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Journal of the Korean Society of Civil Engineers

ISO Journal TitleKSCE J. Civ. Environ. Eng. Res.

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Original Article

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KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research

대한토목학회 Vol. 41, No. 5, p.485-492

ISSN (print) :

1015-6348

ISSN (online) :

2287-934X

Received : 15 October 2020Revised : 4 January 2021Accepted : 11 May 2021

DOI :

10.12652/Ksce.2021.41.5.0485

Evaluation of Electric Power Consumption during Seawater Desalination

해수담수 공정의 전력비 평가기준에 관한 연구

심규대 (Kyu Dae Shim) ¹ 김창용 (Chang Ryong Kim) ² 정준연 (Joon Yeon Choung) ³ 김동균 (Dong Kyun Kim) ⁴^†

GS건설 환경솔루션팀 책임, 공학박사 (GS Engineering and Construction)
GS건설 인프라기술팀 책임, 공학석사 (GS Engineering and Construction)
GS건설 GVIET팀 책임, 공학석사 (GS Engineering and Construction)
홍익대학교 건설환경공학과 교수, 공학박사 (Hongik University)

† :

Corresponding Author

Abstract (Korean)

본 연구에서는 서해에 위치한 대산산업단지 해수담수화 시설에 필요한 전력비를 계산하고, 해수온도 및 염분도 변화에 따른 안전도를 고려한 전력비 기준을 산정하였다. 입력 자료(온도 및 염분도)는 국가해양환경정보통합시스템(MEIS, Marine Environment Information System) 22년 자료(1997~2018년)를 이용하고, 해수공정에서 사용되는 전력량은 RO막 제조사에서 제공되는 프로그램(Q-Plus v3.0)을 활용하였다. 금회 연구에서는 해수담수화 시설물 설계시 합리적인 전력비 운영 가이드라인을 제시했다는데 의의가 있다. 해수담수화 역삼투압 공정은 약 2.10~2.90 kWh/m³의 전력비가 소요되며, 에너지 안전도 95 % 기준으로 2.80 kWh/m³의 전력비가 해수담수화 시설을 운영할 때 고려되어야 하는 것으로 검토되었다.

Translated Abstract

This study focused on safety aspects surrounding energy consumption in the seawater desalination process in the Daesan Industrial Complex located on the West Sea coast. The safety index for energy consumption was evaluated under different salinities and temperatures of the incoming seawater. Temperature and salinity input data for the 1997–2018 period were obtained from the Marine Environment Information System, and the power required for reverse osmosis (RO) was applied to the program as per the data provided by the RO membrane manufacturer (Q-Plus v3.0). Notably, reasonable energy consumption guidelines were proposed during the design of the desalination facilities; in this regard, the desalination process required approximately 2.10–2.90 kWh/m³ electrical power. Moreover, the energy safety based on 95 % was estimated to be 2.80 kWh/m³ when the desalination facility was operated.

Key words (Korean)

에너지 안전도, 해수담수, 전력비, 평가지표

Key words

Energy safety, Seawater desalination, Electric power, Evaluation index

1. 서 론
2. 연구방법
2.1 해수담수화 공정
2.2 평가지표 산정
3. 평가모델의 구축
3.1 대상지역 선정
3.2 기초자료 조사
3.3 에너지 안전도(Es) 검토
3.4 해수담수시설 운영 최적화
4. 결 론

1. 서 론

전 세계적인 기후 변화로 과거에 비해 가뭄 빈도 및 피해는 증가하고 있으며, 환경오염으로 인하여 물 공급을 위한 양질의 수자원은 감소하고 있다. 최근 2017년도에 발생한 가뭄으로 동해안 및 남해안에 위치한 일부 시·군 지역에서 제한급수를 실행하는 등 물 부족문제로 인한 새로운 대체 수자원의 개발이 필요한 실정이다. 세계보건기구(WHO)에 의하면 우리나라는 물 부족 국가 중 하나로 분류되고 있으며, 하절기에 강수량이 집중되어 대부분 하천을 통하여 방류되어 바다로 흘러가, 하절기를 제외한 기간에는 물이 부족하게 된다.

