KR101588060B1 - 역삼투압 시스템에서의 중앙 펌핑 및 에너지 회수 - Google Patents

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Abstract

역삼투압 시스템은 공급 펌프 입력 및 공급 펌프 출력을 각각 갖는 복수의 공급 펌프(20), 상기 공급 펌프 입력들과 유체 연통 상태에 있는 입력 매니폴드(80), 및 상기 공급 펌프 출력과 유체 연통 상태에 있는 막 공급 매니폴드(82)를 포함한다. 이 시스템은 또한 각각 상기 막 공급 매니폴드와 각각 유체 연통 상태에 있으며, 투과 출력 및 농축해수 출력을 발생시키는데, 상기 농축해수 출력은 농축해수 매니폴드(104)와 유체 연통 상태에 있는 복수의 막 챔버(12)를 포함한다. 이 시스템은 상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 터빈 입력을 갖는 터빈부(214) 및, 부스터 장치 펌프 입력 및 부스터 장치 펌프 출력을 갖는 펌프부(210)을 각각 가지는 복수의 부스터 장치(212)를 더 포함하며, 각 부스터 장치 펌프 출력은 막 공급 매니폴드(82)와 유체 연통 상태에 있다. 이 시스템은 상기 부스터 장치 펌프 입력과 유체 연통 상태에 있는 펌프 입력 매니폴드(222)를 포함한다. 이 시스템은 또한 상기 입력 매니폴드(80) 및 상기 펌프 입력 매니폴드(222)와 유체 연통 상태에 있는 매질 압력 펌프(200)를 포함한다.

Description

역삼투압 시스템에서의 중앙 펌핑 및 에너지 회수{CENTRAL PUMPING AND ENERGY RECOVERY IN A REVERSE OSMOSIS SYSTEM}
본 출원은 2007년 2월 13일에 출원된 가출원 60/901,204 및 2008년 1월 31일에 출원된 실용신안 출원 12/023,194에 대한 우선권을 주장한다. 상기 출원들의 개시 내용은 그 전체가 참조로 본 명세서에 통합된다.
본 발명은 일반적으로 역삼투압 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중앙집중식 펌핑 소스를 갖는 멀티-스테이지 역삼투압 시스템에 관한 것이다.
여기에서의 설명은 본 발명에 관련된 배경 정보로서 제공될 뿐이며, 종래 기술을 구성하지 않을 수 있다.
역삼투압 시스템은 염수 또는 바닷물로부터 담수를 제공하는 데 사용되고 있다. 막(membrane)이 그것을 통과하는 용해된 고체들의 흐름을 제한하는 데 사용된다.
도 1을 참조하면, 역삼투압 시스템(10)은 공급 흐름(18)으로부터 투과 흐름(permeate stream)(14) 및 농축해수 흐름(brine stream)(16)을 생성하는 막 어레이(12)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 공급 흐름(18)은 통상적으로 염수 또는 바닷물을 포함한다. 모터(22)에 연결된 공급 펌프(20)는 요구된 압력 흐름이 되도록 막 어레이(12)로 들어가는 공급 흐름(18)에 압력을 가한다.
투과 흐름(14)는 정제된 저압의 유체 흐름이다. 농축해수 흐름(16)은 막에 의해 차단된 용해된 물질을 포함하는 더 높은 압력의 흐름이다. 농축해수 흐름(16)의 압력은 공급 흐름(18)보다 약간만 더 낮다. 막 어레이(12)는 최적의 동작을 위해 정확한 유량(flow rate)을 요구한다. 농축해수 스로틀(throttle) 밸브(24)는 막 어레이(12)를 통한 흐름을 조절하는데 사용될 수 있다. 물의 온도, 염도 뿐만 아니라 파울링(fowling)과 같은 막 특성으로 인해 변화가 발생한다. 막 어레이(12)는 비상시에는 설계를 벗어난 조건에서도 작동될 수 있다. 공급 펌핑 시스템은 다양한 흐름 및 압력 요구사항을 충족할 것을 요구한다.
일반적으로, 더 높은 공급 압력은 투과 생성을 증가하고, 역으로, 감소된 공급 압력은 투과 생성을 감소시킨다. 막 어레이(12)는 공급 흐름에 대한 투과 흐름의 비율인 특정 회수율(recovery)을 유지하도록 요구된다. 마찬가지로, 공급 흐름 또는 농축해수 흐름은 조절을 요구한다.
