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ISSN : 1225-7672(Print)
ISSN : 2287-822X(Online)
Journal of the Korean Society of Water and Wastewater Vol.32 No.5 pp.421-434
DOI : https://doi.org/10.11001/jksww.2018.32.5.421

Development of the method for optimal water supply pump operation considering disinfection performance

Jinseok Hyung, Kibum Kim, Jeewon Seo, Taehyeon Kim, Jayong Koo*
University of Seoul Environmental Engineering, Seoul, Dondaemun-gu, Seoulsiripdaero 163, 02504
Corresponding author: Jayong Koo (E-mail: jykoo@uos.ac.kr)
04/09/2018 30/09/2018 01/10/2018

Abstract


Water supply/intake pumps operation use 70~80% of power costs in water treatment plants. In the water treatment plant, seasonal and hourly differential electricity rates are applied, so proper pump scheduling can yield power cost savings. Accordingly, the purpose of this study was to develop an optimal water supply pump scheduling scheme. An optimal operation method of water supply pumps by using genetic algorithm was developed. Also, a method to minimize power cost for water supply pump operation based on pump performance derived from the thermodynamic pump efficiency measurement method was proposed. Water level constraints to provide sufficient disinfection performance in a clearwell and reservoirs were calibrated. In addition, continuous operation time constraints were calibrated to prevent frequent pump switching. As a result of optimization, savings ratios during 7 days in winter and summer were 4.5% and 5.1%, respectively. In this study, the method for optimal water pump operation was developed to secure disinfection performance in the clearwell and to save power cost. It is expected that it will be used as a more advanced optimal water pump operation method through further studies such as water demand forecasting and efficiency according to pump combination.



소독능을 고려한 송수펌프 최적운영기법 개발

형 진석, 김 기범, 서 지원, 김 태현, 구 자용*
서울시립대학교 환경공학과, 서울시 동대문구 서울시립대로 163, 02504

초록


    Seoul R&BD Program

    1. 서 론

    국제사회는 에너지 자원의 고갈이 이슈화됨 따라 에너지 효율을 높이고 소비를 줄이기 위한 노력을 기 울이고 있다. 이러한 국제적 에너지 자원 고갈 이슈와 더불어 국내에서는 여름철과 겨울철의 전력위기에 대 한 우려가 매년 발생하고 있다. 전력위기는 계절별 일 부시간대에 에너지 소비가 집중되는 높은 전력피크의 발생에 기인한 것으로, 경제적 손실을 야기할 수 있는 정전 등의 문제를 초래할 수 있다. 이에 따라 국내에 서는 전력 수요를 분산화하기 위해 용도별, 계절별, 시간별 차등요금제를 적용하고 있다. 차등전력요금제 는 전력 수요에 따라 수요가 일반적으로 높은 기간에 는 고율의 요금 단가를 적용하고 낮은 기간에는 저율 의 요금단가를 적용한다. 이에 따라 사회 인프라 운영 에 대한 에너지 최적화가 주목을 받고 있으며, 수도사 업 또한 대표적인 사회 인프라 중 하나로써 에너지 최적 운영이 요구되고 있다.

    2013년 기준 국내 수도사업 운영에서 사용된 연간 에 너지 소비량 중 동력에 사용된 전력 소비량은 86.5%로 큰 비중을 차지하고 있다 (MOTIE, 2015). 즉, 수도사업 에 소모되는 에너지의 많은 부분이 펌프와 같은 동력장 치 운영에 소요되고 있다고 할 수 있다. 또한 에너지 비용의 경우 상수도에서는 정수장에서 사용되는 전력 비용의 70~80%가 송수펌프에 소요되고 있다. 이에 따 라 취수펌프 또는 송수펌프 등의 동력장치에 대한 시간 대별 적절한 스케줄을 통해 수도사업에 사용되는 전력 비용에 대한 절감효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

