(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
逆浸透膜の供給水側に給水ポンプにより海水を供給し、逆浸透膜の透過水側から淡水を取り出すとともに、逆浸透膜の濃縮水側に動力回収タービンを設けて濃縮水が有するエネルギーを回収するに際し、透過水側の流量を制御することにより、濃縮水側の圧力を、海水の温度が変化した場合に供給海水量に対し予め定められた所定の淡水造水量の割合を達成するための逆浸透膜の膜間差圧の変動範囲のうちの実質的に最高の圧力から、供給水側から濃縮水側に至る間の圧力低下分を差し引いた圧力に制御して、該濃縮水側の圧力がとり得る範囲内のうちの一定レベル以上の高圧に維持することを特徴とする、逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収方法。
【請求項２】
逆浸透膜の供給水側の圧力を、濃縮水の動力回収タービン前での減圧制御によって制御する、請求項１の逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収方法。
【請求項３】
逆浸透膜を有する逆浸透膜モジュールユニットと、逆浸透膜モジュールユニットに給水ポンプからの海水を供給する供給水路と、逆浸透膜モジュールユニットからの透過水を淡水として取り出す透過水路と、逆浸透膜モジュールユニットで濃縮された濃縮水を排出する濃縮水路と、濃縮水路に設けられ、濃縮水が有するエネルギーを回収する動力回収タービンとを備えた装置において、透過水路に、濃縮水路における圧力を、海水の温度が変化した場合に供給海水量に対し予め定められた所定の淡水造水量の割合を達成するための逆浸透膜の膜間差圧の変動範囲のうちの実質的に最高の圧力から、供給水側から濃縮水側に至る間の圧力低下分を差し引いた圧力に制御して、予め定められた目標圧力に維持する流量制御弁を設けたことを特徴とする、逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収装置。
【請求項４】
給水ポンプ駆動用モータに動力回収タービンが機械的に連結されている、請求項３の逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、逆浸透膜方式海水淡水化装置において濃縮水側に動力回収タービンを設けて濃縮水が有するエネルギーを回収できるようにした動力回収方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
逆浸透膜（以下、ＲＯ膜と言うこともある。）を有するＲＯ膜モジュールユニットを用いて、供給されてくる海水を一定の量割合で淡水化するシステムが知られている。
【０００３】
このシステムにおいては、図２に示すように、通常、ＲＯ膜１０１での淡水化に必要な膜間差圧（供給水側の圧力と透過水側の圧力との差圧）を確保するために、給水ポンプ１０２により比較的高圧でＲＯ膜モジュールユニット１０３の供給水側に海水を供給する。たとえば海水の塩濃度が３．５％の場合、供給水の運転圧力は約５５〜７０ｋｇ／ｃｍ2 で運転されている。また、供給水路１０４には、通常、一定の流量で海水を供給するために、入口調整弁１０５が設けられている。ＲＯ膜１０１の供給水側に供給された海水は、そのうちの所定割合（たとえば、４０％）の量の海水が所定の膜間差圧により透過水側に透過され、透過水路１０６を介して淡水として取り出される。残りの海水（たとえば、供給水に対し６０％の量の海水）は濃縮水となり、濃縮水路１０７を介して排出される。この濃縮水は、ＲＯ膜モジュールユニット１０３で約１〜３ｋｇ／ｃｍ2 圧力が低下するものの、約５２〜６７ｋｇ／ｃｍ2 程度の高圧に維持されている。高圧の濃縮水をそのまま排出するのではエネルギーロスが大きいので、濃縮水路１０７に動力回収タービン１０８が設けられ、濃縮水によって動力回収タービン１０８を駆動してそのエネルギーを回収するようにしている。回収されたエネルギーは、たとえば動力回収タービン１０８を給水ポンプ１０２駆動用のモータ１０９に機械的に連結することにより（たとえば、直結することにより）、給水ポンプ１０２駆動用のエネルギーとして回収され、有効に利用される。
【０００４】
このとき、後述の如く、従来システムでは通常所定の淡水化性能を維持するために、ＲＯ膜モジュールユニット１０３の入口圧力を所定圧力に制御する必要が生じることから、その圧力を検出して、濃縮水路１０７に設けた制御弁１１０（減圧により圧力を制御する弁）で制御するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のような従来システムにおいては、海水の温度変動に伴う、以下のような問題がある。
