JP3593480B2 - 海水冷却システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は海水を用いて冷凍機や蒸気タービンの復水器を冷却する海水冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大気汚染防止が可能でエネルギーを効率的に利用できるという利点から地域冷暖房システムが採用されてきている。特に、湾岸近傍や海上造成地等のウォーターフロントに建設される各種建物では、１個の熱発生設備であるエネルギプラントを用いて空調することにより、設備の低コスト化、低メンテナンス化、省スペース化が可能になる。このようなウォーターフロントにある施設の空調においては、冷却源として回りに豊富に存在する海水が用いられている。この例が、熱供給 未利用エネルギー特集ＮＯ．３「海水熱利用によるコスモスクエア地区の熱供給」 社団法人日本熱供給事業協会 １９９３年 に記載されている。
【０００３】
この文献では、空調用の冷凍機の冷却水に淡水を用いて循環させ、この淡水を海水と熱交換させて冷却に供している。淡水と海水を熱交換させる熱交換器では、海水側の熱交換器入口温度と出口温度の温度差を５〜６゜Ｃに設定している。そして、海水を海中に排出する際に環境破壊が生じないよう、冷凍機に汲み入れられる海水量を制御している。
【０００４】
一方、この海水と熱交換する淡水については、熱交換器出口での淡水の温度が高くても冷凍機の性能低下がわずかであるので、冷却水の循環量を減らすために、出口温度を高く設定する傾向にある。冷却水量が減ると、冷却水を搬送するポンプ動力等の動力を低減できるとともに、配管口径も小径化でき、建設コストの大幅低減が可能になる。その結果、淡水と海水を熱交換する熱交換器においては、淡水側の温度差が海水側の温度差の２倍以上になっている。
【０００５】
また、海水を冷却用に使用すると、ごみ等が熱交換器に付着するので、熱交換器の洗浄が必要になる。そこで、海水により汚れた熱交換器の汚れ除去の例が、冷凍 「ＮＥＤＯ未利用エネルギー活用プロジェクトの紹介」ｖｏｌ．７３、Ｎｏ．８５３、第８８頁〜９２頁、１９９８年１１月 に記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、淡水と海水を熱交換する熱交換器には、一般にプレート熱交換器が使用される。このプレート熱交換器では、プレート間に淡水と海水を交互に流している。プレート熱交換器の大きさは、海水と淡水間の出入り口温度差や流量がほぼ同程度のときに、最小になる。上述したように、従来の熱交換器における海水側の温度差は、淡水側の温度差の半分程度であるから、海水の循環量は淡水の循環量の約２倍になる。このため、海水と淡水を熱交換するプレート熱交換器では、伝熱に必要なプレート枚数より多くのプレートが海水を熱交換器内で導くのに必要になる。その結果、熱交換器の大きさが大きくなるという不具合があった。
【０００７】
また、海水の温度差を小さくするために、海水を大量にプレート熱交換器に導くので、海水ポンプの動力が大きくなる。さらに、海水中の微生物が冷凍システム内に付着してスライムや藻が発生する恐れがあるので、海水取入口には海水をろ過するろ過器が必要であるが、海水量が増大すると、当然ろ過器も大型化し、コストが増大する。
【０００８】
一方、海水による熱交換器の汚れを除去する文献記載の方法は、熱交換器内の海水を系外へ排出した後、温水あるいはオゾン水を通液してプレートに付着した海生生物を死滅させ、エアーバプリングによって汚れを除去するものである。この方法によれば、温水発生のためのボイラやオゾン発生装置等が必要となり、せっかく海水を使った利便性を損なう恐れがある。
【０００９】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、海洋環境を保全しながら、冷凍機に用いられる海水冷却システムを小型化することにある。本発明の他の目的は、海洋環境の保全と冷凍機に必要な動力の低減の双方を実現することにある。本発明のさらに他の目的は、海洋環境の保全と冷凍機の建設製造コストの低減を両立させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するに、本発明では、抽気復水蒸気タービンと復水器と抽気復水蒸気タービンにより駆動されるターボ冷凍機と吸収冷凍機とを有する冷凍機システムと、この冷凍機システムを流通する淡水の冷却水を海水と熱交換する複数の熱交換器と、この複数の熱交換器に海水を供給し取水ポンプを有する海水取水配管と、このそれぞれの熱交換器から海水を海中に戻す海水戻し配管とを備えた海水冷却システムを構成する。そしてその第1の特徴は、海水戻し配管から流出する高温の海水に低温の海水を混合するための第２の海水取水配管を設け、この第２の海水取水配管を海水戻し配管に接続し、海水取水配管に海水ストレーナを設けたことにある。