    상수도에서의 전력비용의 절감을 위한 펌프 스케줄 링 연구가 지속적으로 이루어졌다. 펌프 스케줄링에 대한 연구는 최적화의 목적과 제약조건, 최적화 기법 의 종류에 따라 다양한 방법으로 연구 되어 왔다. Phasha and Lansey (2009)와 Puleo et al. (2014)는 선형 계획법에 수위제약과 펌프 토출량 제약을 이용하여 최소 비용을 갖는 펌프 스케줄링 기법을 제안하였으 며, Kougias and Theodossiou (2013)은 화음탐색법 (HSA, Harmony search algorithm)을 이용하여 에너지 비용 최소화를 목적으로 배수지 수위와 일일 수요량 초과량에 대한 페널티를 적용하여 펌프 스케줄링을 수행하였다. Wang et al. (2009)는 다목적 유전알고리 즘(GA, Genetic algorithm)을 이용하여 지하수원으로부 터 직접 취수하여 각 배수지로 보내는 펌프에 대한 스케줄링을 수행하였다. Van et al. (2004)는 GA에 의 해 전체 에너지 비용의 최소화를 목적으로 하고 배수 지 수위를 제약조건으로 설정하여 펌프 스케줄링을 수행하였으며, 배수탱크의 종료 수위에 대한 패널티 와 펌프 on/off에 대한 Trade-off 관계를 목적함수에 적 용하였다. Waterworth and Darbyshire (2001)은 동적계 획법(DP, Dynamic programming), 담금질 기법(SA, Simulated annealing), GA를 이용하여 펌프 스케줄링을 수행하였으며, 각 기법별 연산수행시간과 펌프 스케 줄링시 고려하는 배수지 개수, 최적해의 결과를 비교 하였다. Savic et al. (1997)은 초기 배수지 수위, 최대 배수지 수위, 초기 배수지 수위와 마지막 시간의 수위 를 동일하도록 하는 제약으로 하여 에너지 비용과 펌 프 on/off 횟수를 최소화하는 다목적 GA를 이용한 펌 프 스케줄링 기법을 제시하였다. Lansey and Awumah (1994)는 펌프 on/off 횟수를 제한하는 펌프 스케줄링 을 연구하였고, 배수지 수위, 펌프 on/off 횟수, 전력요 금을 제약 조건으로 동적계획법을 통해 최적 펌프 스 케줄을 도출하였다.

    다만, 이전 연구들에서는 수량 중심의 펌프 스케줄 링 연구가 주로 이루어졌으며, 안정적인 수량과 안전 한 수질 공급을 최종 목표로 하는 수도소비자의 요구 수준을 만족하기 위해서는 수질까지 고려한 펌프 스 케줄링에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.

    본 연구에서는 대표적인 최적화 기법 중 하나인 GA를 이용하여 안정적인 수량과 안전한 수질의 수돗 물을 공급하면서 최소의 전력비용을 갖는 송수펌프 최적운영방법을 개발하고자 하였다. 정확한 수량을 고려하기 위해 열역학적 펌프 효율측정방법에 의해 산정한 효율과 토출량을 이용하였으며, 안전한 수질 고려를 위하여 CT값을 이용한 송수펌프실 전단의 정 수지 수위 제약조건을 설정하였다.

    2. 연구대상지역 및 연구방법

    2.1 연구대상지역

    본 연구에서는 송수펌프 운영 데이터 확보가 가능 한 S시 G정수장의 송수계통을 연구대상지역으로 선 정하였다. G정수장은 500,000 m3/d의 시설용량을 가지 고 있으며, 2016년 기준 70개동 432,000세대에 수돗물 을 공급하고 있다. G정수장은 3개소의 배수지로 수돗 물을 송수하고 있으며, 송수계통도는 Fig. 1과 같다.

    G정수장은 Y계통, A계통, W계통의 송수펌프 계통 을 통해 수돗물을 공급하고 있으며, 각 계통은 2대의 주펌프와 2대의 보조펌프로 구성되어 있다. A배수지 와 Y배수지로 송수하기 위해 A계통과 W계통의 총 8 대의 펌프를 운영하고 있으며, D배수지로 송수하기 위해 Y계통의 총 4대의 펌프를 운영하고 있다. 연구 대상지역의 D배수지와 A배수지의 경우 타 정수장으 로부터 수돗물의 일부를 추가로 공급받고 있다. Table 1은 배수지와 정수지의 제원을 나타내며, Table 2는 송수펌프의 설치사양을 나타낸다.

    2.2 열역학적 펌프효율측정 방법

    펌프 효율 측정에는 전통적으로 유량, 압력상승량, 펌프의 축 토크 및 회전수를 측정하여 계산하는 수력 학적 방법과 유체의 온도상승을 측정하여 펌프의 에 너지 손실을 평가하고 이를 이용하여 효율을 계산하 는 열역학적 방법이 있다. 수력학적인 방법으로 효율 을 산정하기 위해서는 유량계와 같은 계측 기기의 설 치가 필요하다. 하지만 현장에서 여러 대의 펌프에 대 하여 각 펌프마다 유량계를 설치하기 어려우며 비경 제적이라 할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 계측 기기 설치에 대한 공간 및 비용에 대한 설치상 제약 이 상대적으로 적은 열역학적 방법에 의해 연구대상 송수펌프의 효율을 측정하였다.

    펌프의 열역학적 효율 측정은 펌프 효율 측정방법 에 대한 국제표준인 ISO 5198 에 따라 수행되었다. 열 역학적 펌프 효율 측정에 대한 개념은 다음과 같다.

    첫째, 펌프를 입출구를 가진 정상상태의 단열 개방 시스템으로 단순화하여 열역학 제1법칙을 적용하여 Equation 1, Equation 2, Equation 3을 적용하여 펌프 내 부 통과 유체의 엔탈피 변화량을 측정하여 에너지 손 실량을 직접 평가한다 (Kang et al., 2000).

