초록 ▼

▣ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
□ 고순도 공업용수(ASTM D5127 E-1.3) 생산 안정성 확보를 위한 운영 최적화 디지털 플랫폼 구축
◦ 2,400m³/일 실증플랜트 성능검증 및 최종평가(24시간 연속운영, 6개월)
◦ 디지털 트윈 통합운영 최적화 시뮬레이터 개발
◦ 실증플랜트 운영을 통한 수질 이상발생 시나리오별 대응 매뉴얼 및 운영자 의사결정지원시스템 구축
◦ 고순도 공업용수 운영유지관리 교육 프로그램 개설 및 실시

◼ 전체 내용
□ 1차년도<

▣ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
□ 고순도 공업용수(ASTM D5127 E-1.3) 생산 안정성 확보를 위한 운영 최적화 디지털 플랫폼 구축
◦ 2,400m³/일 실증플랜트 성능검증 및 최종평가(24시간 연속운영, 6개월)
◦ 디지털 트윈 통합운영 최적화 시뮬레이터 개발
◦ 실증플랜트 운영을 통한 수질 이상발생 시나리오별 대응 매뉴얼 및 운영자 의사결정지원시스템 구축
◦ 고순도 공업용수 운영유지관리 교육 프로그램 개설 및 실시

◼ 전체 내용
□ 1차년도
◦ 고순도 공업용수 실증플랜트 부지 현장조사 및 선정
◦ 가상센서 기반 운영 안정화 요소기술 개발을 위한 운영 데이터 분석
◦ 수요처 연동 플랜트 생산수율 제어 요소기술 개발을 위한 운영데이터 분석
□ 2차년도
◦ 고순도 공업용수 1,200m³/일(1단계 시설) 실증플랜트 기본 운영 로직 구축
◦ 가상센서 기반 운영 안정화 알고리즘 구축
◦ 수요처 연동 플랜트 생산수율 제어를 위한 생산 효율화 알고리즘 구축
□ 3차년도
◦ 실증 플랜트 단위 공정 운영 알고리즘을 반영한 기본 통합 운영프로그램 고도화 및 플랜트 적용
◦ 2,400m³/일 실증플랜트 1단계 운영 최적화 및 2단계 시운전 지원
◦ 고순도 공업용수 플랜트 수질 이상 발생 주요 시나리오 및 대응방안 도출
□ 4차년도
◦ 디지털 트윈 통합운영 최적화 시뮬레이터 구축 및 실증플랜트 적용
◦ 실증플랜트 시운전 및 기술개발 공정 성능 비교검증
◦ 교육 프로그램 구성
□ 5차년도
◦ 실증플랜트 성능검증 및 최종평가
◦ 디지털 트윈 통합운영 최적화 시뮬레이터 현장적용 및 수정·보완
◦ 운영자 의사결정지원시스템 구축
◦ 교육 프로그램 개설 및 실시

◼ 1단계
❏ 목표
1) 주관연구기관(K-water)
◦ 운영 최적화 요소기술 개발을 위한 25m³/일 모형플랜트 운영 데이터 분석 및 1,200m³/일(1단계 시설) 실증플랜트 부지 선정
◦ 안정적 운영을 위한 디지털트윈 기반 플랜트 운영 최적화 요소기술 개발
2) 공동연구기관(프라임텍)
◦ 역삼투막에서 사용되고 있는 스케일방지제, 미생물처리제, 세정제 등 기존 약품과 비교하여 성능이 향상된 국산화 약품 개발 및 평가
3) 위탁연구기관(GIST)
◦ 고순도 공업용수(ASTM D5127) 생산 공정의 운영기술 개발을 위한 운영 및 영상데이터 분석
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 구축을 위한 요소 기술 개발