겨울, 봄 가뭄은 농업용수가 부족해져 농업에 영향을 주고, 동해안 및 남해안 일부 지역은 생활용수가 부족하여 제한 급수가 실시된다. 특히, 산업단지의 경우에는 공업용수가 부족하면 조업중단으로 인한 막대한 피해가 발생하기 때문에, 현재 물 부족 문제를 해결하고자 다양한 대체 수자원이 논의되고 있으며, 그 중 해수담수화가 해결 방안의 하나로 주목 받고 있다. 삼면이 바다인 우리나라 특성상 해수를 이용하면, 안정적이고 양질의 수자원을 무한대로 이용할 수 있다는 장점뿐만 아니라, 지역적으로 편중되었던 수자원을 전 국민이 골고루 사용할 수 있다는 물 복지 측면에서도 좋은 해법이 될 수 있다.

해수담수화는 증발법(Thermal Process) 및 막공법(Membrane Process)이 대표적인 공법으로, 최근 추세는 에너지 효율이 높고 경제적인 역삼투(Reverse Osmosis, RO) 공법이 많이 적용되고 있으며(^{Greenlee et al., 2009}), Desalination Market 2016(^{Global Water Intelligence, 2015})에 의하면 향후 발주 예정인 해수담수화 플랜트를 포함하면 전체 발주량의 약 90 %가 역삼투 공법이다. ^{Bernat et al.(2010)} 및 ^{Badruzzaman et al.(2019)}은 증발법에서 현재 막공법으로 변화하면서, 해수담수화에 필요한 전력비가 22 kWh/m³에서 3 kWh/m³까지 낮아졌으며, 약 90 % 정도의 에너지 절감효과가 있었다고 평가했다. ^{Jamaly et al.(2014)}은 해수담수화 시설의 전처리 공법을 비교 검토하였으며, 모래여과가 UF막에 비해 경제적이지만, 수질은 UF막이 모래여과에 비해 20-40 % 개선효과가 있다고 연구하였다. ^{Villacort et al.(2014)}은 2008-2009년, 2013년 중동에 심각한 적조가 발생했을 때, 원수가 모래여과 전처리로 완벽하게 처리되지 않아, UF막으로 전처리가 변경되는 계기가 되었다고 검토하였다. ^{Kurihara and Takeuchi(2013)}은 역삼투 공법에서 대형화 되고 있는 해수담수화 시설의 에너지를 절감하기 위한 과제를 선정하고, 이를 해결하기 위해 저압막 개발, 새로운 에너지회수장치 및 역삼투 공정 시스템 등의 개발이 필요하다고 평가하였다. ^{Sauvet-Goichon(2007)}은 일반적으로 유량에 따라서 해수담수화 공정의 펌프 효율성은 약 82-88 %이지만, 이스라엘 Ashkelon 해수담수화 플랜트의 대형 원심펌프를 적용하여 세계에서 가장 높은 효율 88.5 %까지 높였으며, 최대 전력비는 3.9 kWh/m³로 설계하였다. ^{Fritzmann et al.(2007)}은 다양한 해수담수화 공법별 에너지 소모율에 대해 조사하였고, 고유량막(High Flux Membrane)과 에너지회수장치(ERD, Energy Reducing Device)의 개발로 인해 역삼투공정의 전력비는 2.5-4.0 kWh/m³까지 낮아졌다고 분석하였다. 일발적으로 해수담수화에 필요한 전력비는 일반 정수처리 0.2-0.4 kWh/m³, 재이용 0.5-1.0 kWh/m³, 음용수 재이용 1.5-2.0 kWh/m³, 기수담수 0.3-2.6 kWh/m³, 해수담수 2.5-4.0 kWh/m³를 참고하고 있으며, 기존 프로젝트의 자료를 활용한다. 해수수질 조건은 태평양, 대서양 및 지중해 지역에서는 TDS 35-38 psu, 수온 9-35 ℃, 중동지역에서는 TDS 40-45 psu, 수온 16-35 ℃를 적용하고 있으며, 막제조사에서 제공되는 프로그램으로 전력비(kWh/m³)를 산정한다(^{Voutchkov, 2010}).

