JP4472837B2 - 流水エネルギーを利用した水質改善装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は河川を堰堤で堰き止めた構造のダム等の貯水場から放流される流水のエネルギーを圧縮空気の有するエネルギーに変換し、該エネルギーを有する圧縮空気を圧縮空気貯留タンクに貯留しておき、該圧縮空気を利用して貯水場の水質を改善する流水のエネルギーを利用した水質改善装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダム等の貯水場における水質改善を行うための水質改善装置としては、水を攪拌したり、水中に空気を放出したり、貯水面に噴水等により水を散水することにより、空気中の酸素を取り込み溶存酸素量を増やしたり、水深の浅い水温の高い部分と水深の深い水温の低い部分で水の循環を発生させ、全体の水温を下げバクテリアの発生を抑制して溶存酸素の減少を防止する方法が採用されている。そのため、攪拌曝気装置や噴水装置が設けられているがこれらを駆動するエネルギーとしては、電力を用いるのが殆どである。つまり、圧縮空気を造り該圧縮空気を水中に散気する場合は、この圧縮空気を造るために電動機で容積式空気圧縮機を駆動して圧縮空気を製造している。そのため、水質改善に膨大な電力量を必要とし、水質改善コストが高くなるという問題がある。
【０００３】
また、河川を堰堤で堰き止めた構造のダムでは、放流水の持つエネルギーを回収して圧縮空気を製造し、該圧縮空気をダムに貯水された水中に散気させる方法も考えられるが、従来流水の持つエネルギーを回収する方法としては、流水で水車を回転させ、該水車で発電機を回転させて電気エネルギーとして回収するのが殆どであった。したがって、流水エネルギーを回収し、圧縮空気を製造するには、該水車で発電機を駆動し、該発電機で発電された電力で電動機を駆動し、該電動機で容積式の空気圧縮機を駆動して圧縮空気を製造することになる。
【０００４】
上記の圧縮空気製造方法は、水車、発電機、電動機、空気圧縮機を必要とし、発電機を駆動する水車は負荷が変動しても回転数を一定に保持しなければならないので、速度制御装置付の高価な水車を使用するか、或いは水車に速度制御装置が無い場合には、水車の水入口に流量調節弁を設けて水車の回転数が一定になるように供給する水の流量を自動制御しなければならなかった。また、水車と空気圧縮機との間に発電機と電動機が介在するので、発電機と電動機の損失分だけエネルギーの回収効率が低くなるという欠点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、構造が簡単で安価な水車を使用し、水車で直接空気圧縮機を駆動して効率良く圧縮空気を製造し、該圧縮空気を圧縮空気貯留タンクに貯留しておき、該該圧縮空気を利用して貯水場の水質を改善する流水エネルギーを利用した水質改善装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、貯水場からの放流水により回転する水車と、水車が回転することにより駆動する空気圧縮機と、空気圧縮機で製造された圧縮空気を貯留する圧縮空気貯留タンクと、を具備し、水車は、回転数を一定に保持するための速度制御装置を設けず、且つ開度を自動制御して流入する水の流量を調節する流量調節弁を設けないポンプ逆転型水車であり、圧縮空気貯留タンクは、貯留する圧縮空気の圧力を検出する圧力計を備えると共に、上部に安全弁を、下部にドレン弁を備え、放流水の持つエネルギーを圧縮空気貯留タンクに貯留する圧縮空気の持つエネルギーとして回収し、貯水場に、貯留水中の溶存酸素量を豊富にし水質を改善する水質改善手段を設け、水質改善手段に圧縮空気貯留タンクに貯留された圧縮空気を圧力空気管を介して導入できるように構成し、水質改善手段は、導入された圧縮空気を貯水場に導き貯留水中に散気する散気装置又は該導入された圧縮空気を利用して貯留水面に散水する散水装置の何れか一方又は両方を備えたことを特徴とする流水エネルギーを利用した水質改善装置にある。
