KR101853281B1 - 에너지 회수장치를 갖춘 역삼투압 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 역삼투압 시스템은 제1막 어레이, 제2막 어레이, 유압 부스터 및 전동 발전기를 포함한다. 제1막 어레이는 원수 흐름으로부터 제1투과수 흐름과 제1농축수 흐름를 생성하도록 구성된다. 제2막 어레이는 제1농축수 흐름으로부터 제2투과수 흐름과 제2농축수 흐름을 생성하도록 구성된다. 부스터는 제2농축수 흐름으로부터의 에너지를 이용하여 원수 흐름과 제1농축수 흐름의 적어도 한쪽의 압력을 증가시키도록 구성된다. 전동 발전기는 유압 부스터에 결합되고 전원으로부터의 에너지를 이용하여 유압 부스터를 구동하도록 동작할 수 있다. 전동 발전기는 제2 농축수 흐름의 에너지를 이용하여 전원에 전력을 공급하도록 동작할 수 있다.

Description

에너지 회수장치를 갖춘 역삼투압 시스템{Reverse osmosis system with energy recovery devices}
본 출원은, 2013년 4월 18일자로 출원된 미국 특허출원 13/865,257호와 2012년 4월 20일자로 출원된 미국 특허 가출원 61/636,264호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 출원의 내용은 여기에 참조로 통합된다.
본 발명은 역삼투압 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지 회수장치를 갖춘 역삼투압 시스템에 관한 것이다.
여기에서의 설명은 본 발명에 관련된 배경 정보로서 제공될 뿐이며, 종래 기술을 구성하지 않는다.
역삼투압(reverse osmosis: RO) 시스템은 특수한 막들을 이용하여 소금같은 용해 물질을 포함하는 원수(原水; feed stream) 흐름을 두 갈래 흐름, 즉 투과수(permeate)라고 하는 정수 물을 포함하는 흐름과 농축수(concentrate 또는 brine)라고 하는 용해 물질의 농축액을 포함하는 흐름으로 분리한다.
이 분리공정을 가동하는 압력의 크기는 원수에 용해된 고형물의 농도에 크게 좌우된다. 해수 같은 액체에 대하여 분리공정을 가동하는 데 필요한 최저 압력은 500 내지 600 psig(pound-force per square inch gauge)가 될 수 있으나, 적절한 수준의 투과수 생산을 달성하기 위해서 보통 900 psig 만큼 높아지기도 한다. 이만큼 높은 압력을 위해서는 고압펌프(HPP)로 상당히 큰 에너지를 써야 한다.
고압의 요구사항에 더해서 이 RO 공정은 원수 흐름으로부터 한정된 양의 투과수만 추출할 수 있다. 해수 RO 공정의 경우, 보통 원수 흐름의 40 내지 45 %가 투과수로 추출될 수 있고, 나머지가 농축 폐기물로 배출된다.
투과수 흐름의 압력이 낮은 것은 막을 통과하면서 걸리는 압력이 흡수되기 때문이다. 막 표면을 통과하지 않은 농축수 흐름은 원수 압력에 매우 가깝게 유지된다. 따라서, 해수의 경우 농축수 압력은 매우 높다.
도 1을 참조하면, 종래의 역삼투압 시스템(10)은 원수 흐름(18)으로부터 투과수 흐름(14) 및 농축수 흐름(16)을 생성하는 막 어레이(12)를 포함한다. 원수 흐름(18)은 통상적으로 염수 또는 해수를 포함한다. 모터(22)에 연결된 공급 펌프(20)는 원수 흐름(18)을 요구된 압력까지 가압하고, 원수 흐름(18)은 요구된 압력에서 막 어레이(12)로 들어간다.
막 어레이(12)는 막 하우징(24)과 막(26)을 포함한다. 원수 흐름(18) 중 막(26)을 통과하고 막 어레이(12)를 나가기 전의 부분은 투과수 흐름(14)을 형성한다. 원수 흐름(18) 중 막(26)을 통과하지 않고 막 어레이(12)를 나가기 전의 부분은 농축수 흐름(16)을 형성한다.
투과수 흐름(14)은 정제된 저압의 유체 흐름이다. 농축수 흐름(16)은 막(26)에 의해 차단된 용해 물질을 포함하는 고압의 흐름이다. 농축수 흐름(16)의 압력은 원수 흐름(18)보다 단지 약간 더 낮다. 제어 밸브(28)는 막 어레이(12)를 통하는 흐름과 그 내부 압력을 조정하는 데 이용될 수 있다. 농축수 흐름(16)은 제어 밸브(28)를 통해 드레인(30)으로 진행할 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1의 역삼투압 시스템(10)과 유사한 종래의 역삼투압 시스템(50)이 추가의 막 어레이(52)를 포함하여 도시되어 있다. 막 어레이(52)는 막 어레이(12)에서 나오는 농축수 흐름(16)으로부터 투과수 흐름(54)과 농축수 흐름(56)을 생성한다. 투과수 흐름(54)은 투과수 흐름(14)과 결합하여 단일 투과수 흐름(58)을 형성할 수 있다.
막 어레이(52)는 막 하우징(60)과 막(62)을 포함한다. 농축수 흐름(16) 중 막(62)을 통과하고 막 어레이(52)를 나가기 전의 부분은 투과수 흐름(54)을 형성한다. 농축수 흐름(16) 중 막(62)을 통과하지 않고 막 어레이(52)를 나가기 전의 부분은 농축수 흐름(56)을 형성한다. 농축수 흐름(56)은 제어 밸브(28)를 통해 드레인(30)으로 진행할 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 도 1의 역삼투압 시스템(10)과 유사한 종래의 역삼투압 시스템(50)이 유압 부스터(102)를 포함하여 도시되어 있다. 유압 부스터(102)는 농축수 흐름(16)으로부터 수압에너지를 회수하는 데 이용되고 펌프부(104) 및 터빈부(106)를 포함한다. 펌프부(104) 및 터빈부(106)는 공통샤프트(108)로 서로 연결되어 있다. 농축수 흐름(16)은 높은 압력 하에 터빈부(106)를 통과하고 이에 따라 공통샤프트(108)가 회전되게 하여 펌프부(104)를 구동시킨다. 터빈부(106)를 통과한 후 농축수 흐름(16)은 저압 상태에서 드레인(30)으로 진행한다.
펌프부(104)는 원수 흐름(18)의 공급 압력을 상승시킨다. 유압 부스터(102)는 막 어레이(12)에 대한 요구 공급 압력의 일부를 발생시키므로, 공급 펌프(20) 및 모터(22)는 그만큼 압력을 덜 필요로 하여 소형화될 수 있다. 또한 공급 펌프(20)와 모터(22)가 소비하는 에너지 양이 감소한다.
도 4를 참조하면, 도 2의 역삼투압 시스템(50)과 유사한 종래의 역삼투압 시스템(150)이 유압 부스터(152)를 포함하여 도시되어 있다. 유압 부스터(152)는 농축수 흐름(56)으로부터 에너지를 회수하는 데 이용되고 펌프부(154) 및 터빈부(156)를 포함한다. 펌프부(154) 및 터빈부(156)는 공통샤프트(158)로 서로 연결되어 있다. 농축수 흐름(16)은 높은 압력 하에 터빈부(156)를 통과하고 이에 따라 공통샤프트(158)가 회전되게 하여 펌프부(154)를 구동시킨다. 터빈부(156)를 통과한 후 농축수 흐름(56)은 저압 상태에서 드레인(30)으로 진행한다.