    W i n = W o u t + L o s s e s
    (1)

    W o u t = ρ g H Q
    (2)

    L o s s e s = ρ Q C p Δ T
    (3)

    여기서,

    • Win : 펌프에 입력되는 일률 (W)

    • Wout : 유효한 출력일률 (W)

    • Losses : 손실률 (W)

    • Q : 유량 (m3/s)

    • H : 전양정 (m)

    • Cp : 정압비열 (J/kg/K)

    • ΔT : 흡입/토출부의 온도차 (K)

    • ρ : 통과 유체의 밀도 (kg/m3)

    • g : 중력가속도 (m/s2)

    Equation 1은 펌프 가동시 흡입 및 토출에 대한 일 률의 수지식을 나타낸다. 이는 열역학 제1법칙인 에너 지 보존법칙에 의해 유체와 유체가 통과하는 펌프 사 이에서의 에너지 전달과 관련된 계산식이다. 펌프 통 과 유체에 대한 흡입 토출부의 온도 변화를 측정하여 Equation 3에 의해 손실률을 계산하게 된다. 이 때 계 산된 에너지 손실량과 측정된 양정으로부터 다음 Equation 4와 같이 펌프 효율 ηp 를 계산할 수 있다.

    η P = W o u t W i n = 1 1 + C P Δ T g H
    (4)

    이렇게 산정된 펌프 효율 ηp 와 모터효율 ηM , 모터 입력전력 PM 을 통해 다음 Equation 6에 의해 펌프 토 출량을 최종 산출할 수 있다.(5)

    W o u t = ρ g H Q = P M η M η P
    (5)

    Q = P M η M η P ρ g Δ H
    (6)

    펌프 효율 산정을 위해 대상 펌프의 흡입·토출부에 1/1000℃의 오차를 갖는 온도 센서와 압력 센서를 설 치하여 온도와 압력을 측정하고, 모터의 전력량 계측 기를 설치하여 수집한 데이터를 산출식에 대입하여 펌프의 성능과 효율에 대해 추정할 수 있다.

    본 연구에서는 열역학적 펌프효율측정을 위해 5분 단위로 수집된 수온과 펌프 흡입 및 토출부 압력을 통해 펌프 효율, 전양정, 토출량이 산정되었으며, 측정 기간 동안의 펌프 효율의 평균값을 송수펌프 최적운 영방법 도출시 입력인자로 활용하였다. 또한 전양정 과 토출량에 대하여 곡선적합을 수행하여 펌프성능곡 선에 대한 공식을 유도하였다. 펌프성능곡선 유도시 공식의 차수를 높일수록 정밀한 수치를 얻을 수 있으 나 너무 높게 하면 계산하기에 상당히 복잡해지므로 2차 방정식 형태의 공식을 적용하였다 (Park and Kim, 2015).

    2.3 CT값을 고려한 정수지 수위

    정수지는 정수처리 운영관리상 발생하는 여과수량 과 송수량간의 불균형을 조절하고 완화시킴과 동시에 사고나 고장에 대응하고, 상수원과 수질의 이상시에 수질변동에 대응하며 시설의 점검과 안전 작업등에 대비하여 정수를 저류하는 탱크로 정수시설로는 최종 단계의 시설이다 (MOE, 2010). 즉 정수지는 첨두수요 대처용량과 적절한 소독접촉시간(C·T)의 용량 등을 확보해야 한다. 또한 정수처리 기준은 수질을 고려한 정수장의 운영 기준으로, 수도법 제28조 및 수 도법 시행규칙 제18조의 2, 불활성화비 계산방법 및 정수처리 인증 등에 관한 규정에 근거한다.

    법령에서는 광역상수도와 지방상수도를 대상으로 수 도를 통해 음용 목적으로 공급되는 물에 대해 병원성 미생물로부터 안전성 확보를 목적으로 하고 있으며, 취 수지점부터 정수지 유출 지점까지 바이러스 99.99%와 지아디아 포낭 99.9%, 크립토스포리디움 난포낭 99%를 제거 또는 불활성화하는 것을 목표로 하고 있다.

    여기서 말하는 목표는 미생물별 총제거율로서, 실 제 정수공정에서 달성해야 하는 미생물 제거율은 각 시설의 종류 및 각 공정에 따라 다르다. 이는 크게 여 과 공정과 소독공정으로 나누어지며, 여과방식과 소 독제의 종류에 따라 제거율이 다르다 (MOE, 2013).

    특히 소독공정에서의 병원성 미생물 제거 또는 불활 성화의 기준은 소독공정 이전의 여과공정의 운영 방식 에 따라 차이가 있으며,불활성화비 계산방법 및 정수 처리 인증 등에 관한 규정별표1에 의한 급속여과공정 을 거친 소독공정의 기준은 다음 Table 3과 같다.

