(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原水を加圧する高圧ポンプと、
前記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と、
前記逆浸透膜で処理されないで前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の圧力を利用して、供給された原水を加圧する容積形ピストンポンプと、
前記容積形ピストンポンプにより加圧された加圧水を昇圧して前記高圧ポンプから排出された高圧水に合流させる動力回収ポンプタービンとを備えた動力回収システムであって、
前記動力回収ポンプタービンの動力源を前記システム内で発生した圧力水としたことを特徴とする動力回収システム。
【請求項２】
原水を取水して前記高圧ポンプと前記容積形ピストンポンプに供給する取水ポンプを備えたことを特徴とする請求項１記載の動力回収システム。
【請求項３】
前記圧力水は、前記高圧ポンプから排出された前記高圧水であることを特徴とする請求項１又は２記載の動力回収システム。
【請求項４】
前記圧力水は、前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の一部であることを特徴とする請求項１又は２記載の動力回収システム。
【請求項５】
前記動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、
前記タービンは、前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジとを接続する高圧ライン上に配置されており、
前記ブースターポンプは、前記容積形ピストンポンプと前記高圧ラインとを接続する供給水バイパスブーストライン上に配置されていることを特徴とする請求項３記載の動力回収システム。
【請求項６】
前記動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、
前記タービンは、前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水が流れる濃縮水ラインから分岐されて濃縮水分岐ライン上に配置されており、
前記ブースターポンプは、前記容積形ピストンポンプと前記高圧ラインとを接続する供給水バイパスブーストライン上に配置されていることを特徴とする請求項４記載の動力回収システム。
【請求項７】
前記高圧ポンプから排出される前記高圧水を流量制御する高圧ポンプ吐出弁と、
前記タービンに流入する前記濃縮水を流量制御するタービン入口弁と、
前記ブースターポンプから排出されるブースト水を流量制御するブースターポンプ吐出弁と、
前記容積形ピストンポンプの制御弁から排出される濃縮水を制御する動力回収出口弁とを備えたことを特徴とする請求項６記載の動力回収システム。
【請求項８】
前記取水ポンプから供給される前記原水の流量を計測する供給水流量計と、
前記逆浸透膜カートリッジから排出される前記処理水の流量を計測する処理水流量計と、
前記逆浸透膜カートリッジから排出される前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計と、
前記取水ポンプから一部分岐して前記容積型ピストンポンプの切り替え弁に導入される前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計と、
前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の一部を分岐した前記濃縮水の流量を計測するタービン入り口流量計とを備えたことを特徴とする請求項６記載の動力回収システム。
【請求項９】
前記容積形ピストンポンプは、
前記濃縮水を導入して該濃縮水の通過流路の切換えを行う制御弁と
前記供給された前記原水の吸入と吐出の切り替えを行う切り替え弁部と、
前記制御弁を通過した前記濃縮水のエネルギーを前記切り替え弁部を通過して吸入した前記原水に伝達する動力回収チャンバーとを備え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動力回収システム。
【請求項１０】
動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、
前記タービンは、高圧ポンプにより加圧された高圧水を導入して該高圧水の圧力を回転力に変換するタービンであり、
前記ブースターポンプは、容積形ピストンポンプにより加圧された加圧水を前記回転軸を介して伝達された前記回転力によって昇圧するブースターポンプであり、
前記タービンは、吸込口と吐出口を有する配管状のタービンケーシングの径方向中心位置に、前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にタービンインペラを配置した構造であり、
前記ブースターポンプは、吸込口と吐出口を有する配管状のブースターポンプケーシングの径方向中心位置に、前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にブースターポンプインペラを配置した構造であることを特徴とする動力回収装置。
【請求項１１】
前記配管状のタービンケーシングと前記配管状のブースターポンプケーシングとは並設されており、前記回転軸は前記タービンケーシングと前記ブースターポンプケーシングとを貫通して延び、前記回転軸は該貫通部にて支持部材により回転可能に支持されていることを特徴とする請求項１０記載の動力回収装置。
【請求項１２】
前記タービンインペラは軸流羽根であり、前記ブースターポンプインペラは軸流羽根であることを特徴とする請求項１０又は１１記載の動力回収装置。
【請求項１３】
動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、
前記タービンは、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の一部を導入して該濃縮水の圧力を回転力に変換するタービンであり、
前記ブースターポンプは、容積形ピストンポンプにより加圧された加圧水を前記回転軸を介して伝達された前記回転力によって昇圧するブースターポンプであり、
前記タービンは、吸込口と吐出口の口部を有するタービンケーシング内に前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にタービンインペラを配置した構造であり、
前記ブースターポンプは、吸込口と吐出口の口部を有するブースターポンプケーシング内に前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にブースターポンプインペラを配置した構造であり、
前記回転軸の軸方向において、前記タービンケーシングと前記ブースターポンプケーシングの前記口部と反対側の面端部同士を突き合わせて締結した組合わせ構造であって、該タービンケーシングと該ブースターポンプケーシングとの間に、前記回転軸を回転可能に支持する軸受手段を配置したことを特徴とする動力回収装置。
【請求項１４】
前記タービンケーシング内に前記タービンインペラを回転可能に支持する軸受手段を配置したことを特徴とする請求項１３記載の動力回収装置。
【請求項１５】
前記タービンインペラは遠心羽根であり、前記ブースターポンプインペラは斜流羽根又は軸流羽根であることを特徴とする請求項１３又は１４記載の動力回収装置。
【請求項１６】
供給された原水を高圧ポンプで加圧し、加圧された高圧水を逆浸透膜カートリッジに導入して逆浸透膜で膜処理して処理水を生成し、
前記逆浸透膜で処理されないで前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を容積形ピストンポンプに導入し、該容積形ピストンポンプにおいて前記濃縮水の圧力を利用して、供給された原水を加圧し、
前記高圧ポンプにより加圧された前記高圧水又は前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の一部の圧力を動力源として、動力回収ポンプタービンのタービンを駆動し、該動力回収ポンプタービンのブースターポンプにより、前記容積形ピストンポンプで加圧された加圧水を昇圧して前記高圧ポンプで加圧された前記高圧水と合流させることを特徴とする動力回収方法。
【請求項１７】
取水ポンプにより原水を取水して前記高圧ポンプと前記容積形ピストンポンプに供給することを特徴とする請求項１６記載の動力回収方法。
【請求項１８】
前記高圧ポンプから排出される前記高圧水の流量を制御する高圧ポンプ吐出弁は、前記処理水の流量を計測する処理水流量計の計測データまたは前記取水ポンプから排出される原水の流量を計測する供給水流量計の計測データに基づき、弁開度を制御することを特徴とする請求項１７記載の動力回収方法。
【請求項１９】
前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計の流量または前記容積形ピストンポンプの切り替え弁部に導入する前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように、前記タービンに導入する前記濃縮水の流量を制御するタービン入口弁の弁開度を制御することによって、前記ブースターポンプを制御することを特徴とする請求項１６記載の動力回収方法。
【請求項２０】
前記動力回収ポンプタービンの回転数がほぼ一定となるように、もしくは、前記タービンに導入する前記濃縮水の流量を計測するタービン入り口流量計の流量が一定となるように、前記タービンの入口側に設けられたタービン入口弁の弁開度を制御し、
さらに、前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計の流量または前記容積形ピストンポンプの切り替え弁部に導入する前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように、前記ブースターポンプで加圧したブースト水の流量を制御するブースターポンプ吐出弁の弁開度を制御することを特徴とする請求項１６記載の動力回収方法。
【請求項２１】
前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計の流量または前記容積形ピストンポンプの切り替え弁部に導入する前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように、前記ブースターポンプで加圧したブースト水の流量を制御するブースターポンプ吐出弁の弁開度を制御しながら、
さらに、前記ブースターポンプ吐出弁の動作に合わせて、前記タービンに導入する前記濃縮水の流量を制御するタービン入口弁の動作を制御することを特徴とする請求項１６記載の動力回収方法。
【請求項２２】
前記ブースターポンプ吐出弁の弁開度が小さくなってきた場合に、前記タービン入口弁の弁開度を絞る方向に指令し、その後、該ブースターポンプ吐出弁の弁開度が、十分開いたところで、前記タービン入口弁の弁開度を保持することを特徴とする請求項２１記載の動力回収方法。
【請求項２３】
前記ブースターポンプ吐出弁の弁開度が大きくなってきた場合に、前記タービン入口弁の弁開度を広げる方向に指令し、その後、該ブースターポンプ吐出弁の弁開度が、十分閉じたところで、前記タービン入口弁の弁開度を保持することを特徴とする請求項２１記載の動力回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を高圧で圧送することを含む、工業的な処理プロセス及び流体精製プロセスにおいて、プロセスにおけるトータル消費エネルギーを低減するための動力回収システムに関する。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動力回収システムとして使用するのに特に好適である。
【背景技術】
【０００２】
高圧流体を用いる工業的プロセス又は流体精製プロセスでは、高圧流体を精製するための動力コストが多大となるため、プロセス処理を行った後の高圧流体からエネルギーを回収するいくつかの方法が試みられてきた。その典型事例として、逆浸透膜法を用いる海水淡水化プラントについて従来技術の課題を説明する。
【０００３】
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、動力回収システムから構成されている。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、逆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、塩分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、高圧ポンプによる加圧に費やされることが多い。従って、逆浸透膜カカートリッジから排出される高塩分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種々の方法が提案されている。
【０００４】
例えば、高圧のリジェクトをノズルにより高速噴流とし、その運動エネルギーをペルトン水車により動力回収し、高圧ポンプを駆動するモータ動力の補助とするペルトン水車型動力回収システムがある。以下、この動力回収システムを従来技術Ａという。このシステムでは、ペルトン水車とポンプ羽根車が同一の主軸に組みつけられることが一般的であり、両者の回転速度を独立して変化させることが出来ないという欠点がある。この結果、ペルトン水車自体の効率は高いものの、例えば造水量の季節変動に追随した海水淡水化プラントの運用を行おうとすると、水車としての最高効率より大幅に低い効率での運転を余儀なくされることがあるという問題があった。
【０００５】
高圧のリジェクトからエネルギーを回収する他の動力回収システムとして、タービンランナーとポンプ羽根車を同軸上に結合して配置し（動力回収ポンプタービンと呼ばれる）、高圧リジェクトでタービンを回転することによりポンプを駆動し、このポンプ（動力回収ポンプタービンと呼ばれる）をブースターポンプとして使用することにより高圧ポンプの動力を節減する動力回収システムがある。このシステムには、前処理システムからの海水を高圧ポンプと動力回収タービンのポンプ部分に供給し、動力回収ポンプタービンのポンプ部分で昇圧された海水を高圧ポンプで昇圧された海水に合流させるシステムと、前処理システムからの海水の全流量を高圧ポンプおよび動力回収ポンプタービンのポンプ部分に流すシステムとがある。以下、前者を従来技術Ｂと云い、後者を従来技術Ｃと云う。従来技術Ｂにおいては、動力回収ポンプタービンのタービン効率が低いと十分な動力を回収できないという問題点があり、また高圧ポンプと同等ヘッドを動力回収ポンプタービンが担うため、その効率が低いとシステム全体への影響が大きいという問題点がある。従来技術Ｃにおいては、動力回収ポンプタービンのポンプ部分を全流量が流れるため、ポンプ性能が低い場合にはプラント全体のエネルギー効率に大きな影響を及ぼすという欠点がある。
【０００６】
さらに他の動力回収システムとして、高圧リジェクトによりシリンダ内のピストンを駆動し、容積型ピストンポンプとして活用することにより動力回収を行う動力回収システムがある。以下、この動力回収システムを従来技術Ｄという。こうした容積型動力回収装置では、制御バルブにおいて生ずる圧力損失を補償するために、容積型ピストンポンプの下流に低ヘッドの可変速インバータ駆動のブースターポンプを設置することが一般的である。しかしながら、こうしたブースターポンプは入口圧力が高い特殊なポンプ構造を要求され、耐圧性の高い高価なメカニカルシールの採用を余儀なくされるという欠点があることが知られている。また、この方式の場合、他の方式よりも外部からのエネルギーを供給しなければならない電気機器が多く、システム全体としての信頼性の低下に繋がる。
【０００７】
以下に、従来技術について詳細に説明する。
（従来技術Ａ）
高圧流体を用いる工業的プロセス又は流体精製プロセスにおいて、プロセス処理を行った後の高圧流体からエネルギーを回収する方法の中で、タービンを用いる従来技術Ａについて図２６により説明する。なお、工業プロセスの典型事例として、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。
【０００８】
取水ポンプ２により取水された海水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、逆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カートリッジ８から濃縮海水ライン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タービン１４により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の駆動動力低減に寄与する。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、低圧のタービンリジェクト１５として廃棄される。
【０００９】
例えば、１６トレインの海水淡水化装置を用いた造水量約５０ＭＧＤ（５０メガガロン／日）クラスのプラントで、逆浸透膜カートリッジを約７．７Ｍｐａに加圧し、取水した海水の２８％を淡水化する場合のタービン（効率８８％）によるエネルギー回収は、１トレイン当たり、約２２８０ｋＷとなり、高圧ポンプに必要な動力を約２０９０ｋＷにまで低減することが可能になる。しかしながら、上記に述べた理由などにより最適なタービンの運転が阻害され、仮にタービン効率が５％低下すると仮定した場合には約１３０ｋＷのエネルギーが未回収となる。なお、タービン形式としてはペルトンタービンが採用されることが多いが、この場合には、高圧リジェクトは高速のジェットとして大気中に噴出された後、タービン翼車のバケットに衝突して翼車を駆動する。この時点で、リジェクトの圧力は大気圧となるため、リジェクトを排出ラインから廃棄するためのポンプなどの付帯設備が必要となる。