펌프부(154)는 농축수 흐름(16)이 막 어레이(52)에 들어가기 전에 농축수 흐름(16)의 압력을 상승시킨다. 농축수 흐름(16)에 용해된 고체물질들의 양은 원수 흐름(18)에 용해된 고체물질들의 양보다 많을 수 있다. 따라서, 농축수 흐름(16)의 압력을 원수 흐름(18)의 압력에 비해 고압으로 상승시켜야 할 수 있다. 모터 구동의 인터스테이지(interstage) 펌프(도시 안 됨)가 막 어레이들(12, 52) 사이에 포함되어 농축수 흐름(16)의 압력을 그와 같은 고압으로 상승시킬 수 있다. 그러나 부스터(152)가 농축수 흐름(16)의 유압 에너지로 구동되므로 부스터(152)는 인터스테이지 펌프에 비해 적은 에너지를 소비할 수 있다. 또한, 부스터(152)의 이용으로 원수 흐름(18)의 압력은 감소하여도 무방하다. 따라서 공급 펌프(20) 및 모터(22)는 그만큼 압력을 덜 필요로 하여 소형화될 수 있다. 또한 공급 펌프(20)와 모터(22)가 소비하는 에너지 양이 감소될 수 있다.
본 발명은 에너지 회수장치를 갖춘 역삼투압 시스템을 제공하기 위한 것이다.
이 항목에서는 본 발명의 일반적 개요를 제시하며, 그 전체 범위나 구성 전체를 포괄적으로 개시하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 제1역삼투압 시스템은 펌프, 제1막 어레이, 제2막 어레이, 유압 부스터 및 전동 발전기를 포함한다. 펌프는 원수 흐름을 가압하도록 작동할 수 있다. 제1막 어레이는 원수 흐름으로부터 제1 투과수 흐름과 제1 농축수 흐름을 생성하도록 구성된다. 제2막 어레이는 제1 농축수 흐름으로부터 제2 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름을 생성하도록 구성된다. 부스터는 제2 농축수 흐름으로부터의 에너지를 이용하여 원수 흐름과 제1 농축수 흐름의 적어도 한쪽의 압력을 증가시키도록 구성된다. 전동 발전기는 유압 부스터에 결합되고 전원으로부터의 에너지를 이용하여 유압 부스터를 구동하도록 동작할 수 있다. 전동 발전기는 제2 농축수 흐름의 에너지를 이용하여 전원에 전력을 공급하도록 동작할 수 있다.
본 발명에 따른 제2의 역삼투압 시스템은 펌프, 제1막 어레이, 제2막 어레이, 제1유압 부스터 및 제2유압 부스터를 포함한다. 펌프는 원수 흐름을 가압하도록 작동 가능하다. 제1막 어레이는 원수 흐름을 수용하고 원수 흐름으로부터 제1 투과수 흐름 및 제1 농축수 흐름를 생성하도록 구성된다. 제2막 어레이는 제1 농축수 흐름를 수용하고 그로부터 제2 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름을 생성하도록 구성된다. 제1유압 부스터는 제2 농축수 흐름의 제1부분을 수용하고 제2 농축수 흐름의 에너지를 이용하여 제1 농축수 흐름 압력을 증가시키도록 구성된다. 제2유압 부스터는 제2 농축수 흐름의 제2부분을 수용하고 제2 농축수 흐름의 에너지를 이용하여 원수 흐름의 압력을 증가시키도록 구성된다.
본 발명에 따른 역삼투압 시스템의 동작 방법은 원수 흐름을 제1막 어레이로 인도하여 원수 흐름을 제1 투과수 흐름과 제1 농축수 흐름으로 분리하는 단계; 제1 농축수 흐름을 제2막 어레이로 인도하여 제1 농축수 흐름을 제2 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름으로 분리하는 단계; 및 제1유압 부스터에 결합된 전동 발전기의 토크 출력을 제어하여 제1유압 부스터가 원수 흐름과 제1 농축수 흐름 가운데 적어도 하나의 압력을 상승시키는 양을 조정하는 단계를 포함한다.
다른 적용 영역은 본 명세서의 기재에서 명확해질 것이다. 본 요약의 설명 및 특정 사례는 예시만을 목적으로 한 것이고 본 개시의 범위를 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다.
여기에 설명되는 도면들은 단지 예시적인 것이고 모든 가능한 구현 예가 아니며, 본 발명의 범위를 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다.
도 1은 종래 기술의 제 1 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 2는 종래 기술의 제 2 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 3은 종래 기술의 제 3 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 4는 종래 기술의 제 4 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 6는 본 발명의 제 2 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 7는 본 발명의 제 3 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 8는 본 발명의 제 4 역삼투압 시스템의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 역삼투압 시스템의 동작방법을 나타내는 흐름도이다.
대응하는 참조부호는 도면의 몇몇의 도를 통해 대응하는 부분을 나타낸다.
예시적인 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
예시적인 실시 형태는 본 개시가 완전히 되도록 제공되고 당업자에게 그 범위를 충분히 전달할 것이다. 특정 구성요소, 장치 및 방법의 예들과 같이 다수의 특정 항목이 기술되어, 본 발명의 실시 형태의 완전한 이해를 제공한다. 특정 항목이 사용될 필요는 없으며, 실시예들은 많은 다른 형태로 구현할 수 있고, 모두 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 어떤 실시예에서, 잘 알려진 공정, 잘 알려진 구조, 잘 알려진 기술은 상세히 설명되지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특수한 실시예를 설명하기 위한 것이지 한정하려는 의도의 것은 아니다. 본 명세서에서 사용될 경우 단수형 표현과 "상기"는 복수형도 포함하는 것을 의도할 수 있다. 용어 "구비하는," "포함하는," 및 "가지는"은 포괄적이어서, 기술된 특징, 완전체(integer), 단계, 동작, 구성 요소 및/또는 그 집합이 존재함을 말하는 것으로, 하나 이상의 다른 특징, 완전체, 단계, 동작, 구성 요소 및/또는 그 집합이 더 존재하거나 추가되는 것을 배제하지 않는다. 본 명세서 중에 기재되는 방법 단계, 공정 및 동작들의 순서는 이행순서를 특별히 명시하지 않으면, 설명되거나 도시된 대로만 수행되어야 하는 것을 의도하지 않는다. 또한 추가적인 단계나 대체되는 단계가 이용될 수 있다.
어떤 요소나 층이 다른 요소나 층 "상에 있는", "맞물린", "연결된" 또는 "결합된" 것으로 언급되면, 이는 직접적으로 다른 요소나 층 상에 있거나, 맞물리거나, 연결되거나 결합될 수 있으며, 혹은 개재되는 요소나 층이 존재할 수 있다. 반대로, 어떤 요소나 층이 다른 요소나 층 "상에 바로 있는", "직접 맞물린", "직접 연결된" 또는 "직접 결합된" 것으로 언급될 때에는 개재되는 요소나 층이 없을 수 있다. 요소들 간의 관계를 설명하는 데 사용하는 다른 용어들도 같은 방식으로 해석되어야 한다(예를 들어, "사이에"와 "직접 사이에", "인접한"과 "직접 인접한" 등). 본 명세서에서 사용될 경우 "및/또는"의 용어는 관련되어 열거된 하나 이상 항목의 임의의 또는 모든 조합을 포함한다.
제1, 제2, 제3 등의 용어가 여기에 사용되어 다양한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 부분을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성 요소, 영역, 층 및/또는 부분은 그 용어들에 의하여 한정되어서는 안 된다. 이들 용어는 단지 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하는 데 사용될 수 있다. 이 명세서에서 사용될 경우 "제1," "제2" 및 다른 숫자 용어는 문맥에 따라 명시되지 않는 한, 순서 또는 차례를 의미하지 않는다. 따라서 아래에 설명된 제1 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 부분은 실시예의 가르침으로부터 벗어남 없이 제2 요소, 구성 요소, 영역, 층 또는 부분이라고 부를 수 있다.