    CT값은 국내에서 소독능이라는 용어로 사용되며, 소독공정 운영시 미생물의 불활성화를 위해 도입된 개념으로 미생물을 불활성화하는데 필요한 소독제의 농도와 접촉시간의 관계를 의미한다. 1989년 미국 환 경보호국(EPA, Environmental protection agency)의 지 표수처리규칙(SWTR, Surface water treatment rule)에서 CT값의 개념을 공포하였으며, 특정 소독에 대해 미생 물 살균의 효과를 기준으로 하고 미생물의 불활성화 정도를 정의하는 경험적 표현이다. CT값은 염소소독 시 일반적으로 수온이 낮고, 잔류하는 소독제의 농도 가 낮을수록, pH가 높을수록 증가하게 되어 소독공정 에서 요구하는 정도가 커지게 된다. CT요구값에 대한 기준은 환경부에서 고시한 불활성화비 계산방법 및 정수처리 인증 등에 관한 규정별표 1에서 수온별, pH별로 제시하고 있으며, CT값의 계산 방법은 다음 Equation 7, Equation 8과 같이 고시하고 있다.

    C T c a l c u l a t i o n = C × T 10
    (7)

    T 10 = R × T
    (8)

    여기서,

    • CTcalculation : CT계산값 (mg·min/L)

    • C : 잔류소독제의 농도 (mg/L)

    • T10 : 정수지에서 정수의 90%에 대한 체류시간 (min)

    • R : 장폭비에 따른 환산계수

    • T : 수리학적 체류시간 (min)

    Equation 9와 Equation 10에 따라 체류시간과 연관 있는 정수지의 수위는 소독제의 농도와 접촉시간에 의한 CT값의 영향을 받는다고 할 수 있으며, 충분한 접촉시간을 갖도록 수위를 제어해야 한다.

    CT값 계산은 잔류소독제의 농도와 수리학적 체류 시간의 곱으로 계산된다. 수리학적 체류시간 도출은 정수지를 통과하는 유량과 정수지의 정수 저류량으로 계산 된다. 정수 저류량은 바닥면적과 정수지 수위에 의해 결정되는데, 각 pH와 수온에 의한 CT요구값에 만족할 수 있는 적절한 수위를 고려할 수 있다. 즉, 불 활성화비가 1이상이 되도록 정수지의 최저 수위를 설 정할 수 있다.

    CT요구값을 만족하는 수리학적 체류시간은 Equation 9와 같이 표현할 수 있고, 이를 Equation 7, Equation 8과 적절히 조합하면 CT요구값을 만족하는 정수지의 최저 수심에 대해서 Equation 10으로 표현할 수 있다. 이 식에 의해 적절한 정수지 최저 수심을 결정할 수 있다.

    T w = A × H w , min q max
    (9)

    H w , min = q max × C T r e q u i r m e n t C × R × A
    (10)

    여기서,

    • Tw: CT요구값을 만족시키기 위한 수리학적 체류시간 (min)

    • A : 정수지 바닥면적 (m2)

    • Hw,min : CT요구값을 만족하는 정수지 최소 수위 (m)

    • qmax : 최대 시간당 통과유량 (m3/min)

    • CTrequirement : CT요구값

    • C : 잔류소독제의 농도 (mg/L)

    • R : 장폭비에 따른 환산계수 (G정수장 정수지의 경 우는 0.79)

    이 식의 CT요구값을 산정하기 위해 환경부(MOE, Ministry of Environment) (2013)에서 제시한 CT계산값 을 이용한 바이러스와 지아디아 포낭의 불활성화비에 대한 경험식을 이용하였다. 여기서 산정된 CT요구값 은 수온, 염소 농도, pH에 의해 계산된 값이다. 이를 이용하여 송수펌프의 최적 스케줄링 기간에 대한 정 수지의 최소 수위를 결정시 해당 기간의 수돗물 특성 에 따른 소독능을 고려할 수 있을 것으로 판단된다.

    다만 정수지의 용량은 최소 2시간분 이상을 표준으로 하여야 한다 (MOE, 2010). 이에 따라 연구대상 정수지 에서의 2시간 통과분의 유량을 2016년 평균 통과 유량 인 17030.1 m3/h를 기준으로 산정한 결과, 4.3 m로 산정 되었다. 최종적으로 CT요구값을 만족하는 정수지 최소 수위와 정수지 2시간 저장분 수위인 4.3 m를 비교하여, CT요구값을 만족하는 정수지 최소 수위가 4.3 m 이상 일 경우 이 CT요구값을 만족하는 정수지 최소 수위를 최소 수위 제약조건으로 설정하고, 이하일 경우 2시간 저장분 수위인 4.3 m를 최소 수위 제약으로 설정하였다.

    2.4 송수펌프 최적운영방법

    효율적인 전력에너지의 사용과 전력비용 절감을 위 해 최적의 송수펌프 운영 스케줄이 필요하다. 각 시간에 대한 펌프의 최적 on/off를 결정하기 위한 최적화 기법 으로써 DP, GA 등이 적절할 것으로 판단된다. 하지만 DP는 계산 단계의 증가에 의해 계산량이 기하급수적으 로 증가하는 차원의 저주(Curse of dimensionality)의 문 제를 가지고 있음에 따라 장시간의 연산시간이 소요될 우려가 있다. 따라서 본 연구에서는 대표적인 휴리스틱 최적화 기법으로서 가장 널리 사용되고 있는 GA에 의 해 최적 펌프 운영 스케줄을 도출하였다.

