다시 뛰는 공정도시 서울!

문서번호 정수과-1462 결재일자 2023. 3. 2. 공개여부 부분공개(5) 방침번호 시 민 주무관 정수과장 뚝도아리수정수센터소장 이준호 김경진 03/02 정미선 협조 주무관 이금재 이산화탄소 투입 제어방법 개선결과 보고 추진근거 대내(외) 협력 현황 사 업 비 부서(단체)명 협의내용 협의결과 2023. 2. 뚝도아리수정수센터 “ 약품비 절감 및 정수처리 향상”을 위한 이산화탄소 투입 제어방법 개선 결과 보고 착수정 원수 pH 조정 시 발생할 수 있는 약품(CO2)의 과소·과다 투입 방지 및 정수처리 향상을 위하여 CO2 투입률 제어 방법을 기존 수동제어 방법에서 자동(PID)제어 방법으로 개선한 결과 보고임 Ⅰ 일반현황 □ 추진배경 ㅇ 기존 착수정 이산화탄소(CO2) 투입 운영방식은 수동 제어방식으로 원수 pH 조정을 위해 주입률을 제어실 근무자가 수시로 수동 조작해야 하는 애로사항 발생 ㅇ CO2 투입 수동제어방식은 원수 pH 및 유량 변동에 따라 근무자가 원수 pH를 목표 pH가 되도록 시행착오(경험적) 방법으로 CO2 투입량을 조절해야 하므로 약품 투입이 과다/과소 투입되어 약품비 상승과 정수처리 효율 감소 초래 ※ 제어방식별 특징 제어방식 수동제어 PID 자동제어 CO2 주입률 결정 인자 원수 pH, 목표 pH(응집제 투입 전 ) 목표 pH(응집제 투입 전) CO2 주입률 보정 방법 원수 pH 및 목표 pH 변화에 따라 경험적으로 운영자가 수동 투입률 조정 수질 변화에 대응하여 설정된 PID 제어프로그램에 의한 자동 투입률 조정 운영상 단점 원수 pH 증/감에 따라 CO2 투입률 조정 지연 시 약품 과다/과소 투입 자동제어를 위하여 pH 미터 등 계측기 유지관리 중요 ㅇ 원수 pH 조절을 위한 CO2 투입 시 자동제어시스템에 의한 신속·정확하고 정밀한 투입률 자동(PID)제어가 될 수 있도록 CO2 투입시설 및 제어 프로그램 수정·개선 필요 □ 추진근거 ㅇ 2022년 뚝도아리수정수센터 주요 업무(현안 사업) ㅇ 이산화탄소 주입공정 개선방안 연구[정수과-20090(‘22.3.24)] ㅇ 이산화탄소 투입시설 개선 및 최적화 추진[정수과-24218(‘22.9.28)] - 효율적인 정수처리 운영을 위한 CO2 최적 투입지점 선정 - 이산화탄소 혼화도 향상을 위한 CO2 투입시설 개선 - 정수 약품비 절감을 위한 원수 pH 제어 방법 최적화 □ 추진경과 ㅇ 이산화탄소 투입시설 개선 및 최적화 추진계획 수립 : ’22.9.28. - 사업 추진내용 ·CO2 투입시설 개선 및 최적화 T/F팀 구성·운영 ·원수 pH 혼화도 향상을 위한 CO2 최적 투입지점 선정 및 이중화(신규 설치) ·착수정 CO2 투입시설 개선(가스직접투입방식 ？ 가압수 용해 방식) ·CO2 투입 자동제어를 위한 제어프로그램 수정(수동제어？PID 자동제어) ㅇ 이산화탄소 투입시설(가압수 용해식) 신규 설치 : ‘22.9.20.~10.5 ㅇ 이산화탄소 투입시설 현장 성능 평가 : ‘22.10.5.~12.11 ㅇ 이산화탄소 투입시설 개선 및 최적화 연구 결과 보고 : ’22.12.12. - 내용 : 정수처리 효율 향상을 위한 CO2 주입공정 개선방안 연구 ㅇ 이산화탄소 자동 제어프로그램 수정 및 시험 운영 : ‘23.02.5.