DE102011115057A1 - Water treatment plant comprises processing device used for treatment of water, which is supplied to the processing device with a pressure in a desired pressure range, and a pressure stabilizer comprising energy converter - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere eine Meerwasserentsalzungsanlage, eine Anordnung mit einer derartigen Wasseraufbereitungsanlage und einer Stromerzeugungseinrichtung sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren.The present invention relates to a water treatment plant, in particular a desalination plant, an arrangement with such a water treatment plant and a power generating device and a corresponding operating method.
Stand der TechnikState of the art
Die verfahrenstechnische Behandlung von Wasser – beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose – setzt einen im Wesentlichen konstanten Druck des eingespeisten Wassers voraus. Nach heutigem Stand der Technik ist beispielsweise bei der Umkehrosmose ein konstanter Druck erforderlich, weil die hierbei verwendeten Membranen zur Entsalzung nur sehr geringen Druckpulsationen Stand halten.The process engineering treatment of water - for example, but not exclusively, seawater desalination by reverse osmosis - requires a substantially constant pressure of the water fed in. According to the current state of the art, for example, in reverse osmosis, a constant pressure is required because the membranes used here for desalination hold only very low pressure pulsations.
Die Entsalzung von Meerwasser durch Umkehrosmose ist grundsätzlich bekannt. Bei der Umkehrosmose wird Meerwasser zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck durch eine geeignete semipermeable Membran gepresst, durch welche unter anderem die enthaltenen Salze zurückgehalten werden. Das zurückbleibende Konzentrat (Retentat) wird kontinuierlich abgeführt und durch frisches Meerwasser ersetzt.The desalination of seawater by reverse osmosis is basically known. In reverse osmosis seawater is pressed to overcome the osmotic pressure under high pressure through a suitable semi-permeable membrane, which, among other things, the retained salts are retained. The remaining concentrate (retentate) is continuously removed and replaced by fresh seawater.
Wenngleich die vorliegende Erfindung im Rahmen dieser Anmeldung überwiegend unter Bezugnahme auf die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht hierauf beschränkt sind, sondern vielmehr in einer Vielzahl von entsprechenden Verfahren verwendet werden können, in welchen ein konstanter Druck des Wassers erforderlich ist.Although the present invention will be described in the context of this application primarily with reference to seawater desalination by reverse osmosis, it should be noted that the proposed measures are not limited thereto, but rather can be used in a variety of corresponding methods in which a constant pressure of the Water is required.
Auch mit Wellenenergiekonvertern gespeiste Meerwasserentsalzungsanlagen, die nach dem Prinzip der Umkehrosmose betrieben werden, sind grundsätzlich bekannt.Seawater desalination plants powered by wave energy converters and operated according to the principle of reverse osmosis are also known in principle.
Wellenenergiekonverter können auf hoher See oder in Küstennähe eingesetzt werden und unterscheiden sich unter anderem in der Art, in der die Energie der Wellenbewegung entnommen wird. So ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von Schwimmkörpern bekannt, deren Hebe- und Senkbewegung entsprechend umgesetzt wird. Bei einem anderen Konzept wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, das durch die Wellenbewegung hin und her gekippt wird. Auch können Rotoren mit Auftriebsläufern verwendet werden, bei denen ein an den Auftriebsläufern erzeugtes Auftriebsmoment in eine Rotationsbewegung gewandelt wird. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwerke gibt beispielsweise
Die wellenenergiebetriebene Meerwasserentsalzung erfolgt in der Regel in Wellenkraftwerken mit sogenannter zentraler Stromerzeugung. In derartigen Kraftwerken sind mehrere Wellenergiekonverter an ein gemeinsames Druckleitungsnetz angebunden. Die Wellenergiekonverter erzeugen jeweils nicht direkt elektrischen Strom, sondern saugen durch wellenenergiebetriebene Pumpen Meerwasser an und stellen dies mit entsprechendem Druck über Druckleitungen bereit. Das unter Druck stehende Meerwasser wird einer zentralen Stromerzeugungseinrichtung zugeführt und erst dort zur Stromerzeugung verwendet.The wave-powered seawater desalination is usually carried out in wave power plants with so-called central power generation. In such power plants several wave energy converters are connected to a common pressure line network. In each case, the wave energy converters do not generate electricity directly, but suck in seawater through wave-powered pumps and provide this with appropriate pressure via pressure lines. The pressurized seawater is supplied to a central power generating device and used there only for power generation.