【００１３】
そして、熱交換器に流入する淡水の温度と流出する淡水の温度との温度差と、この熱交換器に流入する海水の温度と流出する海水の温度との温度差をほぼ同じにすることが望ましい。
【００１４】
さらに第２の特徴は、複数の熱交換器の各々にこの熱交換器の内部を流通する海水を淡水に置換する置換手段を設けたことである。そして、置換手段は、海水取水配管に設けた第１の弁手段を有する第１のバイパス管と海水戻し配管に設けた第２の弁手段を有する第２のバイパス管と、海水取水手段に設けた第３の弁手段と、海水戻し配管に設けた第４の弁手段を有し、復水器の淡水側出口と淡水側入口とを接続する配管と、この配管中に介在させたポンプと、逆止弁と有し、熱交換器の海水を淡水に置換したときにはこの配管と復水器間を淡水が循環するようにしたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。図１は本発明に係る空調システムの一実施例の系統図である。空調システムは、ウォータフロントや沖合いに埋め立てて造成された例えば空港に建設されたビル等を空調する空調設備である。空港ビル等を冷却する空調システムは、抽気復水タービン１、発電機２、復水器４、ターボ圧縮機７、蒸発器８、凝縮機９、吸収冷凍機１３、複数台の淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍ（ｍ：ｍ番目を示す）、淡水ポンプ１６、海水ポンプ１８、海水バイパスポンプ２０、海水ろ過器２２、およびこれら各機器間を接続する蒸気配管３、５、６、淡水配管１５、海水配管１９、…、１９ｍ（ｍ：ｍ番目を示す）、２１、２３、２４、等を備えている。
【００１６】
冷却用の淡水は、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍにおいて海水により冷却された後、淡水ポンプ１６で昇圧される。その後、淡水配管１５を通ってターボ冷凍機の凝縮器９、吸収冷凍機１３、復水器４の順に流れ、各機器を冷却する。その際、淡水自身は昇温し、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに還流して再び海水で冷却される。以後、この循環を繰り返す。
【００１７】
一方、海水は取水ポンプ２１により海中から汲み上げられ、海水配管２３、１９、…、１９ｍを経て海水ポンプ１８、…、１８ｍに供給される。海水ポンプ１８、…、１８ｍは、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに海水を必要量供給する。淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍにおける夏場の淡水の出口温度は、海水温度が２５°Ｃ程度であるので２８°Ｃ程度まで上昇する。
【００１８】
２８°Ｃまで上昇した淡水は、ターボ冷凍機の凝縮器９および吸収冷凍機１３を冷却て昇温し、復水器４に流入する。復水器４では、蒸気タービン１から排出される蒸気を冷却して蒸気を液化する。淡水はこの蒸気タービンでさらに昇温し、約４０°Ｃ〜４５°Ｃになって淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに還流する。したがって、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍの淡水側の温度差は、１２°Ｃ〜１７°Ｃと大きくなる。
【００１９】
海水は、海水ポンプ１８、…、１８ｍにより淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに約２５°Ｃで供給される。そして、この熱交換器において、淡水と同じ温度差まで昇温し、３７°Ｃ〜４２°Ｃになって熱交換器１７、…、１７ｍから流出する。このように熱交換器の入口と出口の温度差を、淡水と海水とでほぼ同一にすると、淡水と海水の熱伝達率はほぼ同一であるから、熱交換器を小型化できる。このとき、熱交換器を流通する海水と淡水のそれぞれの流量もほぼ同じになる。
【００２０】
ところで、熱交換器１７、…、１７ｍから流出した海水は温度が高いので、そのまま海に放流すると海の環境を乱すことになる。そこで、取水配管２３から取水した冷たい海水の一部をバイパス配管２１によりバイパスさせる。バイパス配管２１には、海水バイパスポンプ２０を介在させる。バイパス配管２１を熱交換器１７、…、１７ｍから流出する海水の放流配管２４に接続する。そして、熱交換器１７、…、１７ｍから流出する海水を冷たい取水したばかりの海水と混合させることにより、海中に放流される海水の温度を、環境に影響しない温度まで低下させることが可能になる。
【００２１】