공간적인 관계를 나타내는 용어, 예를 들어 "내측," "외측," "아래," "하부," "위," "상측" 등은 도면에서 도시한 것과 같은 한 요소 또는 특징의 다른 요소(들) 또는 구성(들)에 대한 관계를 쉽게 기술하기 위해 본 명세서에서 사용할 수 있다. 공간적인 관계를 나타내는 용어는 도면들에 묘사된 방위에 덧붙여 장치의 사용 또는 동작의 다른 방위들을 포함하는 것을 의도할 수 있다. 예를 들어, 도면 중의 장치가 뒤집혔을 경우, 요소들은 다른 요소들 또는 구성들의 "아래"로 설명되었더라도 그 시점에서 다른 요소들 또는 구성들의 "위"를 향하는 것으로 한다. 따라서 예시적인 "아래"의 용어는 위 아래 양쪽의 방위를 포함할 수 있다. 장치는 다른 방법으로 (90도 회전 또는 다른 방위로) 배향될 수 있고 본 명세서에서 사용하는 공간 관계적인 표현은 그에 따라 해석된다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 역삼투압 시스템(200)은 막 어레이(202), 막 어레이(204), 유압 부스터(206) 및 전동 발전기(208)를 포함한다. 막 어레이(202)는 원수 흐름(214)에서 투과수 흐름(210) 및 농축수 흐름(212)을 생성한다. 원수 흐름(214)은 염수 또는 해수를 포함할 수 있다. 모터(218)에 연결된 공급 펌프(216)는 필요한 압력까지 원수 흐름(214)을 가압하고, 원수 흐름(214)은 필요한 압력으로 막 어레이(202)에 들어간다.
막 어레이(202)는 막 하우징(220) 및 막(222)을 포함한다. 원수 흐름(214) 중 막(222)을 통과하고 막 어레이(202)를 나가기 전의 부분은 투과수 흐름(210)을 형성한다. 원수 흐름(214) 중 막(222)을 통과하지 않고 막 어레이(202)를 나가기 전의 부분은 농축수 흐름(212)을 형성한다. 투과수 흐름(210)은 저압 상태의 정수된 유체의 흐름이다. 농축수 흐름(212)은 막(222)에 의해 차단된 용해물질을 함유한다. 농축수 흐름(212)의 압력은 원수 흐름(214)보다 약간만 낮다.
막 어레이(204)는 농축수 흐름(212)에서 투과수 흐름(224) 및 농축수 흐름(226)을 생성한다. 투과수 흐름(224)는 투과수 흐름(210)과 합류하여 단일 투과수 흐름(228)을 형성할 수 있다. 막 어레이(204)는 막 하우징(230) 및 막(232)을 포함한다. 농축수 흐름(212) 중 막(232)을 통과하고 막 어레이(204)를 나가기 전의 부분은 투과수 흐름(224)을 형성한다. 농축수 흐름(212) 중 막(232)을 통과하지 않고 막 어레이(204)를 나가기 전의 부분은 농축수 흐름(226)을 형성한다. 투과수 흐름(224)은 저압 상태의 정수된 유체의 흐름이다. 농축수 흐름(226)은 막(232)에 의해 차단된 용해물질을 함유한다. 농축수 흐름(226)의 압력은 농축수 흐름(212)보다 약간만 낮다.
부스터(206)는 농축수 흐름(226)에서 에너지를 회수하기 위해 이용되고 펌프부(234)와 터빈부(236)를 포함한다. 펌프부(234)와 터빈부(236)는 공통 샤프트(238)와 함께 결합된다. 농축수 흐름(226)은 고압에서 터빈부(236)를 통과함으로써 샤프트(238)를 회전시키고 펌프부(234)를 구동한다. 터빈부(236)를 통과한 뒤 농축수 흐름(226)은 저압상태에서 드레인(240)으로 흐른다.
펌프부(234)는 그를 통해 흐르는 농축수 흐름(212)의 압력을 상승시킨다. 농축수 흐름(212)에 용해된 고체의 양은 원수 흐름(214)에 용해된 고체의 양보다 많을 수 있다. 따라서, 농축수 흐름(212)의 압력을 원수 흐름(14)의 압력에 비해 더욱 고압으로 증가할 필요가 있다. 모터 구동의 인터스테이지 펌프(도시 안 됨)가 막 어레이들(202, 204) 사이에 포함되어 농축수 흐름(212)의 압력을 그와 같은 고압으로 상승시킬 수 있다. 그러나 부스터(206)가 농축수 흐름(226)의 유압 에너지로 구동되므로 부스터(206)는 인터스테이지 펌프에 비해 적은 에너지를 소비할 수 있다. 또한, 부스터(206)의 이용으로 원수 흐름(214)의 압력은 감소하여도 무방하다. 따라서 공급 펌프(216) 및 모터(218)는 그만큼 압력을 덜 필요로 하여 소형화될 수 있다. 또한 공급 펌프(216)와 모터(218)가 소비하는 에너지 양을 절감할 수 있다.
부스터(206)의 샤프트(238)는 전동 발전기(208)로 연장할 수 있다. 전동 발전기(208)는 역삼투압 설비 전원(도시 안 됨)의 전력을 이용하여 터빈부(236)를 구동하는 모터로 기능할 수 있다. 전동 발전기(208)는 부스터(206)의 터빈부(236)를 구동하는 농축수 흐름(226)의 수력 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 발전기로 작용할 수 있고, 변환된 전기 에너지는 전원으로 되돌릴 수 있다. 농축수 흐름(226)의 유압 에너지는 펌프부(234)를 구동하는 데 필요한 에너지량보다 훨씬 커서 농축수 흐름(212)을 목적한 압력으로 상승시킬 수 있다. 전동 발전기(208)는 여분의 에너지가 낭비되도록 하지 않고 이 여분의 에너지를 포획한다.
전동 발전기(208)는 가변 주파수 구동기(244, variable frequency drive: VFD)에 전기적으로 연결될 수 있다. VFD(244)는 전동 발전기(208)에 부과되는 부하량을 조정하는 데 이용되어 부스터(206)가 확실히 목표 부스트량을 발생하도록(즉, 부스터(206)가 농축수 흐름(212)의 압력을 목표량만큼 상승시키도록) 해준다. 부스터(206)에 의해 생성되는 부스트의 양은 전동 발전기(208)에 걸리는 부하의 양에 반비례한다. 전동 발전기(208)에 의해 발전된 전기 에너지의 양은 전동 발전기(208)에 걸리는 부하량에 정비례한다.
부스터(206)는 터빈부(236)를 통과하는 유체 유량을 제어하도록 조정 가능한 가변 형상(variable geometry) 노즐(246)을 포함할 수 있다. 터빈부(236)를 통과하는 유체 유량을 제어하여 부스터(206)에 의해 생성 부스트량을 조정할 수 있다. 터빈부(236)를 지나는 유량을 제어하는 것에 의해 부스터(206)와 전동 발전기(208)가 농축수 흐름(226)부터 포착하는 에너지량을 최대화하는 것도 가능하다.
유량계(248)는 투과수 흐름(224)의 유량을 측정하고 투과수 흐름(224)의 유량을 나타내는 센서 신호(250)를 생성한다. 유량계(252)는 농축수 흐름(226)의 유량을 측정하고 농축수 흐름(226)의 유량을 나타내는 센서 신호(254)를 생성한다. 제어기(256)는 센서 신호(250, 254)를 수신하여 VFD(244) 및 가변 형상 노즐(246)에 제어 신호(258, 260)를 각각 출력한다.
