JP2016068009A - 海水淡水化プラント及び海水淡水化プラントの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
余剰の逆浸透膜モジュールを用いて、需要変動あるいは動力変動に追従し、動力費用を低減させる海水淡水化プラントを提供することを課題とする。
【解決手段】
並列に接続される複数のポンプ７と、並列に接続される複数の逆浸透膜モジュール１と、複数のポンプ７から吐出される海水を合流させて逆浸透膜モジュール１の各々に送る送水管２０１と、逆浸透膜モジュール１で処理されて吐出された濃縮水からの圧力を回収する複数の圧力回収部３を備え、圧力回収部３は、ポンプ７の各々に割り当てられ、個別のポンプ７の稼働に追従して圧力回収することによって、上記課題を解決する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、海水淡水化プラントに関する。

本技術分野の背景技術として、特開２０００−１０７７５７（特許文献１）がある。この公報には、「複数のポンプと逆浸透膜モジュールをそれぞれ並列に配置し、水需要の少ない時にも全ての逆浸透膜モジュールを使うがポンプの駆動台数を減らし動力を低減する海水淡水化プラント」が記載されている。

海水淡水化プラントは最大需要を見込んで、逆浸透膜モジュールの膜面積と高圧ポンプの台数と容量が決められる。通常のプラントは一対の高圧ポンプと逆浸透膜モジュールを複数設け、最大需要時に全ての対を稼働し、需要減少時には一部の対のみを稼働する。このため、逆浸透膜モジュールこれを低負荷運転時、高圧ポンプの流量を減少し消費動力を低減するが、需要減少時に稼働しない逆浸透膜モジュールが生じる。逆浸透膜モジュールを全て稼働させれば、膜面積を大きくとれ、動力がさらに低減される。特許文献１は高圧ポンプと逆浸透膜モジュールそれぞれを並列配置し、需要減少時に全ての逆浸透膜モジュールを使うがポンプの駆動台数を減らし動力を低減する。

特開２０００−１０７７５７号公報

特許文献１では、短時間の需要変動への追従に必ずしも配慮されていない。さらに、動力費用の低減の観点からは再生可能エネルギーを動力とすることも選択肢の一つである。再生可能エネルギー源による発電は変動が大きく余剰電力は安価である。余剰電力を使うためには、高い追従性が求められる。

本発明は、需要変動あるいは動力変動に追従（以下、負荷追従）可能な海水淡水化プラントに関する。すなわち、需要が少ない時には余剰の逆浸透膜モジュールを使い、圧力を低下させ需要に見合った量を増水する。これにより、ポンプ動力が低減される。あるいは動力が余剰にあるとき、圧力を上昇させ造水量を増やす。

ポンプの圧力と流量を制御することになるが、海水淡水化プラントでは常圧の海水を数十気圧に加圧する。本発明の課題は、このような高圧に加圧する海水淡水化プラントで余剰の逆浸透膜モジュールを用い、かつ、負荷追従性を高めた海水淡水化プラントを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の海水淡水化プラントは、並列に接続される複数のポンプと、並列に接続される複数の逆浸透膜モジュールと、複数のポンプから吐出される海水を合流させて逆浸透膜モジュールの各々に送る送水管と、逆浸透膜モジュールで処理されて吐出された濃縮水からの圧力を回収する複数の圧力回収部を備え、圧力回収部は、ポンプの各々に割り当てられ、個別のポンプの稼働に追従して圧力回収する構成を備える。

本発明によれば、動力ユニットの稼働台数の増減時に発生する圧力擾乱が抑制され、負荷変動に追従した運転ができ、全ての逆浸透膜モジュールが稼働した状態で圧力と流量を制御することが可能となり、動力費用を低減することができる。

本発明の好適な実施例（実施例１）である海水淡水化プラントの構成図を示し、圧力回収に水車を用いた例である。 実施例１の海水淡水化プラントに備えられる圧力回収装置の構成図である。 本発明の他の実施例（実施例２）である海水淡水化プラントに備えられる圧力回収装置の構成図を示し、圧力回収に圧力交換機構を用いた例である。 本発明の他の実施例（実施例３）である海水淡水化プラントのに備えられる圧力回収装置の構成図を示し、圧力回収にぺルトン水車を用いた例である。 本発明の他の実施例（実施例４）である海水淡水化プラントの構成図を示し、逆浸透膜モジュールをメンテナンス後、接続する例である。 本発明の他の実施例（実施例５）である海水淡水化プラントの構成図を示し、濃縮水を循環させる例である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