【００１０】
上記のプラントにおいて、取水した海水の４５％を淡水化する場合のタービン（効率８８％）によるエネルギー回収は約１０８０ｋＷとなり、高圧ポンプに必要な動力を約１６３０ｋＷにまで低減することが可能になる。仮にタービン効率が５％低下すると仮定した場合には約６０ｋＷのエネルギーが未回収となる。
【００１１】
（従来技術Ｂ）
次に、ポンプ羽根車とタービン翼車が１軸で結合され、タービン翼車で回収した動力だけでポンプ羽根車を駆動する「動力回収ポンプタービン」あるいは「ターボチャージャポンプ」と呼ばれる機械装置を使用した従来技術Ｂについて図２７により説明する。
【００１２】
取水ポンプ２により取水された海水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、逆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カートリッジ８から濃縮海水ライン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、動力回収ポンプタービン１８のタービン１４に導かれ、そのケーシング内に設置されたタービン翼車を駆動する。この結果、回転軸１６により結合されたブースターポンプ１７内のポンプ羽根車が回転し、高圧のリジェクトが保有していたエネルギーが有効動力として回収されることになる。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、低圧のタービンリジェクト１５として廃棄される。回収された動力は、タービン翼車と同軸で結合されたポンプ羽根車の駆動に消費され、供給ライン４からの海水はポンプアップされ、ブースターポンプ吐出ライン１９を通って、高圧ポンプ吐出しの高圧ライン７の流体と合流して逆浸透膜カートリッジ８へと圧送される。この結果、ある造水量を得る際に高圧ポンプ５により昇圧される流体の流量は減少し、高圧ポンプ５を駆動するためのモータ６の電力コストを低減することができる。
【００１３】
この場合、タービン翼車は逆浸透膜カートリッジ８からの圧力７ＭＰａ以上の高圧海水により駆動されるためタービン１４の選定が困難であり、またタービンと同軸で連結されたポンプにおいても高効率を確保するためのポンプ選定が容易ではないという欠点がある。
前述した、１６トレインの海水淡水化装置を用いた造水量約５０ＭＧＤ（５０メガガロン／日）クラスのプラントで、取水した海水の２８％を淡水化する場合、１トレイン当たり、高圧ポンプに必要な動力は約１９６０ｋＷにまで低減することが可能になり、また取水した海水の４５％を淡水化する場合には動力を約１５７０ｋＷにまで低減することができる。しかしながら、上述したタービンとポンプの選定の難しさなどにより動力回収ポンプタービンのポンプ及びタービンの効率が各々５％低下すると仮定した場合には、２８％の淡水回収の場合は１２０ｋＷ、４５％の淡水回収では１６０ｋＷの電力増となる。なお、後者の場合にはタービン形式はペルトンタービンとなるため、リジェクトを排出ラインから廃棄するためのポンプなどの付帯設備が必要となる上に、動力回収ポンプタービンの回転速度が５０００ｒｐｍを超えることも想定されるなど、技術的な課題が多い。
【００１４】
（従来技術Ｃ）
動力回収ポンプタービンを用いたその他の従来技術として、動力回収ポンプタービンを高圧ポンプのブースターポンプとして使用した従来技術Ｃについて図２８により説明する。
【００１５】
取水ポンプ２により取水された海水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を経て動力回収ポンプタービン１８のブースターポンプ１７へと送り込まれる。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、逆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カートリッジ８から濃縮海水ライン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、動力回収ポンプタービン１８のタービン１４に導かれ、そのケーシング内に設置されたタービン翼車を駆動する。この結果、回転軸１６により結合されたブースターポンプ１７内のポンプ羽根車が回転し、高圧のリジェクトが保有していたエネルギーが有効動力として回収されることになる。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、低圧のタービンリジェクト１５として廃棄される。回収された動力は、タービン翼車と同軸で結合されたポンプ羽根車の駆動に消費され、高圧ライン７からの流体をさらにブーストアップすることができる。動力削減効果は、理論的には従来技術Ｂと同一である。
【００１６】
（従来技術Ｄ）
容積型の動力回収装置である従来技術Ｄについて図２９により説明する。この従来技術Ｄでは、逆浸透膜カートリッジの保有する高圧エネルギーにより、一対の容積型ピストンポンプのピストンを駆動し、取水した海水をポンプアップしている。
【００１７】
取水ポンプ２により取水された海水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、逆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カートリッジ８から濃縮海水ライン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２０を介して動力回収チャンバー２１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により圧力エネルギーを失ったリジェクトは、低圧のリジェクトとして排出ライン１５により廃棄される。このようにして構成された容積型ピストンポンプ２３により、供給ライン４の海水の一部がポンプアップされる供給海水バイパスブーストライン２４へと排出され、最終的には高圧ポンプ５の出口からの高圧水に合流する。しかしながら、逆浸透膜カートリッジや配管の圧力損失、制御弁２０における損失、動力回収チャンバーと内部のピストンとの間の漏れ損失などにより、供給海水バイパスブーストライン２４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。この両者を合流させるために、供給海水バイパスブーストライン２４とブースターポンプ吐出ライン１９との間にはモータ２６で駆動されるブースターポンプ１７が設置される。
【００１８】
前述したような、１６トレインの海水淡水化装置を用いた造水量約５０ＭＧＤ（５０メガガロン／日）クラスのプラントで、取水した海水の２８％を淡水化する場合、１トレイン当たり、高圧ポンプに必要な動力は約１４４０ｋＷにまで低減することが可能になり、また取水した海水の４５％を淡水化する場合には動力を約１３３０ｋＷにまで低減することができる。ブースターポンプ２５に求められるヘッドは配管等の圧力損失分だけであり小さな値であるが、同ポンプの入口圧は７ＭＰａ前後の高圧条件となるため、シール構造に配慮した特殊ポンプが必要になるという欠点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、流体を高圧で圧送することを含む、工業的な処理プロセス及び流体精製プロセスにおいて、プロセスにおけるトータル消費エネルギーを低減することができる動力回収システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した目的を達成するために、本発明の動力回収システムは、供給された原水を加圧する高圧ポンプと、前記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と、前記逆浸透膜で処理されないで前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の圧力を利用して、供給された原水を加圧する容積形ピストンポンプと、前記容積形ピストンポンプにより加圧された加圧水を昇圧して前記高圧ポンプから排出された高圧水に合流させる動力回収ポンプタービンとを備えた動力回収システムであって、前記動力回収ポンプタービンの動力源を前記システム内で発生した圧力水としたことを特徴とする。
【００２１】
本発明は、流体が高圧で工業的なプロセス内へ圧送され、流体の少なくとも一部が高圧のままプロセスから排出されるように構成された工業的プロセスからエネルギーを回収する動力回収システムである。高圧ポンプにより昇圧され、所定の工業的なプロセスを経たのち高圧で排出される流体は、制御バルブを介して少なくとも２連以上のシリンダ内のピストンを駆動し、容積型ピストンポンプとして作用することにより高圧流体の大半のエネルギーを回収する。同時に、容積型ピストンポンプの制御バルブ等において生ずる圧力損失は、動力回収システム内で発生した圧力水で駆動されるタービンと同軸上に固定されたブースターポンプ、すなわち動力回収ポンプタービンにより補償される。
【００２２】
容積型ピストンポンプは作動条件によらず高効率での運用が可能であり、高圧排出流体が保有するエネルギーの大半を効率的に回収することを可能にする。また、制御バルブ等で生ずる圧力損失を動力回収ポンプタービンにより補償する構成とすることにより、ブースターポンプに必要となる電動モータやインバータ（外部からのエネルギーを供給しなければならない電気機器及びその配線）、さらには高吸込み圧をシールするための特殊なメカニカルシールを不要とすることができ、結果としてシステム全体としての信頼性の向上に繋がる。さらに動力回収ポンプタービンは、制御バルブ等で生ずる比較的少ない圧力損失分だけを発生する低ヘッドの装置で良く、仮に性能が低くとも全体のエネルギー効率への悪影響は極めて少ないという特徴を有する。さらに、ポンプやタービン装置では圧力ヘッドが流量に比して大きい場合には高効率化することが困難である場合があるが、本発明によれば、動力回収ポンプタービンの流体性能を、ほぼ最適な設計条件で実現することができるなど、多くの特長が実現できる。
【００２３】
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、原水を取水して前記高圧ポンプと前記容積形ピストンポンプに供給する取水ポンプを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、原水を取水ポンプにより取水し、高圧ポンプに供給するとともに、高圧ポンプに供給するラインから分岐したバイパスラインにより容積形ピストンポンプに供給する。
【００２４】
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、前記圧力水は、前記高圧ポンプから排出された前記高圧水であることを特徴とする。
本発明によれば、動力回収ポンプタービンの動力源となる圧力水は、高圧ポンプにより加圧された高圧水である。高圧ポンプからの高圧水は、全量、動力回収ポンプタービンのタービンに供給される。
【００２５】
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、前記圧力水は、前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の一部であることを特徴とする。
本発明によれば、動力回収ポンプタービンの動力源となる圧力水は、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の一部である。すなわち、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水は、容積形ピストンポンプに供給されるが、該濃縮水の一部は、容積形ピストンポンプの上流側で分岐されて動力回収ポンプタービンのタービンに供給される。
【００２６】
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、前記動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、前記タービンは、前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジとを接続する高圧ライン上に配置されており、前記ブースターポンプは、前記容積形ピストンポンプと前記高圧ラインとを接続する供給水バイパスブーストライン上に配置されていることを特徴とする。
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、前記動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、前記タービンは、前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水が流れる濃縮水ラインから分岐されて濃縮水分岐ライン上に配置されており、前記ブースターポンプは、前記容積形ピストンポンプと前記高圧ラインとを接続する供給水バイパスブーストライン上に配置されていることを特徴とする。
【００２７】
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、前記高圧ポンプから排出される前記高圧水を流量制御する高圧ポンプ吐出弁と、前記タービンに流入する前記濃縮水を流量制御するタービン入口弁と、前記ブースターポンプから排出されるブースト水を流量制御するブースターポンプ吐出弁と、前記容積形ピストンポンプの制御弁から排出される濃縮水を制御する動力回収出口弁とを備えたことを特徴とする。
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、前記取水ポンプから供給される前記原水の流量を計測する供給水流量計と、前記逆浸透膜カートリッジから排出される前記処理水の流量を計測する処理水流量計と、前記逆浸透膜カートリッジから排出される前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計と、前記取水ポンプから一部分岐して前記容積型ピストンポンプの切り替え弁に導入される前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計と、前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の一部を分岐した前記濃縮水の流量を計測するタービン入り口流量計とを備えたことを特徴とする。
【００２８】
本発明の動力回収システムの好ましい態様は、前記容積形ピストンポンプは、前記濃縮水を導入して該濃縮水の通過流路の切換えを行う制御弁と前記供給された前記原水の吸入と吐出の切り替えを行う切り替え弁部と、前記制御弁を通過した前記濃縮水のエネルギーを前記切り替え弁部を通過して吸入した前記原水に伝達する動力回収チャンバーとを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を制御弁を介して動力回収チャンバーに導入し、該濃縮水のエネルギーを利用して切り替え弁部から導入された原水を動力回収チャンバーにて昇圧し、昇圧された原水を動力回収ポンプタービンに供給する。
【００２９】
本発明の動力回収装置は、動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、前記タービンは、高圧ポンプにより加圧された高圧水を導入して該高圧水の圧力を回転力に変換するタービンであり、前記ブースターポンプは、容積形ピストンポンプにより加圧された加圧水を前記回転軸を介して伝達された前記回転力によって昇圧するブースターポンプであり、前記タービンは、吸込口と吐出口を有する配管状のタービンケーシングの径方向中心位置に、前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にタービンインペラを配置した構造であり、前記ブースターポンプは、吸込口と吐出口を有する配管状のブースターポンプケーシングの径方向中心位置に、前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にブースターポンプインペラを配置した構造であることを特徴とする。
本発明によれば、システム内の圧力水をエネルギー源としてブースターポンプを駆動するため、電動機が不要となり、製作コストに電動機が含まれなくなり安価となる。また電動機で必要な電気配線も不要となるため、電動機の電気配線コストも含まれなくなり安価となる。また、設置後のメンテナンスについても、電動機とその電気配線のメンテナンスが不要となるため、メンテナンスコストを削減することができる。
電気的トラブルによるブースターポンプの非常停止は発生せず、システム全体としての信頼性向上となる。
【００３０】
本発明の動力回収装置の好ましい態様は、前記配管状のタービンケーシングと前記配管状のブースターポンプケーシングとは並設されており、前記回転軸は前記タービンケーシングと前記ブースターポンプケーシングとを貫通して延び、前記回転軸は該貫通部にて支持部材により回転可能に支持されていることを特徴とする。
本発明の動力回収装置の好ましい態様は、前記タービンインペラは軸流羽根であり、前記ブースターポンプインペラは軸流羽根であることを特徴とする。
【００３１】
本発明の動力回収装置は、動力回収ポンプタービンは、タービンと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り、前記タービンは、逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水の一部を導入して該濃縮水の圧力を回転力に変換するタービンであり、前記ブースターポンプは、容積形ピストンポンプにより加圧された加圧水を前記回転軸を介して伝達された前記回転力によって昇圧するブースターポンプであり、前記タービンは、吸込口と吐出口の口部を有するタービンケーシング内に前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にタービンインペラを配置した構造であり、前記ブースターポンプは、吸込口と吐出口の口部を有するブースターポンプケーシング内に前記回転軸を位置させ、該回転軸の端部にブースターポンプインペラを配置した構造であり、前記回転軸の軸方向において、前記タービンケーシングと前記ブースターポンプケーシングの前記口部と反対側の面端部同士を突き合わせて締結した組合わせ構造であって、該タービンケーシングと該ブースターポンプケーシングとの間に、前記回転軸を回転可能に支持する軸受手段を配置したことを特徴とする。
