DAILY PAPER REVIEW

0713_Minimizing energy consumption in reverse osmosis membrane desalination using optimization-based control

 

 

1.    Title & Journal
?    Title : Minimizing energy consumption in reverse osmosis membrane desalination using optimization-based control
?    Journal : Journal of Process Control, 2010

2.    Background of author
?    Alex R. Bartman - Ph.D student, Process Control and Optimization Laboratory (Advisor: Yoram Cohen) in UCLA Chemical &Biomolecular Engineering Department

3.    Summary
 본 논문은 해수담수화 플랜트 공정에서 센서를 통해 획득한 정보를 실시간으로 처리하고 optimization algorithm을 통해 feed flowrate과 valve resistance value의 최적값을 도출하여 이를 다시 시스템에 적용하는 feedback control strategy에 대해 기술하고 있다. 

실험이 수행된 시스템은 병렬 구조의 2개의 고압펌프를 사용한 6개의 RO 막이 하나의 SET이며, permeate과 retentate가 feed tank로 모이는 순환형 시스템으로 구성되었다. 

 Specific energy consumption (SEC) 값을 통해 에너지 소모량을 최소화 하기 위한 optimization이 수행 되었다. MATLAB에서 수행되는 optimization code는 목표 수질을 충족하는 최소 SEC의 feed flowrate과 valve resistance 최적 값을 도출한다. Optimization value는 10초마다 갱신되고, 한 단계당 1~5초의 시간이 소요된다. Optimization 단계에서, 시스템 모델에 의해 parameter 값이 결정된다. 그 값이 constraints를 만족하지 못하면, Sequential Quadratic Programming (SQP) 알고리즘을 통해 새로운 제어 값을 찾고 과정을 다시 반복한다. Constraints를 만족하는 경우 SEC값은 최소값에 도달한 것이다. 

 알고리즘 보정을 위해 실험값을 바탕으로 여러가지 feed 농도와 permeate flowrate에서 fraction water recovery에 대한 normalized SEC 예측을 수행하였다. 대체로 실험 값과 염 제거율이 100%일 때의 theoretical operating curve가 근접해 있었다.  Recovery가 커질수록 thermodynamic restiction에 의한 제약을 받기 때문에 해당 구간에서는 값을 확인 할 수 없었다. 
또한, 낮은 recovery에서는 theoretical operating curve와 예측값의 크기가 다소 큰 지점이 발생하였다. 이는 시스템 전체 recovery에 대한 압력변화 값으로 정의되는 SEC값의 분모에 해당하는 recovery가 낮아 발생하게 되는 센서 노이즈와 같은 실험에서의 오류이다. 

 또한, permeate 농도를 음용수 기준인 500ppm 이하로 제한하였을 때, 각 원수 농도에 따른 실제 실험 값을 보았다. 모든 경우 recovery가 증가함에 따라 permeate 농도도 증가하는 경향을 보였다. 이는 recovery가 증가함에 따라 실험에 사용된 막의 slat rejection값이 감소하게 되어 발생한다.
Recovery에 따른 막의 salt rejection값을 반영하여 theoretical operating curve를 다시 계산하면, 실험값을 통한 예측 값과 거의 일치함을 알 수 있다. 

4.    Originality & Application
 본 연구는 측정, 데이터 수집, 최적값 도출, 제어라는 과정을 실시간으로 수행하여 에너지 소모를 최소화 하는 알고리즘을 개발하였다. 
 하지만, 알고리즘 보정을 위한 실험은 다소 낮은 농도의 feed를 사용하여 수행되었고, 막 salt rejection값이 불분명하여 실험값에 의존할 수 밖에 없었다.
 파일럿 시스템에 본 알고리즘을 도입한다면, 에너지 최소화 및 자동제어가 가능할 것으로 보인다. 

5.    Reviewer contact : 김영미 (youngmikim@gist.ac.kr)

첨부 (1)
110713_ymK_Minimizing energy consumption in RO membrane desalination using optimization-based control.pdf
214.3KB / Download 0