❏ 내용
○ 1차년도
1) 주관연구기관(K-water)
◦ 고순도 공업용수 실증플랜트 부지 현장조사(인허가, 기반 시설 등) 및 공정 선정 (협동기관 협의)
- 실증플랜트 부지별 인허가 현황, 기반시설(보일러, 냉동기, 압축공기 등 유틸리티) 구축현황 검토
- 고순도 공업용수 생산 실증플랜트에 대한 부지선정 위워회의 심의를 통한 설치 부지 선정
◦ 플랜트 계측기 및 공정 이상 대응을 위한 가상센서 기반 운영 안정화 요소기술 개발을 위한 운영 데이터 분석
- 기존 센서 오측 대응을 위한 가상센서 개발을 위한 DB 구축(압력조절밸브(PCV, Pressure Control valve) 개도율로 시스템 리턴유량 예측 등)
- 비정상 상황 예지를 위한 가상 신규 센서 개발을 위한 DB 구축
◦ 수요처 실시간 수요량 변화에 안정적(수질, 수량) 생산이 가능한 고순도 공업용수 플랜트 생산기술 개발을 위한 운영 데이터 분석
- 단위 공정별 운영 상태 인지를 통한 계열화 운전 알고리즘 개발을 위한 DB 구축 등
◦ 초순수 시장분석 및 사업모델 검토
- 초순수 분야 비즈니스 모델을 분석하고 EPC-O&M 비즈니스 모델 구축방안 검토 및 접근가능한 시장조사 등을 통해 사업화 계획 제시
2) 위탁연구기관(GIST)
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 개발을 위해 K-water 내 25m³/일 파일럿 플랜트의 단위공정별 데이터 필터링 방안 수립 및 데이터 마이닝
◦ 운영 재해 방지 기술개발을 위해 K-water 내 25m³/일 파일럿 플랜트 또는 참여기업 운영시설을 활용하여 영상 데이터 베이스 구축 및 라벨링

○ 2차년도
1) 주관연구기관(K-water)
◦ 고순도 공업용수 1,200m³/일(1단계 시설) 실증플랜트 기본 운영 로직 구축
- 1단계 구축 시설(1,200m³/일) 실증플랜트 전체 공정의 운영 로직 구축
- 1단계 시설 시운전 방안 수립 및 성능평가를 대비한 시설 반영
◦ 이상 발생 사전 인지 및 대응을 위한 가상센서 기반 운영 안정화 알고리즘 구축
- 기존 센서 오측 대응을 위한 가상센서 알고리즘 구축(압력조절밸브 개도율로 시스템 리턴유량 예측 등)
- 질소가스 사용량 예측 및 가상센서 적용을 통한 사용량 최적화 알고리즘 개발
◦ 수요처 실시간 수요량 변화 대응 고순도 공업용수 플랜트 생산수율 제어를 위한 생산 효율화 알고리즘 구축
- 유량 변동에 대응하는 최적제어를 위한 계열화 운전 알고리즘 개발 등
2) 공동연구기관(프라임텍)
◦ 스케일 발생을 최소화 할 수 있는 개선된 국산 역삼투막 스케일 방지제 적용과 처리
- 해외 제품과 칼슘 분산능력 비교 평가 하여 우수한 효과 확인
- 분산제 효과 평가 방법인 칼슘분산능력평갸를 통하여 비교(Lab-scale 규모 평가)
◦ 역삼투막에 영향이 없는 비유독물의 국산 미생물 처리제 개발
- 해외 제품과 동등 이상의 미생물 처리 능력 평가
- 역삼투막에 대한 약품 접촉 영향 평가를 위해 공정 시험법에 의한 미생물 균수 확인 (Lab-scale 규모 평가)
◦ 무기, 유기세정 단계를 단축해 한번에 무기와 유기 오염물을 제거하는 신개념 세정 약품
- 기존 세정제 대비 동등 이상의 세정 효율 평가 및 세정시간 감소 여부 평가 (평막을 이용한 Lab-scale 규모 평가) 평가 : 평막을 이용한 Lab-scale 규모 평가
3) 위탁연구기관(GIST)
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 구조 설계
- 2,400㎥/일 실증플랜트의 설계자료 및 기본 운영 로직에 기반한 3D 시각화 및 구조 설계
◦ 고순도 공업용수 단위공정별 파라미터 최적화
- 머신러닝 기법을 활용하여 RO, UF, 활성탄, UV 등의 단위 공정에 대한 파라미터 최적화
◦ 물체 쓰러짐, 관리자 사고 등에 대한 재해 알림 모델 개발
- Open CV를 활용하여 영상 데이터의 규칙 기반 영상처리 모델 개발

