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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 실제 역삼투막 해수담수화 공정에서 많이 적용되고 있는 등압교환방식의 에너지 회수장치를 활용하여 운영인자 도출 및 이를 통한 에너지 효율 최적화 연구를 하고자 한다. 사전조사를 통해 국내에서 진행 중인 pilot 규모의 역삼투막 해수 담수화 공정에 실제 적용되고 있는 등압교환방식의 에너지 회수장치 2종류를 선정하였으며 생산수 기준 100 m3/일 규모의 역삼투막 해수담수화 pilot plant에 직접 적용하여 운전 압력, 운영효율, 혼합율 및 처리 수질 등의 변화를 살펴보고 2종류의 에너지 회수장치 데이터(data)들을 비교 분석함으로써 최적 운전 조건을 도출하고자 하였다.
- 본 실험은 XPR 에너지 회수장치를 이용하여 부스터 펌프 제어속도를 조절함에 따라 운영 효율성에 영향을 줄 수 있는 HP(high pressure), DP(differential pressure), 혼합율 및 처리수 수질과 같은 운영 인자들의 변화를 살펴보고자 하였다.
- 본 연구에서는 상용화 되어진 등압교환방식의 에너지 회수장치 효율을 비교하기 위해 생산수 기준100 m3/일 규모의 역삼투막 해수담수화 공정에 직접 적용하였고 부스터펌프 제어속도(Hz)에 따른 운전 압력, 혼합율 및 처리수질 등의 변화를 분석하여 최적 운전 조건을 도출하고자 하였다. 도출된 결론은 다음과 같다.
- 이는 단순부스터 펌프제어속도만이 아닌 유입측과 유출측의 밸런스 문제 등 다른 인자의 영향이 있다고 판단된다.이처럼 각기 다른 경향을 보이는 PX에너지 회수장치의 최적 운전조건을 확인하기 위해 각각의 영향 인자를 한 그래프에 정리하여 그 결과를 살펴보기로 한다.
제안 방법
- 1의 실험과 동일하게 부스터펌프 제어속도에 따른 HP, DP, 혼합율 및 처리수 수질의 변화를 확인하기 위해 PX에너지 회수장치를 적용하여 실험한 결과를 나타내었다. 가 또한, 부스터펌프 제어속도를 선정하기 위해 혼합율이 10%를 넘지 않는 범위 내에서 다섯 가지 조건(28, 29, 30, 32, 34 Hz)을 분류하여 실험을 실시하였다.
- 또한, 각각의 원수조와 처리수조를 비롯한 유입펌프 및 고압펌프, 디지털 압력계, 유량계 등을 구성하여 자동 연속 운전이 가능하도록 하였으며, 에너지 회수장치의 효율 비교를 위한 정확한 데이터 분석을 하고자 HMI(human machine interface) 제어를 통해 각 단위 공정별 모든 데이터들은 항시 기록되도록 설정하였다. 고압펌프 및 배관, 부속품 등은 고염원수에 의한 부식을 방지하기 위해 듀플렉스(duplex)재질로 구성하였으며 에너지 회수장치를 제외한 모든 부품 및 공정 들은 동일하게 적용함으로써 에너지 회수장치의 효율 비교 분석 시 발생될 수 있는 오차를 최소화하였다.
- 또한, 역삼투막 해수담수화 pilot plant 운영은 cross flow 방식의 정유량 제어를 통해 공정 회수율을 50%로 고정하여 운전하였으며, 에너지 회수장치의 주요 영향 인자인 부스터펌프 제어속도(Hz)를 변화시켜 운영효율, 혼합율, 처리수질 등의 변화를 측정한 다음 비교 분석함으로써 최적 운전 조건을 도출하고자 하였다. 다음은 본 실험에서 설정한 역삼투막 해수담수화 pilot plant의 운영 조건을 Table 4에 나타내었다.
