JP4299018B2

JP4299018B2 - 深層水の二重取水管とその敷設方法

Info

Publication number: JP4299018B2
Application number: JP2003034061A
Authority: JP
Inventors: 真美神崎; 一夫吾郷; 盛郡司; 裕章羽上田; 悦四郎磯部; 晋西村
Original assignee: Honma Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Honma Corp; Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004245284A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海洋深層水（以下、深層水ともいう）を、利用目的に適合した高温深層水と低温深層水を同時に得ることを可能とする深層水の二重取水管及び深層水の二重取水管敷設方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海洋深層水はミネラルやその他の栄養分を豊富に含有し、かつ清浄である特徴を有するため、飲用水や加工食品、化粧品等の多種の用途に使用されている。また海洋深層水はプランクトンを多く含むため、汲み上げた深層水中にて魚介類を飼育・養殖する栽培漁業に利用されている。
【０００３】
特に深層水を栽培漁業に利用する場合には、飼育・養殖水槽に大量の深層水を汲み上げるための取水手段が必要となる。従来の深層水取水手段は、取水管を数百メートルの深層水深さまで海底面に沿って敷設したり、または海面に浮上する浮体から垂下し、揚水ポンプで汲み上げるという方法が採用されていた。これらの従来技術で用いられる取水管は、例えば特開２０００−３０３５１１（特許文献１）に開示されているような厚肉の硬質ポリエチレン管（管径３００ｍｍ、肉厚２２．４ｍｍ）を使用したものが多い。
【０００４】
この従来技術で用いられる取水管では、管材として使用している硬質ポリエチレンの熱伝導率が悪いため、取水口から取り込んだ低温の深層水（日本海側では約１℃）があまり温度上昇することなく低温のままで吐出口まで送られる。
低水温域で生息する魚介類の養殖や、製氷に用いられる深層水は低温状態で取水したままでもよいが、表層海域に生育している比較的高温で飼育・養殖される魚介類に対しては、生育条件が合わないため低温で取水された深層水を昇温して利用する必要があった。また、深層水を飲用水に利用する場合には淡水化装置によって脱塩する必要が生じるが、逆浸透膜を使用した脱塩装置では膜透過能力が原水の温度に依存するため、水温を上げて処理した方が効率がよい。
【０００５】
取水した深層水を昇温するには従来、▲１▼ボイラー等で加熱したり、▲２▼一旦昇温用の水槽に貯めて昇温したり、▲３▼温度の高い表層水に混合する手段が用いられていた。
【０００６】
しかし、前記▲１▼のボイラー等の加熱機を用いて昇温する場合は加熱に多大なエネルギーコストを要する。一方、前記▲２▼の昇温用の水槽に貯めて昇温する場合は、昇温用に水槽が必要となると共に水温上昇に時間を要する。また、前記▲３▼の表層水に混合して昇温する場合は深層水の清浄性が損なわれる上、栄養分も希釈されるので好ましくない等の課題があった。
【０００７】
出願人は特願２００２−１９３１９７号にて上記課題を解決し、低温の深層水を取水管を通して取水する際に、必要とされる吐出口の水温まで昇温調節を可能とした深層水の取水方法を提供している。
【０００８】
この深層水の取水方法は、取水管の材料として従来の硬質ポリエチレン管より著しく熱伝導率の高い金属管または防食被覆した金属管を使用することで、管外の比較的高温の海水からの熱伝達によって取水口から取り入れた低温深層水を管内移動中に昇温させるものである。そして、深層水の昇温の程度は管内流速に依存するため、高い温度の深層水を得ようとする場合は管内流速を低くし、比較的低い吐出口温度でよい場合は管内流速を早くして水温調節をすることとした。さらに前記管内流速を、取水口の水温、取水管の熱伝導特性、管径、延長距離および海水温度に関係付けられる熱伝導算定式から求めて所要の水温の吐出口温度を得ることとしたものである。
