JPWO2015037645A1 - 海水淡水化システム - Google Patents

Abstract

逆浸透圧分離装置を用いた海水淡水化システムにおいて、高圧ポンプの始動・停止時の逆浸透膜への海水の圧力変化率や流量変化率を逆浸透膜の特性にあわせることができるようにするために、高圧ポンプ４を駆動する電動機３と交流電源１００との間に、減電圧始動器１２及び開閉器１３の並列回路からなる駆動電源制御装置３００が接続されている。そして、減圧始動器１２を制御することにより、電動機３に供給する交流電圧を、起動調整期間は、上に凸の単調増加関数でゼロ電圧から交流電源電圧に漸近するように連続的に増大させ、停止調整期間は、上に凸の単調減少関数で交流電源電圧に漸近した状態からゼロ電圧まで連続的に減少させる。開閉器１３は、減電圧始動器１２を介して電動機３に供給される交流電圧が交流電源１００の交流電圧と等しいときに閉鎖されて、交流電源１００からの交流電圧を電動機に直接供給する。

Description

本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システム（海水淡水化プラント）に関するものである。

海水を淡水化するシステムとして、海水を逆浸透膜分離装置に通水して脱塩する海水淡水化システムが知られている。図１は、このような従来の海水淡水化プラントの海水から淡水を造水するシステム回路の模式図である。この海水淡水化システムにおいては、取水された海水は、前処理装置１により一定水質の条件に整えられたのち、フィードポンプ２により海水供給ラインを介して電動機（Ｍ）３が直結された高圧ポンプ４へ供給される。高圧ポンプ４により加圧された海水は、逆浸透膜（RO膜）を備えた逆浸透膜分離装置５へと圧送され、逆浸透膜分離装置５内で高圧海水の一部は、逆浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜を通過し、塩分が除去されまたは低減された淡水６として取り出される。その他の海水は、塩分濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜分離装置５から高圧濃縮海水（ブライン）７として排出される。

高圧濃縮海水（ブライン）７は、依然として高い圧力を有しており、エネルギー回収装置８に導かれる。また、エネルギー回収装置８には、フィードポンプ２の吐出ラインから分岐した海水があらかじめ供給されており、そこで、高圧濃縮海水７の圧力を利用して、海水の圧力が昇圧される。

エネルギー回収装置８により昇圧された高圧の海水は、高圧ポンプ４の吐出圧力と同じ圧力になるように、更にブースターポンプ９によって昇圧され、高圧ポンプ４から吐き出される高圧海水と合流して、逆浸透膜分離装置５に供給される。

ここで、高圧ポンプ４の始動・停止により引起される海水の急激な圧力変動や流量変動が逆浸透膜へ及ぼす影響や、海水温の変動や、逆浸透膜の経時的な性能の変化による逆浸透膜の淡水造水率の変動などに対応する必要があるので、高圧ポンプ４の電動機３は、インバータ２００によって交流電源１００の周波数を変換し、これにより電動機３の回転数が制御されている。インバータ２００による電動機３の回転数制御により、高圧ポンプ４の始動・停止時の圧力変動や流量変動を緩やかにし、海水温の変動や、逆浸透膜の経時的な性能の変化による逆浸透膜の淡水造水率の変動があっても、逆浸透膜に供給する海水量や海水の圧力の増減を調整して淡水の造水量を一定にしている。

ところで、逆浸透膜分離装置５は、供給された海水のうち、例えば約４割を淡水とし残りの約６割を濃縮海水として排出する。単純に、エネルギー回収装置８へ供給される６割の濃縮海水がすべて海水の昇圧に利用されたとすると、逆浸透膜分離装置５へ供給される海水のうち６割はエネルギー回収装置８とブースターポンプ９によって、４割が高圧ポンプ４から供給されることになる。そして、４割の淡水が逆浸透膜分離装置５から得ることになる。

すなわち、逆浸透膜分離装置５から得ることができる淡水の量は高圧ポンプ４の吐出流量とほぼ同じとなる。従って、淡水の量を多く得るには、高圧ポンプ４の容量を大きくしなければならず、高圧ポンプ４の容量を大きくするに従って、高圧ポンプ４を駆動する電動機３の容量を大きくしなければならなくなる。尚、海水淡水化プラントの造水量すべてを１機の高圧ポンプ４でまかなうのではなく、数万トン／日の個別の系統を複数構成する場合が多いが、その場合においても、１台の高圧ポンプの大容量化が求められているため、各電動機の容量は数百kW〜数千kWの容量が必要となる。

更に、電動機３の容量が大きくなると、インバータ２００の容量も大きくする必要があるが、インバータの価格は、一定の容量を超えると電動機の容量増加に比べて指数関数的に上昇する。このため、淡水を多く得るためにプラント規模を大きくすると、プラントを構成する個別の系統が大きくするに従い、プラントの建設費用における逆浸透膜分離装置５や高圧ポンプ４などの構成機器のうち、インバータ２００のコストの割合が大きくなってしまう。

ところで、インバータ２００は、交流電源１００の周波数を変換して電動機３に電力を供給するので、電動機３の運転中は常時、インバータ２００内の周波数変換回路は作動している。インバータ２００で用いられる電子部品の中には、ポンプや電動機に比べて寿命が短いものが含まれているので、インバータ２００のメインテナンス頻度は、他の機器に比べて高い。また、容量が大きいほどインバータの用途は限られており、それに用いられる電子部品も汎用性のないものが多くなるため、メインテナンスに要するコストがかかるということになる。

