WO2012128534A2 - 역삼투화 방식의 해수 담수화 시스템 및 해수 담수화 시스템 제어 방법 - Google Patents

역삼투화 방식의 해수 담수화 시스템 및 해수 담수화 시스템 제어 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a seawater desalination system of the reverse osmosis method and a seawater desalination system control method of the reverse osmosis method.
  • Seawater desalination technologies include evaporation and reverse osmosis (SWRO), and evaporation includes multi-stage flash (MSF) and multi-effect distillation (MED).
  • SWRO evaporation and reverse osmosis
  • MSF multi-stage flash
  • MED multi-effect distillation
  • Multi-stage evaporation is a technique of producing fresh water by condensing seawater in multiple stages, and multi-utilization is the evaporation and latent heat exchange between the water vapor condensed in a tube and the concentrated brine flowing out of the tube.
  • This technique uses the principle of lowering the Reverse osmosis is a technology that produces fresh water by filtering salts by allowing seawater to pass through the membrane at high pressure using a high pressure pump.
  • Reverse osmosis is a technology that greatly reduces the energy cost compared to the conventional evaporation method, the application weight is increasing every year.
  • Seawater desalination requires enormous thermal and electrical energy. Therefore, most desalination facilities have power generation facilities that produce steam and power on their own. Furthermore, they are installed in power generating plants to operate together to reduce energy costs by efficiently utilizing the steam and power produced in-house. have. At present, around 15,000 of these desalination plants produce 40 million tons of drinking water per day. Thermal power has been mainly used for this purpose, but the use of nuclear power or renewable energy is being considered due to fuel costs and greenhouse gas emissions.
  • the intelligent power grid is a next-generation power grid technology that has been transformed from the centralized one-way closed technology base to the distributed grassroots two-way open technology base by combining information and communication technology with the existing power grid.
  • the problem of warming has emerged, its technical importance has been highlighted.
  • power generation and demand facilities are linked to the intelligent power grid, various new power services are possible based on real-time power-related information, and in the case of a reverse osmosis desalination plant, it becomes a major infrastructure to receive these new power services.
  • Intelligent power grid increases the efficiency and reliability of power grid by adding two-way open information and communication infrastructure to the power supply system that connects power generation, transmission, substation, distribution and consumer, and makes it easy to interlock with renewable power-based distributed power and electric vehicles. It will become an important national infrastructure to spread these dissemination. In addition, real-time demand trading and carbon credit trading markets will be activated.
  • seawater desalination costs enormous energy costs.
  • thermal energy is mainly used for reverse osmosis.
  • reverse osmosis the energy consumption is lower than that of the evaporation method and electric energy is used, so it is easy to construct even if it is not near an energy source.
  • the isobaric process through the energy recovery device (ERD) reduces the cost of high pressure pumps, thereby reducing the cost of energy.
  • ELD energy recovery device
  • the cost of freshwater production is still higher than the market price of water, so it is not economical, and thus, commercial investment in a reverse osmosis desalination plant is delayed. Therefore, in order to go beyond the point of securing such economic feasibility, production cost must be reduced through breakthrough technology.
  • the present invention is to provide a reverse osmosis seawater desalination system and a reverse osmosis seawater desalination plant control method for reducing the cost of fresh water production.
  • Seawater desalination system comprises one or more pumps to provide pressurized seawater by applying pressure to the seawater; At least one reverse osmosis membrane for discharging fresh water and concentrated water from the pressurized seawater; At least one pressure regulating device respectively corresponding to the at least one reverse osmosis membrane and installed in a pipe through which concentrated water is discharged; And a control device for determining an operation rate based on the energy price related information, and controlling the one or more pumps according to the determined operation rate, wherein the control device controls the one or more pressure regulating devices to be applied to the one or more reverse osmosis membranes. Adjust the pressure
  • the seawater desalination system further includes two or more energy recovery devices, wherein the control device may operate some or all of the two or more energy recovery devices according to the determined operation rate.
  • the one or more reverse osmosis membranes correspond to two or more reverse osmosis membranes
  • the seawater desalination system further includes two or more inflow valves corresponding to the two or more reverse osmosis membranes, and the control device controls the two or more inflow valves according to the determined operation rate. To operate some or all of the two or more reverse osmosis membranes.
  • the treatment volume of one of the at least two reverse osmosis membranes is different from the treatment volume of the other, and the control device may determine the combination of reverse osmosis membranes to be operated according to the determined operation rate.
  • the one or more pumps correspond to one pump, and the control device may adjust the output of the one pump according to the determined operation rate.
  • the one or more pumps correspond to two or more pumps, and the control device may run some or all of the two or more pumps according to the determined operation rate.
  • the maximum output of one of the two or more pumps is different from the maximum output of the other, and the control device may determine the combination of pumps to be operated according to the determined operation rate.
  • Seawater desalination system comprises two or more pumps for providing pressurized seawater by applying pressure to the seawater; At least one reverse osmosis membrane for discharging fresh water and concentrated water from the pressurized seawater; And a control device for determining an operation rate based on the energy price related information and for operating some or all of the two or more pumps according to the determined operation rate.
  • the one or more reverse osmosis membranes correspond to two or more reverse osmosis membranes, and the control device may operate some or all of the two or more reverse osmosis membranes according to the determined operation rate.
  • the seawater desalination system is one or more pumps providing pressurized seawater by applying pressure to the seawater, draining freshwater and concentrated water from the pressurized seawater.
  • At least one reverse osmosis membrane, and at least one pressure regulating device installed at the pipe from which the concentrated water is discharged the method comprising: receiving energy price related information; Determining an operation rate based on the energy price related information; Controlling the one or more pumps according to the operation rate; And controlling the one or more pressure regulating devices to adjust the pressure applied to the one or more reverse osmosis membranes.
  • the seawater desalination system may further include two or more energy recovery devices, and the seawater desalination system control method may further include operating some or all of the two or more energy recovery devices according to the determined operation rate.
  • the one or more pumps correspond to one pump, and the controlling of the one or more pumps may include adjusting the output of the one pump according to the operation rate.
  • the one or more pumps correspond to two or more pumps, and controlling the one or more pumps may include starting some or all of the two or more pumps according to the operation rate.
  • the one or more reverse osmosis membranes correspond to two or more reverse osmosis membranes, and the controlling of the one or more pumps may include operating some or all of the two or more reverse osmosis membranes according to the operation rate.
  • the operation rate of the seawater desalination plant in conjunction with the energy price-related information provided by the intelligent power grid, it is possible to increase the price competitiveness of desalination production, and to incentives such as the reduction in power demand, carbon credits, etc. Can earn additional revenue.
  • the seawater desalination plant by operating the seawater desalination plant in conjunction with a power source that does not have operational flexibility, such as nuclear or renewable energy, the seawater desalination plant consumes the excessively produced electricity to drive the power source It can provide flexibility, reduce greenhouse gas emissions by increasing power generation without carbon emissions, and solve the problem of water through the production of cheap fresh water.
  • a power source that does not have operational flexibility, such as nuclear or renewable energy
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a seawater desalination network according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a seawater desalination plant of a reverse osmosis method of a single pump single train structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing a seawater desalination plant of a reverse osmosis method of a single pump multi-train structure according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a seawater desalination plant of the reverse osmosis method of the multi-pump single train structure according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a seawater desalination plant of the reverse osmosis method of the multi-pump multi-train structure according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a flow chart showing a seawater desalination plant control method according to an embodiment of the present invention.
  • the following describes a seawater desalination network according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a seawater desalination network according to an embodiment of the present invention.