本発明の好適な一実施例である海水淡水化プラントを、図１を用いて説明する。本実施例では、圧力回収部として水車を用いた海水淡水化プラントを例に説明する。

本実施例の海水淡水化プラント１０は、複数の逆浸透膜モジュール１、圧力回収装置２、淡水母管１００、濃縮水送水母管１０３、海水送水母管２００、高圧海水送水母管２０１、及び濃縮水排水母管３００を備える。複数の逆浸透膜モジュール１が並列に接続される。

図２に示すように、圧力回収装置２は、複数の水車（圧力回収部）３、複数の高圧ポンプ７、水車３からの動力を高圧ポンプ７に伝える複数の動力伝達装置４、複数の海水送水弁２１、複数の海水バイパス弁２２、複数の濃縮水送水弁３１、複数の海水バイパス弁３２、複数のバイパス管２０３を備える。水車３の入り口側を水車入口３０と示す。複数の高圧ポンプ１が並列に接続される。高圧海水送水母管（送水管）２０１が複数の高圧ポンプ７から吐出される海水を合流させて逆浸透膜モジュール１の各々に送る機能を有する。本実施例の圧力回収装置２は、水車３が高圧ポンプ７の各々に割り当てられ、個別の高圧ポンプ７の稼働に追従して圧力回収する構成である。

複数台の高圧ポンプ７と逆浸透膜モジュール１が、それぞれ並列に接続される。すなわち、複数の高圧ポンプ７からの吐出される海水を高圧海水送水母管２０１に合流させ、高圧海水送水母管２０１から複数の逆浸透膜モジュール１に海水を送る。水車３は高圧ポンプ７と対に設けられる。水車３は動力伝達部４を介し高圧ポンプ７に動力を伝える。動力伝達部４は、一軸の回転軸あるいはギアを介しても良い。さらに、一対の高圧ポンプ７と水車３は海水バイパス弁２２、３２およびバイパス管２０３を介して接続され、また母管との間に海水送水弁２１および濃縮水送水弁３１が設けられる。

システムの運転時、高圧ポンプ７から吐出される海水は高圧海水送水母管２０１から送られるため、全ての逆浸透膜モジュール１が稼働する。また、稼働する高圧ポンプ７および水車３は海水バイパス弁２２、２３が閉じられ、海水送水弁２１と濃縮水送水弁３１が開かれる。高圧ポンプ７および水車３が停止する場合、海水送水弁２１と濃縮水送水弁３１が閉じられ、停止した高圧ポンプ７と水車３は高圧から隔離される。

システムの運転時、動力ユニット（高圧ポンプ７と水車３の対）は、まず、海水送水弁２１と濃縮水送水弁３１が閉じられ、海水バイパス弁２２、２３が開かれた状態で連結されたモータ（図示せず）で高圧ポンプ７と水車３を駆動し回転を開始する。高圧ポンプ７が所定の圧力と吐出流量が得られた後、海水送水弁２１と濃縮水送水弁３１を開き、海水バイパス弁２２、２３を閉じる。これは、海水淡水化において逆浸透膜モジュール１にかかる高圧は50気圧であり、所定の圧力と流量に達しなければ逆流や水撃が発生するためである。また、高圧ポンプ７と水車３を対にしたことで、起動時の高圧ポンプ７の動力の多くは水車３で回収される。動力ユニットの停止時は、逆の操作となる。

システムの停止時からの稼働は、次のようになる。動力ユニットは１台ずつ起動するが、最初の１台の起動前、システムおよび動力ユニットの圧力は常圧になると想定される。稼働する動力ユニットで、まず、海水送水弁２１と濃縮水送水弁３１を開き、海水バイパス弁２２、２３を閉じる。次に動力ユニットを駆動し、回転数を上昇させながらシステムの圧力および流量を増加する。