【０００９】
また、深層水の取水管を敷設する方法においては、先端の取水口を蓋で封止して管内をドライ状態にして浮力を利用することによって水中重量を軽減して敷設するのが望ましい。
【００１０】
しかし、取水管の敷設を完了した後、先端の蓋を取り外すには深層水の取水深度が２００ｍ以上になるため通常のダイバー作業ができない課題があった。
出願人は特願２００１−３９１０６５号にて、遠隔操作によって深層水取水管の先端取水口の蓋を取り外す方法を出願している。この方法は、深層水取水管の先端の取水口に浅水域で脱落しないような低強度接着剤等を用いた止着手段により止水蓋を装着し、この状態で取水管内をドライ状態で敷設し深層水取水深度に達した後、取水管内に注水して管内圧力を止水蓋が受けている外水圧より高くして止水蓋を取水口から離脱させて取り外すものである。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−３０３５１１号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
深層水は表層水域に生育する魚介類の養殖用や深海域に生育する魚介類の養殖用、飲用水に利用するための淡水化用等、複数の用途に利用される場合がある。このような複数利用形態ではそれぞれの利用形態において適した水温が異なり、一般的には表層水域に生息する魚介類の養殖には高水温、深海魚介類の養殖には低水温、中層域に生息する魚介類の養殖には中水温が適している。
【００１３】
例えば、（社）日本水産資源保護協会から発行されている「水産生物適水温図」によると、魚介種別の飼育水温はマダイ、ウナギ、トラフグ等は１０〜３２℃（平均２１〜２２℃）、アワビ、ヒラメ等は１０〜２５℃（平均１７℃）、アカエビ、ケガニ等は５〜１０℃（平均７℃）となっている。
【００１４】
また、深層水を飲用水にするため逆浸透膜を使用して淡水化する場合は高水温の方が、効率がよく、深層水の製氷を行なう場合は低水温の方がよい。
【００１５】
しかし、前記従来技術の硬質ポリエチレン管を使用したものは、低水温の深層水しか得られないため、高水温または中水温の深層水にするには、低温取水した深層水の一部を昇温しなければならなかった。また、特願２００２−１９３１９７号では、所定の水温に昇温した深層水しか得られないため、高温水と低温水の深層水を同時に利用する場合は高温取水した深層水の一部を低温に冷却する必要が生じてしまう課題があった。
【００１６】
ここで、高水温とは、外管内を通水中に周りの海水で昇温して得られる表層水温以下の比較的高い温度をいう。また、低水温とは、内管を通してできるだけ昇温しないようにして得られるもので、深層水の取水口温度以上の比較的低い温度をいう。
【００１７】
中水温とは、可変容量ポンプによって取水管内の流速を調整したり、外管と内管で取水した深層水を混合して得られる高水温と低水温の中間水温をいう。
【００１８】
本発明は、栄養分を豊富に含有し、かつ清浄である特徴を有する深層水を複数用途に供するため、低水温の深層水と高水温の深層水の両方を同時に取水可能とする深層水の二重取水管とその敷設方法を提供するものである。
【００１９】
【課題を解決する手段】
本発明では、上記課題を解決するため以下を要旨とする構成とした。
深層水の取水深さまで敷設された熱伝導性の優れた外管の中に熱伝導性の劣る内管が深層水の取水深さまで敷設するように挿入配置された二重取水管の、外管と内管の間の筒状空間を高温水流路、内管内空間を低温水流路とし、それぞれの流路に取水ポンプを設け、温度の異なる深層水を取水可能としたことを特徴とする深層水の二重取水管である。前記熱伝導性の優れた外管は金属管または金属管に防食被覆を用い、熱伝導性の劣る内管としては硬質ポリエチレン管を用いることができる。