    최적의 펌프 운영 스케줄 도출을 위해 최소전력비 용을 목적함수로 설정하였고, 각 배수지와 정수지에 대한 수위범위를 제약조건으로 설정하였다. 배수지의 수위에 대한 제약을 설정함으로써 송수펌프부터 고려 했던 기존 펌프 스케줄링 연구들과는 달리 본 연구에 서는 송수펌프의 최적운영과 더불어 정수지에서의 충 분한 소독능 확보를 고려하고자 하였으며, 이를 위해 배수지와 정수지에 대한 물 수지식을 설정하였다.

    또한 배수지의 수위변화에 따른 전양정에 의해 각 펌 프의 토출량과 효율을 결정하였고, 이를 펌프 운영 스케 줄 도출시 적용함으로써 현실적인 펌프 운영 스케줄 도 출을 가능하게 하였다. 이 때, 펌프의 전양정, 토출량, 효율 간의 관계를 도출하기 위해 열역학적 방법에 의한 펌프 효율 측정을 실시하였으며, 도출된 결과를 이용하 여 현재 펌프의 효율과 펌프성능곡선을 추정하였다.

    다음 Fig. 2는 GA에 의한 송수펌프 최적운영방법의 흐름도를 나타낸다.

    본 연구에서는 수량과 수질 측면의 안정성과 안전 성을 확보하기 위해 완충역할을 하는 정수지와 배수 지의 운영수위를 제약조건으로 설정하고, 과도한 펌 프의 on/off를 방지하기 위해 펌프 연속가동시간에 대 한 제약조건을 설정하였다. 다음 Equation 11에 나타 낸 목적함수는 전력사용량에 따라 시간별, 계절별, 요 일별 차등 적용되는 전력단가를 고려하여 송수펌프의 전력비용 최소화를 목적으로 하였으며, 이를 통해 적 합도 평가를 수행하였다.

    M i n C = M i n j = 1 l i = 1 m ( R i , j × C j × X i , j )
    (11)

    R i , j = 9.8 × h i , j × Q i , j η P i , j × η m i , j
    (12)

    여기서,

    • C : 총 전력비용(원/d)

    • Ri,j : j시간대의 전력사용량 (kW)

    • Cj : j시간대의 전력단가 (원/kWh)

    • Xi,j : i펌프에 대한 j시간대의 가동상태 (0 또는 1)

    • hi,j : i펌프의 j시간대의 전양정 (m)

    • Qi,j : i펌프의 j시간대의 토출량 (m3/s)

    • η P i , j : i펌프에 대한 j시간대의 펌프 효율

    • η m i , j : i펌프에 대한 j시간대의 모터 효율

    열역학적으로 펌프 효율을 산정함에 따라 정수지와 배수지의 수위차로 전양정이 변할 수 있으며, 이에 따 라 펌프 토출량과 효율 또한 시시각각 다르게 도출될 수 있다. 이를 반영한 Equation 12를 이용하여 i펌프의 전력사용량을 산정하였다.

    제약조건으로 정수지와 배수지의 수위 범위를 다루 기 위해, 다음 Equation 13, Equation 14와 같이 정수지 와 배수지에 대한 물 수지식을 산정하였다.

    S r , j = S r , j 1 + α r × i = k n ( Q i , j × X i , j ) + A r , j D r , j
    (13)

    여기서,

    • Sr,j : j시간대의 r 배수지 저류량 (m3/h)

    • αr : 송수량에 대한 분배계수

    • Qi,j : i펌프의 j시간대의 토출량 (m3/s)s

    • Xi,j : i펌프에 대한 j시간대의 가동상태 (0 또는 1)

    • Ar,j : 타 정수장에서 r 배수지로의 j시간대 보충량 (m3/h)

    • Dr,j : r 배수지에서의 j시간대 물 수요량 (m3/h)

    W j = W j 1 + F j i = 1 m ( Q i , j × X i , j )
    (14)

    여기서,

    • Wj : j시간대의 정수지 저류량 (m3/h)

    • Fj : j시간대의 정수생산에 의한 정수지 유입량 (m3/h)

    • Qi,j : i펌프의 j시간대의 토출량 (m3/s)

    • Xi,j : i펌프에 대한 j시간대의 가동상태 (0 또는 1)

    산정된 물 수지식은 시간당 정수생산량, 가동되는 펌프 운영 조합에 따른 송수량, 시간당 물 수요량에 따른 수돗물의 유입유출량에 대한 수지를 통해 정수 지와 배수지의 수돗물 저류량을 산정하는 식이다. Equation 13에서의 송수량에 대한 분배계수는 연구 대 상지역의 특성상 펌프 8대에 의해 정수가 A배수지와 Y 배수지로 나뉘어져 송수되고, 4대의 펌프에 의해 D배수 지로 송수되는 조건을 고려하기 위해 정의되었다.