従って、高圧ポンプの運転電源の制御装置には、メインテナンス頻度を低減し長寿命化する必要がある。

一方、図２に示すように、インバータを使わず、交流電源１００から定格周波数の交流電流を高圧ポンプ４に直接供給する、所謂「電源直入れ」を行い、高圧ポンプ４の吐出ラインに自動弁１１を配置し、始動時に、自動弁１１の下流を低圧になるように絞った状態で高圧ポンプ４を起動し、徐々に自動弁１１の開度をコントローラからの信号によって調整しなから開くことにより、逆浸透膜へかかる圧力変化率を小さくするといったことも考えられている。

しかし、この場合、自動弁１１が全開になるまでの間、高圧ポンプ４による吐出し流れは自動弁１１により絞られるので、高圧ポンプ４内で滞留する海水が次第に高温化してしまい、ポンプの安定した運転が損なわれる虞があった。また、自動弁１１は、高圧まで耐圧を有し、大流量を流す必要があるので、流量が大きくなるにつれ大型化し、かつ、海水の腐食性に耐食性のある材料を自動弁１１の接液部分に施すので、大型化するとともに高価なものとなっていた。

更に、「電源直入れ」を行う場合、電源投入時に定格電力の約６倍の電力が瞬間的に消費されるため、電源設備として定格の６倍の電力を許容できる設備にする必要があり、これも自動弁１１とともにスペースの大型化とコストアップに繋がっていた。

本発明は、上述の従来例の問題に鑑みなされたもので、本発明の第１の目的は、海水淡水化システムにおいて、逆浸透圧分離装置へ海水を供給する高圧ポンプの始動・停止時の逆浸透膜への海水の圧力変化率や流量変化率を逆浸透膜の特性にあわせることができるようにするとともに、システムを長寿命化及び安定化することである。

本発明の第２の目的は、海水淡水化システムにおいて、海水温の変化による逆浸透膜の淡水造水率の変化や逆浸透膜の経時変化などによらず、淡水の造量を安定化することができるようにすることである。

上記した第１の目的を達成するために、本発明は、海水から塩分を除去して淡水化する海水淡水化システムであって、
淡水化すべき海水の圧力を昇圧する高圧ポンプと、
逆浸透膜を備え、該逆浸透膜により、高圧ポンプからの海水を塩濃度の低い淡水と塩濃度の高い濃縮海水に分離する分離装置と、
高圧ポンプを駆動する電動機と、
電動機と交流電源との間に接続された駆動電源制御装置であって、
電動機の始動調整期間に電動機に供給する交流電圧を連続的に増加させ、かつ、電動機の停止調整期間に電動機に供給する交流電圧を連続的に減少させる始動・停止調整器と、
始動・停止調整器に並列接続され、該始動・停止調整器を介して電動機に供給される交流電圧値が交流電源の交流電圧と等しいときに閉鎖されて、交流電源からの交流電圧を電動機に直接供給する開閉器と
からなる駆動電源制御装置と
を備えていることを特徴とする海水淡水化システムを提供する。

上記した本発明に係る海水淡水化システムの一実施形態においては、始動・停止調整器は、電動機に供給する交流電圧を、始動調整期間では、線形ではなく上に凸の単調増加関数に沿って増大させ、停止調整期間では、線形ではなく上に凸の単調減少関数に沿って減少させるよう構成されており、上に凸の単調増加関数は、交流電源の交流電圧まで増大し、上に凸の単調減少関数は、交流電源の交流電圧からゼロ電圧まで減少する。また、始動調整期間及び停止調整期間の時間幅は、分離装置の逆浸透膜に必要な単位時間当たりの許容される最大上昇勾配及び常用運転圧力によって決定される時間幅以上で、始動・停止調整器の設定可能最大時間以下に設定される。

上記した構成を有する海水淡水化システムにおいて、さらに、高圧ポンプの前段に備えられ、海水を高圧ポンプに送るフィードポンプを駆動する電動機を、分離装置から得られた淡水の流量及び温度、並びに、分離装置の吸い込み口での海水の圧力に基づいて制御することにより、フィードポンプから出力される海水の量を調整して、分離装置から得られる淡水の流量が安定化するように制御する制御手段を備えていることが好ましい。また、この海水淡水化システムにおいて、さらに、エネルギー回収装置のフィードポンプからの海水吸込み流量または該回収装置から外部に排出される濃縮水の流量を調整する自動弁を備え、該自動弁の開度を、フィードポンプからエネルギー回収装置に供給される海水吸込み流量、及び、エネルギー回収装置から分離装置に供給される流量に基づいて制御することにより、エネルギー回収装置から分離装置に供給される海水の量が安定化するように制御する制御手段を備えていることが好ましい。これにより、第１の目的に加えて、第２の目的も達成することができる。

