[논문]다목적 유전자 알고리즘을 이용한 상수관망에서 스프링 서지 완화 밸브의 최적화

김현준; 백다원; 김상현

doi:10.11001/jksww.2018.32.2.115

다목적 유전자 알고리즘을 이용한 상수관망에서 스프링 서지 완화 밸브의 최적화
Optimum design of direct spring loaded pressure relief valve in water distribution system using multi-objective genetic algorithm 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.32 no.2, 2018년, pp.115 - 122

김현준 (부산대학교 환경공학과) , 백다원 (부산대학교 환경공학과) , 김상현 (부산대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Direct spring loaded pressure relief valve(DSLPRV) is a safety valve to relax surge pressure of the pipeline system. DSLPRV is one of widely used safety valves for its simplicity and efficiency. However, instability of the DSLPRV can caused by various reasons such as insufficient valve volume, natural vibration of the spring, etc. In order to improve reliability of DSLPRV, proper selection of design factors of DSLPRV is important. In this study, methodology for selecting design factors for DSLPRV was proposed. Dynamics of the DSLPRV disk was integrated into conventional 1D surge pressure analysis. Multi-objective genetic algorithm was also used to search optimum design factors for DSLPRV.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 고려 가능한 모든 종류의 스프링 서지 완화 밸브의 설계 요소를 고려하여 최적화를 진행하였다. 하지만 이중에서 실제 사용자가 반영 가능한 운전 요소는 제한적이다.
본 연구에서는 상수관망 시스템에서 스프링 서지 완화 밸브의 설계 요소를 최적화 하는 방법론을 제안하였다. 스프링 서지 완화 밸브의 첫 번째 목적인 1)서지 완화 성능의 최대화와 서지 완화 기능이 동작하는 동안 발생할수 있는 2)불안정 동작의 최소화를 설계 목표로 하였다.
본 연구에서는 스프링 서지 완화 밸브의 설계 요소 최적화를 위해 다목적 최적화를 수행해 보았다. 이를 스프링 서지 완화 밸브의 수치적 계산을 위한 동적 응답 해석법을 제안하였고 이를 기존의 1차원 서지 해석 방법에 적용 하였다.
은 밸브의 성능을 나타내는 식으로, 관망의 최대 압력값(Max(Head))과 최소 압력값(min(Head))의 차이로 나타낸다. 수격현상이 발생하였을 때 이들의 차이가 가장 작게 되는 것을 목적함수로 하여 서지 완화 밸브의 성능이 최대화 되게 하는 것이다. f₂는 불안정 동작의 횟수를 최소화하는 것이다.
스프링 서지 완화 밸브의 첫 번째 목적인 1)서지 완화 성능의 최대화와 서지 완화 기능이 동작하는 동안 발생할수 있는 2)불안정 동작의 최소화를 설계 목표로 하였다.

가설 설정

c = Wave speed.