本実施例では、複数台の高圧ポンプと逆浸透膜モジュールを並列に複数の配置し濃縮水からの圧力回収を個別の高圧ポンプに対に割り当てる。稼働する高圧ポンプを増やすとき、停止中の高圧ポンプおよび圧力回収をシステムから隔離した状態で起動し、所定の圧力に達した後、システムに接続することによって、動力ユニットの稼働台数の増減時に発生する圧力擾乱が抑制され、負荷変動に追従した運転ができ、全ての逆浸透膜モジュールが稼働した状態で圧力と流量を制御することが可能となり、動力費用を低減することができる。

本発明の他の実施例である海水淡水化プラントについて、図３を用いて説明する。本実施例の海水淡水化プラントは、実施例１の海水淡水化プラントに備えられる圧力回収装置２を、圧力回収装置２Ａに換えた構成を有する。以下、本実施例の圧力回収装置２Ａについて、実施例１の圧力回収装置２と異なる構成を中心に説明する。

図３に示すように、本実施例の圧力回収装置２Ａは、実施例１の圧力回収装置２に、複数の圧力交換装置５、複数のブースターポンプ６、及び複数の減圧弁５１を加えた構成を有する。圧力交換装置５は、高圧の濃縮水の圧力を回収し、低圧の海水の圧力を上昇させる。圧力交換装置５には特殊なピストンが用いられ、濃縮水の体積流量と同等の高圧水が得られる構成を有する。ただし、圧力は高圧ポンプ７の吐出圧力に満たないため、ブースターポンプ６により昇圧され、高圧ポンプ７の吐出海水に合流する。

本実施例における起動停止時のシステムへの接続および隔離は、実施例１と同様である。ただし隔離された状態では、高圧ポンプ７の吐出流量分、圧力交換機構５では飲み込めず、減圧弁５１を通して減圧される。

本実施例では、複数台の高圧ポンプと逆浸透膜モジュールを並列に複数の配置し濃縮水からの圧力回収を個別の高圧ポンプに対に割り当てる。稼働する高圧ポンプを増やすとき、停止中の高圧ポンプおよび圧力回収をシステムから隔離した状態で起動し、所定の圧力に達した後、システムに接続することによって、動力ユニットの稼働台数の増減時に発生する圧力擾乱が抑制され、負荷変動に追従した運転ができ、全ての逆浸透膜モジュールが稼働した状態で圧力と流量を制御することが可能となり、動力費用を低減することができる。

本実施例の海水淡水化プラントは、圧力交換装置を備えるため濃縮水の高圧圧力を低圧海水の上昇圧力に効率良く変換できる効果がある。

本発明の他の実施例である海水淡水化プラントについて説明する。本実施例の海水淡水化プラントは、実施例１の海水淡水化プラントに備えられる圧力回収装置２を、圧力回収装置２Ｂに換えた構成を有する。以下、本実施例の圧力回収装置２Ｂについて、実施例１の圧力回収装置２と異なる構成を中心に説明する。

図４に示すように、本実施例の圧力回収装置２Ｂは、実施例１の圧力回収装置２に、複数のぺルトン水車を用いた例である。ぺルトン水車７０は、水受け７１、回転軸７２、ノズル７３、ニードル弁７４、ニードル弁駆動機構７５を備え、回転軸７２は圧力伝達４に接合される。

水車入口３０から流入する高圧の濃縮水は、ニードル弁７４とノズル７３の間隙から大気中に噴出し、水受け７１に衝突し、回転方向の力を得る。ここで、噴流の速度は濃縮水と大気の圧力差の1/2乗に比例する。動力回収を最大化する水車の回転速度は噴流速度に比例する。一方、濃縮水の圧力は高圧ポンプ７の吐出圧にほぼ等しいため、回転数が変動しても、最大の動力回収がなされる。このため高圧ポンプ７を可変速運転しても、動力回収は最大が保たれ、造水動力が低減される。さらに、ぺルトン水車では流量がニードル弁７４とノズル７３の間隙の投影面積に比例するため、ニードル弁駆動機構７５で流量を調整できる。起動時、バイパス運転から通常運転へ切り替わる時、淡水が造られる分、水車への流量が減るが、このような場合もニードル弁駆動機構７５で容易に調整できる。圧力回収にぺルトン水車７０を用いることで、構造および制御方法が容易となるメリットがある。