최근 기자재 및 다양한 해수담수 관련 시스템의 개발로 해수담수화에 이용되는 전력비가 감소하고 있으며, 발주처에서도 운영비용을 낮추기 위해 다양한 기술을 도입하고 있지만, 운영에 필요한 해수담수공정 전력비는 점차 낮아지더라도 그 한계가 있기 때문에, 이를 고려한 적절한 운영 전력비 기준이 필요하다. 최근에는 가변속 펌프운전에 따른 에너지 절감 및 해수담수시설의 펌프운전 최적화를 통한 운영비 절감에 대한 연구가 진행되고 있으며(^{Woo and Kim, 2017}; ^{Suh et al., 2015}), 특히, 해수담수화 플랜트와 같은 대형 시설물은 한번 설계되어 시공되면 오랜 기간 동안 시설물의 확장 또는 기자재 변경이 쉽지 않기 때문에, 계획 초기부터 면밀한 검토가 필요하다. ^{Voutchkov(2018)}의 연구에 의하면, 해수담수에 필요한 전력은 취수공정 5.3 %, 전처리공정 10.8 %, 역삼투공정(Reverse Osmosis Process) 71 %, 송수 5 %, 기타 7.6 %로 나타났으며, 전체 해수담수 전력비에 가장 큰 영향을 주는 역삼투 공정의 운영 전력비 평가기준은 매우 중요하다고 판단된다. 금회 연구에서는 해수온도 및 염분도에 따른 해수담수공정 전력비를 댐 설계에 많이 적용되는 이수안전도 개념을 도입하여 적용하고, 전력비 기준을 정량적으로 평가하여 해수담수화 시설물 설계시 운영비를 절감할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.

2. 연구방법

2.1 해수담수화 공정

역삼투법 공정에 의한 해수담수화시설은 취수, 전처리, 역삼투, 후처리 공정으로 구성되며, 이들 처리 공정을 가동하기 위한 약품주입, 기계, 전기 및 계측/제어시설이 필요하다. 대산 해수담수화 시설의 계통도는 Fig. 1과 같다(^{K-water, 2019}). 취수공정은 해수를 취수탑의 집수시설을 이용하여 해수를 취수하고, 취수펌프 및 도수관으로 전처리설비까지 도수하는 시설이다. 전처리 공정은 RO막의 막힘 등을 방지하기 위해 DAF 및 UF막 등으로 해수 중에 포함된 부유물 및 작은 입자성 물질 등을 제거하고 RO막으로 처리하기에 좋은 수질로 전처리하는 시설이다. 역삼투 공정은 고압펌프, RO막, 역세척설비, 에너지회수 장치 등으로 이루어진다. RO막에 의해 생산수와 농축수로 분리되며, 생산수는 pH와 경도성분이 낮아, 이를 방지하기 위해 칼슘 또는 CO₂를 주입하여 알칼리도를 조정한다. 추가적으로, 해수담수 시설은 정수지, 약품주입설비, 전력설비, 펌프설비, 각종 기계설비 및 해수담수화시설을 감시하고 운전제어하기 위한 계측제어설비가 설치된다. ^{Voutchkov(2010)}에 의하면, 역삼투 공정에서 중요한 변수는 수온 및 염분도이며, 경험적으로 수온 상승 1 ℃마다 투과유량은 3 %가 증가하는 경향이 있고, 수온 및 염분도 영향은 Fig. 2와 같이 투과유량은 압력 및 수온에 비례하고, 염제거율은 수온에 반비례하는 것으로 나타났다. 이는 해수담수 공정의 소모 전력비를 산정하는 프로그램(Q-Plus v3.0)에 해석 결과에 반영된다.

Fig. 1.

Process Flow Diagram of the Daesan Facilities (^{K-water, 2019})

Fig. 2.

The Impact of Seawater Temperature and Salinity by Seawater Desalination Process (^{Voutchkov, 2010})

2.2 평가지표 산정

이수안전도는 수자원 공급시설이 용수수요를 충족시킬 수 있는 안전성 정도를 표시하는 평가지표로, 설계시 적용된 용수수요량을 공급할 수 있는 신뢰성으로 정의한다. 댐은 최대갈수 시에도 용수공급이 가능한 공급량 기준과 전체 기간 중에서 일정 기간은 물 부족이 허용되는 신뢰도 기준으로 분류한다. 다목적댐은 총 저수용량은 활용 및 비활용 용량으로 구분하며, Fig. 3과 같이 이수 용량, 홍수조절 용량, 사수 용량 및 비상 용량으로 다목적댐의 용량 배분을 나타낼 수 있다. ^{Hashimoto et al.(1982)}에 의하면 신뢰도는 그 시스템의 상태가 만족스러운 경우의 빈도 또는 확률이라고 할 수 있고, 신뢰도 분석기준은 빈도기준, 시간기준, 양적기준 신뢰도로 구분한다. 그 중에서 빈도기준 신뢰도는 전체 계획기간에 대한 댐에서의 계획공급량을 공급할 수 있는 연수로 분석할 수 있으며 Eq. (1)과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

R = 1 - \frac{F_{s}}{F_{t}}

여기서, R : 빈도기준 신뢰도

$F_{s}$ : 전체 기간 중에서 댐 계획공급량을 만족하지 못한 기간

$F_{t}$ : 전체 계획기간

Fig. 3.