【０００７】
上記のように回転数を一定に保持するための速度制御装置を設けず、且つ開度を自動制御して流入する水の流量を調節する流量調節弁を設けないポンプ逆転型水車と、水車が回転することにより駆動する空気圧縮機と、圧力計を備えると共に、上部に安全弁を、下部にドレン弁を備えた圧縮空気貯留タンクとを備え、流水のエネルギーを水車及び空気圧縮機を介して圧縮空気の形態として圧縮空気貯留タンクに貯留して回収するので、本来無駄に捨ててしまう流水のエネルギーを安価な設備で、一定圧力、一定風量の圧縮空気として利用できる。
【０００９】
上記のように貯水場に設けた水質改善手段に流水エネルギー回収装置の圧縮空気貯留タンクに貯留された圧縮空気を利用するので、水中の溶存酸素を豊富にすることができ、安価な設備で、且つ安価なコストで水質改善ができる。
【００１１】
上記のように流水のエネルギーを利用して安価に製造した圧縮空気を散気装置を通して貯水場の水中に散気するか又は該圧縮空気を利用して散水装置から水を噴出し貯水面に散水するか又はこれら両方を行うことにより、水中の溶存酸素を豊富にすることができ、安価なコストで水質改善ができる。また、圧縮空気を水中に散気したり水面に水を散水することにより、空気中の酸素を水中に取り込み溶存酸素量を増やしたり、水深の浅い水温の高い部分と水深の深い水温の低い部分で水の循環を発生させ、全体の水温を下げる結果、バクテリアの発生を抑制して溶存酸素の減少を防止する。
【００１２】
また、ダムの水位は降雨量によって変化し、水車に掛かる落差も変化するので、水車の水入口に設けた流量調整弁の開度を固定したままの場合には水車の出力回転数が変わる。また、圧縮空気の使用状況によって空気圧が変わると空気圧縮機の負荷が変わり、これに伴って水車の回転数も変化するが、ここでは水車で空気圧縮機を直接駆動しているので、空気圧縮機の許容範囲内であれば、上記のように水車の回転数が変化しても何等支障なく空気圧縮機の運転を行なうことができ、ガイドベーンが無く価格の安価なポンプ逆転型水車を用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る流水エネルギーを利用した水質改善装置の構成を示す図である。ここでは河川を堰堤で堰き止めた構造のダムに貯留された水の水質改善を例に説明するが、水を貯留する貯水場としてはこれに限定されるものでないことは当然である。
【００１４】
図１において１０１は河川を堰き止めた堰堤であり、該堰堤で堰き止めた河川の上流側には水１０２が貯留されダムが形成される。堰堤１０１の下流側にはダムから放流される水流で水車を駆動し、該水車で空気圧縮機を回転させ、圧縮空気を製造し、ダムから放流される流水のエネルギーを圧縮空気の形態で回収する流水エネルギー回収装置１０３（後に詳述）が設けられている。
【００１５】
また、ダムの貯水面には水質改善装置１０４が浮上設置されており、流水エネルギー回収装置１０３から圧力空気管１０５を通して圧力空気を水質改善装置１０４に導き、該圧力空気を散気管１０６を通して水中に放出したり、該圧力空気を利用して噴水ノズル１０７から水を噴出させ散水することにより、水中に空気を送り、溶存酸素の量を豊富にし、貯留されている水１０２の水質を改善する。
【００１６】
