1) Title & Author
Journal: Desalination in press (2010)
Title: Optimal time-dependent operation of seawater reverse osmosis
Author: Amin Ghobeity, Alexander Mitsos

2) Summary of Paper
이 논문은 SWRO process의 energy consumption을 최소화하기 위한 방안으로 최적화된 time-dependent한 운전을 제안하고 있습니다. 본 연구에서 이용된 RO system은 에너지 회수장치(pressure exchanger, PX)와 가변속 제어시스템(Variable frequency drive, VFD)을 포함하고 있습니다. 또한, 이 연구에서는 performance에 주된 영향을 주는 membrane permeability, concentration polarization, temperature effect, membrane fouling도 함께 고려하고 있습니다. 전체적으로 최적화의 문제를 풀기 위해 mixed-integer nonlinear program (MINLP)를 황용하고 있습니다.
본 논문의 목적은 SWRO 시스템의 운전 에너지 비용을 최소화하는 운전 계획을 세우는 것입니다.
구축한 모델의 시스템은 아래의 그림과 같습니다.
 
RO 모델을 위해 파울링의 영향 (FF)과 온도의 영향 (TCF)을 고려하여 아래의 transport equation이 사용되었습니다.
 
에너지 회수장를 적용한 경우의 전력사용량을 계산하기 위해 아래의 식을 이용하였습니다.
High pressure pump 사용 전력량:  
Booster pump 사용 전력량:  
Circulation pump 사용 전력량:  
전체 에너지 사용량:  

또한, 가변속 제어시스템 (VFD)를 위해서는 pump의 효율이 다음과 같이 계산됩니다.
 
그리고 high pressure pump의 운전에서 pump shaft frequency에 따른 압력과 유량 그리고, power는 다음과 같이 affinity equation을 사용하고 있습니다.
 
마지막으로 VFD의 효율은 다음과 같이 fitting 된 third-order polynomial equation을 사용하고 있습니다.

결과로서, 세 가지 case 를 시뮬레이션 하였습니다.
첫번째는 Continuous operation without switching to “OFF” mode입니다. 이는 optimizer가 switching option을 찾는 것을 막는 운전 모드인 “ON” mode로 고정시키는 것입니다. 아래의 그림은 첫 번째 경우의 운전 계획을 보여줍니다.
   
두번째는 Operation with switching to “OFF” mode allowed 입니다. 이는 시스템이 회수율의 변화뿐만 아니라 전력 비용이 높은 동안 가동을 하지 않는 것을 허락하는 경우입니다. 아래의 그림은 두 번째 경우의 운전 계획을 보여줍니다.
   
세번째 경우는 Operation of an oversized system입니다. 이 경우는 oversizing plant에서 두번째 경우보다 전력 비용이 비싼 구간에서 더 큰 idle time을 보여주는 경우입니다. 
  
3) Originality & Creativity
이 논문은 구축한 model을 통해 세가지 case 의 비교 분석을 통해 Energy consumption이 최소화되는 방법을 제안하고 있습니다. 이 논문의 중점은 fouling과 concentration polarization 현상을 포함하는 RO model에 ERD와 VFD의 영향까지 함께 고려하고 있다는 것입니다.

4) Contribution to ESEL
이 논문은 우선 에너지 회수장치(ERD)와 가변속 제어시스템(VFD)를 이용한 에너지 소비 최소화를 꾀하고 있는 점을 적용하여 지금 연구실에서 진행하고 있는 최적화 운전시스템을 제안하는데 도움이 될 것으로 판단됩니다.

5) 리뷰어 : lyg@gist.ac.kr