    배수지와 정수지의 물수지식 계산을 통해 수위가 결정되며, 수위운영범위를 제약조건으로 설정하여 운 영조건을 만족시켰다. 배수지의 경우 실제 수위 운영 자료를 바탕으로 최소 3 m에서 최대 5.5 m까지를 수 위 제약조건으로 설정하였다. 정수지의 경우 CT요구 값을 고려하여 산정한 최저 요구 수위부터 최대 운영 수위인 6.5 m까지를 제약조건으로 설정하였다.

    또한 펌프 1회 가동시 연속가동시간의 제약조건이 없을 경우 펌프가 1시간 가동 후 정지하는 등 펌프의 성능 저하 등의 악영향을 미치는 빈번한 펌프 on/off 횟 수를 갖는 펌프 스케줄이 도출될 우려가 있음에 따라, 이를 방지하기 위하여 1회 가동시 최소 2시간 이상 가 동할 수 있도록 펌프 연속가동시간을 제한하였다. Table 4

    하루 24시간에 대한 12대 펌프의 on/off를 이진화하여 GA의 염색체로 사용하였다. 유전파라미터는 각 파라미 터를 고정하여 민감도 분석을 수행하였으며, 이에 따라 개체수(Population) 100, 세대수(Generation) 40,000, 교차 율(Crossover rate) 0.5, 변이율(Mutation) 0.01로 설정하였 다. 설정한 세대수 종료시 연산이 종료되도록 하였다.

    3. 연구결과

    3.1 열역학적 펌프효율측정 방법에 의한 펌프 성능

    현재 운영 중인 펌프 특성을 분석하기 위해 A계통 과 W계통의 8 대 송수펌프의 흡입/토출부에 설치된 온도센서와 압력센서 데이터를 수집하였다. 수집기간 은 2016년 9월 1일부터 12월 31일까지이며 각 펌프에 대한 5분 단위의 측정데이터를 통해 계산된 효율, 전 양정, 토출량을 활용하여 펌프성능곡선을 도출하였다. 하지만 센서의 오류 등으로 인해 이상치로 판단되는 관측값이 확인됨에 따라 토출량을 기준으로 ±3σ를 기 준으로 이를 초과하는 관측값에 대하여 이상치로 판 단하여 제거 하고 펌프성능곡선을 작성하였으며, 펌 프 효율을 도출하였다. 이 때, Y계통의 펌프에 대해서 는 데이터 수집의 한계 때문에 A계통과 W계통의 결 과를 통해 설치시와 현재의 사양을 비교하여 그 비율 로써 Y계통의 효율저하를 고려하였다. 또한 펌프 특 성곡선의 경우 EPAnet 매뉴얼에서 제시하고 있는 1점 법에 의해 도출하였다. Table 5는 A계통, W계통 송수 펌프에 대한 설치사양과 열역학적 펌프효율측정 방법 에 의해 도출된 현재사양을 나타내었다.

    열역학적 펌프효율측정 방법 및 1점법에 의한 펌프 특성곡선식은 Table 6과 같다.

    도출된 펌프특성곡선의 경우 결정계수는 0.85 이상, RMSE(Root mean square error)는 50 m3/h 이하로 나타났다. 이를 통해 현재 운영 중인 펌프성능을 잘 나타낼 수 있는 전양정과 펌프 토출량 관계식을 도출하였다고 판단된다.

    3.2 CT값을 고려한 정수지 적정 수위 운영 범위

    본 연구에서는 Fig. 3 과 Fig. 4와 같이 2016년 1월 1일부터 2016년 12월 31일 기간 동안의 정수지 유입 수에 대한 수온, pH, 잔류염소 농도 자료를 통해 정수 지 최저 운영수위를 결정하였다. 이를 통해 산정한 정 수지의 일일 최저 운영 수위는 Fig. 5와 같다.

    CT요구값에 만족하는 정수지 최저 수위가 2시간 저장분을 갖는 최저 수위인 4.3 m보다 더 높게 나타 난 일 수는 2016년 366일 중 1월은 23일, 2월은 5일로 수온이 낮게 나타나는 겨울철에 주로 집중되었다. 이 에 따라 본 연구에서는 송수펌프 최적운영방법에 대 하여 정수지 최저 수위 제약조건이 높은 겨울철과 낮 은 여름철의 비교를 위하여 2016년 1월 중 1주일 전 체기간에 대하여 CT요구값에 만족하는 정수지 최저 수위가 최저수위제약조건으로 선택되는 1월 11일부터 1월 17일까지를 겨울철 시나리오로 선정하였으며, 7 월 4일부터 7월 10일까지의 1주일 기간에 대하여 여 름철 시나리오로 선정하여 연구를 수행하였다.

    3.3 송수펌프 최적운영

    송수펌프에 대한 실제 운영 스케줄과 본 연구에서 도출한 송수펌프 최적 운영 스케줄의 겨울철 시나리 오 중 1월 11일에 대한 결과를 Fig. 6에 나타내었으며, 전력단가가 다른 전력부하별 시간대에 따른 송수펌프 가동 시간을 Table 6에 나타내었다.