Dam Capacity by Water Level

위에서 설명한 댐의 이수안전도 개념을 해수담수화 시설로 확장하면, Fig. 4와 같이 해수담수 공정의 전력비에 대한 에너지 안전도(Es)로 적용할 수 있으며, 해수담수화 공정의 운영시 소모되는 전력비의 기준을 산정하기 위해 사용하였다.

Fig. 4.

Energy Safety Reflecting Water Supply Reliability

3. 평가모델의 구축

3.1 대상지역 선정

본 연구 대상지역(Fig. 5)인 대산항은 충청남도 서산시 대죽리 일원으로 서해 태안반도에 위치하고 있으며, 주변으로는 당진시, 예산군, 태안군 및 홍성군이 인접하고, 석유화학 및 자동차산업이 중요한 지역산업이다. 1991년 무역항으로 지정된 이래 현대오일뱅크, LG화학, 한화토탈, 현대OCI, 등의 산업체가 있으며, 안정적인 산업용수의 공급이 필요한 지역이다.

Fig. 5.

그림제목Project Area

3.2 기초자료 조사

국립해양조사원(KHOA, Korea Hydrographic and Oceanographic Agency) 대산 지점의 월별 해수온도 및 염분도 측정자료는 Fig. 6과 같다. 하절기 집중호우 및 겨울철 가뭄으로 인하여 해수 수온 및 염분도는 계절적 특성을 가지며, 여름철에는 해수 수온이 높고 염분도가 낮으며, 겨울철에는 해수 수온이 낮고 염분도가 높게 나타난다. 해수온도는 2월에 2.5 ℃도로 가장 낮고, 8월에 24.5 ℃도로 가장 높았다. 염분도는 3월에 22.5 psu로 가장 낮고, 1월에 31.3 psu로 가장 높았다. 국립해양조사원(KHOA) 자료는 국가해양환경정보통합시스템(MEIS) 측정치와 비교하면 해수온도는 약 4 %, 염분도는 약 10 % 낮은 것으로 나타났으며, 측정 장소가 대산항 인근에 설치되어 하천수 유입으로 인한 영향이 큰 것으로 나타난다. 해수취수는 해파리 및 해조류 등의 유입을 막고 안정적인 취수를 위해 충분한 수심을 확보해야 함으로 수백~수천 미터를 해안에서 이격하여 설치한다(^{Gille, 2003}). 그러므로, 금회 해수담수 전력비 기준 검토는 하천수 유입으로 인해 낮게 산정될 수 있는 국립해양조사원(KHOA) 자료는 참고 자료로만 활용하고, 실제 전력비를 반영할 수 있는 국가해양정보통합시스템(MEIS) 자료를 적용하여 평가하였다.

Fig. 6.

Seawater Quality Data from Daesan (KHOA, 2003 – 2014)

Fig. 7은 대산 1~4 지점의 국가해양환경정보통합시스템(MEIS)의 과거 22년(1997~2018년)간 해수온도 및 염분도 특성을 나타낸 그래프이다. 해수 수온의 경우는 1.1〜25.5 ℃의 범위로 평균 13.1 ℃로 대산 1 지점에서 24.5 ℃으로 가장 높게 나타났으며, 염분도의 경우에도 평균 31.16psu 로 대산 4 지점에서 32.95psu 로 가장 높게 나타났고, 28.32~32.95psu의 범위를 나타낸다.

Fig. 7.

Seawater Quality Data at the Daesan Sites (MEIS, 1997 – 2018)

국가해양환경정보통합시스템(MEIS) 자료를 검증하기 위하여, 해수담수화 취수시설 지점의 해수 수질 분석을 3회 실시하였고, 측정값은 31.3~31.9 psu로 국가해양환경정보통합시스템(MEIS) 자료와 유사하게 나타났다(1차 측정(2019.8.7): 31.3 psu, 2차 측정(20.19.8.22): 31.6 psu, 3차 측정(2019.9.18): 31.9 psu).