  • the seawater desalination network 1 includes a seawater desalination system 10, an intelligent power grid 20, a demand management operating market server 30, and a carbon credit trading server ( 40, the seawater desalination system 10 includes a seawater desalination plant 100, a control system 200, and an energy management system 300.
  • the seawater desalination plant 100 performs seawater desalination using a reverse osmosis method.
  • the control system 200 controls the seawater desalination plant 100 to reduce the desalination cost by using the information obtained through the intelligent power grid 20.
  • the energy management system 300 trades the demand reduction amount and the carbon emission right obtained by the control system 200 by controlling the seawater desalination plant 100 through the demand management operation market server 30 and the carbon emission trading server 40. do.
  • the intelligent power grid 20 provides real-time power bill information, demand adjustment request information, carbon credit information, and the like.
  • the demand management operation market server 30 is a server for trading demand reduction amount.
  • the carbon credit trading server 40 is a server for trading carbon credits.
  • FIG. 2 is a view showing a seawater desalination plant of a reverse osmosis method of a single pump single train structure according to the first embodiment of the present invention.
  • the thick solid line represents the pipe.
  • Components connected to the control system 200 in a broken line may be controlled by the control system 200.
  • the seawater desalination plant 100 of the reverse osmosis method of the single pump single train structure includes one high pressure pump 110a and one reverse osmosis membrane (Reverse Osmosis Membrane) ( 140a), one pressure regulating device 150a, one or more energy recovery device inlet valves 160a, one or more energy recovery devices 170a, and a booster pump 180a.
  • Reverse Osmosis Membrane reverse osmosis Membrane
  • the high pressure pump 110a applies pressure to seawater provided from a seawater intake pump (not shown) to send pressurized seawater to the reverse osmosis membrane 140a.
  • the output of the high pressure pump 110a is regulated by the control system 200. That is, the pressure exerted by the high pressure pump 110a to the seawater may be adjusted by the control system 200.
  • the high pressure pump 110a includes a multistage spiral winding pump and a flanger pump.
  • the multi-stage winding pump has a structure in which a plurality of vanes are arranged side by side in series, and the efficiency is higher as it becomes larger.
  • the efficiency of the multi-stage winding pump is low as 40 ⁇ 75%, it can be installed together with the energy recovery device and can increase the overall efficiency.
  • the plunger pump efficiency is very high as 70-95%, but it has been used a lot since the example, but has problems such as vibration.
  • the reverse osmosis membrane 140a discharges low pressure fresh water and high pressure concentrated water from the pressurized seawater. Normally 48 to 63 bar of pressure is required for economic freshwater production.
  • the pressure regulating device 150a is installed in a pipe through which the high pressure concentrated water is discharged, and adjusts the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140a by the seawater pressurized by the high pressure pump 110a.
  • An example of a pressure regulating device is a pressure regulating valve.
  • the control system 200 may control the pressure regulating device 150a to adjust the size of the discharge passage of the concentrated water. The larger the size of the discharge passage of the concentrated water, the smaller the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140a, and the smaller the size of the discharge passage of the concentrated water, the larger the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140a.
  • the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140a may be controlled by the output of the high pressure pump 110a and the size of the discharge passage of the concentrated water by the operation of the pressure regulating device 150a.
  • the output of the high pressure pump 110a When the output of the high pressure pump 110a is large, the amount of seawater introduced per hour is large, so even if the discharge passage of the concentrated water is relatively large, the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140a is 48 to 63 bar, which is an economic freshwater production pressure. Can be reached. In this case, since the amount of seawater introduced per hour is large, the amount of fresh water discharged per hour and the amount of concentrated water discharged per hour also increase. Since the high pressure pump 110a accounts for a large portion of the power consumed by the reverse osmosis and seawater desalination plant, it is possible to increase freshwater production with a large power consumption.
  • the amount of seawater introduced per hour is small, so that the size of the discharge passage of the concentrated water should be relatively small.
  • the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140a is 48 ⁇ 63 bar, which is an economic freshwater production pressure. Can be reached.
  • the amount of seawater introduced per hour is small, the amount of fresh water discharged per hour and the amount of concentrated water discharged per hour are also reduced. As such, freshwater production can be reduced with less power consumption.
  • control system 200 may control the high pressure pump 110a and the pressure regulating device 150a to adjust the operation rate and power consumption of the seawater desalination plant 100.
  • One or more energy recovery device inlet valves 160a under the control of the control system 200 in order to maintain the pressure of the concentrated water that has passed through the pressure regulating device 150a according to the operation rate of the seawater desalination plant 100 above a certain level. Some of them are open and others are closed. This is because the energy recovery efficiency of the energy recovery device 170a can be increased only when the pressure of the concentrated water passing through the pressure regulating device 150a is maintained at a predetermined level or more. That is, the greater the operating rate of the seawater desalination plant 100, the more energy recovery device inlet valve 160a is opened, and the smaller the utilization rate of seawater desalination plant 100, the more energy recovery device inlet valve 160a is closed.
  • the energy recovery device operating among the one or more energy recovery devices 170a is energy generated when the high pressure concentrated water flowing from the open energy recovery device inlet valve 160a is converted into the low pressure concentrated water. Convert seawater into high pressure seawater.
  • the energy recovery device includes a turbine type and a cylinder type device, and a combination type device combining the two.
  • the booster pump 180a Since the pressure of the high pressure seawater output from the energy recovery device 170a is lower than the pressure of the high pressure seawater output from the high pressure pump 110a, the booster pump 180a has a high pressure output from the energy recovery device 170a. Apply additional pressure to the seawater.
  • the high pressure seawater output from the booster pump 180a is combined with the high pressure seawater output from the high pressure pump 110a and provided to the reverse osmosis membrane 140a.
  • FIG. 3 is a view showing a seawater desalination plant of a reverse osmosis method of a single pump multi-train structure according to a second embodiment of the present invention.
  • the thick solid line represents the pipe.
  • Components connected to the control system 200 in a broken line may be controlled by the control system 200.
  • the seawater desalination plant 100 of the reverse osmosis method of the single pump multi-train structure includes one high pressure pump 110b, a plurality of reverse osmosis membrane inflow valves 130b, And a plurality of reverse osmosis membranes 140b, a plurality of pressure regulating devices 150b, one or more energy recovery device inlet valves 160b, one or more energy recovery devices 170b, and a booster pump 180b.
  • the high pressure pump 110b applies pressure to the seawater provided from the seawater intake pump and sends the pressurized seawater to the plurality of reverse osmosis membranes 140b through open valves among the plurality of reverse osmosis membrane inflow valves 130b.
  • the output of the high pressure pump 110b may be regulated by the control system 200.
  • the control system 200 may control the high pressure pump 110b to adjust the operation rate and power consumption of the seawater desalination plant 100.
  • some of the plurality of reverse osmosis membrane inlet valves 130b are opened by the control of the control system 200, and the others are closed. Pressurized seawater is provided to the reverse osmosis membrane 140b only through the open reverse osmosis membrane inflow valve 130b.
  • the plurality of reverse osmosis membranes 140b are respectively connected to the plurality of reverse osmosis membrane inlet valves 130b by pipes.
  • the reverse osmosis membrane 140b connected to the open reverse osmosis membrane inlet valve 130b discharges low pressure fresh water and high pressure concentrated water from the pressurized seawater.
  • the plurality of reverse osmosis membranes 140b may have different treatment capacities, respectively. For example, if the seawater desalination plant 100 has four reverse osmosis membranes 140b with treatment capacity of 10%, 20%, 30%, 40%, seawater desalination according to various combinations of the four reverse osmosis membranes 140b.
  • the plant 100 may have a treatment capacity of 0% to 100% in units of 10%, thereby increasing the efficiency of freshwater production.