本発明によれば、システム内の圧力水をエネルギー源としてブースターポンプを駆動するため、電動機が不要となり、製作コストに電動機が含まれなくなり安価となる。また電動機で必要な電気配線も不要となるため、電動機の電気配線コストも含まれなくなり安価となる。また、設置後のメンテナンスについても、電動機とその電気配線のメンテナンスが不要となるため、メンテナンスコストを削減することができる。
電気的トラブルによるブースターポンプの非常停止は発生せず、システム全体としての信頼性向上となる。
【００３２】
本発明の動力回収装置の好ましい態様は、前記タービンケーシング内に前記タービンインペラを回転可能に支持する軸受手段を配置したことを特徴とする。
本発明の動力回収装置の好ましい態様は、前記タービンインペラは遠心羽根であり、前記ブースターポンプインペラは斜流羽根又は軸流羽根であることを特徴とする。
【００３３】
本発明の動力回収方法は、供給された原水を高圧ポンプで加圧し、加圧された高圧水を逆浸透膜カートリッジに導入して逆浸透膜で膜処理して処理水を生成し、前記逆浸透膜で処理されないで前記逆浸透膜カートリッジから排出された濃縮水を容積形ピストンポンプに導入し、該容積形ピストンポンプにおいて前記濃縮水の圧力を利用して、供給された原水を加圧し、前記高圧ポンプにより加圧された前記高圧水又は前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の一部の圧力を動力源として、動力回収ポンプタービンのタービンを駆動し、該動力回収ポンプタービンのブースターポンプにより、前記容積形ピストンポンプで加圧された加圧水を昇圧して前記高圧ポンプで加圧された前記高圧水と合流させることを特徴とする。
本発明によれば、高圧ポンプにより昇圧され、所定の工業的なプロセスを経たのち高圧で排出される流体は、制御バルブを介して少なくとも２連以上のシリンダ内のピストンを駆動し、容積型ピストンポンプとして作用することにより高圧流体の大半のエネルギーを回収する。同時に、容積型ピストンポンプの制御バルブ等において生ずる圧力損失は、動力回収システム内で発生した圧力水で駆動されるタービンと同軸上に固定されたブースターポンプ、すなわち動力回収ポンプタービンにより補償される。
【００３４】
本発明の動力回収方法の好ましい態様は、取水ポンプにより原水を取水して前記高圧ポンプと前記容積形ピストンポンプに供給することを特徴とする。
本発明によれば、原水を取水ポンプにより取水し、高圧ポンプに供給するとともに、高圧ポンプに供給するラインから分岐したバイパスラインにより容積形ピストンポンプに供給する。
【００３５】
本発明の動力回収方法の好ましい態様は、前記高圧ポンプから排出される前記高圧水の流量を制御する高圧ポンプ吐出弁は、前記処理水の流量を計測する処理水流量計の計測データまたは前記取水ポンプから排出される原水の流量を計測する供給水流量計の計測データに基づき、弁開度を制御することを特徴とする。
【００３６】
本発明の動力回収方法の好ましい態様は、前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計の流量または前記容積形ピストンポンプの切り替え弁部に導入する前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように、前記タービンに導入する前記濃縮水の流量を制御するタービン入口弁の弁開度を制御することによって、前記ブースターポンプを制御することを特徴とする。
本発明における制御方法の目的としては、一部分岐した濃縮水により、駆動されるブースターポンプの運転を制御することで、システム全体の運転状態（例えば、処理水：濃縮水＝４：６）に合わせ、供給水バイパス流量を調整するためである。この制御方法は、ブースターポンプとタービンの運転特性がいくつも考えられ、お互いのマッチングが難しい面がある。
「濃縮水流量計」、「供給水バイパス流量計」の「流量目標値」とは、
ｉ)「濃縮水流量」＝「処理水：濃縮水＝４：６（例えば）」となるような流量値。
ii)「供給水バイパス流量」＝「濃縮水流量」−「一部分岐した濃縮水」。
但し、「一部分岐した濃縮水」には、次の二つがある。
ｉ)濃縮水流量の設定値に対する計測流量との偏差幅とする。
ii)ブースターポンプとタービンの特性から、必要なタービン流量を算出した値。
【００３７】
本発明の動力回収方法の好ましい態様は、前記動力回収ポンプタービンの回転数がほぼ一定となるように、もしくは、前記タービンに導入する前記濃縮水の流量を計測するタービン入り口流量計の流量が一定となるように、前記タービンの入口側に設けられたタービン入口弁の弁開度を制御し、さらに、前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計の流量または前記容積形ピストンポンプの切り替え弁部に導入する前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように、前記ブースターポンプで加圧したブースト水の流量を制御するブースターポンプ吐出弁の弁開度を制御することを特徴とする。
本発明における制御方法の目的としては、一部分岐した濃縮水により、駆動されるブースターポンプの運転を制御することで、システム全体の運転状態（例えば、処理水：濃縮水＝４：６）に合わせ、供給水バイパス流量を調整するためである。
この制御方法は、タービンの運転特性を固定とするため、ブースターポンプの運転特性が決め易いという利点がある。
【００３８】
本発明の動力回収方法の好ましい態様は、前記逆浸透膜カートリッジから排出された前記濃縮水の流量を計測する濃縮水流量計の流量または前記容積形ピストンポンプの切り替え弁部に導入する前記原水の流量を計測する供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように、前記ブースターポンプで加圧したブースト水の流量を制御するブースターポンプ吐出弁の弁開度を制御しながら、さらに、前記ブースターポンプ吐出弁の動作に合わせて、前記タービンに導入する前記濃縮水の流量を制御するタービン入口弁の動作を制御することを特徴とする。
本発明における制御方法の目的としては、一部分岐した濃縮水により、駆動されるブースターポンプの運転を制御することで、システム全体の運転状態（例えば、処理水：濃縮水＝４：６）に合わせ、供給水バイパス流量を調整するためである。
ブースターポンプ吐出弁は、常に、濃縮水流量計、もしくは、供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように制御されているのに対し、タービン入口弁は、ブースターポンプ吐出弁の動作に従って開閉する。
【００３９】
本発明の動力回収方法の好ましい態様は、前記ブースターポンプ吐出弁の弁開度が小さくなってきた場合に、前記タービン入口弁の弁開度を絞る方向に指令し、その後、該ブースターポンプ吐出弁の弁開度が、十分開いたところで、前記タービン入口弁の弁開度を保持することを特徴とする。
本発明においては、ブースターポンプ吐出弁は、常に、濃縮水流量計、もしくは、供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように制御されているので、自動的に、ブースターポンプ吐出弁の弁開度が、十分開いたところ（設定開度１）になるように復元される。
【００４０】
本発明の動力回収方法の好ましい態様は、前記ブースターポンプ吐出弁の弁開度が大きくなってきた場合に、前記タービン入口弁の弁開度を広げる方向に指令し、その後、該ブースターポンプ吐出弁の弁開度が、十分閉じたところで、前記タービン入口弁の弁開度を保持することを特徴とする。
本発明においては、ブースターポンプ吐出弁は、常に、濃縮水流量計、もしくは、供給水バイパス流量計の流量が目標値になるように制御されているので、自動的に、ブースターポンプ吐出弁の弁開度が、十分閉じたところ（設定開度１）になるように復元される。
【００４１】
次に、本発明に係る動力回収システムの基本概念について説明する。
高圧流体を用いる工業的プロセス又は流体精製プロセスでは、高圧流体を精製するための動力コストが多大となるため、プロセス処理を行った後の高圧流体からエネルギーを回収する典型事例として、逆浸透膜法を用いる海水淡水化プラントについて前項で述べた従来技術Ａ〜Ｄと比較して本発明のコンセプトについて図１および図２に概念的に描いている。
【００４２】
図１に示すように、従来技術Ａ，Ｂ，Ｃにおいては、外部エネルギーαａにより流体を加圧し、加圧された流体の自己流体力によりターボ形機器を駆動し、ターボ形機器で動力を回収している。これに対し、本発明においては、外部エネルギーαｂにより流体を加圧し、加圧された流体の自己流体力により容積形機器を駆動し、容積形機器で動力を回収している。ターボ形機器のみで動力を回収する従来技術Ａ〜Ｃは効率が悪いため、プラント全体のエネルギー効率を向上させるために、本発明は、容積形機器を使用した動力回収を基本概念としている。
【００４３】
図２に示すように、従来技術Ｄにおいては、外部エネルギー（電気エネルギー）により流体を加圧し、また外部エネルギーが必要なブースターポンプを用いて、容積形動力回収装置により動力を回収している。これに対し、本発明においては、外部エネルギーにより流体を加圧し、加圧された流体の自己流体力により容積形動力回収装置を駆動し、容積形動力回収装置で動力を回収している。容積形動力回収装置を使用した従来技術Ｄにおいては、容積型ピストンポンプ下流の損失補償のブースターポンプが可変速インバータ電動モータ駆動であるため、他の方式よりも外部からの電気エネルギーを供給しなければならない機器及び配線が多くなり、システム全体としての信頼性の低下に繋がる。これに対し、本発明では、外部からの電気エネルギーは集中的に流体の加圧のために入力して、可能な限り内部の自己流体力により容積形動力回収装置を駆動して動力を回収するシステムとしている。
【発明の効果】
【００４４】
従来技術Ａ，Ｂ，Ｃにおいては、外部エネルギーにより流体を加圧し、加圧された流体の自己流体力によりターボ形機器を駆動し、ターボ形機器で動力を回収しているため、従来技術Ａ〜Ｃはプラント全体のエネルギー効率が悪い。これに対し、本発明においては、外部エネルギーにより流体を加圧し、加圧された流体の自己流体力により容積形ピストンポンプを駆動し、容積形ピストンポンプで動力を回収しているため、プラント全体のエネルギー効率を向上させることができる。
従来技術Ｄにおいては、ブースターポンプは軸封部を有し、高圧・低揚程という特殊性により高価なシールとなってしまう。また、ブースターポンプは電動モータ駆動であり、電気配線が多くなり設備が複雑になると共に、高圧ポンプの運転操作と連携したブースターポンプの運転操作が必要であり、操作を難しくしている。更に、電気的トラブルでのブースターポンプの非常停止によるシステムダウンや逆浸透膜での圧力異常上昇を引き起こし逆浸透膜にダメージを与えると共に、逆浸透膜で処理された処理ラインでの水質低下を招くリスクが内在する。
【００４５】
従来技術Ｄと比較すると、本発明は以下に列挙する効果を奏する。
（１）電動モータやインバータ（外部からのエネルギーを供給しなければならない電気機器及びその配線）を省略できるのに加え、従来技術Ｄの課題であったブースターポンプの高圧水シールの構造が不要となるなど、設備の簡素化・省スペース、ブースターポンプの構造の大幅な簡素化と低コスト化を実現することができ、結果としてシステム全体の信頼性の向上につながる。
（２）リジェクト水（濃縮水）の一部をタービン入口ラインから排出することにより、供給ラインから容積型ピストンポンプへ吸入される原水の量を低減し、結果的に高圧ポンプの運転流量を増すことにより、より高効率な高圧ポンプの選定を可能にするものである。
（３）従来のブースターポンプが電動モータ駆動の場合には、高圧ポンプの運転に連動した操作・制御が必要である。これに対し、本発明では、動力回収ポンプタービンの制御は、タービン部への流入流量制御により行うが、そのエネルギー源として一定圧力源としての逆浸透膜カートリッジを用いて高圧ポンプを運転すると得られる濃縮水の一部がタービン内へ流下することにより、つまりシステム内流体力により自己調整的に制御できるため、操作性・制御性が容易になるという特徴がある。
【００４６】
（４）従来のブースターポンプが電動モータ駆動の場合には、動力電源喪失や制御回路異常時等の電気的トラブルによるブースターポンプの非常停止が発生し、濃縮水ラインの流量が遮断され、逆浸透膜において圧力異常上昇を招き逆浸透膜へダメージを与えると共に、逆浸透膜で処理された処理水の水質の低下を招く。これに対し、本発明では、ブースターポンプはタービンにより駆動される動力回収ポンプタービンであるために、電気的トラブルによるブースターポンプの非常停止は発生せず、逆浸透膜へのダメージがない。
（５）従来のブースターポンプが電動モータ駆動の場合には、動力回収装置である容積式ピストンポンプのトラブルによる濃縮水ラインの流量遮断が発生し、逆浸透膜において圧力異常上昇を招き逆浸透膜膜へダメージを与えると共に、逆浸透膜で処理された処理水の水質が悪化する。これに対し、本発明では、濃縮水ライン、タービン入口ラインに、タービン、タービンリジェクトの流路があるためにブースターポンプの非常停止による流量遮断がなく、逆浸透膜での圧力異常上昇及び逆浸透膜で処理された処理水の水質の低下は低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明に係る動力回収システムの実施形態を図面を参照して説明する。
（本発明の動力回収システムの第１の態様）
図３は、本発明の動力回収システムの第１の態様を示す模式図である。図３に示すように、取水ポンプ２により取水された海水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へと圧送される。尚、高圧ポンプ５は制御弁又はインバータにより流量制御を行うこともできる。一方、逆浸透膜カートリッジ８内の高圧室９の海水の一部は、逆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カートリッジ８から濃縮海水ライン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、制御弁２０を介して動力回収チャンバー２１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により圧力エネルギーを失ったリジェクトは、低圧の動力回収リジェクト２５として廃棄される。このようにして構成された容積型ピストンポンプ２３により、供給ライン４の海水の一部が切り替え弁２２と動力変換チャンバーを介してポンプアップされ、供給海水バイパスブーストライン２４へと排出され、最終的には高圧ポンプ５の出口からの高圧水に合流する。
【００４８】
しかしながら、逆浸透膜カートリッジや配管の圧力損失、制御弁２０や切り替え弁２２等における損失、動力回収チャンバー２１と内部のピストンとの間の漏れ損失などにより、供給海水バイパスブーストライン２４内の流体は逆浸透膜カートリッジ８へと向う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、供給海水バイパスブーストライン２４とブースターポンプ吐出ライン１９との間に、動力回収ポンプタービン１８を設置する。動力回収ポンプタービン１８のタービン１４内に設置されたタービンインペラは、高圧ポンプ５からの高圧水の保有する圧力エネルギーのごくわずかを取り出すことにより駆動され、タービン１４と同軸上に固定されたポンプインペラを回転することにより、供給海水バイパスブーストライン２４からブースターポンプ吐出ライン１９までのポンプアップが実現される。タービンインペラから排出された高圧水はタービン吐出ライン２７に流れ出る。この方法によれば、従来技術Ｄで必要であった電動モータ２６を省略できるのに加え、従来技術Ｄの課題であったブースターポンプ１７の高圧水シールの構造が不要となるなど、構造の大幅な簡素化と低コスト化を実現することができる。
【００４９】
前述したような、１６トレインの海水淡水化装置を用いた造水量約５０ＭＧＤ（５０メガガロン／日）クラスのプラントで、取水した海水の２８％を淡水化する場合、１トレイン当たり、高圧ポンプに必要な動力は約１４７０ｋＷにまで低減することが可能になり、また取水した海水の４５％を淡水化する場合には動力を約１３４０ｋＷにまで低減することができる。さらに、このように容積型ピストンポンプと動力回収ポンプタービンをハイブリッド化することにより、動力回収ポンプタービンのタービン翼車の選定が容易になるなどの利点もある。
【００５０】
（本発明の動力回収システムの第２の態様）
図４は、本発明の動力回収システムの第２の態様を示す模式図である。図４に示す動力回収システムは、動力回収ポンプタービンと容積型ピストンポンプをハイブリッド化する本発明の別の形態として、動力回収ポンプタービンのタービンインペラを、逆浸透膜カートリッジ８からの濃縮水の一部を用いて駆動する形態の動力回収システムである。
【００５１】