【００２０】
また、前記の外管及び内管から深層水を取水する取水ポンプを可変容量型ポンプとし、管内の取水流速を可変できるようにすることにしてもよい。
【００２１】
前記二重取水管は、例えば陸上にて外管と内管をスペーサで間隔保持した二重管を製作し、内管と外管を接続しながら順次海底に敷設する敷設方法や、外管を海底に敷設後外管内に内管を挿入して二重管とする敷設方法等各種の手段があり、施工環境（条件）に応じて最適なものを採用すればよい。
【００２２】
本発明の二重管敷設方法は、前記特願２００１−３９１０６５号に提案しているものを二重管の敷設方法に応用したものであって、熱伝導性の優れた外管の中にこれよりも熱伝導性の劣る内管を挿入配置した二重取水管を海底面に沿って深層水の取水深さまで敷設する方法であって、前記外管の先端部取水口に浅水域において蓋の脱落を防止する低強度接着剤からなる止着手段により止水蓋を装着して管内をドライ状態で深層水の取水深度まで敷設した後、外管の後端から先端を開口した内管を挿入し、内管の先端が外管の先端に到達した後、外管及び内管内に注水し、次に内管を押し込んで外管の先端取水口の止水蓋を離脱して、外管と内管の間の筒状空間を高温水流路、内管内空間を低温水流路としたことを特徴とする深層水の二重取水管敷設方法である。
【００２３】
上記二重取水管の敷設方法において、前記内管の先端が外管の先端に到達した後、外管及び内管内に注水し、さらに前記外管の先端部における管内圧を取水深度の外水圧より高くし、次に内管を押し込んで外管の先端取水口の止水蓋を離脱させるようにしてもよい。
【００２４】
【発明の実施形態】
図１は本発明に係る高水温と低水温の深層水を取水する二重取水管の敷設状況図で、図２は二重取水管の断面図を示す。
【００２５】
深層水の取水管１は、海底面２に沿って取水深さまで敷設された外管３と内管４からなる二重取水管とし、外管３と内管４のスペーサ５によって間隔が保持された筒状空間を高温水流路６、内管内空間を低温水流路７としている。外管３と内管４は高温水流路６、低温水流路７が所定流量の深層水を送れるようなサイズとされ、それぞれの流路６，７には、取水ポンプＰ１，Ｐ２を設け、２つの流路６，７から深層水を同時に取水可能としている。
【００２６】
また、高温流水路６を保持するスペーサ５は、流路６を妨げないような細径部材を３方向にバンド８から突き出したものを、適宜間隔毎に内管４の外周にバンド締めして設けられている。
外管３は、従来の硬質ポリエチレン管より著しく熱伝導率の優れた材料であるステンレス鋼や普通鋼に防食被覆した金属管を使用し、内管４は従来の取水管として使用されているものと同様な熱伝導性が劣る硬質ポリエチレン管を用いている。
【００２７】
本発明の取水管１は、上記のように二重管にしたことによって、外管３は管外の中層から表層の比較的高温の海水熱を良好に伝達し、取水口３ａから取水した低温の深層水は、外管３と内管４間の筒状の高温水流路６を移動中に昇温され高水温の深層水として吐出口３ｂから吐出することができる。
【００２８】
一方、外管３の中に挿入配管した内管４は、熱伝導性が劣るため管外（高温水流路を流れる深層水）からの熱伝達を受け難く、取水口４ａから取水した低温の深層水をあまり昇温することなく低温のまま吐出口４ｂから吐出される。しかも内管４の外（高温水流路６）を流れる深層水は，外の海水より低い温度であるため、従来のような単管よりさらに低温のままで吐出される。
【００２９】
取水口４ａから取り入れた低温の深層水は、管内の低温水流路７を流れる際に管外の熱伝達を受け難く、しかも内管４の外側は、海水より低い温度の深層水が流れているため単管よりさらに低温のまま吐出口４ｂから吐出される。
【００３０】