  • the plurality of pressure regulating devices 150b are respectively installed in the discharge pipes of the plurality of reverse osmosis membranes 140b through which the concentrated water of high pressure is discharged to adjust the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140b by the seawater pressurized by the high pressure pump 110b.
  • One or more energy recovery device inlet valves 160b under the control of the control system 200 in order to maintain the pressure of the concentrated water that has passed through the pressure regulating device 150b according to the operation rate of the seawater desalination plant 100 above a certain level. Some of them are open and others are closed.
  • the energy recovery device operating among the one or more energy recovery devices 170b is an energy generated when the high pressure concentrated water flowing from the open energy recovery device inlet valve 160b is converted into the low pressure concentrated water and received from the seawater intake pump. Convert seawater into high pressure seawater.
  • the booster pump 180b applies additional pressure to the high pressure seawater output from the energy recovery device 170b.
  • the high pressure seawater output from the booster pump 180b is combined with the high pressure seawater output from the high pressure pump 110b and provided to the reverse osmosis membrane 140b.
  • FIG. 4 is a view showing a seawater desalination plant of the reverse osmosis method of the multi-pump single train structure according to the third embodiment of the present invention.
  • the thick solid line represents the pipe.
  • Components connected to the control system 200 in a broken line may be controlled by the control system 200.
  • the seawater desalination plant 100 of the reverse osmosis method of the multi-pump single train structure includes a plurality of high pressure pumps 110c and a plurality of high pressure pump discharge valves 120c.
  • the plurality of high pressure pumps 110c apply pressure to the seawater provided from the seawater intake pump to send the pressurized seawater to the reverse osmosis membrane 140c.
  • the pump to operate among the plurality of high pressure pumps 110c may be determined by the control system 200.
  • the output of the operating high pressure pump may be regulated by the control system 200. That is, the control system 200 may operate only a part of the plurality of high pressure pumps 110c and adjust the output of the operating high pressure pump to adjust the operation rate and power consumption of the seawater desalination plant 100.
  • the plurality of high pressure pumps 110c may have different maximum outputs, respectively.
  • the seawater desalination plant 100 may have four high pressure pumps 110c each having a maximum output of 10%, 20%, 30%, and 40% based on 100% utilization, four high pressure pumps ( According to various combinations of 110c), the seawater desalination plant 100 may have an operation rate of 0% to 100% in units of 10%.
  • the seawater desalination plant 100 can use a simple high pressure pump that can only be turned on and off for various operating rates, thereby lowering the cost of the high pressure pump. If a high pressure pump with controlled output is used, the seawater desalination plant 100 may have more varied operation rates.
  • a plurality of high pressure pump discharge valves 120c are provided to prevent backflow of high pressure seawater to the inactive high pressure pump. That is, the plurality of high pressure pump discharge valves 120c are respectively connected to the output pipes of the plurality of high pressure pumps 110c, and when the operation of the high pressure pump 110c is stopped, the corresponding high pressure pump discharge valves 120c are controlled by the control system. It is locked by the control of 200.
  • the reverse osmosis membrane 140c discharges low pressure fresh water and high pressure concentrated water from the pressurized seawater.
  • the pressure regulating device 150c is installed in a pipe through which the high pressure concentrated water is discharged, and adjusts the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140c by the seawater pressurized by the high pressure pump 110c.
  • One or more energy recovery device inlet valves 160c under the control of the control system 200 in order to maintain the pressure of the concentrated water passing through the pressure regulating device 150c above a certain level according to the operation rate of the seawater desalination plant 100. Some of them are open and others are closed.
  • the energy recovery device operating among the one or more energy recovery devices 170c is an energy generated when the high pressure concentrated water flowing from the open energy recovery device inlet valve 160c is converted into the low pressure concentrated water and received from the seawater intake pump. Convert seawater into high pressure seawater.
  • the booster pump 180c applies additional pressure to the high pressure seawater output from the energy recovery device 170c.
  • the high pressure seawater output from the booster pump 180c is combined with the high pressure seawater output from the high pressure pump 110c and provided to the reverse osmosis membrane 140c.
  • FIG. 5 is a view showing a seawater desalination plant of the reverse osmosis method of the multi-pump multi-train structure according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the thick solid line represents the pipe.
  • Components connected to the control system 200 in a broken line may be controlled by the control system 200.
  • the seawater desalination plant 100 having the reverse osmosis method of the multi-pump multi-train structure according to the fourth embodiment of the present invention includes a plurality of high pressure pumps 110d and a plurality of high pressure pump discharge valves 120d.
  • the plurality of high pressure pumps 110d pressurizes the seawater provided from the seawater intake pump to send the pressurized seawater to the plurality of reverse osmosis membranes 140d.
  • the pump to operate among the plurality of high pressure pumps 110d may be determined by the control system 200.
  • the output of the operating high pressure pump may be regulated by the control system 200. That is, the control system 200 may operate only a part of the plurality of high pressure pumps 110d and adjust the output of the operating high pressure pump to adjust the operation rate and power consumption of the seawater desalination plant 100.
  • a plurality of high pressure pump discharge valves 120d are provided to prevent backflow of high pressure seawater to the inactive high pressure pump. That is, the plurality of high pressure pump discharge valves 120d are respectively connected to the output pipes of the plurality of high pressure pumps 110d, and when the operation of the high pressure pump 110d is stopped, the corresponding high pressure pump discharge valve 120d is the control system. It is locked by the control of 200.
  • some of the plurality of reverse osmosis membrane inlet valves 130d are opened by the control of the control system 200, and the others are closed.
  • the pressurized seawater is provided to the reverse osmosis membrane 140d only through the open reverse osmosis membrane inflow valve 130d.
  • the plurality of reverse osmosis membranes 140d are respectively connected to the plurality of reverse osmosis membrane inflow valves 130d by pipes.
  • the reverse osmosis membrane 140d connected to the open reverse osmosis membrane inflow valve 130d discharges low pressure fresh water and high pressure concentrated water from the pressurized seawater.
  • the plurality of reverse osmosis membranes 140d may have different treatment capacities, respectively.
  • the plurality of pressure regulating devices 150d are respectively installed in the discharge pipes of the plurality of reverse osmosis membranes 140d through which the high-pressure concentrated water is discharged, thereby adjusting the pressure applied to the reverse osmosis membrane 140d by the high pressure pump 110d.
  • One or more energy recovery device inlet valves 160d under the control of the control system 200 in order to maintain the pressure of the concentrated water passing through the pressure regulating device 150d above a certain level according to the operation rate of the seawater desalination plant 100. Some of them are open and others are closed.
  • the energy recovery device operating among the one or more energy recovery devices 170d is energy generated when the high pressure concentrated water flowing from the open energy recovery device inlet valve 160d is converted into the low pressure concentrated water. Convert seawater into high pressure seawater.
  • the booster pump 180d applies additional pressure to the high pressure seawater output from the energy recovery device 170d.
  • the high pressure seawater output from the booster pump 180d is combined with the high pressure seawater output from the high pressure pump 110d and provided to the reverse osmosis membrane 140d.
  • FIG. 6 is a flow chart showing a seawater desalination plant control method according to an embodiment of the present invention.
  • control system 200 receives energy price related information, such as smart grid price information, carbon emission trading information, power use reduction request, etc. from the intelligent power grid 20 (S101).
  • energy price related information such as smart grid price information, carbon emission trading information, power use reduction request, etc.
  • the control system 200 determines the power consumption (operation rate) for the seawater desalination plant 100 according to the energy price related information (S103).
  • the control system 200 may determine the power consumption of the section having the highest ratio of freshwater production to total energy cost based on the energy price related information.
  • incentives may be given when power consumption is high and power consumption is reduced.
