JP5344697B2

JP5344697B2 - エネルギー回収装置を備えたポンプ

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Publication number: JP5344697B2
Application number: JP2009224873A
Authority: JP
Inventors: 裕明依田; 由昌千葉; 憲法石居
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: EP2302201A3; JP2011074785A; CN102032194A; KR101222384B1; EP2302201B8; EP2302201A2; KR20110035920A; EP2302201B1

Description

本発明は、海水淡水化設備などに用いられる濃縮水のエネルギーから動力を回収するエネルギー回収装置を備えたポンプに関する。

海水淡水化設備は、世界の水ニーズの拡大及び気候変動による水不足などから市場拡大が見込まれている。この海水淡水化設備から供給される水は人々の生活基盤を支えるものであり、造水コストの低減や飲料水に供給される場合には水質の確保が要求される。特に、造水コストの低減においては、設備に投入される電力エネルギーの約５０％程度を消費する逆浸透膜加圧給水ポンプの設備コスト低減及びランニングコスト低減のための高効率化が望まれている。

また、逆浸透膜から排水として排出される濃縮水は給水圧力並の高圧のためにエネルギーが大きく、そのエネルギーが回収されているが、このエネルギー回収設備の設備コスト及び高効率化も強く望まれている。また、これらの設備コスト低減及びポンプやエネルギー回収設備の高効率化のために、海水淡水化設備の大型化が図られている。２００９年現在、設備容量は５０万〜１００万ｍ^３／日／プラントに達しており、大容量設備に対応できる加圧ポンプ及び濃縮水エネルギー回収設備が必要とされている。

特開平６−２１０１４０号公報

従来技術においては、逆浸透膜加圧給水ポンプは、吐出し量６００〜３０００ｍ^３／ｈ、全揚程５５０〜７４０ｍ、ポンプ軸動力１０００〜６０００ｋＷであり、多段遠心ディフューザポンプが採用されている。一方、濃縮水からのエネルギー回収設備はペルトン式タービンのエネルギー回収装置が用いられている。そのエネルギーの利用形態は、特許文献１に示すように、加圧給水ポンプを駆動するモータ主軸にペルトンタービンの出力軸を結合させてペルトンタービンで回収した回転エネルギーを加圧給水ポンプの駆動力の一部に使用して、加圧ポンプの省エネルギーを図っている。濃縮水水量及び圧力は凡そ３００〜１８００ｍ^３／ｈ、揚程は５００〜７００ｍでこのエネルギーは約５００〜３６００ｋＷ程度で、加圧ポンプ駆動動力の４０〜６０％程度に達する大きなものである。

従来、例えば特許文献１に示すように、上記のような加圧ポンプ及びエネルギー回収装置は、それぞれ個別に設計製作されて配置されるために、据付の作業工数が大となるとともに装置が大型化し、特に、上述した仕様を超える大容量設備においては、ポンプやエネルギー回収装置が一層大型化して設備コストが上昇するおそれがある。また、高効率化についても単体効率の改善には限度がある。

本発明は上記従来技術の欠点に鑑み、加圧ポンプ及びエネルギー回収装置全体を一体としてコンパクト化、高効率化を図ったエネルギー回収装置を備えたポンプを提供するものである。

本発明は、加圧ポンプで加圧された原水を逆浸透膜により濾過するに際し、前記逆浸透膜の高圧濃縮排水からエネルギーを回収して、前記加圧ポンプの駆動力に利用するエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、
前記エネルギー回収装置に前記加圧ポンプの回転軸と同軸で前記加圧ポンプの羽根車段数より多い多段のタービン羽根車を有するハイドロタービンを使用し、前記タービン羽根車は前記加圧ポンプのポンプ羽根車と対向するように配置され、前記加圧ポンプの入口側（低圧側）と前記ハイドロタービンの出口側（低圧側）が隣り合うように前記加圧ポンプと前記ハイドロタービンを配置し、前記回転軸の前記加圧ポンプとハイドロタービンの隣り合う位置に回転軸を半径方向に支持する軸受を設けたことを特徴とする。