~02.26 Ⅱ 추진결과 □ 이산화탄소 투입 운영현황 ㅇ 기존 이산화탄소(CO2) 투입 시, 운영상 문제점 - 착수정 CO2 투입 시, CO2 투입지점인 착수정 유입부 도수관로와 PID 자동 제어를 위하여 목표 pH를 측정하는 착수정까지 원수와 이산화탄소(CO2)의 혼화 불균일로 착수정 목표 pH 측정값 불안정(요동) 현상 발생 · CO2 투입 자동(PID)제어 곤란하여 그간 수동제어방식으로 운영(개선 필요) 기존 CO2 투입 시, 자동제어 불가 원인 ㅇ 착수정 유입 전 도수관로에 CO2 가스 투입 시, CO2 가스와 원수와의 혼화 불량으로 CO2 가스가 도수관로 중심의 원수 흐름까지 혼화되지 못하고 도수 관로 상부 흐름을 따라 이동하여 불균일 혼화 유발(목표 pH 측정 불안정 초래) ※ 전산유체해석(CFD) 혼화도 평가결과(물 연구원) <도수관로 CO2 투입 시, 원수와의 불균일 혼화도> ㅇ 착수정 CO2 투입 시, 이산화탄소와 원수와의 불균일한 혼화는 자동제어에 필요한 목표 pH 측정값을 불안정(pH 요동)하게 만들기 때문에 되먹임(feed back) 제어를 통한 자동(PID)제어가 불가(곤란) <목표 pH 불안정> <원수/CO2 혼화 불균일에 따른 목표 pH 불안정 발생> □ CO2 투입 제어방법 개선 전, 사전 조치(시설개선) ㅇ CO2 투입지점 변경(’22.10.) - 뚝도/물연구원 공동 협업 연구를 통하여 CO2 투입 시 원수와의 혼화도가 90% 이상 뛰어난 착수정 후단 자양+강북 통합수로로 CO2 투입지점 선정 착수정 강북 원수 CO2 투입지점(기존) 자양 원수 혼화지 관로 D=2200mm CO2 투입지점(신규) 관로 D=2800mm L=170m < 원수/CO2 혼화도 향상을 위한 CO2 최적 투입지점 > 원수 통합관로 CO2 투입지점 < 착수정 후단 원수 통합관로에 CO2 용해수 주입 시 혼화도 > ※ CO2 투입지점별 원수와의 혼화도 비교(2022년 뚝도/물연구원 협업 연구 결과) 구분 기존 변경(신규) CO2 투입지점 착수정 원수 유입 전 자양, 강북 개별 도수관로 착수정~혼화지 구간 원수 통합(자양+강북)관로 CO2 투입 방법 가스 직접주입 가압수 용해식 원수/CO2 혼화도 CO2 비균일 혼화 (30~50% 혼화) CO2 균일 혼화 (CO2 투입 후 50m 이후 90% 이상) ㅇ CO2 투입시설 개선 신규 설치(‘22.10) - 원수/CO2 용해율 향상을 위하여 기존의 가스직접주방식의 CO2 투입시설을 가압수 용해방식으로 개선하여 착수정~혼화지 구간 통합 관로에 신규 설치 CO2 가스 직접 투입방식(개선 전) 용해수(CO2+가압수) 투입방식(개선 후) □ CO2 투입 자동제어 프로그램 수정 및 설치 ㅇ CO2 자동제어 프로그램 설치 개요 - 제어프로그램 수정·설치 및 운영 : 2023. 2.14 ~ 현재 - 제어프로그램 수정 및 설치 내용 · CO2 투입지점 변경에 따른 제어(통신)프로그램 수정 CO2 투입지점 변경 : 착수정 유입부 도수관로 → 착수정 유출부 통합 관로 · 목표 pH 측정지점 변경에 따른 제어(통신)프로그램 수정 목표 pH 측정지점 변경 : 착수정 → 혼화지 ·PID 제어프로그램 수정 후, 제어상수(P, I, D) 설정을 위한 프로그램 최적화 - 설치 예산 : 5,400,000원 3 4 구분 CO2 투입지점 PID 제어를 위한 목표 pH 측정지점 기존 착수정 유입부 도수관로(1-1, 1-2) 착수정(3) 개선 착수정 유출부 통합수 관로(2) 혼화지(4) ㅇ 제어프로그램 수정·설치 결과 - 프로그램 수정 전·후, CO2 투입 제어설비 계통도 < 자양, 강북 도수관로 CO2 투입 제어설비 계통도(프로그램 수정 전) > < 착수정 유출부 통합관로 CO2 