  • the control system 200 may reduce power consumption for the seawater desalination plant 100 based on the energy price related information.
  • the control system 200 determines the control content of the high pressure pump according to the determined power consumption (operation rate) (S105), and controls the high pressure pump according to the determined content (S107). If the seawater desalination plant 100 has a single high pressure pump, the control system 200 may determine the output of the high pressure pump corresponding to the determined power consumption (operation rate). If the seawater desalination plant 100 has a plurality of high pressure pumps with the same maximum output, the control system 200 may determine the number and output of the high pressure pump to operate for the determined power consumption (operation rate). If the seawater desalination plant 100 has a plurality of high pressure pumps with different maximum outputs, the control system 200 may determine the combination and output of the high pressure pump to operate for the determined power consumption (operation rate).
  • control system 200 determines the control content of the reverse osmosis membrane inflow valve according to the determined power consumption (operation rate) (S109), and controls the reverse osmosis membrane inflow valve according to the determined contents (S111). If the seawater desalination plant 100 has a plurality of reverse osmosis membranes having the same processing capacity, the control system 200 may determine the number of reverse osmosis membranes to use for the determined power consumption (operation rate). If the seawater desalination plant 100 has a plurality of reverse osmosis membranes having different treatment capacities, the control system 200 may determine a combination of reverse osmosis membranes to be used for the determined power consumption (operation rate).
  • the control system 200 controls the pressure regulating device to adjust the pressure applied to the reverse osmosis membrane to a predetermined criterion (for example, 48 to 63 bar) (S113).
  • a predetermined criterion for example, 48 to 63 bar
  • the control system 200 determines the number or combination of energy recovery devices to be operated for optimal energy recovery according to the determined power consumption (operation rate), and starts or stops the energy recovery device according to the determined content, and the energy to be operated.
  • the energy recovery device inlet valve corresponding to the recovery device is opened and the energy recovery device inlet valve corresponding to the energy recovery device to be stopped is locked (S115).

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Abstract

역삼투화 방식의 해수 담수화 시스템이 개시된다. 해수 담수화 시스템은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 제공하는 하나 이상의 펌프와, 가압된 해수로부터 담수와 농축수를 배출하는 하나 이상의 역삼투막과 농축수가 배출되는 파이프에 설치되는 하나 이상의 압력 조절 장치와 제어 장치를 포함한다. 제어 장치는 에너지 가격 관련 정보를 바탕으로 가동률을 결정하고, 결정된 가동률에 따라 하나 이상의 펌프를 제어한다. 제어 장치는 하나 이상의 압력 조절 장치를 제어하여 하나 이상의 역삼투막에 가해지는 압력을 조절한다.

Description

역삼투화 방식의 해수 담수화 시스템 및 해수 담수화 시스템 제어 방법
본 발명은 역삼투화 방식의 해수 담수화 시스템 및 역삼투화 방식의 해수 담수화 시스템 제어 방법에 관한 것이다.
해수 담수화 기술로 증발법과 역삼투압(Seawater Reverse Osmosis, SWRO) 방식이 있으며, 증발법으로 다단 증발법(Multi-Stage Flash, MSF), 다중효용법(Multi-Effect Distillation, MED)이 있다.
다단 증발법은 해수를 다단계로 증발시킨 이를 응축시켜 담수를 생성하는 기술이고, 다중효용법은 관(tube) 내에서 응축하는 수증기와 관 외부를 흐르는 농염수 간의 잠열 교환에 의한 증발과 용기 내의 압력을 낮추는 원리를 이용한 기술이다. 역삼투압 방식은 고압의 펌프를 사용하여 고압으로 해수가 분리막을 통과하도록 하여 염분을 걸러내어 담수를 생산하는 기술이다. 역삼투압 방식은 기존의 증발법 방식에 비해 에너지 비용을 매우 절감하는 기술로서 그 적용 비중이 매년 증가하고 있다.
해수 담수화를 위하여는 막대한 열에너지 및 전기 에너지를 필요로 한다. 따라서 대부분의 담수화 설비들은 자체적으로 증기와 전력을 생산하는 발전 설비들을 갖추고 있으며, 더 나아가 전력을 생산하는 발전소내에 설치되어 같이 운영되면서 자체 생산되는 증기와 전력을 효율적으로 활용하여 에너지 비용을 절감하도록 하고 있다. 현재 세계적으로 이러한 담수화 발전설비는 15,000 개 정도로 일일 4천만톤의 식수를 생산하고 있다. 이를 위한 발전원으로는 주로 화력이 사용되어 왔지만 연료비 증가와 온실가스 배출 등의 문제로 원자력이나 신재생에너지의 사용을 고려하고 있다.
한편, 지능형 전력망은 기존의 전력망에 정보통신 기술을 접목하여 중앙집중식 단방향 폐쇄적 기술 기반에서 분산 풀뿌리식 양방향 개방적 기술 기반 형태로 전환된 차세대 전력망 기술로서, 분산 전원 형태의 신재생 에너지 개발에 적합하여 지구 온난화 문제가 대두되면서 그 기술적 중요성이 부각되고 있다. 이러한 지능형 전력망에 발전 및 수요설비가 연동되면 실시간 전력 관련 정보를 기반으로 다양한 신 전력서비스가 가능하게 되며, 역삼투압 방식의 해수담수화 플랜트의 경우 이러한 신 전력서비스를 받을 수 있는 주요한 기반 설비가 된다.
지능형 전력망은 발전, 송전, 변전, 배전 그리고 수용가를 연결하는 전력 공급 체제에 양방향 개방형 정보 통신 인프라를 추가함으로써 전력망의 효율성 및 신뢰성을 증대시키면서, 신재생에너지 기반의 분산 전원 및 전기자동차의 연동이 용이해져서 이들 보급을 확산시키는 국가적 중요한 기반시설이 될 것이다. 또한 이를 기반으로 실시간 수요 거래 및 탄소배출권 거래 시장 등이 활성화될 것이다.
증발법 또는 역삼투압 방식에 상관없이 해수 담수화 과정에는 막대한 에너지 비용이 들어간다. 증발법의 경우 열에너지가 역삼투압 방식의 경우 주로 전기에너지가 사용된다. 역삼투압 방식의 경우, 증발법에 비하여 에너지 소모량이 적게 들며 전기에너지를 사용하기 때문에 에너지원 근처가 아니더라도 건설이 용이하다. 또한 에너지회수장치(Energy Recovery Device, ERD)를 통한 등압공정(Isobaric Process)으로 고압펌프의 부하를 줄여 에너지 비용을 줄임으로서 가격 경쟁력을 높이고 있다. 하지만, 국내를 비롯하여 일반 지역에서는 아직도 담수 생산 비용이 물의 시장 가격보다 비싸기 때문에 경제성을 갖지 못하고, 따라서 역삼투압 방식의 해수담수화 플랜트의 상업적 투자가 지연되고 있다. 따라서 이러한 경제성 확보 시점을 넘기 위해서는 획기적인 기술을 통해 생산 단가를 줄여야 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 담수 생산 단가를 줄이는 역삼투화 방식의 해수 담수화 시스템 및 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 해수 담수화 시스템은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 제공하는 하나 이상의 펌프; 상기 가압된 해수로부터 담수와 농축수를 배출하는 하나 이상의 역삼투막; 상기 하나 이상의 역삼투막에 각각 대응하고, 농축수가 배출되는 파이프에 설치되는 하나 이상의 압력 조절 장치; 및 에너지 가격 관련 정보를 바탕으로 가동률을 결정하고, 결정된 가동률에 따라 상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 제어 장치를 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 하나 이상의 압력 조절 장치를 제어하여 상기 하나 이상의 역삼투막에 가해지는 압력을 조절한다.
