JPWO2015146639A1 - エネルギー回収システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、海水から塩分を除去する逆浸透膜法を用いた海水淡水化プラントにおけるエネルギー回収システムに関する。エネルギー回収システムは、高圧ポンプ（５）で原水を加圧した高圧水を逆浸透膜カートリッジ（８）に供給し、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を容積形エネルギー回収装置（２１）に供給して濃縮水の圧力エネルギーを回収し、容積形エネルギー回収装置に供給された原水の一部を加圧し、原水の加圧水を高圧ポンプで加圧された高圧水に合流させる。エネルギー回収システムは、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の昇圧を行うブースターポンプ（４４）と、容積形エネルギー回収装置による原水の加圧水と高圧ポンプから排出された高圧水との圧力差を利用してエネルギー回収を行うエネルギー回収タービン（１４）を備えた。
Description
本発明は、海水から塩分を除去するための逆浸透膜法を用いた海水淡水化プラントにおける、消費エネルギー削減手段としてのエネルギー回収システムとして使用するのに特に好適である。
逆浸透膜法を用いる海水淡水化プラントは、主として、前処理システム、高圧ポンプ、逆浸透膜カートリッジ、エネルギー回収システムから構成されている。この海水淡水化プラントにおいては、取水された海水は、前処理システムにより一定水質の条件に整えられたのち、高圧ポンプにより加圧され、逆浸透膜カートリッジへと圧送される。逆浸透膜カートリッジ内の高圧海水の一部は、浸透圧力に打ち勝って膜を通過し、塩分が除去された淡水として取り出される。その他の海水は、塩濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜カートリッジからリジェクトとして排出される。海水淡水化プラントにおける最大の運用コストである電力費の半分以上は、高圧ポンプによる海水の加圧に費やされるとされている。そこで、逆浸透膜カートリッジから排出される高塩濃度で高圧のリジェクトが保有する圧力エネルギーを有効に回収する様々な方法が提案されている。
例えば、高圧のリジェクトをノズルなどにより高速噴流とし、その運動エネルギーをタービンによりエネルギー回収し、高圧ポンプを駆動するモータ動力の補助とするエネルギー回収タービンがある。このシステムでは、圧力エネルギーをタービン動力に変換し、さらにそのタービン動力を高圧ポンプの羽根車の駆動に利用することで海水の圧力エネルギーに再変換する形でリジェクトの圧力エネルギーを回収している。図１はこうしたシステムを示しており、従来技術Ａと呼称する。このシステムでは、流体のエネルギーは流体エネルギーから軸動力へ、そして軸動力から流体エネルギーへという二度のエネルギー変換を経て回収される形となり、仮にタービンや高圧ポンプの各々の効率が９０％であったとしても、総合的なエネルギー回収効率は両者の掛け算（９０％×９０％＝８１％）となり低い効率になってしまうという問題がある。また、ポンプ羽根車とタービン翼車は同軸上に配置されるため、運転条件の変化に追随して常にタービンを最適な条件で運転することは困難で、さらに効率低下を生じるという問題もあった。
上記の問題を解決するエネルギー回収システムとして、高圧リジェクトによりチャンバ内のピストンを介して低圧の前処理海水を直接に押し引きすることで昇圧し、容積形ピストンポンプ的な作用によりエネルギー回収を行う容積形エネルギー回収装置を採用するシステムがある。このシステムは、リジェクトが保有する圧力エネルギーは、容積形エネルギー回収装置により一度のエネルギー変換で流体エネルギーとして回収されるため、総合的なエネルギー回収効率が９０〜９８％と高い効率になるという特徴がある。なお、チャンバ内のピストンは円筒状の物体として物理的に前処理海水とリジェクトとの間に隔壁を設けることもあれば、前処理海水とリジェクトとの界面という仮想的な流体ピストンの形態をとることもある。このシステムでは、システム内において生ずる圧力損失を補償した上で、昇圧した前処理海水を高圧ラインに合流させるので、容積形エネルギー回収装置の下流にブースターポンプを設置する必要がある。図２はこうしたシステムを示しており、従来技術Ｂと呼称する。このシステムでは、温度や塩濃度などの環境変化や、膜のスケーリングなど、システム内の圧力損失の変化に追随して圧力を補償する必要があるため、ブースターポンプの駆動には可変速電動モータを採用し、インバータ制御を行うといった工夫が必要となる。ブースターポンプの入口圧は高圧ポンプの吐出圧に近い高圧条件となるため、ブースターポンプとしてはシール構造に配慮した特殊仕様のポンプが必要になるという欠点がある。さらに、起動時や停止時など、運転条件が変化する過渡的な運転条件では制御に注意する必要がある。