本実施例では、複数台の高圧ポンプと逆浸透膜モジュールを並列に複数の配置し濃縮水からの圧力回収を個別の高圧ポンプに対に割り当てる。稼働する高圧ポンプを増やすとき、停止中の高圧ポンプおよび圧力回収をシステムから隔離した状態で起動し、所定の圧力に達した後、システムに接続することによって、動力ユニットの稼働台数の増減時に発生する圧力擾乱が抑制され、負荷変動に追従した運転ができ、全ての逆浸透膜モジュールが稼働した状態で圧力と流量を制御することが可能となり、動力費用を低減することができる。

本実施例の海水淡水化プラントは、圧力回収装置として流量調整機構を有するぺルトン水車を備えるため可変速運転により負荷追従性を向上することができる。

本発明の他の実施例である海水淡水化プラントについて、図５を用いて説明する。本実施例の海水淡水化プラントは、逆浸透膜モジュールをメンテナンス後、接続する例である。

図５に示すように、本実施例の海水淡水化プラントは、実施例１の海水淡水化プラントに、淡水隔離弁９０、メンテナンスポンプ９１、高圧海水隔離弁９２、メンテナンス弁９３、９４、９５、濃縮水隔離弁９６を加えた構成を有する。以下、本実施例の海水淡水化プラントについて、実施例１の海水淡水化プラントと異なる構成を中心に説明する。

逆浸透膜モジュール１は膜の経年劣化などにより、膜交換など、随時、メンテナンスが必要である。本実施例の海水淡水化プラントによれば、特定の逆浸透膜モジュール１を高圧のシステムから隔離し、常圧に戻し膜を交換することができる。この時、空気が逆浸透膜モジュール１に残り、残留空気があるまま高圧のシステムに接続すると水撃が発生する可能性がある。本実施例ではメンテナンス終了後、高圧のシステムから隔離した状態で、メンテナンスポンプ９１を接続し通水する。所定の時間、通水し、残留空気が無くなった時点で、高圧のシステムに接続する。

本実施例では、複数台の高圧ポンプと逆浸透膜モジュールを並列に複数の配置し濃縮水からの圧力回収を個別の高圧ポンプに対に割り当てる。稼働する高圧ポンプを増やすとき、停止中の高圧ポンプおよび圧力回収をシステムから隔離した状態で起動し、所定の圧力に達した後、システムに接続する。これによって、逆浸透膜モジュールの稼働台数の増減時に発生する圧力擾乱が抑制される。

本実施例の海水淡水化プラントは、逆浸透膜モジュールを切り離し単独でメンテナンスする構成を備えるため逆浸透膜モジュールの稼働台数を向上する効果がある。

本発明の他の実施例である海水淡水化プラントについて、図６を用いて説明する。本実施例の海水淡水化プラントは、濃縮水を循環させる例である。以下、本実施例の海水淡水化プラントについて、実施例１の海水淡水化プラントと異なる構成を中心に説明する。

図６に示すように、本実施例の海水淡水化プラントは、実施例１の海水淡水化プラントに、循環水ポンプ８、循環母管１０１を加えた構成である。高圧ポンプ７の稼働台数を少なくすると、逆浸透膜モジュール１の膜面流速が低下する。膜面流速の低下は濃度分極を生じ、膜性能を低下させる。濃度分極を避け、膜性能を保つために循環水ポンプ８により、逆浸透膜モジュール１からの濃縮水を高圧ポンプ７の吐出海水に混合させ、膜面流速を保つことができる。

本実施例の海水淡水化プラントは、濃縮水を循環し逆浸透膜モジュールの膜面流速を保つ機能を備えるため、高圧ポンプの稼働台数を減らした低負荷運転で逆浸透膜モジュールの稼働台数を大きく保ち、造水動力を低減できる効果がある。

