[해외연구보고서] 급수시 압력관리, 수돗물 효율성을 어떻게 개선하나

스페인 이드리카, 압력관리·누수제어·인프라 개선 등 물손실 줄일 수 있는 방안 제시

압력·과도현상 문제, 배관이 물분배시스템서 어떻게 작용하는지 간략히 분석 필요

도시 수력학(urban hydraulics)에서 압력관리(pressure management)를 통해 물리적으로 누수를 줄이고 네트워크 효율성을 향상시키며, 운영 및 유지관리 비용을 절감할 수 있다. 하지만 어떻게 실제로 작동할까?

스페인 물산업을 위한 디지털 변환 전문기업인 이드리카(Idrica)의 멕시코 지사장인 니콜라스 몬테르데(Nicolas Monterde)에 따르면, “이미 시장에서 우리가 결정을 내리고 가장 좋은 길을 선택하도록 돕는 주제와 기술 발전에 대한 많은 이론이 있다”고 말한다.

 

스페인 물산업을 위한 디지털 변환 전문기업인 이드리카(Idrica)는 압력관리(pressure management)를 통해 물리적으로 누수를 줄이고 네트워크 효율성을 향상시키며, 운영 및 유지관리 비용을 절감할 수 있다는 의견을 제시했다.  [사진출처 = 이드리카(Idrica)])

 

예를 들어, 국제물협회(IWA ; International Water Association)가 제시한 4가지 요소는 물 손실을 줄이고 시스템 효율성을 개선하기 위해 실행할 수 있는 조치들을 나타낸다.

IWA가 언급한 첫 번째 측면은 고장을 가능한 한 빨리, 그리고 가장 높은 표준에 맞춰 수리하는 것의 중요성이다. 똑같이 중요한 다른 세 가지 요소는 △시스템 압력관리(system pressure management), △능동적 누수 제어(active leak control) △인프라 개선(infrastructure improvements)이다. 이 네 가지 권장사항을 준수하면 네트워크 손실을 줄일 수 있다.

니콜라스 몬테르데(Nicolas Monterde)는 “경제적, 기술적 이유로 피할 수 없는 손실은 항상 있겠지만 이러한 손실은 최소화해야 한다”고 지적한다. 이것은 네트워크를 보다 효율적이고 지속가능하게 만들 것이며, 이것이 바로 수도사업자들이 찾고 있는 사항이다.

압력관리의 이점 분석(Analyzing the benefits of pressure management)

IWA에 따르면 압력관리(pressure management)는 합법적인 소비자와 사용을 위한 충분하고 효율적인 서비스를 보장하면서 시스템의 압력을 최적 수준으로 조정하는 데 중점을 둔다. 동시에 불필요한 과도한 압력을 줄이고 인프라 수명에 영향을 미치는 과도현상을 제거해야 한다. 이러한 요인은 모두 실제 효율성을 저하시킬 수 있는 누수를 유발하기 때문이다.

압력과 과도현상을 둘러싼 문제를 더 잘 이해하기 위해서는 배관(pipe)이 물 분배 시스템(water distribution systems)에서 어떻게 작용하는지 간략히 분석할 필요가 있다. 예를 들어, 새로운 파이프와 중력 시스템(gravity system)의 경우, 배관의 고유한 설계와 사양은 배관이 작동하는 압력 범위가 어떠한 종류의 한계점(breaking point)에도 가깝지 않다는 것을 의미한다.

반대로 이미 서지(surge ; 밀려듬)를 경험하고 있는 시스템에서는 시스템의 최대 압력과 배관 고장 사이의 안전 완충장치(safety buffer)가 점점 더 작아진다. 하지만, 그것은 여전히 한계점에 한참 못 미칠 것이고, 발생 빈도와 횟수는 그리 높지 않다.

마지막으로 장기간 사용한 배관을 분석하면 배관의 노후화, 저항능력에 영향을 미치는 부식인자 등 다양한 요인이 영향을 미치기 시작한다.

또한 특정 위치의 교통 부하, 지반 이동, 배관의 확장 및 수축 비율에 영향을 미치는 저온 또는 고온에 의해 인프라가 손상될 수 있다. 압력과 과도현상을 추가하면 네트워크 운영이 이미 파이프 고장에 가까워지고 버스트 빈도가 크게 증가한다.

일반적으로, 이것은 사실상 모든 종류의 물질로 만들어진 파이프라인 시스템의 동작 방식이다. 다만 압력관리시스템이 도입되자마자 전반적으로 과도현상(transient phenomena)의 빈도와 범위가 줄어든다. 급등이 있더라도 한계점은 아직 멀다.

압력관리의 또 다른 효과는 압력을 줄인 결과 고장 빈도가 감소한다는 것이다. 누출 흐름 계산은 압력의 각 감소가 비록 백분율 측면에서는 작지만 관망 손실이 상당한 개선을 나타낸다는 것을 알 수 있다.

또한 이 계산을 통해 관망 압력을 제어하고 관리하면 누출 흐름이 즉시 감소한다는 것을 알 수 있다. 간단히 말해서, 우리는 감압 밸브(PRV ; pressure reducing valves) 설치와 같은 솔루션을 구현함으로써 관망에 상당한 이점을 얻을 수 있다.