◼ 2단계
❏ 목표
1) 주관연구기관(K-water)
◦ 2,400m3/일 실증플랜트 통합 운영프로그램 고도화
◦ 디지털 트윈 통합운영 최적화 시뮬레이터 구축 및 기술개발 신공정 성능 비교평가
2) 공동연구기관(프라임텍)
◦ Pilot 기반 설비를 이용하여 약품 사용 농도 및 사용량 최적화 실현
◦ 실증플랜트에 적용하여 효과 평가 및 약품 투입농도 및 사용량 최적화 진행
◦ 실증플랜트 최적화 약품 개발 완료
3) 위탁연구기관(GIST)
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 프로토타입 및 운영 재해 방지 기술 개발
◦ 2,400㎥/일 규모 실증플랜트 맞춤형 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 개발

❏ 내용
○ 3차년도
1) 주관연구기관(K-water)
◦ 실증 플랜트 단위공정 운영 알고리즘을 반영한 기본 통합 운영프로그램(HMI, Human machine interaction) 구축
- 기존 통합 운영프로그램(HMI)의 이상발생 알람 대응 등을 보완한 국산화 HMI 구축
- 질소 소모, 계측기 오결측 등 실증플랜트 이상발생 진단 및 감시프로그램 개발
◦ 2,400㎥/일 실증플랜트 1단계 운영 최적화 및 2단계 시운전지원
- 1단계 실증플랜트 시운전 및 성능검증 수검(시운전 매뉴얼 수정/보완)
- 단위공정별 이상 발생시 알람 및 의사결정 프로그램 실증 플랜트 적용 및 개선
- 1, 2단계 실증플랜트 통합운영을 위한 기존(1단계) 운영로직 개선 및 보완
◦ 고순도 공업용수 플랜트 수질 이상 발생 주요 시나리오 및 대응방안 도출
- 수질 항목별(TOC, 보론, 비저항 등) 수질 이상 발생시 대응 시나리오 및 매뉴얼 작성
- 수요처 수요량 변화 대응 안정적 수질확보를 위한 운영 매뉴얼 작성
- 단위설비 및 부품 교체, 세척 및 유지보수 매뉴얼 작성
2) 공동연구기관(프라임텍)
◦ 국산화 개발약품 평가 완료 및 실증플랜트 적용(미생물처리제, 스케일 방지제, 세정제)
- 개발약품에 대한 K-water 연구원 모형플랜트를 활용한 효과평가(상반기)
- 외부기관을 활용한 개발약품 효과 비교평가 및 검증(3가지 품목 평가검증, 상반기)
- 1단계 실증플랜트 수질 점검 및 평가를 통한 약품 적정처리 및 최적 투입량 검토
- 개발 약품의 1단계 실증플랜트 적용성 평가 및 효과 입증
◦ 약품 투입량 현장 모니터링 및 최적관리 제어시스템 구축
- 스케일 방지제에 약품농도를 점검할 수 있는 형광물질을 적용
- 형광물질 분석기를 활용한 현장 약품농도 모니터링과 최적 투입량 자동제어 기능 구현
- 1단계 실증플랜트에 약품 자동분석 및 제어시스템 구축
3) 위탁연구기관(GIST)
◦ 고순도 공업용수 단위공정별 파라미터 최적화
- UF, CEDI 등의 단위공정에 대한 모델 개발 및 파라미터 최적화
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 프로토타입 개발
- 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 프로토타입 개발 및 실증플랜트 내 설치
- 개발된 단위공정 별 모델을 디지털 트윈 알고리즘 계산 서버 시스템에 구현 및 표출
◦ 유체 누액 탐지, 인력 재해 알림 등 운영 재해 방지 기술 개발
- 2,400㎥/일 실증플랜트 내 CCTV 설치를 통한 데이터베이스 구축
- 딥러닝(예: Deep SVDD 등) 기반 영상 인식 및 처리 알고리즘 구축
- 알고리즘, 사고 시나리오, 기존 시설 개선 방안 등을 포함하여 모델 개발