１ 逆浸透膜モジュール
２ 圧力回収装置
３ 水車
４ 動力伝達部
５ 圧力交換機構
６ ブースターポンプ
７ 高圧ポンプ
８ 循環水ポンプ
２１ 海水送水弁
２２ 海水バイパス弁
３０ 水車入口
３１ 濃縮水送水弁
３２ 海水バイパス弁
５１ 減圧弁
７０ ぺルトン水車
７１ 水受け
７２ 回転軸
７３ ノズル
７４ ニードル弁
７５ ニードル弁駆動機構
９０ 淡水隔離弁
９１ メンテナンスポンプ
９２ 高圧海水隔離弁
９３ メンテナンス弁
９４ メンテナンス弁
９５ メンテナンス弁
９６ 濃縮水隔離弁
１０１ 循環母管
１０３ 濃縮水送水母管
２００ 海水送水母管
２０１ 高圧海水送水母管
２０３ バイパス管
３００ 濃縮水排水母管

Claims (10)

1. 並列に接続される複数のポンプと、
   並列に接続される複数の逆浸透膜モジュールと、
   複数の前記ポンプから吐出される海水を合流させて前記逆浸透膜モジュールの各々に送る送水管と、
   前記逆浸透膜モジュールで処理されて吐出された濃縮水からの圧力を回収する複数の圧力回収部を備え、
   前記圧力回収部は、前記ポンプの各々に割り当てられ、個別の前記ポンプの稼働に追従して圧力回収することを特徴とする海水淡水化プラント。
2. 請求項１に記載の海水淡水化プラントにおいて、
   一対の前記ポンプ及び前記圧力回収部を前記送水管から隔離し、隔離した状態で前記ポンプから前記圧力回収部へのバイパス管を有し、
   負荷上昇させる時、隔離した一対の前記ポンプと前記圧力回収部を起動して所定の圧力まで昇圧した後、当該一対のポンプ及び圧力回収部の接続を前記バイパス管から前記送水管に切り替えることを特徴とする海水淡水化プラント。
3. 請求項１又は２に記載の海水淡水化プラントにおいて、
   前記圧力回収部が、ぺルトン水車であり、
   前記ぺルトン水車と前記ポンプを一軸の回転軸とすることで動力伝達することを特徴とする海水淡水化プラント。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の海水淡水化プラントにおいて、
   前記逆浸透膜モジュールを前記送水管から隔離する構成であることを特徴とする海水淡水化プラント。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の海水淡水化プラントにおいて、
   前記逆浸透膜モジュールから吐出される濃縮水の一部を、前記送水管における前記逆浸透膜モジュールの入口側に循環させる循環管を備えることを特徴とする海水淡水化プラント。
6. 並列に接続される複数のポンプと、
   並列に接続される複数の逆浸透膜モジュールと、
   複数の前記ポンプから吐出される海水を合流させて前記逆浸透膜モジュールの各々に送る送水管と、
   前記逆浸透膜モジュールで処理されて吐出された濃縮水からの圧力を回収する複数の圧力回収部を備える海水淡水化プラントの制御方法であって、
   前記圧力回収部は、前記ポンプの各々に割り当てられ、個別の前記ポンプの稼働に追従して圧力回収することを特徴とする海水淡水化プラントの制御方法。
7. 請求項６に記載の海水淡水化プラントの制御方法であって、
   一対の前記ポンプ及び前記圧力回収部を前記送水管から隔離し、隔離した状態で前記ポンプから前記圧力回収部へのバイパス管を有し、
   負荷上昇させる時、隔離した一対の前記ポンプと前記圧力回収部を起動して昇圧した後、当該一対のポンプ及び圧力回収部の接続を前記バイパス管から前記送水管に切り替えることを特徴とする海水淡水化プラントの制御方法。
8. 請求項６又は７に記載の海水淡水化プラントの制御方法であって、
   前記圧力回収部がぺルトン水車であり、
   前記ぺルトン水車と前記ポンプを一軸の回転軸とすることで動力伝達することを特徴とする海水淡水化プラントの制御方法。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の海水淡水化プラントの制御方法であって、
   前記逆浸透膜モジュールを前記送水管から隔離することを特徴とする海水淡水化プラントの制御方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか１項に記載の海水淡水化プラントの制御方法であって、
    前記逆浸透膜モジュールの入口側の前記送水管と前記逆浸透膜モジュールを接続する循環管を通して、前記逆浸透膜モジュールから吐出される濃縮水の一部を、前記送水管における前記逆浸透膜モジュールの入口側に循環させることを特徴とする海水淡水化プラントの制御方法。