제어기(256)는 가변 형상 노즐(246)을 제어하여 막 어레이(204)가 목표량의 농축수를 확실히 생성하도록 할 수 있다. 농축수 흐름(226)의 유량이 목표량 미만인 경우 제어기(256)는 가변 형상 노즐(246)의 면적을 증가시킬 수 있다. 가변 형상 노즐(246)의 면적을 확대하면 농축수 흐름(226)의 유량이 증가한다. 농축수 흐름(226)의 유량이 목표량보다 많아지면, 제어기(256)는 가변 형상 노즐(246)의 면적을 줄일 수 있다. 가변 형상 노즐(246)의 면적 감소는 농축수 흐름(226)의 유량을 감소시킨다.
제어기(256)는 가변 형상 노즐(246)을 제어하여 농축수 흐름(226)의 유량을 막(232)의 최적 동작에 바람직한 양으로 조정한다. 원수 흐름(214)이 해수를 포함할 때 처럼 일부 경우에, 농축수 흐름(226)의 수력 에너지량이 부스터(206)가 목표 부스트량을 생성하도록 해주는 데 필요한 것보다 클 수 있다. 이러한 조건에서 전동 발전기(208)는 전력을 생산한다. 원수 흐름(214)이 염수를 포함하는 등의 다른 조건에서는 농축수 흐름(226)에서의 수력 에너지가 목표 부스터량을 생성하기에는 불충분하다. 이들 조건에서 전동 발전기(208)는 모터로서 작용하고 샤프트(238)의 속도를 증가시켜 목표 부스터량을 달성하기에 충분한 수준에 이르도록 한다.
또한 제어기(256)는 투과수 흐름(224)의 유량에 따라 VFD(244)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(256)는 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 감소하도록 전동 발전기(208)에 걸리는 부하량을 증가시켜 투과수 흐름(224)의 유량을 감소시킬 수 있다. 반대로, 제어기(256)는 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 증가하도록 전동 발전기(208)에 걸리는 부하량을 감소시켜 투과수 흐름(224)의 유량을 증가시킬 수 있다.
또한 제어기(256)는 VFD(244)를 제어하여 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 조정하고 이에 따라 전동 발전기(208)의 출력과 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 조정할 수 있다. 제어기(256)는 투과수 흐름(224)의 유량에 따라 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(256)는 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 증가하여 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 증가함으로써 투과수 흐름(224)의 유량을 증가할 수 있다. 전동 발전기(208)에 공급되는 전력량 증가는 전동 발전기(208)의 속도 증가를 일으키고 이것이 농축수 흐름(212)의 압력을 증가시켜 더 많은 투과수 유량을 초래한다. 반대로, 제어기(256)는 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 감소하여 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 감소함으로써 투과수 흐름(224)의 유량을 감소할 수 있다. 전동 발전기(208)에 공급되는 전력량 감소는 전동 발전기(208)의 속도 감소를 일으키고 이것이 농축수 흐름(212)의 압력을 감소시켜 더 적은 투과수 유량을 초래한다.
제어기(256)의 주요 목적은 투과수 흐름(224)의 목표 유량을 달성하기 위해서 전동 발전기(208)의 (부 또는 정)토크 출력을 조절하여 부스터(206)에 의해 생성되는 부스트량을 조정하는 것일 수 있다. 또한 제어기(256)는 농축수 흐름(226)의 목표 유량을 달성하기 위해 가변 형상 노즐(246)을 조정할 수 있다. 이 두 제어 전략의 각각을 조정하는 것이 다른 제어 전략에 영향을 미칠 것이기 때문에, 연속 제어 루프에서 조정을 실행할 때에는 새로운 평형 조건이 달성되도록 제어 루프들 사이에 충분한 시간을 두면 좋다. 양측 제어 전략에 대해 일정 수의 조정을 행한 후에 투과수 흐름(224)과 농축수 흐름(226)의 목표 유량이 달성된다.
제어기(256)는 전동 발전기(208)의 샤프트(238)의 속도를 조정하여 막 어레이(204)가 확실하게 목표량의 투과수를 생성하도록 할 수 있다. 투과수 흐름(224)의 유량이 목표량보다 클 경우 제어기(256)는 샤프트(238)를 감속하여 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 감소시키고, 이에 따라 투과수 생산량을 감소시킬 수 있다. 투과수 흐름(224)의 유량이 목표량 미만인 경우, 제어기(256)는 샤프트(238)를 가속하여 부스터(206)가 의해 생성하는 부스트량을 증가시키기고 그것에 의해 투과수 생산량을 증가시킬 수 있다.
또한, VFD(262)가 전기적으로 모터(218)에 접속되어 원수 흐름(214)의 압력을 조정할 수 있도록 하여 막 어레이(220)가 투과수 흐름(210)의 유량을 목표 유량으로 조정하게 할 수 있다. 제어기(256)는 제어 신호(264)를 VFD(262)에 출력한다. 투과수 흐름(210)의 유량이 목표량보다 적을 경우, 제어기는 공급 펌프(216)의 용량을 증가시키도록 모터(218)를 가속하고 이에 따라 원수 흐름(214)의 압력을 증가하여 투과수를 증산할 수 있다. 투과수 흐름(210)의 유량이 목표량보다 많을 경우, 제어기는 공급 펌프(216)의 용량을 감소하도록 모터(218)를 감속하고 이에 따라 원수 흐름(214)의 압력을 감소하여 투과수를 감산할 수 있다.
도 6을 참조하면, 역삼투압 시스템(300)은 도 5의 역삼투압 시스템(200)과 유사하다. 다만, 역삼투압 시스템(300)은 농축수 흐름(226)으로부터의 에너지를 완전히 이용하기 위해 부스터(206)(즉, 단일 부스터)가 아니라 한 쌍의 유압 부스터(302, 304)를 포함한다. 부스터(304)는 부스터(206)와 유사한데, 다만 부스터(304)의 샤프트(238)는 전동 발전기에까지 연장하지 않는다. 또한 역삼투압 시스템(300)은 전동 발전기(208), VFD(244), 유량계(248, 252) 및 제어기(256) 없이 도시되어 있다. 그러나, 다양한 구현에서 역삼투압 시스템(300)은 도시 안 된 상술한 요소를 하나 이상 포함할 수 있다.
부스터(302)는 농축수 흐름(226)에서 에너지를 회수하기 위해 이용되고 펌프부(306) 및 터빈부(308)를 포함한다. 펌프부(306)와 터빈부(308)는 공통 샤프트(310)와 함계 결합된다. 농축수 흐름(226)은 부스터(304)의 터빈부(236)를 통과한 후 터빈부(308)를 통과한다. 따라서, 터빈부(308)에 진입하는 농축수(226)가 고압상태이더라도 터빈부(308)의 입구에서의 농축수(226) 압력은 터빈부(236)의 입구에서의 농축수(226) 압력보다 낮을 수 있다. 터빈부(236)를 통과할 때의 이 같은 농축수(226) 압력 감소는 부스터(304)를 구동하는 데 필요한 에너지 때문이다. 터빈부(236)를 통과한 후 농축수(226)는 저압 상태이고 드레인(240)으로 흘러간다.
부스터(302)의 펌프부(306)는 원수 흐름(214)이 펌프부(306)를 통해 흐르는 동안 원수 흐름(214)의 압력을 상승시킨다. 따라서, 부스터(302)는 공급 펌프(216)와 막 어레이(202) 사이에 목표 부스트량을 제공하고, 부스터(304)는 막 어레이들(202,204) 사이에 목표 부스트량을 제공한다. 이 방법으로 부스터(302, 304)는 농축수 흐름(226)에서 회수되는 에너지의 양을 최대로 하고 그것에 의해서 시스템의 에너지 효율을 높인다.
각 부스터(302, 304)의 효율은 부분적으로 농축수 흐름과 각자의 터빈부에 걸친 압력차 사이의 관계에 의해 결정될 수 있다. 또한 각 부스터(302, 304)의 효율은 부분적으로 각각의 펌프부를 통한 유량의, 각 터빈부를 통한 유량에 대한 비율에 의해 결정될 수 있다. 전체 농축수 흐름(226)이 부스터(302,304) 각각을 통해 흐르기 때문에 농축수 흐름(226) 중의 총 압력 저하는 부스터들(302, 304)사이에 분할된다.