前記の外管３内の高温水流路６及び内管４の低温水流路７から深層水を取水する取水ポンプＰ１，Ｐ２を可変容量型ポンプとし、管３，４内の取水流速を可変できるようにすると、取水深層水の水温を調整することができる。すなわち、管３，４内を移動する深層水は、流速に依存するため、高い吐出口温度を得ようとする場合は管内流速を低くし、比較的低い吐出口温度でよい場合は、管内流速を早くして水温調節をすることができる。このため、外管３と内管４間の断面ドーナツ状（環状）で、筒状の高温水流路６の取水ポンプＰ１の取水流速を遅く（時間当たり取水容量を小さくする）し、内管４の低温水流路７の取水ポンプＰ２の取水流速を早くすると、外管３の高温水流路６と、内管４の低温水流路７から温度差の大きく異なる深層水を同時に得ることができる。
【００３１】
二重取水管１で取水された高温と低温の深層水は、図示しない魚介類の養殖池やその他の用途の設備に分配して供給される。
【００３２】
このように本発明の二重取水管１によれば、複数の利用形態においてそれぞれ適した高水温と低水温の深層水を供給できる。なお、高水温と低水温の取水深層水を混合して中水温の深層水を供給することもできる。
【００３３】
上記二重取水管１は、公知の製作・敷設手段を用いて海底面２に沿って敷設することができる。
どのような敷設手段を採用するかは、取水管１の敷設海域の環境条件によって決めればよい。
【００３４】
例えば、潮流の影響がなく航行船舶が少ない場合は、浮遊曳航工法が採用でき、後背地に広大なスペースがあれば、陸上で長尺管を製作して曳出しまたは押出し敷設することができる。
【００３５】
以下、外管を先行敷設した後、外管内に内管を挿入して二重管とする本発明に係る二重取水管を海底面に沿って深層水取水深度まで敷設する方法について図３を参照して説明する。
【００３６】
▲１▼ 先ず、金属管からなる外管３を海底面２に沿って深層水取水深度（約３００ｍ）まで敷設する。この敷設手段は敷設船工法や海底曳航工法、浮遊曳航工法等の公知の海底管敷設手段を用いることができる。図３（ａ）は、陸上で外管３を長管化しながら曳船９から繰り出した曳索１０によって、外管３を海底曳航中の敷設状況を示す。外管３の敷設時には、管内をドライにして水中重量を軽減して行なう方がよい。しかし、深層水深度に達した管端の蓋１１は通常のダイバーの作業限界の３０ｍをはるかに超えるため特殊な技能を有するダイバーと潜水設備が必要となる課題がある。そこで、本発明では前記外管３の先端部取水口３ａに、浅水域において蓋１１の脱落を防止する止着手段を用いた止水蓋１１を装着して、外管３の管内をドライ状態で深層水の取水深度まで敷設し、管端の蓋１１をダイバー作業を必要としないで容易に離脱可能とするようにした。
【００３７】
図３（ｂ）は、前記止水蓋１１の一例で、外管３の端部に低強度の接着剤１２により止水蓋１１を装着したものである。この止水蓋１１は、浅水域において接着剤１２の接着によって蓋１１の脱落を防止でき、水深が深くなると外水圧によって管端に止水蓋１１が押し付けられて保持される。なお、止水蓋１１の装着手段は、この他、特願２００１−３９１０６５号に開示している方法を用いてもよい。
【００３８】
▲２▼ 外管３の敷設が完了したら、図４に示すように、外管３内をドライ状態で、外管３の後端から先端を開口した硬質ポリエチレン製の内管４を挿入し、外管３の先端まで到達させる。内管４は小口径であればリール巻きしたものを使用できるが、大口径のものは直管を熱融着接合して長管化する。なお、内管４を外管３内に挿入する際、内管４の適宜間隔毎にスペーサ５をボルト１４等を用いてバンド締めして取り付ける。
【００３９】
▲３▼ 内管４が外管３の先端に達したら、外管３及び内管４内に注水し、外管３の止水蓋１１の外圧と内圧をバランスさせた後、または管内圧を若干高めにして、内管４を少し押し込んで外管３の先端の止水蓋１１を押し出して離脱する。この結果、外管３と内管４の間の筒状空間に高温水流路６が、内管４内に低温水流路７が形成される。（図５参照）
【００４０】
外管３先端部には、敷設時の管端保護用のプロテクタ１３が設けられ、このプロテクタ１３は、取水口を海底面２から上方に位置せしめる部材を兼ねたものである。
【００４１】
＜実施例＞
以下、本発明の具体的な実施例と比較例を説明する。