전처리 시스템(21)이 또한 막 어레이(12)로 향하는 유체를 전처리하기 위해 제공될 수 있다. 전처리 시스템(21)은 모래, 돌멩이, 부유 물질과 같은 고체 물질을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 이들을 포함하는 이하의 예들 각각은 전처리 시스템(21)을 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1과 유사한 시스템이 공급 스로틀 밸브(30)가 추가되어 도시되어 있다. 중형 및 대형 역삼투압 설비는 통상적으로 원심식(centrifugal-type) 펌프(20)를 포함한다. 펌프는 상대적으로 저가이고 양호한 효율을 가지지만, 소정의 유량 및 회전 속도에서 고정 압력차(fixed pressure differential)를 발생시킬 수 있다. 압력/흐름 특성을 변경하기 위해, 펌프 회전율이 변경되어야 한다. 기존 시스템들에서 설계된 하나의 방법은 최고의 가능한 막 압력을 생성하고, 스로틀 밸브(30)를 사용하여 막 압력 요구사항을 충족하기 위해 초과 압력을 감소시키도록 설계하는 것이다. 이러한 시스템은 저가인 장점을 가지지만, 공급 펌프는 통상의 동작을 위해 요구되는 것보다 더 큰 압력을 생성하여 더 큰 전력을 사용하기 때문에 에너지 효율을 희생시킨다.
도 3을 참조하면, 압력/흐름 특성들을 해결하기 위해, 모터(12)를 동작시키는 가변 주파수 드라이브(36)를 추가하여 공급 펌프(20)의 동작을 제어하는 다른 시스템이 도시되어 있다. 따라서, 공급 펌프(20)는 막 압력 요구사항에 부합하도록 가변 속도로 동작된다. 가변 주파수 드라이브(36)는 큰 용량으로, 비용이 비싸며, 그렇지 않으면 펌프 모터에 쓰여졌을 전력의 대략 3%를 소비한다.
도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 것과 유사한 시스템이 동일한 참조부호를 사용하여 도시되어 있다. 이 실시예에서, 펌프부(pump portion)(42) 및 터빈부(turbine portion)(44)을 갖는 수압 부스터(hydraulic pressure booster)(40)가 농축해수 흐름(16)으로부터 에너지를 회수하는 데 사용된다. 펌프부(42) 및 터빈부(44)는 공통 샤프트(46)로 서로 연결되어 있다. 농축해수 흐름으로부터의 높은 압력은 터빈부(44)를 통과하고 이에 따라 샤프트(46)가 펌프부(42)를 회전시켜 구동시킨다. 펌프부(42)는 공급 흐름(18)에서 공급 압력(feed pressure)을 발생시킨다. 이는 시스템의 에너지 효율을 증대시킨다. 부스터(40)는 막 어레이(12)에 대한 공급 압력의 요구사항의 일부를 발생시키며, 그에 따라 공급 펌프(20) 및 모터(22)는 감소된 압력이 요구되므로 크기가 감소될 수 있다.
도 5를 참조하면, 대형 역삼투압 설비(50)를 위한 기본적인 저가의 방식이 도 1과 유사한 참조번호를 사용하여 도시되어 있다. 이 실시예에서, 3개의 막들(12a, 12b 및 12c)을 갖는 3개의 역삼투압 스테이지들은 3개의 스로틀 밸브들(30a, 30b 및 30c)과 함께 사용된다. 3개의 농축해수 스로틀 밸브들(24a, 24b 및 24c)은 농축해수 출력(16a, 16b 및 16c)에 연결되어 있다. 공급 흐름(18)은 공급 매니폴드(manifold)(52)에 연결되며, 이어서 공급 스로틀 밸브들(30a-30c) 각각에 연결된다. 각 스로틀 밸브는 막들(12a-12c) 각각에 공급 유체를 제공하는데 사용된다. 농축해수 흐름들(16a-16c)은 농축해수 스로틀 밸브들(24a-24c)을 통과하여 농축해수 매니폴드(54)로 흐른다. 투과 흐름들은 투과 매니폴드(56)에 연결된다.
대형 역삼투압 설비(50)에서, 목적은 단위 용량 당 가장 적은 비용으로 가능한 높은 효율을 달성하도록 가장 큰 가용 능력을 갖는 공급 펌프를 사용하는 것이다. 막 어레이(12)의 최적 용량은 일반적으로 펌프보다 더 작다. 그러므로, 단일 공급 펌프(20)는 막 어레이들(12)에게 다중 공급하는 데 사용될 수 있다. 이러한 구성을 소위 중앙집중식 공급 펌핑(centralized feed pumping)이라고 부른다. 막들 각각은 다양한 압력 요구사항을 가지기 때문에, 스로틀 밸브들(30a-30c 및 24a-24c)을 이용하여 개별 제어될 수 있다. 그러나, 스로틀 밸브들을 사용하는 것은 에너지를 낭비한다. 또한, 개별 막들은 막 어레이 상에서 변할 수 있는 다음 레벨의 막들로 인해 그 자체적으로 자신의 압력 요구사항을 가질 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 5와 유사한 구성이 모터(22) 및 그에 따른 펌프(20)를 구동하는 데 사용되는 가변 주파수 드라이브(variable frequency drive)가 추가되어 도시되어 있다. 가변 주파수 드라이브(60)는 가장 높은 압력 요구사항을 갖는 막 어레이들의 압력 요구사향들을 만족시키도록 펌프(20)에서 충분한 압력을 발생시키는 데 사용된다. 중앙집중식 펌핑은 공급 펌프의 고정된 배출 압력(fixed discharge pressure)을 다수의 막 어레이들의 가변 압력 요구사항들에 맞추는 어려움에 의해 부분적으로 감쇠된다. 도 5 및 도 6의 구성들 모두는 개별적인 스로틀 조절을 요구하고, 그에 따라 에너지 효율은 제한된다.