さて、海水淡水化プラントで生産する淡水の造水コストを低減するには、回収率を向上させ、同量の取水海水からより多くの淡水を取り出すことが効果的である。このため、上記の逆浸透膜カートリッジからのリジェクトをさらに第二の逆浸透膜カートリッジで処理する、二段逆浸透膜システムが提案されている。第一の逆浸透膜カートリッジからのリジェクトは、取水海水よりも高い塩濃度となるので、その浸透圧増大に打ち勝てるように、第二の逆浸透膜カートリッジの手前に第二の高圧ポンプを配置し、第一の逆浸透膜カートリッジからのリジェクトをさらに昇圧する場合がある。この場合も、第二の逆浸透膜カートリッジからのリジェクトは高い圧力エネルギーを持っており、それを第一および第二の逆浸透膜カートリッジへ向かう高圧海水の圧力エネルギーとして回収し、システム全体のエネルギー消費量を低減することが重要であることは、一段逆浸透膜システムの場合と同じである。
以下に、従来技術について詳細に説明する。
（従来技術Ａ）
逆浸透膜法を用いる海水淡水化プラントを取り上げ、具体的に従来技術の課題を説明する。
（従来技術Ａ）
逆浸透膜法を用いる海水淡水化プラントを取り上げ、具体的に従来技術の課題を説明する。
図１に示すように、送水ポンプ２によりシステムに供給された海水１は、前処理装置３により所定の水質条件に整えられたのち、電動モータ６により駆動される高圧ポンプ５により加圧され、逆浸透膜カートリッジ８へと圧送される。逆浸透膜カートリッジ内の高圧室９の海水の一部は、浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜１０を通過し、塩分が除去された脱塩水１２として低圧室１１から取り出される。その他の海水は、塩濃度が高くなり濃縮されたリジェクトとして、逆浸透膜カートリッジ８からリジェクトライン１３へ排出される。逆浸透膜カートリッジ８から排出された高圧のリジェクトが保有する圧力エネルギーは、回転する翼車を有するエネルギー回収タービン１４により軸動力として回収される。回収された動力は、タービン翼車と同軸で結合された電動モータ６の軸駆動動力の低減に寄与する。タービンの作用により圧力エネルギーを失ったリジェクトは、排出ライン１５からシステム外へ廃棄される。
（従来技術Ｂ）
容積形のエネルギー回収装置を採用する従来技術Ｂについて図２により説明する。この従来技術Ｂでは、逆浸透膜カートリッジからのリジェクトが保有する高圧エネルギーを利用し、複数の圧力変換チャンバー内でリジェクトによりチャンバー内のピストンを押し引きすることで、前処理海水を加圧したのち順次チャンバーから排出するという、容積形ピストンポンプ的な作用により、前処理海水を昇圧する。
容積形のエネルギー回収装置を採用する従来技術Ｂについて図２により説明する。この従来技術Ｂでは、逆浸透膜カートリッジからのリジェクトが保有する高圧エネルギーを利用し、複数の圧力変換チャンバー内でリジェクトによりチャンバー内のピストンを押し引きすることで、前処理海水を加圧したのち順次チャンバーから排出するという、容積形ピストンポンプ的な作用により、前処理海水を昇圧する。
送水ポンプ２によりシステムに供給された海水１は、前処理装置３により所定の水質条件に整えられたのち、電動モータ６により駆動される高圧ポンプ５により加圧され、高圧ライン７を経て逆浸透膜カートリッジ８へと圧送される。一方、逆浸透膜カートリッジ内の高圧室９の海水の一部は、浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜１０を通過し、塩分が除去された脱塩水１２として低圧室１１から取り出される。その他の海水は、塩濃度が高くなり濃縮されたリジェクトとして、逆浸透膜カートリッジ８からリジェクトライン１３へ排出される。カートリッジから排出された高圧のリジェクトが保有する圧力エネルギーは、制御弁１９を介して順次圧力変換チャンバー２０へと導入され、同チャンバー内のピストンを駆動しチャンバー２０内の前処理海水を加圧する。ピストンを駆動した後のチャンバー内のリジェクトは、制御弁１９によりリジェクトライン１３から切り離され、給水ライン４からチャンバー２０へ供給される前処理水により置換されるかたちで、低圧のリジェクトとしてチャンバー２０から排出ライン１５を経由してシステム外へ廃棄される。