    2016년 1월 11일의 경우, 송수펌프 최적 운영 스케 줄은 실제 운영 스케줄보다 주펌프의 전체 가동시간 은 감소하고 주펌프의 1/2의 토출량을 갖는 보조펌프 의 가동시간이 증가하는 것으로 나타났다. 1월 11일 하루에 대한 1 m3 송수시 소요된 비용은 실제 운영의 경우 18.1 원/m3, 최적 운영의 경우 17.0 원/m3 으로 나 타남에 따라 전력비용에 대한 효율성이 있는 것으로 나타났다. 또한 Table 6에서 알 수 있듯이 최대 부하 시간대에 주펌프와 보조펌프의 가동시간이 모두 감소 하였다.

    송수펌프 최적운영방법의 상세한 효과분석을 위해 여름철과 겨울철 7일간에 대하여 실제 송수펌프 운영 결과에 의한 정수지 및 배수지 수위와 전력비용을 비 교하였다. 다음 Fig. 7과 Fig. 8은 겨울철과 여름철의 정수지와 배수지의 실제 운영과 최적 운영 수위를 나 타내었으며, Fig. 7과 Fig. 8의 (a)는 G정수장의 실제 정수지 수위 운영 결과와 본 연구에서 도출한 최적운 영에 의한 수위를 나타낸다. Fig. 7과 Fig. 8의 (b), (c), (d)는 A, Y, D 배수지의 실제 수위 운영과 송수펌프 최적운영에 의한 수위를 나타낸다.

    특히 Fig. 7의 (a)에서는 실제 정수지 수위 운영결과 가 일부 시간대에서 정수지의 최저 수위제약을 만족 하지 못하는 경우가 나타났다. 이는 실제 펌프 운영시 정수지에서 요구되는 소독능을 갖기 위한 충분한 체 류시간을 가지지 못하였음을 의미한다.

    송수펌프 최적운영은 실제 송수펌프 운영의 경우보 다 배수지와 정수지의 수위제약 조건에 대하여 고르 게 운영하는 것으로 나타났다. 또한 해당 수위제약에 만족함에 따라 소비자에게 충분한 수량 공급이 가능 하며, 소독능을 충분히 확보할 수 있다고 판단할 수 있다.

    Table 7은 겨울철과 여름철 각 1주일간의 송수펌프 의 실제 운영과 최적 운영에 의한 전력비용의 비교표 이다. 겨울철과 여름철 각각 4.5%, 5.1%의 비용 절감 율이 나타났다. 이를 통해 송수펌프 최적운영방법이 소독능을 확보함과 동시에 비용 절감 효과를 갖는 것 을 확인하였다.

    다음 Fig. 9는 겨울철과 여름철 7일간의 전력단가가 다른 부하별 송수펌프 전력사용량을 나타낸다. 7일간 의 송수펌프의 실제 운영과 최적 운영시의 전력사용 량을 비교한 결과, 최적 운영시 겨울철은 경부하와 중 간부하 시간의 전력사용량이 실제 운영보다 각각 6,467 kWh, 9,371 kWh 증가하였으며, 여름철은 5,854 kWh, 2,915 kWh 증가하였다. 반면 전력단가가 높은 최대 부하일 때 최적 운영은 실제 운영 대비 겨울철 과 여름철 각각 20,289 kWh, 15,756 kWh 감소하였다. 또한 총 전력사용량을 비교할 경우에도 최적 운영은 겨울철 4,452 kWh, 여름철 6,987 kWh가 저감되었다. 이는 실제 운영 대비 최적 운영의 결과가 경부하와 중간 부하 시간대에서의 송수펌프 가동을 증가시킴 에 따라 최대 부하시간의 펌프 가동을 지양하는 결과 를 나타낸다고 할 수 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 GA를 이용하여 송수펌프 최적운영 방법을 개발하였으며, 수량 및 수질자료, 열역학적 펌 프효율측정 방법에 의해 도출한 펌프 성능을 바탕으 로 송수펌프를 최적으로 운영하기 위한 방안을 제안 하였다. 정수지에서 충분한 소독능을 갖게 하기 위해 서는 적정한 체류시간이 요구됨에 따라 이를 만족할 수 있는 정수지 최소 운영수위를 도출하였다. 또한 사 용연수가 지남에 따라 설치시 성능과 현재의 성능이 상이한 송수펌프의 현 상태를 반영하기 위해 열역학 적 방법에 의해 도출한 효율, 전양정, 토출량을 활용 하여 펌프성능곡선을 도출하였다. 이를 기반으로 송 수펌프 최적운영 스케줄을 산정하였고, 최적운영방법 에 의한 비용절감 효과를 제시하였다.