도 7을 참조하면, 도 4에 도시된 것과 유사한 예는 농축해수 밸브(72)에 의해 제어되는 보조 농축해수 노즐(auxilliary brine nozzle)(70)을 포함할 수 있다. 역삼투압 설비의 정상 동작 조건들은 막 어레이가 최적의 조건에서 동작하도록 농축해수 흐름 및 압력을 변경할 것을 요구할 수 있다. 농축해수 밸브(72)는 농축해수 흐름이 증가되도록 하여 추가적인 높은 압력의 농축해수가 터빈부(44)로 흐르도록 한다. 만약 더 낮은 농축해수 흐름이 요구되면, 보조 농축해수 밸브(72)가 폐쇄될 수 있다. 보조 농축해수 밸브(72)는 수동으로 폐쇄되거나 밸브 액추에이터에 의해 폐쇄될 수 있다.
도 8A를 참조하면, 낮은 압력의 공급 유체를 받아들이는 공급 매니폴드(80)를 포함하는 다른 종래 기술 예가 도시되어 있다. 공급 유체는 도 1에 도시된 바와 같이, 전처리 시스템(21)으로부터 제공될 수 있다. 이 예에서, 복수의 공급 펌프들(20)이 도시되어 있다. 도시된 구성요소들은 몇 개의 예비 시스템(redundant system)에 제공될 수 있다. 구성요소들은 그 알파벳 참조부호 지시 없이 언급될 수 있다. 특히, 대응하는 모터들(22a-22c)을 갖는 3개의 펌프들(20a-20c)이 제공된다. 펌프들(20)은 고압에서 유체를 고압(high-pressure) 공급 매니폴드(82)에 제공한다. 목적들을 달성하기 위해, 펌프들(20a-20c)은 격리 밸브(isolation valve)들(84 및 86)의 사용을 통해 격리되어 떨어질 수 있다. 격리 밸브(84)는 저압 공급 매니폴드(80)와 펌프(20) 사이에 위치할 수 있다. 격리 밸브(86)는 펌프와 고압 매니폴드(82) 사이에 위치할 수 있다.
펌프들(20), 모터들(22) 및 격리 밸브들(84 및 86)은 고압 펌프부(high pressure pump portion)(90)로 칭해질 수 있다.
격리 밸브(92)는 고압 매니폴드(82)와 막(12) 사이에 위치할 수 있다. 막 어레이들(12a-12h) 각각은 대응하는 입력 격리 밸브들(92a-h)를 포함할 수 있다. 투과 격리 밸브(permeate isolation valve)(94)는 막 어레이(12)의 투과 출구에 위치할 수 있다. 스로틀 밸브(93)는 격리 밸브(92)의 각 막 하향흐름(downstream)에 위치하여 각 막 어레이(12)에 대한 압력 조절을 허용할 수 있다. 스로틀 밸브들은 93a-93h에 의해 지시된다. 격리 밸브(96)는 막 어레이(12)의 고압 농축해수 출력에 위치할 수 있다. 막 어레이들 각각은 투과 격리 밸브(94) 및 농축해수 격리 밸브(96)를 포함할 수 있다. 막 어레이들(12) 및 격리 밸브들(92-96)은 시스템의 막 어레이부(membrane array section)(100)로 언급될 수 있다.
막들(12)의 투과 출력들은 모두 밸브들(94)을 통해 저압 투과 매니폴드(102)와 유체 연통 상태(fluid communication)에 있다. 막들(12)의 고압 농축해수 출력 은 고압 농축해수 매니폴드(104)와 유체 연통 상태에 있다.
복수의 유동일 교환기(Flow Work Exchanger: FWE)(110)가 고압 농축해수 매니폴드(104)와 유체 연통 상태에 있을 수 있다. 유동일 교환기(110)는 도 8B을 참조하여 이하 설명된다.
