple access), WCDMA(wideband CDMA), UMTS(universal mobile telecommunications system), WiBro(Wireless Broadband), 또는 GSM(Global System for Mobile Communications) 등 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 또한, 무선 통신은, 예를 들면, 근거리 통신을 포함할 수 있다. 근거리 통신은, 예를 들면, WiFi(wireless fidelity), 블루투스(Bluetooth), NFC(near field communication), 또는 GNSS(global navigation satellite system) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. GNSS는 사용 지역 또는 대역폭 등에 따라, 예를 들면, GPS(Global Positioning System), Glonass(Global Navigation Satellite System), Beidou Navigation Satellite System(이하 Beidou) 또는 Galileo, the European global satellite-based navigation system 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 문서에서는, GPS는 GNSS와 혼용되어 사용(interchangeably used)될 수 있다. 유선 통신은, 예를 들면, USB(universal serial bus), HDMI(high definition multimedia interface), RS-232(recommended standard232), 또는 POTS(plain old telephone service) 등 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 네트워크는 통신 네트워크(telecommunications network), 예를 들면, 컴퓨터 네트워크(computer network)(예: LAN 또는 WAN), 인터넷, 또는 전화 망(telephone network) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템(100)은 송풍기 배전반과 연동될 수 있다. 이때, 상기 송풍기 배전반은 상수도, 하수도, 폐수처리설비와 같이 송풍기의 운전이 상시 이루어지는 사회 기반 시설에 적용될 수 있다
참고로, 상기 송풍기 배전반은 외부 환경으로부터 구성 요소들을 보호하기 위하여 각 구성요소들을 폴리프로필렌 수지조성물로 조성된 케이스 내부에 구비되도록 설계될 수 있다. 이러한 폴리프로필렌 수지 조성물은 내백화성 및 내충격성이 우수한 조성물로서, 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌 함량이 20~50 중량%인 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%로 이루어진 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체를 포함하며, 전술한 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체에 대한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체의 고유 점도비가 0.3~1일 수 있다.
보다 구체적으로는 상기 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체는 전술한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%인 것이 바람직한데, 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤공중합체가 75중량% 미만이면 강성이 저하되고, 95중량%를 초과하면 내충격성이 저하되며, 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 5중량% 미만이면 내충격성이 저하되고, 25중량%를 초과하면 강성이 저하된다.
또한, 상기 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체는 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체에 대한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체의 고유 점도비가 0.3~1인 것이 바람직한데, 0.3미만이면 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체의 분자량이 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체보다 상대적으로 낮아 충격 흡수에 어려움이 있으며, 1을 초과하면, 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체의 분산상 크기가 증가하여 내백화성이 저하될 수 있다.
상기 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체는 에틸렌 0.5~7중량% 및 탄소수가 4~5인 알파올레핀 1~15중량% 를 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물의 기계적 강성유지 및 내열성을 향상시키며 내백화성을 유지하는데 효과적인 역할을 한다. 상기 에틸렌 함량은 바람직하게는 0.5~5중량%이며, 더욱 바람직하게는 1~3중량%일 수 있으며, 0.5중량% 미만이면 내백화성이 저하되고, 7중량%를 초과하면 수지의 결정화도 및 강성이 저하된다.
상기 알파올레핀은 에틸렌 및 프로필렌을 제외한 임의의 알파올레핀을 의미하며, 바람직하게는 부텐이다. 또한, 상기 알파올레핀은 탄소수가 4 미만이거나 5를 초과하면 랜덤 공중합체의 제조 시, 코모노머와의 반응성이 낮아 공중합체를 제조하는데 어려움이 있다. 또한, 상기 알파올레핀 1~15중량%를 포함하며, 바람직하게는 1~10중량%이고, 더욱 바람직하게는 3~9중량%일 수 있다. 상기 알파올레핀은 1중량% 미만이면, 결정화도가 필요 이상으로 높아져 투명성이 저하되고, 15중량%를 초과하면 결정화도 및 강성이 저하되어 내열성이 현저히 낮아지는 문제점을 가진다.
상기 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 에틸렌 20~50중량%을 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물에 내충격적 특성을 부여하고 미세 분산이 가능하여 내백화성 및 투명성을 동시에 부여하는 역할을 한다. 상기 에틸렌 함량은 바람직하게는 20~40중량%일 수 있으며, 20중량% 미만이면 내충격성이 저하되고 50중량%를 초과하면 내충격성 및 내백화성이 저하될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템(100)은 각 송풍기 별로 운전하면서 발생하는 누선전력, 열화, 절연전항의 특성 변화를 데이터베이스로 추적 감시하여 설비 관리자의 직관이나 경험에 의한 관리에 따르는 오류를 방지하고, 손쉽고 정확한 송풍기의 상태진단이 가능하도록 지원할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 송풍기 감시기능을 기계적인 요소가 없이 전기적인 요소만으로 구현하고, 구성을 단순화시키고 감지 제어 설비의 투자 비용을 절감하여, 기존 자원을 재사용할 수 있다는 이점이 있다.