図４に示すように、取水ポンプ２により取水された海水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を経由して逆浸透膜カートリッジ８へと圧送される。尚、高圧ポンプ５は制御弁又はインバータにより流量制御を行うこともできる。一方、逆浸透膜カートリッジ８内の高圧室９の海水の一部は、逆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カートリッジ８から濃縮海水ライン１３へ排出される。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の大半部分は、制御弁２０を介して動力回収チャンバー２１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により圧力エネルギーを失ったリジェクトは、低圧の動力回収リジェクト２５として廃棄される。
【００５２】
このようにして構成された容積型ピストンポンプ２３により、供給ライン４の海水の一部が切り替え弁２２と動力回収チャンバー２１を介してポンプアップされ、供給海水バイパスブーストライン２４へと排出され、最終的には高圧ライン７の高圧水に合流する。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２０や切り替え弁２２等における損失、動力回収チャンバー２１と内部のピストンとの間の漏れ損失などにより、供給海水バイパスブーストライン２４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、供給海水バイパスブーストライン２４と高圧ライン７との間に、動力回収ポンプタービン１８を設置する。動力回収ポンプタービン１８のタービンインペラは、逆浸透膜カートリッジ８への濃縮海水ライン（リジェクト）１３のごく一部をタービン入口ライン２８から取り出すことにより駆動される。この結果、タービン１４と同軸上に固定されたポンプインペラが回転し、供給海水バイパスブーストライン２４から高圧ライン７までのポンプアップが実現される。
なお、動力回収タービンポンプ１８のタービンインペラを駆動するための高圧水は、濃縮海水ライン（リジェクト）１３から取り出す代わりに、高圧ポンプ５と逆浸透膜カートリッジ８との間の高圧ライン７から取り出す態様もあるが、脱塩水１２の一部をタービンインペラ駆動に消費する結果となるため、第２の様態と比較するとシステムの効率はわずかに低下する可能性がある。
【００５３】
この方法によれば、従来技術Ｄで必要であった電動モータ２６やインバータ（外部からのエネルギーを供給しなければならない電気機器及びその配線）を省略できるのに加え、従来技術Ｄの課題であったブースターポンプ１７の高圧水シールの構造が不要となるなど、構造の大幅な簡素化と低コスト化を実現することができる。結果としてシステム全体としての信頼性の向上に繋がる。さらに、リジェクト水の一部をタービン入口ライン２８から排出することにより、供給ライン４から容積型ピストンポンプ２３へ吸入される海水量を低減し、結果的に高圧ポンプ５の運転流量を増すことにより高効率な高圧ポンプ５の選定を可能にするものである。また本発明の第１の態様では、動力回収ポンプタービン１８のタービンインペラを駆動するためのエネルギー分だけ、高圧ポンプ５のヘッドを高く設定する必要があったが、本発明の第２の態様ではその必要もなくなるという利点がある。
【００５４】
動力回収ポンプタービン１８の制御は、タービン部への流入流量制御により行うが、そのエネルギー源として一定圧力源としての逆浸透膜カートリッジ８を用いて高圧ポンプ５を運転すると得られる高圧濃縮海水がタービン１４内へ流下することにより、つまりシステム内の流体力により自己調整的に制御できるため、ブースターポンプ１７を電動モータ２６により駆動する従来技術Ｄに比べて操作性・制御性が容易になるという特徴がある。
【００５５】
前述したような、１６トレインの海水淡水化装置を用いた造水量約５０ＭＧＤ（５０メガガロン／日）クラスのプラントで、取水した海水の２８％を淡水化する場合、１トレイン当たり、高圧ポンプに必要な動力は約１４５０ｋＷにまで低減することが可能になり、また取水した海水の４５％を淡水化する場合には動力を約１３２０ｋＷにまで低減することができる。
【００５６】
以上を総括すると、容積型ピストンポンプにより動力回収を行う形態では、ペルトンタービンや動力回収ポンプタービンを用いた従来技術より圧倒的な電力コストの削減（消費電力の削減）ができ、さらに容積型ピストンポンプと動力回収ポンプタービンをハイブリッド化した本発明によれば、従来技術Ｄで必要であったブースターポンプの電動モータを省略し、かつシールレス構造を実現することによりメカニカルシールも省略可能とし、かつ高い制御性を有するシステムの構築が可能となる。結果として、システム全体の信頼性が向上するため、稼働率が高くなり、長期間稼働することにより、従来技術Ｄに比べて、よりいっそうの電力消費の削減効果をあげることができる。
【００５７】
表１は、従来技術Ａ〜Ｄと本発明の第１，第２の態様との比較表である。淡水回収率２８％および４５％における消費電力（ｋＷ）を示す。ここに示す消費電力および電力費削減額は、代表的なプラント構成、機器性能、電力コストなどに対する見積もり値で、実際の消費電力は各プラントごとに評価する必要がある。なお、電力コストは０．０８米ドル/ｋＷｈ＝約９．２円/ｋＷｈとした。
【表１】
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【００５８】
（発明における動力回収ポンプタービン）
次に、本発明に係る動力回収システムの第１の態様および第２の態様に利用する、動力回収ポンプタービン１８について説明する。
動力回収ポンプタービン１８はタービン１４、回転軸１６、ブースターポンプ１７より構成される。動力回収ポンプタービン１８の機能は、容積型ピストンポンプ２３の切り替え弁２２からの供給海水バイパスブーストライン２４をブースターポンプ１７に導入し、タービン１４のエネルギーを利用して回転軸１６を駆動してブースターポンプ１７により海水の昇圧を行い、ブースターポンプ吐出ライン１９を通じて逆浸透膜カートリッジ８の高圧室９に供給することである。
【００５９】
タービン１４の駆動については、本発明に係る動力回収システムの第１の態様では高圧ポンプ５から供給される高圧ライン７の海水を利用し、第２の態様では逆浸透膜カートリッジ８の高圧室９から供給されるリジェクトバイパスライン２８を利用する。
【００６０】
まず、動力回収ポンプタービンを適用することによって発生するメリット（利点）について説明する。
システム内の海水をエネルギー源としてポンプを駆動させるため、電動機が不要となり、製作コストに電動機が含まれなくなり安価となる。また電動機で必要な電気配線も不要となるため、電動機の電気配線コストも含まれなくなり安価となる。また、設置後のメンテナンスについても、電動機とその電気配線のメンテナンスが不要となるため、メンテナンスコストを削減することができる。
【００６１】
本システムではポンプの吸込み圧力（供給海水バイパスブーストライン２４の圧力）が一般のポンプよりも非常に高く、電動機駆動式ポンプの場合では軸をポンプ外部に取り出す軸封部に高い圧力が作用するため特殊な軸封装置（例えばメカニカルシール）が必要となり、ポンプの製作コストおよびメンテナンスコストが大幅に増加するが、本ポンプタービンでは電動機が無く、回転軸をポンプ外部に取り出す必要が無いため軸封部が不要となり、製作コストおよびメンテナンスコストが安価となる。
【００６２】
電動機駆動式ポンプの場合ではポンプと電動機を別々に製作してそれぞれの軸を接続するため軸を連結する部品（カップリング）が必要となるが、本ポンプタービンではタービンインペラとポンプインペラを一本の回転軸１６で接続することが可能のためカップリングが不要となり、コストが安価となる。
【００６３】
本ポンプタービンではタービンインペラとポンプインペラを一本の回転軸１６で接続しているため軸受部分をポンプとタービンの外部に設置せずに、内部設置の水中軸受を採用することが可能となる。水中軸受ではシステム内の海水のみで軸受の潤滑を行うため、従来外部に設置していた軸受では必要とされたグリース・潤滑油等の油脂類が不要となり、メンテナンス時にグリース・潤滑油等を交換する必要がないためメンテナンスコストが安価となる。またメンテナンス時に油脂類の廃棄が無くなるため、環境に対する悪影響が少ない。
【００６４】
次に、動力回収ポンプタービンの構造を説明する。
動力回収ポンプタービン１８は、タービン１４、回転軸１６、ブースターポンプ１７より構成される。
本発明によるタービンポンプの構成部品の材質は、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックス系では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むもののコーティングもしくはバルクであり、高分子材料ではＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものや、これらに炭素繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、固体潤滑剤を混合したもののコーティングもしくはバルクである。
【００６５】
本発明によるタービンポンプの構成部品のうち、軸受、ケーシングリング、インペラリング等の摺動部分の材料としては、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックスではアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むものであり、溶射によるセラミックスコーティングでは、酸化物系セラミックス（Ｃｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３）、炭化物系サーメット（ＷＣ−ＮｉＣｒ、ＷＣ−ＣｏＣｒ、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ）のコーティングがあり、また母材まで海水が浸透しないようにセラミックスコーティングと母材の間にＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏなどをコーティングし、母材のすきま腐食を防止してもよい。さらにＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いるセラミックスコーティングでは、ＤＬＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ｃＢＮ、多結晶ダイヤモンド、ＳｉＣなどをコーティングする。また高分子材料では、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものであり、またこれらに炭素繊維、セラミックス繊維、ラス繊維や固体潤滑剤を混合したもののコーティングでもバルクでもよい。
【００６６】
以下、動力回収ポンプタービンの詳細構造を図５乃至図８を参照して説明する。
図５は、本発明の動力回収システムの第１の態様に適用する動力回収ポンプタービンの構造を示す図である。
図５に示すように、動力回収ポンプタービンは、タービン１４とブースターポンプ１７とを一つの回転軸１６の両端に配置した構成を有し、該タービン１４は、吸込口と吐出口を持った配管状のタービンケーシング１０１の径方向中心位置に、回転軸１６を位置させ、回転軸１６の端部にタービンインペラ１０４を配置し、回転軸１６とタービンケーシング１０１とを固定する支持部材を具備する構造であり、ブースターポンプ１７は、吸込口と吐出口を持った配管状のブースターポンプケーシング１１１の径方向中心位置に、回転軸１６を位置させ、回転軸１６の端部にブースターポンプインペラ１１４を配置し、回転軸１６とブースターポンプケーシング１１１とを固定する支持部材を具備する構造である。配管状のタービンケーシング１０１と配管状のブースターポンプケーシング１１１とは、相隣接して設置されており、回転軸１６とタービンケーシング１０１とを固定する支持部材と、回転軸１６とブースターポンプケーシング１１１とを固定する支持部材とは、共通の単一の支持部材１０３により構成されている。
【００６７】
図５に示すポンプタービンにおいては、高圧ライン７から供給された高圧水がタービンインペラ１０４に流れ込み、タービンインペラ羽根１０５に圧力が作用してタービン吐出ライン２７に流れ出ることにより流体エネルギーが回転エネルギーに変換されてタービンインペラ１０４に回転エネルギーを与え、その回転エネルギーが回転軸１６を伝達してブースターポンプインペラ１１４を回転させ、ポンプインペラ羽根１１５が流体にエネルギーを与えることにより、供給海水バイパスブーストライン２４から導入された流体が昇圧されブースターポンプ吐出ライン１９に供給される。
【００６８】
タービン１４のタービンインペラの形式
本システムではタービン１４は比較的低い圧力差かつ比較的大きい流量の流体によって駆動するため、インペラ比速度Ｎｓの大きい図示した軸流形インペラを使用する。ただし、システムによって圧力と流量が異なる場合には、比較的中程度の圧力差かつ比較的中程度の流量に対応したインペラ比速度Ｎｓが中程度の斜流形インペラを使用しても良く、また比較的高い圧力差かつ比較的少ない流量に対応したインペラ比速度Ｎｓの小さい遠心形インペラを使用しても良い。一般的に前述の遠心形インペラ、斜流形インペラ、軸流形インペラのインペラ比速度Ｎｓの値の範囲はそれぞれ重複する部分もあり、厳密に数値で分けられてはいない。
【００６９】
ブースターポンプ１７のポンプインペラの形式
本システムではブースターポンプ１７には比較的低い圧力差かつ比較的大きい流量の流体を昇圧・送水するため、インペラ比速度Ｎｓの大きい図示した軸流形インペラを使用する。ただし、システムによって圧力と流量が異なる場合には、比較的中程度の圧力差かつ比較的中程度の流量に対応したインペラ比速度Ｎｓが中程度の斜流形インペラを使用しても良く、また比較的高い圧力差かつ比較的少ない流量に対応したインペラ比速度Ｎｓの小さい遠心形インペラを使用しても良い。一般的に前述の遠心形インペラ、斜流形インペラ、軸流形インペラのインペラ比速度Ｎｓの値の範囲はそれぞれ重複する部分もあり、厳密に数値で分けられてはいない。
【００７０】
タービン１４とブースターポンプ１７の吸込口方向、吐出口方向
タービン１４のタービン吸込口方向とタービン吐出口方向は逆方向に図示しているが、実際に外部から取付ける配管の方向に合わせ、タービン吸込口方向とタービン吐出口方向を直角方向、同方向、斜め方向に設置しても良い。またブースターポンプ１７のポンプ吸込口、ポンプ吐出口についても同様である。またタービン１４のタービン吸込口方向・タービン吐出口方向と、ブースターポンプ１７のポンプ吸込口方向・ポンプ吐出口方向の組合せについては、限定しない。
【００７１】
タービン側ガイドベーンとポンプ側ガイドベーン
タービン側ガイドベーン１０６はタービンケーシング１０１に供給された流体エネルギーを効率良くタービンインペラ１０４に伝えるため、流体の流れを特定の方向に整流してタービンインペラ１０４に導入する目的で設置される。ポンプ側ガイドベーン１１６はブースターポンプインペラ１１４によって昇圧された流体を効率良く送り出すため、流体の流れを特定の方向に整流してブースターポンプケーシング１１１に送り出す目的で設置される。またタービン内部ケーシング１０７とポンプ内部ケーシング１１７を固定する役割も果たす。タービン側ガイドベーン１０６、ポンプ側ガイドベーン１１６は複数個で構成される。
【００７２】
タービン内部ケーシングとポンプ内部ケーシング
タービン内部ケーシング１０７はタービンインペラ１０４に滑らかに流体を導入させる目的で設置され、ポンプ内部ケーシング１１７はブースターポンプインペラ１１４から昇圧された流体を滑らかにブースターポンプケーシング１１１に送り出す目的で設置される。タービン内部ケーシング１０７とポンプ内部ケーシング１１７は、それぞれタービン側ガイドベーン１０６とポンプ側ガイドベーン１１６によって固定される。また、タービン内部ケーシング１０７とポンプ内部ケーシング１１７は、回転体を支えるラジアル軸受、スラスト軸受を固定する役目も果たす。図示ではタービン内部ケーシング１０７とポンプ内部ケーシング１１７を分割形状としてボルトで固定しているが、分割形状ではなく一体形状としても良い。
【００７３】
タービン側ラジアル軸受
タービン側ラジアル軸受１０８は回転軸１６から作用するラジアル方向の荷重を受け、タービンインペラ１０４、回転軸１６、ブースターポンプインペラ１１４等から構成される回転体の回転を滑らかに行わせる役割を果たす。ラジアル方向荷重の発生源としては、回転体の自重、回転体の振れ回りにより発生するラジアル荷重、タービンインペラ１０４、ブースターポンプインペラ１１４に作用する流体からの荷重によるラジアル荷重等の組合せとなる。
【００７４】
ポンプ側ラジアル軸受
ポンプ側ラジアル軸受１１８は回転軸１６から作用するラジアル方向の荷重を受け、タービンインペラ１０４、回転軸１６、ブースターポンプインペラ１１４等から構成される回転体の回転を滑らかに行わせる役割を果たす。ラジアル方向荷重の発生源としては、回転体の自重、回転体の振れ回りにより発生するラジアル荷重、タービンインペラ１０４、ブースターポンプインペラ１１４に作用する流体からの荷重によるラジアル荷重等の組合せとなる。
【００７５】
タービン側スラスト軸受
タービン側スラスト軸受１０９はタービンインペラ１０４から作用するスラスト方向の荷重を受け、タービンインペラ１０４、回転軸１６、ブースターポンプインペラ１１４等から構成される回転体の回転を滑らかに行わせる役割を果たす。スラスト方向荷重の発生源は、タービンインペラ１０４、ブースターポンプインペラ１１４に作用する流体による荷重である。
【００７６】
ポンプ側スラスト軸受
ポンプ側スラスト軸受１１９はブースターポンプインペラ１１４から作用するスラスト方向の荷重を受け、ブースターポンプインペラ１１４、回転軸１６、タービンインペラ１０４等から構成される回転体の回転を滑らかに行わせる役割を果たす。スラスト方向荷重の発生源は、タービンインペラ１０４、ブースターポンプインペラ１１４に作用する流体による荷重である。