유동일 교환기(110)의 하나의 출력은 농축해수 출력으로부터의 낮아진 압력을 드레인(112)으로 제공한다.
유동일 교환기(110)는 또한 저압 공급 매니폴드(80)와 유체 연통 상태의 입력을 가질 수 있다. 각 유동일 교환기(110)는 공급 매니폴드(80)로부터 수신된 유체에 압박을 가하며, 고압을 고압 공급 매니폴드(82)에 제공한다. 그에 따라, 유동일 교환기(110)는 저압 공급 매니폴드(80)로부터의 공급 유체를 끌며, 고압 공급 매니폴드(82)로 배출되는 압력을 증가시킨다. 따라서, 펌프부(90) 및 에너지 회수부(120)의 출력의 조합은 막부(membrane portion)(100)를 위한 공급 흐름을 제공하도록 결합한다.
그에 따라, 유동일 교환기(110)는 2개의 유체 입력들 및 2개의 유체 출력들을 갖는다. 농축해수 매니폴드(104)로부터 유동일 교환기(110)로의 유체 입력은 격리 밸브(122)를 포함할 수 있다. 저압 공급 매니폴드(80)로부터의 유동일 교환기(110)로의 유체 입력은 격리 밸브(124)를 포함할 수 있다. 유동일 교환기(110)의 농축해수 출력은 격리 밸브(126)를 포함할 수 있다. 유동일 교환기(110)의 고압 출력은 격리 밸브(128)를 포함할 수 있다.
격리 밸브들(122,124, 126, 128)은 유동일 교환기(110)가 시스템의 동작을 방해하지 않으면서 서비스로부터 제거될 수 있도록 한다. 도 8의 구성에서, 유동일 교환기(110)는 농축해수 유량에 대략 동일한 공급 유량을 전달할 수 있을 뿐이다. 농축해수 흐름에 대하여 공급 흐름을 증가시키거나 감소시킬 가능성은 없다.
도 8B를 참조하면, 유동일 교환기(110)가 더 상세히 도시되어 있다. 유동일 교환기(110)는 전기 제어 설비(130), 부스터 펌프들(133), 및 다른 설비들(137,138)를 포함할 수 있다. 다른 설비는 피스톤, 밸브, 및 압력 용기(pressure vessel)를 포함할 수 있다. 유동일 교환기(110) 내에서의 다양한 구성요소들은 사용된 구성요소들 타입에 따라 다양한 방식으로 연결될 수 있다.
에너지 소비를 감소시키기 위해 역삼투압 시스템의 효율을 증대하는 것이 원하는 목적이다.
본 발명은 편리하고 효율적인 방식으로 시스템에서 변화들을 제어하는 데 비용 효율적인 역삼투압 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따라, 역삼투압 시스템은 공급 펌프 입력 및 공급 펌프 출력을 각각 갖는 복수의 공급 펌프, 상기 공급 펌프 입력들과 유체 연통 상태에 있는 입력 매니폴드, 및 상기 공급 펌프 출력과 유체 연통 상태에 있는 막 공급 매니폴드를 포함한다. 이 시스템은 또한 상기 막 공급 매니폴드와 각각 유체 연통 상태에 있으며, 투과 출력 및 농축해수 출력을 발생시키는 복수의 막 챔버로서, 각 농축해수 출력은 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 복수의 막 챔버를 포함한다. 이 시스템은 상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 터빈 입력을 갖는 터빈부 및, 부스터 장치 펌프 입력 및 부스터 장치 펌프 출력을 갖는 펌프부를 각각 가지는 복수의 부스터 장치를 더 포함한다. 각 부스터 장치 펌프 출력은 막 공급 매니폴드와 유체 연통 상태에 있다. 이 시스템은 상기 부스터 장치 펌프 입력과 유체 연통 상태에 있는 펌프 입력 매니폴드를 포함한다. 이 시스템은 또한 상기 입력 매니폴드 및 상기 펌프 입력 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 매질 압력 펌프를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 역삼투압 시스템은 공급 펌프 입력 및 공급 펌프 출력을 각각 갖는 복수의 공급 펌프, 및 상기 공급 펌프 입력들과 유체 연통 상태에 있는 입력 매니폴드를 포함한다. 상기 입력 매니폴드는 제1 압력을 갖는다. 이 시스템은 또한 상기 공급 펌프 출력과 유체 연통 상태에 있는 막 공급 매니폴드를 포함한다. 상기 막 공급 매니폴드는 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력을 갖는다. 이 시스템은 또한 상기 막 공급 매니폴드와 각각 유체 연통 상태에 있으며, 투과 출력 및 농축해수 출력을 발생시키는 복수의 막 챔버를 포함한다. 각 농축해수 출력은 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있다. 복수의 부스터 장치는 상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 터빈 입력을 갖는 터빈부 및, 부스터 장치 펌프 입력 및 부스터 장치 펌프 출력을 갖는 펌프부을 각각 갖는다. 