상술한 이점을 통해, 최소 비용으로 송풍기에 의하여 운영되는 송풍기와 전기적으로 연결된 공정설비의 예방진단이 가능하고 송풍기 운전 시스템과 관리 시스템을 융합하여 사용의 편의성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템
110: 전류-전압 계측부
120: 전력 주파수 획득부
130: 송풍기 상태 측정부
140: 모니터링부
141: 열화진단부
142: 누선전력 진단부
143: 절연저항 상태 진단부
144: 교체시점 예측부
110: 전류-전압 계측부
120: 전력 주파수 획득부
130: 송풍기 상태 측정부
140: 모니터링부
141: 열화진단부
142: 누선전력 진단부
143: 절연저항 상태 진단부
144: 교체시점 예측부
Claims (7)
- 외부에서 제공되는 동력으로 회전하며, 저류조로부터 유입원수를 통과시켜 상기 유입원수에 포함된 유기물 및 영양염류 농도를 감소시키기 위해 소정 간격을 두고 복수의 망상형 미생물 접촉회전체를 구비한 회전원판조와, 상기 회전원판조의 각 망상형 미생물 접촉회전체들 사이에 설치되어 상기 회전체들에 바실러스 슬러지가 과잉적으로 부착되는 것을 방지하기 위한 슬러지 과잉 부착 방지수단과, 상기 망상형 회전원판조를 통과한 원수를 생물학적 반응으로 잔여 유기물 및 영양염류를 제거하는 생물반응조와, 상기 생물반응조에서 월류된 처리수를 저류하며, 상등수를 방류하는 침전조와, 상기 침전조 및 생물반응조에 각각 설치되어 침전슬러지를 회전원판조에 반송하는 슬러지 반송펌프와, 슬러지 계측기로부터 계측된 계측값을 연산하여 용존산소(DO) 농도/송풍량, MLSS 농도, 슬러지의 반송유량 및 잉여량을 결정하는 제어부를 포함하는 하수처리장치에 구비되어, 상기 생물반응조를 호기조건으로 만들기 위해 상기 생물반응조에 송풍공기를 제공하는 복수 개의 송풍기의 노후화 예측 및 진단을 통해 에너지 최적화 제어 시스템이고,
복수 개의 송풍기들 각각에 공급되는 전력 및 누설전력에 따른 전류-전압을 측정하는 전류-전압 계측부;
상기 전류-전압 계측부에 연결되어 상기 복수 개의 송풍기들 각각에 공급된 전력의 전력주파수를 주기적으로 획득하고, 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 전력 주파수 획득부; 및
상기 전력주파수와 기준 전력주파수를 비교하여, 상기 송풍기의 부하상태를 예측하고, 상기 부하상태, 열화, 누설전력, 절연저항을 이용하여 송풍기의 이상상태 및 교체시점을 예측하는 모니터링부를 포함하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 모니터링부는
상기 송풍기의 전력주파수를 이용하여 열화를 진단하는 열화진단부;
상기 누설전력에 따른 전류-전압을 이용하여 상기 송풍기의 차전압, 차전류, 접지전류의 이상 발생여부를 판단하는 누설전력 진단부;
상기 열화 및 상기 누설전력에 기초하여 상기 송풍기의 절연저항 상태를 예측진단하는 절연저항 상태 진단부;
상기 송풍기의 주파수 영역 결함을 진단하는 결함진단부; 및
각각의 진단부의 결과값을 이용하여 이상여부를 진단하고, 상기 이상여부에 따른 상기 송풍기의 교체시점을 예측하는 교체시점 예측부를 포함하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 절연저항 상태 진단부는
상기 송풍기와 배전반 간에 연결된 선로에서 검출된 누설전류 및 상기 송풍기의 출력전류를 이용하여 계산한 실효 절연저항값과 상기 열화를 이용하여 산출한 절연저항의 합산값을 이용하여 상기 송풍기의 절연저항상태를 진단하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 시스템은 송풍기 배전반과 연결되되,
외부 환경으로부터 구성 요소들을 보호하기 위하여 폴리프로필렌 수지조성물로 조정된 케이스 내부에 구비되도록 설계되고, 상기 폴리프로필렌 수지 조성물은 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌 함량이 20~50 중량%인 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%로 이루어진 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체를 포함하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 전력 주파수 획득부는
시간 경과에 따른 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 변화를 용이하게 취득하기 위하여, 상기 복수 개의 송풍기들 각각의 전력 주파수의 취득 주기를 동기화시키는 동기화 제어부를 더 포함하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 열화진단부는
상기 송풍기의 상태변화에 따른 특정 주파수의 발생여부를 기준으로 상기 송풍기의 열화 진행상태를 진단하는 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 특정주파수는 상기 송풍기의 전력주파수, 고정자의 슬롯(slot)수 및 극수, 회전자 바(bar) 수, 회전 주파수에 의해 산출되는 주파수인 송풍기 노후화 예측 및 진단을 통한 에너지 최적화 제어 시스템.
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