【０００６】
すなわち、海水の温度が変化すると、ＲＯ膜の膜間差圧が変動する。海水を淡水化するためには、通常、選定したＲＯ膜に応じて、回収率（供給海水量に対する淡水造水量の割合）を所定の一定の回収率に維持することが求められ、この回収率が全ての運転条件に優先する前提条件となっている。
【０００７】
このような回収率を前提条件とする場合、海水の温度が、たとえば１０℃〜３０℃変動した場合（この範囲は通常考えられる一般的な変動範囲である）、維持されるべき膜間差圧はたとえば次のように試算される。
【０００８】
つまり、海水温度が１０℃の場合、ＲＯ膜の膜間差圧としてはたとえば６８ｋｇ／ｃｍ2 （回収率４０％、塩濃度３．５％）にされなければならず、海水温度が３０℃の場合、ＲＯ膜の膜間差圧としてはたとえば５６ｋｇ／ｃｍ2 （回収率４０％、塩濃度３．５％）にされなければならない。
【０００９】
したがって、上記運転条件を満たすためには、給水ポンプ１０２の仕様としては、１０℃の海水の場合での必要膜間差圧６８ｋｇ／ｃｍ2 を確保するための揚程を有するものが必要となる。しかしこのような給水ポンプ１０２を用いてそのまま３０℃の海水を淡水化しようとすると、ＲＯ膜１０１の膜間差圧としては５６ｋｇ／ｃｍ2 を確保しなければならないから、その膜間差圧にするために入口調整弁１０５で減圧して運転することになる。
【００１０】
このように海水の温度変化に応じてＲＯ膜の供給水側（入口側）の圧力を調整して運転する場合、たとえば上記の如く膜間差圧が６８〜５６ｋｇ／ｃｍ2 となるように運転する場合、ＲＯ膜モジュールユニット１０３での圧力低下分を考慮すると、たとえば約３ｋｇ／ｃｍ2 の圧力低下分を考慮すると、ＲＯ膜モジュールユニット１０３の出口側における濃縮水路１０７の圧力は６５〜５３ｋｇ／ｃｍ2 の範囲で変動することになる。濃縮水路１０７に設けられた動力回収タービン１０８で濃縮水が有するエネルギーを回収する場合には、通常、動力回収タービン１０８をある一定入口圧力のものに設計する必要があるので、上記のように濃縮水路１０７の圧力（つまり、動力回収タービン１０８の入口へと通じる流路の圧力）が６５〜５３ｋｇ／ｃｍ2 に変動する条件下においては、結局５３ｋｇ／ｃｍ2 の圧力水のエネルギーを回収するための動力回収タービン１０８とする必要がある。すなわち、動力回収タービン１０８の入口圧力としてとり得る範囲（または、濃縮水側の圧力としてとり得る範囲）のうちの実質的に最低圧力に設定される。その結果、給水ポンプ１０２で供給水に大きなエネルギーを付与しておきながら、動力回収タービン１０８では５３ｋｇ／ｃｍ2 の圧力水のエネルギー分しか回収できないことになり、エネルギー回収率が低いという問題を含んでいる。
【００１１】
そこで本発明の課題は、上記のような海水の温度変化に起因する問題点に着目し、供給海水量に対し所定の一定の淡水造水比率を維持しつつ、動力回収タービンによって回収される濃縮水側のエネルギー回収率を大幅に高めることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る逆浸透膜方式における動力回収方法は、逆浸透膜の供給水側に給水ポンプにより海水を供給し、逆浸透膜の透過水側から淡水を取り出すとともに、逆浸透膜の濃縮水側に動力回収タービンを設けて濃縮水が有するエネルギーを回収するに際し、透過水側の流量を制御することにより、濃縮水側の圧力を、海水の温度が変化した場合に供給海水量に対し予め定められた所定の淡水造水量の割合を達成するための逆浸透膜の膜間差圧の変動範囲のうちの実質的に最高の圧力から、供給水側から濃縮水側に至る間の圧力低下分を差し引いた圧力に制御して、該濃縮水側の圧力がとり得る範囲内のうちの一定レベル以上の高圧に維持することを特徴とする方法からなる。
【００１３】
この方法においては、たとえば逆浸透膜の膜間差圧の変動範囲が前述と同じ６８〜５６ｋｇ／ｃｍ２で、圧力低下分が３ｋｇ／ｃｍ２であるとすると、動力回収タービンをその入口側圧力として６５ｋｇ／ｃｍ２のものに設計し、その圧力を維持できるように透過水側の流量を制御するのである。
【００１４】