【００７７】
タービン１４の軸受の固定方法と組合せ
タービン側ラジアル軸受１０８とタービン側スラスト軸受１０９は、それぞれ軸受シェル１１０に対して外周部分を焼きばめ、または圧入嵌合、またはねじ山の形成によるねじ込み、または外周部分および側面を接着のいずれかまたは組合せにより別々に固定されている。軸受シェル１１０は軸受シェル取付けボルト１１０Ａによりタービン内部ケーシング１０７に固定されている。図示の例では、タービン側ラジアル軸受１０８とタービン側スラスト軸受１０９を別々に固定しているが、一体化させて一つの軸受シェルに固定して、一つの軸受でラジアル荷重とスラスト荷重を受け持つ構造としても良い。
【００７８】
ブースターポンプ１７の軸受の固定方法と組合せ
ポンプ側ラジアル軸受１１８とポンプ側スラスト軸受１１９は、それぞれ軸受シェル１２０に対して外周部分を焼きばめ、または圧入嵌合、またはねじ山の形成によるねじ込み、または外周部分および側面を接着のいずれかまたは組合せにより別々に固定されている。軸受シェル１２０は軸受シェル取付けボルト１２０Ａによりポンプ内部ケーシング１１７に固定されている。図示の例では、ポンプ側ラジアル軸受１１８とポンプ側スラスト軸受１１９を個別の軸受シェルで別々に固定しているが、一体化させて一つの軸受シェルに固定して、一つの軸受でラジアル荷重とスラスト荷重を受け持つ構造としても良い。
【００７９】
ブッシュ
ブッシュ１２１は、タービンケーシング１０１とブースターポンプケーシング１１１の間に回転軸１６を通すために設けた支持部材（連通部）１０３内に設置し、ブッシュ１２１と回転軸１６の間に適度なすき間を設けることによりタービンケーシング１０１とブースターポンプケーシング１１１間の流体の連通を極力防止してタービン１４へ供給される流量・圧力およびブースターポンプ１７から供給される流量・圧力を保持し、動力回収ポンプタービンの運転効率を保持することを目的とする。
【００８０】
ブッシュの固定方法
ブッシュ１２１は、片方の側面が鉛直方向の平面、もう一方の側面が斜め方向の平面を形成しており、鉛直方向の平面側を連通部内に挿入してブッシュ１２１の外周部分を嵌合する。ブッシュ１２１が回転軸１６の回転による回転流体力を受けて本来固定されるべき連通部に対して回転した場合、ブッシュの外周部分および連通部の内周部分が摩耗してすき間が生じてガタが発生し、それに伴い回転軸１６とブッシュ内周部分に接触が生じ、異音の発生、接触部の破損が生じるおそれがある。それを防止するため、ブッシュ１２１の斜め方向平面形状の側面に合わせて片側を形成したブッシュ固定スリーブ１２２を取付け、このブッシュ固定スリーブ１２２を連通部に対して廻り止めねじピン１２３で回転方向を固定することにより、ブッシュを斜め方向平面形状部分の合わせ面により回転方向に固定することができる。この廻り止めの方法は、ブッシュ１２１に直接廻り止めねじピン用の溝を形成すると脆性的に欠けてしまいやすいセラミックス等の材料の場合に有用である。ただし、ブッシュ１２１の材料が直接廻り止めねじピン用の溝を形成しても欠けにくい材料の場合は、ブッシュ固定スリーブ１２２を用いずに直接廻り止めねじピン１２３にてブッシュ１２１の回転方向の移動を固定しても良い。廻り止めねじピン１２３は図示では一箇所としているが、円周上に複数箇所設けても良い。ブッシュ固定スリーブ１２２の軸方向への固定は、固定用リング１２４を支持部材（連通部）１０３に取付け、固定用リング１２４による内径側への出っ張りによりブッシュ固定スリーブ１２２を固定する。ブッシュ固定スリーブ１２２を用いない場合には、固定用リング１２４の内径側への出っ張りにより直接ブッシュ１２１の軸方向への固定を行っても良い。また図示の例では、タービン側からブッシュ１２１を固定しているが、ポンプ側からブッシュ１２１を固定する構造としても良い。
【００８１】
ケーシングリング
タービン側ケーシングリング１２６、ポンプ側ケーシングリング１３６は、タービンインペラ外周部分、ポンプインペラ外周部分に対して適度なすき間を形成し、差圧によるこの部分での漏水を極力防止し、流体エネルギーを効率良くタービンインペラ１０４、ブースターポンプインペラ１１４に対して伝達させる目的で設置している。ケーシングリングを設置せずにケーシングのみで適度なすき間を形成しても良い。ただし、この場合、長期運転後に発生し得る摩耗時にケーシング自体を交換する必要がありコストが高くなるため、ケーシングリングを設置すればこの部分だけの交換で済み、コストが安くなる。ケーシングリングの固定は、ケーシングに対して焼きばめ、または接着、または嵌合、またはねじ山の形成によるねじ込み、または廻り止めねじピンのいずれか、または組合せによる。
【００８２】
各ケーシング同士の構成
タービンケーシング１０１およびブースターポンプケーシング１１１がそれぞれ複数の配管を接続することにより構成される場合には、フランジ１２７と組立ボルト・ナット１２８にて組み立てられる。組立ボルトは軸方向から見て円周上に複数個設ける。図示の例ではケーシングを４個としてボルト２種類で組み立てているが、この個数と種類はこれよりも多くても少なくても良い。ブースターポンプケーシング１１１とタービンケーシング１０１は、ケーシング接続リブ１２９、支持部材（連通部）１０３にて溶接またはボルトにて接続される。
【００８３】
吸込み口、吐出し口フランジ形状
図示の例では、タービン吐出口１４ＯＵＴ、タービン吸込口１４ＩＮ、ポンプ吐出口１７ＯＵＴ、ポンプ吸込口１７ＩＮの形状をすべてフランジ形状としているが、この形状は突合せ溶接用接続形状でも、ねじ込み用接続形状でも良い。また、タービン吐出口、タービン吸込口、ポンプ吐出口、ポンプ吸込口の形状をそれぞれフランジ形状、突合せ溶接用接続形状、ねじ込み用接続形状を混合した組合せとしても良い。
【００８４】
タービンインペラ、ポンプインペラの回転軸１６への固定方法
タービンインペラ１０４，ブースターポンプインペラ１１４は、回転軸１６およびタービンインペラ１０４，ブースターポンプインペラ１１４に形成されたキー溝にキーＺ１を取付けて嵌合により回転軸１６に取付けられる。タービンインペラ１０４，ブースターポンプインペラ１１４の回転軸１６に対する抜け止めとして、タービンインペラキャップ１２９Ａ，ポンプインペラキャップ１３９を回転軸１６にねじ込みで取付ける。さらにタービンインペラボルト１３０，ポンプインペラボルト１４０をタービンインペラキャップ１２９Ａ，ポンプインペラキャップ１３９に形成された穴を通して回転軸１６にねじ込み、タービンインペラキャップ１２９Ａ，ポンプインペラキャップ１３９を固定する。タービンインペラキャップ１２９Ａ，ポンプインペラキャップ１３９のゆるみ止めとしては、図示はしていないが、タービンインペラ１０４，ブースターポンプインペラ１１４とタービンインペラキャップ１２９Ａ，ポンプインペラキャップ１３９に廻り止めねじピンを通して実施する。図示はしていないが、タービンインペラキャップ１２９Ａ，ポンプインペラキャップ１３９のゆるみ止めに、舌付き座金または歯付き座金を設置して座金の舌部分または歯部分の一部を回転軸１６のキー溝部分およびタービンインペラキャップ１２９Ａ，ポンプインペラキャップ１３９の切り欠き部分に折り曲げてゆるみ止めを行っても良い。
【００８５】
回転数計
回転軸１６の回転数を計測する目的で、支持部材（連通部）１０３に、回転軸１６を計測目標物とする回転数計１４１を設置する。回転軸１６の回転数を計測・監視することにより、ポンプタービンの運転制御を行うことができる。図示はしないが、回転数計を連通部ではなく、タービンケーシング１０１またはブースターポンプケーシング１１１に設置しても良い。また、計測目標物を、回転軸１６ではなくブースターポンプインペラ１１４、タービンインペラ１０４、ポンプインペラキャップ１３９、タービンインペラキャップ１２９Ａ、ポンプインペラボルト１４０、タービンインペラボルト１３０のいずれかの回転体としても良い。図示では、回転数計１４１は、計測目標物の回転軸１６に対して非接触式型としているが、この方式には限定されない。
【００８６】
タービン吐出ライン２７とブースターポンプ吐出ライン１９の構成
ポンプタービンから流出するタービン吐出ライン２７とブースターポンプ吐出ライン１９は同じ圧力となり、全体システムの構成上、ポンプタービンから離れたところで合流させるため、図では別々のフランジとして分割して描いているが、ポンプタービンとしてポンプ吐出口１７ＯＵＴとタービン吐出口１４ＯＵＴを一体化しても良い。
【００８７】
図６は、本発明の動力回収システムの第２の態様に適用する動力回収ポンプタービンの構造を示す図である。
図６に示すように、動力回収ポンプタービンは、タービン１４とブースターポンプ１７とを一つの回転軸１６の両端に配置した構成を有し、タービン１４は、吸込口と吐出口の口部を持ったタービンケーシング２０１内に、回転軸１６の端部に固定されたタービンインペラ２０４を配置した構造であり、ブースターポンプ１７は、吸込口と吐出口の口部を持ったブースターポンプケーシング２１１内に、回転軸１６の端部に固定されたブースターポンプインペラ２１４を配置した構造であり、タービン１４とブースターポンプ１７とは、回転軸１６の軸方向において、タービンケーシング２０１とブースターポンプケーシング２１１の口部と反対側面端部同士を、突き合わせて、締結した組合わせ構造である。
【００８８】
図６に示すポンプタービンにおいては、リジェクトバイパスライン（タービン入口ライン）２８から供給された高圧水がタービンインペラ２０４の外周からタービンインペラ２０４の内部に流れ込み、タービンインペラ羽根２０５に圧力が作用して排出ライン１５に流れ出ることにより流体エネルギーが回転エネルギーに変換されてタービンインペラ２０４に回転エネルギーを与え、その回転エネルギーが回転軸１６を介してポンプインペラ２１４を回転させ、ポンプインペラ羽根２１５が流体にエネルギーに与えることにより、供給海水バイパスブーストライン２４から導入された流体が昇圧されてブースターポンプ吐出ライン１９に供給される。
【００８９】
タービン１４のタービンインペラの形式
本システムではタービン１４には比較的高い圧力差かつ比較的少ない流量の流体によって駆動するため、インペラ比速度Ｎｓの小さい図示した遠心形インペラを使用する。ただし、システムによって圧力と流量が異なる場合には、比較的中程度の圧力差かつ比較的中程度の流量に対応したインペラ比速度Ｎｓが中程度の斜流形インペラを使用しても良く、また比較的低い圧力差かつ比較的大きい流量に対応したインペラ比速度Ｎｓの大きい軸流形インペラを使用しても良い。一般的に前述の遠心形インペラ、斜流形インペラ、軸流形インペラのインペラ比速度Ｎｓの値の範囲はそれぞれ重複する部分もあり、厳密に数値で分けられてはいない。
【００９０】
ブースターポンプ１７のポンプインペラの形式
本システムではブースターポンプ１７には比較的中程度の圧力差かつ比較的中程度の流量の流体が作用するため、インペラ比速度Ｎｓが中程度の図示した斜流形インペラを使用する。ただし、システムによって圧力と流量が異なる場合には、比較的高い圧力差かつ比較的少ない流量に対応したインペラ比速度Ｎｓが小さい遠心形インペラを使用しても良く、また比較的低い圧力差かつ比較的大きい流量に対応したインペラ比速度Ｎｓの大きい軸流形インペラを使用しても良い。一般的に前述の遠心形インペラ、斜流形インペラ、軸流形インペラのインペラ比速度Ｎｓの値の範囲はそれぞれ重複する部分もあり、厳密に数値で分けられてはいない。
【００９１】
タービン１４とブースターポンプ１７の吸込口方向、吐出口方向
タービン１４のタービン吸込口方向とタービン吐出口方向は直角方向に図示しているが、実際外部から取付ける配管の方向に合わせ、タービン吸込口方向とタービン吐出口方向は同方向、逆方向、斜め方向に設置しても良い。またブースターポンプ１７のポンプ吸込口、ポンプ吐出口についても同様である。またタービン１４のタービン吸込口方向・タービン吐出口方向と、ブースターポンプ１７のポンプ吸込口方向・ポンプ吐出口方向の組合せについては、回転自在である。
【００９２】
タービン側ラジアル軸受
タービン側ラジアル軸受２０８はタービンインペラ２０４から作用するラジアル方向の荷重を受け、タービンインペラ２０４、回転軸１６、ポンプインペラ２１４等から構成される回転体の回転を滑らかに行わせる役割を果たす。ラジアル方向荷重の発生源としては、回転体の自重、回転体の振れ回りにより発生するラジアル荷重、タービンインペラ２０４、ポンプインペラ２１４に作用する流体からの荷重によるラジアル荷重等の組合せとなる。
【００９３】
タービン側スラスト軸受
タービン側スラスト軸受２０９はタービンインペラ２０４から作用するスラスト方向の荷重を受け、タービンインペラ２０４、回転軸１６、ポンプインペラ２１４等から構成される回転体の回転を滑らかに行わせる役割を果たす。スラスト方向荷重の発生源としては、ポンプインペラ側から連通部２０３を通して伝わる流体の圧力がタービンインペラ２０４の連通部側の面に作用してタービン吐出口方向にタービンインペラ２０４を押すことによる。このスラスト荷重をできるだけ低減させる方法として、ポンプインペラ２１４に設けたポンプインペラ開口穴２１４ｈによりブースターポンプ吐出ライン１９の圧力よりも低い圧力の供給海水バイパスブーストライン２４の圧力を連通させて作用圧力を低下させたり、またタービンインペラ２０４にタービンインペラ開口穴２０４ｈを設けて、前述の連通部からの作用圧力を排出ライン１５側に開放してスラスト方向への発生荷重を低減させる方法がある。
【００９４】
タービン１４の軸受の固定方法と組合せ
タービン側ラジアル軸受２０８とタービン側スラスト軸受２０９は軸受シェル２１０に対して外周部分を焼きばめ、または圧入嵌合、またはねじ山の形成によるねじ込み、または外周部分および側面を接着のいずれかまたは組合せにより別々に固定されている。軸受シェル２１０はタービンケーシング２０１にボルトＹにより固定されている。タービン側ラジアル軸受２０８とタービン側スラスト軸受２０９を別々に固定する理由は、図示の状態でタービン側ラジアル軸受２０８とタービン側スラスト軸受２０９を組合せて一体として軸受を形成した場合、くの字断面型の軸受となり、この状態でタービンインペラ２０４との接触面の角の部分でラジアル方向もしくはスラスト方向に軸受が偏って摩耗した場合に、軸受に段付き形状が形成されてラジアル方向もしくはスラスト方向の荷重負荷部分の面積が極端に小さくなり、軸受の許容面圧を超えて運転して軸受の破損、異常摩耗が生じてしまうので、それを防止するためである。したがって、タービン側ラジアル軸受２０８とタービン側スラスト軸受２０９を別々に設けている。
【００９５】
ポンプ側ラジアル軸受
ポンプ側ラジアル軸受２１８は、回転軸１６から作用するラジアル方向の荷重を受け、ポンプインペラ２１４、回転軸１６、タービンインペラ２０４等から構成される回転体の回転を滑らかに行わせる役割を果たす。ラジアル方向荷重の発生源としては、回転体の自重、回転体の振れ回りにより発生するラジアル荷重、タービンインペラ２０４、ポンプインペラ２１４に作用する流体からの荷重によるラジアル荷重等の組合せである。
【００９６】
ポンプ側ラジアル軸受の固定方法
ポンプ側ラジアル軸受２１８は、片方の側面が鉛直方向の平面、もう一方の側面が斜め方向の平面を形成しており、鉛直方向の平面側をタービンケーシング２０１内、すなわち、タービンケーシング２０１の軸方向の口部（吸込口、吐出口）反対側の端面内側に挿入してポンプ側ラジアル軸受２１８の外周部分を嵌合する。ポンプ側ラジアル軸受２１８が回転軸１６のラジアル荷重を受ける際に回転方向の摩擦により本来固定されるべきタービンケーシング２０１に対して回転移動すると、ポンプ側ラジアル軸受２１８の外周部分およびタービンケーシング２０１内周部分が摩耗してすき間が生じてガタが発生し、それに伴い回転体１６の異常な触れ回り、異音の発生、機器の破損が生じるおそれがある。それを防止するため、ポンプ側ラジアル軸受２１８の斜め方向平面形状の側面に合わせて片側を形成した軸受固定スリーブ２２２を取付け、この軸受固定スリーブ２２２をタービンケーシング２０１に対して廻り止めねじピンＸで回転方向を固定することにより、ポンプ側ラジアル軸受を斜め方向平面形状部分の合わせ面により回転方向に固定することができる。この廻り止めの方法は、ポンプ側ラジアル軸受２１８に直接廻り止めねじピン用の溝を形成すると脆性的に欠けてしまいやすいセラミックス等の材料の場合に有用である。ただし、図示はしないが、ポンプ側ラジアル軸受２１８の材料が直接廻り止めねじピン用の溝を形成しても欠けにくい材料の場合は、軸受固定スリーブ２２２を用いずに直接廻り止めねじピンにてポンプ側ラジアル軸受２１８の回転方向の移動を固定しても良い。廻り止めねじピンは図示では一箇所としているが、円周上に複数箇所設けても良い。軸受固定スリーブ２２２の軸方向への固定は、固定用リング２２３をタービンケーシング２０１に取付け、固定用リング２２３による内径側への出っ張りにより軸受固定スリーブ２２３を固定する。軸受固定スリーブ２２２を用いない場合は固定用リングの内径側への出っ張りにより直接ポンプラジアル軸受２１８の軸方向への固定を行っても良い。
【００９７】
ケーシングリング、インペラリング
タービン側ケーシングリング２２６、ポンプ側ケーシングリング２３６は、タービン側インペラリング２２７、ポンプ側インペラリング２３７に対して適度なすき間を形成し、差圧によるの漏水を極力防止し、流体エネルギーを効率良くタービンインペラ２０４、ポンプインペラ２１４に対して伝達させる目的で設置している。インペラリング、ケーシングリングを設置せずにケーシング、インペラのみで適度なすき間を形成しても良い。ただしこの場合、長期運転後に発生し得る摩耗時にケーシング、インペラ自体を交換する必要がありコストが高くなるため、インペラリング、ケーシングリングを設置すれば、この部分だけの交換で済み、コストが安くなる。このコストのメリットから、図示はしていないが、タービンインペラ２０４の軸受接触部分にもインペラリングを設置しても良い。ケーシングリング、インペラリングの固定は、ケーシング、インペラに対して焼きばめ、または接着、または嵌合、またはねじ山の形成によるねじ込み、または廻り止めねじピンのいずれか、または組合せによる。