なお、海水ポンプとしては取水ポンプ１８、…、１８ｍのみとし、熱交換器１７、…、１７ｍの入口部からそれぞれのポンプの出口にバイパス配管を接続してもよい。ただし、この場合には、放流温度を下げるためにバイパスする海水も熱交換器を通過させるので、熱交換器を流通するのに必要な圧力まで昇圧する必要がある。
【００２２】
また、海水ポンプとして、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍに海水を供給する揚程が１５〜２０ｍ程度のポンプ１８、…、１８ｍと、揚程が約５ｍの海水バイパスポンプ２０との２段のポンプを用いれば、バイパスさせる海水については昇圧する必要がなくなるので、バイパス海水の昇圧量は１段のときの１／３〜１／４まで減少する。したがって、総合したポンプ動力を低減できる。
【００２３】
さらに、図２に示すように、主取水ラインにポンプ２５を設け、バイパスライン２１に制御弁２６を設けるようにしてもよい。このようにすれば、冷却水と熱交換する海水量が少ないときや、冷却水と熱交換した海水の温度が低いときには、制御弁２６を絞ってポンプ２５の必要動力を低減することが可能になる。
【００２４】
なお、海水にはごみが多く含まれているので、海水取水口にはポンプの運転に支障を起こすような大きなごみを取るスクリーンが、熱交換器に供給するラインには熱交換器にごみが詰まって海水が流れなくなるのを防止するための目の細かい自動洗浄式のろ過器がそれぞれ取り付けられている。
【００２５】
本実施例によれば、熱交換器に供給される海水と熱交換器から海中に排出される海水を冷却するバイパス海水とに分けているので、バイパス海水の方はろ過せず、熱交換器に供給される海水のラインにのみ海水ろ過器を設ければ、海水ろ過器２２を通過する海水量が従来に比べて約半分に減り、海水ろ過器２２の容量が半分で済み、コスト低減が可能になる。
【００２６】
さらに、海水バイパスポンプ２０を、海水放流温度差が一定になるように冷却負荷に応じて回転数制御すれば、海水の無駄なバイパスが不要となり、ポンプ動力をより一層低減することができる。
【００２７】
ところで、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍの海水側には、海生生物が付着したりして、熱伝達を阻害されることがある。このため、定期的に海水側を洗浄する必要がある。上述したように、海水側を淡水に置換した後、海生生物が死滅する温度まで淡水温度を上げて洗浄する方法が、海の環境保全の観点から採用されることが多い。海水を使用して冷却する場合、海水取水温度が２５℃程度であることから、この温度付近が海生生物の生活温度域であり、これより２０℃も高い４５℃近くの温度になるとほとんどの海生生物は死滅すると考えられるからである。
【００２８】
この方法では装置が複雑化するので、より簡便化した海水冷却システムの例を図３に示す。この図３に示した実施例は、淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍ回りを除いて、上記実施例と同じである。複数設けられた熱交換器１７、…、１７ｍの中の１台の熱交換器１７だけを洗浄する場合を例に取る。
【００２９】
洗浄対象のｍ個の熱交換器１７、…、１７ｍの中で、１台の熱交換器１７だけ、海水側の止め弁３８、３９を閉じ、淡水止弁３６、３７を微開にする。このとき、他の熱交換器１７ｍ、…には淡水と海水の双方を通水し、冷凍機システムを運転状態にする。洗浄する熱交換器１７の海水排出弁２８を開き、この熱交換器１７内の海水を抜取る。海水を抜取った後、淡水供給弁２７を開き、熱交換器１７内を淡水で満たす。
【００３０】
このように各弁を設定すると、熱交換器１７には冷凍機システムで暖められて高温になった淡水が少量流れる。そして、最終的には、熱交換器１７全体の内部温度が、冷凍機システムから戻る淡水温度に達する。この戻りの淡水温度まで熱交換器１７温度が上昇すると、熱交換器１７に付着している海生生物は死滅する。やがて、海生生物は熱交換器１７の伝熱面より剥離する。なお、熱交換器１７の内部の加熱を淡水側から行うので、海生生物が付着している側が高温になり、海生生物が剥離しやすくなる。
【００３１】
季節によっては海水温度が低くなり、冷凍機システムからの淡水戻り温度が低くなる場合がある。また、冷凍機システムの負荷が少なくなって、淡水戻り温度が低くなることもある。このような不具合を防ぐために、冷凍機システムの淡水戻り温度を検出する温度センサー２９を設け、熱交換器の洗浄時にはこの温度センサー２９が検出した温度に基づいて、温度調節器３０が洗浄に必要な温度に上昇するように淡水流量を制御する。具体的には、温度調節器３０が制御弁３１を絞るように指令する。
【００３２】
洗浄が完了したら、制御弁３１を全開に戻す。また、淡水供給弁２７と海水排出弁２８を閉め、海水止め３８、３９および淡水止め弁３６、３７を全開にし、通常の運転に戻す。
【００３３】