해수 담수화 시스템은 둘 이상의 에너지 회수 장치를 더 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 에너지 회수 장치 중 일부 또는 전부를 가동시킬 수 있다.
상기 하나 이상의 역삼투막은 둘 이상의 역삼투막에 해당하고, 상기 해수 담수화 시스템은 상기 둘 이상의 역삼투막에 각각 대응하는 둘 이상의 유입 밸브를 더 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 유입 밸브를 제어하여 상기 둘 이상의 역삼투막의 일부 또는 전부를 가동시킬 수 있다.
상기 둘 이상의 역삼투막 중 하나의 처리 용량은 다른 하나의 처리 용량과 다르고, 상기 제어 장치는 가동되는 역삼투막의 조합을 상기 결정된 가동률에 따라 결정할 수 있다.
상기 하나 이상의 펌프는 하나의 펌프에 해당하고, 상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 하나의 펌프의 출력을 조절할 수 있다.
상기 하나 이상의 펌프는 둘 이상의 펌프에 해당하고, 상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 펌프의 일부 또는 전부를 가동시킬 수 있다.
상기 둘 이상의 펌프 중 하나의 최대 출력은 다른 하나의 최대 출력과 다르고, 상기 제어 장치는 가동되는 펌프의 조합을 상기 결정된 가동률에 따라 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 해수 담수화 시스템은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 제공하는 둘 이상의 펌프; 상기 가압된 해수로부터 담수와 농축수를 배출하는 하나 이상의 역삼투막; 및 에너지 가격 관련 정보를 바탕으로 가동률을 결정하고, 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 펌프 중 일부 또는 전부를 가동시키는 제어 장치를 포함한다.
상기 하나 이상의 역삼투막은 둘 이상의 역삼투막에 해당하고, 상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 역삼투막 중 일부 또는 전부를 가동시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 해수 담수화 시스템을 제어하는 방법과 관련하여, 상기 해수 담수화 시스템은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 제공하는 하나 이상의 펌프, 상기 가압된 해수로부터 담수와 농축수를 배출하는 하나 이상의 역삼투막, 및 농축수가 배출되는 파이프에 설치되는 하나 이상의 압력 조절 장치를 포함하고, 상기 방법은 에너지 가격 관련 정보를 수신하는 단계; 상기 에너지 가격 관련 정보를 바탕으로 가동률을 결정하는 단계; 상기 가동률에 따라 상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계; 및 상기 하나 이상의 압력 조절 장치를 제어하여 상기 하나 이상의 역삼투막에 가해지는 압력을 조절하는 단계를 포함한다.
상기 해수 담수화 시스템은 둘 이상의 에너지 회수 장치를 더 포함하고, 상기 해수 담수화 시스템 제어 방법은 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 에너지 회수 장치 중 일부 또는 전부를 가동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 펌프는 하나의 펌프에 해당하고, 상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계는 상기 가동률에 따라 상기 하나의 펌프의 출력을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 펌프는 둘 이상의 펌프에 해당하고, 상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계는 상기 가동률에 따라 상기 둘 이상의 펌프 중 일부 또는 전부를 가동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 역삼투막은 둘 이상의 역삼투막에 해당하고, 상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계는 상기 가동률에 따라 상기 둘 이상의 역삼투막 중 일부 또는 전부를 가동시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 특징에 따르면, 지능형 전력망이 제공하는 에너지 가격 관련 정보에 연동하여 해수 담수화 플랜트의 가동율을 조절함으로써 담수화 생산의 가격 경쟁력을 높일 수 있고, 판매 가능한 전력 수요 감소량, 탄소 배출권 등과 같은 인센티브를 획득하여 추가적 수익을 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 한 특징에 따르면, 원자력이나 신재생에너지 등의 운전유연성을 갖지 못하는 발전원과 연동하여 해수 담수화 플랜트를 운전함으로써 해수 담수화 플랜트는 과잉 생산되는 전기를 소비하여 해당 발전원에 운전유연성을 제공할 수 있고, 탄소배출이 없는 전력원의 발전량 증대를 통한 온실가스 감축과 값싼 담수를 생산을 통한 물 문제를 동시에 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화 네트워크를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일 펌프 단일 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단일 펌프 멀티 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 멀티 펌프 단일 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 멀티 펌프 멀티 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화 플랜트 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화 네트워크를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해수담수화 네트워크를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화 네트워크(1)는 해수 담수화 시스템(10), 지능형 전력망(20), 수요 관리 운영 시장 서버(30), 및 탄소 배출권 거래 서버(40)를 포함하고, 해수 담수화 시스템(10)은 해수 담수화 플랜트(100), 제어 시스템(200) 및 에너지 관리 시스템(300)를 포함한다.
해수 담수화 플랜트(100)는 역삼투화 방식을 이용하여 해수 담수화를 수행한다.
제어 시스템(200)는 지능형 전력망(20)을 통해 획득한 정보를 이용하여 담수화 비용을 줄일 수 있도록 해수 담수화 플랜트(100)를 제어한다.
에너지 관리 시스템(300)은 제어 시스템(200)이 해수 담수화 플랜트(100)를 제어하여 획득한 수요 감소량 및 탄소 배출권 등을 수요 관리 운영 시장 서버(30)와 탄소 배출권 거래 서버(40)를 통해 거래한다.
지능형 전력망(20)은 실시간 전력 요금 정보, 수요 조절 요구 정보, 탄소 배출권 정보 등을 제공한다.
수요 관리 운영 시장 서버(30)는 수요 감소량을 거래하기 위한 서버이다.
탄소 배출권 거래 서버(40)는 탄소 배출권을 거래하기 위한 서버이다.
다음은 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 해수 담수화 플랜트(100)를 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일 펌프 단일 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다. 도 2에서 굵은 실선은 파이프를 나타낸다. 제어 시스템(200)과 파선으로 연결된 구성 요소들은 제어 시스템(200)에 의해 제어될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일 펌프 단일 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트(100)는 하나의 고압 펌프(110a), 하나의 역삼투막(Reverse Osmosis Membrane)(140a), 하나의 압력 조절 장치(150a), 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160a), 하나 이상의 에너지 회수 장치(170a), 및 부스터 펌프(180a)를 포함한다.
고압 펌프(110a)는 해수 취수 펌프(도시하지 않음)로부터 제공받은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 역삼투막(140a)에 보낸다. 고압 펌프(110a)의 출력은 제어 시스템(200)에 의해 조절된다. 즉, 고압 펌프(110a)가 해수에 가하는 압력은 제어 시스템(200)에 의해 조절될 수 있다.
고압 펌프(110a)는 다단와권 펌프와 플란져 펌프 등이 있다. 다단와권 펌프는 복수의 날개차를 직렬로 나란히 배치한 구조로 대형이 될수록 효율이 높다. 또한 다단와권 펌프의 효율은 40 ~ 75 %로 낮으므로 에너지 회수장치와 같이 설치하며 전체적인 효율을 높일 수 있다. 플란저 펌프 효율은 70~95%로 매우 높아 예로 부터 많이 사용하여 왔으나 진동 등의 문제를 가진다.
역삼투현상에 의해 역삼투막(140a)은 가압된 해수로부터 저압의 담수와 고압의 농축수를 배출한다. 통상 경제적인 담수 생산을 위하여 48~63bar 정도의 압력이 필요하다.
