노후 열수송관의 사고예방과 선제적 유지관리를 위한
첨단 손상감지 시스템 개발
고위험 시설물로 인식되는 열수송관, 기존 점검 기술로는 손상감지 불가능
지역난방은 열생산시설(열병합발전소, 열전용보일러, 자원회수시설 등)에서 생산된 열에너지를 열수송관으로 주거 ‧ 상업지역 등의 다수 사용자에게 일괄적으로 공급하는 난방 방법으로써, 2017년 기준 국내 총주택수의 16.4%가 이용하고 있다. 열수송관은 현재 전국에 총 4,278km x 2열(공급관, 회수관)이 매설 되어 있으며, 이 중 20년 이상 사용한 배관은 26%로 한국지역 난방공사 등 7개 사업자가 유지관리하고 있다. 열수송관은 배관 누수 ‧ 파열 등이 빈번히 발생 하는데도 인명피해를 유발하지 않아 가스관 등에 비해 저위험 시설물로 인식ﾷ관리되어왔으나, 2018년 12월 고양 열수송관 파열사고(23명 사상)를 계기로 고위험 시설물로 인식되고 있다.
열수송관은 열생산시설에서 열사용시설까지 열에너지인 온수를 수송‧분배하기 위한 배관으로 공급 중 발생할 수 있는 열손실을 최소화하기 위하여 다른 지하관로와 달리 이중 보온관(내관-보온재-외관)을 사용하고 있다. 열수송관은 사용 전과 정기검사에서 「열공급시설의 검사기준」에 따라 누설 검사 항목 등에 대한 합격 여부를 판정하고 있으며, 운영 중에는 열수송관의 설치상태, 누설 및 보온재 손상 여부 등을 열배관 감시시스템과 비파괴 검사 등을 이용해 정기점검하고 있다.
누수 감지선을 이용한 열배관 감시시스템은 운영 중에 이상신호가 발생하여도 손상 관로 등을 복구하지 않고 방치했다가, 해당 구간의 감시시스템에 작동하지 않으면 ‘미감시’구간으로 분류해 감시를 중단했던 것으로 나타났다. 2019년 3월 기준으로 8,623개 구간 중 2,245개(26%)가 감시시스템을 통해 감시할 수 없는 ‘미감시’ 구간으로 분류됐고, 1993년 이전에 열수송관이 설치된 지역은 49%나 조사됐다.
최근 열수송관의 파열사고의 증가로 많은 손상감지 기술들이 개발되고 있는데, 대표적으로 전자파를 이용한 지표투과레이더(GPR, Ground Penetration Radar)가 있다. 이 기법은 지표면에 전자파를 방사시킨 후 반사체에서 되돌아온 반사파를 이용한 탐사법이나, 지표투과 레이더로 측정된 이미지만으로는 지하관로의 파손과 누수 여부를 판단하기 어렵다. 최근에는 열화상 카메라를 차량이나 드론에 탑재하여 점검하고 있지만, 땅속에 매설된 열수송관 주변 흙의 온도 변화로 손상여부를 파악하기 어렵다. 이외에도 음향을 이용한 방법이 있지만 주변 소음이나 차량주행에 민감하여 실용화되지는 않았다. 이러한 기술적 한계 외에도 점검자가 직접 열수송관 전체를 하나하나 점검해야 하므로 시공간적 한계가 존재한다(서울기술연구원, 2019).
기존 손상감지 시스템의 여러 한계를 혁신적으로 개선한 것이 아래 그림에 제시된 첨단 손상감지 시스템이다. 이 시스템은 첨단 센싱과 무선센서 네트워크 기술로 구성되어 있으며, 열수송관의 손상 정보와 위치를 즉시 파악하고, 이 정보를 IoT 센싱망을 통해 관리자에게 전달한다. 이 기술로 열수송관 파열 사고를 사전에 예방하고, 기존의 육안 점검을 통한 사후 유지관리에서 첨단 기술을 활용한 선제적 유지관리로 패러다임을 전환시킬 수 있다.