해수담수화 시설에서 공급되는 산업용수의 생산수 수질기준은 Chlorine (≤20 mg/L), TDS (≤65 mg/L), Conductivity (≤150 ㎲/cm), Total hardness (≤2.5 mg/L), pH (6.5-7.5)가 있으며, 산업 분야에 따라 요구되는 수질이 다르기 때문에, 수요처에 특성을 고려하여 처리시설이 계획된다. 금회 연구에서는 Table 1의 유입수질을 고려하여 해수담수화에 소요되는 전력비를 검토하였으며, 전력비 산정에 적용된 모델링 인자는 Table 2를 참고하였다. 해수취수 지점이 확정되지 않아 대산 1~4에 대하여 RO막 제조사 프로그램(Q-Plus v3.0)을 활용하여 1997년부터 2018년까지 전력비를 검토하였으며, 전력비 예측 결과는 Table 3과 같이, 2.08-2.86 kWh/m³로 나타났고, 계절적 변화에 따른 전력비 변동은 Fig. 8과 같다(향후 해수수질조사 결과 및 적용되는 RO 공정에 의하여 전력비 변경이 될 수 있음).

Fig. 8.

Electrical Power Consumption by Period (1997 – 2018)

Table 1.

Seawater Quality (^{K-water, 2019})

Item	Concentration (mg/L)	Molar mass (mg/L)	Molarity (mg/L)	Remark
Cation
Ca²⁺	429.48	40,000	0.0107
Mg²⁺	1,158.80	24,300	0.0477
Na⁺	9,287.41	23,000	0.4038
K⁺	501.33	39,100	0.0128
Br	0	79,900	0.0000
Subtotal (1)	11,377.02	–	0.4750
Anions
HCO₃^-	155.65	61,000	0.0026
SO₄^2-	3,068.58	96,100	0.0319
Cl^-	16,552.61	35,500	0.4663
F^-	1.3	19,000	0.0001
B^-	4.78	10,800	0.0004
NO₃^-	0	62,000	0.0000
Subtotal (2)	19,782.92	–	0.5013
Total (1) + (2)	31,160¹⁾	–	0.9763

[i] Note) 1. Max. TDS concentration : 32,900 mg/L (preliminary value)

Table 2.

Summary of Reverse Osmosis Process (^{K-water, 2019})

Item		Unit	SWRO²⁾	BWRO³⁾	Remark
Train¹⁾	No.	–	10+1	10+1
	Flux	LMH	13.5	29.0
	Recovery ratio	%	52.6	90.0
	Membrane no.	EA	9,240	4,620
	Vessel nos.	EA	1,320	660
Pass	Type	–	Full 2 pass (SWRO+BWRO)
Stage	Type	–	1 Stage	2 Stage
ERD	Type	–	PX	–
ERD	Efficiency	–	97 %	–

[i] ¹⁾ The RO process will be changed during the more detailed design stage

[ii] ²⁾ SWRO : Sea Water Reverse Osmosis

[iii] ³⁾ BWRO : Brackish Water Reverse Osmosis

Table 3.

Energy Projection Results

Item		Seawater temperature (℃)	Salinity (psu)	Energy (kW/m³)	Remark
Daesan 1	Max.	25.5	32.73	2.86
	Avg.	13.4	30.90	2.42	S.D.: ±0.22
	Min.	1.1	28.32	2.08
Daesan 2	Max.	24.5	32.76	2.84
	Avg.	13.2	31.19	2.43	S.D.: ±0.21
	Min.	1.6	29.12	2.12
Daesan 3	Max.	24.2	32.02	2.85
	Avg.	13.1	31.06	2.43	S.D.: ±0.21
	Min.	1.4	28.96	2.12
Daesan 4	Max.	24.1	32.95	2.81
	Avg.	13.0	31.36	2.45	S.D.: ±0.20
	Min.	1.7	29.40	2.13