각 부스터 장치 펌프 출력은 막 공급 매니폴드와 유체 연통 상태에 있다. 이 시스템은 또한 상기 부스터 장치 펌프 입력과 유체 연통 상태에 있는 펌프 입력 매니폴드를 포함한다. 이 시스템은 또한 상기 입력 매니폴드 및 상기 펌프 입력 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 매질 압력 펌프를 포함한다. 상기 매질 압력 펌프는 상기 제1 압력보다 크고 상기 제2 압력보다 적은 제3 압력을 상기 펌프 입력 매니폴드에 발생시킨다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라, 막 공급 매니폴드와 유체 연통 상태에 있으며 투과 출력 및 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 농축해수 출력을 생성하는 막 챔버와, 각각 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 터빈부 및 펌프 입력 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 펌프부을 각각 갖는 부스트 장치들을 갖는 역삼투압 시스템을 동작시키는 방법은, 입력 매니폴드에서 제1 압력을 갖는 공급 유체를 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력까지 상기 막 공급 매니폴드 내로 펌핑하는 단계, 상기 입력 매니폴드에서 상기 제1 압력을 갖는 공급 유체를 상기 제1 압력보다 큰 제3 압력까지 펌프 입력 매니폴드 내로 펌핑하는 단계, 상기 제3 압력에서 공급 유체를 상기 각 부스터 장치의 펌프부들에 통과시키는 단계, 및 농축해수 매니폴드에서 농축해수 압력에 응답하여 상기 각 부스터 장치의 상기 펌프부를 이용하여 상기 막 공급 매니폴드에서 상기 제2 압력을 증가시키는 단계를 포함한다.
응용의 추가적인 영역들은 본 명세서에 제공된 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정 예들은 단지 설명을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하려는 의도는 아니다.
여기에 설명되는 도면들은 단지 예시적인 것이며, 어떤 식으로든 본 발명의 범위를 한정하려는 의도는 아니다.
도 1은 종래 역삼투압 시스템의 도식적 도면이다.
도 2는 다른 종래 역삼투압 시스템의 도식적 도면이다.
도 3은 또다른 종래 역삼투압 시스템의 도식적 도면이다.
도 4는 역삼투압 시스템의 종래 구성의 또다른 도식적 도면이다.
도 5는 역삼투압 시스템의 종래 구성의 또다른 도식적 도면이다.
도 6는 역삼투압 시스템의 종래 구성의 또다른 도식적 도면이다.
도 7은 종래 기술에 따른 수압 부스터의 도식적 도면이다.
도 8A는 종래 기술에 따른 멀티스테이지 막 역삼투압 시스템의 도식적 도면이다.
도 8B는 종래 기술에 따른 도 8A의 유동일 교환기의 상세 다이어그램 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 역삼투압 시스템의 도식적 도면이다.
이하의 설명은 사실 단지 예시적인 것이며, 본 발명, 출원 또는 그 사용을 제한하려는 의도는 아니다. 명료함을 위해, 동일한 참조 부호들은 도면들에서 동일한 요소들을 식별하는 데 사용된다. 여기에 사용된 바와 같이, A, B 및 C 중 적어도 하나라는 구문은 NOR(non-exclusive logical)을 사용하여 논리적으로 A 또는 B 또는 C를 의미하는 것으로 쓰인다. 방법에 포함된 단계들은 본 발명의 원리를 변경하지 않고 다른 순서로 실행될 수 있음은 이해될 수 있다.
도 9를 참조하면, 다양한 구성요소들을 갖는, 도 8의 예와 유사한 실시예가 도시되어 있다. 동일한 참조 부호들은 동일한 구성요소들에 대해 사용되었다. 이 실시예에서, 전술한 방식과 유사한 방식으로 격리 밸브들(92, 94 및 96) 및 스로틀 밸브들(93)은 막 어레이들(12)과 관련될 수 있으며, 격리 밸브들(84,86)은 펌프들(20)과 관련될 수 있다. 복수의 공급 펌프들(20) 및 막 어레이들(12) 또한 도 8과 동일하게 구성될 수 있다.
이 실시예에서, 모터(202)에 의해 구동되어, 가변 속도 드라이브(204)에 의해 구동될 수 있는 매질 압력 펌프(200)는 저압 공급 매니폴드(80) 내에 위치할 수 있다. 펌프 입력 매니폴드(222)는 저압 공급 매니폴드(80)로부터 증가된 압력을 가질 수 있다. 가변 속도 드라이브(204)에 추가하여 또는 선택적으로, 스로틀 밸브(220)는 입력 매니폴드 내에서의 압력을 조절하기 위해 제공될 수 있다. 매질 압력 펌프(200)는 공급 매니폴드(82)에서 압력을 변화시키기 위해 최종적으로 사용될 수 있다.