첨단 센싱 기술은 땅속에 매설되는 분포형 센서(계측선)와 TDR계측기기, 무선센서 네트워크 기술의 경우 IoT 센싱망을 구성하는 네트워크 기기(노드, 중계기, 베이스)와 네트워크 토폴로지 기술로 각각 구성된다. TDR 계측기기는 전선에 전기펄스(Step pulse)를 주사한 후 반사된 값을 측정하여 끊어진 위치를 찾는 시간반사영역법(TDR, Time Domain Reflectometry)을 이용한 장비이다. 네트워크 토폴로지 기술은 네트워크 기기를 공간적인 배치형태를 의미하며, IoT 센싱망을 구성하는 것으로써 선(Line), 트리(Tree), 메쉬(Mesh) 등의 형태가 있다. 각 전자기기들에서 분석기술까지 열수송관의 손상 감지에 최적화하여 연계개발했다.
땅 속에 매설된 열수송관, 분포형 TDR센싱 기술로 손상 감지
길이가 수십 km에 달하는 열수송관의 손상 감지는 일반적인 지점형 센서(Point Sensor)가 아닌 분포형 센서(Sensing Cable)가 적합하다. 분포형 센서는 전송선(전력선 또는 통신선)에 빛 또는 전기 신호를 흘려서 반사되어온 신호의 변화를 감지하는 시간반사영역법(TDR)을 이용한다. 빛을 이용하는 방식은 계측선으로 광케이블(유리)을 이용하므로 내구성이 낮고 경제성이 매우 떨어지는 반면, 전기 신호를 이용하는 방식은 도체인 금속을 이용하여 사용자가 원하는 데로 계측선을 제작 및 피복할 수 있어 내구성과 경제성을 높일 수 있다. 또한, 물과 전기 특성간에 직접적인 상관관계(유전율)가 있어 해석에 유리한 장점이 있다.
이 TDR기술은 1970년대부터 케이블 단선 감지기로 활용되다가, 1980년대에 토목 및 농업분야에서 탐칭봉(Probe) 형태로 토양수분 및 다짐도 측정에 활용되었다. 하지만 이 탐칭봉(Probe) 형태의 기존 센서는 지점형 이라 한 지점의 정보(흙의 수분함량)만 획득해 긴 지하관로의 손상을 감지할 수 없으며, 강재로 된 탐칭봉은 피복되지 않아 부식된다는 것이 단점이다.
땅 속에 매설된 열수송관의 손상은 TDR기술을 이용한다. 이 기술은 분포형 센서(계측선)과 TDR계측기기으로 구성되며, 최대 1km까지 10cm 간격으로 감지가 가능하다. 계측선은 열수송관 주변 지반에 매설하고 동축케이블로 도로의 보도구간에 설치된 TDR계측기기와 연결된다. 측정 방식은 TDR계측기기에서 전기펄스를 발생시키고 분포형 센서(계측선)을 따라 이동하며 반사된 전기펄스를 감지하게 되며, 획득된 전기파형을 스마트 노드에 전송한다.
분포형 센서(계측선)는 그림 6과 같이 전기펄스가 이동하는 평각선(스테인리스 스틸)에 PVC(Poly Vinyl Chloride)로 피복된 계측선(Line)으로 내구성이 높고 경제적이다. 또한, 100m 단위의 롤(Roll) 형태로 제작되어 현장에서 운반 및 설치가 간편하고, 함께 개발된 연결 키트(Kit)로 10분 내로 쉽고 빠르게 접합할 수 있다.