【００９８】
各ケーシング同士の構成
タービンケーシング２０１およびブースターポンプケーシング２１１がそれぞれ複数の部材を接続することにより構成される場合には、フランジ２４５と組立ボルト・ナット２４６にて組み立てられる。組立ボルトは軸方向から見て円周上に複数個設ける。図示の例ではケーシングを３個としてボルト２種類で組み立てているが、この個数と種類はこれよりも多くても少なくても良い。
【００９９】
吸込み口、吐出し口フランジ形状
図示ではタービン吐出口１４ＯＵＴ、タービン吸込口１４ＩＮ、ポンプ吐出口１７ＯＵＴ、ポンプ吸込口１７ＩＮの形状をすべてフランジ形状としているが、この形状は突合せ溶接用接続形状でも、ねじ込み用接続形状でも良い。また、タービン吐出口、タービン吸込口、ポンプ吐出口、ポンプ吸込口の形状をそれぞれフランジ形状、突合せ溶接用接続形状、ねじ込み用接続形状を混合した組合せとしても良い。
【０１００】
タービンインペラ、ポンプインペラの回転軸１６への固定方法
タービンインペラ２０４，ポンプインペラ２１４は、回転軸１６およびタービンインペラ２０４，ポンプインペラ２１４に形成されたキー溝にキーＺ２を取付けて嵌合により回転軸１６に取付けられる。タービンインペラ２０４，ポンプインペラ２１４の回転軸１６に対する抜け止めとして、タービンインペラキャップ２２９，ポンプインペラキャップ２３９を回転軸１６にねじ込みで取付ける。さらにタービンインペラボルト２３０，ポンプインペラボルト２４０をタービンインペラキャップ２２９，ポンプインペラキャップ２３９に形成された穴を通して回転軸１６にねじ込み、タービンインペラキャップ２２９，ポンプインペラキャップ２３９を固定する。タービンインペラキャップ２２９，ポンプインペラキャップ２３９のゆるみ止めとしては、図示はしていないがタービンインペラ２０４，ポンプインペラ２１４とタービンインペラキャップ２２９，ポンプインペラキャップ２３９に廻り止めねじピンを通して実施する。図示はしていないが、タービンインペラキャップ２２９，ポンプインペラキャップ２３９のゆるみ止めに舌付き座金または歯付き座金を設置して舌部分または歯部分の一部を回転軸１６のキー溝部分およびタービンインペラキャップ２２９，ポンプインペラキャップ２３９の切り欠き部分に折り曲げてゆるみ止めを行っても良い。
【０１０１】
回転数計
回転軸１６の回転数を計測する目的で、ポンプタービンケーシング２０１に回転軸１６を計測目標物とする回転数計２４１を設置する。回転軸１６の回転数を計測・監視することにより、ポンプタービンの運転制御を行うことができる。図示はしないが、回転数計２４１はポンプケーシングに設置しても良い。また、計測目標物を回転軸１６ではなくポンプインペラ２１４、タービンインペラ２０４、タービンインペラリング２２７、ポンプインペラリング２３７、ポンプインペラキャップ２３９、タービンインペラキャップ２２９、ポンプインペラボルト２４０、タービンインペラボルト２３０のいずれかの回転体としても良い。図示では、回転数計は目標物の回転軸１６に対して非接触式型としているが、この方式には限定されない。
【０１０２】
図７は、動力回収ポンプタービンにおけるタービン側ラジアルスラスト軸受の他の実施形態を示す図である。図６に示すタービン側ラジアル軸受２０８とタービン側スラスト軸受２０９を図７に示すように矩形断面型に一体化してラジアル荷重とスラスト荷重を１個の軸受で受けるようタービン側ラジアルスラスト軸受２０８ＲＴとすれば、タービン側軸受を２個から１個に減少させることができ、コストの低下と組立性を向上させることができる。図６に示すように、くの字断面型に一体化させた軸受では内側の角の部分で不具合が生じる可能性があったが、図７に示すように矩形断面型に一体化させた軸受ではラジアル方向もスラスト方向も各々の面で一様に軸受が摩耗するため、図６に示す軸受のような段付き摩耗が生じて軸受の許容面圧を超えることがなく、安定してラジアル荷重、スラスト荷重を受けることができる。
【０１０３】
図８は、動力回収タービンにおけるタービン側ラジアルスラスト軸受の更に他の実施形態を示す図である。
図７に示すタービン側ラジアルスラスト軸受２０８ＲＴについて、図８に示すように、スラスト方向荷重を受ける面積を増加させれば、さらに大きいスラスト荷重を受けることができる。したがって、図６に示すようなスラスト荷重を低減させるために設けたタービンインペラ開口穴２０４ｈとポンプインペラ開口穴２１４ｈを設けなくても運転することが可能となり、タービンインペラ開口穴とポンプインペラ開口穴からの漏れがなくなることで、ポンプインペラ、タービンインペラのエネルギー伝達の効率を向上させることができる。
【０１０４】
（本発明における容積形ピストンポンプ）
次に、本発明に係る動力回収システムの第１の態様および第２の態様に利用する、容積形ピストンポンプ２３について説明する。
図９は、容積形ピストンポンプ２３を示す模式図である。図９に示すように、容積形ピストンポンプ２３は、制御弁２０、２つの動力回収チャンバー２１、切り替え弁部２２より構成される。
容積形ピストンポンプ２３の機能は、逆浸透膜１０からのリジェクト１３を制御弁２０に導入し、リジェクトのエネルギーを利用して、給水ライン４から切り替え弁２２部に導入する海水の昇圧を行い、吐出ライン（供給海水バイパスブーストライン）２４を通じて動力回収ポンプタービン１８に供給することである。
【０１０５】
制御弁２０の基本構造
図１０は制御弁の基本構造を示す図である。
図１０に示すように、制御弁２０の基本構造は、ハウジング３０１、スプール３０２、駆動部３０３からなり、ハウジング３０１にスプール３０２を嵌合させ、スプール３０２を移動させることにより、流路の切り替えを行う方式のものである。
制御弁２０には１つ以上の供給ポート（Ｐ）、２つの制御ポート（Ａ，Ｂ）、２つ以上の戻りポート（Ｒ）が形成される。
なお本容積形ピストンポンプにおける制御弁２０では、図９に示すように、供給ポート（Ｐ）はリジェクト１３に連通し、２つの制御ポート（Ａ，Ｂ）はそれぞれ動力回収チャンバー２１に連通し、戻りポート（Ｒ）は排出ライン２９に連通している。
【０１０６】
制御弁２０の機能
（１）制御弁２０に供給される高圧リジェクトの通過流路をスプールの動作により切り替え、２つの動力回収チャンバー２１にリジェクトを導入する。
（２）動力回収チャンバー２１内の流体を容積形ピストンポンプの外に排出する。
【０１０７】
制御弁２０の詳細構成
図１０の形態による制御弁２０のスプール３０２は３ランドであるが、前記制御弁の基本機能を有し、１つ以上の供給ポート（Ｐ）、２つの制御ポート（Ａ，Ｂ）、２つ以上の戻りポート（Ｒ）が形成され、スプール３０２の動作にともなう制御弁内の流路の切り替えにより、供給ポートと何れか一方の制御ポートが連通し、また何れかもう一方の制御ポートと戻りポートが連通するものであれば、回転スプール形など、本図の形態に限らない。
また、オリフィス部（○指示部）の軸方向の各重合量もアンダーラップ（不重合）、オーバーラップ（正重合）、ゼロラップ（ゼロ重合）など、本発明による制御対象（動力回収チャンバー２１内ピストン）の動作要件に応じて都度設定するものとする。
【０１０８】
本発明による制御弁の接液部の材質は、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックス系では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むもののコーティングもしくはバルクであり、高分子材料ではＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものや、これらに炭素繊維、ガラス繊維、固体潤滑剤を混合したもののコーティングもしくはバルクである。
【０１０９】
特にスプールとハウジングの摺動部には、海水もしくは濃縮海水潤滑下で、低摩擦摩耗条件を達成する必要がある。本摺動部の材料としては、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックスではアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むものであり、溶射によるセラミックスコーティングでは、酸化物系セラミックス（Ｃｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３）、炭化物系サーメット（ＷＣ−ＮｉＣｒ、ＷＣ−ＣｏＣｒ、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ）のコーティングがあり、また母材まで海水が浸透しないようにセラミックスコーティングと母材の間にＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏなどをコーティングし、母材のすきま腐食を防止してもよい。
【０１１０】
さらにＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いるセラミックスコーティングでは、ＤＬＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ｃＢＮ、多結晶ダイヤモンド、ＳｉＣなどをコーティングする。
また高分子材料では、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものであり、またこれらに炭素繊維、ラス繊維や固体潤滑剤を混合たもののコーティングでもバルクでもよい。
【０１１１】
スプールの駆動方法は、電磁ソレノイド、ウォームギア、電動ボールねじ、電動モータ、ピエゾ素子、油空圧シリンダなどを利用する。なお、摺動スプール形に関しては、一般的なノズルフラッパ形サーボ弁のように、パイロット圧（ここではリジェクト圧力）を利用して、スプールを駆動しても構わない。要は入力信号に応じたスプールの動作が行える駆動法、構造であれば、何れの形態でも良い。
またスプールの支持方法として、静圧軸受を利用する形態を採用する場合もある。
【０１１２】
動力回収チャンバー２１の概要
図１１は動力回収チャンバーを示す図である。図１１に示すように、動力回収チャンバー２１は、ピストン３１０、シリンダ３１１により構成される。シリンダ３１１には２つの入出ポート３１１ａ，３１１ｂが形成される。なおピストン３１０は、シリンダ３１１内で軸方向に動作可能に設置される。
本発明による容積形ピストンポンプでは、２つの動力回収チャンバー２１が用いられ、各チャンバーの有する２つの入出力ポート３１１ａ，３１１ｂの内、いずれか一方が、制御弁２０の制御ポート（ＡもしくはＢ）に接続され、もう一方が、切り替え弁部２２に各々接続される。
また図示していないが、ピストンの周りにピストンシールを設置し、ピストンにより隔壁された各液室の流体の混合を回避する構造も採用している。
【０１１３】
動力回収チャンバー２１の機能
（１）制御弁２０を通じてチャンバー２１内に導入されるリジェクト圧力により、ピストン３１０が駆動され、ピストン３１０を隔てて取水ポンプにより同チャンバー２１内に導入した海水の増圧を行う。
（２）取水ポンプ２の吐出圧によりチャンバー２１内に導入したリジェクトを制御弁２０に導入する。
【０１１４】
動力回収チャンバー２１の詳細構造
動力回収チャンバーの材質は、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックス系では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むもののコーティングでもバルクでもよい。また高分子材料ではＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものや、これらに炭素繊維、ガラス繊維、固体潤滑剤を混合したもののコーティングでもバルクでもよい。
【０１１５】
また特に、ピストンとシリンダの摺動部には、海水もしくは濃縮海水潤滑下で、低摩擦摩耗条件を達成することが要求される。本摺動部の材料としては、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックスではアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むものであり、摺動部への溶射によるセラミックスコーティングでは、酸化物系セラミックス（Ｃｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３）、炭化物系サーメット（ＷＣ−ＮｉＣｒ、ＷＣ−ＣｏＣｒ、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ）のコーティングがあり、また母材まで海水が浸透しないようにセラミックスコーティングと母材の間にＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏなどをコーティングし、母材のすきま腐食を防止してもよい。
【０１１６】
さらにＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いるセラミックスコーティングでは、ＤＬＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ｃＢＮ、多結晶ダイヤモンド、ＳｉＣなどをコーティングする。また高分子材料では、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものであり、またこれらに炭素繊維、ラス繊維や固体潤滑剤を混合したもののコーティングでもバルクでもよい。
【０１１７】
なお動力回収チャンバー２１の軸方向の断面形状（ピストン、シリンダ）は円形状に限らず、四角、六角形状などその他の形状も採用する場合も有り得る。
また、動力回収チャンバー２１のピストンの外周に潤滑膜形成用の潤滑溝を設置し、ピストン外周とシリンダ内面との摺動性を向上させる場合もある。潤滑溝の例としては、円周方向のリング状の凹溝や、螺旋状の凹溝、軸方向の矩形状の凹溝などその形態は１種に限らない。
【０１１８】
切り替え弁部２２の概要
図１２は切り替え弁部を示す図である。図１２に示すように、切り替え弁部２２は、４個のチェック弁（逆止弁）３２０より構成される。各チェック弁の設置要件（逆止方向）と動力回収チャンバー２１との流路接続は図１２に示す通りである。
【０１１９】
切り替え弁部２２の機能
切り替え弁部２２は、動力回収チャンバー２１のピストンの動作に応じて、給水ライン４からの海水の動力回収チャンバーへの取水海水の導入（蓄積）と供給海水バイパスブーストライン２４からの増圧海水のブースターポンプ１７への導入を行う。
【０１２０】
切り替え弁部２２の詳細構造
図１３は、切り替え弁部の構成要素であるチェック弁の構造例を示す図である。図１３に示すように、切り替え弁部２２の構成要素であるチェック弁３２０は、ケーシング３２１、ケーシング３２１内に矢印Ｘ方向に移動可能に収容されたポペット３２２と、ポペット３２２の円錐部３２２ａが着座するシート３２３と、ポペット３２２をシート３２３に向かって付勢する圧縮コイルスプリング３２４とから構成されている。本発明におけるチェック弁は、流体の逆流を防ぐ機能を有するものであれば、本図の形態に限らない。
【０１２１】
図１３を例にチェック弁の動作を説明すると、入口から入った圧液はスプリング３２４の力に逆らってポペット３２２を押し上げ、出口から出て行く。出口圧力が入口圧力より高くなるとポペット３２２とシート３２４は密着し、圧液の逆流を完全に防ぐ構造となっている。
ここで、チェック弁の材質は、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックス系では、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むもののコーティングでもバルクでもよい。
【０１２２】
また高分子材料ではＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものや、これらに炭素繊維、ガラス繊維、固体潤滑剤を混合したもののコーティングでもバルクでもよい。
また特に、ポペットとケーシングの摺動部には、海水もしくは濃縮海水潤滑下で、低摩擦摩耗条件を達成することが要求される。本摺動部の材料としては、金属ではステンレス、二相ステンレス、スーパー２相ステンレス、Aluminium  Bronzeであり、セラミックスではアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）のうち少なくとも１種類を含むものであり、溶射によるセラミックスコーティングでは、酸化物系セラミックス（Ｃｒ２Ｏ３，Ａｌ２Ｏ３）、炭化物系サーメット（ＷＣ−ＮｉＣｒ、ＷＣ−ＣｏＣｒ、Ｃｒ３Ｃ２−ＮｉＣｒ）のコーティングがあり、また母材まで海水が浸透しないようにセラミックスコーティングと母材の間にＮｉ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏなどをコーティングし、母材のすきま腐食を防止してもよい。
【０１２３】
さらにＰＶＤ法やＣＶＤ法を用いるセラミックスコーティングでは、ＤＬＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ｃＢＮ、多結晶ダイヤモンド、ＳｉＣなどをコーティングする。
また高分子材料では、ＰＡ、ＰＯＭ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰＥ、ＰＣ、ＵＨＭＷ−ＰＥ、ＰＴＦＥ、ＰＰＳ、ＰＩ、ＰＥＥＫ、ＰＡＲ、ＰＳＦ、ＰＥＩ、ＰＡＩ、ＰＥＳのうち少なくとも１種類を含むものであり、またこれらに炭素繊維、ラス繊維や固体潤滑剤を混合たもののコーティングでもバルクでもよい。
【０１２４】
容積形ピストンポンプ２３の動作の概要
次に、図１２、図１４および図１５を例に容積形ピストンポンプの動作を説明する。
（１）リジェクト１３が制御弁２０の供給ポートに導入される。