에너지 회수를 위해 사용되는 부스터 장치(212)는 도 8A의 FWE 대신에 사용될 수 있다. 2개의 부스터 장치들이 도시되어 있다. 각 부스터 장치(212)는 펌프부(210) 및 터빈부(214)를 포함할 수 있다. 펌프부(210)은 펌프 입력 매니폴드를 통해 펌프(200)와 유체 연통 상태에 있을 수 있다. 펌프 입력 매니폴드(222)는 여기에서 공급 유체를 가진다. 터빈부(214)은 농축해수 매니폴드(104)와 유체 연통 상태에 있는 입력 및, 드레인(112)과 유체 연통 상태에 있는 저압 출력을 갖는다. 터빈부(214) 및 펌프부는 공통 샤프트(215)(또는 다른 연결 매커니즘)로 함께 연결 될 수 있으며, 고압 농축해수 흐름에서의 에너지는 펌프부(210)을 구동하도록 획득된다.
농축해수 매니폴드(104)는 보조 농축해수 매니폴드(230)와 유체 연통 상태에 있을 수 있다. 보조 농축해수 매니폴드(230) 및 농축해수 매니폴드(104)는 그 사이에 농축해수 제어 밸브(232)를 가질 수 있다. 보조 농축해수 매니폴드(230)에서의 압력은 농축해수 제어 밸브(232)를 이용하여 제어되고 조절될 수 있다. 이는 수동으로 또는 액추에이터에 의해 이루어질 수 있다. 보조 농축해수 매니폴드(230)는 보조 노즐 또는 포트(234)를 통해 터빈부들(214)와 유체 연통 상태에 있다. 격리 밸브(236A)는 흐름을 조절하고, 보조 포트(234A)에 대한 입력을 격리하거나 오프하는데 사용될 수 있다.
동작시, 매질 압력 펌프(200)는 저압 매니폴드(80)로부터의 공급을 공급 입력 매니폴드 압력(80)보다 높은 중간 값으로 압력을 가한다. 이 중간 값은 대략 막 압력의 25% 이거나 그 이하가 될 수 있다. 매질 압력 공급 유체는 에너지 회수부(120)에 공급된다. 더 상세하게는, 공급 유체는 펌프 입력 매니폴드(222)를 통해 공급 펌프(210)에 제공된다. 펌프부(210)은 압력을 증가시킨다. 부스터 장치(212)의 터빈부(214)은 고압 농축해수 매니폴드(104)로부터 에너지를 회수하여 공급 유체의 압력을 증가시킨다. 농축해수 매니폴드(104)로부터의 에너지는 펌프부(210)을 구동하도록 변환된다. 펌프부(210)의 출력의 압력이 증가하여 막 매니폴드(82)에서의 압력에 변화를 가할 수 있다. 매니폴드(82)에서의 압력 변화는 모터(202) 및 펌프(200)와 협력하여 VFD(204)를 제어함으로써 달성될 수 있다.
보조 농축해수 매니폴드(230)는 부스터 장치들(212)의 각 보조 노들(234)에 균일한 압력을 제공하는 데 사용될 수 있다. 각 부스터 장치(212)는 동일한 농축해수 흐름 및 압력에서 동작하며, 그에 따라 수압 부하(hydraulic load)를 나눌 수 있다. 농축해수 제어 밸브(232)의 하나의 조절은 각 부스터 장치로의 농축해수 흐름이 조절될 수 있도록 한다. 이는 개별 밸브 액추에이터 및 제어 밸브를 제거하며 이는 시스템의 전체 비용을 감소시킨다. 격리 밸브들(122, 124, 126, 128 및 236)은 시스템을 방해하지 않고 부스터 장치의 제거를 허용한다. 보조 농축해수 매니폴드(230)를 통한 최대 흐름은 농축해수 매니폴드(104)에서의 소정의 흐름량, 예컨대 15%보다 작을 수 있다.
부스터 장치(212)는 가변 속도 유량을 제공하도록 구동될 수 있다. 그러나, 공급 펌프부(210)에 의해 발생된 승압량(amount of pressure boost)은 유사하게 변화할 수 있다. 높은 공급 흐름은 승압을 감소시키고, 유사하게 낮은 공급 흐름은 승압을 더 높인다. 그러므로, 펌프부를 통한 공급 흐름은 펌프(200) 이후의 입력 매니폴드(222)의 압력을 조절함으로써 제어될 수 있다. 따라서, 공급 흐름의 제어는 농축해수 흐름에 독립적일 수 있다. 펌프부(210)을 통한 공급 흐름은 펌프(200)에서 압력의 조정을 통해 약 25%의 범위에서 변화할 수 있다.
