JP2015007416A - 揚水中継筐体と、これを用いる揚水システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ５０００〜６０００ｍの大水深からの揚水であっても大きな動力エネルギーやコストを払うことなく、海底資源を回収する揚水システムの構築である。具体的には、ライザー管内の液柱圧力を容易に下げ、更に管内流速調整も容易にできる技術を提供する。【解決手段】 海底から海上までの揚水システム中に、海上施設から水中に吊り下げられた揚水中継タンクであって、海底から該揚水中継タンクまでの揚水ステムと、該揚水中継タンクから海上までの揚水システムは其々異なる揚水システムにより構成され、海底から該揚水中継タンクまでの揚水システムは、ライザー管内の液柱圧力と該ライザー管外の圧力差を用いた揚水システムで、該揚水中継タンクと海上までの揚水システムは動力ポンプを用いる揚水システムであり、更には該揚水中継タンクに通気管を取り付け、該通気管は該揚水中継タンク内と海上の大気空間とに通気していることを特徴とする揚水中継タンクと、これを用いる揚水システムを提供する。【選択図】図４

Description

本発明は海底や湖底等の鉱物や泥等の水底資源を水上まで移送する揚水システムであって、更に詳しくは、水底から水上までの揚水ラインの途中で揚水を中継する揚水中継タンクと、その揚水中継タンクを用いる揚水システムに関する。

近年、マンガン団塊やレアアース泥等の海底資源が発見され、注目するようになった。しかし、これらの資源の多くは水深が約５０００ｍｍから６０００ｍにあり、大水深からの引き揚げ技術が求められている。現在、良く知られている技術にエアリフト方式が有る。

特許文献１が示すように、エアリフト方式とは海底から海上につながる管、つまりライザー管の下部に圧縮空気を注入し、該ライザー管内の比重、つまり水、空気、個体の混相流の総合的な比重を、管外の水の比重よりも小さくし、管外圧力よりも管内の液柱圧力を小さくし、ライザー管の下端部に周りの圧力の大きな水が押し入る様にしている。

しかし、例えば水深が５０００ｍでライザー管下部に注入された圧縮空気は、該ライザー管上端部では約５００倍の体積になる。つまりライザー管上端部では水、空気、個体の混相流に於いて、空気の体積比が約９０％以上になる場合もあり、エアリフト方式そのものが成り立たない場合もある。また、ライザー管上部では圧力が低下するため、下部から上昇する圧縮空気は急激に膨張し、高価なライザー管を損傷する。そこで特許文献１ではライザー管の上端部近くで脱気して空気の体積を小さくしたり、圧力を加えて空気膨張を抑えたりする技術を示している。

特開２０１３−３６４１９号広報

特許文献１のライザー管上部での脱気は空気流量を少なくするが、結果ライザー管内の比重を大きくし、液柱圧力を高めることになる。また途中で加圧し、空気の膨張を抑えても、これも管内圧力を高めることになり、ライザー管下端部での海水吸引力の低下になる。そもそも５０００ｍ程の深度の海中に圧縮空気を注入するエアリフト方式には５００気圧以上の圧力空気が必要と成り、大きな動力エネルギーとコストを支払う問題が有る。

拠って、本発明が解決しようとする課題は、５０００ｍから６０００ｍの大水深からの揚水であっても大きな動力エネルギーやコストを払うことなく、海底資源を回収する揚水システムの構築である。具体的には、ライザー管内の液柱圧力を容易に下げ、更に管内流速調整も容易にできる技術の提供である。

請求項１の発明は、ムーンプール４１付きの作業船４の、該ムーンプール４１の下部開口に開閉可能な蓋５を設置し、該開口を閉じ、船外と異なる水域を船内のムーンプール４１に設け、作業船４内外の二つの水域を連通管３で繋ぎ、該連通管３の上端部を該ムーンプール４１の水域に設け、諒連通管３の下端部を船外の水域の水底に設け、該作業船上の動力ポンプＰと該動力ポンプＰに接続された揚水管６を用い該ムーンプール４１内の水を汲み上げ、該ムーンプール４１内の自由水面ＦＳを船外の水面よりも下げ、該自由水面ＦＳが下がることにより、該連通管３を通し、水底から水と共に海底資源等を汲み上げる揚水システムを構築する。