（２）取水海水が給水ライン４を通じて、切り替え弁部２２に導入される。
（３）制御弁２０のスプールの動作にともない、動力回収チャンバー２１内のピストン３１０が動作する。
【０１２５】
動作例
（Ａ）制御弁２０の供給ポートＰと制御ポートＡが連通する方向にスプール３２０が動作した場合を図１４に示す。
リジェクト圧力が、制御弁２０を通じて（Ｐポート→Ａポート）動力回収チャンバー２１（図１４中の上）のピストン３１０の制御弁２０側の面（図中右側面）に作用する。
動力回収チャンバー２１（図１４中の上）のピストン３１０が、同図中の左方向に移動する。
動力回収チャンバー２１（図１４中の上）内に、切り替え弁部２２を通じて導入された海水がピストンの動作により増圧され、切り替え弁部２２を通じてブースターポンプ１７に導入される。
また併行して、制御弁２０の制御ポートＢと戻りポートＲが連通し、給水ライン圧力が切り替え弁部２２を通じて、動力回収チャンバー２１（図１４中の下）のピストン３１０の切り替え弁部２２側（図中左側面）に作用して、ピストンは右方向に動作する。
【０１２６】
ピストン３１０の動作速度は、切り替え弁部２２通過後の圧力と供給海水バイパスブーストライン２４の圧力の差により決まり、かつ、ピストンが動作するための条件は、
「切り替え弁部２２の通過後の圧力」＞「供給海水バイパスブーストライン２４」
となる。
なおピストン３１０の動作速度の設定は、供給海水バイパスブーストライン上にバルブ（図示していない）を設置し、該バルブの開度操作で行う。
次に、動力回収チャンバー２１内（図１４中の下）のピストン３１０により隔壁された、切り替え弁部２２側の液室に海水が充填される。
【０１２７】
（Ｂ）制御弁２０の供給ポートＰと制御ポートＢが連通する方向にスプールが動作した場合を図１５に示す。
リジェクト圧力が、制御弁２１を通じて（Ｐポート→Ｂポート）動力回収チャンバー２１（図１５中の下）のピストン３１０の制御弁２０側の面（図中右側面）に作用する。
動力回収チャンバー２１（図１５中の下）のピストン３１０が、同図中の左方向に移動する。
動力回収チャンバー２１（図１５中の下）内に、切り替え弁部２２を通じて導入された海水がピストン３１０の動作により増圧され、切り替え弁部２２を通じてブースターポンプ１７に導入される。
また併行して、制御弁２０の制御ポートＡと戻りポートＲが連通し、給水ライン圧力が切り替え弁部２２を通じて、動力回収チャンバー２１（図１５中の上）のピストン３１０の切り替え弁部２２側（図中左側面）に作用して、ピストンは右方向に動作する。
【０１２８】
ピストンの動作速度は、切り替え弁部２２通過後の圧力と供給海水バイパスブーストライン２４の圧力の差により決まり、かつ、ピストンが動作するための条件は、
「切り替え弁部２２の通過後の圧力」＞「供給海水バイパスブーストライン２４の圧力」
となる。
なお、ピストンの動作速度の設定は、供給海水バイパスブーストライン上にバルブ（図示していない）を設置し、該バルブの開度操作で行う。
次に、動力回収チャンバー２１内（図１５中の上）のピストン３１０により隔壁された、切り替え弁部２２側の液室に海水が充填される。
上記のように容積形ピストンポンプ２３における（Ａ）、（Ｂ）の動作（制御弁）を行うことで、取水海水のリジェクトを利用した増圧が行われる。
【０１２９】
容積形ピストンポンプ２３の制御
逆浸透膜１０は、導入流体の圧力脈動に対して脆弱であり、本圧力脈動は、逆浸透膜の破損の原因となる。またブースターポンプ１７においても、吐出ライン（供給海水バイパスブーストライン２４の圧力脈動により、性能低下やポンプ構成部材の破損を引き起こす可能性がある。
【０１３０】
制御弁形状による対処
容積形ピストンポンプ２３の動作による、ブースターポンプ１７への増圧海水の吐出圧脈動を抑制するための手法の一つとして、前記制御弁２０の説明項でも記載したが、制御弁２０のメータリングオリフィス部の重合量の操作がある。
通常、容積形ピストンポンプの形態の制御弁は、制御弁の切換わり時に脈動が発生する。本脈動の原因は、制御弁２０内のスプールが中立位置を通過する際に、制御弁２０の制御流量（供給ポート→各制御ポートへの流量）がほぼ無流量になるためである。
上記スプールの中立位置通過時の無流量域を無くすために、メータリングオリフィス部（供給ポート〜制御ポート間）をアンダーラップにして、中立位置においても制御弁２０から動力回収チャンバー２１への制御流量を無流量にしない方法を採ることが挙げられる。
なお、上記以外のメータリングオリフィス部（制御ポート〜戻りポート間）は、制御弁２０内の内部漏れを抑制するために、オーバーラップ（正重合）、ゼロラップ（ゼロ重合）にするのが好ましい。
また、該箇所をアンダーラップにする方法としては、ランド部の軸方向寸法操作や、該箇所に相当するスプールエッジ部にＲ面取りもしくはＣ面取りなど挙げられるが、本形態は前記例に限らない。
【０１３１】
制御による対処
ブースターポンプ１７への増圧海水の吐出圧脈動を抑制するためのその他の方策として、制御弁２０への動作信号を操作する方法がある。
通常、制御弁２０の切り替え信号としてステップ信号を入力するが、ステップ信号の場合、切り替え動作が瞬時に行われるために、制御弁２０の制御流量（供給ポート→制御ポート→動力回収チャンバー２１）の脈動が発生しやすい。
上記に対処するために、台形信号のように入力信号の目標値までの勾配の緩斜化させる方法や予め設定した、目標値前の領域内で入力信号の勾配を緩斜化する方法、ＰＩＤ制御などを採用する場合では、各制御定数を目標値前の領域内で変える方法などがある。
【０１３２】
（本発明の動力回収システムの制御システム）
次に、流体を高圧で圧送することを含む、工業的な処理及び流体精製プロセスにおいて、エネルギー必要量を低減するための動力回収システムの制御システム及び運転方法について説明する。
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動力回収システムとして使用するのに特に好適であり、高圧ポンプ５、容積型ピストンポンプ２３及び動力回収ポンプタービン１８による逆浸透脱塩システムの運用を実現する。また、本発明は、脱塩水生産における電力消費量を最小に抑え最大効率点での運行を可能にする最適な動力回収システムの制御システム及び運転方法である。
【０１３３】
制御システムの構成
図１６は制御システムを示す図である。
本発明の動力回収システムの第２の態様における制御システムにおいて必要な構成機器とその役割について図１６を参照して海水の流れの順に説明する。
図１６に示す制御システムは、高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５、動力回収出口弁（制御弁）４１、ブースターポンプ吐出弁（制御弁）４５、タービン入口弁（制御弁）４７を、供給海水流量計３３、脱塩水流量計３６、濃縮海水流量計３７、供給海水バイパス流量計４４及びタービン入り口流量計４６で計測される流量により制御する制御回路を有する場合に好適なシステムである。
流量計の種類としては、タービン流量計、超音波流量計、オリフィス流量計があるが、なお、流量計測が可能であれば、これらに限定されない。
【０１３４】
図１６において、供給ポンプ２９による押込圧力により運転可能な吸込圧力となった高圧ポンプ５が運転し、高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５がある程度開くと、逆浸透膜カートリッジ８内の逆浸透膜１０にかかる圧力が浸透圧以上となり、脱塩水が逆浸透膜１０を透過する。なお、供給海水ライン３１には保安フィルター３０および高圧ポンプ入口弁３２が設けられている。
一方、逆浸透カートリッジ８からのリジェクトの濃縮海水ライン１３を分岐し、一方はタービン入口ライン２８を介してブースターポンプ１７と同一の回転軸１６で連結するタービン１４に、もう一方は動力回収・排出ライン３８および動力回収ライン４０を介して容積形ピストンポンプ２３を構成する制御弁２０に導く。
【０１３５】
濃縮海水ライン１３の高圧水により動力回収チャンバー２１が増圧され容積式ピストンポンプ２３の切り替え弁部２２を介して、供給海水バイパスライン４３からの供給海水が増圧される。増圧された供給海水ブーストライン２４に直列に接続されたブースターポンプ１７により更に増圧され高圧ライン７にバイパスされ、逆浸透膜１０に導く必要な供給海水に対して高圧ポンプ５の流量を低減して動力回収を行う。
ブースターポンプ１７は同一の回転軸１６で連結されたタービン１４により駆動する。タービン１４は濃縮海水ライン１３を分岐して導かれたタービン入口ライン２８の高圧水により稼動する。
【０１３６】
タービン入口ライン２８にタービン入口弁４７を設置してタービン１４への流入流量の制御を可能にし、タービンリジェクト１５は動力回収リジェクト２５の動力回収出口弁４１の下流側で濃縮海水放流ライン４２へ接続する。動力回収出口弁４１の上流側へ接続する場合、動力回収出口弁４１の開度を小さくした場合ライン圧が高くなる可能性がある。ライン圧が高くなると、タービン１４の出力動力が低下し、所要のポンプ回転数を得ることができなくなる。この場合には、動力回収出口弁４１の下流側に合流点を設置する方法もある。
【０１３７】
ブースターポンプ１７とタービン１４を同一の回転軸１６で連結した動力回収ポンプタービン１８は供給海水バイパスライン４３の流量を制御する必要があるが、タービン１４のみをタービン入口弁４７で制御する方法とブースターポンプ吐出弁４５を設置してタービン１４の制御に合わせてブースターポンプ１７を制御する方法がある。
【０１３８】
制御に必要な各弁について以下に説明する。
高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５
高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５の機能は、逆浸透膜１０への流入流量の制御であり、その構造は流量の調節が可能なバルブであれば、その形態はいずれでも構わない。尚、ＣＶ値特性はイコールパーセント特性（具体的には、弁開度に対する流量がリニア―に変化する特性をいう）が望ましい。
【０１３９】
脱塩水流量計３６、高圧ポンプ入口流量計３３のいずれかの計測データに基づき、高圧ポンプ制御弁３５の開度を制御する。
逆浸透膜１０の保護として絞り弁の二重化による安全性確保やキャビテーション防止、ラインを完全に締め切る必要性がある場合などには、起動時や停止時の抑制のための専用弁と運転中の流量制御用としての機能を装備した制御弁の２つ設置する方法もある。
【０１４０】
タービン入口弁４７
タービン入口弁４７の機能は、タービン１４への流入流量の制御であり、その構造は流量の調節が可能なバルブであれば、その形態はいずれでも構わない。尚、ＣＶ値特性はイコールパーセント特性が望ましい。
濃縮海水流量計３７、供給海水バイパス流量計４４のいずれか、もしくはタービン入り口流量計４６、動力回収ポンプタービン回転数計４８のいずれかの計測データに基づき、タービン入口弁４７の開度を制御する。
【０１４１】
ブースターポンプ吐出弁４５
ブースターポンプ吐出弁４５の機能は、高圧ライン７との仕切またはブースターポンプ１７の吐出流量の制御であり、その構造は流量の調節が可能なバルブであれば、その形態はいずれでも構わない。尚、ＣＶ値特性はイコールパーセント特性が望ましい。
濃縮海水流量計３７、供給海水バイパス流量計４４のいずれかの計測データに基づき、ブースターポンプ吐出弁４５の開度を制御する。タービン入口弁４７でタービン１４のみを制御する方法では本弁（吐出弁４５）を設置しなくても良い。
【０１４２】
動力回収出口弁４１
容積形ピストンポンプの動力回収チャンバー内のピストン動作において、海水の吸入工程でのピストンの動作速度を設定する手法として、制御弁２０の排出ラインに動力回収出口弁４１を設置する可能性がある。ここでは、動力回収出口弁４１の開度を調整することで、動力回収チャンバーの吸排流量を制御して、チャンバー内ピストンの動作速度を決める。
【０１４３】
ここで、高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５、タービン入口弁４７、ブースターポンプ吐出弁４５、動力回収出口弁４１に遠隔から電気的に開度の制御ができる電動弁などを用いれば、システム制御回路を通じて、センサ信号に応じた自動的な開度制御が可能になる。この方法により逆浸透膜処理量の季節変動が発生しても、所要の淡水化量を得るために各動力回収装置への流量配分をブースターポンプ１７により（自動的に）制御し、常に最大効率点でのシステム運行を可能にする。
なお、制御システムは、膜入口圧力計４９、膜濃縮海水出口圧力計５０、膜差圧計５１、高圧ポンプ吸込圧力計５２、高圧ポンプ吐出圧力計５３、ブースターポンプ吸込圧力計５４、ブースターポンプ吐出圧力計５５を備えている。
【０１４４】
動力回収システムの運転方法
以下に、本動力回収システムにおける運転方法（停止状態から脱塩水生産運転までの運転方法）を、（１）脱塩水生産準備供給海水循環工程、（２）脱塩水生産準備保管液押出工程、（３）脱塩水生産準備高圧ポンプ起動工程、（４）脱塩水生産準備制御開始工程、（５）脱塩水生産開始工程の順で説明する。
【０１４５】
（１）脱塩水生産準備供給海水循環工程
図１７は、脱塩水生産準備供給海水循環工程を示すフローチャートである。
逆浸透膜１０を良質な状態を維持して高い運用効率を確保していく上では、取水した海水を高圧ポンプ５により逆浸透膜１０を透過させる前に十分な水質を確保する運転工程が必要となる。この工程では、海水が十分な水質となるまで低圧の供給ポンプ２９により、スケールの最終ろ過を行う保安フィルター３０を透過させ、供給ポンプ２９の吸込水槽へ戻される。尚、高圧ポンプ５への海水供給は保安フィルター３０を透過させるために流体損失が大きくなるため、供給ポンプ２９は高圧ポンプ５の運転に必要な吸込圧力を確保する目的もある。
【０１４６】
（２）脱塩水生産準備保管液押出工程
図１８は、脱塩水生産準備保管液押出工程を示すフローチャートである。
逆浸透膜１０による脱塩水生産を停止する時には、逆浸透膜１０を良質な状態を維持して保管するために専用の保管液を注入しておく。尚、定期的か状態が悪くなった場合に逆浸透膜１０の洗浄を行う運転工程もある。
脱塩水生産を開始するときには保管液を海水と置換させるための保管液を押し出す運転工程が必要となる。保管液の押出工程においては、海水を逆浸透膜１０を取り巻き海水輸送の系統全体、つまり、高圧ポンプ５、動力回収のための容積式ピストンポンプ２３、動力回収ポンプタービン１８内を通過させ保管液を押し出すため付随する高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５、動力回収装置出口弁４１、ブースターポンプ吐出弁４５、タービン入口弁４７の操作と関連弁の切換操作が必要である。関連弁は、始動時・停止時の不要水の排出や水質確保までの循環、膜洗浄といったプラントの運行に必要な各種周辺機器であり、例えば、濃縮海水放流弁、脱塩水リターン弁、保管液排出弁、保管液ショック処理・濃縮海水排出弁などがある。
【０１４７】
高圧ポンプ５、動力回収のための容積式ピストンポンプ２３、動力回収ポンプタービン１８は保管液押し出しにおいて流体損失が大きく、供給ポンプ２９の吐出圧力のみで通過させるために海水に置換させるためには高圧ポンプ５、動力回収のための容積式ピストンポンプ２３、動力回収ポンプタービン１８の流体損失特性を加味して効率的な通過系統の切り替えや置換に十分な時間を設定する必要があり、また、保管液押出開始前には高圧ポンプ５内を海水が通過するときの連れ廻り時に対する軸受保護のため、高圧ポンプ補機類の運転による準備が必要となる。
尚、高圧ポンプ５はまだ運転しないため、逆浸透膜カートリッジ８の圧力は逆浸透圧以下の低圧であり、逆浸透膜１０から透過しない。
【０１４８】
（３）脱塩水生産準備高圧ポンプ起動工程
図１９は、脱塩水生産準備高圧ポンプ起動工程を示すフローチャートである。
保管液押し出し工程が終了して、始めて高圧ポンプ５の運転を行うこととなる。一般的にポンプは吐出側の流路を塞いだ締切運転を行うとエネルギーロス分が全てポンプ内流体の温度上昇となり締切運転は短時間のみ許容されるものであるが、高圧ポンプ５は高揚程であるためにその温度上昇が大きく、原則として締切運転はできない。よって、吐出側の流路が塞がれないようにし、高圧ポンプ５の最低必要流量を確保できる流体輸送系統の損失特性となる状態で高圧ポンプ５を起動しなければならない。よって、その損失以上となるように高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５の最小開度（中間開度１）を設定し、その所定の開度にした状態で高圧ポンプ５を起動する。一方、容積式ピストンポンプ２３における流体力伝達のための駆動装置である制御弁２０は潤滑確保のためにある一定圧力の下で運転しなければならない場合には、その一定圧力以下での動力回収チャンバー２１の動作は行えない。このため、高圧ポンプ５の起動時にはタービン入口弁４７を全閉にして、タービン１４によりブースターポンプ１７がまだ駆動しない状態にしておく場合もある。
【０１４９】
高圧ポンプ５の吸込圧力が運転に必要な圧力であれば高圧ポンプ５を起動する。高圧ポンプ５の起動時には規定開度（中間開度２）の高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５により圧力が抑えられた供給海水が、逆浸透膜１０をわずかに透過して脱塩水ライン１２に流れ出す。尚、水質が確保できるまで供給ポンプ２９の吸込吸水槽へ戻される。逆浸透膜１０の保護として絞り弁の二重化による安全性確保やキャビテーション防止、ラインを完全に締め切る必要性がある場合などには、起動時や停止時の抑制のための専用弁と運転中の流量制御用としての機能を装備した制御弁の２つ設置する方法もある。
【０１５０】
（４）脱塩水生産準備制御開始工程
図２０は、脱塩水生産準備制御開始工程を示すフローチャートである。      