リジェクトを置換したチャンバー２０内の低圧の前処理海水は、制御弁１９でチャンバー２０へ新たに導入される高圧リジェクトで加圧され、上記のサイクルを繰り返す。このようにして構成された容積形エネルギー回収装置２１により、給水ライン４の海水の一部がポンプアップされ、吐出ライン２２へと排出され、最終的には高圧ポンプ５の出口からの高圧ライン７に合流する。しかしながら、逆浸透膜カートリッジ８や配管の圧力損失、制御弁１９における損失などにより、吐出ライン２２内の流体は高圧ライン７の流体よりも低い圧力となっている。そこで、この両者を合流させるために、吐出ライン２２と高圧ライン７との間には、可変速電動モータ１８で駆動されるブースターポンプ１７が設置される。
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、海水淡水化プラントにおけるトータル消費エネルギーを低減し、かつ流体物性の変化やプロセス環境の変化などに自己追随性を有するエネルギー回収システムを提供することを目的とする。
上述した目的を達成するために、本発明のエネルギー回収システムは、原水を加圧する高圧ポンプから排出された高圧水を逆浸透膜で膜処理して処理水を生成する逆浸透膜カートリッジに供給し、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を容積形エネルギー回収装置に供給して濃縮水の圧力エネルギーを回収して、前記容積形エネルギー回収装置に供給された原水の一部を加圧して原水の加圧水とし、前記原水の加圧水を前記高圧ポンプで加圧された高圧水に合流させるエネルギー回収システムであって、前記逆浸透膜カートリッジと前記容積形エネルギー回収装置との間に設置され、前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の昇圧を行うブースターポンプと、前記容積形エネルギー回収装置による前記原水の加圧水と、前記高圧ポンプから排出された高圧水との圧力差を利用してエネルギー回収を行うエネルギー回収タービンとを備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ブースターポンプから排出された濃縮水を逆浸透膜で膜処理して処理水を生成する第二の逆浸透膜カートリッジを備え、前記逆浸透膜で処理されずに前記第二の逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に供給することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エネルギー回収タービンは、該エネルギー回収タービンによって回収されたエネルギーを前記高圧ポンプの駆動に利用することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エネルギー回収タービンは、タービンと前記高圧ポンプとを一軸の回転軸上に配置した構成からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記タービンと前記高圧ポンプとの回転を切り離す継手を備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エネルギー回収タービンは、該エネルギー回収タービンによって回収されたエネルギーを前記高圧ポンプの駆動に利用することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エネルギー回収タービンは、タービンと前記高圧ポンプとを一軸の回転軸上に配置した構成からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記タービンと前記高圧ポンプとの回転を切り離す継手を備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エネルギー回収タービンは、該エネルギー回収タービンによって回収されたエネルギーを前記ブースターポンプの駆動に利用することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エネルギー回収タービンは、タービンと前記ブースターポンプとを一軸の回転軸上に配置した構成からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記タービンと前記ブースターポンプとの回転を切り離す継手を備