부스터(302)는 가변 면적 터빈 노즐(312)을 포함할 수 있고 부스터(304)는 가변 면적 터빈 노즐(314)을 포함할 수 있다. 또한, 유량계(316)는 투과수 흐름(224)의 유량을 측정할 수 있고, 유량계(318)는 농축수 흐름(226)의 유량을 측정할 수 있다. 제어기(320)는 부스터(304) 상의 가변 면적 터빈 노즐(314)을 조정하여 농축수 흐름(226)의 목표량을 달성할 수 있다. 제어기(322)는 부스터(302) 상의 가변 면적 터빈 노즐(312)을 조정하여 터빈부(236)에 걸친 압력차를 조정하고 그에 따라 펌프부(234)가 생성하는 부스트량을 조정하여 투과수 흐름(224)의 목표량을 달성할 수 있다.
제어기(320)는 유량계(318)로부터 센서 신호(324)를 수신하고, 제어신호(326)를 가변 면적 터빈 노즐(314)로 출력한다. 또한 제어기(320)는 도시한 것과 같이 제어신호(326)를 VFD(262)에 출력할 수 있고, 또는 제어기(322)가 제어신호를 VFD(262)에 출력할 수 있다. 제어기(322)는 유량계(316, 318) 각각으로부터 센서 신호(330, 332)를 수신하여 제어신호(334)를 가변 면적 터빈 노즐(316)로 출력한다. 제어기들(320, 322)은 제어신호(336)를 통해 서로 통신함으로써 가변 면적 터빈 노즐들(312, 314)의 제어를 조정한다. 다양한 실시 형태에서 제어기들(320, 322)은 단일 제어기로 구현될 수 있다.
부스터(304)는 농축수 흐름(226)으로부터 필요한 에너지 전부를 얻어 농축수 흐름(212)의 압력을 증가시키고 그에 따라 투과수 흐름(224)의 목표량을 달성할 수 있다. 농축수 흐름(226)의 유량을 목표 유량으로 조정하는 것은 부스터(302) 상의 가변 면적 터빈 노즐을 조정함으로써 가능하다. 농축수 흐름(226)의 잔여 압력은 부스터(320)가 이용하여 원수 흐름(214)에 압력 부스트를 생성할 수 있다. VFD(262)는 모터(218)에 연결되어 원수 흐름(214)의 압력을 조정할 수 있게 해주고 그 조정 압력은 부스터(302)에서의 압력 부스트에 더해질 때 막 어레이(220)로 하여금 투과수 흐름(210)의 유량을 목표 유량으로 조정할 수 있게 한다.
도 7을 참조하면, 역삼투압 시스템(350)은 도 6의 역삼투압 시스템(300)과 유사한데, 다만 역삼투압 시스템(350)에서 농축수 흐름(226)의 경로는 부스터들(302, 304) 양측으로 직결된다. 농축수 흐름(226)의 경로를 부스터(302, 304) 양측에 직결하는 것은 각 부스터(302, 304)의 효율을 높일 수 있다. 농축수 흐름(226)의 경로를 부스터(302, 304) 양측에 직결하기 위하여 농축수 흐름(226)은 한쌍의 농축수 흐름(352, 54)으로 분리된다. 그 결과, 각 부스터(302, 304)는 고압의 농축수 흐름의 더 작은 분량을 받는다.
농축수 흐름(352)은 부스터(304)의 터빈부(236)를 통과하고, 이것이 펌프부(234)를 구동하고 농축수 흐름(212)의 압력을 상승시킨다. 터빈부(236)를 통과한 뒤 농축수 흐름(352)은 드레인(240)으로 흘러간다. 농축수 흐름(354)은 부스터(302)의 터빈부(308)를 통과하고, 이것이 펌프부(306)를 구동하고 원수 흐름(214)의 압력을 상승시킨다. 터빈부(308)를 통과한 뒤 농축수 흐름(354)은 드레인(356)으로 흘러간다.
도 7의 역삼투압 시스템(350)의 제어 방식은 도 6의 역삼투압 시스템(300)의 제어 방식과 유사해서 부스터(304)가 농축수 흐름(226)으로부터 압력을 필요한만큼 이용하여 투과수 흐름(224)의 유량을 목표 유량으로 조정할 수 있다. 농축수 흐름(226) 내 압력의 나머지는 부스터(302)가 이용해서 원수 흐름(214)에 압력 부스트를 생성한다. VFD(262)는 모터(218)을 구동하여 공급 펌프(216)로부터의 토출 압력을 조정하고 이에 따라 투과수 흐름(210)의 유량을 목표량으로 조정한다.
도8을 참조하면, 역삼투압 시스템(400)은 도 3의 역삼투압 시스템(350)과 유사한데, 다만 시스템(400)은 부스터들(302, 304) 대신 한 쌍의 유압 부스터(402, 404)를 포함한다. 부스터(402, 404)는 부스터(302, 304)와 유사하고 다른 점은 가변 형상 노즐들(406, 408)을 각각 포함하는 것이다. 또한 부스터(402)의 샤프트(310)는 전동 발전기(208)까지 연장할 수 있다.
전동 발전기(208)는 역삼투압 시설의 전원(도시 안 됨)에서의 전력을 이용하여 터빈부(308)를 구동하는 모터로서 기능할 수 있다. 전동 발전기(208)는 터빈부(308)를 구동하는 농축수 흐름(354)의 수력 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 발전기로 기능할 수 있고, 변환된 전기 에너지는 전원으로 되돌릴 수 있다. 농축수 흐름(354)의 유압 에너지는 펌프부(306)를 구동하는 데 필요한 에너지량보다 훨씬 커서 원수 흐름(214)을 목적한 압력으로 상승시킬 수 있다. 전동 발전기(208)는 여분의 에너지가 낭비되도록 하지 않고 이 여분의 에너지를 포획한다.
상술한 것처럼, 전동 발전기(208)는 VFD(244)에 전기적으로 연결될 수 있다. VFD(244)는 전동 발전기(208)에 부과되는 부하량을 조정하는 데 이용되어 부스터(402)가 확실히 목표 부스트량을 발생하도록(즉, 부스터(402)가 원수 흐름(214)의 압력을 목표량만큼 상승시키도록) 해준다. 부스터(402)에 의해 생성되는 부스트의 양은 전동 발전기(208)에 걸리는 부하의 양에 반비례한다. 전동 발전기(208)에 의해 발전된 전기 에너지의 양은 전동 발전기(208)에 걸리는 부하량에 정비례한다.
가변 형상 노즐(406, 408)은 각각 터빈부(308,236)를 지나는 유량을 제어하도록 조절 가능하다. 터빈부(308, 236)를 지나는 유량은 부스터(402,404)가 생성한 부스트량을 조정하도록 제어될 수 있다. 터빈부(308, 236)를 지나는 유량도 제어될 수 있어 부스터(402,404)와 전동 발전기(208)가 농축수 흐름(226)으로부터 포착하는 에너지의 양을 최대화할 수 있다.
도 2의 시스템(200)처럼, 유량계(248)는 투과수 흐름(224)의 유량을 측정하고 투과수 흐름(224)의 유량을 나타내는 센서 신호(250)를 생성한다. 유량계(252)는 농축수 흐름(226)의 유량을(즉, 농축수(226) 가운데 부스터(404)를 통과하는 부분) 측정하고 농축수 흐름(352)의 유량을 나타내는 센서 신호(412)를 생성한다. 제어기(414)는 센서 신호(250,254)를 수신하여 가변 형상 노즐(408)에 제어 신호(416)를 출력한다.