請求項１の発明は、ムーンプール４１内に閉じた水域２１を設けているため、作業船４内外の二つの水域の落差は、動力ポンプＰを作動して、該閉じた水域２１の水を汲み上げても、該作業船４の喫水までである。つまり１０ｍ〜１５ｍ程の落差であるため、作り出される圧力差は１〜１．５気圧ほどである。そこで請求項２の発明は、作業船４から、連通管３を水底に向けて降ろし、次に概連通管３の上端部に該連通管３の外径よりも大きな内径を持つ延長管２２の下端部と接続し、該連通管３の外部と該延長管２２の内部との隙間に蓋を設けて塞ぎ、接合されて一体となった連通管３と延長管２２を任意の深さまで水中に降ろして作業船４より支持し、該延長管２２の上端部は大気に通じていて、次に該延長管２２の内径よりも小さな外径を持つ揚水管６を、該延長管２２内に挿入し、該連通管３の上端部近くまで降ろし、該延長管２２内部に固定し、該延長管２２と該揚水管６の間隙に環状空間を設け、該揚水管６の上部に動力ポンプＰを取付け、該動力ポンプＰを作動することにより、該環状空間内の自由水面ＦＳが下がり、該自由水面ＦＳが下がることにより、該連通管３を通し、水底から水と共に海底資源等を汲み上げる揚水システムを構築する。

請求項３及び４の発明は、海底から海上までの揚水システム中に、海上施設から水中に支持された連通管３と揚水管６と、この二つの管を接合する揚水中継筐体２３であって、該連通管３の下端部は海底水域に通じ、該連通管３の上端部は該揚水中継筐体２３に通じてあり、また該揚水管６の下端部は該揚水中継筐体２３に通じ、該揚水管６は海上施設から支持されてあり、該揚水中継筐体２３には通気管７を備え、該通気管７の一端は該揚水中継筐体２３に通じ、もう一端は大気に通じて、該通気管７または該揚水中継筐２３体内に自由水面を有することを特徴とする揚水中継筐体２３を提供し、該揚水中継筐体２３を用いたシステムを構築する。

更には、本発明で用いる動力ポンプは単数、又は複数の水上ポンプでも水中ポンプでも良い揚水システムを提供する。

尚、水底から該揚水中継筐体２３までの揚水ステムと、該揚水中継筐体２３から水上までの揚水システムに用いられる其々のライザー管は同じものでも良いが、本発明の明細書中では、液柱圧力差を利用する水底から揚水中継筐体２３までのライザー管を、連通管３と呼び、動力ポンプＰを利用する該揚水中継筐体２３から海上までのライザー管を、揚水管６と呼び、便宜上其々を区別する。

本発明の揚水システム１は二つの異なる機能のライザー管を有する。つまり揚水中継筐体２３から、例えば海水底までの連通管３と、該揚水中継筐体２３から海上までの揚水管６である。例えば水深が５０００ｍで、揚水中継筐体２３を水深２００ｍの位置に沈め、連通管３の下端部から揚水管６の上端部まで、海水が連通させている状態で、該連通管３下端部の吸水口を閉じて水底からの水の出入りを止め、該連通管３の上端部の排出口は、該揚水中継筐体２３内で開放しておく。

ここで、動力ポンプＰを作動すれば、該揚水中継筐体２３内部と海上の大気空間を通気している通気管７が設置されているため、該動力ポンプＰは該揚水中継筐体２３内の水を、揚水管６を通り汲み上げることが出来る。該通気管７内の自由水位ＦＳは、初めは海水面Ｗに位置しているが、下がり始め、やがて自由水位ＦＳは該揚水中継筐体２３内まで下がり、該揚水中継筐体２３内の圧力は水深２００ｍであっても大気圧に成る。尚、海水面も大気に開かれた自由水面であるが、本明細書内では閉じた水域と区別するため、海水面Ｗと閉じた水域の水面を自由水面ＦＳとし、区別する。