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記エネルギー回収タービンは、タービンと前記ブースターポンプとを一軸の回転軸上に配置した構成からなることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記タービンと前記ブースターポンプとの回転を切り離す継手を備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記逆浸透膜カートリッジと前記ブースターポンプとを接続するラインから分岐してバイパスラインを設け、該バイパスラインを前記ブースターポンプと前記容積形エネルギー回収装置とを接続するラインに接続し、前記バイパスラインにバルブを設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記逆浸透膜カートリッジと前記ブースターポンプとを接続するラインから分岐してバイパスラインを設け、該バイパスラインを前記第二の逆浸透膜カートリッジと前記容積形エネルギー回収装置とを接続するラインに接続し、前記バイパスラインにバルブを設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記容積形エネルギー回収装置に濃縮水を供給するラインから分岐して該濃縮水を系外に排出するバルブを有したラインを設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記逆浸透膜カートリッジと前記ブースターポンプとを接続するラインから分岐してバイパスラインを設け、該バイパスラインを前記第二の逆浸透膜カートリッジと前記容積形エネルギー回収装置とを接続するラインに接続し、前記バイパスラインにバルブを設けたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記容積形エネルギー回収装置に濃縮水を供給するラインから分岐して該濃縮水を系外に排出するバルブを有したラインを設けたことを特徴とする。
本発明の海水淡水化システムは、原水として海水をポンプによって昇圧して逆浸透膜カートリッジに通水し、処理水として淡水を、濃縮水として濃縮海水を分離して、海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜カートリッジから吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを回収する上記エネルギー回収システムを備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記海水淡水化システムの起動時に、前記逆浸透膜カートリッジとブースターポンプとを接続するラインから分岐するバイパスラインのバルブを開き、前記高圧ポンプを起動し、その後に前記ブースターポンプを起動することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記海水淡水化システムの起動時に、前記容積形エネルギー回収装置と前記エネルギー回収タービンとを接続するラインから分岐するタービンバイパスラインのバルブを開き、前記容積形エネルギー回収装置を安定運転状態とし、その後に前記タービンバイパスラインのバルブを閉鎖することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記海水淡水化システムの起動時に、前記容積形エネルギー回収装置と前記エネルギー回収タービンとを接続するラインから分岐するタービンバイパスラインのバルブを開き、前記容積形エネルギー回収装置を安定運転状態とし、その後に前記タービンバイパスラインのバルブを閉鎖することを特徴とする。
本発明によれば、容積形エネルギー回収装置で昇圧された原水の加圧水を、高圧ポンプにより昇圧された高圧水に合流させるに際し、容積形エネルギー回収装置のラインと高圧ポンプのラインの間にタービンを配置することで、逆浸透膜や配管、容積形エネルギー回収装置内の制御バルブ等において生ずる圧力損失を、環境条件の変化による損失の変化に自己調整的に追随する形で補償することができる。