제어기(414)는 가변 형상 노즐(408)을 제어하여 막 어레이(204)가 확실하게 목표량의 투과수를 생산하도록 할 수 있다. 투과수 흐름(224)의 유량이 목표량 미만인 경우 제어기(414)는 가변 형상 노즐(408)의 면적을 증가시켜 부스터(404)가 생성하는 부스트량을 증가시킬 수 있다. 부스터(404)가 생성하는 부스트량의 증가로 농축수 흐름(212)의 유량과 압력이 증가하고 이에 따라 막 어레이(204)가 생산하는 투과수량이 증가한다. 농축수 흐름(224)의 유량이 목표량보다 많아지면, 제어기(414)는 가변 형상 노즐(408)의 면적을 줄여 부스터(404)가 생성하는 부스트량을 감소시킬 수 있다. 부스터(404)가 생성하는 부스트량의 감소로 농축수 흐름(212)의 유량과 압력이 감소하고 이에 따라 막 어레이(204)가 생산하는 투과수량이 감소한다. 제어기(414)는 가변 형상 노즐(408)도 제어하여 농축수 흐름(352)의 유량을 목표량으로 조정할 수 있다.
유량계(418)는 투과수 흐름(210)의 유량을 측정하고 투과수 흐름(210)의 유량을 나타내는 센서 신호(420)를 생성한다. 유량계(422)는 농축수 흐름(354)의 유량을(즉, 농축수(226) 가운데 부스터(402)를 통과하는 부분) 측정하고 농축수 흐름(354)의 유량을 나타내는 센서 신호(424)를 생성한다. 제어기(426)는 센서 신호(420, 424)를 수신하여 VFD(244) 및 가변 형상 노즐(406)에 제어 신호(428, 430)를 각각 출력한다.
제어기(426)는 가변 형상 노즐(406)을 제어하여 막 에레이(202)가 확실하게 목표량의 투과수를 생산하도록 할 수 있다. 투과수 흐름(210)의 유량이 목표량 미만인 경우 제어기(426)는 가변 형상 노즐(406)의 면적을 증가시켜 부스터(402)가 생성하는 부스트량을 증가시킬 수 있다. 부스터(402)가 생성하는 부스트량의 증가로 원수 흐름(214)의 유량과 압력이 증가하고 이 때문에 막 어레이(202)가 생산하는 투과수량이 증가한다. 농축수 흐름(210)의 유량이 목표량보다 많아지면, 제어기(426)는 가변 형상 노즐(406)의 면적을 줄여 부스터(402)가 생성하는 부스트량을 감소시킬 수 있다. 부스터(402)가 생성하는 부스트량의 감소로 원수 흐름(214)의 유량과 압력이 감소하고 이에 따라 막 어레이(202)가 생산하는 투과수량이 감소한다.
제어기(426)는 가변 형상 노즐(406)도 제어하여 농축수 흐름(354)의 유량을 목표량으로 조정할 수 있다. 또한 제어기(426)는 투과수 흐름(210)의 유량 및/또는 농축수 흐름(354)의 유량에 따라 VFD(244)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어기(426)는 전동 발전기(208)에 부과되는 부하량을 증가하여 부스터(402)가 생성하는 부스트량을 감소하고 그에 따라 투과수 흐름(210)의 유량을 감축할 수 있다. 반대로, 제어기(426)는 전동 발전기(208)에 부과되는 부하량을 감소하여 부스터(402)가 생성하는 부스트량을 증가하고 그에 따라 투과수 흐름(210)을 증량할 수 있다.
또한 제어기(426)는 VFD(244)를 제어하여 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 조정하고 이에 따라 전동 발전기(208)의 출력과 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 조정할 수 있다. 제어기(426)는 투과수 흐름(210) 및/또는 농축수(354)의 유량에 따라 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(426)는 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 증가하여 부스터(206)가 생성하는 부스트량을 증가함으로써 투과수 흐름(210)의 유량을 증가할 수 있다. 반대로, 제어기(426)는 전동 발전기(208)에 공급되는 전력의 양을 감소하여 부스터(402)가 생성하는 부스트량을 감소함으로써 투과수 흐름(210)의 유량을 감소할 수 있다.
제어기들(414, 426)은 제어신호(432)를 통해 서로 통신하여 농축수 흐름(212)의 유량이 부스터(404)로 하여금 막 어레이(204)의 압력 요건을 충족하게 하는 데 충분한 양이 됨을 확실히 한다. 제어기(426)는 가변 형상 노즐(406)을 제어하여 부스터(404)가 농축수 흐름(226)으로부터 너무 많은 에너지를 흡수하지 않도록 제한하여 부스터(404)가 에너지 부족 상태가 되게 한다. 제어기(414)는 제어기(426)에 투과수 및 농축수 흐름(224, 352)의 유량을 제공할 수 있다. 제어기(426)는 투과수 및 농축수 흐름(224, 352)의 유량에 따라 가변 형상 노즐(406)을 제어할 수 있다. 농축수 흐름(352)의 유량이 목표량 미만이면, 제어기(426)는 가변 형상 노즐(406)의 면적을 줄여 농축수 흐름(352)의 유량을 증가시킬 수 있다. 이는 부스터(404)가 생성하는 부스트량을 증가하여 농축수 흐름(212)의 유량을 증가한다.
제어기(426)는 막 어레이(204)에 제공되는 원수 흐름(214)의 압력을 목표 투과수 생산에 맞게 제어하는 주요 수단으로서 전동 발전기(208)의 출력을 이용할 수 있다. 예를 들면, 제어기(426)는 가변 형상 노즐(406)을 제어하여 목표 유량의 농축수 흐름(352)을 산출할 수 있다. 그 다음 제어기(426)는 전동 발전기(208)의 출력을 제어하여 가변 형상 노즐(406)의 제어에서 목표 유량의 농축수 흐름(352)을 산출할 때 달성될 수 있는 정도를 초과하는 추가 부스트량을 제공할 수 있다.
다양한 구현에서 제어기(414)는 투과수 및 농축수 흐름(210, 354)의 유량에 따라 가변 형상 노즐(408)을 제어할 수 있다. 또한, 제어기들(414, 426)은 단일 제어기로 결합될 수 있다. 도 8의 계측 구성 및 제어기들은 역삼투 시스템에서 압력과 유량을 정밀제어하고 이를 통해 최적의 시스템 성능을 달성하기 위해 본 명세서에 개시된 다른 실시예에서 이용될 수 있다.
전동 발전기(208)를 부스터(402)에 결합하므로 모터(218)를 제어할 VFD(262)가 필요없게 된다. 따라서 제어기(426)는 막 에레이(202)가 목표량의 투과수를 생산하는 데 필요한만큼 원수 흐름(214)의 압력을 조정하기 위해 부스터(402)를 조정할 수 있다. 도 8의 계기 구성과 제어기들이 도 7의 병렬 농축수 흐름 구조와 관련해서 나타나 있지만 그 계기 구성과 제어기들은 도 6의 직렬 농축수 흐름 구조와 함께 이용될 수 있다.
도 6 내지 도 8에 나타낸 시스템의 임의의 것과 같은 2단 막의 역삼투압 시스템은 비슷한 용량의 1단 시스템보다 더욱 에너지 효율적일 수 있다. 압력이 2단계로 부가되므로 2단 시스템은 1단 시스템에 비해 가압을 적게 하고도 목표량의 투과수를 생산할 수 있다. 예를 들어 1단 시스템은 전체 원수 흐름을 1,000 psig까지 가압할 수 있다. 반면, 2단 시스템은 전체 원수 흐름을 800 psig으로 압축할 수 있어, 그 뒤 제 1단으로부터의 농축수 흐름의 압력을 200 psig 만큼만 더하여 1000 psig에 도달시킬 수 있다. 따라서 2단 시스템에서는 총 펌핑 에너지가 보다 작다. 3단 시스템은 에너지 효율에서 더 큰 이점을 갖지만, 이점이 3단계 시스템의 추가 비용과 복잡성을 정당화할 만큼 충분하지 않을 수 있다. 에너지 효율의 이점 외에, 본 발명에 의한 2단 시스템은 제1 및 제2 단계에서 농축수 흐름의 제어를 가능하게 한다. 나아가 본 발명의 2단 시스템은 제1 및 제2 단계에서 투과수 생산의 제어를 가능하게 한다.
