청수생산시스템{Pure water manufacturing system}
본 발명은 청수생산시스템에 관한 것이다.
최근 육상 광물 자원의 고갈과 그에 따른 자원가격의 상승, 기후변화와 지구온난화 문제, 세계 경제위기 등의 다양한 환경변화로부터 비롯되는 다양한 문제를 해결하고자 해양 관련 산업의 관심이 증대되고 있다. 해양 관련 산업 중에서, 해양 플랜트산업은, 해저 에너지원의 탐사, 시추, 생산을 위한 해상플랫폼 분야, 해저 생산시스템 분야, URF(Umbilical Riser Flowline/Pipeline), Topside 플랜트의 엔지니어링 분야, 이송, 설치, 운용, 유지, 보수와 관련된 각종 산업활동, 후방 산업의 영역으로서 해양플랜트 기자재 분야에서부터, 해양시스템, 심해저망간단괴, 가스하이드레이트, 파력발전 플랜트, 조력발전 플랜트, 해상풍력발전 플랜트 등까지 포함되며, 전후방 산업 연관효과가 크고 기술적 파급효과가 막대할 뿐만 아니라 기술인력, 기능인력 등 각종 분야의 전문 인력이 요구되는 고용 창출형 특징을 가지고 있다. 한편, 각종 해양플랜트는, 거의 대부분 육지로부터 멀리 떨어진 해양에 위치하기 때문에, 무엇보다 생활용수나 산업용수의 확보가 중요하고 필수적이다. 그런데, 막대한 양의 생활용수나 산업용수를 매번 공급할 수는 없는 일이므로, 대형 선박이나 해양플랜트가 위치한 장소에는 해수(sea water)를 청수화시키는 이른바 청수생산시스템이 필수적으로 설치되어 있다. 해수를 청수화 시키는 열적공정에는 MSF(MultiStage Flash)공정, MED(Multiple-Effect Distillation)공정, VC(Vapor Compression) 공정 등이 있다. 상기 VC공정은 처리용량 500 ㎥/d, MSF 공정은 처리용량 500,000 ㎥/d, MED 공정은 VC 공정과 MSF 공정 사이에 속하는 범위의 용량에 적용된다. 또한, 해수 청수화에 이용되는 박막법에는 전기투석(ED, ElectroDialysis)공정, 역삼투압(RO, Reverse Osmosis)공정 등이 있다. 상기 박막법은 증발과정없이 탈염수를 달성할 수 있기 때문에 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다. 그런데 상기한 각종 청수화시스템은, 운전비용이 많이 소요된다는 문제가 있었다. 청수화하는 과정에서 엔진이나 펌프 등을 이용해 해수와 청수를 순환시키거나 해수를 가압하거나 열을 가해야 하므로 동력소모가 많다는 것이다. 이러한 문제는 처리수의 단가를 상승시키는 요인이 된다.
선행기술문헌 : 대한민국공개특허공보 공개번호 특2002-0094526호
본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 청수를 생산하기 위한 동력원으로서 엔진의 폐열을 재활용하므로 운용비용이 매우 저렴하며 친환경적이고, 처리된 청수내의 염도를 실시간으로 체크하여 설정염도 이상의 처리수는 재처리하거나 배출하는 구조를 가져 청수의 수질이 뛰어나며, 해수를 통과시키는 방식의 이젝터를 채용하여 반응 챔버내에 진공압력을 안정적으로 유지시킬 수 있어 생산성이 좋은 청수생산방법 및 청수생산시스템를 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 청수생산시스템은, 상호 구획된 상부공간 및 하부공간을 갖는 챔버와, 상기 하부공간에 설치된 것으로서 외부로부터 폐열수와 해수를 받아들이고 페열수와 해수를 열교환시켜 해수를 가열 비등시키는 가열부와, 상기 상부공간에 위치하며 가열부에서 발생한 증기를 외부로부터 공급된 해수와 열교환 및 응축시켜 처리수를 얻는 응축부를 포함하는 청수생산부와; 처리수배출관을 통해 청수생산부와 연결되며, 청수생산부에서 얻어진 처리수를 받아 저장하는 청수탱크와; 상기 처리수배출관에 설치되고, 청수탱크를 향하는 처리수의 염도를 센싱하는 염도센서와; 상기 염도센서와 청수탱크의 사이에 설치되는 솔레노이드밸브와; 상기 염도센서의 센싱내용을 전달받아, 처리수의 