제안 방법

모의 관망을 대상으로 본 연구에서 제안하는 스프링 서지 완화 밸브 설계 방법론을 적용하여 보았다. 다양한 서지 압력의 크기를 볼밸브의 작동 간격을 이용하여 조작하고, 이를 제어하는 설계 요소 및 최적화 성능의 경향을 살펴 보았다. 다목적 최적화 방법론은 스프링 서지 완화 밸브의 성능과 안정성을 최적화 하는 결과를 도출하였고, 이는 서지압의 크기에 따라 상이했다.
급격한 유량 변화에 의해 발생하는 이상현상은 수리적 구조물의 완속 조작을 통해 방지할 수 있다. 두 번째 방법은 관망에 서지압 완화 장치의 추가적 설치이다. 완속 조작이 가능한 관망이더라도 수격압에 대한 예방 차원에서 서지압 완화 장치는 설치되는 것이 추천된다.
본 연구에서의 최적화를 수행할 목적함수는1)서지압이 발생한 이후 관망 최고 압력(Max(Head))과 최저압력(min(Head))의 차이가 최소화 되게 하는 것(f1)과 2)밸브의 불안정 동작의 횟수(Number of instability behavior)가 최소가 되게 하는 것(f2)이다. 식 (4)과 (5) 는 각각 앞서 설명한 목적함수의 수식이다.
스프링 서지 완화 밸브의 설계 요소를 1차원 서지 해석 방법론에 적용하기 위해서 Fig. 1에서의 힘균형을 기존 서지 해석 방법론에 적용 하였다. 식(3)은 스프링 서지 완화 밸브의 위상(x_d)을 나타내는 수식이다.
두 가지 이상의 목적을 동시에 달성해야 하는 연구의 목적에 따라 기존 단목적 최적화 알고리즘의 한계를 극복한 다목적 최적화 알고리즘(Multi-objective optimization algorithm)을 이용하였다. 이들 방법론에 대한 검증을 위해서 모의 관망을 대상으로 한 스프링 서지 완화 밸브의 최적 설계를 수행했다.
3의 최적화 과정을 수행하였다. 이때 한세대는 1,000개의 개체를 생성하였고 5,000세대를 반복하여 다양한 볼밸브 조작 시간에 대한 파레도 최적을 검색하였다. Fig.
이를 스프링 서지 완화 밸브의 수치적 계산을 위한 동적 응답 해석법을 제안하였고 이를 기존의 1차원 서지 해석 방법에 적용 하였다. 이를 다목적 함수를 이용하여 두 가지 목적함수인1)성능 최적화와2)안정성 최적화를 수행하였다. 최적화 결과 성능과 안정성이 최적으로 되어 질수 있는 최적 파레토해가 검색됨을 확인하였다.
본 연구에서는 스프링 서지 완화 밸브의 설계 요소 최적화를 위해 다목적 최적화를 수행해 보았다. 이를 스프링 서지 완화 밸브의 수치적 계산을 위한 동적 응답 해석법을 제안하였고 이를 기존의 1차원 서지 해석 방법에 적용 하였다. 이를 다목적 함수를 이용하여 두 가지 목적함수인1)성능 최적화와2)안정성 최적화를 수행하였다.
스프링 서지 완화 밸브의 첫 번째 목적인 1)서지 완화 성능의 최대화와 서지 완화 기능이 동작하는 동안 발생할수 있는 2)불안정 동작의 최소화를 설계 목표로 하였다. 이를 위해서 스프링 서지 완화 밸브의 동적 응답 특성을 수식화 하였고, 이를 1차원 서지 해석 방법에 적용하였다. 두 가지 이상의 목적을 동시에 달성해야 하는 연구의 목적에 따라 기존 단목적 최적화 알고리즘의 한계를 극복한 다목적 최적화 알고리즘(Multi-objective optimization algorithm)을 이용하였다.
3는 스프링 서지 완화 밸브의 설계 요소들에 대한 다목적 최적화의 수행 순서도이다. 최적화를 수행할 우선 최초의 세대를 임의로 발생(Generate initialpopulation)시키고 이들에 대한 적합도 여부를 판별(Evaluate fitness function)한다. 이후, 임의 생성 세대에 대한 한 선택, 교배, 돌연변이 과정을 통해 자손(Offspring) 세대를 생성 한다.

이론/모형

, 2000). 다목적 유전자 알고리즘 중 본 연구에서는 NSGA-II(Fast non-dominated sorting genetic algorithm)이 적용 되었다. 이는 기존의 NSGA의 계산복잡도를 계산한 것으로 복수의 목적 함수에 대한 파레토 최적해를 유전자 알고리즘의 연산순서를 따라 진행하는 것이 그 특징이다.
이를 위해서 스프링 서지 완화 밸브의 동적 응답 특성을 수식화 하였고, 이를 1차원 서지 해석 방법에 적용하였다. 두 가지 이상의 목적을 동시에 달성해야 하는 연구의 목적에 따라 기존 단목적 최적화 알고리즘의 한계를 극복한 다목적 최적화 알고리즘(Multi-objective optimization algorithm)을 이용하였다. 이들 방법론에 대한 검증을 위해서 모의 관망을 대상으로 한 스프링 서지 완화 밸브의 최적 설계를 수행했다.
모의 관망을 대상으로 본 연구에서 제안하는 스프링 서지 완화 밸브 설계 방법론을 적용하여 보았다. 다양한 서지 압력의 크기를 볼밸브의 작동 간격을 이용하여 조작하고, 이를 제어하는 설계 요소 및 최적화 성능의 경향을 살펴 보았다.
본 연구에서는 위와 같은 서지와 스프링 서지 완화 밸브의 동작에 대한 해석을 Fortran code로 구성하여 연구에 적용하였다.