また、上記した第２の目的を達成するために、本発明は、海水から塩分を除去して淡水化する海水淡水化システムであって、
淡水化すべき海水を提供するフィードポンプと、
フィードポンプから提供された海水の圧力を昇圧する高圧ポンプと、
逆浸透膜を備え、該逆浸透膜により、高圧ポンプからの海水を塩濃度の低い淡水と塩濃度の高い濃縮海水に分離する分離装置と、
フィードポンプ及び高圧ポンプを駆動する第１及び第２の電動機と、
分離装置から得られた淡水の流量及び温度、並びに、分離装置の吸い込み口での海水の圧力に基づいて、第１の電動機を制御することにより、フィードポンプから出力される海水の量を調整して、分離装置から得られる淡水の流量が安定化するように制御する第１の制御手段と
を備えていることを特徴とする海水淡水化システムを提供する。

この海水淡水化システムはさらに、エネルギー回収装置のフィードポンプからの海水吸込み流量または該回収装置から外部に排出される濃縮水の流量を調整する自動弁を備え、該自動弁の開度を、フィードポンプからエネルギー回収装置に供給される海水吸込み流量、及び、エネルギー回収装置から分離装置に供給される流量に基づいて制御することにより、エネルギー回収装置から分離装置に供給される海水の量が安定化するように制御することが好ましい。

図１は、従来の海水淡水化システムの概略構成を示す模式図である。 図２は、従来の別の海水淡水化システムの概略構成を示す模式図である。 図３は、本発明の海水淡水化システムの第１の実施例の模式図である。 図４は、図３に示した本発明の海水淡水化システムにおける、高圧ポンプを駆動するための電源を制御するための駆動電源制御装置を示す回路図である。 図５は、図４に示した駆動電源制御装置の動作説明図である。 図６は、高圧ポンプの種々のポンプ回転数に対応して示した流量・揚程線図である。 図７は、高圧ポンプのポンプ回転数・揚程線図である。 図８の（Ａ）及び（Ｂ）は、高圧ポンプのポンプ回転数を一定時間ごとに一定の増加をした場合に、時間・揚程線図がどのようになるかを説明する図である。 図９の（Ａ）は、始動時に図３に示した駆動電源制御装置により供給される電源電圧を示すグラフであり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）に示した電圧が供給される場合の高圧ポンプの回転数及び揚程をそれぞれ示すグラフである。 図１０の（Ａ）は、停止時に図３に示した駆動電源制御装置により供給される電源電圧を示すグラフであり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）に示した電圧が供給される場合の高圧ポンプの回転数及び揚程をそれぞれ示すグラフである。 図１１は、本発明の海水淡水化システムの第２の実施例の模式図である。 図１２は、本発明の海水淡水化システムの第３の実施例の模式図である。 図１３は、本発明の海水淡水化システムの第４の実施例の模式図である。 図１４は、本発明の海水淡水化システムの第５の実施例の模式図である。

以下、図３〜図１４を参照して、本発明に係る海水淡水化システムおよび該システムに含まれる装置の実施形態を説明する。なお、図１〜図１４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付しており、重複した説明を省略する。

図３は、本発明の海水淡水化システムの第1の実施例を示す模式図である。該海水淡水化システムは、図１に示した従来例のシステムと対比して、電動機３、すなわち逆浸透膜分離装置５へ高圧の海水を供給する高圧ポンプ４を回転駆動する電動機３を運転する駆動電源制御装置３００の構成が相違している点で、図１に示した従来例の海水淡水化システムと相違している。本発明の駆動電源制御装置３００は、減電圧始動器１２、開閉器１３、及び、これらを制御するコントローラ３０(図４)で構成され、該駆動電源制御装置３００を介して電源１００の電力を電動機３に印加するものである。なお、後述するように、電動機３を停止する際にも減電圧始動器１２を用いるので、減電圧始動器１２は、電動機３の起動時及び停止時において電圧調整を行う機能を有する始動・停止電圧調整器である。

減電圧始動器１２は、交流電源１００側を１次側、減電圧始動器の電動機３への出力側を２次側とし、２次側の交流出力電圧を設定したパターンに従って上昇あるいは降下させることにより、２次側に接続された電動機３を緩やかに始動あるいは停止する装置である。交流電源１００は、電動機３の定格電圧と等しく設定されている。

図４及び図５を参照して、本発明の駆動電源制御装置３００の構成及び動作をより詳細に説明する。図４に示すように、駆動電源制御装置３００において、交流電源１００からの３相電源ラインが減電圧始動器１２の１次側に接続され、減電圧始動器１２の２次側が電動機３に接続されている。減電圧始動器１２は、１次側及び２次側の間に、一対のサイリスタ１４が逆並列接続された３つの並列回路を備え、該３つの並列回路を介して、交流電源１００の３相電源ラインと電動機３側の３相電源ラインとが接続されている。サイリスタ１４のゲートG1〜G6は、内部のゲートドライバ１５に接続されている。ゲートドライバ１５からサイリスタ１４へのトリガパルスの供給及び開閉器１３のオンオフは、コントローラ３０により制御される。開閉器１３は、電動機３の起動期間及び停止期間は、非駆動期間と同様にオフ状態である。

例えば、図５に示すタイミングで、ゲートドライバ１５からゲートG1〜G6にトリガパルスを印加することによりサイリスタ１４がターンオンして、正弦波状のライン入力電圧（電源電圧）が斜線で示した鋸歯状波として２次側に出力される。そして、ゲートG1〜G6へのトリガパルスの位相を制御することにより、ゼロから最大電圧（１次側からの供給電圧）までの交流出力電圧を制御する位相角制御を行う。これにより、減電圧始動器１２から出力される交流電圧を連続的又は段階的に増加または減少させることができ、緩やかに増加、減少させることで、２次側に接続された負荷機器、すなわち電動機３を緩やかに始動、停止することができる。