以下、本発明に係るエネルギー回収システムの実施形態を図３により説明する。送水ポンプ２によりシステムに供給された海水１は、前処理装置３により所定の水質条件に整えられたのち、電動モータ６により駆動される高圧ポンプ５により加圧され、高圧ライン７を経て逆浸透膜カートリッジ８へと圧送される。逆浸透膜カートリッジ内の高圧室９の海水の一部は、浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜１０を通過し、塩分が除去された脱塩水１２として低圧室１１から取り出される。その他の海水は、塩濃度が高くなり濃縮されたリジェクトとして、逆浸透膜カートリッジ８からリジェクトライン１３へ排出される。リジェクトは電動モータ４５により駆動されるブースターポンプ４４でさらに昇圧されたのち、制御弁１９を介して圧力変換チャンバー２０へと導入され、同チャンバー内のピストンを駆動する。ピストンを駆動しエネルギー変換を終えたリジェクトは、排出ライン１５からシステム外へ廃棄される。このようにして構成された容積形エネルギー回収装置２１により、給水ライン４の前処理海水の一部がポンプアップされ、吐出ライン２２へと排出され、最終的には高圧ポンプ５の出口からの高圧ライン７に合流する。吐出ライン２２の流体はブースターポンプ４４の作用により、高圧ライン７の流体よりも圧力が高くなるように設定され、吐出ライン２２と高圧ライン７の間にエネルギー回収タービン１４を配置することで、両ライン間の落差エネルギーを有効にタービン翼車の軸動力に変換する。エネルギー回収タービン１４において回収された動力は、回転軸１６を介してタービン翼車と同軸で結合された電動モータ６の軸駆動動力の低減に寄与する。なお、エネルギー回収タービン１４と高圧ポンプ５との回転を切り離す継手を設けてもよい。回転を切り離すことで、高圧ポンプ５の円滑な起動が可能となり、定常運転時には回転を結合することで電動モータ６の動力を低減することが可能となる。
本発明のシステムでは、高圧ライン７から容積形エネルギー回収装置２１の吐出ライン２２との間で生じる圧力損失を、ブースターポンプ４４で補償し、かつ海水温や膜のスケーリングなどによる経時変化を含む運転条件の変化に対して、システムを自己調整的に追随させることができるという特徴を有する。従来技術Ｂで必要であった、容積形エネルギー回収装置特有のブースターポンプ１７の可変速モータ制御なども不要となり、制御フリーなシステム構成を実現できるという大きなメリットが得られる。例えば、海水温変化や膜のスケーリングに際し、所定の脱塩水量を維持するために逆浸透膜カートリッジ８へ向かう高圧ライン７の圧力を変化させ調整する場合においても、高圧ライン７から吐出ライン２２までのライン圧力全体がほぼ一様に変化するので、高圧ライン７と吐出ライン２２との間の落差エネルギーは設計値から大きく変化することは無く、タービン１４は自己調整的に良好な効率での運転を維持できる。なお、両ライン間の落差エネルギーを回収したタービン翼車の軸動力に変換された落差エネルギーは電力に変換して高圧ポンプ５やブースターポンプ４４を運転してもよいし、前記ブースターポンプ４４と同軸にしてブースターポンプ４４の運転に寄与してもよい。また、逆浸透膜カートリッジ８とブースターポンプ４４とを接続するラインから分岐してバイパスライン４０を設けることが好ましく、このバイパスライン４０をブースターポンプ４４と容積形エネルギー回収装置２１とを接続するラインに接続し、バイパスライン４０にバルブ４１を設けることが好ましい。これは、海水淡水化システムを起動する際に、ブースターポンプ４４の連れ回りを回避してシステムを起動するために有効であるからである。更に、容積形エネルギー回収装置２１とタービン１４とを接続するラインから分岐してタービンバイパスライン４７を設けることが好ましく、このタービンバイパスライン４７を高圧ライン７に接続し、タービンバイパスライン４７にバルブ４８を設けることが好ましい。これは、海水淡水化システムを起動する際に、容積形エネルギー回収装置２１による十分な圧力変換流量を確保できるようにして安定運転状態としたのちにタービン運転を行うことにより、タービン１４による閉塞を回避してシステムを起動するために有効であるからである。
本発明に係るエネルギー回収システムのさらに望ましい第２の態様を図４により説明する。送水ポンプ２によりシステムに供給された海水１は、前処理装置３により所定の水質条件に整えられたのち、電動モータ６により駆動される高圧ポンプ５により加圧され、高圧ライン７を経て第一の逆浸透膜カートリッジ８へと圧送される。逆浸透膜カートリッジ内の高圧室９の海水の一部は、浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜１０を通過し、塩分が除去された脱塩水１２として低圧室１１から取り出される。その他の海水は、塩濃度が高くなり濃縮されたリジェクトとして、逆浸透膜カートリッジ８からリジェクトライン１３へ排出される。リジェクトは電動モータ４５により駆動されるブースターポンプ４４でさらに昇圧されたのち、高圧ライン２５を経て第二の逆浸透膜カートリッジ２６へと圧送される。第二の逆浸透膜カートリッジ内の高圧室２７の海水の一部は、浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜２８を通過し、塩分が除去された脱塩水１２として低圧室２９から取り出される。その他の海水は、塩濃度が高くなりさらに濃縮されたリジェクトとして、第二の逆浸透膜カートリッジ２６からリジェクトライン３０へ排出される。