압력 조절 장치(150a)는 고압의 농축수가 배출되는 파이프에 설치되어 고압 펌프(110a)에 의해 가압된 해수가 역삼투막(140a)에 가하는 압력을 조절한다. 압력 조절 장치의 예로서 압력 조절 밸브를 들 수 있다. 제어 시스템(200)은 압력 조절 장치(150a)를 제어하여 농축수의 배출 통로의 크기를 조절할 수 있다. 농축수의 배출 통로의 크기가 클 수록 해수가 역삼투막(140a)에 가하는 압력의 크기는 작아지고, 농축수의 배출 통로의 크기가 작을 수록 해수가 역삼투막(140a)에 가하는 압력의 크기는 커진다.
해수가 역삼투막(140a)에 가하는 압력은 고압 펌프(110a)의 출력과 압력 조절 장치(150a)의 조작에 의한 농축수의 배출 통로의 크기에 의해 조절될 수 있다.
고압 펌프(110a)의 출력이 큰 경우 시간당 유입되는 해수의 양이 많으므로 농축수의 배출 통로의 크기가 비교적 커도, 해수가 역삼투막(140a)에 가하는 압력이 경제적인 담수 생산 압력인 48~63bar에 도달할 수 있다. 이 경우, 시간당 유입되는 해수의 양이 많으므로 시간당 배출되는 담수의 양과 시간당 배출되는 농축수의 양도 많아진다. 역삼투와 방식의 해수 담수화 플랜트가 소모하는 전력 중에서 고압 펌프(110a)가 차지하는 비중이 크므로, 큰 전력 소모로 담수 생산량을 높일 수 있다.
고압 펌프(110a)의 출력이 작은 경우 시간당 유입되는 해수의 양이 작으므로 농축수의 배출 통로의 크기가 비교적 작아져야, 해수가 역삼투막(140a)에 가하는 압력이 경제적인 담수 생산 압력인 48~63bar에 도달할 수 있다. 이 경우, 시간당 유입되는 해수의 양이 적으므로 시간당 배출되는 담수의 양과 시간당 배출되는 농축수의 양도 적어진다. 이와 같이, 적은 전력 소모로 담수 생산량을 줄일 수 있다.
이처럼, 제어 시스템(200)은 고압 펌프(110a)와 압력 조절 장치(150a)를 제어하여 해수 담수화 플랜트(100)의 가동률과 전력 소모를 조절할 수 있다.
해수 담수화 플랜트(100)의 가동률에 따라 압력 조절 장치(150a)를 통과한 농축수의 압력을 일정 이상으로 유지하기 위하여, 제어 시스템(200)의 제어에 의해 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160a) 중 일부는 열리고, 나머지는 닫힌다. 이는 압력 조절 장치(150a)를 통과한 농축수의 압력이 일정 이상으로 유지되어야 에너지 회수 장치(170a)의 에너지 회수 효율을 높일 수 있기 때문이다. 즉, 해수 담수화 플랜트(100)의 가동률이 클수록 더 많은 에너지 회수 장치 유입 밸브(160a)가 열리고, 해수 담수화 플랜트(100)의 가동률이 작을수록 더 많은 에너지 회수 장치 유입 밸브(160a)가 닫힌다.
하나 이상의 에너지 회수 장치(170a) 중에서 가동하는 에너지 회수 장치는 열린 에너지 회수 장치 유입 밸브(160a)로부터 유입되는 고압의 농축수를 저압의 농축수로 변환할 때 발생하는 에너지로 해수 취수 펌프로부터 공급받은 해수를 고압의 해수로 변환한다. 에너지 회수 장치로는 터빈 방식, 실린더 방식의 장치가 있으며, 또한 이들 둘을 결합한 복합 방식의 장치가 있다.
에너지 회수 장치(170a)에서 출력되는 고압의 해수의 압력은 고압 펌프(110a)에서 출력되는 고압의 해수의 압력에 비해 낮으므로, 부스터 펌프(180a)는 에너지 회수 장치(170a)에서 출력되는 고압의 해수에 추가 압력을 가한다. 부스터 펌프(180a)에서 출력되는 고압의 해수는 고압 펌프(110a)에서 출력되는 고압의 해수와 합쳐져서 역삼투막(140a)에 제공된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단일 펌프 멀티 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다. 도 3에서 굵은 실선은 파이프를 나타낸다. 제어 시스템(200)과 파선으로 연결된 구성 요소들은 제어 시스템(200)에 의해 제어될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 단일 펌프 멀티 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트(100)는 하나의 고압 펌프(110b), 복수의 역삼투막 유입 밸브(130b), 복수의 역삼투막(140b), 복수의 압력 조절 장치(150b), 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160b), 하나 이상의 에너지 회수 장치(170b), 및 부스터 펌프(180b)를 포함한다.
고압 펌프(110b)는 해수 취수 펌프로부터 제공받은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 복수의 역삼투막 유입 밸브(130b) 중 열린 밸브를 통해 복수의 역삼투막(140b)에 보낸다. 고압 펌프(110b)의 출력은 제어 시스템(200)에 의해 조절될 수 있다. 제어 시스템(200)은 고압 펌프(110b)를 제어하여 해수 담수화 플랜트(100)의 가동률과 전력 소모를 조절할 수 있다.
고압 펌프(110b)의 출력에 따른 담수 생산의 효율을 높이기 위하여 제어 시스템(200)의 제어에 의해 복수의 역삼투막 유입 밸브(130b) 중 일부는 열리고, 나머지는 닫힌다. 가압된 해수는 열린 역삼투막 유입 밸브(130b)를 통해서만 해당 역삼투막(140b)에 제공된다.
복수의 역삼투막(140b)은 복수의 역삼투막 유입 밸브(130b)에 파이프로 각각 연결된다. 열린 역삼투막 유입 밸브(130b)에 연결된 역삼투막(140b)은 가압된 해수로부터 저압의 담수와 고압의 농축수를 배출한다.
복수의 역삼투막(140b)는 각각 서로 다른 처리 용량을 가질 수 있다. 예를 들어, 해수 담수화 플랜트(100)가 10%, 20%, 30%, 40%의 처리 용량을 가진 4개의 역삼투막(140b)을 가진다면, 4개의 역삼투막(140b)의 다양한 조합에 따라 해수 담수화 플랜트(100)는 0%에서 100%까지의 처리 용량을 10%의 단위로 가질 수 있어 담수 생산의 효율이 높아질 수 있다.
복수의 압력 조절 장치(150b)는 고압의 농축수가 배출되는 복수의 역삼투막(140b)의 배출 파이프에 각각 설치되어 고압 펌프(110b)에 의해 가압된 해수가 역삼투막(140b)에 가하는 압력을 조절한다.
해수 담수화 플랜트(100)의 가동률에 따라 압력 조절 장치(150b)를 통과한 농축수의 압력을 일정 이상으로 유지하기 위하여, 제어 시스템(200)의 제어에 의해 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160b) 중 일부는 열리고, 나머지는 닫힌다.
하나 이상의 에너지 회수 장치(170b) 중에서 가동하는 에너지 회수 장치는 열린 에너지 회수 장치 유입 밸브(160b)로부터 유입되는 고압의 농축수를 저압의 농축수로 변환할 때 발생하는 에너지로 해수 취수 펌프로부터 공급받은 해수를 고압의 해수로 변환한다.
부스터 펌프(180b)는 에너지 회수 장치(170b)에서 출력되는 고압의 해수에 추가 압력을 가한다. 부스터 펌프(180b)에서 출력되는 고압의 해수는 고압 펌프(110b)에서 출력되는 고압의 해수와 합쳐져서 역삼투막(140b)에 제공된다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 멀티 펌프 단일 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다. 도 4에서 굵은 실선은 파이프를 나타낸다. 제어 시스템(200)과 파선으로 연결된 구성 요소들은 제어 시스템(200)에 의해 제어될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3 실시예에 따른 멀티 펌프 단일 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트(100)는 복수의 고압 펌프(110c), 복수의 고압 펌프 토출 밸브(120c), 하나의 역삼투막(140c), 압력 조절 장치(150c), 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160c), 하나 이상의 에너지 회수 장치(170c), 및 부스터 펌프(180d)를 포함한다.