図２及び図３は水質改善装置の構成例を示す図で、図２は側断面図、図３は平面図である。水質改善装置は六角環状の噴水タンク１０８とその外周に配置され円状の外周注水管１０９を具備し、噴水タンク１０８には複数個（図では６個）の噴水ノズル１０７が設けられ、外周注水管１０９には複数個（図では２４個）の噴水ノズル１１０が設けられている。１１１は後述のように３個の開閉弁を具備する切換弁であり、圧力空気管１０５を通して送られてくる圧縮空気を圧縮空気供給管１１２を通して噴水タンク１０８に供給したり、又は圧縮空気供給管１１３を通して散気管１０６に供給したり、又は同時に噴水タンク１０８と散気管１０６の両者に供給する。また、噴水タンク１０８には逆止弁１３２を介して給水口１３３が接続されている。
【００１７】
上記噴水タンク１０８及び外周注水管１０９は枠体１１４に搭載されている。また、水質改善装置１０４は複数個（図では６個）のフロート１１５により、浮力を受け水面に浮上するようになっている。また、水質改善装置１０４はアンカー１１８、カウンターウエイト１１６、ワイヤロープ１２２及び固定滑車１１７からなる繋留機構で水面の所定位置に繋留されている。また、枠体１１４の外周には複数個（図では３個）の散気管１０６を吊り下げる散気管用滑車１１９が設けられ、散気管１０６は該散気管用滑車１１９及びワイヤロープ１２１を介して、ウインチ１２０で水中の所定位置に吊り下げられるようになっている。また、圧力空気管１０５はフロート１２３とウエイト１２４により水中の所定の深さ位置に繋留されている。圧力空気管１０５を湖底に這わせる場合はフロート１２３が不要であり、水面上にフロート１２３で配管する場合はウエイト１２４が不要であることは言うまでもないことは当然である。
【００１８】
図４は切換弁１１１の外観構成を示す図である。Ｔ字型の配管１２５を具備し、該配管１２５の一端に電磁開閉弁Ｓ１が接続されると共に、他端に圧力調整用グローブ弁１２６を介して曝気用電磁開閉弁Ｓ２が接続され、更に電磁開閉弁Ｓ１に配管１２７を介して排気用電磁開閉弁Ｓ３が接続された構成である。切換弁１１１はブラケット１２８を介して枠体１１４に固定されている。配管１２５の下端にはスイベルジョイント１２９を介して圧力空気管１０５が接続されている。また、曝気用電磁開閉弁Ｓ２は接続配管１３０を介して散気管１０６に圧縮空気を送る圧縮空気供給管１１３が接続されている。また、配管１２７には噴水タンク１０８に圧縮空気を送る圧縮空気供給管１１２が接続されている。また、排気用電磁開閉弁Ｓ３の他端には排気口１３１が接続されている。なお、１３５は圧力計である。
【００１９】
上記構成の水質改善装置１０４において、いま噴水タンク１０８に逆止弁１３２及び給水口１３３を通して水が供給され、充満しているとする。この状態で切換弁１１１の電磁開閉弁Ｓ１を開とし、曝気用電磁開閉弁Ｓ２及び排気用電磁開閉弁Ｓ３を閉にすると、圧力空気管１０５からの圧縮空気は切換弁１１１及び圧縮空気供給管１１２を通して噴水タンク１０８内に供給され、噴水タンク１０８内の水位を押し下げる。これにより複数個の噴水ノズル１０７を通して水が噴出されると共に、外周注水管１０９内にも水が圧送され、複数個の噴水ノズル１１０から水が噴出される。噴水ノズル１０７及び１１０はそれぞれ複数のノズル口を有し、その口径は噴水ノズル１０７の方が噴水ノズル１１０より大きい。したがって、噴水ノズル１０７から噴出された水は遠方まで飛散し、噴水ノズル１１０より噴出された水は霧状になって外周注水管１０９の周辺に飛散する。
【００２０】