本発明に係る逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収装置は、逆浸透膜を有する逆浸透膜モジュールユニットと、逆浸透膜モジュールユニットに給水ポンプからの海水を供給する供給水路と、逆浸透膜モジュールユニットからの透過水を淡水として取り出す透過水路と、逆浸透膜モジュールユニットで濃縮された濃縮水を排出する濃縮水路と、濃縮水路に設けられ、濃縮水が有するエネルギーを回収する動力回収タービンとを備えた装置において、透過水路に、濃縮水路における圧力を、海水の温度が変化した場合に供給海水量に対し予め定められた所定の淡水造水量の割合を達成するための逆浸透膜の膜間差圧の変動範囲のうちの実質的に最高の圧力から、供給水側から濃縮水側に至る間の圧力低下分を差し引いた圧力に制御して、予め定められた目標圧力に維持する流量制御弁を設けたことを特徴とするものからなる。
【００１５】
動力回収タービンによって回収されたエネルギーは、たとえば電気的エネルギーの形態で有効利用をはかることも可能であるが、給水ポンプ駆動用モータに動力回収タービンが機械的に連結されている構造に構成しておけば、動力回収タービンによって回収されたエネルギーをそのまま給水ポンプの駆動に利用することが可能になる。
【００１６】
上記のような本発明に係る動力回収方法および装置においては、供給海水の温度が変化しても、供給海水量に対し所定の一定比率の淡水造水量を確保するように、かつ、動力回収タービンの入口側圧力、つまりＲＯ膜の濃縮水側の圧力が一定レベル以上の所定の高圧（たとえば、上記の如く６５ｋｇ／ｃｍ2 ）を維持できるように、透過水側の流量が制御される。換言すれば、透過水側の流量を制御することによって、その流量制御弁部分での圧力損失分も制御されることになり、この圧力損失分が所望の膜間差圧に上乗せされることになって、目標とする高圧のＲＯ膜濃縮水側の圧力（動力回収タービンの入口側圧力）が達成されるのである。すなわち、供給海水の温度が低い場合には、流量制御弁での絞り量を小さくすることによりこの部分での圧力損失が比較的小さく制御され、所定の淡水造水率の条件下において、目標とする比較的大きな膜間差圧が達成されると同時に、濃縮水側の目標とする高圧が維持される。供給海水の温度が高い場合には、流量制御弁での絞り量を大きくすることによりこの部分での圧力損失が比較的大きく制御され、所定の淡水造水率の条件下において、ＲＯ膜の透過水側出口部分（流量制御弁の上流部分）での圧力が比較的高く保たれ、それによって目標とする比較的小さな膜間差圧に維持されつつ、濃縮水側の圧力としては、海水の温度が低い場合と同じ高圧に維持することが可能となる。
【００１７】
したがって、海水温度の変化にかかわらず、濃縮水側の圧力、つまり動力回収タービンの入口側圧力を、従来装置に比べ大幅に高い圧力に設定でき、その高圧回収用の動力回収タービンを濃縮水路に設置することが可能になる。動力回収タービンで回収対象となる高圧水の圧力が高くなる結果、エネルギー回収率が大幅に高められる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収装置を示している。図１において、１はＲＯ膜を模式的に示しており、該ＲＯ膜１は、スパイラル状膜や中空糸膜等の形態でモジュールとして形成され、そのモジュールが複数ＲＯ膜モジュールユニット２として組み込まれている。このＲＯ膜モジュールユニット２の供給水室３（供給水側）に、供給水としての海水が、給水ポンプ４により供給水路５を介して供給される。供給水路５には、流量センサ６と入口調整弁７（主として流量を制御する弁）が設けられており、本実施態様ではさらに、ＲＯ膜モジュールユニット２の入口側圧力を検知する圧力センサ８が設けられている。
【００１９】
ＲＯ膜モジュールユニット２では、供給水室３に供給された高圧の海水のうち、予め定められた所定割合（たとえば、４０％）の量の海水が、ＲＯ膜１を透過され、塩濃度が十分に低い淡水として、透過水室９から取り出される。このように造水された淡水は、透過水路１０を介して取り出されるが、この透過水路１０に、流量センサ１１によって検知される透過水量が、供給海水量に対し上記所定割合となるように制御可能な流量制御弁１２が設けられている。この流量制御弁１２は、本発明においては、同時に、ＲＯ膜１の濃縮水側の圧力を、後述の動力回収タービンに応じた所定の高圧に維持するように制御する。
【００２０】
ＲＯ膜モジュールユニット２の供給水室３からは、濃縮水路１３を介して濃縮水が排出される。この濃縮水路１３に、動力回収タービン１４が設けられている。動力回収タービン１４は、本実施態様では、給水ポンプ４駆動用のモータ１５に機械的に直結されており、回収動力がそのまま給水ポンプ４の駆動用エネルギーとして利用できるようになっている。