복수의 고압 펌프(110c)는 해수 취수 펌프로부터 제공받은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 역삼투막(140c)에 보낸다. 복수의 고압 펌프(110c) 중에서 동작할 펌프는 제어 시스템(200)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 동작하는 고압 펌프의 출력은 제어 시스템(200)에 의해 조절될 수 있다. 즉, 제어 시스템(200)은 복수의 고압 펌프(110c)의 일부만을 가동시키고, 동작하는 고압 펌프의 출력을 조절하여 해수 담수화 플랜트(100)의 가동률과 전력 소모를 조절할 수 있다.
복수의 고압 펌프(110c)는 각각 서로 다른 최대 출력을 가질 수 있다. 예를 들어, 해수 담수화 플랜트(100)가 가동률 100%를 기준으로 10%, 20%, 30%, 40%의 최대 출력을 각각 가진 4개의 고압 펌프(110c)를 가진다면, 4개의 고압 펌프(110c)의 다양한 조합에 따라 해수 담수화 플랜트(100)는 0%에서 100%까지의 가동률을 10%의 단위로 가질 수 있다. 해수 담수화 플랜트(100)는 다양한 가동률을 위해 온-오프만 가능한 단순한 고압 펌프를 사용할 수 있으므로, 고압 펌프의 단가를 낮출 수 있다. 출력이 제어되는 고압 펌프가 사용된다면, 해수 담수화 플랜트(100)는 더욱 다양한 가동률을 가질 수 있다.
동작하지 않는 고압 펌프에 고압의 해수가 역류하는 것을 방지하기 위하여, 복수의 고압 펌프 토출 밸브(120c)가 마련된다. 즉, 복수의 고압 펌프 토출 밸브(120c)는 복수의 고압 펌프(110c)의 출력 파이프에 각각 연결되고, 고압 펌프(110c)의 동작이 중단되면, 대응하는 고압 펌프 토출 밸브(120c)는 제어 시스템(200)의 제어에 의해 잠긴다.
역삼투막(140c)은 가압된 해수로부터 저압의 담수와 고압의 농축수를 배출한다.
압력 조절 장치(150c)는 고압의 농축수가 배출되는 파이프에 설치되어 고압 펌프(110c)에 의해 가압된 해수가 역삼투막(140c)에 가하는 압력을 조절한다.
해수 담수화 플랜트(100)의 가동률에 따라 압력 조절 장치(150c)를 통과한 농축수의 압력을 일정 이상으로 유지하기 위하여, 제어 시스템(200)의 제어에 의해 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160c) 중 일부는 열리고, 나머지는 닫힌다.
하나 이상의 에너지 회수 장치(170c) 중에서 가동하는 에너지 회수 장치는 열린 에너지 회수 장치 유입 밸브(160c)로부터 유입되는 고압의 농축수를 저압의 농축수로 변환할 때 발생하는 에너지로 해수 취수 펌프로부터 공급받은 해수를 고압의 해수로 변환한다.
부스터 펌프(180c)는 에너지 회수 장치(170c)에서 출력되는 고압의 해수에 추가 압력을 가한다. 부스터 펌프(180c)에서 출력되는 고압의 해수는 고압 펌프(110c)에서 출력되는 고압의 해수와 합쳐져서 역삼투막(140c)에 제공된다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 멀티 펌프 멀티 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트를 도시한 도면이다. 도 5에서 굵은 실선은 파이프를 나타낸다. 제어 시스템(200)과 파선으로 연결된 구성 요소들은 제어 시스템(200)에 의해 제어될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 제4 실시예에 따른 멀티 펌프 멀티 트레인 구조의 역삼투화 방식의 해수 담수화 플랜트(100)는 복수의 고압 펌프(110d), 복수의 고압 펌프 토출 밸브(120d), 복수의 역삼투막 유입 밸브(130d), 복수의 역삼투막(140d), 복수의 압력 조절 장치(150d), 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160d), 하나 이상의 에너지 회수 장치(170d), 및 부스터 펌프(180d)를 포함한다.
복수의 고압 펌프(110d)는 해수 취수 펌프로부터 제공받은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 복수의 역삼투막(140d)에 보낸다. 복수의 고압 펌프(110d) 중에서 동작할 펌프는 제어 시스템(200)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 동작하는 고압 펌프의 출력은 제어 시스템(200)에 의해 조절될 수 있다. 즉, 제어 시스템(200)은 복수의 고압 펌프(110d)의 일부만을 가동시키고, 동작하는 고압 펌프의 출력을 조절하여 해수 담수화 플랜트(100)의 가동률과 전력 소모를 조절할 수 있다.
동작하지 않는 고압 펌프에 고압의 해수가 역류하는 것을 방지하기 위하여, 복수의 고압 펌프 토출 밸브(120d)가 마련된다. 즉, 복수의 고압 펌프 토출 밸브(120d)는 복수의 고압 펌프(110d)의 출력 파이프에 각각 연결되고, 고압 펌프(110d)의 동작이 중단되면, 대응하는 고압 펌프 토출 밸브(120d)는 제어 시스템(200)의 제어에 의해 잠긴다.
고압 펌프(110d)의 출력에 따른 담수 생산의 효율을 높이기 위하여 제어 시스템(200)의 제어에 의해 복수의 역삼투막 유입 밸브(130d) 중 일부는 열리고, 나머지는 닫힌다. 가압된 해수는 열린 역삼투막 유입 밸브(130d)를 통해서만 해당 역삼투막(140d)에 제공된다.
복수의 역삼투막(140d)은 복수의 역삼투막 유입 밸브(130d)에 파이프로 각각 연결된다. 열린 역삼투막 유입 밸브(130d)에 연결된 역삼투막(140d)은 가압된 해수로부터 저압의 담수와 고압의 농축수를 배출한다. 복수의 역삼투막(140d)는 각각 서로 다른 처리 용량을 가질 수 있다.
복수의 압력 조절 장치(150d)는 고압의 농축수가 배출되는 복수의 역삼투막(140d)의 배출 파이프에 각각 설치되어 고압 펌프(110d)에 의해 가압된 해수가 역삼투막(140d)에 가하는 압력을 조절한다.
해수 담수화 플랜트(100)의 가동률에 따라 압력 조절 장치(150d)를 통과한 농축수의 압력을 일정 이상으로 유지하기 위하여, 제어 시스템(200)의 제어에 의해 하나 이상의 에너지 회수 장치 유입 밸브(160d) 중 일부는 열리고, 나머지는 닫힌다.
하나 이상의 에너지 회수 장치(170d) 중에서 가동하는 에너지 회수 장치는 열린 에너지 회수 장치 유입 밸브(160d)로부터 유입되는 고압의 농축수를 저압의 농축수로 변환할 때 발생하는 에너지로 해수 취수 펌프로부터 공급받은 해수를 고압의 해수로 변환한다.
부스터 펌프(180d)는 에너지 회수 장치(170d)에서 출력되는 고압의 해수에 추가 압력을 가한다. 부스터 펌프(180d)에서 출력되는 고압의 해수는 고압 펌프(110d)에서 출력되는 고압의 해수와 합쳐져서 역삼투막(140d)에 제공된다.
다음은 도 6을 참고하여 제어 시스템(200)이 해수 담수화 플랜트(100)를 제어하는 제어 방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 해수 담수화 플랜트 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
먼저, 제어 시스템(200)은 스마트 그리드 가격 정보, 탄소 배출권 거래 정보, 전력 사용 감소 요구 등과 같은 에너지 가격 관련 정보를 지능형 전력망(20)으로부터 수신한다(S101).