圧縮空気を送り続けると噴水タンク１０８内の水位が下降し、噴水ノズル１０７の下端を越えて降下すると、噴水ノズル１０７から空気が噴出され、噴水ノズル１０７及び１１０からの水の噴出は停止する。この状態で電磁開閉弁Ｓ１を閉、排気用電磁開閉弁Ｓ３を開にすると、噴水タンク１０８内に給水口１３３から水１０２が逆止弁１３２を通って流入すると共に、噴水タンク１０８の空気は排気用電磁開閉弁Ｓ３を通して、排気口１３１から大気中に排気される。水質改善装置１０４の自重により、噴水タンク１０８に水が流入するにつれて噴水タンク１０８は降下し、内部に水１０２が充満した状態でその下降は停止する。
【００２１】
散気管１０６に圧縮空気を送るときは、電磁開閉弁Ｓ１を閉、曝気用電磁開閉弁Ｓ２及び排気用電磁開閉弁Ｓ３を開とすることにより、圧力空気管１０５からの圧縮空気は曝気用電磁開閉切換弁Ｓ２及び圧縮空気供給管１１３を通して散気管１０６に送られる。また、噴水タンク１０８と散気管１０６に同時に圧縮空気を送る時は、電磁開閉弁Ｓ１及び曝気用電磁開閉弁Ｓ２を開、排気用電磁開閉弁Ｓ３を閉とすることにより噴水タンク１０８と散気管１０６に同時に圧縮空気が送られ、噴水ノズル１０７及び１１０からの噴水と散気管１０６からの散気（曝気）が同時に行われる。上記電磁開閉弁Ｓ１、曝気用電磁開閉弁Ｓ２及び排気用電磁開閉弁Ｓ３の操作は操作盤１３４からの操作で行う。
【００２２】
上記のように噴水ノズル１０７及び１１０から水を噴出し水面に散水したり、散気管１０６から水中に空気を散水することにより、水中に空気中の酸素を取り込み溶存酸素量を積極的に増やしたり、水深の浅い水温の高い部分と水深の深い水温の低い部分で水の循環を発生させ、全体の水温を下げバクテリアの発生を抑制して溶存酸素の減少を防止することができる。特に散気管１０６を水深の深い位置に設置し、圧縮空気を散気（曝気）することにより、水深の浅い水温の高い水と水深が深く水温の低い水との間に循環が起こり、全体の水温を低下させ、バクテリアの発生を抑制して溶存酸素の減少を抑制すると共に、積極的に溶存酸素を豊富にする効果がある。
【００２３】
図５は流水エネルギー回収装置１０３のシステム構成例を示す図である。図示するように、本流水エネルギー回収装置は、水車１、増速機２、容積式の空気圧縮機３及び圧縮空気貯留タンク４を具備する。水車１の水入口５には流量調節弁１１が接続され、ダム放流水等の水流が流量調節弁１１の開度で調節され、水入口５から水車１に流入する。そして水車１は回転し、水は水出口６から放出される。
【００２４】
水車１の回転数は増速機２を介して増速され、この増速された回転数で空気圧縮機３は駆動される。これにより、空気圧縮機３の空気吸込口７から吸込まれた空気は圧縮され、圧縮空気吐出口８から圧縮空気貯留タンク４のタンク入口９に送られ該圧縮空気貯留タンク４内に貯留される。
【００２５】
図６は本発明の流水エネルギー回収装置に使用する圧縮空気貯留タンクの外観図、図７は水車及び空気圧縮機等の正面図、図８は水車及び空気圧縮機等の平面図である。
【００２６】
圧縮空気貯留タンク４は図６に示すように、タンク本体４−１にタンク入口９、タンク出口１０が設けられると共に、安全弁１３、圧力計１４及びドレン弁１５が設けられている。また、水車１、増速機２、空気圧縮機３は図７及び図８に示すように、共通ベース１６の上に搭載され、水車１の回転軸と増速機２の入力側回転軸とはカップリング１８で連結され、増速機２の出力側回転軸と空気圧縮機３の回転軸はカップリング１９で連結され、水車１の回転は増速機２で増速され空気圧縮機３に伝達されるようになっている。また、水車１、増速機２及び空気圧縮機３はカバー１７で覆われている。
【００２７】