【００２１】
なお本実施態様では、上記濃縮水路１３に圧力制御弁１６が設けられており、前述の圧力センサ８からの信号に基づいて、ＲＯ膜モジュールユニット２の入口側圧力を所望の圧力にコントロールできるようになっている。ただし、この圧力制御系は、本発明においては、流量制御弁１２による濃縮水側の圧力制御によって結果的にＲＯ膜モジュールユニット２の入口側圧力も制御されることになるから、省略することも可能である。
【００２２】
上記のように構成された装置は、たとえば次のように運転される。
前述したと同様に、海水温度が１０℃の場合、ＲＯ膜１の膜間差圧として６８ｋｇ／ｃｍ2 （回収率４０％、塩濃度３．５％）、海水温度が３０℃の場合、ＲＯ膜１の膜間差圧として５６ｋｇ／ｃｍ2 （回収率４０％、塩濃度３．５％）にすることを運転の絶対前提条件とすると、かつ、そのときのＲＯ膜モジュールユニット２における、供給水側から濃縮水側へと至るときの圧力低下分を３ｋｇ／ｃｍ2 とすると、流量制御弁１２は、実質的に常時、ＲＯ膜モジュールユニット２への入口圧力が６８ｋｇ／ｃｍ2 となるように、および、動力回収タービン１４の入口側圧力が６５ｋｇ／ｃｍ2 となるように制御される。つまり、とくに海水の温度が上昇した場合のＲＯ膜の膜間差圧の過剰分を調節するように、流量制御弁１２が制御され、ＲＯ膜モジュールユニット２への入口圧力（ＲＯ膜１の供給水側圧力）が最高圧を維持できるように制御される。
【００２３】
このように入口圧力を最高圧、たとえば６８ｋｇ／ｃｍ2 に維持できれば、ＲＯ膜モジュールユニット２での圧力低下分（３ｋｇ／ｃｍ2 ）を考慮すると、動力回収タービン１４の入口圧力（つまり、動力回収タービン１４のエネルギー回収対象となる高圧水の圧力）を６５ｋｇ／ｃｍ2 に設定することが可能となり、この条件で運転を続けることが可能となる。
【００２４】
この状態では、動力回収タービン１４の回収対象圧力が、前述した従来の５３ｋｇ／ｃｍ2 から６５ｋｇ／ｃｍ2 に高められ、エネルギー回収率を約１．２３倍（〔６５ｋｇ／ｃｍ2 〕／〔５３ｋｇ／ｃｍ2 〕）に上げることが可能となる。
【００２５】
上記動力回収タービン１４の入口圧力６５ｋｇ／ｃｍ2 は、海水温度の変化にかかわらず常時維持されることにより、海水温度の変化に起因する、制御すべきＲＯ膜膜間差圧の変動は、全て流量制御弁１２部分で調節される圧力損失分によって吸収されることになる。したがって、動力回収タービン１４部分では、常時高エネルギー回収率が達成される。
【００２６】
なお、上記実施態様では、流量制御弁１２による流量制御系およびそれに伴う濃縮水側の圧力制御系と、圧力制御弁１６によるＲＯ膜モジュールユニット２の入口圧力制御系とが併存されているが、各制御系の応答ゲインの調整により、たとえば流量制御弁１２による制御を主制御とし、圧力制御弁１６による制御を従制御とすることにより、各制御系が干渉し合ってハンチング等を起こすことは防止でき、両制御系の併存により、より正確に目標とする圧力制御が可能となる。
【００２７】
また、上記実施態様の説明では、動力回収タービン１４の入口圧力を６５ｋｇ／ｃｍ2 に設定したが、膜間差圧からして濃縮水側のとり得る圧力の範囲のうちの一定レベル以上の高圧に設定することにより、程度の差こそあれ、エネルギー回収率の向上効果は得られる。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収方法および装置によれば、逆浸透膜の透過水側の流量を制御して濃縮水側の圧力を一定レベル以上の高圧に制御することにより、動力回収タービンによるエネルギー回収率を大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係る逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収装置の機器系統図である。
【図２】従来の逆浸透膜方式海水淡水化装置における動力回収装置の機器系統図である。
【符号の説明】
１  逆浸透膜
２  逆浸透膜モジュールユニット
３  供給水室
４  給水ポンプ
５  供給水路
６  流量センサ
７  入口調節弁
８  圧力センサ
９  透過水室
１０  透過水路
１１  流量センサ
１２  流量制御弁
１３  濃縮水路
１４  動力回収タービン
１５  給水ポンプ駆動用モータ
１６  圧力制御弁
【図１】
0004341865.tif 000002
【図２】
0004341865.tif 000003