前記のような環境で、揚水中継筐体２３から海底までの連通管３内の圧力はどの深度に於いても、該連通管３外の圧力よりも２０気圧低い。よって該連通管３下端部の吸水口を開放すれば海底５０００ｍの５００気圧の水は４８０気圧の連通管３下端部に押し入り、該連通管３の上端部から該揚水中継筐体２３内へ揚水を排出する。勿論、本発明の実施の際は、連通管３下端部の吸水口を塞ぐ必要はない。更に申せば、海水面Ｗよりも低い水中の中に、異なる水域の自由水面ＦＳを持ち、これらの異なる二つの水域が連通管で繋がっていれば、該連通管の両端の高低に関係なく、必ず高い水面の水域から、低い水面の水域へと水は流れる。

もし仮に該揚水中継筐体２３に、一端が海上の大気に解放された通気管７が無ければ、該揚水中継筐体２３内は自由水面を持たない閉じた水域で、従来技術と同じ、海底３から海上の作業船２まで一つのライザー管システムであり、該動力ポンプＰの容量は、複数台の水中ポンプを用いても、５００気圧以上の揚水能力がないと、海底の水を汲み上げる事は出来ないし、ライザー管も高耐圧管でなければならなく、システム全体の費用が膨大になり、作動させるための消費エネルギーも当然、膨大なものに成る。

しかし、本発明の揚水システムに拠れば、二つの異なるライザー管システムが該揚水中継筐体２３で中継され、更に該揚水中継筐体２３は一端が海上の大気空間に解放されている通気管７を備えている。それ故、動力ポンプＰは浅い水深に位置する揚水中継筐体２３内の水、又は延長管２２と揚水管６との間隙の環状空間内の水を汲み上げるだけで独立しており、該揚水中継筐体２３よりも上部システムが作動すれば、該揚水中継筐体５よりも下部システムは自動的に作動する。消費エネルギーは少なく、管内の揚水速度の調整も、また動力機の維持管理も容易である。しかもシステム全体の費用も少なく済む。

本発明の原理を説明する、深層水採水メカニズムの概念図。 作業船内のムーンプールを用いた揚水システムの概念図。 ムーンプール内の揚水システムと、更に海底へ向けて延長した揚水システムの概念図。 本発明の揚水中継筐体の概念図。 揚水中継筐体を用いた揚水システムの概念図。

本発明の実施の形態を説明する前に、本発明が基づいているサイフォンの原理を説明する。サイフォンの原理は、連通管で繋がった二つの異なる水域が有り、この二つの水域の水面の高さが異なる場合、水面の高い水域から水面の低い水域へ、該連通管を通り水は流れる。尚、これら二つの水域は、大気に通じる自由水面を持たなければならない。

図１は海１から深層水を汲み取る仕組みを説明している。図１ａは海１と陸上の貯水槽２の二つの異なる水域が有り、この二つの水域は一本の連通管３で繋がっている事を示してある。これら二つの水域の水面（Ｗ、ＦＳ）は同じ高さである。この場合、この二つの水域の水の流通はない。図１ｂは陸上の貯水槽２内の水を動力ポンプＰで汲み出し、貯水槽２の水面ＦＳが、海の水面Ｗよりも低くなったことを示している。この時、水面の高い海１から、水面の低い陸上の貯水槽２へ、連通管３を通し、水は流れる。該連通管３の両端口の高低差に関係なく、該動力ポンプＰが貯水槽２の水を汲み出すだけで、海の水深の深い領域の水を汲み出すことが出来ている。つまり、該動力ポンプＰのエネルギーは陸上の貯水槽２内の閉じた水域の水を汲み取るだけで、海１の深い水域の水を、連通管を通じ、貯水槽２へ押し上げるのはサイフォンの原理である。本発明はこの異なる二つの揚水システムを利用するものである。

図２を使い説明する。作業船４のムーンプール４１を通し、連通管３を連結しながら予定する海底へ引き下ろし、該連通管３の下端部が目的水域に到達すると、該作業船４のムーンプール４１の下部開放口に蓋５を設け該ムーンプール４１の解放口を閉じ、該連通管３の上端部を該蓋５に固定する。該作業船４のムーンプール４１の下部開放口を蓋５で塞いだため、船外の水域から切り離された水域２１が作業船４内に出来る。該閉じた水域２１と海底の水域は連通管３で連通されている。船上の動力ポンプＰと連結された揚水管６の下端部を該閉じた水域２１の下部に取り付ける。動力ポンプＰを作動させていない状態では、作業船４内外の両水域の水面Ｗ、ＦＳは同じ位置にあり、図１ａと同じ状況下で、両水域間の水の流通はない。