減電圧始動器１２の電圧上昇パターン及び下降パターンは、減電圧始動器１２の動作を制御するコントローラ３０に入力設定され、その設定された上昇パターン及び下降パターンとなるように、サイリスタ１４のゲートをトリガするトリガパルスの印加タイミングがコントローラ３０に予め設定される。該設定されたタイミングで、コントローラ３０はゲートドライバ１５に指令を送り、ゲートドライバ１５がそのタイミングでサイリスタ１４にトリガパルスを印加する。これにより、電圧の所定の上昇パターン及び下降パターンが得られる。

電動機３への電源投入時に、低電圧始動器１２の上記した機能により、２次側の交流出力電圧が徐々に増大され、そして、２次側の電圧が１次側の電圧と等しくなるまで、減電圧始動器１２を介して２次側に電力供給がされる。そして、２次側の交流出力電圧が１次側からの供給電圧と等しくなる（すなわち最大電圧の時）と、これは、コントローラ３０がゲートドライバ１５を制御して、ゼロ交差点でサイリスタ１４にトリガパルスを供給することにより達成されるので、コントローラ３０は、その時点で開閉器１３をオン状態とするとともに、その後のトリガパルスの発生を停止するようにゲートドライバ１５の駆動を制御する。これにより、減電圧始動器１２を介しての電力供給が停止されるとともに、開閉器１３を介して、交流電源１００からの交流電圧が電動機３に直接供給される。必要に応じて、コントローラ３０が低電圧始動器１２の２次側の電圧を監視し、それに応じて開閉器１３を制御しても良い。

逆に、電動機３の運転を停止する場合は、コントローラ３０が、それを検知して、開閉器１３をオフ状態とするとともに、減電圧始動器１２により２次側の電圧を徐々に低下させて、最終的に２次側電圧がゼロとなるよう制御する。

なお、図１に示した従来例の海水淡水化システムにおいては、インバータ２００を用いた電源周波数の変換によって高圧ポンプを運転しているが、高圧ポンプの通常運転時にも常にインバータ内の周波数変換回路が作動していたので、インバータに内蔵される電子部品が消耗し、部品の寿命が短かいという問題があった。本発明においては、減電圧始動器１２は、始動・停止時のみ動作し、高圧ポンプ４の定常運転時には減電圧始動器１２を介さないで開閉器１３を介して電力を供給しているので、電子部品の負担は少なく、長寿命化が実現できる。

ところで、減電圧始動器１２で設定できる始動時間には制限があり、該減電圧始動器を構成する電子部品（サイリスタ１４）の容量で制限されている［条件１］。例えば、始動時間の設定ができる範囲は、０秒〜９０秒程度までのものが一般的であり、長くても１００秒程度までであり、このような範囲に始動時間を設定する必要がある。

一方、ポンプの揚程（圧力）Hはポンプ回転数Nの二乗に比例して上昇するという条件[条件２]があり、逆浸透膜の圧力の上昇勾配の上限は、膜毎に設定されているという条件[条件３]がある。

したがって、海水を高圧ポンプで高圧にして逆浸透膜分離装置５に供給して脱塩する海水淡水化システムにおいては、高圧ポンプ４の起動条件としては上記した３つの条件を満たすように動作をさせなければならないという、固有の課題がある。

以下に、条件２及び３について、より詳細に説明する。
図６は、高圧ポンプ４の軸の回転数すなわちポンプ回転数N(N0、N1、N2、N3)毎の流量Q（横軸）と揚程(圧力）H（縦軸）との関係を示す特性曲線である。なお、高圧ポンプ４の軸が電動機３の軸と直接つながっている場合は、ポンプ回転数Nは電動機３の回転数に等しい。図６において、ポンプ回転数N0は定格回転数であり、N0＞N1＞N2＞N3である。

定常運転時には、定格回転数N0で運転され、図６のグラフ上の運転点Sにて、流量Q0、揚程H0にて高圧ポンプ４が運転される。各回転数における流量Qおよび揚程Hは定格回転数N0時のQ0、H0に対して次の関係が成り立ち、流量Qはポンプ回転数に比例し、揚程Hはポンプ回転数の二乗に比例する。
Q = Q0(N/N0) (1)
H = H0(N/N0)² (2)

図７は、横軸をポンプ回転数N、縦軸を揚程Hとした特性図、すなわち、式（２）のグラフである。この時の流量Qは図６に示した特性曲線によって決まる。図７及び式（２）から明らかなように、回転数Nを一定の上昇率で上げていくと、揚程（圧力）Hはポンプ回転数Nの二乗に比例して上昇する[条件２]。

続いて、条件３である、逆浸透膜分離装置５で用いられる逆浸透膜（RO膜）の性質上の、膜への圧力条件の制限について説明する。既に、背景技術において触れたように、高圧ポンプの始動・停止により引起される海水の急激な圧力変動や流量変動は、逆浸透膜の性能や寿命を含めて悪影響を及ぼすので、逆浸透膜には徐々に圧力をかけなければならない。具体的な例として、ある逆浸透膜では、単位時間あたりの圧力の上昇率は、１秒につき0.7bar(約0.07MPa, 水頭7m)以下、すなわち、単位時間当たりの圧力の上昇勾配は0.7bar/s以下としなければならない、という制限があり、上昇勾配の制限は、膜毎に設定されている。