염도가 기준치 이하일 때, 솔레노이드밸브를 청수탱크측으로 개방하여 처리수가 청수탱크로 이동하게 하는 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 청수생산부의 동작시 챔버의 내부 압력을 강하시키는 감압수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 폐열수는 엔진의 냉각에 사용되어 가열된 상태의 냉각수이며, 상기 가열부 내에서 해수와의 열교환을 마친 폐열수는 폐열수펌프를 통해 엔진으로 회수되는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 응축부는 저온해수공급관을 통해 상기 증기와 열교환시킬 해수를 공급받고, 상기 증기를 응축시킨 후의 저온해수는 사용해수배출관을 통해 응축부 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 감압수단은; 상기 챔버의 하부에 설치되며 잔류해수배출관을 통해 챔버의 내부에 연통하고, 상기 사용해수배출관을 통해 내려오는 해수를 그 내부로 통과시켜 챔버의 압력을 감압시키는 이젝터인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 처리수의 염도가 설정치보다 높을 경우 솔레노이드밸브를 통해 처리수를 넘겨받는 것으로서, 상기 콘트롤러에 의해 제어되어 처리수를 상기 가열부로 보내거나 이젝터로 보내는 전환밸브가 더 포함되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 처리수의 염도가 설정치 보다 높을 경우 작동하여 관리자에게 알려주는 알람부가 더 포함되는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 청수생산방법은, 상호 구획된 상부공간 및 하부공간을 갖는 챔버와, 상기 하부공간에 설치된 것으로서 외부로부터 폐열수와 해수를 받아들이고, 페열수와 해수를 열교환시켜 해수를 가열 비등시키는 가열부와, 상기 상부공간에 위치하며 가열부에서 발생한 증기를 외부로부터 공급된 해수와 열교환 및 응축시켜 처리수를 얻는 응축부를 갖는 청수생산부의 가열부에 해수를 공급함과 아울러 챔버의 내부 압력을 감압하는 해수공급 및 감압단계와; 상기 가열부에 폐열수를 공급하여 가열부내의 해수와 폐열수를 열교환시켜 해수를 가열 비등시키는 증기발생단계와; 상기 가열부에서 발생한 증기를 응축부로 이송하여 증기가 응축부 내에서 응축되게 하는 응축단계와; 상기 응축단계를 통해 얻어진 처리수를 처리수배출관을 통해 청수탱크로 보내는 처리수유도단계와; 상기 처리수배출관을 통과하는 처리수의 염도를 감지하는 염도센싱단계와; 상기 염도센싱을 통해 처리수내의 염도가 설정치 이하일 경우 상기 청수탱크로 보내어 저장하는 저장단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 센싱단계시 감지된 처리수의 염도가 설정치보다 높을 경우, 처리수를 상기 가열부로 보내는 회송단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다. 아울러, 상기 센싱단계시 감지된 처리수의 염도가 설정치보다 높을 경우, 처리수를 해양으로 배출하는 해양배출단계가 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 센싱단계시 감지된 처리수의 염도가 설정치보다 클 경우, 알람을 동작시켜 관리자에게 알려주는 알람작동단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 청수생산방법 및 청수생산시스템은, 청수를 생산하기 위한 동력원으로서 엔진의 폐열을 재활용하므로 운용비용이 매우 저렴하며 친환경적이고, 처리된 청수내의 염도를 실시간으로 체크하여 설정염도 이상의 처리수는 재처리하거나 배출하는 구조를 가져 청수의 수질이 뛰어나며, 해수를 통과시키는 방식의 이젝터를 채용하여 반응 챔버내에 진공압력을 안정적으로 유지시킬 수 있어 그만큼 생산성이 좋다.