また、上記に記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記タービン羽根車の軸推力とポンプ羽根車の軸推力とを支持する軸推力支持装置を備えたことを特徴とする。

また、上記に記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記加圧ポンプ及びハイドロタービンの回転軸をラジアル水中軸受によって支持することを特徴とするエネルギー回収装置を備えたポンプ。

また、上記に記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記軸推力支持装置として、バランスディスクを用いた軸推力平衡装置であることを特徴とする。

また、上記に記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記加圧ポンプ及びハイドロタービン回転軸の端部をエンドカバーでノンシール構造とすることを特徴とする。

本発明によれば、加圧ポンプとエネルギー回収装置が一体化することにより、コンパクトで高効率化を図ることができる。

特にエネルギー回収装置として多段タービンとすることによってポンプ部のみならず、タービン部も、ペルトン式ハイドロタービンのように排水のための液面より高く設置する必要がなくなり、装置の設置面高さを低くできるので、ポンプの吸込性能確保がより容易になる。

また、ポンプ羽根車とタービン羽根車を対向配置することによって、軸推力が逆方向で一部キャンセルできるので、ポンプのバランスディスク軸推力平衡装置をより小型化でき、同装置の摺動部の信頼性向上や漏れ損失の低減による効率向上も図ることができる。これらの好ましい効果は海水淡水化設備などが大型化すれば特に大きくなる。

比較的容量が小さい場合には、タービンを高効率設計するためには多段羽根車設計となるので、羽根車段数が大きくにならない（３〜５段以下）程度に設計する。実際には単列（逆浸透膜加圧給水ポンプ１台あたり）造水量５０００〜１００００ｍ^３／日以上が適用設備サイズとして好適である。

本発明のエネルギー回収装置を備えたポンプの実施例１の構造断面図である。同じく実施例２の構造断面図である。ポンプが採用される海水淡水化装置の構成図である。タービンガイドベーンの角度とポンプのディフューザ５の角度の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施態様について詳細に説明する。

先ず、この種加圧ポンプが採用される海水淡水化装置について説明する。図３で、１００は遠心ポンプからなる加圧ポンプ、２００は前記加圧ポンプ１００の下側に配置され動力エネルギーの回収を行なエネルギー回収装置としてのフランシスタービン（ハイドロタービン）である。１は上記加圧ポンプ１００とハイドロタービン２００との共通する回転軸、３００はこれらポンプとタービンの両者の回転による軸方向の推進力を支持する軸推力支持装置、５０は塩類等の不純物を含んだ原水を逆浸透処理して不純物を取除く高圧逆浸透膜ユニットである。

電動機（図示せず）の駆動により加圧ポンプ１００が運転されると回転軸１が回転し、塩類等の不純物を含んだ原水５１がポンプ吸込み口３から吸込まれ、吐出し口８から吐出されて、前記高圧逆浸透膜ユニット５２に供給される。高圧逆浸透膜ユニット５０では塩類等の不純物を含んだ原水５１を逆浸透圧処理し、塩類等の不純物が除去された透過水５２を吐出する。他方、逆浸透圧処理によって残された高圧の濃縮水５３は、タービン２００のタービン入口３１に供給され、このタービンの駆動（回転）エネルギーの一部として回収される。タービン部でエネルギーを回収された後の濃縮水５４は、その後タービン出口３６から系外に廃棄される。

本発明のポンプの実施例１を図１の断面図に基いて説明する。全体の構成は、遠心式の加圧ポンプ１００とフランシス式タービン２００に共通する回転軸１を立軸とし、上側に加圧ポンプ１００を配置して、下側にエネルギー回収を行うフランシス式タービン（ハイドロタービン）２００を配置し、また、加圧ポンプ１００のポンプ羽根車に作用する軸方向の推力と、ハイドロタービン２００のタービン羽根車に作用する軸方向の推力とを共に支持する軸推力支持装置３００から構成されている。１は加圧ポンプ１００、タービン２００及び軸推力支持装置３００の共通の回転軸であるが、加圧ポンプで軸１ａ、タービンで軸１ｂとそれぞれ表現される。