しかし、図３ａで示すように、作動ポンプＰを作動させ、揚水管６から水が汲み出されると、閉じた水域２１内の水面ＦＳは低下し、海水面Ｗと位置の落差が生じ、この落差分だけ、海底域から連通管３を通り、該閉じた水域２１内に水は送られ、揚水管６を通り船上へと移送される。この状況は図１ｂと同じである。

図３は作業船４内の閉じた水域２１内の自由水位ＦＳと、海１の水位Ｗとの差を示している。図３ａの作業船４内の閉じた水域２１の動力ポンプＰを作動させ、該閉じた水域２１内の水を汲み上げ、該閉じた水域２１内の水位ＦＳを、海面Ｗよりも下げることにより、該連通管３内の液柱圧力を下げ、どの深度においてでも該連通管３の内外の圧力差は、海面Ｗと閉じた水域２１内の自由水位ＦＳとの差だけ、連通管３の内部圧力が低くなり、該連通管３の下端部開口から水を吸引し、該連通管の上端部開口から噴き出す。この二つの水位Ｗ、ＦＳの差が、例えば１０ｍであれば約１気圧の差が生じる。

大水深の海底からスラリー等を吸い上げる場合、水深と、スラリーの比重などに拠るが、例えば連通管３内外の圧力差が５気圧必要な場合、海水面Ｗと作業船４の閉じた水域２１の自由水位ＦＳとの差を５０ｍにしなければ成らない。図３ｂは、請求項２の発明で、連通管３内外の圧力差を大きく実施するため、作業船４の船底に延長管２２を更に設け、二つの水位Ｗ、ＦＳの差を大きく設けた。尚、図３ｂの延長管２２は便宜上、大きく示されているが出来るだけ直径が小さい方が良い。例えば揚水管６の外径が３００ｍｍであれば、延長管２２の内径は３５０ｍｍでも良く、重要な点は、該延長管２２と該揚水管６との間隙の環状空間内の水域が大気に通じる自由水面ＦＳを維持している事である。

エアーリフト方式による揚水の仕組みは、ライザー管下部に圧縮空気を注入し、ライザー管内での空気体積を増やす事で液柱圧力を下げ、ライザー管内外に圧力差を設けることでライザー管下端部開口から水を吸引するのである。本発明の仕組みは図３ｂの点線円内で示すが、自由水面ＦＳを延長管２２内の下部で維持しているため、連通管３内の液柱圧力を下げている。つまり、延長管２２内の水面は自由水面ＦＳであり、その自由水面ＦＳの位置が常に大気圧である。拠って連通管３上端部近くに自由水面ＦＳを設けることで、該連通管３内の液柱圧力を下げているのである。拠って延長管２２の内径は、揚水管６の外径より少しだけ広く、自由水面ＦＳが出来る隙間が有ればよい。

揚水による、揚鉱や、揚泥は水と個体との二相流、又はスラリーで、目的物を海上に移送する場合、水だけの揚水よりも比重が大きくなり、それに見合った揚水エネルギーを要し、更なるライザー管内外の圧力差が必要になる。例えばマンガン団塊やレアアース泥等を採鉱するには、約５０００ｍから６０００ｍの大水深から採鉱しなければ成らず、約数気圧から数十気圧の落差を必要とする。つまり揚鉱・揚泥条件により、自由水面を水面下約数百ｍの深さまで下げなければならない。これに答える技術として、図３ｂ、図４を使い説明する。図３ｂの延長管２２をそのまま海底へ向けて延長し、該延長管２２内に揚水管６を入れた二重管とし、更に深く自由水面ＦＳを下げても良い。

該二重管を更に海底へ向けて延長する場合、設備に掛かるコストが増すことが考えられる。そこで図４の如く、水中に連通管３と揚水管６とを中継する筐体を設け、該揚水中継筐体２３に通気管７を取り付け、該通気管７の一端は該中継筐体２３内に通じ、もう一方の一端は大気に通じ、開放する。又該中継筐体２３の中の連通管３上端開口と揚水管６下端開口との間には隙間を設ける。以上の様にすることで、自由水面ＦＳを、揚水管６の下端開口より上位の任意の水位に設定することは容易になり、又コストも安くなる。図４の動力ポンプを作動することにより、自由水面ＦＳを下げることが出来、自由水面ＦＳが下がることで、海底からのスラリーを吸い上げることが出来る。（図５）