In derartigen Wellenkraftwerken wird ein Systemdruck entweder – in sogenannten Konstantdrucksystemen – mittels einer entsprechenden Regelung über längere Zeiträume konstant gehalten oder variabel an den durch die Wellenergiekonverter bereitgestellten Volumenstrom angepasst. Nachteilig an einem Konstantdrucksystem ist, dass bei den in der Praxis auftretenden kurzfristigen Änderungen des Seegangs Einbußen in der Leistungsausbeute auftreten können.In such wave power plants, a system pressure either - in so-called constant pressure systems - kept constant by means of a corresponding control over long periods or variably adapted to the volume flow provided by the wave energy converter. A disadvantage of a constant pressure system is that losses in the power output can occur in the case of short-term changes in the seaway occurring in practice.
Da, wie erläutert, Umkehrosmoseeinrichtungen mit konstantem Druck betrieben werden müssen, sind sie bisher nicht direkt an Wellenkraftwerke mit variablem Druck koppelbar.Since, as explained, reverse osmosis devices must be operated at constant pressure, they have not been directly coupled to wave power plants with variable pressure.
Meerwasser mit Konstantdruck kann beispielsweise über einen meerwasserhydraulischen Speicher bereitgestellt werden, der mittels geeigneter Pumpen befüllt wird. Das dem Speicher unter entsprechendem Druck entnommene Wasser wird direkt in die Umkehrosmoseeinrichtung eingespeist (sogenannte direkt gespeiste Umkehrosmose). Der Druck muss dabei zumindest den für die Umkehrosmose erforderlichen Membrandruck (nämlich den osmotischen Druck des Meerwassers) erreichen. Erst ab einer bestimmten Wellenleistung kann daher ein entsprechender Umkehrosmoseprozess ablaufen. Konstantdrucksysteme weisen ferner, wie erwähnt, Nachteile im Absorptionsgrad, also der Leistungsausbeute aus den Wellen, auf.Seawater with constant pressure can be provided for example via a seawater hydraulic storage, which is filled by means of suitable pumps. The water taken from the tank under the appropriate pressure is fed directly into the reverse osmosis unit (so-called directly fed reverse osmosis). The pressure must reach at least the membrane pressure required for the reverse osmosis (namely the osmotic pressure of the seawater). Only from a certain wave power can therefore proceed a corresponding reverse osmosis process. Constant pressure systems also have, as mentioned, disadvantages in the degree of absorption, ie the power output from the waves on.
Ferner sind Wellenkraftwerke mit sogenannten mechanisch gekoppelten Umkehrosmoseeinrichtungen bekannt, bei denen der erforderliche hohe Druck mittels einer Hochdruckpumpe erzeugt wird. Die Hochdruckpumpe ist mechanisch mit der Welle einer Turbine gekoppelt, welche mit Meerwasser betrieben wird und einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Bei der mechanischen Kopplung entstehen jedoch einerseits Verluste an der mit dem Motor und dem Generator verbundenen Welle und andererseits bei der Wandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie in der Hochdruckpumpe. Furthermore, wave power plants with so-called mechanically coupled reverse osmosis devices are known in which the required high pressure is generated by means of a high-pressure pump. The high-pressure pump is mechanically coupled to the shaft of a turbine, which is operated with seawater and drives a generator for generating electricity. In the mechanical coupling, however, arise on the one hand losses to the shaft connected to the engine and the generator and on the other hand in the conversion of mechanical energy into hydraulic energy in the high-pressure pump.
