오최강조
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프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 관 세척을 위한 최적의 아이스 피깅 운행 조건 설계
영문 : Designing optimal ice pigging operating conditions for pipe cleaning
과제 팀명
오최강조
지도교수
오희경 교수님
개발기간
2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 최**(팀장)
서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 오**
서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 최**
서울시립대학교 환경공학부·과 20**8900** 강**
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
근래 인천에서 발생한 수돗물 적수 사태, 벌레 유출 사고 등 연이어 발생한 수돗물 수질 사고로 인해 상수도 관망관리에 대한 국민적 관심이 높아지고 있다. 이를 계기로 2021년도부터 상수도관망시설 유지관리업무 세부기준이 마련되어 10년 주기로 상수도관세척이 의무화되었다. 다양한 관 세척 공법에 대한 관심 역시 증대되었는데, 상수도공동연구협의회별 2020~2021년 세척실적에 따르면 피깅과 맥동류세척이 가장 많이 사용되었다.
관 세척 공법 중 하나인 아이스 피깅(Ice pigging)은 아이스 슬러리(Ice slurry)를 이용하여 관 내부표면을 세척하는 공법이다. 여기서 아이스 슬러리가 기존 피깅 세척에서의 피그와 동일한 역할을 수행한다. 재래식 플러싱에 비해 이물질의 제거효율이 뛰어나고 별도의 투입/투출구가 필요하지 않으며 관경의 크기변화나 굴곡 등에 유연하게 대처 가능하다는 장점이 있다. 하지만 높은 비용이 요구되고 세척 가능한 관경이 최대 600mm로 제한적이며 1회 주행가능 거리가 2~3km로 짧은 시간 내에 넓은 관망을 세척해야 하는 경우 제한 사항이 생길 수 있다.
국내에서는 아이스 피깅이 잘 쓰이지 않고 있지만 충분히 경쟁력 있는 기술이라 판단하여 현장에 적용하기 위한 최적의 아이스 피깅 운행 조건을 설계하기 위한 연구를 진행한다. PVC 파이프를 이용해 모의 실험을 진행하고 아이스 슬러리의 다양한 조건에 변화를 주며 최적의 운행 조건을 산출한다.
개발 과제의 배경
- 상수도관망시설 유지관리업무 세부기준(환경부고시 제 2021-43호)에 따르면, ‘관 세척’이란 상수관로 내부에 기존 도장재의 손상 없이 침전물, 녹, 슬라임 또는 부식생성물 등을 제거하여 수질을 개선하는 것을 의미한다.
- 상수도관망시설 유지관리업무 세부기준 제 4조에서는 관세척을 최초 매설 후 10년 이내 1회 이상 시행하도록 규정하고 있다.
- 인천에서 발생한 수돗물 적수 사태, 수돗물 내 벌레 유출 사고 등 연이어 발생한 수돗물 수질사고로 인해 상수도 관망관리에 대한 국민적 관심이 높아지고 있다.
- K-water의 경우 2020~2021년까지 주로 재래식 플러싱과 맥동류 세척(산소)가 사용되는 것으로 조사되었으며, 6개 지자체(서울특별시, 부산광역시, 대구광역시, 대전광역시, 인천광역시, 광주광역시)의 경우 피깅, 맥동류세척(산소)가 많이 사용되는 것으로 나타났다.
- 환경부에서 발표한 2019 상수도통계에 따르면 서울특별시의 상수도관 현황은 다음과 같다. 먼저 관종별로 분류할 경우 덕타일주철관(DCIP)이 8,583,795m로 총 관로 연장의 약 63%를 차지하였으며, 스테인리스관이 약 21%로 나타났다. 또한 매설 경과년수가 21년 이상인 관로의 연장은 총 관로 연장의 약 58%인 7,920,155m로, 깨끗한 수돗물을 안정적으로 공급하기 위해서는 주기적이고 효율적인 상수도관 세척이 이루어져야 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
- 기존 관세척 공법들이 가지는 한계점을 극복하고, 보다 효율적으로 관세척을 진행하고자 한다.
- 아이스 피깅의 가장 큰 문제점 중 하나인 높은 시공비용 문제를 해결하기 위해 분쇄얼음을 첨가함으로써 아이스 슬러리의 융해 속도를 늦추고 세척 효율은 유지하면서 세척 메커니즘인 아이스 슬리러(Ice slurry)의 사용량을 저감시킨다.
- 아이스 슬러리 제조 시 형태를 유지하기 위해 사용되는 빙점강하제의 최적의 농도를 선정하여 슬러리의 보존성을 높인다.
관련 기술의 현황
(1) 재래식 플러싱(Flushing)
재래식 플러싱은 가장 보편적이고 장기간 활용돼온 관망 세척 공법이다. 기존 유속을 활용하여 관 내부 표면에 약하게 부착된 침전물을 제거하는 방식으로, 관경의 변화나 곡관부에 유연하게 대응 가능하며 1회 주행거리에 제한이 없다는 장점이 있다. 그러나, 세척수량이 많이 소요되고 낮은 유속으로 인해 침전물과 생물막 제거에 비효율적이며 수질개선효과 지속 기간이 비교적 짧다는 한계점이 존재한다.