 

이드리카(Idrica)의l 고아이구아 -누수(GoAigua - Leaks) 기술적 솔루션은 스마트 알고리즘을 사용하여 누수를 조기에 감지하기 위해 물 분배 네트워크를 모니터링한다. [사진출처 = 이드리카(Idrica)]

 

기술 활용에 따른 첨단 압력관리(Advanced pressure management based on the use of technology)

기술을 활용해 주·야간(이중 파일럿)과 주말을 구분하는 시스템에 낮 내내 압력을 일정하게 유지하는 간단한 설정 등 다양한 압력조절 메커니즘을 적용할 수 있다. 이 경우 설정은 각 상황의 소비를 고려한다. 또한 주어진 시간에 관망의 실제 요구에 따라 압력을 조절하는 보다 정교한 시스템도 있다.

제어기술은 최근 몇 년 동안 상당히 발전하여 밸브의 작동 매개변수를 작동 수명의 서의 모든 순간에 다양한 옵션으로 정의할 수 있게 되었다.

고아이구아 -누수(GoAigua - Leaks) 기술적 솔루션은 스마트 알고리즘을 사용하여 누수를 조기에 감지하기 위해 물 분배 네트워크를 모니터링한다. 니콜라스 몬테르데(Nicolas Monterde)는 발렌시아(Valencia) 시의 성공사례에 대해 이야기했는데, 이 기술의 도입으로 비수익 물량이 30% 이상 감소했다. 또한 24시간 이내에 누출을 자동으로 감지하여 응답 시간과 네트워크 손실을 18%까지 줄일 수 있었다.

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How does pressure management improve water efficiency?

In urban hydraulics, pressure management can reduce physical water leaks, improve network efficiency and lower operating and maintenance costs. But how does it actually work? 

According to Nicolas Monterde, Idrica's Country Manager in Mexico, there is already a lot of theory on the subject and technological developments on the market that help us to make decisions and to choose the best path to follow. 

The four vectors put forward by the International Water Association (IWA), for example, indicate the measures that can be implemented to curtail water losses and improve system efficiency.

The first aspect mentioned by the IWA is the importance of repairing failures as quickly as possible and to the highest possible standards. The other three equally important vectors are system pressure management, active leak control and infrastructure improvements. Adhering to these four recommendations will reduce network losses.

Monterde points out that there will always be some losses that cannot be avoided for economic and technical reasons, but these must be minimized. This will make the network more efficient and sustainable, which is what operators are looking for.

Analyzing the benefits of pressure management

According to the IWA, pressure management centers on adjusting the pressure in a system to its optimum level, while ensuring sufficient, efficient service for legitimate consumers and uses.  At the same time, it should reduce unnecessary and excessive pressure and remove transient phenomena that impact on the lifespan of the infrastructure, as these factors both cause leakages that compromise actual efficiency.

To better understand the issues surrounding pressure and transients, we need to briefly analyze how pipes behave in water distribution systems. In the case of new pipes and gravity systems, for example, the pipes’ inherent design and specifications mean that the range of pressures they work at are nowhere near any kind of breaking point.

Conversely, in a system which is already experiencing surges, the safety buffer between the maximum pressure in the system and pipe failure becomes smaller and smaller. However, it will probably still be way below the breaking point and the frequency and number of incidents is not likely to be very high.

Finally, if we analyze pipes that have been in use for a longer period of time, different factors such as the age of the pipes and corrosion factors that affect its resistance capacity begin to have an impact. 

The infrastructure may also be damaged by traffic loads in certain locations, by ground movements, and even by low or high temperatures that affect the pipe's expansion and contraction ratios.  If we add pressure and transient phenomena, the network’s operations are already closer to pipe failure and the frequency of bursts increases significantly.

In general, this is how any pipeline system made of virtually any type of material behaves. However, as soon as a pressure management system is brought in, the frequency and range of transients is reduced across the board. Even though there is a surge, the breaking point will still be a long way off. 

Another effect of pressure management is that the frequency of failures decreases as a result of reducing the pressure. The leakage flow calculation shows that each reduction in pressure, albeit small in percentage terms, represents a significant improvement in network losses. 

This calculation also shows that controlling and managing network pressure immediately reduces leakage flow. In short, we can obtain significant benefits for the network by implementing solutions such as installing pressure reducing valves (PRV).

Advanced pressure management based on the use of technology

We can use technology to apply different pressure control mechanisms, including a simple setting that maintains pressure constant throughout the day to a system that differentiates between day and night (double pilot), and the weekends. 

In these cases, the settings take into account consumption in each situation. There are also more sophisticated systems that regulate pressure according to the real needs of the network at any given time.

Control technology has advanced significantly in recent years, enabling a valve's operating parameters to be defined with a wide range of options at practically every moment of its working life.

The GoAigua - Leaks technological solution monitors water distribution networks for the early detection of leaks using smart algorithms. Nicolas Monterde spoke about the success story of the city of Valencia, where the deployment of this technology has reduced non-revenue water by more than 30%. In addition, the automatic detection of leaks in less than 24 hours has reduced response times and network losses by 18%.

[출처=이드리카(How does pressure management improve water efficiency? - IDRICA) / 2021년 12월 16일자 블로그]