即ち、逆浸透膜が定常で作動する７０bar(約7MPa, 水頭700m)程度にまで、高圧ポンプ４により海水の圧力を大気圧から上昇させるには、仮に、膜の圧力上昇率に0.7bar/s以下の制限があるとすると、100秒以上の時間をかけて、ゆっくりと高圧ポンプを運転点の圧力（揚程）まで起動することが必要になる。

しかしながら、条件１〜３をすべて満足させることは必ずしも単純ではない。条件３に着目した場合を、図８を参照して説明する。高圧ポンプ４の定常運転の揚程を70barとし、逆浸透膜にかける圧力上昇率の制限を0.7bar/sとすると、100秒間で70barまで昇圧すればよく、減電圧始動器の最大設定時間が100秒のものを選定すればよいことになる。しかしながら、図８の（Ａ）に示すように、時間tに対してポンプ回転数Nを一定の上昇率で上げていくと、ポンプ回転数Nに関する揚程（圧力）Hの関係が２次関数の関係（図７参照）にあるため、揚程（圧力）Hは、時間tに対する２次関数として、図８の（Ｂ）の実線で示すカーブのように上昇してしまう。

図８の（Ｂ）二点破線は、一定の圧力上昇率の場合を示しており、この一定の上昇率dh/dtを逆浸透膜の圧力上昇率の限度制限に設定し、揚程H0まで昇圧する時間をT0として示している。dH/dtは、曲線で示した２次関数のカーブの変化率であり、時間経過とともに次第に増大し、要求仕様より大きくなって、最大揚程に到達するあたりで最大となる。

したがって、時間に対して減電圧始動器１２の出力を一定変化率で出力すると、条件３が成り立たない。また、条件１、すなわち、減電圧始動器１２に設定できる始動時間の制限によっては、すべての条件を成り立たせることができない場合がある。

本発明者は、検討を重ねた結果、ポンプのより良い始動条件として、ポンプ始動時から、ポンプ定格運転になるまでの間の時間で、時間tとポンプ回転数Nとの関係が、時間tのべき乗の関数N ∝ ｋ・t^α（ｋは常数）で表すとき、べき乗の値αを１より小さくすることが好ましいということが分かった。

即ち、理想的な状況を例にすれば、図７に示したように、ポンプの特性である揚程Hがポンプ回転数Nの２乗に比例することから、ポンプ回転数Nが時間tの０．５乗に比例するようにすればよい。ここで、ポンプ回転数Nは電動機３に供給される電圧Vに１次比例をするので、電圧Vの上昇パターンを時間の０．５乗にすれば、ポンプ回転数Nが時間tの０．５乗に比例することになる。したがって、減電圧始動器１２に、その出力電圧Vの上昇パターンが時間の０．５乗となるように設定することにより、圧力変化率dh/dtをほぼ一定にすることができる。

以上の内容を図９に示すと、まず、機器や、逆浸透膜の特性により選ばれる単位時間当たりの圧力上昇勾配と、高圧ポンプ４により決められる定常運転圧力H0から、減電圧始動器１２の始動開始時間から最大電圧V0に到達するまでの到達時間T0を決定する。そして、図９の（Ａ）に示すように、始動からT0までの電圧が、T0時点の最大電圧V0まで一定勾配で上昇させる場合の上昇直線（二点破線）を想定し、該上昇直線よりも、上に凸で且つ最大電圧V0に漸近するカーブ（実線）で電圧を上昇させる。

減電圧始動器１２の交流出力電圧Vを図９の（Ａ）の実線の上昇カーブに沿って上昇させると、それに伴って、図９の（Ｂ）に実線で示すように、ほぼ同じカーブに沿って高圧ポンプの回転数Nが時間tに対して定格回転数N0に漸近的に上昇する。その結果、図９の（Ｃ）に示すように、ポンプの吐出揚程Hの上昇率はほぼ一定となる。

以上の操作で、ポンプの吐出揚程Hの上昇率dh/dtが一定となるように制御することができる。また、到達時間T0を逆浸透膜の最大圧力上昇率を考慮して決定しているので、吐出揚程の上昇率dh/dtは最大上昇率を超えることはない。例えば、図９の（Ａ）のグラフにおいて、時間T0は、二点破線上で定格電圧V0に対応する時間として設定したが、該時間T0をT0＋Δtに設定することにより、図９のdh/dtを最大圧力上昇率よりも小さくすることができる。したがって、許容される最大圧力上昇率と同じか、またはそれより小さい圧力上昇率で運転することができる。なお、最短な立ち上がりは、逆浸透膜の最大圧力上昇率で一定の傾きとして昇圧することにより達成できる。