    GA에 의한 7일간의 송수펌프 최적운영에 의한 전 력비용은 실제 운영 대비 1,950,912원, 2,364,237원이 각각 절감되었고, 4.5%과 5.1%의 비용절감율을 보였 다. 이 때, 송수펌프 최적운영의 경우 실제운영시보다 경부하와 중간 부하 시간대에 송수펌프 운영에 사용 되는 전력사용량을 증가시킴에 따라 최대 부하시간대 에 사용되는 전력사용량을 저감하여 비용 절감효과를 얻었다. 이에 따라 송수펌프 최적운영 결과는 비용절 감 효과와 더불어 실제 운영결과에 의한 정수지 수위 가 CT요구값을 만족하지 못하는 경우와 상이하게 모 든 시간대에서 이 수위 제약조건을 만족한 결과를 보 임에 따라 정수지에서 소독능을 충분히 확보할 수 있 었다.

    본 연구에 의한 결과는 합리적인 송수펌프 운영을 통해 전력비용을 절감하면서 수도소비자에게는 안정 적인 수량과 안전한 수질의 수돗물을 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 향 후 각 배수지에서 요구되는 물 수요량 예측이 수반되고, 펌프의 병렬 운영 조합에 따 른 펌프 효율 등의 특성 변화에 대하여 고려한다면 조금 더 고도화된 송수펌프 최적운영 방법이 개발될 것으로 기대된다.

    사 사

    본 연구는 서울시 산학연 협력사업(PS150002)의 지 원으로 수행되었습니다.

    Figure

    JKSWW-32-421_F1.gif

    Target area.

    JKSWW-32-421_F2.gif

    Flow chart.

    JKSWW-32-421_F3.gif

    Residual chorine concentration of influent for the clearwell.

    JKSWW-32-421_F4.gif

    pH and water temperature of influent for the clearwell.

    JKSWW-32-421_F5.gif

    Minimum water level constraint for the clearwell.

    JKSWW-32-421_F6.gif

    Water supply pumps operation schedule in winter (November 01, 2016).

    JKSWW-32-421_F7.gif

    Comparison of water level between actual and optimal pump operation in winter.

    JKSWW-32-421_F8.gif

    Comparison of water level between actual and optimal pump operation in summer.

    JKSWW-32-421_F9.gif

    Percentage of power consumption by power load.

    Table

    Properties for A, Y and D reservoir

    Installation specifications for water supply pumps

    The criteria for removal efficiency and inactivation

    Pump specification comparison between Installation and present

    Result of pump performance curve estimation

    Pump operation time for each power load (November 01, 2016)

    Comparison of power costs between actual and optimal pump operation

    References

    1. Kang, S.H. , Kim, J.K. , Hong, S.S. and Yates, Alex. (2000). Evaluation of thermodynamic method for pump performance measurement, The KSFM J. Fluid . Mach., 3(3), 25-30.
    2. Kougias, I.P. and Theodossiou, N.P. (2013). Multiobjective pump scheduling optimization using harmony search algorithm(HSA) and polyphonic HSA , J. Water Resour. Plann. Manage., 27(5), 1249-1261.
    3. Lansey, K.E. and Awumah, K. (1994). Optimal operations considering pump switches , J. Water Resour. Plann. Manage., 120(1), 17-35.
    4. MOE. (2013). Manual of water treatment standard, NIER (National Institute of Environmental Research), Seoul, 220.
    5. MOE. (2010). Standard for waterworks facilities, KWWA(Korea Water and Wastewater Association), Seoul, 1173.
    6. MOTIE (Ministry of Trade, Industry and Energy). (2015). 2014 Energy Consumption Survey, KEEI (Korea Energy Economics Institute), 542.
    7. Park, H.Y. and Kim, K.Y. (2015). Pump Handbook 2nd edition, Dong myeong publishers, 461.
    8. Pasha, M.F.K. , and Lansey, K. (2009). “ Optimal pump scheduling by linear programming ”, Proceedings of World Environmental and Water Resources Congress, 17-21 May, 2009, Kansas, USA, American Society of Civil Engineers.
    9. Puleo, V. , Morley, M. , Freni, G. and Savic, D. (2014). Multi-stage linear programming optimization for pump scheduling , Procedia Engineering, 70, 1378-1385.
    10. Savic, D.A. , WaltersG.A. , and Schwab, M. (1997). Multiobjective genetic algorithms for pump scheduling in water supply , Evolutionary Computing Workshop, 7-8 April, Manchester, UK, The Society for the Study of Artificial Inteligence and Simulation of Behaviour.
    11. Van Zyl, J.E. , Savic, D.A. and Walters, Godfrey. A. (2004). Operational optimization of water distribution systems using a hybrid genetic algorithm , J. Water Resour. Plann. Manage., 130(2), 160-170.
    12. Wang, J.Y. , Chang, T.P. and Chen, J.S. (2009). An enhanced genetic algorithm for bi-objective pump scheduling in water supply , Expert Syst. Appl., 36(7), 10249-10258.
    13. Waterworth, G. and Darbyshire, K. (2001). “ Comparison of methods of pump scheduling in water supply systems ”, The European Simulation and Modelling Conference, 6-9, June, 2001, Prague, Czech Republic, The European Multidisciplinary Society for Modelling and Simulation Technology.