上記構成の流水エネルギー回収装置において、水車１の水入口５に流入する水は流量調節弁１１で水車１の回転数がほぼ規定値になるように調整されている。水車１に供給された水は水出口６から放流される。ここで、水車１として構造が簡単で安価なポンプ逆転水車を使用すれば、流量調節弁１１の開度を固定したままの場合に空気圧縮機３の負荷が変わると水車１の回転数が変わる。また、大雨などでダムの水位が変わると空気圧縮機３の負荷が同一であっても水車１の回転数が変わるが、空気圧縮機３の回転数の許容範囲内であれば、流量調節弁１１の開度を固定したままで良く、開度を自動制御する必要がない。
【００２８】
空気圧縮機３の空気吸込口７から吸込まれた空気は圧縮され、圧縮空気吐出口８から圧縮空気貯留タンク４のタンク入口９に供給される。空気は圧縮気体なので圧縮空気貯留タンク４のタンク出口１０に設けた吐出弁１２が閉鎖されていると空気圧縮機３からの空気が圧縮空気貯留タンク４に入ってくるに従って圧力が高くなり圧縮空気貯留タンク４に付属する安全弁１３の設定圧力に達すると安全弁１３が作動して余分の空気を圧縮空気貯留タンク４から放出する。圧縮空気貯留タンク４内の圧縮空気は吐出弁１２を介して取り出して使用する。
【００２９】
ダムの水位は降雨量によって変化し、従って水車にかかる落差も変化するので、水車１の水入口５に設けた流量調節弁１１の開度を固定したままの場合には水車１の出力回転数が変わる。また、空気圧縮機３の使用状況によっても空気圧が変わると空気圧縮機３の負荷が変わり、これに伴って水車１の回転数も変化するが、本発明では水車１の回転力を増速機２を介して直接空気圧縮機３に伝達し駆動しているので、上述のように空気圧縮機３の許容運転範囲であれば、水車１の回転数が変化しても何ら支障なく空気圧縮機３の運転を行うことができ、ガイドベーンがなく価格の安いポンプ逆転水車を使用することができる。また、水車１の入口に接続する流量調節弁１１もその弁開度を自動制御する必要がなく、構造が簡単で安価な弁を使用できる。
【００３０】
なお、上記実施の形態では、水車１をダムからの放流水で回転させる例を示したが、水車１を回転させる水流としてはこれに限定されるものではなく、河川の流水（例えばダムに流れ込む河川の流水）、農業用水の放水流、工業用水の放水流等広く利用できる。
【００３１】
また、上記例では水質改善装置としては、噴水ノズルから水を噴出させて貯水面に散水、又は圧縮空気を水中に散気しているが、これに限定されるものではなく、例えば圧縮空気を動力として駆動する攪拌式曝気装置等も考えられる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。
（ａ）貯水場からの放流水により回転する水車で空気圧縮機を駆動し、該圧縮空気を圧縮空気貯留タンクに貯留し、貯水場の貯留水の水質改善が必要なとき水質改善手段に圧縮空気貯留タンクに貯留された圧縮空気を導入して水質改善ができるので、本来無駄に捨ててしまう放水のエネルギーを水質改善に利用では、水質改善のランニングコストが極めて安価となる。
（ｂ）放流水のエネルギーを利用して製造された圧縮空気を圧縮空気貯留タンクに貯留し、水質改善に利用するので、放水時のみではなく、水質改善が必要なとき、安価なランニングコストで水質改善ができる。
（ｃ）放流水のエネルギーを利用して製造された圧縮空気を圧縮空気貯留タンクに貯留した、水質の改善が必要なとき散気装置を通して貯水場の水中に散気するか又は該圧縮空気を利用して散水装置から水を噴出し貯水面に散水するか又はこれらの両方を行うことができるので、水中の溶存酸素を豊富にする水質改善が、安価なランニングコストで実現できる。
（ｄ）放流水のエネルギーを利用して製造され圧縮空気貯留タンクに貯留した圧縮空気を水中に散気したり水面に散水することにより、空気中の酸素を水中に取り込み溶存酸素量を増やしたり、水深の浅い水温の高い部分と水深の深い水温の低い部分での水の循環を発生させ、全体の水温を下げ結果、バクテリアの発生を抑制して溶存酸素の減少を防止することが、安価なランニングコストで実現できる。