○ 4차년도
1) 주관연구기관(K-water)
◦ 디지털 트윈 통합 운영 최적화 시뮬레이터 구축
- 3D P&ID(Piping & Instrument Drawing) 및 BIM (Building Information Modeling) 설계자료를 활용하여 2,400m³/일 고순도 공업용수 플랜트에 대한 디지털 트윈 시뮬레이터 구축
- 고순도 공업용수 안정된 수질확보 및 무중단 공급을 위한 가상센서 기반 운영 안정화 프로그램 및 생산수율 제어 생산 효율화 프로그램 구축
- 딥러닝 기반 고순도 공업용수 플랜트 운영 재해 방지기술
- 다중 CCTV 및 딥러닝(Convolutional neural network 등) 기술을 활용하여 배관 및 약품탱크 유체 누수탐지, 운영인력 재해 알림 등 재해 방지기술 개발
- 지능형 가상센서를 적용한 고순도 공업용수 플랜트 운영유지관리 기술 개발
◦ 2,400m³/일 실증플랜트를 활용한 기술개발 공정 성능 비교 검증
- 1세부(자외선 산화) 및 2세부(막탈기) 국산화 장비를 포함하여 고순도 공업용수 공정별 효율분석 및 외산/국산 공정의 성능 비교 검증
◦ 고순도 공업용수 운영유지관리 교육 프로그램 구성
- 고순도 공업용수 분야설계(소재, 부품, 장비 포함), 시공, 운영, 유지 보수 기술을 포함한 통합 교육 프로그램 교육 자료 구축
- 물산업클러스터(워터캠퍼스),K-water 인재개발원, 상하수도협회, 관련 학회 등과 연계한 고순도 공업용수 설계및운영 교육과정 개설
◦ 기술인,검증(녹색기술 인증) 신청
- 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터
2) 공동연구기관(프라임텍)
◦ 파일럿플랜트에서 연구된 내용을 바탕으로 실증플랜트에 적용 하여 평가
◦ 파일럿플랜트 평가 결과와 실증플랜트 적용 결과 비교
◦ 실증플랜트에 맞는 약품 투입 농도 및 사용량, 약품 적용방법 최적화 실현
3) 위탁연구기관(GIST)
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터 개발 및 파라미터 검·보정
- 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터에 영상 처리 및 인식을 활용한 운영 재해 방지 기술 통합
- 실제 공정 운영 결과 대비 90% 이상 정확도 달성
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터를 활용하여 유입 수량·수질 및 플랜트 공급량 변화 대응 최적 운영 조건 도출
◦ 규칙 기반 모델 및 딥러닝 모델 간 앙상블 학습을 통한 모델 정확도 향상

○ 5차년도
1) 주관연구기관(K-water)
◦ 2,400m³/일 실증플랜트 성능검증 및 최종평가 (24시간 연속운영, 6개월)
- 고순도 공업용수 공정별 효율분석 및 최종생산 시설의 수량 및 수질등급(규모 2,400㎥/일 이상, 수질 등급 : ASTM D5127 E-1.3) 만족여부 비교 검증 (6개월 24시간 연속운전)
◦ 디지털 트윈 통합운영 최적화 시뮬레이터 현장 적용 및 수정·보완
◦ 실증플랜트 운영을 통한 수질 이상발생 시나리오별 대응 매뉴얼 수정·보완 및 운영자 의사결정지원시스템 구축
◦ 고순도 공업용수 운영유지관리 교육 프로그램 개설 및 실시
- 실증플랜트(2,400 m³/일)를 활용한 이론과 현장 운영을 겸비한 전문 기술 인력 양성
- 연구과제 참여 기관, K-water 산업용수시설(SK 하이닉스, 현대제철 등)현장 운영인력 강사 활용
◦ 기술 인․검증(녹색기술 인증) 완료
2) 공동연구기관(프라임텍)
◦ 실증플랜트 적용 결과를 바탕으로 약품 최적화 완료
◦ 지속 운영을 통한 약품 효과 및 설비에 대한 안정성 검증
◦ 상기 결과를 토대로 초순수설비 약품 시장 분야에 대한 다변화 (국산화)
3) 위탁연구기관(GIST)
◦ 운전 안정성 향상을 위한 비정상적인 조건(수질, 유량 등)에 대한 가상 운전 시나리오 도출
◦ 디지털 트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터에 대한 운전자 교육 매뉴얼 제작
- 디지털트윈 기반 운영 최적화 시뮬레이터가 실질적으로 운영관리의 주체의 현장 운영자들에게 쉽게 활용할 수 있도록 교육 매뉴얼 제작 예정