도 9를 참조하면, 역삼투압 시스템을 동작시키는 방법이 단계 902에서 시작된다. 단계 904에서, 이 방법은 예컨대 공급 펌프를 이용하여 원수 흐름을 제1막 어레이로 인도한다. 단계 906에서는 제1유압 부스터를 이용하여 원수 흐름의 압력을 증가시킨다. 단계 908에서 이 방법은 제1유압 부스터에 결합된 전동 발전기를 이용하여 제1유압 부스터를 구동한다. 또한 이 방법은 전동 발전기를 이용하여 제1유압 부스터에 의해 흡수되는 에너지를 포착할 수 있다. 단계 910에서 이 방법은 제1막 어레이를 이용하여 원수 흐름으로부터 제1 투과수 흐름과 제1 농축수 흐름을 생성한다.
단계 912는 제1 농축수 흐름을 제2막 어레이로 인도한다. 단계 914는 제2유압 부스터를 이용하여 제1 농축수 흐름의 압력을 증가시킨다. 단계 916에서는 제2막 어레이를 이용하여 제1 농축수 흐름에서 제2 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름을 생성한다. 단계 918에서 제2 농축수 흐름의 제1부분을 제1유압 부스터로 인도한다. 단계 920에서는 제2 농축수 흐름의 제2부분을 제2유압 부스터로 인도한다.
단계 922에서는, 예컨대 제1유량계를 이용하여 제1 투과수 흐름의 유량을 측정한다. 단계 924에서 예컨데 제2유량계를 이용하여 제2 농축수 흐름의 제1부분의 유량을 측정한다. 단계 926에서는 예컨데 제3유량계를 이용하여 제2 투과수 흐름의 유량을 측정한다. 단계 928은 예를 들어 제4유량계를 이용하여 제2 농축수 흐름의 제2부분의 유량을 측정한다.
단계 930은 제1 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름의 제1부분의 유량에 따라 전동 발전기의 토크 출력을 조정한다. 단계932에서 제1 투과수 흐름 및 제2 농축수 흐름의 제1및 제2부분의 유량에 따라 제1유압 부스터의 제1 가변 형상 노즐을 조정한다. 단계934에서는 제2투과수 흐름 및 제2 농축수 흐름의 제2부분의 유량에 따라 제2유압 부스터의 제2 가변 형상 노즐을 조정한다.
실시예의 전술한 설명은 도시와 설명을 목적으로 하여 제공된다. 이는 본 발명을 포괄적으로 한정하기 위한 것이 아니다. 특정 실시예의 개별적인 요소 또는 구성은 통상 그 특정한 실시예에 제한되지 않으나, 적절하면 교체할 수 있으며 특별히 도시되거나 설명되지 않더라도 선택된 실시예에 사용될 수 있다. 또한, 많은 방식으로 변경될 수 있다. 이러한 변경은 본 발명으로부터 벗어난 것으로 간주되지 않으며, 이러한 모든 응용은 본 발명의 범주 내에 포함된다.
10: 역삼투압 시스템 12: 막(membrane) 어레이
14: 투과수 흐름 16: 농축수 흐름
18: 원수 흐름 20: 공급 펌프
22: 모터 24: 막 하우징
26: 막 28: 제어 밸브
30: 드레인 50: 역삼투압 시스템
52: 막 어레이 54: 투과수 흐름
56: 농축수 흐름 58: 단일 투과수 흐름
60: 막 하우징 62: 막
102: 유압 부스터 104, 154: 펌프부
106, 156: 터빈부 108, 158: 공통 샤프트
150: 역삼투압 시스템 152: 유압 부스터
200: 역삼투압 시스템 202, 204: 막 어레이
206: 유압 부스터 208: 전동 발전기
210: 투과수 흐름 212: 농축수 흐름
214: 원수 흐름 216: 공급 펌프
218: 모터 220: 막 하우징
222: 막 224: 투과수 흐름
226: 농축수 흐름 228: 단일 투과수 흐름
230: 하우징 232: 막
234: 펌프부 236: 터빈부
238: 샤프트 240: 드레인
244: 가변 주파수 구동기(VFD) 246: 가변 형상 노즐
248, 252: 유량계 250, 254: 센서신호
252: 유량계 256: 제어기
262: VFD 264: 제어신호
300: 역삼투압 시스템 302, 304, 402, 404:유압 부스터
306: 펌프부 308: 터빈부
310: 샤프트 312, 314: 가변 면적 터빈 노즐
318, 418: 유량계 320, 322: 제어기
324, 326, 328, 336: 제어신호 350: 역삼투압 시스템
352, 354: 농축수 흐름 356: 드레인
400: 역삼투압 시스템 406, 408: 가변 형상 노즐
412, 416, 420, 424: 센서신호 414, 426: 제어기
422: 유량계

Claims (30)

  1. 원수 흐름을 가압하도록 작동 가능한 펌프;
    상기 원수 흐름을 수용하고 상기 원수 흐름으로부터 제1 투과수 흐름 및 제1 농축수 흐름을 생성하도록 구성된 제1막 어레이;
    상기 제1 농축수 흐름을 수용하고 상기 제1 농축수 흐름으로부터 제2 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름을 생성하도록 구성된 제2막 어레이;
    샤프트, 상기 샤프트에 결합하고 상기 샤프트와 연동하여 회전하는 펌프, 제1 가변 면적 노즐, 상기 샤프트에 결합하고 상기 샤프트와 연동하여 회전하는 터빈을 포함하는 제1유압 부스터로서, 적어도 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분을 수용하고 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분으로부터의 에너지를 이용하여 원수 흐름과 상기 제1 농축수 흐름 중 적어도 한쪽의 압력을 증가시키도록 구성된 제1유압 부스터;
    전원으로부터의 전력을 사용해 상기 샤프트를 구동하는 모터로 기능하도록 작동 가능하며, 상기 제2 농축수 흐름으로부터의 유압 에너지를 전기 에너지로 전환하고, 상기 전기 에너지를 상기 전원으로 되돌려주도록 작동 가능한, 상기 샤프트에 결합된 전기 전동 발전기;
    상기 제1 투과수 흐름의 유량을 측정하는 제1유량계;
    상기 제2 농축수 흐름의 유량보다 적은, 제2 농축수 흐름의 제1 부분의 유량을 측정하는 제2유량계; 및
    상기 제1 투과수 흐름의 유량 및 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분의 유량에 따라 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하는 제1 제어기로서, 상기 제1 제어기는 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하여 상기 제1유압 부스터를 통해 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분의 유량을 조정하고 그에 따라 상기 제1유압 부스터가 상기 원수 흐름의 압력을 증가시키는 량을 조정하는 제1 제어기를 포함하는 역삼투압 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1막 어레이는 상기 펌프로부터 상기 원수 흐름을 직접 수용하도록 구성되는 역삼투압 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1유압 부스터는 상기 원수 흐름의 압력을 증가시키도록 구성되고, 상기 제1막 어레이는 상기 원수 흐름이 상기 제1유압 부스터를 통해 흐른 후 상기 원수 흐름을 수용하도록 구성되는 역삼투압 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전기 전동 발전기에 공급되는 전력량 및 상기 전기 전동 발전기에 의해 상기 샤프트에 부과되는 부하의 양 중 적어도 한쪽을 조정하여 상기 원수 흐름의 압력을 요구량만큼 상승시키도록 작동 가능한 가변 주파수 구동기를 더 포함하는 역삼투압 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 제어기는 추가로 가변 주파수 구동기를 제어하여 상기 전동 발전기에 공급되는 전력량 및 상기 전기 전동 발전기에 부과되는 부하의 양 중 적어도 한쪽을 조정하는 역삼투압 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분을 수용하고 상기 제2 농축수 흐름의 상기 제2 부분으로부터의 에너지를 이용하여 상기 제1 농축수 흐름의 압력을 증가시키도록 구성된 제2유압 부스터를 더 포함하는 역삼투압 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2유압 부스터는 제2 가변 면적 노즐을 포함하는 역삼투압 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 가변 면적 노즐을 제어하여 상기 제2유압 부스터를 통해 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분의 유량을 조정하고 그에 따라 상기 제2유압 부스터가 상기 제1 농축수 흐름의 압력을 증가시키는 량을 조정하는 제2 제어기를 더 포함하는 역삼투압 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제2 투과수 흐름의 유량을 측정하는 제1유량계를 더 포함하고, 상기 제2 제어기는 상기 제2 투과수 흐름의 유량에 따라 상기 제2 가변 면적 노즐을 제어하는 역삼투압 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분의 유량을 측정하는 제2유량계를 더 포함하고, 상기 제2 제어기는 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분의 유량에 따라 상기 제2 가변 면적 노즐을 제어하는 역삼투압 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 제어기는 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분의 유량에 따라 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하는 역삼투압 시스템.