그런 다음, 제어 시스템(200)은 에너지 가격 관련 정보에 따라 해수 담수화 플랜트(100)를 위한 소모 전력(가동률)를 결정한다(S103). 제어 시스템(200)은 에너지 가격 관련 정보에 기초하여 총 에너지 비용 대비 담수 생산량의 비율이 가장 높은 구간의 소모 전력을 결정할 수 있다. 또한, 전력 사용량이 많아 전력 소모를 줄이는 경우 인센티브가 주어질 수 있다. 이 경우 제어 시스템(200)은 에너지 가격 관련 정보에 기초하여 해수 담수화 플랜트(100)를 위한 소모 전력을 줄일 수 있다.
이후, 제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)에 따라 고압 펌프의 제어 내용을 결정하고(S105), 결정된 내용에 따라 고압 펌프를 제어한다(S107). 해수 담수화 플랜트(100)가 단일의 고압 펌프를 가지고 있다면, 제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)에 대응하는 고압 펌프의 출력을 결정할 수 있다. 해수 담수화 플랜트(100)가 동일한 최대 출력을 가진 복수의 고압 펌프를 가지고 있다면, 제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)을 위하여 동작할 고압 펌프의 개수와 출력을 결정할 수 있다. 해수 담수화 플랜트(100)가 서로 다른 최대 출력을 가진 복수의 고압 펌프를 가지고 있다면, 제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)을 위하여 동작할 고압 펌프의 조합과 출력을 결정할 수 있다.
또한, 제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)에 따라 역삼투막 유입 밸브의 제어 내용을 결정하고(S109), 결정된 내용에 따라 역삼투막 유입 밸브를 제어한다(S111). 해수 담수화 플랜트(100)가 동일한 처리 용량을 가진 복수의 역삼투막을 가지고 있다면, 제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)을 위하여 사용할 역삼투막의 개수를 결정할 수 있다. 해수 담수화 플랜트(100)가 서로 다른 처리 용량을 가진 복수의 역삼투막을 가지고 있다면, 제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)을 위하여 사용할 역삼투막의 조합을 결정할 수 있다.
제어 시스템(200)은 압력 조절 장치를 제어하여 역삼투막에 가해지는 압력을 미리 결정된 기준(예컨데 48~63bar)에 맞춘다(S113).
제어 시스템(200)은 결정한 소모 전력(가동률)에 따라 최적의 에너지 회수를 위하여 가동시킬 에너지 회수 장치의 개수 또는 조합을 결정하고, 결정된 내용에 따라 에너지 회수 장치를 가동시키거나 중지시키며, 가동할 에너지 회수 장치에 대응하는 에너지 회수 장치 유입 밸브를 열고, 중지될 에너지 회수 장치에 대응하는 에너지 회수 장치 유입 밸브를 잠근다(S115).
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (16)

  1. 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 제공하는 하나 이상의 펌프;
    상기 가압된 해수로부터 담수와 농축수를 배출하는 하나 이상의 역삼투막;
    상기 하나 이상의 역삼투막에 각각 대응하고, 농축수가 배출되는 파이프에 설치되는 하나 이상의 압력 조절 장치; 및
    에너지 가격 관련 정보를 바탕으로 가동률을 결정하고, 결정된 가동률에 따라 상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 제어 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는 상기 하나 이상의 압력 조절 장치를 제어하여 상기 하나 이상의 역삼투막에 가해지는 압력을 조절하는 해수 담수화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    둘 이상의 에너지 회수 장치를 더 포함하고,
    상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 에너지 회수 장치 중 일부 또는 전부를 가동시키는 해수 담수화 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 역삼투막은 둘 이상의 역삼투막에 해당하고,
    상기 해수 담수화 시스템은 상기 둘 이상의 역삼투막에 각각 대응하는 둘 이상의 유입 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 유입 밸브를 제어하여 상기 둘 이상의 역삼투막의 일부 또는 전부를 가동시키는 해수 담수화 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 둘 이상의 역삼투막 중 하나의 처리 용량은 다른 하나의 처리 용량과 다르고,
    상기 제어 장치는 가동되는 역삼투막의 조합을 상기 결정된 가동률에 따라 결정하는 해수 담수화 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프는 하나의 펌프에 해당하고,
    상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 하나의 펌프의 출력을 조절하는 해수 담수화 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프는 둘 이상의 펌프에 해당하고,
    상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 펌프의 일부 또는 전부를 가동시키는 해수 담수화 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 둘 이상의 펌프 중 하나의 최대 출력은 다른 하나의 최대 출력과 다르고,
    상기 제어 장치는 가동되는 펌프의 조합을 상기 결정된 가동률에 따라 결정하는 해수 담수화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 역삼투막은 하나의 역삼투막에 해당하고,
    상기 하나 이상의 펌프는 하나의 펌프에 해당하고,
    상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 하나의 펌프의 출력을 조절하는 해수 담수화 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 역삼투막은 하나의 역삼투막에 해당하고,
    상기 하나 이상의 펌프는 둘 이상의 펌프에 해당하고,
    상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 펌프의 일부 또는 전부를 가동시키는 해수 담수화 시스템.
  10. 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 제공하는 둘 이상의 펌프;
    상기 가압된 해수로부터 담수와 농축수를 배출하는 하나 이상의 역삼투막;
    에너지 가격 관련 정보를 바탕으로 가동률을 결정하고, 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 펌프 중 일부 또는 전부를 가동시키는 제어 장치를 포함하는 해수 담수화 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 역삼투막은 둘 이상의 역삼투막에 해당하고,
    상기 제어 장치는 상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 역삼투막 중 일부 또는 전부를 가동시키는 해수 담수화 시스템.
  12. 해수 담수화 시스템을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 해수 담수화 시스템은 해수에 압력을 가하여 가압된 해수를 제공하는 하나 이상의 펌프, 상기 가압된 해수로부터 담수와 농축수를 배출하는 하나 이상의 역삼투막, 및 농축수가 배출되는 파이프에 설치되는 하나 이상의 압력 조절 장치를 포함하고,
    상기 방법은
    에너지 가격 관련 정보를 수신하는 단계;
    상기 에너지 가격 관련 정보를 바탕으로 가동률을 결정하는 단계;
    상기 가동률에 따라 상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 압력 조절 장치를 제어하여 상기 하나 이상의 역삼투막에 가해지는 압력을 조절하는 단계를 포함하는 해수 담수화 시스템 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 해수 담수화 시스템은 둘 이상의 에너지 회수 장치를 더 포함하고,
    상기 해수 담수화 시스템 제어 방법은
    상기 결정된 가동률에 따라 상기 둘 이상의 에너지 회수 장치 중 일부 또는 전부를 가동시키는 단계를 더 포함하는 해수 담수화 시스템 제어 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프는 하나의 펌프에 해당하고,
    상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계는 상기 가동률에 따라 상기 하나의 펌프의 출력을 조절하는 단계를 포함하는 해수 담수화 시스템 제어 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 펌프는 둘 이상의 펌프에 해당하고,
    상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계는 상기 가동률에 따라 상기 둘 이상의 펌프 중 일부 또는 전부를 가동시키는 단계를 포함하는 해수 담수화 시스템 제어 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 역삼투막은 둘 이상의 역삼투막에 해당하고,
    상기 하나 이상의 펌프를 제어하는 단계는 상기 가동률에 따라 상기 둘 이상의 역삼투막 중 일부 또는 전부를 가동시키는 단계를 포함하는 해수 담수화 시스템 제어 방법.
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