▣ 연구개발성과
□ 1단계(1차년도)
◦ 정성적 성과
- 실증플랜트 부지선정위원회 개최(8/19, SK 실트론 선정), 협약 체결(10/26)
- (가상센서) 압력과 유량의 변화에 따른 압력조정밸브(PCV) 개도율 데이터 상관관계 구축 및 운영데이터 분석
- (제어기술) 저장조 수위 변경에 따른 질소 소모량 변화 상관성 구축 및 운영데이터 분석
- (HMI국산화) 공정설계도면(P&ID) 기반 신규 운영로직 발굴
◦ 정량적 성과
- 2021년 대한환경공학회 정기학술대회 초순수 강습회(‘21.11.4)
* (좌장) 이경혁박사, (특별 세션) 초순수 기술 개요 및 설계사례 발표 (권병수)
- 2021년 대한환경공학회 정기학술대회 초순수 국산화 성과 워크샵(‘21.11.5)
* (좌장) 임재림박사, (발표) 초순수 운영을 위한 디지털트윈 기술개발 현황 (권병수)

□ 1단계(2차년도)
◦ 정성적 성과
- 초순수 실증플랜트 운영시스템(HMI) 국산화(고도화)
- 초순수 플랜트 공급(회수)라인 계측기 이상발생 및 질소소모 계통 이상발생 진단기술 개발
- 펌프 오작동 대비 질소 사용량 최적화 로직 및 수질 부하 감소를 위한 운영 재개 최적화 로직 구축
- 초순수 전문운영인력 양성(교재개발, 교육 등)
- 1단계 실증플랜트 구축/시운전 추진(플랜트 운영/리스크 관리 매뉴얼 및 시운전계획서 작성)
◦ 정량적 성과
- (핵심지표) 특허출원 2건, 특허등록 1건
- (선택지표) 미국수도협회(AWWA) 초순수 세션 개최/학술발표 1건, 환경공학회-막학회-초순수학회 공동심포지엄 학술발표 1건, 국제담수화워크숍(IDW) 학술발표 1건, UPM 2022 학술발표 1건, 프로그램 등록 신청 2건, 교육개설 2건, 교재발간 1건, 운영매뉴얼 2건

▣ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
□ 개발기술의 성과 활용 계획
◦ 실용화 계획 : SK 실트론 국산화 초순수 플랜트 운영 프로그램(HMI) 적용(2023년)
◦ 사업연계 계획 : 용인반도체클러스터 초순수 공급 플랜트 운영 시스템 적용 및 K-water 산업용수 사업장(대산 산업용수, 대산해수담수, 현대제철 산업용수) 최적 운영을 위한 시스템 적용
◦ 향후 정책연계 계획
- 국가 초순수 국산화 기술 개발 2단계 추진을 위한 기획연구(2023년) 및 용인 초순수 클러스터 사업 예비 타당성 용역(2023년) 추진

□ 개발기술의 파급효과
◦ 기술적 파급효과 : 초순수 기술 신뢰성 확보 및 신규사업 활성화 도모
◦ 경제적 파급효과 및 시장경쟁력
- 기술력 확보를 위한 기반 조성 및 산업용수 사업 활성화, 산업용수 사업 매출액 증대

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 8
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 9
• 1-1. 연구개발 목표 ... 9
• 1-2. 연구개발 배경 및 필요성 ... 11
• 1-3. 초순수 분야 디지털 기술개발 필요성 ... 17
• 1-4. K-water 내 25㎥/일 모형플랜트 현황 ... 22
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 23
• 2-1. 1단계 1차년도 ... 23
• 2-2. 1단계 2차년도 ... 23
• 2-3. 2단계 1차년도 ... 25
• 2-4. 2단계 2차년도 ... 26
• 2-5. 2단계 3차년도 ... 27
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 29
• 1) 연구수행 결과 ... 29
• 2) 목표 달성 수준 ... 139
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 140
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 140
• 2) 자체 보완활동 ... 140
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 140
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 140
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 140
• 7. 연구개발비 사용실적 ... 141
• 8. 중요 연구변경 사항 ... 171
• 9. 다음 단계 연구개발계획 ... 172
• 1) 연구개발 목표 및 내용 ... 172
• 2) 국내외 관련 분야 환경변화 ... 177
• 3) 연구개발 추진전략 ... 178
• 4) 연구개발 일정 및 기대 성과 ... 179
• 5) 다음 단계 연구개발비 사용 계획 ... 182
• 6) 사업화 추진 계획 ... 187
• 7) 연구개발 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 194
• 끝페이지 ... 195