3.3 에너지 안전도(Es) 검토

염분도, 수온, 유입수질 성상, RO 공정구성, RO막 종류, 막 교체율 등이 해수담수 전력비에 영향을 미치게 된다. 이 중에서, 유입수질 성상, RO 공정구성, RO막 종류, 막 교체율은 해수담수화 프로젝트 초기에 검토되어 고정된 인자이기 때문에, 금회 연구에서는 대산산업단지 해수담수화 설비의 해수담수화에 필요한 전력비를 해수 수온 및 염분도 변화에 따라, 에너지 안전도(Es) 평가하여 검토하였다. 기간별 해수 수온 및 염분도 변화에 따라 계산된 전력비는 기준 전력비를 초과할 경우 에너지 안전도(Es)를 만족하는 횟수에서 제외된다. Eq. (2)을 적용하여 전체 계획기간 중에서 기준 전력비를 초과하는 기간을 검토하여 에너지 안전도(Es)를 구할 수 있다.

(2)

E_{S} = 1 - \frac{T_{f}}{T_{t}}

여기서, $E_{S}$ : 빈도기준 신뢰도

$T_{f}$ : 전체 기간 중에서 기준 전력비를 만족하지 못한 기간

$T_{t}$ : 전체 계획기간

대산 1~4 지점에 대한 에너지 안전도(Es) 분석결과는 Tables 4 and 5에 제시하였으며, 각각의 Case에 대한 해수담수 전력비 계산 결과로부터 기준 전력비 만족과 실패횟수를 분석하여 기준 전력비에 대한 에너지 안전도 평가지표를 산정하였다. 기준 전력비 2.90 kWh/m³ 에 대해서는 대산 1~4 모든 지점이 만족하고 에너지 안전도(Es) 지표는 100 %로 나타났으며, 금회 선정한 해수담수 공정 운영시의 기준 전력비는 에너지 안전도(Es) 95 %를 기준으로 검토하였다. 에너지 안전도를 95 % 수준으로 고려한 이유는, 수자원 분야의 댐 설계에 이수 안전도 90~97 %가 일반적으로 적용되고 있으며, 해수담수화 시설의 운영시 소요되는 전력비의 기준을 통계적으로 많이 사용되는 95 %(표준정규분포의 2σ) 수준으로 고려하는 것이 타당하다고 판단된다. 대산 1~4는 기준 전력비 2.80 kWh/m³ 에 대해 총 분석횟수 88회 중 2~5회가 미달했으며, 에너지 안전도는 95 % 수준으로 나타났다.

Table 4.

Cumulative Power Consumption Cumulative by Observation Location

Item	Daesan 1		Daesan 2		Daesan 3		Daesan 4
Item	Power (kWh/m³)	Cumulative ratio	Power (kWh/m³)	Cumulative ratio	Power (kWh/m³)	Cumulative ratio	Power (kWh/m³)	Cumulative ratio
1	2.08	0.0615	2.12	0.0630	2.12	0.0680	2.13	0.0533
2	2.14	0.1020	2.18	0.1078	2.17	0.1051	2.21	0.1132
3	2.26	0.2351	2.27	0.2116	2.27	0.2184	2.30	0.2248
4	2.32	0.3271	2.33	0.3054	2.33	0.3112	2.35	0.3072
5	2.37	0.4131	2.39	0.4140	2.39	0.4180	2.40	0.4007
6	2.42	0.5035	2.44	0.5104	2.44	0.5122	2.46	0.5203
7	2.48	0.6114	2.49	0.6061	2.49	0.6058	2.51	0.6191
8	2.58	0.7500	2.60	0.7500	2.61	0.7500	2.56	0.7107
9	2.66	0.8655	2.67	0.8738	2.68	0.8794	2.56	0.7500
10	2.71	0.9088	2.71	0.9097	2.71	0.9057	2.68	0.8771
11	2.86	0.9782	2.84	0.9757	2.85	0.9762	2.81	0.9653

Table 5.