- < 3이하 만족)로 사용하였으며, 에너지 회수장치에 따른 각각의 운영 인자를 도출하기 위하여 역삼투막 해수담수화 pilot plant에 두 가지 종류의 에너지 회수장치를 직접 연결하여 실험을 진행하였다. 보다 정확한 운영인자 도출 및 운영 데이터 비교 분석을 위해 에너지 회수장치를 제외한 모든 운영 조건들을 동일하게 설정하였으며, 사전 pilot plant의 시운전을 통해 에너지 회수장치의 적용 유량 범위 및 역삼투막 베셀 내의 최대 허용 압력, 제막사에서 제시하는 운전 매뉴얼 등을 고려하여 역삼투막 해수담수화 pilot plant의 운영 조건들을 산출하였다.
- 본 실험에 사용된 역삼투막 해수담수화 pilot plant의 공정 구성은 Fig. 1과 같이, 생산수 기준 100 m3/일 규모의 pilot plant를 2기 구축하였고 기본 1stpass RO방식으로 제작되었으며, cross flow 방식의 정유량 제어가 가능하도록 운영 프로그램을 설정하였다.
- 본 실험은 UF 전처리수를 원수 (SDI15 < 3이하 만족)로 사용하였으며, 에너지 회수장치에 따른 각각의 운영 인자를 도출하기 위하여 역삼투막 해수담수화 pilot plant에 두 가지 종류의 에너지 회수장치를 직접 연결하여 실험을 진행하였다.
- 본 실험은 XPR 에너지 회수장치를 이용하여 부스터 펌프 제어속도를 조절함에 따라 운영 효율성에 영향을 줄 수 있는 HP(high pressure), DP(differential pressure), 혼합율 및 처리수 수질과 같은 운영 인자들의 변화를 살펴보고자 하였다. 부스터펌프의 제어속도는 에너지 회수장치의 운영제어 인자 중 혼합율이 10%를 넘지 않는 범위 내에서 네 가지 조건(37, 38, 39, 41 Hz)을 선정하여 실험을 진행하였다. 그 결과는 다음 Table 5 및 Fig.
- 따라서, 본 연구에서는 실제 역삼투막 해수담수화 공정에서 많이 적용되고 있는 등압교환방식의 에너지 회수장치를 활용하여 운영인자 도출 및 이를 통한 에너지 효율 최적화 연구를 하고자 한다. 사전조사를 통해 국내에서 진행 중인 pilot 규모의 역삼투막 해수 담수화 공정에 실제 적용되고 있는 등압교환방식의 에너지 회수장치 2종류를 선정하였으며 생산수 기준 100 m3/일 규모의 역삼투막 해수담수화 pilot plant에 직접 적용하여 운전 압력, 운영효율, 혼합율 및 처리 수질 등의 변화를 살펴보고 2종류의 에너지 회수장치 데이터(data)들을 비교 분석함으로써 최적 운전 조건을 도출하고자 하였다.
- 이는 38 Hz일 때 혼합율이 낮아짐에 따라 유입원수의 농도가 낮아져 HP값이 가장 낮게 나타나는 것으로 생각된다. 이에 부스터펌프 제어 속도에 따른 혼합율의 변화를 확인하였다. 그 결과 부스터펌프 제어속도가 37 Hz시 5.
- 이와 같은 이유로 본 실험에서는 ISD를 적용하여 역삼투막 해수담수화 pilot 테스트를 진행하였다. ISD는 베셀 전단에 염제거율은 높고 투과수량이 적은 엘리먼트를 장착하고 후단에 염제거율은 낮고 투과수량이 많은 엘리먼트를 장착함으로써 압력용기 내의 유량분포를 고르게 유지할 수 있다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 등압교환방식의 에너지 회수장치는 앞서 언급한 바와 같이 로터리 타입의 에너지 회수장치이며 장치내의 로터(rotor)를 통해 고압의 농축수를 바로 배출하는 것이 아니라 저압의 유입 원수와 직접적으로 접촉하여 농축수 측에서 배출되는 높은 압력을 그대로 유입 원수에 전달한다. 이와 같은 방식을 통해 유입 원수의 압력을 상승해 주고 동시에 감압된 농축수는 밖으로 배출되는 원리이며 보다 자세한 작동 방식 원리는 Fig.