도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 청수생산시스템의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 상기 도 1에 도시한 청수생산시스템의 일부 구성을 따로 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시한 청수생산부의 구조를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 청수생산방법을 나타내 보인 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 청수생산방법의 다른 예를 나타낸 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 청수생산시스템의 전체적인 구성을 도시한 블록도이고, 도 2는 상기 청수생산시스템의 일부 구성을 따로 나타낸 블록도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시한 청수생산부의 구조를 설명하기 위하여 도시한 도면이다. 도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 청수생산시스템은, 해수탱크(110)로부터 해수를 공급받아 청수를 만드는 청수생산부(100)와, 상기 청수생산부(100)의 내부 압력을 강하시키는 이젝터(114)와, 상기 청수생산부(100)에서 생산된 처리수를 처리수배출관(31)를 통해 전달받아 저장하는 청수탱크(116)와, 상기 처리수배출관(31)에 설치되는 청수펌프(122)와 염도센서(124)와 솔레노이드밸브(118) 및 솔레노이드밸브(118)에 연결되는 전환밸브(120)를 포함한다. 또한 상기 청수생산부(100)는 폐열수공급관(25)과 폐열수회수관(26)을 통해 엔진(108) 및 폐열수펌프(106)와 연결된다. 상기 폐열수펌프(106)는 엔진(108)을 냉각하며 가열된 냉각수를 청수생산부(100)로 순환시키는 역할을 한다. 아울러 상기 청수펌프(122)와 염도센서(124)와 솔레노이드밸브(118)와 전환밸브(120)와 알람부(112) 등을 구동하기 위한 콘트롤러(104)도 포함된다. 상기 콘트롤러(104)는 전원부(102)로부터 전력을 공급받아 제어 동작을 수행한다. 기본적으로, 상기 청수생산부(100)는, 엔진의 냉각에 사용된 냉각수가 가지고 있는 폐열을 이용해 챔버내에서 해수를 가열하고, 또한 이 때 챔버내 압력을 낮추어 거의 50℃이하의 온도에서 해수를 비등시켜 수증기를 발생하고, 수증기를 응축하여 응축수(처리수)를 얻는 기본 원리를 갖는 것이다. 이하의 설명에서, 엔진의 냉각에 사용되어 가열된 상태의 냉각수를 폐열수라 칭하기로 한다. 도 3에 도시한 바와같이, 상기 청수생산부(100)는, 외부에 대해 밀폐된 내부공간을 제공하는 챔버(13)와, 상기 챔버(13)의 내부공간을 상부공간(15)과 하부공간(17)으로 구획하는 분리판(19)과, 상기 하부공간(17)에 설치되는 가열부(23)와, 상부공간(15)에 설치되는 응축부(29)와, 상기 가열부(23)에서 발생한 증기를 응축부(29)로 이송하는 증기이송관(35)과, 상기 증기이송관(35)의 경로상에 배치되는 수분제거부(21)와, 상기 챔버(13)의 하부에 설치되며 챔버(13) 내부의 압력을 강하함과 아울러 챔버내의 각종 가스를 외부로 배출하는 이젝터(114)를 포함한다. 상기 챔버(13)는 도어(미도시)에 의해 개폐 가능한 콘테이너로서, 선박이나 해양 플랜트시설의 기계실에 설치될 수 있는 정도의 크기를 갖는다. 그러나 필요에 따라 챔버(13)의 규모를 더욱 크게 또는 작고 컴팩트하게 제작할 수 있음은 물론이다. 상기 가열부(23)는, 외부로부터 폐열수와 해수를 받아들여, 폐열수와 해수를 열교환시키는 역할을 한다. 즉, 폐열수공급관(25)을 통해 공급된 폐열수와 해수공급관(27)을 통해 공급된 해수를, 그 내부에서 열교환시켜 해수를 가열 및 비등시키는 것이다. 상기 해수와 폐열수와의 열교환 방식은 경우에 따라 다양하게 변경할 수 있음은 당연하다. 상기 해수와 열교환을 마친 폐열수는, 폐열수펌프(106)의 동작에 의해 엔진(108)으로 이동되어 엔진을 다시 냉각한 후 다시 가열부(23)로 유입하는 순환운동을 반복한다. 상기 해수는 폐열수와의 열교환에 의해 가열되어 45℃ 내지 50℃, 가령 48℃의 온도에서 비등한다. 