Analysis Results of Energy Safety (Es)

Item	Standard power (kWh/m³)	Energy safety (%)				Excess count by standard power / Total Number
Item	Standard power (kWh/m³)	Daesan 1	Daesan 2	Daesan 3	Daesan 4	Daesan 1	Daesan 2	Daesan 3	Daesan 4
1	2.90	100	100	100	100	0/88	0/88	0/76	0/87
2	2.85	98.9	100	98.7	100	1/88	0/88	1/76	0/87
3	2.80	94.3	97.7	94.7	96.6	5/88	2/88	4/76	3/87
4	2.75	85.2	88.6	86.8	88.6	13/88	10/88	10/76	10/87
5	2.70	78.4	78.4	77.6	78.4	19/88	19/88	17/76	19/87
6	2.65	75.0	75.0	75.0	76.1	22/88	22/88	19/76	21/87
7	2.60	75.0	75.0	75.0	76.1	22/88	22/88	19/76	21/87
8	2.55	75.0	75.0	75.0	72.7	22/88	22/88	19/76	21/87
9	2.50	75.0	69.3	71.1	62.5	22/88	22/88	22/76	24/87
10	2.45	64.8	59.1	56.6	53.4	31/88	31/88	33/76	33/87
11	2.40	50.0	46.6	46.1	48.9	44/88	44/88	41/76	45/87
12	2.35	42.0	40.9	42.1	43.2	51/88	51/88	44/76	50/87

3.4 해수담수시설 운영 최적화

펌프 운전은 허용운전구역(AOR, Allowable Operating Region) 및 최적운전구역(POR, Preferred Operating Region)으로 구분되며, AOR은 펌프운전은 가능하지만 소음과 진동이 발생하므로, 일반적으로 POR을 고려하여 펌프를 운영한다. 이때, 펌프의 운전점은 Fig. 9와 같이, 펌프 양정곡선(Pump Curve) 및 시스템 저항곡선(System Resistance Curve)이 만나는 교점으로 유량 및 양정이 정해지며, 펌프의 운전효율이 최대가 된다.

Fig. 9.

Pump Operation Point (^{ANSI/HI, 1997}; ^{ANSI/HI, 2000})

기존의 해수담수화 시설은 최악 조건을 고려하여 펌프규격이 설계되므로, Table 3 및 Fig. 8과 같이 펌프의 최대효율을 적용하는 운영 빈도가 낮아질 수 있으며, 실제 펌프를 운영할 때에는 Fig. 9에서와 같이, 최고 펌프효율(Best Efficiency Point, B.E.P.)에서 벗어나, 해수담수화시설 운영비가 증가할 수 있다.

따라서, 금회 검토된 에너지 안전도(Es)를 고려하여 펌프를 설계할 경우, 최고 펌프효율 운전점을 실제 운전에 맞게 펌프 유량 및 양정을 설계할 수 있으며, 펌프효율을 극대화하여 시설 운영이 가능하므로, 펌프효율을 약 1-2 %만 높일 경우 연간 수억원, 전체 운영기간으로는 수십억원의 운영비 절감 효과가 있다. 다만, 에너지 안전도(Es)를 고려한 설계를 적용한 운영관리 최적화를 추진하기 위해서는 펌프운전 특성이 충분히 고려되어야 하며(^{ANSI/HI, 1997}), 최대효율을 고려하였기 때문에 처리용량이 다소 낮아짐으로 이를 보완할 수 있는 생산수조의 체류시간 확보 및 기존시설과의 용수공급라인 복선화 등을 고려한 종합적인 대책이 필요하며, 운영자의 펌프운전에 대한 깊은 이해가 필요하다.

4. 결 론

본 연구에서는 해수담수 운영에 필요한 적절한 전력비 기준지표 산정에 대한 방안을 연구하였다. 해수담수화 전력비는 RO막 제조사에서 제공하는 프로그램을 이용하여 각 시나리오에 따른 계산을 수행하였으며, 입력변수(해수온도 및 염분도) 변동으로 인한 영향을 반영하여 평가지표를 산정하였다. 해수담수화 시설의 운영최적화를 위해 대산 1~4 지점의 적정 에너지 안전도(Es) 95 % 수준을 기준으로 검토하였으며, 금회 검토한 에너지 안전도(Es) 95 % 기준으로, 20년에 1회 정도는 기준 전력비 2.80 kWh/m³ 를 초과할 것으로 검토되었다. 이를 고려한 비상시 운영 계획을 사전에 수립된다면 해수담수화 시설의 효율적인 운영이 가능하며, 운영비 절감이 가능하다고 검토되었다. 지금까지는 해수담수화 시설의 운영전력비에 대한 명확한 지표 및 설계방안이 없었기 때문에, 금회 연구에서는 지표산정을 위한 방법 및 운영 최적화 방안을 제시하였고, 향후 막 교체시기, 처리수량 대비 에네지 소비관계 등 다양한 자료를 추가로 검증한다면 해수담수화시설 운영에서 신뢰도 높은 평가지표로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 물관리연구사업의 지원을 받아 연구되었습니다(과제번호 127557).