Es besteht daher der Bedarf nach einer verbesserten Nutzung der Wellenenergie für die Umkehrosmose in entsprechenden Anlagen.There is therefore a need for an improved use of wave energy for reverse osmosis in corresponding plants.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung eine Wasseraufbereitungsanlage, eine Anordnung mit einer derartigen Wasseraufbereitungsanlage und einer Stromerzeugungseinrichtung sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a water treatment plant, an arrangement with such a water treatment plant and a power generating device and an associated operating method with the features of the independent claims. Preferred embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen kommen in einer Wasseraufbereitungsanlage zum Einsatz, insbesondere in einer Meerwasserentsalzungsanlage, die mittels Umkehrosmose arbeitet. Eine derartige Anlage kann als Teil eines Wellenenergiekraftwerks mit einer entsprechenden Stromerzeugungseinrichtung mit einer Turbine und einem Generator ausgebildet sein. Ein derartiges Wellenkraftwerk verfügt, wie erwähnt, neben einer mittels Umkehrosmose arbeitenden Aufbereitungseinrichtung über wenigstens einen Wellenenergiekonverter zur Einspeisung von Meerwasser unter Druck, im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch allgemeiner als ”Einspeiseeinrichtung” bezeichnet. Wie zuvor erläutert, liefern Wellenenergiekonverter in derartigen Anlagen variable Volumenströme in Abhängigkeit vom jeweiligen Seegang, d. h. der jeweils ausnutzbaren Energie der Wellen. Da eine entsprechende Aufbereitungseinrichtung dem Fluss des eingespeisten Wassers einen definierten Widerstand entgegensetzt, resultieren aus unterschiedlichen Volumenströmen unterschiedliche Drücke. Diese dürfen jedoch insbesondere bei der Umkehrosmose aufgrund der dort verwendeten Membranen nur in geringem Umfang schwanken. Umkehrosmoseanlagen können die Möglichkeit bieten, z. B. mehrere Membranen bei Bedarf parallel zu schalten, wie unten erläutert. Hierdurch bleiben Druck und Fließgeschwindigkeit konstant, der Volumenstrom ändert sich jedoch. Die Leistung der Anlage ändert sich damit entsprechend.The measures proposed according to the invention are used in a water treatment plant, in particular in a seawater desalination plant which operates by means of reverse osmosis. Such a system may be formed as part of a wave energy power plant with a corresponding power generation device having a turbine and a generator. Such a wave power plant has, as mentioned, in addition to a working by reverse osmosis treatment device via at least one wave energy converter for feeding seawater under pressure, in the context of the present application also more generally referred to as "feeding device". As explained above, wave energy converters in such systems provide variable volume flows depending on the sea state, ie. H. each exploitable energy of the waves. Since a corresponding treatment device opposes a defined resistance to the flow of the water fed in, different pressures result from different volume flows. However, these may fluctuate only to a small extent, especially in reverse osmosis due to the membranes used there. Reverse osmosis systems can offer the possibility, for. B. several membranes as needed in parallel, as explained below. As a result, pressure and flow rate remain constant, but the flow rate changes. The performance of the system changes accordingly.
Daher wird vorgeschlagen, wenigstens eine Druckstabilisierungseinrichtung bereitzustellen, um einen Druck des durch die Einspeiseeinheit bereitgestellten Wassers zu stabilisieren.Therefore, it is proposed to provide at least one pressure stabilizing device to stabilize a pressure of the water provided by the feeding unit.
Unter ”Stabilisierung” eines Drucks sei dabei jegliche Einstellung verstanden, bei der der Druck verringert wird, wenn er einen Sollwert überschreitet und/oder der Druck erhöht wird, wenn er einen Sollwert unterschreitet. Der zulässige Schwankungsbereich entsprechender Drücke reicht beispielsweise von 30 bar bis 160 bar bei einem Solldruck von 80 bar (im Rahmen dieser Anmeldung als ”Solldruckbereich” bezeichnet). Die Drücke hängen vom Salzgehalt des genutzten Meerwassers ab. Der Druck muss in jedem Fall oberhalb des osmotischen Drucks liegen. Die obere Druckgrenze ist bauteilbedingt.By "stabilizing" a pressure is meant any adjustment in which the pressure is reduced when it exceeds a setpoint and / or the pressure is increased when it falls below a setpoint. The permissible range of corresponding pressures ranges, for example, from 30 bar to 160 bar at a target pressure of 80 bar (referred to in this application as "target pressure range"). The pressures depend on the salinity of the used seawater. The pressure must always be above the osmotic pressure. The upper pressure limit is due to the component.