특히 상기 온도에서 해수가 비등할 수 있도록 이젝터(114)를 작동시켜 챔버(13) 내부의 압력을 낮춘다. 압력이 낮으면 비등온도가 낮아지기 때문이다. 상기 이젝터(114)는 사용배수배출관(34)을 통해 유입한 해수를 고속으로 분출하여 챔버(13) 내부의 압력을 강하시키는 역할을 한다. 상기 가열부(23)에 의해 가열되는 증기는 증기이송관(35)을 통해 응축부(29)로 이동하고, 남겨진 잔류해수는 잔류해수배출관(47)을 통해 이젝터(114)를 경유하여 외부로 빠져나간다. 상기 이젝터(114)를 통과한 해수는 배출파이프(45)를 통해 외부로 버려진다. 상기 증기이송관(35)을 통해 응축부(29)로 공급된 증기는, 응축부 내부에서 저온해수와 열교환되어 응축한다. 응축을 마친 물은 처리수 즉 청수로서 처리수배출관(31)을 통해 청수탱크(116)를 향한다. 상기 응축과정을 위하여 응축부(29)에는 저온해수공급관(33)과 사용해수배출관(34)이 연결된다. 상기 저온해수공급관(33)은 저온해수를 응축부(29) 내부로 공급하여, 저온해수가 증기와 열교환하도록 한다. 저온해수의 온도가 낮을수록 응축효율이 좋아지므로, 별도의 냉각장치를 설치하여 응축부(29)로 들어가는 해수를 냉각할 수 도 있다. 저온해수의 온도는 최도한 32℃ 이하 이어야 좋다. 상기 사용해수배출관(34)은 증기와 열교환을 마친 해수가 배출되는 파이프로서 상기 이젝터(114)에 연결된다. 상기 사용해수배출관(34)으로 배출되는 해수는 이젝터(114)를 통해 고속을 분출되어 이젝터의 동력원으로 사용된다. 즉 사용해수가 이젝터(114)로부터 고속으로 분출됨에 따라, 이젝터(114)가 챔버(13) 내부의 잔류해수와 가스 등을 챔버로부터 뽑아낼 수 있는 것이다. 상기 이젝터(114)는, 잔류해수배출관(47)과 생성가스배출호스(49)를 통해 챔버(13)의 내부공간에 연결된다. 상기 잔류해수배출관(47)은 가열부(23)에서 넘친 해수이다. 상기 해수공급관(27)을 통해 해수가 계속적으로 공급되고 그와 동시에 가열이 연속적으로 진행되므로, 가열부(23)에서 증기화 되지 못한 해수는 잔류해수로서 잔류회수배출관(47)을 통해 이젝터(114)로 빠지는 것이다. 또한, 상기 생성가스는, 챔버(13)의 내부공간에서 발생하는, 증기를 제외한 각종 기체를 의미한다. 상기 가열부(23)의 작동시 여러 가지 잡가스가 발생할 수 있는데, 이를 배출하여 챔버(13) 내부의 환경을 향상시킴은 물론 진공도를 높이는 것이다. 상기 청수생산부(100)에는 도 1에 도시한 바와같이, 엔진(108)의 냉각수인 폐열수와 해수가 동시에 공급된다. 상기 해수는 별도의 펌프를 통해 해수탱크(110)로부터 가열부(23)로 공급되며 가열부(23) 내부에서 증발한다. 상기 해수탱크(110)는 선박의 경우 Sea chest이다. 즉 Sea chest에 저장되어 있는 해수를 끌어 청수로 만드는 것이다. 상기 해수와의 열교환을 마친 폐열수는, 폐열수펌프(106)의 작동에 의해, 폐열수회수관(26)을 통해 엔진(108)으로 돌아가 엔진(108)을 냉각한 후 다시 청수생산부(100)로 순환한다. 한편, 상기 청수생산부(100)에서 처리수배출관(31)으로 배출된 처리수는 청수펌프(122)에 의해 펌핑되어 청수탱크(116) 측으로 이동한다. 그런데 상기 청수탱크(116)로 이동하는 처리수는, 염도센서(124)와 솔레노이드밸브(118)를 거친다. 상기 염도센서(124)는 처리수내의 염분의 농도를 실시간 감지하며, 감지한 내용을 콘트롤러(104)로 통보한다. 상기 콘트롤러(104)는 염도센서(124)로부터 전달받은 정보를 기초로, 솔레노이드밸브(118)와 전환밸브(120)를 제어하여, 처리수를 저장할지 청수생산부(100)로 보내어 다시 한 번 처리할지 또는 폐기할지를 결정한다. 상기 솔레노이드밸브(118)는, 염도센서(124)와 청수탱크(116)의 사이에 배치된 3-way 타입 밸브로서 콘트롤러(104)에 의해 제어되어, 처리수를 청수탱크(116)로 유도하거나 전환밸브(120)로 보낸다. 즉, 상기 솔레노이드밸브(118)는 청수탱크(116)로 향하던 처리수의 염도가 10ppm이하일 경우 처리수를 청수탱크(116)로 통과시키고, 10ppm보다 클 경우, 전환밸브(120)측으로 유도한다. 