システムの停止時においても、図１０の（Ａ）に示すように、停止開始時点０から停止時点T0までの電圧が、停止開始時点の最大電圧V0から時点T0のゼロ電圧V_Zまで一定勾配で下降する場合の下降直線（二点破線）を想定し、該下降直線よりも上に凸でゼロ電圧V_Zとなるカーブ（実線）で電圧を減少させる。減電圧始動器１２の交流出力電圧Vを図１０の（Ａ）の実線で示す下降カーブに沿って下降させると、それに伴って、図１０の（Ｂ）に実線で示すように、ほぼ同じカーブに沿って高圧ポンプの回転数が時間ｔに対して定格回転数N_Zに漸近した状態から減少する。その結果、図１０の（Ｃ）に示すように、ポンプの吐出揚程Hの下降率はほぼ一定となる。このように、高圧ポンプ３の回転数を減電圧始動器１２により低下させることにより、停止時の急峻な圧力変化を防止して緩やかに下降させることができ、これにより、流体機器や逆浸透膜を保護し、プラントを安全に停止することができる。

実際には、機械的なロスや、配管の流体力学的なロス、あるいは機器の始動時間の上限の条件(条件１)や、逆浸透膜の要求する最大許容圧力上昇率(条件３)により、上記の理想的な０．５乗で運転できない場合がある。そのような場合でも、１乗より小さい乗数で電圧を上昇させるパターンを減電圧始動器１２の始動制御に設定することで、逆浸透膜に悪影響を及ぼす圧力の急上昇を緩和し、逆浸透膜を長寿命化することができる。また、図２に示した従来例のシステムのように、巨大で高価な自動弁を用いる必要がなくなり、高圧ポンプ内で滞留する海水が次第に高温化することもなく、ポンプの安定した運転を継続できる。

図１１は、本発明の海水淡水化システムの第２の実施例を示す模式図である。この海水淡水化システムに具備される高圧ポンプ装置１６は、図１、図２、図３における高圧ポンプ４、それを駆動する電動機３、逆浸透膜にポンプの始動・停止時に急激な圧力変動を与えないための制御装置を含んでいる。該制御装置として、図３に示した駆動電源制御装置３００の他、例えば図１におけるインバータ１０や、図２における自動弁１１を用いてもよい。ただし、高圧ポンプ装置１６は、逆浸透膜に起動・停止時に急激な圧力変動を与えないための制御装置により、高圧ポンプ４が定格運転に至ったあとは、図３における実施例のように、開閉器１３により、電源１００の交流電力が高圧ポンプ４の電動機３を直接駆動するように切り替わるように構成することが好ましい。このようにすれば、ポンプの定格運転中、逆浸透膜に始動・停止時に急激な圧力変動を与えないための制御装置が作動しないので、制御装置内の電子部品に過大な負荷がかからず、長寿命化することができる。

次に、高圧ポンプ装置１６の駆動を改良したことにより、起動時等に逆浸透膜に急激な圧力変動が加わらないようにする前述の発明に加え、さらに実際のプラントでの運用に配慮した実施形態について説明する。実際のプラントにおいては、海水温の変化による逆浸透膜の淡水造水率の変化や、逆浸透膜の経時変化が生じた場合に、得られる淡水量が一定にならず淡水の生産量の低下を招いてしまう場合があり、また、このようなシステム変動に対処せずに運転を継続すると、システム内の機器が過負荷状態となって損傷又は短命化してしまう場合がある。

図１１に示した海水淡水化システムは、このような問題点を解消することができるものであり、フィードポンプ２の電動機の電源ラインにインバータ２１を接続し、フィードポンプ２の吐出の圧力や流量を変化させることによって、フィードポンプ２の下流に直列に接続された高圧ポンプ４の吐出の流量、揚程を変化させることができるようにしたものである。

より詳細に説明すると、フィードポンプ２の電動機に供給される電源を、逆浸透膜装置５につながる海水供給ラインあるいは逆浸透膜装置５から得られる造水（淡水）のラインの温度や流量、あるいは逆浸透膜にかかる圧力を、センサ（またはスイッチ）、すなわち、淡水の流量を検出する流量センサ（または流量スイッチ）１７、淡水の温度を検出する温度センサ（または温度スイッチ）１８、逆浸透膜分離装置５に流入する流体の圧力を測定する圧力センサ（または圧力スイッチ）１９で検出し、それにより得られたデータや信号をコントローラ２０に送り、コントローラ２０において、得られたデータや信号から判断して、インバータ２１に対して、フィードポンプ２の電動機のポンプ回転数が適性になるように、電動機に供給される電力を制御する指示を出力することにより、フィードポンプ２の吐出の圧力や流量を適切に調整することができる。これにより、高圧ポンプの吸込みの圧力を変化させることができるので、高圧ポンプの吐出の流量、揚程を変化させることにつながる。

なお、図１１に示した圧力、温度、流量を検出するセンサ(またはスイッチ)は、図１１に示す箇所に限定するものではなく、等価な圧力、温度、流量を検出することができる箇所であれば、任意の箇所に配置することができる。例えば、海水供給ラインの圧力は、高圧ポンプ４の吐出ライン、ブースターポンプ９の吐出ラインと同圧であるから、圧力センサ(またはスイッチ)１９を、高圧ポンプ４またはブースターポンプ９の吐出ラインに設けても良い。