시스템을 제어하는 다른 방식은 드레인(112)보다 앞서 저압 농축해수 매니폴드(252) 상에 농축해수 흐름 미터(brine flow meter)(250)를 사용하는 것이다. 흐름 미터는 농축해수 흐름을 제어하도록 밸브(232) 상의 밸브 액추에이터에 대해 농축해수 흐름 신호를 발생시킨다. 저압 투과 매니폴드(102)에 대한 투과 흐름 미 터(256)는 투과 생성을 조절하도록 VFD(204)에 투과 흐름 신호를 발생시킨다. 이러한 방식으로, 2개의 흐름 미터들만이 투과 생성 및 농축해수 흐름을 조절하기 위해 사용되는데, 공급 흐름은 농축해수 흐름에 투과 흐름을 합한 것과 동일하기 때문이다. 시스템이 하나의 트레인(train) 또는 20개의 트레인들을 갖는 지에 상관없이, 제어 방식은 동일하다. 또한, 만약 막 어레이 또는 공급 펌프가 제공되지 않더라도, 농축해수 및 투과 흐름에서의 결과적인 변화는 매질 압력 펌프(200)의 속도를 증가시키거나 제어 밸브(232)를 개방하는 것에 대한 응답을 발생하여 조작자에 의해 요구되는 어떠한 개입없이 투과 및 농축해수 흐름을 설계 값들로 회복한다.
당업자는 전술한 설명으로부터 본 발명의 폭넓은 기술들이 다양한 형태로 구현될 수 있음을 이해한다. 그러므로, 본 발명이 특정 실시예를 포함하더라도 다른 변형들이 도면, 상세한 설명 및 이하의 청구의 범위에 대한 연구로부터 당업자에 의해 명백하므로 본 발명의 실제적인 범위는 제한받지 않아야 한다.

Claims (25)

  1. 역삼투압 시스템에 있어서,
    공급 펌프 입력 및 공급 펌프 출력을 각각 갖는 복수의 공급 펌프;
    상기 공급 펌프 입력들과 유체 연통 상태에 있으며 제1 압력을 갖는 입력 매니폴드;
    상기 공급 펌프 출력과 유체 연통 상태에 있으며, 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력을 갖는 막 공급 매니폴드;
    상기 막 공급 매니폴드와 각각 유체 연통 상태에 있으며, 투과 출력 및 농축해수 출력을 발생시키고, 각 농축해수 출력은 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 복수의 막 챔버;
    상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 터빈 입력을 갖는 터빈부 및, 부스터 장치 펌프 입력 및 부스터 장치 펌프 출력을 갖는 펌프부을 각각 가지는 복수의 부스터 장치로서, 각 부스터 장치 펌프 출력은 막 공급 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는, 복수의 부스터 장치;
    상기 부스터 장치 펌프 입력과 유체 연통 상태에 있는 펌프 입력 매니폴드;
    상기 복수의 막 챔버들의 각 투과 출력과 유체 연통 상태에 있는 투과 매니폴드;
    투과 흐름 신호를 생성하는 투과 흐름 미터; 및
    모터와 상기 모터를 제어하는 가변 속도 드라이브에 결합되고, 상기 입력 매니폴드로부터 상기 펌프 입력 매니폴드로 유체를 통과시키며, 상기 가변 속도 드라이브에 의해 상기 투과 흐름 신호에 기초하여 제어되어, 상기 제1 압력보다 크고 상기 제2 압력보다 적은 가변하는 제3 압력을 상기 펌프 입력 매니폴드에 발생시키는 매질 압력 펌프를 포함하는 역삼투압 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 보조 농축해수 매니폴드를 더 포함하며,
    각 터빈부은 농축해수 제어 밸브를 통해 상기 보조 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 보조 입력 노즐을 포함하는 역삼투압 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 매질 압력 펌프는 상기 복수의 공급 펌프와 상기 복수의 부스터 장치 사이에서 상기 입력 매니폴드 내에 위치하는 역삼투압 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 보조 농축해수 매니폴드를 더 포함하며,
    각 터빈부은 상기 보조 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 보조 입력 노즐을 포함하는 역삼투압 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 농축해수 매니폴드는 제1 유량을 가지며, 상기 보조 농축해수 매니폴드는 상기 제1 유량의 약 15%까지의 제2 유량을 가지는 역삼투압 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 매질 압력 펌프에 연결된 모터 및 상기 모터를 제어하는 가변 속도 드라이브를 더 포함하는 역삼투압 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 보조 농축해수 매니폴드를 더 포함하며,
    각 터빈부는, 농축해수 제어 밸브를 통해 상기 보조 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 보조 입력 노즐을 포함하며,
    상기 역삼투압 시스템은 상기 복수의 부스터 장치 각각의 터빈부 출력과 유체 연통 상태에 있는 저압 농축해수 매니폴드 및, 농축해수 흐름 신호를 발생시키는 저압 농축해수 흐름 미터를 더 포함하고, 상기 농축해수 제어 밸브는 상기 농축해수 흐름 신호에 의해서 제어되는 역삼투압 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제3 압력은 상기 제2 압력의 약 25%인 역삼투압 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제3 압력은 상기 제2 압력의 25%보다 낮은 역삼투압 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 막 공급 매니폴드를 통한 공급 흐름은 상기 농축해수 매니폴드에서의 농축해수 흐름에 독립적으로 제어되는 역삼투압 시스템.