투입 제어설비 계통도(프로그램 수정 후) > Ⅲ 효과 분석 □ CO2 투입 제어방식별 운영 결과 ㅇ 제어방식별 CO2 투입률 및 혼화지(목표) pH 안정성 비교 결과 ※ 원수(착수정) 수질 현황 운영기간 CO2 투입 제어방식 원수(착수정) 탁도 (NTU) pH 알카리도 (mg/L) 수온 (℃) 전기전도도 (㎲/cm) ‘23.2.01~2.13 수동제어 3.5 (3.3~3.8) 7.9 (7.7~8.3) 45 (44~46) 3.0 (2.1~3.8) 217 (210~223) ‘23.2.15~2.25 자동제어 4.0 (3.8~4.3) 8.2 (8.0~8.6) 46 (45~48) 3.0 (4.0~5.2) 214 (207~220) 수동제어(2.1~2.13) 자동(PID)제어(2.15~현재 목표 pH = 7.5 목표 pH = 7.8 < CO2 투입률 제어방식별 목표 pH 변화 > - CO2 투입률 자동제어 운영 결과, 혼화지 목표 pH 변동계수(C.V)는 수동제어 운영 대비 52% 감소하였고, CO2 투입률 변동 폭도 약 50% 감소하여 우수한 목표 pH 자동제어가 이루어짐. · 자동(PID)제어 → 안정적인 목표 pH 유지 → CO2 과다/과소 투입 차단 ※ CO2 투입률 제어방식별 운영결과(’23.2.1~2.26) 제어방식 (운영기간) CO2 주입률 (mg/L) 혼화지(목표) pH 수동제어 (2.1~2.13) 목표 pH 7.50 평균 3.5 운영 결과 (n=312) 평균 7.57 최대 4.2 분산 0.004 최소 1.8 표준편차 0.065 ①주입률변동폭 (최대-최소) 2.4 (=4.2-1.8) ③ ※변동계수(C.V) 0.0085 자동제어 (2.15~2.26) 목표 pH 7.80 평균 2.0 운영 결과 (n=312) 평균 7.80 최대 2.5 분산 0.002 최소 1.3 표준편차 0.034 ②주입률변동폭 (최대-최소) 1.2 (=2.5-1.3) ④ ※변동계수(C.V) 0.0044 자동제어 /수동제어 ②/①×100= (1.2/2.4)×100 = 50% ④/③ = (0.0044/0.0085)×100 = 51.7% 운영 결과 ？ CO2 투입률 편차 : 수동제어 대비 자동제어 운영 시 50% 감소 ？ pH 변동계수(C.V) : 수동제어 대비 자동제어 운영 시 52% 감소 ※ 변동계수(C.V) = 상대표준편차(RSD) = 표준편차(s)/평균(x) : 측정 단위가 다른 두 집단이 가지고 있는 흩어진 정도를 비교하기 위하여 사용 Ⅳ 기대효과 및 향후계획 □ 기대효과 ㅇ 자동제어를 통한 이산화탄소 적량 투입으로 정수 약품비(CO2) 절감 ㅇ 원수 수질(pH) 및 취수량 변동에 따라 자동제어를 통한 신속·정확한 CO2 적량 투입으로 정수처리 효율 향상 및 안정적인 수돗물 생산 ㅇ CO2 투입 제어방식을 수동제어에서 자동제어로 변경·운영함에 따라 제어실 근무자 업무집중도(효율) 향상 □ 향후계획(유지관리) ㅇ 이산화탄소 투입 시, 자동제어의 정확성 및 안정성 유지를 위하여 원수 및 혼화지 pH 미터 센서, CO2 투입량, 통신상태, 수질 상태 등 주기적 모니터링 시행 붙임 1. CO2 프로그램 개선, 전동밸브 등 설치·교체 계획 1부. 2. CO2 프로그램 개선, 전동밸브 등 설치·교체 시행 1부. 3. 산출기초조사서(CO2 프로그램 개선 등) 1부. 끝.

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20230303062008

본청

정수과-1462

D0000047496246