【００４２】
（２）取水管実施例
【表１】

【００４３】
（３）熱伝導算定式
＜熱収支の式＞

・管内の熱変化量
【式１】

・管外より取得される熱量
【式２】

【式３】

＜管内水温＞
熱収支の式より任意の区間において▲１▼〜▲３▼式より▲４▼式のように表される。
【式４】

▲４▼式の微分方程式を解いて、Ｔ_ｉｎ（吐出口水温）とｕ（管内流速）の関係式が得られる。
（４）取水管実施例の流速（流量）と取水温度の算定結果
【表２】

【００４４】
表−２に示す結果から以下のことが言える。
（１）取水管の構成を二重管にした場合と単管にした場合の比較。
外管（管径３００Ａ鋼管）と、内管（管径１５０ＡＰＥ管）を用いた本発明の二重取水管１では、ケース１の外管３の高温流水路６から得られる深層水の取水温度は、流速０．１３ｍ／ｓ（流量４８０ｍ^３／日）において１５．７５℃となる。また、ケース２の内管４の低温流水路７からは流速０．４９ｍ／ｓ（流量７２０ｍ^３／日）において６．０４℃となっている。
【００４５】
一方、本発明の高温流水路６、低温流水路７とそれぞれほぼ同様な流速（流量）とした単管の比較例では、ケース３の高温流水路に対応する鋼管（管径２５０Ａ）では、ケース１とほぼ同様な１５．５３℃、ケース４の低温流水路に対応するＰＥ管（管径１５０Ａ）ではケース２より０．９℃高い６．９４℃となっている。
【００４６】
ケース２とケース４に取水温度に差が生じるのは、管路の回りの温度が異なるためである。すなわち、ケース２は内管の回りは二重管の高温流水路であり海水温度より低いが、ケース４は単管のため直接海水温度の作用を受けるため昇温しやすい。従って、より低い温度の深層水を得ようとすれば二重管の内管を流路にした方がよいことが解る。
【００４７】
（２）取水管材料と取水温度の関係。
ケース１とケース５は、ほぼ同様な流速（流量）の条件において取水管の材料の違いによる取水温度を比較したもので、取水管の材料が熱伝導性の優れた鋼管（ケース１）では１５．７５℃になるのに対して、熱伝導性の劣るＰＥ管（ケース５）では９．５４℃であり６．２℃低い結果となっている。これは深層水を汲み上げる際に受ける海水からの熱伝達による昇温の作用が異なるためである。なお、データには示していないが、低温水を得ようとする場合はＰＥ管の如き熱伝導性の劣る管を使用した方が有利であることはいうまでもない。
【００４８】
（３）取水管内の流速と取水温度の関係。
ケース１とケース１ａは同じ取水管（二重管の高温流水路）を用いて、管内流速を変えた場合の結果である。ケース１では流速０．１３ｍ／ｓ（流量４８０ｍ^３／日）において取水温度は１５．７５℃であるが、約２．７倍早くした流速０．３５ｍ／ｓ（流量１３３０ｍ^３／日）では１３．８４℃となり１．９１℃低くなっている。
【００４９】
また、低温流水路においては、ケース２の流速０．４９ｍ／ｓ（流量７２０ｍ^３／日）とケース２ａの流速０．１４ｍ／ｓ（流量２００ｍ^３／日）では、取水温度６．０４℃が９．５７℃となり３．５３℃も高くなっている。
【００５０】
以上の結果から、高温の深層水を得ようとする場合は、取水管内の流速を遅くし、低温の深層水を得ようとする場合は、取水管内の流速を早くした方がよいことが解る。
【００５１】
従って、可変容量型の取水ポンプを使用すれば、流速（流量）を変化することによって所望の温度の深層水を得ることが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の二重取水管によれば、深層水の取水深さまで敷設された熱伝導性の優れた外管の中にこれよりも熱伝導性の劣る内管が深層水の取水深さまで敷設するように挿入配置された二重取水管の、外管と内管の間の筒状空間を高温水流路、内管内空間を低温水流路とし、それぞれの流路に取水ポンプを設けた構成としたことによって、取水管の設置スペースが単管を２本敷設するより狭くでき、同時に高温と低温の深層水を同時に取水することができる。そして、熱伝導性の優れた外管と内管の間の筒状空間を高温水流路としているため深層水を汲み上げる際に外海水温で高い温度に昇温した深層水を取水でき、また熱伝導性の劣る内管は回りが外海水温度より低い二重管の高温水流路であるため昇温し難くより低い温度の深層水を取水できる。
【００５３】
また、それぞれの流路に可変容量型の取水ポンプを使用すれば、流速（流量）を変化することによって水温調整された温度の深層水を得ることが可能である。従って、用途に応じて必要とする高温と低温の深層水が得られ、また混合して中温の深層水とすることもできる。
【００５４】
また、本発明の二重取水管敷設方法によれば、外管の先端部取水口に浅水域において蓋の脱落を防止する低強度接着剤からなる止着手段を用いた止水蓋を装着して管内をドライ状態で深層水の取水深度まで敷設した後、外管の後端から先端を開口した内管を挿入し、内管の先端が外管の先端に到達した後、外管及び内管内に注水し管内圧を取水深度の外水圧とバランスさせ、または管内圧を高くし、次に内管を押し込んで外管の先端取水口の止水蓋を離脱するものであるため、外管の敷設時に浮力を利用して水中重量を軽減できるため取水管の引き出し力を大幅に低減できる。また、管内をドライ状態に維持した深い深度の管端の止水蓋を特殊なダイバー・潜水設備を使用することなく陸上から遠隔操作で容易に離脱できるため、経済性、安全性の高い敷設作業となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る高水温と低水温の深層水を取水する二重取水管の敷設状況図である。
【図２】本発明の二重取水管の断面図を示す。
【図３】（ａ）は、本発明における二重取水管を海底面に沿って深層水取水深度まで敷設する方法において、外管の敷設状況を示す図であり、（ｂ）は管端の止水蓋付近を示す断面図である。
【図４】内管の敷設状況を示す図である。
【図５】管端の止水蓋の離脱状況を示す図である。
【図６】取水管の熱伝導算定式のモデルを示した図である。
【符号の説明】
１深層水の取水管（２重取水管）
２海底面
３外管
３ａ取水口
３ｂ吐出口
４内管
４ａ取水口
４ｂ吐出口
５スペーサ
６高温水流路
７低温水流路
８バンド
９曳船
１０曳索
１１止水蓋
１２接着剤
１３プロテクタ
１４ボルト
Ｐ１取水ポンプ
Ｐ２取水ポンプ