  11. 막 공급 매니폴드와 유체 연통 상태에 있으며 투과 출력 및 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 농축해수 출력을 생성하는 막 챔버와, 각각 상기 농축해수 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 터빈부 및 펌프 입력 매니폴드와 유체 연통 상태에 있는 펌프부를 각각 갖는 부스터 장치들을 갖는 역삼투압 시스템을 동작시키는 방법에 있어서,
    입력 매니폴드에서 제1 압력을 갖는 공급 유체를 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력까지 상기 막 공급 매니폴드 내로 펌핑하는 단계;
    상기 입력 매니폴드 내에서 상기 제1 압력을 갖는 공급 유체를 상기 제1 압력보다 크고 상기 제2압력보다 적은 제3 압력까지 펌프 입력 매니폴드 내로 펌핑하는 단계;
    상기 제3 압력을 갖는 공급 유체를 상기 각 부스터 장치의 펌프부들에 통과시키는 단계; 및
    농축해수 매니폴드에서 농축해수 압력에 응답하여 상기 각 부스터 장치의 상기 펌프부를 이용하여 상기 막 공급 매니폴드에서 상기 제2 압력을 증가시키는 단계를 포함하고,
    상기 투과 출력에서 흐름에 대응하는 투과 흐름 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 입력 매니폴드 내에서 상기 제1 압력을 갖는 공급 유체를 제3 압력으로 펌핑하는 단계는 상기 투과 흐름 신호에 응답하여 상기 입력 매니폴드에서 제1 압력을 갖는 공급 흐름을 상기 제3 압력으로 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 역삼투압 시스템 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 농축해수 매니폴드로부터 상기 터빈부과 유체 연통 상태에 있는 보조 농축해수 매니폴드로 농축해수 흐름을 통과시키는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템 동작 방법.
  13. 제11항에 있어서, 농축해수 제어 밸브를 통해 상기 농축해수 매니폴드로부터 상기 터빈부와 유체 연통 상태에 있는 보조 농축해수 매니폴드로 농축해수 유체를 통과시키는 단계를 더 포함하고, 상기 농축해수 제어 밸브로 상기 보조 농축해수 매니폴드에서의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템 동작 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 부스터 장치의 각 터빈부로부터 출력되는 농축해수 흐름에 대응하는 농축해수 흐름 신호를 발생시키는 단계를 더 포함하는데, 상기 압력을 조절하는 단계는 상기 농축해수 흐름 신호에 응답하여 압력을 조절하는 단계를 포함하는, 역삼투압 시스템 동작 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 입력 매니폴드에서 제1 압력을 갖는 공급 유체를 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력까지 상기 막 공급 매니폴드로 펌핑하는 단계는, 상기 입력 매니폴드에서 상기 제1 압력을 갖는 공급 유체를 복수의 공급 펌프를 사용하여 상기 막 공급 매니폴드에서 상기 제1 압력보다 큰 제2 압력까지 펌핑하는 단계를 포함하는 역삼투압 시스템 동작 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제3 압력을 변경시킴으로써 상기 부스터 장치의 펌프부들의 유량을 변경시키는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템 동작 방법.
  17. 제11항에 있어서, 상기 제3 압력을 조절함으로써 상기 부스터 장치의 상기 펌프부들의 유량을 25%까지의 범위만큼 변경하는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템 동작 방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 농축해수 매니폴드는 제1 유량을 가지며, 보조 농축해수 매니폴드는 상기 제1 유량의 약 15%까지 제2 유량을 갖는 역삼투압 시스템 동작 방법.
  19. 제11항에 있어서, 상기 막 공급 매니폴드를 통해 독립적으로 공급 흐름을 제어하는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템 동작 방법.
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