加圧ポンプ１００は、ポンプケーシング１３内に、２段の遠心羽根車４ａ（ポンプ１段目羽根車）、４ｂ（ポンプ２段目羽根車）と、このポンプ羽根車４ａ、４ｂの各外周出口部にはディフューザ５ａ、５ｂが配置されており、羽根車４ａに連通するポンプ吸込口３がケーシング１３の下側に、羽根車４ｂに連通する吐出し口８がケーシング１３の上側にそれぞれ設けられている。１段と２段の段間はコの字形の静止流路６で結ばれており、次段への流れを整流するために、リターンベーン６ａが軸中心から半径方向に放射状に配置されている。

一般的に、ポンプはおおよそ全揚程が５００ｍ〜８００ｍと高揚程のためにポンプ羽根車は多段になる（本実施例では２段）。ポンプ駆動動力は図示しない電動機などから軸継ぎ手２を経由してポンプ回転軸１ａに与えられる。加圧ポンプ１００は原水としての海水５１を吸込口３から吸い込み、２段の各ポンプ羽根車４ａ、４ｂで昇圧され、ディフューザ５ａ、５ｂにより流体の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。１段目から２段目へはコの字形の静止流路６を流れ、リターンベーン６ａによって次段への流れが整流される。２段目羽根車４ｂを出た流れは、ディフーザ５ｂを経由して、同心状の空間７に集められて、吐出し口８から吐出される。

ポンプ軸１ａは、ポンプ吸込部３の下端に配置された軸受９ａ及び、ポンプ軸１ａの上部軸受９ｂで半径方向に支持されている。この軸受けは、自己潤滑性材料（例えば、ＰＥＥＫ樹脂（Poly-Ether-Ether-Ketone）材など）で構成された水中軸受である。各軸受は自己潤滑性材料特性及び、自液による潤滑機能によって、軸受機能を果たすことが可能である。

一方、スラスト軸受については、ポンプ回転時にポンプ羽根車４ａ、４ｂに発生する下向きの大きな軸推力を軸推力自動平衡装置１０でバランスさせて、軸推力がスラスト軸受１１に作用しないようにしている。この軸推力自動平衡装置１０は、ポンプ軸１ａが羽根車に発生する軸推力に応じて、自動的に軸全体が上下することによって細隙部１０ｂの隙間を変化させて、バランスディスク１０ａの背面の圧力を調整し、軸推力をバランスさせている。従って、スラスト軸受１１はポンプの停止時にポンプ回転体の自重を支えるための軸受であればよい。

本実施例ではスラスト軸１１として玉軸受を用い、玉軸受の内輪を軸１に固定し、外輪を軸方向に移動可能な勘合にして、停止時、軸受下端のケース側の静止側ストッパー１１ａで、玉軸受１１を介してポンプ回転体自重を支持する。なお、ポンプ軸１ａの大気への貫通部軸シールに関しては、軸推力平衡装置１０を経由してポンプ吐出し圧力から大幅に減圧した漏れ流れはグランドシールなどの軸シール１２でシールされる。また、漏れ流れは図示しない配管を経由して、ポンプ吸込口３に戻される。

上記軸推力平衡装置１０とスラスト軸１１とで、軸推力共通支持装置３００が構成され、ポンプケーシング１３内の回転軸１の上方位置に設けられる。

一方、エネルギー回収用のハイドロタービン２００については、逆浸透圧処理によって残された高圧の濃縮水５３の水動力の有効落差はポンプの全揚程にほぼ等しく、流量はポンプ給水量から逆浸透膜透過水量を差し引いた量、即ちポンプ給水量の４０〜６０％程度で給水量に比べて小水量になるために、ハイドロタービンの比速度Ｎｓは、（１）式で表すことができる。