（ｅ）河川を堰き止めた構造のダムにおいては河川に一定流量の放流が義務づけられており、このダムからの放流する放流水エネルギーを利用して製造され圧縮空気を圧縮空気貯留タンクに貯留して、該貯留した圧縮空気を利用して水質改善を行うので、本来無駄に捨てられるべき放流水のエネルギーを回収して、貯水場の貯留水の水質を改善することになり、安価なランニングコストで水質改善が実現できる。
（ｆ）回転数を一定に保持するための速度制御装置を設けず、且つ開度を自動制御して流入する水の流量を調節する流量調節弁を設けないポンプ逆転型水車を使用いるので、空気圧縮機の運転許容回転数範囲内であれば、水車の回転数が変化しても何ら支障なく空気圧縮機の運転を行うことができるから、水車に例えばガイドベーンが無い安価なポンプ逆転型水車を用いることができ、安価な設備コストで水質改善を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る流水エネルギーを利用した水質改善装置の構成を示す図である。
【図２】水質改善装置の構成例を示す側断面図である。
【図３】水質改善装置の構成例を示す平面図である。
【図４】切換弁の構成例を示す側面図である。
【図５】流水エネルギー回収装置のシステム構成例を示す図である。
【図６】流水エネルギー回収装置に使用する圧縮空気貯留タンクの外観図である。
【図７】流水エネルギー回収装置に使用する水車及び空気圧縮機等の正面図である。
【図８】流水エネルギー回収装置に使用する水車及び空気圧縮機等の平面図である。
【符号の説明】
１ 水車
２ 増速機
３ 空気圧縮機
４ 圧縮空気貯留タンク
５ 水入口
６ 水出口
７ 空気吸込口
８ 圧縮空気吐出口
９ タンク入口
１０ タンク出口
１１ 流量調節弁
１２ 吐出弁
１３ 安全弁
１４ 圧力計
１５ ドレン弁
１６ 共通ベース
１７ カバー
１８ カップリング
１９ カップリング
１０１ 堰堤
１０２ 水
１０３ 流水エネルギー回収装置
１０４ 水質改善装置
１０５ 圧力空気管
１０６ 散気管
１０７ 噴水ノズル
１０８ 噴水タンク
１０９ 外周注水管
１１０ 噴水ノズル
１１１ 切換弁
１１２ 圧縮空気供給管
１１３ 圧縮空気供給管
１１４ 枠体
１１５ フロート
１３４ 操作盤

Claims (1)

1. 貯水場からの放流水により回転する水車と、
   前記水車が回転することにより駆動する空気圧縮機と、
   前記空気圧縮機で製造された圧縮空気を貯留する圧縮空気貯留タンクと、を具備し、
   前記水車は、回転数を一定に保持するための速度制御装置を設けず、且つ開度を自動制御して流入する水の流量を調節する流量調節弁を設けないポンプ逆転型水車であり、
   前記圧縮空気貯留タンクは、貯留する圧縮空気の圧力を検出する圧力計を備えると共に、上部に安全弁を、下部にドレン弁を備え、
   前記放流水の持つエネルギーを前記圧縮空気貯留タンクに貯留する圧縮空気の持つエネルギーとして回収し、
   前記貯水場に、貯留水中の溶存酸素量を豊富にし水質を改善する水質改善手段を設け、
   前記水質改善手段に前記圧縮空気貯留タンクに貯留された圧縮空気を圧力空気管を介して導入できるように構成し、
   前記水質改善手段は、前記導入された圧縮空気を前記貯水場に導き貯留水中に散気する散気装置又は該導入された圧縮空気を利用して貯留水面に散水する散水装置の何れか一方又は両方を備えたことを特徴とする流水エネルギーを利用した水質改善装置。

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