상기 전환밸브(120)도 마찬가지로 콘트롤러(104)에 의해 제어되는 3-way밸브이다. 상기 전환밸브(120)는 염도가 10ppm 보다 높은 처리수를 이젝터(114)로 보낼지 청수생산부의 가열부(23)로 보낼지 결정한다. 상기 가열부(23)로 보내어진 처리수는 폐열수에 의해 가열되어 다시한번 증발되어 상기 과정을 반복한다. 또한 이젝터(114)로 바로 빠진 처리수는 이젝터(114)를 통과하여 해양으로 버려진다. 아울러, 상기 콘트롤러(104)에는 알람부(112)와 메모리부(126)가 연결되어 있다. 상기 알람부(112)는 염도센서(124)와 연동하는 것으로서, 처리수의 염도가 10ppm보다 높을 경우 알람을 발생하여 관리자가 알 수 있게 한다. 또한 메모리부(126)는 콘트롤러(104)로부터 전달받은 저장메시지에 의해 염도 및 기타사항을 저장한다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 청수생산방법을 나타내 보인 순서도이다. 도 4에 도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 청수생산방법은, 해수공급 및 감압단계(151)와, 증기발생단계(153)와, 응축단계(155)아, 처리수유도단계(157), 염도센싱단계(161), 저장단계(163), 알람작동단계(171), 회송단계(165)를 포함한다. 상기 해수공급 및 감압단계(151)는, 상기 가열부(23)에 해수를 공급함과 동시에 이젝터(114)를 구동하여 챔버의 내부 압력을 낮추는 과정이다. 상기 증기발생단계(153)는, 해수공급 및 감압단계(151)와 동시에 진행되는 과정으로서, 상기 가열부(23)에 폐열수를 공급하여 해수가 폐열수에 의해 가열 및 증발되게 하는 과정이다. 이어지는 응축단계(155)는, 상기 가열부에서 발생한 증기를 응축부로 이송하고, 상기 응축부에 저온해수를 공급하여, 증기가 저온해수와의 열교환을 통해 응축되게 하는 단계이다. 상기 응축단계(155)를 진행하여 얻어진 처리수는 처리수유도단계(157)를 통해 청수탱크(116)를 향하여 이송한다. 상기 처리수유도단계(157)는 청수펌프(122)를 구동하여, 처리수를 처리수배출관(31)을 통해 청수탱크를 향해 압송하는 과정이다. 상기 염도센싱단계(161)는, 염도센서(124)를 이용하여 처리수배출관(31)을 통과하는 처리수의 염도를 계속적으로 감지하고, 센싱정보를 상기 콘트롤러(104)로 보내는 단계이다. 상기 염도센서(124)에 의해 감지된 염도가 10ppm 이하일 경우에는 저장단계(163)가 진행되고, 10ppm 보다 높을 때는 알람작동단계(171) 및 회송단계(165)가 이어진다. 상기 저장단계(163)는 처리수를 청수탱크(116)로 이송시켜 저장하는 과정이다. 상기 알람작동단계(171)는 현재 감지한 처리수의 염도가 10ppm 보다 높다는 사실을 가령 소리나 경고등을 통해 관리자에게 알려주는 것으로서, 관리자는 알람을 통해 현재 처리수의 상태를 알 수 있다. 또한 상기 회송단계(165)는 상기 솔레노이드(118)과 전환밸브(120)를 동작시켜, 처리수를 가열부(23)로 다시 돌려보내는 과정이다. 상기 가열부(23)로 이송된 처리수는 재처리되어 상기 과정을 반복한 후 청수탱크(116)로 저장된다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 청수생산방법의 다른 예를 나타낸 순서도이다. 도 4와 같은 도면부호는 동일한 과정이므로 설명은 생략한다. 다른 예에 따른 청수생산방법은, 상기 알람작동단계(171)에 이어서 해양배출단계(167)가 수행된다. 상기 해양배출단계(167)는 상기 전환밸브(120)를 이젝터(114)로 전환시켜, 10ppm 보다 높은 염도의 처리수를 이젝터(114)를 통해 외부로 배출하는 과정이다. 경우에 따라 전환밸브(120)에 배출파이프를 설치하여, 전환밸브(120)를 통과한 처리수를 해양으로 바로 배출할 수 도 있다. 이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
13:챔버 15:상부공간 17:하부공간
19:분리판 21:수분제거부 23:가열부
25:폐열수공급관 27:해수공급관 29:응축부
31:처리수배출관 33:저온해수공급관 34:사용해수배출관
35:증기이송관 114:이젝터 45:배출파이프
47:잔류해수배출관 49:가스배출호스 100:청수생산부 |