Daher wird eine entsprechende Druckstabilisierungseinrichtung den Druck vor der Aufbereitungseinrichtung verringern, wenn dieser die genannte Obergrenze überschreitet, und den Druck erhöhen, wenn dieser die genannte Untergrenze unterschreitet.Therefore, a corresponding pressure stabilizing means will reduce the pressure before the conditioner when it exceeds said upper limit and increase the pressure when it falls below said lower limit.
Hierzu weist eine derartige Stabilisierungseinrichtung erfindungsgemäß einen Energiewandler auf, der dafür eingerichtet ist, entweder zur Druckverringerung hydraulische Energie des eingespeisten Wassers teilweise in mechanische Energie umzusetzen, oder das eingespeiste Wasser zur Druckerhöhung mit zusätzlicher hydraulischer Energie zu beaufschlagen. Vorteilhafterweise ist der Energiewandler als hydraulische Pumpe-Motor-Einheit ausgebildet. Der Energiewandler kann mechanisch, d. h. beispielsweise mittels einer Welle, mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sein. Die Pumpe-Motor-Einheit wirkt dabei entweder als zusätzlicher Widerstand in der Flussstrecke des Wassers vor der Aufbereitungseinrichtung oder baut dort einen entsprechenden zusätzlichen Druck auf. Über die Pumpe-Motor-Einheit kann bei Kopplung mit dem Generator ein zusätzliches Generatormoment aus der hydraulischen Energie des eingespeisten Wassers generiert oder – bei motorischem Betrieb des Generators – ein motorisches Moment in hydraulische Energie zur Beaufschlagung des eingespeisten Wassers umgesetzt werden.For this purpose, such a stabilization device according to the invention an energy converter, which is adapted either to reduce the pressure hydraulic energy of the injected water partially convert into mechanical energy, or to pressurize the injected water to increase the pressure with additional hydraulic energy. Advantageously, the energy converter is designed as a hydraulic pump-motor unit. The energy converter can mechanically, d. H. For example, be coupled by means of a shaft with a generator for generating electricity. The pump-motor unit acts either as an additional resistance in the flow path of the water before the treatment device or builds there a corresponding additional pressure. When coupled to the generator, an additional generator torque can be generated from the hydraulic energy of the water fed in via the pump-motor unit, or - in the case of motor operation of the generator - a motor torque can be converted into hydraulic energy for acting on the supplied water.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine Meerwasserentsalzung auch in Anlagen, die keinen Konstantdruck bereitstellen. Hierdurch kann in entsprechenden Anlagen eine verbesserte Ausbeute der Wellenenergie erzielt werden. Insbesondere kann durch den vorgeschlagenen Energiewandler mechanische Leistung in Abhängigkeit von der seitens der Wellenenergiekonverter bereitgestellten hydraulischen Leistung zu- oder abgeführt werden. Im Gegensatz zur mechanisch gekoppelten Umkehrosmose, wie eingangs erläutert, benötigt das erfindungsgemäß vorgeschlagene System nur einen mechanischen Wandler zur Bereitstellung eines Konstantdrucks. Das System besitzt bereits den Druck des Wellenenergiekonverters, so dass nur noch ein Differenzdruck überbrückt werden muss. Es wird also lediglich hydraulische Leistung zugeführt oder entnommen. Die hydraulische Leistung muss nicht, wie im Stand der Technik (siehe unten