尚、図２から図５で図示されている動力ポンプは水上ポンプを示しているが、図示していない水中ポンプでも良く、併用しても良い。又通気管７に図示していない圧力センサーを取り付け、自由水面ＦＳの位置を検出し、自由水面ＦＳの位置や揚水速度を調整することも出来る。

本発明の揚水システムを使えば、例えば、揚水中継筐体２３を水深約２００ｍに沈めて、該揚水中継筐体２３内に自由水位ＦＳを定めれば、連通管３の内部の圧力は、どの深度でも、２０気圧、該連通管３外部よりも低い。拠って、連通管３と揚水管６は高耐圧のライザー管の必要が無く、軽量でフレッキシブル・パイプでも良い。

本発明の揚水中継タンクと、これを用いた揚水システムは海底よりの揚水システムで説明してあるが、淡水湖等の湖底よりの揚水も可能である。

記号の説明

１ 海
２ 貯水槽
２１ 閉じた水域（ムーンプール内）
２２ 延長管
２３ 揚水中継筐体
３ 連通管
４ 作業船
４１ ムーンプール
５ 蓋（ムーンプル下部開口）
６ 揚水管
７ 通気管
Ｐ 動力ポンプ
Ｗ 海水面
ＦＳ 自由水位

Claims (5)

1. 水底の鉱物や泥等の水底資源を水上まで移送する揚水システムに於いて、ムーンプール付きの作業船の、該ムーンプールの下部開口に開閉可能な蓋を設置し、該開口を閉じ、船外と異なる水域を船内のムーンプールに設け、作業船内外の二つの水域を連通管で繋ぎ、該連通管の上端部を該ムーンプール内の水域に設け、該連通管の下端部を船外の水域の水底に設け、該作業船上の動力ポンプと該動力ポンプに接続された揚水管を用い該ムーンプール内の水を汲み上げ、該ムーンプール内の自由水面を下げ、該自由水面が船外の水面より下がることにより、該連通管を通し、水底から水と共に水底資源等を汲み上げる揚水システム。
2. 水底の鉱物や泥等の水底資源を水上まで移送する揚水システムに於いて、作業船から、連通管を水底に向けて降ろし、次に概連通管の上端部に該連通管の外径よりも大きな内径を持つ延長管の下端部と接続し、該連通管の外部と該延長管の内部との隙間に蓋を設けて塞ぎ、接合されて一体となった連通管と延長管を任意の深さまで水中に降ろして作業船より支持し、該延長管の上端部は大気に通じていて、
   次に該延長管の内径よりも小さな外径を持つ揚水管を、該延長管内に挿入し、該連通管の上端部近くまで降ろし、該延長管内部に固定し、該延長管と該揚水管の間隙に環状空間を設け、該揚水管の上部に動力ポンプを取付け、該動力ポンプを作動することにより、該環状空間内の自由水面が下がり、該自由水面が下がることにより、該連通管を通し、水底から水と共に水底資源等を汲み上げる揚水システム。
3. 水底の鉱物や泥等の水底資源を上まで移送する揚水システムに於いて、水底から水上までの揚水システム中に、水上施設から水中に支持された連通管と揚水管とを接合する揚水中継筐体であって、該連通管の下端部は水底水域に通じ、該連通管の上端部は該揚水中継筐体に通じてあり、また該揚水管の下端部は該揚水中継筐体に通じ、該揚水管は水上施設から支持されてあり、該揚水中継筐体には通気管を備え、該通気管の一端は該揚水中継筐体に通じ、もう一端は大気に通じて、該通気管または該揚水中継筐体内に自由水面を有することを特徴とする揚水中継筐体。
4. 請求項３の揚水中継筐体を用いる揚水システム。
5. 請求項１至４の揚水システムであって、動力ポンプは単数、又は複数の水上ポンプでも水中ポンプでも良い揚水システム。

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