第二の逆浸透膜カートリッジ２６からリジェクトライン３０に排出された高圧のリジェクトが保有する圧力エネルギーは、制御弁１９を介して圧力変換チャンバー２０へと導入され、同チャンバー内のピストンを駆動する。ピストンを駆動することでエネルギー変換を終えたリジェクトは、排出ライン１５からシステム外へ廃棄される。このようにして構成された容積形エネルギー回収装置２１により、給水ライン４の前処理海水の一部がポンプアップされ、吐出ライン２２へと排出され、最終的には高圧ポンプ５の出口からの高圧ライン７に合流する。しかしながら、吐出ライン２２は二段昇圧の効果で、高圧ライン７よりも圧力が高いため、吐出ライン２２と高圧ライン７の間にエネルギー回収タービン１４を配置することで、両ライン間の落差エネルギーをタービン翼車の軸動力に変換する。エネルギー回収タービン１４において回収された動力は、回転軸１６を介してタービン翼車と同軸で結合された電動モータ６の軸駆動動力の低減に寄与する。なお、エネルギー回収タービン１４と高圧ポンプ５との回転を切り離す継手を設けてもよい。回転を切り離すことで、高圧ポンプ５の円滑な起動が可能となり、定常運転時には回転を結合することで電動モータ６の動力を低減することが可能となる。
本発明のシステムでは、高効率である容積形エネルギー回収装置２１を採用し、かつ、従来必要とされた可変速電動モータ１８で駆動され吸込み圧が高い特殊ポンプとなるブースターポンプ１７を排することができ、また海水温や膜のスケーリングなどによる経時変化を含むシステム全体の運転条件の変化に対して自己調整的にシステムを追随させることができる。容積形エネルギー回収装置特有の可変速モータ制御は不要であり、制御フリーなシステム構成を実現できるという大きなメリットが得られる。本発明によれば、造水量を増やすために採用される２段昇圧逆浸透膜法を採用するシステムなど、過渡的な運転などで複雑な制御を必要とするシステムにおいて特に有効である。例えば、海水温変化や膜のスケーリングに際し、所定の脱塩水量を維持するために逆浸透膜カートリッジ８へ向かう高圧ライン７の圧力を変化させ調整する場合においても、高圧ライン７から吐出ライン２２までのライン圧力全体がほぼ一様に変化するので、高圧ライン７と吐出ライン２２との間の落差エネルギーは設計値から大きく変化することは無く、タービン１４は自己調整的に良好な効率での運転を維持できる。なお、両ライン間の落差エネルギーを回収したタービン翼車の軸動力に変換された落差エネルギーは電力に変換して高圧ポンプ５やブースターポンプ４４を運転してもよいし、前記ブースターポンプ４４と同軸にしてブースターポンプ４４の運転に寄与してもよい。また、図５に示すように、逆浸透膜カートリッジ８とブースターポンプ４４とを接続するラインから分岐してバイパスライン４０を設けることが好ましく、このバイパスライン４０をブースターポンプ４４と容積形エネルギー回収装置２１とを接続するラインに接続し、バイパスライン４０にバルブ４１を設けることが好ましい。これは、海水淡水化システムを起動する際に、ブースターポンプ４４の連れ回りを回避してシステムを起動するために有効であるからである。更に、図５に示すように、容積形エネルギー回収装置２１とタービン１４とを接続するラインから分岐してタービンバイパスライン４７を設けることが好ましく、このタービンバイパスライン４７を高圧ライン７に接続し、タービンバイパスライン４７にバルブ４８を設けることが好ましい。これは、海水淡水化システムを起動する際に、容積形エネルギー回収装置２１による十分な圧力変換流量を確保できるようにして安定運転状態としたのちにタービン運転を行うことにより、タービン１４による閉塞を回避してシステムを起動するために有効であるからである。
次に、本発明の、海水から塩分を除去するための逆浸透膜法を用いた海水淡水化プラントの起動方法について説明する。
図５は制御システムに必要なバルブやバイパス配管を加えた第２の態様におけるシステム構成図である。