例えば、海水温度が上昇した場合、逆浸透膜分離装置５へ供給される海水流量に対して、逆浸透膜分離装置５から出力される淡水(造水)の流量が減少する傾向となる。これは、逆浸透膜の温度特性によるものである。そこで、逆浸透膜分離装置５から得られる淡水の温度及び流量を温度センサ１８及び流量センサ１７で検知し、淡水の温度が上昇した場、又は淡水の流量が減少した場合に、フィードポンプ２からの流量を増大させるように、インバータ２１を介して電動機の回転数を上昇制御し、これにより、高圧ポンプ装置１４（高圧ポンプ４）から逆浸透膜分離装置５へ供給する海水の圧力を高くする。逆浸透膜は、圧力が高くなると分離する淡水の割合が増加する特性があるので、供給される海水の圧力が上昇すると、減少傾向にある淡水の流量を上昇させることができ、したがって、出力される淡水の流量をほぼ一定に保持することができる。

これにより、水温の変化だけでなく、逆浸透膜に経時変化が生じた場合であっても、得られる淡水量を安定化することができる。

また、フィードポンプ２は高圧ポンプ４に比べ0.3MPa程度の揚程であり、流量は高圧ポンプ４とエネルギー回収装置８に海水を送るために大きいが、吐出圧力が低圧なので電動機の容量は高圧ポンプの数十分の一となる。このため、フィードポンプ２の電動機をインバータ２１で駆動しても、数十kW程度の比較的汎用的な容量でよいので、インバータ２１は小型で済み、メインテナンスも容易であり、価格も圧倒的に安価である。

図１２は、本発明の第３の実施例を示す海水淡水化システムの構成例を示す模式図であり、該第３の実施例は、図１１に示した第２の実施例のシステムをさらに変形したものである。第２の実施例のように、フィードポンプ２をインバータ２１で駆動制御することは、フィードポンプの運転点、すなわち流量、圧力を変化させることにほかならないが、これにより、フィードポンプ吐出で分岐してエネルギー回収装置８へ供給する圧力、流量も変化する。

一方、エネルギー回収装置８は、フィードポンプ２から供給された海水を、逆浸透膜からの高圧濃縮海水７で加圧し吐出するのであるが、フィードポンプ２の回転数制御により流量が変化すると、海水の吸込み量が増減してしまう。例えば、海水の吸込み量が少なくなり、少なくなる前と同じ量の海水を吐出すると、濃縮海水によって塩濃度が濃くなった海水がエネルギー回収装置８から吐出されてしまう。逆に、海水の吸込みが多くなり、多くなる前と同じ量の海水を吐出すると、余分な海水を装置に吸込み、エネルギー回収装置８からは増えた分は吐出されなくなる。前者の状態となると、逆浸透膜へ供給する海水の塩濃度が高くなり、淡水の生産水量が減少してしまう。また後者の状態になると、前処理した海水を無駄に消費してしまうことになり、淡水生産水量に対する前処理コストがアップすることになる。

このため、図１２に示すように、エネルギー回収装置８の海水吸込みラインに流量センサ２２、および海水吐出ラインに流量センサ２３を設置し、濃縮水排水ラインに自動弁２５を設置する。そして、コントローラ２０により、流量センサ２２及び２３で検出された海水吸込みと海水吐出の流量に応じて、濃縮水排水ラインの自動弁２５で流れ抵抗を変化させて濃縮水排水流量を調整することにより、結果として、エネルギー回収装置８へのフィードポンプ２からの海水の吸込み流量を、海水の吐出ラインに設置した流量センサ２３に応じて調整できるように構成している。その結果、エネルギー回収装置８から逆浸透膜分離装置５へフィードバックされる海水の流量を、ほぼ一定となるように制御することができる。

なお、自動弁２５は、図１２の構成では濃縮水排水ラインに設置したが、フィードポンプ２から分岐してエネルギー回収装置８への海水吸込みラインに設置してもよい。それにより、エネルギー回収装置８の上流で海水の吸込み流量を、海水の吐出ラインに設置した流量センサ２３に応じて調整するように構成することができる。自動弁２５を、エネルギー回収装置８への海水吸込みライン、及び該装置８からの濃縮水排水ラインのいずれに設置した場合でも、同様に海水吸込み流量を調整することができ、エネルギー回収装置８から逆浸透膜分離装置５への海水の流量を安定化することができる。このように、エネルギー回収装置側に海水の吸込みと吐出の流量を制御する機能を持たせることで、フィードポンプ２の回転数制御によって圧力及び流量を変化させても、エネルギー回収装置８の海水吸込み量と濃縮水の給排水量をエネルギー回収装置側で自動調整し、淡水の生産水量の減少や、前処理した海水のロスを少なくする事ができ、結果としてのコストダウンにつながる。

図１３及び図１４はそれぞれ、図１１及び図１２に示した海水淡水化システムにおいて、高圧ポンプ装置１６内で、図３に示した減電圧始動器１２及び開閉器１３からなる駆動電源制御装置３００を用いて、逆浸透膜にポンプの始動・停止時に急激な圧力変動を与えないようにした実施例である。これら図中、インバータ２１及び自動弁２５を制御するためのコントローラ等は図示を省略している。図１３及び図１４に示した海水淡水化システムはいずれも、高圧ポンプを大容量化しても、システムを長寿命化しかつ安定して駆動することができるとともに、高圧ポンプの始動・停止時の逆浸透膜への海水の圧力変化率や流量変化率を逆浸透膜の特性にあわせることができ、かつ、海水温の変化による逆浸透膜の淡水造水率の変化や逆浸透膜の経時変化などによらず、淡水の造水量を一定にすることができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用し得る。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 前処理装置
２ フィードポンプ
３ 電動機
４ 高圧ポンプ
５ 逆浸透膜分離装置
６ 淡水
７ 高圧濃縮水
８ エネルギー回収装置
９ ブースターポンプ
１２ 減電圧始動器
１３ 開閉器
１００ 電源
３００ 駆動電源制御装置