성능/효과

밸브의 닫힘 시간이 증가하면서 최대 최소 압력 차이의 범위가 줄어드는 경향을 보이면서도 불안정 동작은 넓은 범위를 유지하는 것으로 보아 스프링서지 완화 밸브의 설계 요소의 작은 차이에 불안정 동작은 민감하게 반응 한다는 것을 알 수 있다. 파레토 최적 세트의 최대와 최소 성능의 차이가 크지 않기 때문에 불안정 동작의 횟수가 최소화가 될 때의 압력 차이 및 설계 요소의 경향을 비교해 보는 것이 의미가 있다.
다목적 최적화 방법론은 스프링 서지 완화 밸브의 성능과 안정성을 최적화 하는 결과를 도출하였고, 이는 서지압의 크기에 따라 상이했다. 서지압 완화 성능의 분포 범위는 작으나 불안정 요소는 넓게 분포되어 있어서 서지 완화 성능에 비해 불안정 요소가 더욱 민감하게 반응함을 확인할 수 있었다. 또한, 최적 스프링 서지 완화 밸브의 설계요소와 발생 서지의 크기 사이에서 분명한 상관관계를 발견할 수 없었다.
이를 다목적 함수를 이용하여 두 가지 목적함수인1)성능 최적화와2)안정성 최적화를 수행하였다. 최적화 결과 성능과 안정성이 최적으로 되어 질수 있는 최적 파레토해가 검색됨을 확인하였다.

후속연구

이것은 설계 요소들 중에는 실제 설계에 반영하기 어려운 동작파트의 질량, 직경, 밸브 상수 등의 요소까지 포함하여 최적화를 진행하였기 때문으로 생각할 수 있다. 만약 실제 설계 반영이 가능한 인자들에 대한 최적화만을 진행한다면 현재와 상이한 결과를 기대할 수 있을 것이다.
하지만 이중에서 실제 사용자가 반영 가능한 운전 요소는 제한적이다. 실제 반영 가능한 운전 요소들에 대한 최적화만 진행하는 경우에는 사용자가 사용하기 용이한 운영 가이드라인을 제안할 수 있을 것이라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	서지 완화 밸브의 일반적은 구조는 무엇으로 나눌 수 있나?	이들 서지압 완화 장치들 중 서지 릴리프 밸브는 관망 내부에 설치되어 평소에 닫혀 있다가 밸브에 서지압력이 감지되면 열려서 관망 내부의 압력을 해소시키는 종류의 자동 조절 밸브이다. 서지 완화 밸브의 일반적은 구조는 서지 압력을 감지하는 감지부, 이를 작동하게 하는 구동부, 밸브 몸체로 나눌 수 있다. 시스템의 요구에 따라 다양한 종류의 서지 완화 밸브를 적용할 수 있는데, 이중스프링 서지 완화 밸브(Direct spring loaded pressure relief valve)는 스프링의 탄성을 이용하여 밸브를 닫아 두고 있다가 스프링의 탄성 이상의 압력이 관망 내부에 발생하면 열리는 원리로 작동된다.
	서지압(Surge pressure)은 왜 발생되는가?	상수관망에서 펌프의 중단이나 수리적 구조물의 조작에 의해 발생하는 관내 유속의 급격한 변화는 서지압(Surge pressure)이라고 하는 과도 압력 현상을 발생시킨다 (Wylie and Streeter, 1993). 이렇게 발생한 서지 압력은 관망 자체의 파괴뿐만 아니라 관내 부속물들을 노후화 시켜서 상수관망 유수율에 영향을 미치고 안전사고로 이어질 수 있어 이에 대한 주요한 관리가 요구된다.
	이중스프링 서지 완화 밸브의 장점은 무엇인가?	시스템의 요구에 따라 다양한 종류의 서지 완화 밸브를 적용할 수 있는데, 이중스프링 서지 완화 밸브(Direct spring loaded pressure relief valve)는 스프링의 탄성을 이용하여 밸브를 닫아 두고 있다가 스프링의 탄성 이상의 압력이 관망 내부에 발생하면 열리는 원리로 작동된다. 서지 릴리프 밸브의 감지부와 구동부가 합쳐진 형태로 압력 센서, 압력 챔버, 유압기 등의 추가적 구조물이 없어 설치가 용이하고 공간을 적게 차지한다는 장점이 있다. 하지만, 다양한 불안정 동작이 발생한다는 단점이 있다 (API Standard, 2015).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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