第一の逆浸透膜カートリッジ８とブースターポンプ４４をつなぐリジェクトライン１３と、第二の逆浸透膜カートリッジ２６と容積形エネルギー回収装置２１をつなぐリジェクトライン３０との間にバイパスライン４０と第一のバルブ４１を設け、さらに第二の逆浸透膜カートリッジ２６からのリジェクトライン３０から濃縮海水を系外に排出する排出ライン４２と第二のバルブ４３を設ける。また、起動時に高圧ポンプ５の連れ廻りを回避するためのバルブ４６を高圧ポンプ５の給水ライン４に設ける。
図５は制御システムに必要なバルブやバイパス配管を加えた第２の態様におけるシステム構成図である。
第一の逆浸透膜カートリッジ８とブースターポンプ４４をつなぐリジェクトライン１３と、第二の逆浸透膜カートリッジ２６と容積形エネルギー回収装置２１をつなぐリジェクトライン３０との間にバイパスライン４０と第一のバルブ４１を設け、さらに第二の逆浸透膜カートリッジ２６からのリジェクトライン３０から濃縮海水を系外に排出する排出ライン４２と第二のバルブ４３を設ける。また、起動時に高圧ポンプ５の連れ廻りを回避するためのバルブ４６を高圧ポンプ５の給水ライン４に設ける。
図３乃至図５のシステムを起動するに当たり、まず、容積形エネルギー回収装置２１の制御弁１９により給水ライン４と排出ライン１５を導通させる。また、バルブ４８を開放し、タービンバイパスライン４７を高圧ライン７に導通させる。尚、バルブ４８はタービン１４の定格運転時の落差に相当する損失となるようにしておく。低圧の送水ポンプ２を起動したのち、バイパスライン４０のバルブ４１と、排出ライン４２のバルブ４３を開放した上で、第一の高圧ポンプ５を起動する。この時、膜圧の急上昇による逆浸透膜カートリッジの損傷を避けるため、高圧ポンプ５の電動モータ６にはスロースタータを具備することが好ましい。その後、ブースターポンプ４４を起動し、バイパスライン４０のバルブ４１を閉止する。次に、排出ライン４２のバルブ４３を徐々に閉止しながら、容積形エネルギー回収装置２１の制御弁１９の制御を開始し、バルブ４３が完全に閉止した時点で容積形エネルギー回収装置２１を定常運転状態へ移行する。バルブ４８を徐々に閉止しながらタービンバイパスライン４７を閉鎖し、通水を全量タービン１４へ切り換える。この切り換えにより、吐出ライン２２と高圧ライン７との間に生じる圧力差に応じエネルギー回収タービン１４で回収される軸動力は自己調整されるため、本システムに使用される流体機器に対して特段の制御を加える必要は無い。
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。
本発明は、海水から塩分を除去するための逆浸透膜法を用いた海水淡水化プラントにおける、消費エネルギー削減手段としてのエネルギー回収システムに利用可能である。
１ 海水
２ 送水ポンプ
３ 前処理装置
４ 給水ライン
５ 高圧ポンプ
６ 電動モータ
７ 高圧ライン
８ 逆浸透膜カートリッジ
９ 高圧室
１０ 逆浸透膜
１１ 低圧室
１２ 脱塩水
１３ リジェクトライン
１４ タービン
１５ 排出ライン
１６ 回転軸
１７ ブースターポンプ
１８ 可変速電動モータ
１９ 制御弁
２０ 圧力変換チャンバー
２１ 容積形エネルギー回収装置
２２ 吐出ライン
２５ 高圧ライン
２６ 第二の逆浸透膜カートリッジ
２７ 高圧室
２８ 逆浸透膜
２９ 低圧室
３０ リジェクトライン
４０ バイパスライン
４１ バルブ
４２ 排出ライン
４３ バルブ
４４ ブースターポンプ
４５ 電動モータ
４６ バルブ
４７ タービンバイパスライン
４８ バルブ
２ 送水ポンプ
３ 前処理装置
４ 給水ライン
５ 高圧ポンプ
６ 電動モータ
７ 高圧ライン
８ 逆浸透膜カートリッジ
９ 高圧室
１０ 逆浸透膜
１１ 低圧室
１２ 脱塩水
１３ リジェクトライン
１４ タービン
１５ 排出ライン
１６ 回転軸
１７ ブースターポンプ
１８ 可変速電動モータ
１９ 制御弁
２０ 圧力変換チャンバー
２１ 容積形エネルギー回収装置
２２ 吐出ライン
２５ 高圧ライン
２６ 第二の逆浸透膜カートリッジ
２７ 高圧室
２８ 逆浸透膜
２９ 低圧室
３０ リジェクトライン
４０ バイパスライン
４１ バルブ
４２ 排出ライン
４３ バルブ
４４ ブースターポンプ
４５ 電動モータ
４６ バルブ
４７ タービンバイパスライン
４８ バルブ
Claims (14)
- 原水を加圧する高圧ポンプから排出された高圧水を逆浸透膜で膜処理して処理水を生成する逆浸透膜カートリッジに供給し、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を容積形エネルギー回収装置に供給して濃縮水の圧力エネルギーを回収して、前記容積形エネルギー回収装置に供給された原水の一部を加圧して原水の加圧水とし、前記原水の加圧水を前記高圧ポンプで加圧された高圧水に合流させるエネルギー回収システムであって、