- 본 역삼투막 해수담수화 pilot plant에서는 광양제철소 내 발전소에서 바닷물을 취수해 냉각수로 활용한 뒤 다시 바다로 배출하는 온배수를 원수로 사용하였다. 온배수의 경우 냉각수 사용 시설의 운영 방식(냉 각수 사용 유무 및 전염소 처리 공정 작동 유무 등)및 해수의 수질(해조류), 염도 그리고 온도 등의 변화에 민감하게 반응하는 등의 많은 제약이 발생될 수 있다.
- 실험에 사용된 역삼투막은 polyamide 재질의 상용화된 8 inch SWRO 분리막으로써DOW사에서 제작한 것이며 1개의 베셀(vessel) 내에 7개의 SWRO 엘리먼트(element)를 장착하여 테스트를 진행하였다. 역삼투막 베셀 내에 해수가 유입하게 되면 전단 엘리먼트의 처리수량은 많고 생산수의 염분 농도는 낮으나, 후단 엘리먼트로 갈수록 유입수가 농축되어 투과수량은 줄어들게 된다.
- 실험은 사전 조사를 통해 I사와 E사의 에너지 회수 장치 2종류를 선정하여 역삼투막 해수담수화 pilot plant에 적용하였으며, 실험 특성상 발생할 수 있는 오차를 줄이고 보다 정확한 비교데이터를 확보하기 위해 동일한 부스터펌프를 사용하였다. 에너지 회수장치의 사양을 살펴보면 작동 유량 범위, 허용 혼합율 및에너지 효율 등의 주요 인자들은 거의 비슷한 값을 가지는 반면 최대 허용 압력 및 에너지 회수장치의 크기에서 차이가 있음을 확인할 수 있다.
성능/효과
- XPR의 혼합율은 약 3% 이며 처리수 수질은 355 μS/cm로 두 인자 모두 PX보다 좋은 효율을 보였다.
- 또한, 각각의 원수조와 처리수조를 비롯한 유입펌프 및 고압펌프, 디지털 압력계, 유량계 등을 구성하여 자동 연속 운전이 가능하도록 하였으며, 에너지 회수장치의 효율 비교를 위한 정확한 데이터 분석을 하고자 HMI(human machine interface) 제어를 통해 각 단위 공정별 모든 데이터들은 항시 기록되도록 설정하였다. 고압펌프 및 배관, 부속품 등은 고염원수에 의한 부식을 방지하기 위해 듀플렉스(duplex)재질로 구성하였으며 에너지 회수장치를 제외한 모든 부품 및 공정 들은 동일하게 적용함으로써 에너지 회수장치의 효율 비교 분석 시 발생될 수 있는 오차를 최소화하였다.
- 이에 부스터펌프 제어 속도에 따른 혼합율의 변화를 확인하였다. 그 결과 부스터펌프 제어속도가 37 Hz시 5.0%의 값을 보였고 38 Hz와 39 Hz시 4%미만(3.0%, 3.6%)으로 감소하다가 41 Hz시 9.2%로 급격히 증가하는 경향을 보였다. 앞서 말한 38Hz에서의 혼합율이 가장 낮은 값을 나타내는 것이 아니라 39Hz에서 가장 낮은 값을 나타내는 것을 볼 수 있는데 이와 같은 결과는 에너지 회수장치 내의 유입량과 유출량의 밸런스를 맞추기위해 유입펌프와 유출 측의 유량제어밸브가 항시 작동됨에 따라 발생되는 오차로 판단된다.
- 농축수가 다량으로 원수 측에 넘어올 경우 유입 원수의 염농도가 증가하여 혼합율 및 처리수에 악영향을 미치며 앞서 혼합율 그래프에서도 39 Hz 이후에 증가하는 경향을 확인하였다. 처리수 수질그래프를 보더라도 39 Hz (355 μS/cm)에서 41 Hz(385 μS/cm) 로 증가함에 따라 처리수 염농도 또한 증가하는 경향을 확인하였다.