ここで
Ｎｓ…ハイドロタービン比速度、Ｎ…ハイドロタービン回転速度（ｒｐｍ）、Ｑ…ハイドロタービン流量（ｍ３／ｍｉｎ）、Ｈ…有効落差（ｍ）
フランシス式ハイドロタービンにおいては、より高効率が得やすいハイドロタービン設計のためには高比速度化が必要で、ハイドロタービンの羽根車段数をポンプ羽根車段数よりも少なくするとポンプ羽根車よりもより低比速度になり（エネルギー回収とならない）、高効率化のために好ましくないので、少なくとも、ハイドロタービンの羽根車段数をポンプの羽根車段数と同等か又はそれより多く設定する必要がある。

そこで、タービン２００は、タービンケーシング３９内に、ポンプ羽根車段数よりも多い３段のタービン羽根車３４ａ（1段目タービン羽根車）、３４ｂ（２段目タービン羽根車）、３４ｃ（３段目タービン羽根車）が、前記ポンプ羽根車４ａ、４ｂと対向するように（羽根車同士が向合うように）同軸上に配置されている。各タービン羽根車の導入部分には、ガイドベーン３３ａ（1段目ガイドベーン）、３３ｂ（２段目ガイドベーン）、３３ｃ（３段目ガイドベーン）が配置され、各タービン羽根車３４へ流れる流体の整流及び流れ方向の調整がなされる。各段間には水路３５が介在してリターンベーン３５ａ、３５ｂが設けられており、このベーンは各タービン羽根車を出た流れの旋回を防止するとともに、整流する役目を果たす。また、タービン羽根車３４ａに連通するタービン入口３１をケーシング３９の下側に、タービン羽根車３４ｃに連通するタービン出口３６をケーシング３９の上側にそれぞれ配置されている。

上記タービン２００を加圧ポンプ１００の下方に取付けるに際しては、ポンプケーシング１３のポンプ吸込み口３と、タービンケーシング３９のタービン出口３６とが隣合せになるように取付ける。このように取付けることにより、加圧ポンプ１００の吸込み口３とタービン２００のタービン出口３６は共に低圧力側であって差圧が小さいため、互いの接続部に特別なシール機構は不要となる。

高圧逆浸透膜ユニット５０からの逆浸透膜の高圧濃縮水５３は、タービン入口３１から流入し、まず、入口ボリュート３２及び１段目ガイドベーン３３ａで整流及び流れ方向調整がされて1段目羽根車３４ａに流入し、有効落差の１／３のエネルギーが機械動力に変換される。次いで、リターンベーン３５ａと水路３５を流れて２段目ガイドベーン３３ｂを経て、２段目羽根車３４ｂに流入する。さらに、リターンベーン３５ｂと水路３５を流れて３段目のガイドベーン３３ｂを経て、３段目羽根車３４ｃに流入する。最終的に３段目羽根車３４ｃで有効落差のエネルギーが変換された後に、タービン出口３６からタービン外部に排出される。

ここで、タービン２００の発生する軸推力についてみると、各タービン羽根車３４ａ、３４ｂ、３４ｃには上向きの軸方向推力が発生し、その軸推力は、おおよそ有効落差及び羽根車外径の二乗に比例する。タービン羽根車の外径Ｄは（２）式で与えられる。

Ｄ…タービン羽根車外径、Ｃ…タービン羽根車周速度係数（無次元数）、Ｈ…１段当たりの有効落差（ｍ）、Ｎ…タービン羽根車回転速度（ｒｐｍ）
また、軸推力Ｆは（３）式で計算することができる。