Claims

深層水の取水深さまで敷設された熱伝導性の優れた外管の中にこれよりも熱伝導性の劣る内管が深層水の取水深さまで敷設するように挿入配置された二重取水管の、外管と内管の間の筒状空間を高温水流路、内管内空間を低温水流路とし、それぞれの流路に取水ポンプを設け、温度の異なる深層水を取水可能としたことを特徴とする深層水の二重取水管。
外管は金属管または金属管に防食被覆したものとし、内管は硬質ポリエチレン管としたことを特徴とする請求項１記載の深層水の二重取水管。
前記取水ポンプを可変容量型ポンプとしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の深層水の二重取水管。
熱伝導性の優れた外管の中に熱伝導性の劣る内管を挿入配置した二重取水管を海底面に沿って深層水の取水深さまで敷設する方法であって、前記外管の先端部取水口に浅水域において蓋の脱落を防止する低強度接着剤からなる止着手段により止水蓋を装着して管内をドライ状態で深層水の取水深度まで敷設した後、外管の後端から先端を開口した内管を挿入し、内管の先端が外管の先端に到達した後、外管及び内管内に注水し、次に内管を押し込んで外管の先端取水口の止水蓋を離脱して、外管と内管の間の筒状空間を高温水流路、内管内空間を低温水流路としたことを特徴とする深層水の二重取水管敷設方法。
前記内管の先端が外管の先端に到達した後、外管及び内管内に注水し、さらに前記外管の先端部における管内圧を取水深度の外水圧より高くし、次に内管を押し込んで外管の先端取水口の止水蓋を離脱させることを特徴とする請求項４記載の深層水の二重取水管敷設方法。