- 또한 38, 39Hz 모두 제조사에서 보증하는 4% 미만의 혼합율을 보여줌에 따라 오차범위 내에 있음을 확인하였다. 다음 DP 그래프를 살펴보면 Hz가 커짐에 따라 점차 증가하는 경향을 볼 수 있다.
- 또한 38, 39Hz 모두 제조사에서 보증하는 4% 미만의 혼합율을 보여줌에 따라 오차범위 내에 있음을 확인하였다. 다음 DP 그래프를 살펴보면 Hz가 커짐에 따라 점차 증가하는 경향을 볼 수 있다.
- 그 이유는 혼합율이Hz에 의해 급격히 변하게 되면 정상적인 공정운영에 있어서 안정성이 떨어지기 때문이다. 부스터 펌프 제어속도를 비교하면 수치적으로 XPR의 부스터펌프 제어속도는38 Hz이며 PX의 부스터펌프 제어속도는 28 Hz로 PX의 효율이 좋은 것을 알 수 있다.하지만, Hz가 낮아도 처리수 수질이 좋지 않으면 후처리 공정의 건설비가 증가하기에 최초 설계 시 목적에 맞는 에너지 회수장치를 선택하는 것이 중요하다고 판단된다.
- 생산수 기준 100 m3/일 규모의 동일한 pilot plant와 동일한 원리의 에너지 회수장치(ERD)를 적용하였음에도 에너지 회수장치 크기와 부스터펌프 제어속도(Hz)에 따라 운영효율, 혼합율 및 처리수 수질(conductivity, μS/cm)이 다르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험은 사전 조사를 통해 I사와 E사의 에너지 회수 장치 2종류를 선정하여 역삼투막 해수담수화 pilot plant에 적용하였으며, 실험 특성상 발생할 수 있는 오차를 줄이고 보다 정확한 비교데이터를 확보하기 위해 동일한 부스터펌프를 사용하였다. 에너지 회수장치의 사양을 살펴보면 작동 유량 범위, 허용 혼합율 및에너지 효율 등의 주요 인자들은 거의 비슷한 값을 가지는 반면 최대 허용 압력 및 에너지 회수장치의 크기에서 차이가 있음을 확인할 수 있다. 실험에 사용된 에너지 회수장치의 제원은 Table 3에 나타내었다.
- 처리수 수질그래프를 보더라도 39 Hz (355 μS/cm)에서 41 Hz (385 μS/cm)로 증가함에 따라 처리수 염농도 또한 증가하는 경향을 확인하였다.
- 처리수 수질그래프를 보더라도 39 Hz (355 μS/cm)에서 41 Hz(385 μS/cm) 로 증가함에 따라 처리수 염농도 또한 증가하는 경향을 확인하였다.
- 6의 PX그래프는 마찬가지로 부스터펌프 제어 속도 변화에 따른 결과 그래프이다.처리수 수질은 28, 29, 30 Hz일 때 약간 감소하나 거의 비슷한 양상을 나타내고 30 Hz이후 급격히 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 혼합율은 28, 29, 30 Hz일 때 소폭상승하나 거의 비슷한 수준이고, 30 Hz이후에 서서히 증가하는 것을 볼 수 있다.
- 5의 XPR 그래프는 부스터펌프 제어속도 변화에 따른 두 가지 인자인 혼합율과 처리수 수질의 변화를 나타낸 것이다. 처리수 수질은 39 Hz일 때 제일 낮은 값을 나타났으며,혼합율은 38 Hz 전과 39 Hz 후에 급격히 변화하는 것을 볼 수 있다.