Einer Aufbereitungseinrichtung ist vorteilhafterweise ein weiterer Energiewandler nachgeschaltet, der zur Umwandlung verbleibender hydraulischer Leistung in mechanische Energie, und, bei Kopplung mit einem Generator, in elektrischen Strom vorgesehen ist. Bei Verwendung einer Umkehrosmoseeinrichtung ist ein derartiger weiterer Energiewandler im Retentatstrom angeordnet. Ferner kann in einer entsprechenden Wasseraufbereitungsanlage ein Pufferspeicher vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines hydraulischen Druckspeichers, der einen Ausgleich zumindest kurzzeitiger Druckschwankungen sicherstellt. Derart kann z. B. eine kontinuierliche Meerwasserentsalzung auch bei kurzzeitigen Flauten erfolgen. Auch eine Stromerzeugung mittels eines der Aufbereitungseinrichtung nachgeschalteten Energiewandlers ist bei Bereitstellung eines Pufferspeichers während kurzzeitiger Flauten möglich.A processing device is advantageously followed by a further energy converter, which is provided for converting remaining hydraulic power into mechanical energy, and, when coupled with a generator, into electrical power. When using a reverse osmosis device, such a further energy converter is arranged in the retentate stream. Further, in a corresponding water treatment plant, a buffer memory may be provided, for example in the form of a hydraulic pressure accumulator, which ensures a compensation of at least short-term pressure fluctuations. Such can z. B. a continuous seawater desalination even during brief lulls done. Power generation by means of an energy converter downstream of the processing device is also possible when a buffer store is provided during brief lulls.
Besonders vorteilhaft an den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist, wenn diese in einem Wellenkraftwerk mit zugeordneter Umkehrosmoseeinrichtung eingesetzt werden. Hierdurch können im Wellenkraftwerk die Nachteile von Konstantdrucksystemen vermieden werden, was zu einem deutlich verbesserten Absorptionsgrad des Wellenenergiekonverters führt. Lastspitzen können jeweils abgefangen und im Pufferspeicher einer Umkehrosmoseeinrichtung abgepuffert werden. Ein Betrieb des Umkehrosmoseprozess und/oder eine Stromerzeugung aus der gespeicherten Druckenergie des Meerwassers sind möglich.Particularly advantageous in the proposed measures according to the invention is when they are used in a wave power plant with associated reverse osmosis device. As a result, the disadvantages of constant pressure systems can be avoided in the wave power plant, which leads to a significantly improved degree of absorption of the wave energy converter. Load peaks can each be intercepted and buffered in the buffer memory of a reverse osmosis device. Operation of the reverse osmosis process and / or power generation from the stored pressure energy of the seawater are possible.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.
Figurenbeschreibungfigure description
In
Das Wellenkraftwerk umfasst eine Wasseraufbereitungseinrichtung
Der Wasseraufbereitungseinrichtung
Die Turbine
Es ist bekannt (jedoch nicht dargestellt), zur Unterstützung der Hochdruckpumpe einen Drucktauscher einzusetzen, der den Druck des Retentats nutzt. It is known (but not shown) to use a pressure exchanger which uses the pressure of the retentate to assist the high-pressure pump.
Wie aus der Darstellung der
In
Die entsprechende Anordnung
Auch hier ist eine, z. B. als Umkehrosmoseeinrichtung ausgebildete Aufbereitungseinrichtung
Wasser A wird hierzu mittels der wenigstens einen Einspeiseeinrichtung
Für den Fall, dass der Druck des durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung
Unabhängig davon, ob mittels der Pumpe-Motor-Einheit
Ein stromabwärtig der Aufbereitungseinrichtung
Eine ebenfalls mit dem Generator
Ein oder mehrere Pufferspeicher
Ein weiterer Pufferspeicher
Die jeweils verwendeten hydraulischen Einheiten können Verstelleinheiten und/oder als Konstanteinheiten ausgeführt sein. Eine Drehzahl einer als Verstelleinheit ausgebildeten Turbine
In der nachfolgenden Tabelle sind weitere Möglichkeiten zur Erzeugung des erforderlichen Drucks für die Aufbereitungseinrichtung (”Erzeugung Speisedruck”), die Nutzung eines Drucks im Retentat (”Nutzung Retentat”), also der oben erläuterten Leitung
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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