기존 TDR계측기기는 지점형 센서의 전기펄스 변화량으로 흙의 수분 함량(함수비)을 측정한다. 그러므로 분포형 센서에 적용하기에는 감지거리 (최대 200m)와 감지간격(20cm)이 떨어지며 USB로 컴퓨터에 연결해야만 사용이 가능했다. 새로운 TDR계측기기는 전기펄스(Step pulse)의 생성부를 고속 스위칭 소자를 적용해 거리 탐지에 대한 정확도를 2배 개선하였다. 또한 PCB(Printed Circuit Board)의 아날로그 회로를 디지털화해 최대 1km 감지거리에 10cm(최대 6.7cm) 간격(분해능)을 확보했다. RS-485 통신 인터페이스를 구현해 IoT 센싱망의 스마트 노드와도 연동된다.
분포형 센서에 전기펄스를 흘려 측정한 2차원의 전기파형 정보를 온도, 누수량(함수비) 등 원하는 정보로 실시간 변환(필터링/보정)하는 기법도 새롭게 개발했다. 실내 검증을 거쳐 모니터링 기기에 프로그램으로 탑재했다. 실시간으로 자동 분석이 가능해지고, 정확한 손상 정보만 관리자에게 전달된다. 분포형 센서의 검증과 보정방정식의 개발을 위해, 실내 실험장비를 구축하고 열수송관 손상에 의한 2차원 전기파형을 측정하였다. 그리고, 손상 전후 전기파형의 변화가 발생되는 것을 검증하였다.
광역적으로 매설된 열수송 배관망, 무선센서 네트워크 기술로 땅속 감시망 구축
일반적인 모니터링 시스템은 하나의 구조물 또는 현장에 단일 개별 통신망을 구축하고, 측정된 정보를 송수신하는데, 광역적으로 매설된 열수송관로를 모니터링하기 위해서는 대형 모니터링 시스템의 구축과 유지에 비용이 크게 필요하여 효율이 떨어진다. 따라서, 열수송관로의 손상 감지를 위해서는 저전력 ‧ 고효율의 데이터 획득과 통신 기술도 센싱 기술과 함께 개발이 필요하다. 센서가 장착된 수많은 센서 노드로 구성된 무선센서 네트워크(WSN, Wireless Sensor Network)는 유선 통신과 비교했을 때, 기기 배치가 쉽고 장치의 유연성이 개선되기에 IoT(Internet of Things)의 핵심 기술로 여겨진다(IEC, 2016).
무선센서 네트워크의 노드들은 센서 노드, 중계기 노드, 베이스(게이트웨이), 클라이언트를 포함하며, 모니터링 영역 내부 또는 주변의 수많은 센서 노드의 자동 구성 기능을 통해 네트워크 망을 형성하고, 센서 노드에서 수집된 데이터는 호핑을 통해 다른 센서 노드로 전송된다. 전송되는 동안 다른 센서 노드에서 수집된 데이터도 멀티호핑 후 베이스(게이트웨이)에 도달하게 되며, 마지막으로 서버와의 통신으로 데이터를 최종 전송한다.
무선센서 네트워크를 구성하는 스마트 노드, 중계기, 베이스는 자체 설계 및 제작을 통해 저비용·고효율의 보급형 기기로 개발했다. TDR계측기기 외에도 다양한 센서들과 연결되고 제어관리가 가능하고 손상정보가 노드간 전달되어 데이터 정확성과 일관성을 보증한다. 네트워크 기기들 또한 전력량과 운영 상태까지 제어 관리하는 저비용·저전력·고효율 장비들이다. 네트워크 토폴로지는 각 기기들의 공간적 배치로 IoT 센싱망을 구축하는 것으로써, 배치 방식을 메쉬(Mesh)로 구성해 데이터의 전송 효율까지 개선하였다.
무선센서 네트워크 기술을 이용한 IoT 센싱망은 도시인프라 유지관리를 위한 거버넌스를 구성한다. 이 네트워크 기술은 열수송관 외에도 상하수도, 교량, 도로 등의 도시인프라 시설물에 필요한 다양한 센서들을 모두 지원하므로 유지관리를 위한 거버넌스를 효율적으로 구성한다. 그리고, 흙막이 공사장의 안전 확보나 제설 작업 개선 등의 특수한 목적에도 범용적으로 적용할 수 있다.