- 처리수 수질은 XPR 그래프에서 예상했듯이 혼합율이 낮을 때 유입되는 원수의 염도가 크게 상승하지 않아 처리수 수질이 낮게 나오는 것으로 판단하였으나, PX그래프를 보게 되면 혼합율이 높은 32 Hz, 34 Hz에서 더 낮은 처리수 수질을 보인다. 이는 단순혼합율만이 처리수 수질에 영향을 미치는 것이 아니라 로터의 회전속도 및 유입유량과 유출유량의 밸런스 등 다른 인자의 영향 또한 고려해야 한다고 사료된다.
- 처리수 수질그래프를 보더라도 39 Hz (355 μS/cm)에서 41 Hz(385 μS/cm) 로 증가함에 따라 처리수 염농도 또한 증가하는 경향을 확인하였다. 처리수 수질은 혼합율이 가장 낮은 38 Hz에서 좋은 수질을 나타낼 것으로 예상하였으나, 39 Hz에서의 처리수 수질이 가장 좋은 것으로 나타났으며 이는 앞서 설명한 바와 같이 에너지회수장치 내의 유입량과 유출량의 밸런스를 맞추기 위해 유입펌프와 유출 측의 유량제어밸브가 항시 작동됨에 따라 발생되는 오차로 판단된다.
- 처리수 수질그래프를 보더라도 39 Hz (355 μS/cm)에서 41 Hz (385 μS/cm)로 증가함에 따라 처리수 염농도 또한 증가하는 경향을 확인하였다. 처리수 수질은 혼합율이 가장 낮은 38 Hz에서좋은 수질을 나타낼 것으로 예상하였으나, 39 Hz에서의 처리수 수질이 가장 좋은 것으로 나타났으며 이는 앞서 설명한 바와 같이 에너지회수장치 내의 유입량과 유출량의 밸런스를 맞추기 위해 발생되는 기계적 오차로 판단된다.
- 4의 처리수 수질그래프를 보게 되면 28Hz 시 442μS/cm, 29Hz 시 440μS/cm, 30Hz 시 432μS/cm, 32Hz 시395μS/cm, 34Hz 시404 μS/cm로 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보였다. 혼합율 그래프를 보게 되면 부스터펌프 제어속도가 28Hz 시 5.0%, 29Hz 시 5.6%, 30Hz 시 5.7%, 32 Hz 시 8.4%, 34 Hz 시 9.8%로 Hz가 증가함에 따라 혼합율 또한 증가하는 것을 볼 수 있다.
후속연구
- 반면에 XPR 그래프처럼 부스터펌프 제어속도가 상승하게 되면 역삼투막 공정의 운영비가 상승하기 때문에 어떤 에너지 회수장치가 더 효율적인지는 장기적인 pilot 운영 데이터를 통해 다른 인자와의 추가적인 상관성 연구와 경제성 평가가 필요하다고 판단된다.
- 또한, 에너지 회수장치내의 유입 측과 유출 측의 밸런스가 맞지 않아 운영 효율성에 영향을 주는 인자들이 변화하는 것이라 판단된다. 역삼투막 해수담수화 공정 설계 시, 에너지 회수장치의 최적화를 위해서는 앞서 진행한 실험을 토대로 얻어진 영향인자들 뿐 아니라, 다른 인자와의 상관관계도 고려하여 최적 조건을 확인할 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이를 통해 부스터펌프 제어속도에 따른 처리수 수질, 혼합율의 상관성은 에너지 회수장치별로 다르다는 것을 확인할 수 있었으며, 다른 인자의 영향을 고려한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 특히, 에너지 회수장치의 경우 가장 효과적으로 에너지를 줄일 수 있는 장점을 가지고 있어 최근 에너지 회수장치에 대한 연구개발 및 적용사례 실적 등이 높아지고 있으나(Stover, 2007; Song et al., 2015; Songetal., 2014) 여전히 공정설계 및 운전조건 등에 따라 에너지회수장치의 에너지효율이 많은 차이를 보여주고 있기에 이에 대한 효율 최적화 연구가 지속적으로 이루어져야 될 것으로 판단된다.
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