図４に上記実施例の変形例を示す。本変形例が、上記実施例と異なる点は、復水器４を循環する配管３４を淡水循環路に設けたことにある。淡水と海水の熱交換器１７、…、１７ｍを洗浄するときに、冷凍機に還流する淡水の循環量を絞り過ぎると、冷凍機の冷却水出口温度が高くなり、冷凍機の運転に支障をきたすことがある。
【００３４】
このとき、淡水の循環量を冷凍機の運転に支障が起きない程度まで絞る。復水器４の出口側淡水は、入口側に戻す配管３４に設けられたバイパスポンプ３２により復水器４を循環し、復水器４の淡水出口温度が洗浄に必要な温度まで上昇したら熱交換器１７、…、１７ｍに導くようにする。
【００３５】
なお、配管３４にはチェック弁３３が設けられており、熱交換器１７、…、１７ｍを洗浄しない時には淡水が復水器４に戻らない様にする。また、バイパスポンプ３２は淡水戻り温度が洗浄に必要な温度になるようにインバータを用いて回転数制御されている。なお、回転数制御の代わりに制御弁を取り付け、バイパス水量を調節してもよい。
【００３６】
本実施例によれば、淡水と海水の熱交換器を洗浄するのに専用のボイラー等の加熱装置が不要になる。したがって、海水を冷却用に利用する冷凍機システムのコスト低減が図れる。また、ボイラー等の加熱源が不要であるから、メンテナンスが容易になり、ランニングコストも低減する。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、冷却水を海水により冷却する海水冷却システムにおいて、循環する淡水の熱交換器入口温度を高め、熱交換後の海水を取水したばかりの海水と混合させたので、環境保全と空調システムの小型化が可能になる。また、小型化により消費動力の低減も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る海水冷却システムの一実施例のシステムフロー図。
【図２】本発明に係る海水冷却システムの他の実施例のシステムフロー図。
【図３】本発明に係る海水冷却システムのさらに他の実施例のシステムフロー図。
【図４】本発明に係る海水冷却システムのさらに他の実施例のシステムフロー図。
【符号の説明】
１…抽気腹水タービン、２…発電機、３…入口蒸気配管、４…復水器、５…復水蒸気配管、６…抽気蒸気配管、７…ターボ圧縮機、８…蒸発器、９…凝縮器、１０…冷媒吐出配管、１１…冷媒絞り装置、１２…冷媒吸込み配管、１３…吸収冷凍機、１４…冷水配管、１５…淡水配管、１６…淡水ポンプ、１７…熱交換器、１７ｍ…ｍ番目の熱交換器、１８…海水ポンプ、１８ｍ…ｍ番目の海水ポンプ、１９…熱交海水配管、１９ｍ…ｍ番目の熱交海水配管、２０…海水バイパスポンプ、２１…海水バイパス配管、２２…海水ろ過器、２３…海水取水配管、２４…海水放流配管。

Claims (3)

1. 抽気復水蒸気タービンと復水器と前記抽気復水蒸気タービンにより駆動されるターボ冷凍機と吸収冷凍機とを有する冷凍機システムと、この冷凍機システムを流通する淡水の冷却水を海水と熱交換する複数の熱交換器と、この複数の熱交換器に海水を供給し取水ポンプを有する海水取水配管と、このそれぞれの熱交換器から海水を海中に戻す海水戻し配管とを備えた海水冷却システムにおいて、
   前記海水戻し配管から流出する高温の海水に低温の海水を混合するための第２の海水取水配管を設け、この第２の海水取水配管を前記海水戻し配管に接続し、前記海水取水配管に海水ストレーナを設けたことを特徴とする海水冷却システム。
2. 前記熱交換器に流入する淡水の温度と流出する淡水の温度との温度差と、この熱交換器に流入する海水の温度と流出する海水の温度との温度差がほぼ同じであることを特徴とする請求項１に記載の海水冷却システム。
3. 抽気復水蒸気タービンと復水器と前記抽気復水蒸気タービンにより駆動されるターボ冷凍機と吸収冷凍機とを有する冷凍機システムと、この冷凍機システムを流通する淡水の冷却水を海水と熱交換する複数の熱交換器と、この複数の熱交換器に海水を供給し取水ポンプを有する海水取水配管と、このそれぞれの熱交換器から海水を海中に戻す海水戻し配管とを備えた海水冷却システムにおいて、
   前記複数の熱交換器の各々にこの熱交換器の内部を流通する海水を淡水に置換する置換手段を設け、前記置換手段は、前記海水取水配管に設けた第１の弁手段を有する第１のバイパス管と前記海水戻し配管に設けた第２の弁手段を有する第２のバイパス管と、前記海水取水手段に設けた第３の弁手段と、前記海水戻し配管に設けた第４の弁手段を有し、
   前記復水器の淡水側出口と淡水側入口とを接続する配管と、この配管中に介在させたポンプと、逆止弁と有し、前記熱交換器の海水を淡水に置換したときにはこの配管と前記復水器間を淡水が循環するようにしたことを特徴とする海水冷却システム。

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