前記逆浸透膜カートリッジと前記容積形エネルギー回収装置との間に設置され、前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の昇圧を行うブースターポンプと、
前記容積形エネルギー回収装置による前記原水の加圧水と、前記高圧ポンプから排出された高圧水との圧力差を利用してエネルギー回収を行うエネルギー回収タービンとを備えたことを特徴とするエネルギー回収システム。 - 前記ブースターポンプから排出された濃縮水を逆浸透膜で膜処理して処理水を生成する第二の逆浸透膜カートリッジを備え、
前記逆浸透膜で処理されずに前記第二の逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に供給することを特徴とする請求項１記載のエネルギー回収システム。 - 前記エネルギー回収タービンは、該エネルギー回収タービンによって回収されたエネルギーを前記高圧ポンプの駆動に利用することを特徴とする請求項１または２記載のエネルギー回収システム。
- 前記エネルギー回収タービンは、タービンと前記高圧ポンプとを一軸の回転軸上に配置した構成からなることを特徴とする請求項３記載のエネルギー回収システム。
- 前記タービンと前記高圧ポンプとの回転を切り離す継手を備えたことを特徴とする請求項４記載のエネルギー回収システム。
- 前記エネルギー回収タービンは、該エネルギー回収タービンによって回収されたエネルギーを前記ブースターポンプの駆動に利用することを特徴とする請求項１または２記載のエネルギー回収システム。
- 前記エネルギー回収タービンは、タービンと前記ブースターポンプとを一軸の回転軸上に配置した構成からなることを特徴とする請求項６記載のエネルギー回収システム。
- 前記タービンと前記ブースターポンプとの回転を切り離す継手を備えたことを特徴とする請求項７記載のエネルギー回収システム。
- 前記逆浸透膜カートリッジと前記ブースターポンプとを接続するラインから分岐してバイパスラインを設け、該バイパスラインを前記ブースターポンプと前記容積形エネルギー回収装置とを接続するラインに接続し、前記バイパスラインにバルブを設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
- 前記逆浸透膜カートリッジと前記ブースターポンプとを接続するラインから分岐してバイパスラインを設け、該バイパスラインを前記第二の逆浸透膜カートリッジと前記容積形エネルギー回収装置とを接続するラインに接続し、前記バイパスラインにバルブを設けたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
- 前記容積形エネルギー回収装置に濃縮水を供給するラインから分岐して該濃縮水を系外に排出するバルブを有したラインを設けたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
- 原水として海水をポンプによって昇圧して逆浸透膜カートリッジに通水し、処理水として淡水を、濃縮水として濃縮海水を分離して、海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、
前記逆浸透膜カートリッジから吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを回収する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のエネルギー回収システムを備えたことを特徴とする海水淡水化システム。 - 前記海水淡水化システムの起動時に、前記逆浸透膜カートリッジとブースターポンプとを接続するラインから分岐するバイパスラインのバルブを開き、前記高圧ポンプを起動し、その後に前記ブースターポンプを起動することを特徴とする請求項１２記載の海水淡水化システム。
- 前記海水淡水化システムの起動時に、前記容積形エネルギー回収装置と前記エネルギー回収タービンとを接続するラインから分岐するタービンバイパスラインのバルブを開き、前記容積形エネルギー回収装置を安定運転状態とし、その後に前記タービンバイパスラインのバルブを閉鎖することを特徴とする請求項１２記載の海水淡水化システム。
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