高圧ポンプ５の起動後は逆浸透膜１０に対して急激な圧力変動が発生しないように徐々に海水を供給していくために高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５を段階的に開けて全開とする（２スピード操作）。容積式ピストンポンプ２３における流体力伝達のための駆動装置である制御弁２０は潤滑確保のためにある一定圧力の下で運転しなければならない場合には、その一定圧力以下での動力回収チャンバー２１の動作は行えない。このため、この場合には高圧ポンプ５の起動時にはタービン入口弁４７を全閉にして、タービン１４によりブースターポンプ１７がまだ駆動しない状態にしておくが、濃縮海水ライン１３の圧力は徐々に増加し、やがて容積式ピストンポンプ２３の制御弁２０の起動に必要な圧力が確保される一方、まだ、濃縮海水ライン１３は締め切っている状態であり、供給海水は全て逆浸透膜１０を透過し脱塩水側へ流れ出る状態となり、逆浸透膜１０へ過大な圧力がかからないように高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５をある規定開度にしておくこととする。
【０１５１】
高圧ポンプ制御弁３５の開度制御により高圧ポンプ５の流量を制御する場合の他、高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５の換わりに、高圧ポンプ回転数制御装置３４による高圧ポンプ電動モータ６の回転数制御で高圧ポンプ５の流量を制御する方法もある。
高圧ポンプ５の流量制御を吐出弁（制御弁）３５のみではなく、回転数制御装置３４により高圧ポンプ５の回転数制御機能を付加し、同一の温度条件での流量変更（水回収率変更含む）の場合、より運転動力を抑制する効率的な運転を可能とすると共に、高圧ポンプ５を回転数制御装置３４によりソフトスタートさせることで逆浸透膜１０へのダメージをより低減することが可能なシステムとなる。
【０１５２】
高圧ポンプ５の制御開始と同時に容積式ピストンポンプ２３の制御を開始する。容積式ピストンポンプ２３における流体力伝達のための駆動装置である制御弁２０は、潤滑確保のためにある一定圧力の下で運転しなければならない場合には、その一定圧力以下での動力回収チャンバー２１の動作は行えない。この場合には、容積式ピストンポンプ２３の制御弁２０の起動に必要な圧力が確保されてから容積式ピストンポンプ２３の制御弁２０の駆動を開始する。制御弁２０が駆動すると、動力回収チャンバー２１を介して供給海水ブーストライン２４の圧力が上昇する。同時に、動力回収ポンプタービン１８の制御を開始して濃縮海水ライン１３の流量を徐々に増加させ、所定の濃縮海水流量になるよう制御すると共に、所定の供給海水流量３３または脱塩水流量３６となるように高圧ポンプ５の流量制御を開始する。
【０１５３】
（５）脱塩水生産開始工程
図２１は、脱塩水生産開始工程を示すフローチャートである。
脱塩水側は供給ポンプ２９の吸込水槽への循環運転終了後、水質が確保できると関連弁を切換えて脱塩された生産水を淡水水槽へ送りだす。高圧ポンプ５は、供給海水流量３３による流量制御または生産する脱塩水流量３６による流量制御を可能とする。
【０１５４】
動力回収制御方法
次に、３種類の動力回収制御方法を説明する。
１）制御方法１
制御方法１は、タービン１４のみを制御する方法である。
図２２は、タービン１４のみを制御する方法を示す模式図である。図２２（ａ）は動力回収システムの主要部の構成を示す図である。図２２に示す制御方法においては、タービン入口弁４７の開度調節で流量制御されるタービン１４により、供給海水バイパスライン４３が、必要な流量となるブースターポンプ１７の運転点の軸動力に制御される。
【０１５５】
具体的な制御は以下のように行う。
（１）タービン入口弁４７は、濃縮海水流量計３７または供給海水バイパス流量計４４の計測により流量制御を行う。
（２）タービン入口弁４７を濃縮海水流量計３７の計測で流量制御する場合には、脱塩水の設定流量と水回収率の設定により設備としての濃縮海水流量における流量制御目標値が決定できるため明確である。
（３）タービン入口弁４７を供給海水バイパス流量計４４の計測により流量制御する場合には、供給海水バイパス流量４４は濃縮海水流量３７からタービン流量４６が抜かれた動力回収流量とほぼ同一であり、ブースターポンプ１７の運転点により、必要な出力確保のためのタービン流量の目標値が不定であるため供給海水バイパス流量４４の目標値が決定できない。しかしながら、タービン流量は供給海水バイパス流量４４（≒動力回収流量）に対し非常に小さく、流量目標値は濃縮海水流量計３７の設定値に対する計測流量との偏差幅を設けて制御することで行う。
（４）上記タービン入口弁４７を供給海水バイパス流量計４４の計測により流量制御する方法として、ブースターポンプ１７の特性とタービン１４の特性から必要なタービン流量を演算して明確な供給海水バイパス流量の目標値を決定する方法も考えられる。
（５）高圧ポンプ５においては、回転数制御装置３４での回転数制御機能によりソフトスタートさせ、高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５による流量制御に加えて、回転数制御装置３４での高圧ポンプ５の回転数制御機能による流量制御が行えるようにする。
（６）上記タービン入口弁４７のみを制御する場合には、ブースターポンプ吐出弁４５は設置しなくてもよい。ブースターポンプ吐出弁４５を設置する場合には、供給海水バイパスライン４３が無送水状態でのタービン制御によるタービン入口弁４７の過大な開度への動作を回避するためやブースターポンプ１７の締切運転を極力回避するために、ブースターポンプ吐出弁４５を開けた後にタービン入口弁４７の流量制御を開始して徐々に流量を増加させる。
【０１５６】
２）制御方法２
制御方法２は、ブースターポンプ１７とタービン１４の両方を制御する方法である。
図２３は、ブースターポンプ１７とタービン１４の両方を制御する方法を示す模式図である。図２３は、タービン１４のみを制御する方法を示す模式図である。図２３（ａ）は動力回収システムの主要部の構成を示す図である。
この方法は、動力回収ポンプタービン１８の性能を、ある程度範囲を絞り、なるべく効率の良い運転を行えることを目指すもので、ブースターポンプ１７の流量−揚程の特性を抑えるために、（ａ）回転数を固定とするか（タービン回転数一定制御）、（ｂ）タービン１４の流量を固定として（タービン流量一定制御）ある範囲の特性範囲でブースターポンプ１７を運転させる方法である。
【０１５７】
具体的な制御は以下のように行う。
（１）いずれにおいてもブースターポンプ１７の制御に先立ちタービン１４の制御を開始して、ブースターポンプ１７の負荷変動に追従できるよう準備をしておき、ブースターポンプ１７はブースターポンプ吐出弁４５の開度調節で供給海水バイパス流量計４４または濃縮海水流量計３７の計測により供給海水バイパスライン４３の流量を制御する。
（２）ブースターポンプ吐出弁４５を供給海水バイパス流量計４４の計測により流量制御する場合には、供給海水バイパス流量は濃縮海水流量からタービン流量が抜かれた動力回収流量とほぼ同一であり、供給海水バイパス流量（≒動力回収流量）が濃縮海水流量の目標値からタービン流量を引いた流量となるように制御する。
（３）タービン入口弁４７の制御方法としては動力回収ポンプタービン１８の回転数がほぼ一定となるように回転数計４８の計測により制御を行ういわゆるガバナ制御方法と、タービン入り口流量計４６の計測によりタービン１４の流量がほぼ一定になるように制御する方法が考えられる。
（４）高圧ポンプ５においては回転数制御装置３４での回転数制御機能によりソフトスタートさせ、高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５による流量制御に加えて、回転数制御装置３４での高圧ポンプ５の回転数制御機能による流量制御が行えるようにする。
【０１５８】
３）制御方法３
制御方法３は、ブースターポンプ１７とタービン１４の両方を制御する方法である。
図２４は、ブースターポンプ１７とタービン１４の両方を制御する方法を示す模式図である。図２５は、ブースターポンプ１７とタービン１４の両方を制御する方法を示すフローチャートである。
この方法は、プロセスの状況、つまり、流量計測により制御を行うのはブースターポンプ吐出弁４５のみで、極力タービン流量を少なくするように、ブースターポンプ吐出弁４５の開度によりタービン入口弁４７を制御する方法である。
【０１５９】
具体的な制御は以下のように行う。
（１）ブースターポンプ１７はブースターポンプ吐出弁４５の開度調節で供給海水バイパス流量計４４または濃縮海水流量計３７の計測により供給海水バイパスライン４３の流量を制御する。
（２）タービン入口弁４７を供給海水バイパス流量計４４の計測により流量制御する場合には、供給海水バイパス流量４４は濃縮海水流量３７からタービン流量４６が抜かれた動力回収流量とほぼ同一であり、ブースターポンプ１７の運転点により、必要な出力確保のためのタービン流量の目標値が不定であるため供給海水バイパス流量４４の目標値が決定できない。しかしながら、タービン流量は供給海水バイパス流量（≒動力回収流量）に対し非常に小さく、流量目標値は濃縮海水流量３７の設定値に対する計測流量との偏差幅を設けて制御することで行う。
（３）上記タービン入口弁４７を供給海水バイパス流量計４４の計測により流量制御する方法として、ブースターポンプ１７の特性とタービン１４の特性から必要なタービン流量を演算して明確な供給海水バイパス流量４４の目標値を決定する方法も考えられる。
（４）ブースターポンプ吐出弁４５の開度が小さくなってきた場合には、ブースターポンプ１７の性能に対して必要な流量が小さくなってきていると考えられるため、ブースターポンプ１７の性能を小さくするようにタービン１４による出力を小さくする、すなわちタービン入口弁４７の開度を絞り、タービン１４の流量を小さくする。逆に、ブースターポンプ吐出弁４５の開度が大きくなってきた場合には、ブースターポンプ１７の性能が追いつかなくなってきていると考えられるため、ブースターポンプ１７の性能を大きくするようにタービン１４による出力を大きくする、すなわちタービン入口弁４７の開度を開け、タービン１４の流量を大きくする。
（５）高圧ポンプ５においては回転数制御装置３４での回転数制御機能によりソフトスタートさせ、高圧ポンプ吐出弁（制御弁）３５による流量制御に加えて、回転数制御装置３４での高圧ポンプ５の回転数制御機能による流量制御が行えるようにする。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】図１は、従来技術と比較して本発明の基本概念を示す模式図である。
【図２】図２は、従来技術と比較して本発明の基本概念を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の動力回収システムの第１の態様を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の動力回収システムの第２の態様を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の動力回収システムの第１の態様に適用する動力回収ポンプタービンの構造を示す図である。
【図６】図６は、本発明の動力回収システムの第２の態様に適用する動力回収ポンプタービンの構造を示す図である。
【図７】図７は、動力回収ポンプタービンにおけるタービン側ラジアルスラスト軸受の他の実施形態を示す図である。
【図８】図８は、動力回収タービンにおけるタービン側ラジアルスラスト軸受の更に他の実施形態を示す図である。
【図９】図９は、動力回収システムにおける容積形ピストンポンプを示す模式図である。
【図１０】図１０は、容積形ピストンポンプの制御弁の基本構造を示す図である。
【図１１】図１１は、容積形ピストンポンプの動力回収チャンバーを示す図である。
【図１２】図１２は、容積形ピストンポンプの切り替え弁部を示す図である。
【図１３】図１３は、容積形ピストンポンプの切り替え弁部の構成要素であるチェック弁の構造例を示す図である。
【図１４】図１４は、容積形ピストンポンプの制御弁の供給ポートと制御ポートが連通する方向にスプールが動作した場合を示すである。
【図１５】図１５は、容積形ピストンポンプの制御弁の供給ポートと制御ポートが連通する方向にスプールが動作した場合を示す図である。
【図１６】図１６は、動力回収システムにおける制御システムを示す図である。
【図１７】図１７は、動力回収システムにおける脱塩水生産準備供給海水循環工程を示すフローチャートである。
【図１８】図１８は、動力回収システムにおける脱塩水生産準備保管液押出工程を示すフローチャートである。
【図１９】図１９は、動力回収システムにおける脱塩水生産準備高圧ポンプ起動工程を示すフローチャートである。
【図２０】図２０は、動力回収システムにおける脱塩水生産準備制御開始工程を示すフローチャートである。
【図２１】図２１は、動力回収システムにおける脱塩水生産開始工程を示すフローチャートである。
【図２２】図２２は、動力回収システムにおけるタービンのみを制御する方法を示す模式図である。
【図２３】図２３は、動力回収システムにおけるブースターポンプとタービンの両方を制御する方法を示す模式図である。
【図２４】図２４は、動力回収システムにおけるブースターポンプとタービンの両方を制御する方法を示す模式図である。
【図２５】図２５は、動力回収システムにおけるブースターポンプとタービンの両方を制御する方法を示すフローチャートである。
【図２６】図２６は、従来技術Ａを示す模式図である。
【図２７】図２７は、従来技術Ｂを示す模式図である。
【図２８】図２８は、従来技術Ｃを示す模式図である。
【図２９】図２９は、従来技術Ｄを示す模式図である。
【符号の説明】
【０１６１】
１  海水
２  取水ポンプ
３  前処理装置
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
１２  脱塩水
１３  濃縮海水ライン（リジェクト）
１４  タービン
１６  回転軸
１７  ブースターポンプ
１８  動力回収ポンプタービン
１９  ブースターポンプ吐出ライン
２０  制御弁
２１  動力回収チャンバー
２２  切り替え弁
２３  容積型ピストンポンプ
２４  供給海水バイパスブーストライン
２５  動力回収リジェクト
２６  電動モータ
２７  タービン吐出ライン
２８  タービン入口ライン
２９  供給ポンプ
３０  保安フィルター
３１  供給海水ライン
３２  高圧ポンプ入口弁
３３  供給海水流量計
３５  高圧ポンプ吐出弁（制御弁）
３６  脱塩水流量計
３７  濃縮海水流量計
３８  動力回収・排出ライン
４０  動力回収ライン
４１  動力回収出口弁（制御弁）
４３  供給海水バイパスライン
４４  供給海水バイパス流量計
４５  ブースターポンプ吐出弁（制御弁）
４６  タービン入り口流量計
４７  タービン入口弁（制御弁）
４８  動力回収ポンプタービン回転数計
１０１  タービンケーシング
１０３  支持部材（連通部）
１０４  タービンインペラ
１０５  タービンインペラ羽根
１０６  タービン側ガイドベーン
１０７  タービン内部ケーシング
１０８  タービン側ラジアル軸受
１０９  タービン側スラスト軸受
１１０  軸受シェル
１１０Ａ，１２０Ａ  軸受シェル取り付けボルト
１１１  ブースターポンプケーシング
１１４  ブースターポンプインペラ
１１５  ポンプインペラ羽根
１１６  ポンプ側ガイドベーン
１１７  ポンプ内部ケーシング
１１８  ポンプ側ラジアル軸受
１１９  ポンプ側スラスト軸受
１２０  軸受シェル
１２１  ブッシュ
１２２  ブッシュ固定スリーブ
１２３  廻り止めねじピン
１２４  固定用リング
１２６  タービン側ケーシングリング
１２７  フランジ
１２８  組立ボルト・ナット
１２９  ケーシング接続リブ
１２９Ａ  タービンインペラキャップ
１３０  タービンインペラボルト
１３６  ポンプ側ケーシングリング
１３９  ポンプインペラキャップ
１４０  ポンプインペラボルト
１４１  回転数計
２０１  タービンケーシング
２０３  連通部
２０４  タービンインペラ
２０４ｈ  タービンインペラ開口穴
２０５  タービンインペラ羽根
２０８  タービン側ラジアル軸受
２０８ＲＴ  タービン側ラジアルスラスト軸受
２０９  タービン側スラスト軸受
２１０  軸受シェル
２１１  ブースターポンプケーシング
２１４  ポンプインペラ
２１４ｈ  ポンプインペラ開口穴
２１５  ポンプインペラ羽根
２１８  ポンプ側ラジアル軸受
２２２  軸受固定スリーブ
２２３  固定用リング
２２６  タービン側ケーシングリング
２２７  タービン側インペラリング
２２９  タービンインペラキャップ
２３０  タービンインペラボルト
２３６  ポンプ側ケーシングリング
２３７  ポンプ側インペラリング
２３９  ポンプインペラキャップ
２４０  ポンプインペラボルト
２４１  回転数計
２４５  フランジ
２４６  組立ボルト・ナット
３０１  ハウジング
３０２  スプール
３０３  駆動部
３１０  ピストン
３１１  シリンダ
３１１ａ，３１１ｂ  入出ポート
３２０  チェック弁（逆止弁）
３２１  ケーシング
３２２  ポペット
３２２ａ  円錐部
３２３  シート
３２４  圧縮コイルスプリング
Ｘ  廻り止めねじピン
Ｙ  ボルト
Ｚ１，Ｚ２  キー
【図１】
0004870648.tif 000003
【図２】
0004870648.tif 000004
【図３】
0004870648.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
0004870648.tif 000026
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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