(2) 맥동류 세척(Water/Air Scouring)
관 내부의 흐르는 물에 공기를 일정 간격으로 주입하여 water slug를 형성하고, 침전물이 재부유 하도록 유도하여 이물질을 제거하는 관 세척 공법이다. 재래식 플러싱에 비해 소요 수량이 적고 침전 제거 효율이 높다는 장점이 있다. 그러나, 이토밸브 등의 제반시설 설치가 수반되어야 하며 세척을 시행하기 전 고압가스에 대한 안전대책이 반드시 마련되어야 한다. 또한, 대구경 관로에는 적용이 어렵고 1회 주행가능 거리가 약 1~2km로 짧다는 한계점이 존재한다.
(3) 피깅 세척(Swabing Pig)
관로에 피그를 넣고 수압 등의 압력을 이용해 관 내부를 통해 피그를 주행시켜 이물질을 제거하는 관 세척 공법이다. 제거하고자 하는 이물질의 형질에 따라 다양한 형태의 부착물을 피그 표면에 부착할 수 있어 제거 효율이 뛰어나며 적용 관경에 제한이 없다는 장점이 있으나, 관경 변화에 대응이 어렵고 피그의 투입/투출구의 설치가 강제되기 때문에 세척 구간에 제한사항이 발생할 수 있다.
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
아이스 피깅(Ice Pigging)공법은 영국 University of Bristol의 Gluseppe L. Quarini에 의해 2005년 개발된 관세척 공법이다(Patent NO.: US 6,916,383 B2). 아이스 피깅은 얼음 슬러리(Ice slurry)를 이용하여 관 내부표면을 세척하는 방식으로, 이 때 얼음 슬러리는 기존 피깅 세척에서의 피그와 동일한 역할을 수행한다. 아이스피깅은 현재 개발국인 영국을 중심으로 유럽 및 미국 등 여러 국가에서 운영되고 있으며 대상관로의 관종, 관경 및 환경적 요인에 따라 다양한 형질 및 조성을 가진 아이스 슬러리를 활용한 아이스 피깅 공법이 시도되고 있다(AWWA, 2014).
아이스 피깅은 기존 재래식 플러싱이나 맥동류 세척에 비해 이물질의 제거효율이 뛰어나고 별도의 투입/투출구가 필요하지 않아 관세척 수행 시 별도의 사전준비가 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한, 높은 세척효율을 유지하면서도 기존의 스왑 피깅과는 달리 관경의 크기변화나 굴곡 등에 유연하게 대처 가능하다는 점 또한 아이스 피깅만이 가지는 장점이다.
그러나, 일정한 입자크기를 가지는 균일한 아이스 슬러리 제조를 위해서는 많은 비용이 요구되며, 적용 가능 관경이 최대 600mm 수준으로 제한적이다. 또한, 아이스 슬러리의 형질이 온전히 유지되며 관 내부 표면을 유효하게 세척할 수 있는 1회 주행가능 거리가 2~3km 정도로, 짧은 시간 내에 넓은 관망을 세척해야 하는 경우 제한사항이 생길 수 있다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- 기술 로드맵
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
(1) 동호플랜트
(2) 아세아프로텍
(3) Suez UK
- 마케팅 전략 제시
- Youtube 채널을 개설하여 본 과제에서 개발할 개선된 아이스 피깅 공법의 시연 영상을 게제함으로써 기존 공법과는 차별화되는 뛰어난 관 세척 효율을 제시한다.
- 기존 아이스 피깅 공법을 개선하여 관 세척에 요구되는 단수 시간을 획기적으로 줄임으로써 지자체 및 수도사업자가 관 세척 사업을 보다 유연하게 계획할 수 있다는 점을 강조한다.
- 인체에 대한 무해성을 검증하여 아이스 피깅 공법 도입 시 시민들의 수질사고에 대한 불안감 해소와 상수도 관리에 대한 불신 문제를 해결할 수 있다는 점을 강조한다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
- 기존 아이스 피깅 공법이 가지는 한계점들을 극복할 수 있다.
- 얼음 입자의 크기를 조절하여 슬러리의 사용량을 감소시켜 비용을 절감시킬 수 있다.
- 빙점강하제를 사용하여 아이스 슬러리의 형태를 유지하는 시간을 늘려 주행 가능 거리를 증가시킬 수 있다.
- 다양한 관 구경, 곡관 등에 적용할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
- 제반 시설이 별도로 필요 없으므로 추가적인 비용이 들지 않는다.
- 수돗물의 부정적인 인식 개선
- 노후화된 관의 인식 변화
- 노후화된 관 사고 예방
- 수질 개선
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
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