  12. 원수 흐름을 가압하도록 작동 가능한 펌프;
    상기 원수 흐름을 수용하고 상기 원수 흐름으로부터 제1 투과수 흐름 및 제1 농축수 흐름을 생성하도록 구성된 제1막 어레이;
    상기 제1 농축수 흐름을 수용하고 상기 제1 농축수 흐름으로부터 제2 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름을 생성하도록 구성된 제2막 어레이;
    제1 샤프트, 상기 제1 샤프트에 결합하고 상기 제1 샤프트와 연동하여 회전하는 제1 펌프, 상기 제1 샤프트에 결합하고 상기 제1 샤프트와 연동하여 회전하는 제1 터빈을 포함하는 제1유압 부스터로서, 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분을 수용하고 상기 제2 농축수 흐름의 상기 제1 부분으로부터의 에너지를 이용하여 상기 제1 농축수의 압력을 증가시키도록 구성되며, 제1 가변 면적 노즐을 포함하는 제1유압 부스터;
    제2 샤프트, 상기 제2 샤프트에 결합하고 상기 제2 샤프트와 연동하여 회전하는 제2 펌프, 상기 제2 샤프트에 결합하고 상기 제2 샤프트와 연동하여 회전하는 제2 터빈을 포함하는 제2유압 부스터로서, 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분을 수용하고 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분으로부터의 에너지를 이용하여 상기 원수 흐름의 압력을 증가시키도록 구성되며, 제2 가변 면적 노즐을 포함하는 제2유압 부스터;
    전원으로부터의 전력을 사용해 상기 제2 샤프트를 구동하는 모터로서 기능하도록 작동 가능하며, 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분으로부터의 유압 에너지를 전기 에너지로 전환하고, 상기 전기 에너지를 상기 전원으로 되돌려주도록 작동 가능한, 상기 제2 샤프트에 결합된 전동 발전기;
    상기 제1 가변 면적 노즐, 상기 제2 가변 면적 노즐 및 상기 전동 발전기에 작동 가능하게 결합되며, 상기 제1 투과수의 유량, 상기 제2 농축수의 제1 부분의 유량에 기반하여 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하며, 상기 제2 투과수의 유량 및 상기 제2 농축수의 제2 부분의 유량에 대응하여 상기 제2 가변 면적 노즐을 제어하고, 상기 제1 투과수 흐름의 유량 및 상기 제2 농축수의 제1 부분의 유량에 기초하여 전동 발전기의 토크 출력을 제어하는 제어기
    를 포함하는 역삼투압 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하여 상기 제1유압 부스터를 통해 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분의 유량을 조정하고 그에 따라 상기 제1유압 부스터가 상기 원수 흐름의 압력을 증가시키는 제1량을 조정하는 역삼투압 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제어기는 상기 제2 가변 면적 노즐을 제어하여 상기 제2유압 부스터를 통해 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분의 흐름을 조정하고 그에 따라 상기 제2유압 부스터가 상기 제1 농축수 흐름의 압력을 증가시키는 제2량을 조정하는 역삼투압 시스템.
  15. 샤프트, 상기 샤프트에 결합하고 상기 샤프트와 연동하여 회전하는 펌프, 제1 가변 면적 노즐, 상기 샤프트에 결합하고 상기 샤프트와 연동하여 회전하는 터빈을 포함하는 제1유압 부스터를 포함하는 역삼투압 시스템의 동작 방법으로서,
    가압된 원수 흐름을 제1막 어레이로 인도하여 가압된 원수 흐름을 제1 투과수 흐름과 제1 농축수 흐름으로 분리하는 단계;
    상기 제1 농축수 흐름을 제2막 어레이로 인도하여 상기 제1 농축수 흐름을 제2 투과수 흐름과 제2 농축수 흐름으로 분리하는 단계;
    상기 제1 유압 부스터에서 적어도 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분을 수용하는 단계;
    상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분으로부터의 에너지를 이용하여 상기 제1 농축수 흐름 또는 상기 원수 흐름 중 적어도 어느 하나의 압력을 증가시키는 단계;
    전원으로부터의 전력을 사용해 상기 샤프트를 구동하는 모터로서 기능하며, 상기 제2 농축수 흐름으로부터의 유압 에너지를 전기 에너지로 전환하고, 상기 전기 에너지를 상기 전원으로 되돌려줄 수 있는, 상기 샤프트에 결합된 전기 전동 발전기를 작동시키는 단계;
    제1 유량계에서 제1 투과수 흐름의 유량을 측정하는 단계;
    제2 유량계에서 상기 제2 농축수 흐름의 유량보다 작은 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분의 유량을 측정하는 단계;
    제1 제어기가 상기 제1 투과수 흐름 및 상기 제2 농축수의 제1 부분의 유량을 기초로 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하는 단계; 및
    상기 제1 제어기가 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하여 상기 제1유압 부스터를 통해 상기 제2 농축수 흐름의 상기 제1 부분의 유량을 조정하고 그에 따라 상기 제1유압 부스터가 상기 원수 흐름의 압력을 증가시키는 량을 조정하는 단계;
    를 포함하는 역삼투압 시스템의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서, 적어도 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분을 상기 제1유압 부스터를 통해 인도하여 상기 원수 흐름의 압력을 제1 요구량만큼 증가시키는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템의 동작 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 투과수 흐름과 상기 제2 농축수 흐름의 제1 부분 중 적어도 하나의 유량에 따라 상기 전동 발전기의 토크 출력을 제어하는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템의 동작 방법.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분을 제2유압 부스터를 통해 인도하여 상기 제1 농축수 흐름의 압력을 제2 요구량만큼 증가시키는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템의 동작 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2 투과수 흐름과 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분 가운데 적어도 하나의 유량을 측정하는 단계와, 상기 제2 투과수 흐름과 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분 중 적어도 하나의 유량에 따라 상기 제2 유압 부스터의 제2 가변 면적 노즐을 제어하는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템의 동작 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 투과수 흐름과 상기 제2 농축수 흐름의 제2 부분 중 적어도 하나의 유량에 따라 상기 제1유압 부스터의 상기 제1 가변 면적 노즐을 제어하는 단계를 더 포함하는 역삼투압 시스템의 동작 방법.
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