본 논문은 2020 CONVENTION 논문을 수정·보완하여 작성되었습니다.

References

ANSI/HI 1.3 (2000). Centrifugal pumps for design and application, American National Standards Institute, pp. 11-21.

ANSI/HI 9.6.3 (1997). Centrifugal and vertical pumps for allowable operating region, American National Standards Institute, pp. 1. 10.1016/S0262-1762(97)91261-X

Badruzzaman, M., Voutchkov, N., Weinrich, L. and Jacangelo, J. G. (2019). "Selection of pretreatment technologies for seawater reverse osmosis plants: A review." Desalination, Vol. 449, pp. 78-91. 10.1016/j.desal.2018.10.006

Bernat, X., Gibert, O., Guiu, R., Tobella, J. and Campos, C. (2010). The economics of desalination for various uses, Re-thinking Water and Food Security: Fourth Botín Foundation Water Workshop, CRC Press, Florida, USA, pp. 329-346.

Fritzmann, C., Löwenberg, J., Wintgens, T. and Melin, T. (2007). "State of-the-art of reverse osmosis desalination." Desalination, Vol. 216, No. 1-3, pp. 1-76. 10.1016/j.desal.2006.12.009

Gille, D. (2003). "Seawater intakes for desalination plants." Desalination, Vol. 156, No. 1-3, pp. 249-256. 10.1016/S0011-9164(03)00347-3

Global Water Intelligence (2015). Desalination markets 2016.

Greenlee, L. F., Lawler, D. F., Freeman, B. D., Marrot, B. and Moulin, P. (2009). "Reverse osmosis desalination: water sources, technology, and today's challenges." Water research, Vol. 43, No. 9, pp. 2317-2348. 10.1016/j.watres.2009.03.010 19371922

Hashimoto, T., Stedinger, J. R. and Loucks, D. P. (1982). "Reliability, resiliency, and vulnerability criteria for water resources system performance evaluation." Water Resources Research, Vol. 18, No. 1, pp. 14-20. 10.1029/WR018i001p00014

Jamaly, S., Darwish, N. N., Ahmed, I. and Hasan, S. W. (2014). "A short review on reverse osmosis pretreatment technologies." Desalination, Vol. 354, pp. 30-38. 10.1016/j.desal.2014.09.017

Kurihara, M. and Takeuchi, H. (2013). "Mega-ton water system: Japanese national research and development project on seawater desalination and wastewater reclamation." Desalination, Vol. 308, pp. 131-137. 10.1016/j.desal.2012.07.038

K-water (2019). The feasibility and basic plan for SWRO project in Daesan industrial area, pp. 6-155, 6-179, 6-189, 6-192 (in Korean).

Sauvet-Goichon, B. (2007). "Ashkelon desalination plant-A successful challenge, desalination." Desalination, Vol. 203, No. 1-3, pp. 75-81. 10.1016/j.desal.2006.03.525

Suh, S. H., Kim, K. W., Kim, H. H., Yoon, I. S. and Cho, M. T. (2015). "Evaluation of energy saving with vector control inverter driving centrifugal pump system." The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 18, No. 2, pp. 67-72 (in Korean). 10.5293/kfma.2015.18.2.067

Villacorte, L.O., Tabatabai, S. A. A., Dhakal, N., Amy, G., Schippers, J. C. and Kennedy M. D. (2014). "Algal blooms: an emerging threat to seawater reverse osmosis desalination." Desalination and Water Treatment, Vol. 55, pp. 2601-2611. 10.1080/19443994.2014.940649

Voutchkov, N. (2010) Desalination engineering: Planning and design, McGraw-Hill, New York, USA, pp. 17, 73, 115.

Voutchkov, N. (2018). "Energy use for membrane seawater desalination - current status and trends." Desalination, Vol. 431, pp. 2-14. 10.1016/j.desal.2017.10.033

Woo, S. W. and Kim, Y. H. (2017). "Reduction of power consumption by variable speed operation of high pressure pump in seawater reverse osmosis desalination plant." The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 20, No. 5, pp. 33-39 (in Korean). 10.5293/kfma.2017.20.5.033

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