Ｆ…軸推力（Ｎ）、ｎ…ハイドロタービン段数、ρ…海水の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｇ…重力加速度（ｍ／ｓ２）、Ｈ…ハイドロタービン一段当たりの有効落差
タービン羽根車の段数は、加圧ポンプの羽根車に比べて多いために、タービン羽根車１段当たりの有効落差がポンプ１段当たりの全揚程に比べて小さくなり、同時に、一般的に周速度係数もポンプ羽根車よりも小さいことを考慮すると、タービン羽根車外径はポンプ羽根車外径に比べて小さくなる。したがって、タービン２００の軸推力は、（３）式に示すように、（ｎ×Ｈ）がタービンとポンプとでほぼ等しいために、タービン羽根車外径が寄与して、ポンプの羽根車外径よりも小さくなる。

また、下向きのポンプ羽根車軸推力は、タービン羽根車の上向きの軸推力によって部分的にキャンセルされて下向きの軸推力が小さくなるが、この小さくなった残留軸推力はポンプの軸推力平衡装置１０でバランスさせることができる。

実際には、この下向きの残留軸推力は、ポンプ羽根車が発生する軸推力よりも小さくなるために、ポンプ単独の場合に比べてバランスディスク１０ａの外径を小さく設計できる。従って、バランスディスク装置１０ａの小型軽量化が可能となり、ポンプ軸１のロータダイナミクスについてより信頼性の高い設計が可能になるとともに、バランスディスクの外周の隙間から大気側に漏れる漏れ量を減らすこともでき、ポンプの高効率化も図られる。

一方、タービン軸１ｂの軸受は、タービン軸１ｂの下端の軸受３７及びポンプ軸受９ａで支持される。ここでも軸受をポンプの軸受９ａ，９ｂと同様、水中軸受とすれば、軸受給油装置が省略され、装置のコンパクト化やメンテナンスが容易になる。

タービン軸１ｂの下端部の軸シールは自己潤滑水中軸受として軸端部をエンドカバー３８でカバーすれば、軸貫通部がなくなり、シール機構が不要になるとともに、漏れ損失もなくすことができ、タービンの効率向上にも寄与できる。なお、前述したようにポンプケーシング１３とタービンケーシング３９が接続する部位の軸シールは共に低圧部となるので、差圧が小さくなり、特別なシール機構は不要になる。従って、特に塩分濃度の高いタービン側から塩分濃度の低いポンプ側へ海水が漏れ出て、給水の塩分濃度上昇も容易に避けることができる。

前記のように、タービン２００での濃縮水５３の流量は、ポンプ給水量から逆浸透膜透過水量を差し引いた量、即ちポンプ給水量の４０〜６０％程度で給水量に比べて小水量になる。タービン２００では小水量でもより高効率を得るため、濃縮水５３が各ガイドベーンに案内されて各タービン羽根車に流入する際に、各ガイドベーンの流れ方向（角度）が調整されている。

図４は、タービン羽根車３４に対するタービンガイドベーン３３の角度とポンプのディフューザ５の角度の関係の説明図である。ここでは、タービン羽根車３４にポンプ羽根車と同じものを用いた場合を想定し、ディフューザ５（一部のみ示す）を記載している。本実施例では、タービンガイドベーン３３のタービン羽根車３４の外周接線に対する角度をαｔとし、ポンプのディフューザ５の羽根車の外周接線に対する角度をαｐとしたとき、αｔ＜αｐに設定している。この角度設定により、タービンガイドベーン３３に案内される濃縮水が小水量でも、タービン羽根車３４にほぼ直角に案内することで効率的にエネルギー伝達がなされ、タービン羽根車をポンプ羽根車より高比速度に保つことができ、有効にエネルギー回収することができる。

このようにして、タービン２００によって回収された回転エネルギーは、タービン軸１ｂを経由してポンプ軸１ａを駆動し、電動機の駆動動力を節減する。

以上、逆浸透膜給水用加圧ポンプと濃縮水のエネルギー回収装置のそれぞれに多段遠心ポンプ及び多段フランシス式ハイドロタービンを採用して、それらの羽根車を一軸上に互いに対向して配置することによって、コンパクト、高効率、高信頼性、コスト低減を図ったのエネルギー回収装置を備えたポンプを実現できる。