Claims (8)

1. 海水から塩分を除去して淡水化する海水淡水化システムであって、
   淡水化すべき海水の圧力を昇圧する高圧ポンプと、
   逆浸透膜を備え、該逆浸透膜により、高圧ポンプからの海水を塩濃度の低い淡水と塩濃度の高い濃縮海水に分離する分離装置と、
   高圧ポンプを駆動する電動機と、
   電動機と交流電源との間に接続された駆動電源制御装置であって、
   電動機の始動調整期間に電動機に供給する交流電圧を連続的に増加させ、かつ、電動機の停止調整期間に電動機に供給する交流電圧を連続的に減少させる始動・停止調整器と、
   始動・停止調整器に並列接続され、該始動・停止調整器を介して電動機に供給される交流電圧値が交流電源の交流電圧と等しいときに閉鎖されて、交流電源からの交流電圧を電動機に直接供給する開閉器と
   からなる駆動電源制御装置と
   を備えていることを特徴とする海水淡水化システム
2. 請求項１記載の海水淡水化システムにおいて、始動・停止調整器は、電動機に供給する交流電圧を、始動調整期間では、線形ではなく上に凸の単調増加関数に沿って増大させ、停止調整期間では、線形ではなく上に凸の単調減少関数に沿って減少させるよう構成されていることを特徴とする海水淡水化システム。
3. 請求項２記載の海水淡水化システムにおいて、上に凸の単調増加関数は、交流電源の交流電圧に漸近するよう増大し、上に凸の単調減少関数は、交流電源の交流電圧に漸近した状態からゼロ電圧まで減少することを特徴とする海水淡水化システム。
4. 請求項１記載の海水淡水化システムにおいて、始動調整期間及び停止調整期間の時間幅は、分離装置の逆浸透膜に必要な単位時間当たりの許容される最大圧力上昇勾配及び常用運転圧力によって決定される時間幅以上で、始動・停止調整器の設定可能最大時間以下に設定されることを特徴とする海水淡水化システム。
5. 請求項１〜４いずれかに記載の海水淡水化システムにおいて、該システムはさらに、
   高圧ポンプの前段に備えられ、海水を高圧ポンプに送るフィードポンプと、
   フィードポンプを駆動する別の電動機と、
   分離装置から得られた淡水の流量及び温度、並びに、分離装置の吸い込み口での海水の圧力に基づいて、別の電動機を制御することにより、フィードポンプから出力される海水の量を調整して、分離装置から得られる淡水の流量が安定化するように制御する第１の制御手段と
   を備えていることを特徴とする海水淡水化システム。
6. 請求項５記載の海水淡水化システムにおいて、該システムはさらに、
   フィードポンプの吐出ラインから分岐して海水を吸込み、該海水を分離装置から排出される高圧濃縮海水で昇圧して吐出するエネルギー回収装置と、
   エネルギー回収装置のフィードポンプからの海水吸込み流量または該回収装置から外部に排出される濃縮水の流量を調整する自動弁と、
   フィードポンプからエネルギー回収装置に供給される海水吸込み流量、及び、エネルギー回収装置から分離装置に供給される流量に基づいて、自動弁の開度を制御することにより、エネルギー回収装置から分離装置に供給される海水の量が安定化するように制御する第２の制御手段と
   を備えたことを特徴とする海水淡水化システム。
7. 海水から塩分を除去して淡水化する海水淡水化システムであって、
   淡水化すべき海水を提供するフィードポンプと、
   フィードポンプから提供された海水の圧力を昇圧する高圧ポンプと、
   逆浸透膜を備え、該逆浸透膜により、高圧ポンプからの海水を塩濃度の低い淡水と塩濃度の高い濃縮海水に分離する分離装置と、
   フィードポンプ及び高圧ポンプを駆動する第１及び第２の電動機と、
   分離装置から得られた淡水の流量及び温度、並びに、分離装置の吸い込み口での海水の圧力に基づいて、第１の電動機を制御することにより、フィードポンプから出力される海水の量を調整して、分離装置から得られる淡水の流量が安定化するように制御する第１の制御手段と
   を備えていることを特徴とする海水淡水化システム。
8. 請求項７記載の海水淡水化システムにおいて、該システムはさらに、
   フィードポンプの吐出ラインから分岐して海水を吸込み、該海水を分離装置から排出される高圧濃縮海水で昇圧して吐出するエネルギー回収装置と、
   エネルギー回収装置のフィードポンプからの海水吸込み流量または該回収装置から外部に排出される濃縮水の流量を調整する自動弁と、
   フィードポンプからエネルギー回収装置に供給される海水吸込み流量、及び、エネルギー回収装置から分離装置に供給される流量に基づいて、自動弁の開度を制御することにより、エネルギー回収装置から分離装置に供給される海水の量が安定化するように制御する第２の制御手段と
   を備えていることを特徴とする海水淡水化システム。