次に、実施例２を図２に基いて説明する。実施例１と比べ、実施例２は回転軸が横軸であること、及び軸推力支持装置がバランスドラム１４とスラスト軸受１５で構成されている点が異なるのみである。

ポンプ１００及びハイドロタービン２００の軸が横軸のために、ポンプのキャビテーション性能の観点からは、ドライピット内に据付される立軸の場合に比べて厳しくなるが、メンテナンス時に電動機の取り外しが不要になり、作業は容易になる。バランスドラム１４はポンプ及びハイドロタービンの軸推力をドラム１４の前後面１４ａ、１４ｂに作用する圧力の差によって支持するが、実施例１に示す軸推力平衡装置に比べて自動調整機能がないので完全にバランスさせることはできず、残留推力をスラスト軸受１５で支持する。そして、ここでも、ハイドロタービン羽根車とポンプ羽根車の軸推力が一部キャンセルされて、軸推力が小さくなるので、バランスドラム１４外径は小さく設計でき、漏れ損失を低減できる効果は同じである。

また、スラスト軸受１４は自己潤滑性能を有する材料（例えばＰＥＥＫ樹脂（Poly-Ether-Ether-Ketone）材など）を使用すれば、給油装置は不要になり、軸受装置の低コスト化を図ることができる。したがって、実施例２においても実施例１と同様に、コンパクトでかつ高効率、高信頼性、低コストの動力回収装置付ポンプを提供することができる。なお、上記の説明においては、立軸構造にバランスディスク装置を、横軸構造にバランスドラム＋スラスト軸受を採用したが、その逆の組み合わせも可能で、本発明の主眼は、ポンプ及びハイドロタービンの軸推力を支持する軸推力支持装置を共用して、装置の信頼性確保及びコスト低減を図ることにある。

前記した各実施例は、逆浸透膜を用いた海水淡水化プラント等の心臓部であるポンプに利用が可能で、特に大容量海水淡水化プラントに好適なエネルギー回収装置を備えたポンプを提供できる。

１…軸、１ａ…ポンプ軸、１ｂ…タービン軸、２…軸継ぎ手、３…ポンプ吸込口、４ａ…ポンプ１段目羽根車、４ｂ…ポンプ２段目羽根車、５ａ…１段目ディフューザ、５ｂ…２段目ディフューザ、６…静止流路、６ａ…リターンベーン、７…集水空間、８…吐出し口、９ａ…下部軸受、９ｂ…上部軸受、１０…軸推力平衡装置、１０ａ…バランスディスク、１０ｂ…バランスディスク背面隙間、１１、１５…スラスト軸受、１１ａ…スラスト軸受ストッパー、１２…軸シール、１３…ポンプ吸込ケーシング、３１…タービン入口、３２…入口ボリュート、３３ａ…１段目ガイドベーン、３３ｂ…１段目ガイドベーン、３３ｃ…３段目ガイドベーン、３４ａ…１段目タービン羽根車、３４ｂ…２段目タービン羽根車、３４ｃ…３段目タービン羽根車、３５…静止流路、３５ａ…リターンベーン、３６…ドラフトチューブ、３７…タービン下部軸受、３８…エンドカバー、３９…タービンケーシング、１００…加圧ポンプ、２００…ハイドロタービン（タービン）、３００…軸推力支持装置。

Claims

加圧ポンプで加圧された原水を逆浸透膜により濾過するに際し、前記逆浸透膜の高圧濃縮排水からエネルギーを回収して、前記加圧ポンプの駆動力に利用するエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、
前記エネルギー回収装置に前記加圧ポンプの回転軸と同軸で前記加圧ポンプの羽根車段数より多い多段のタービン羽根車を有するハイドロタービンを使用し、前記タービン羽根車は前記加圧ポンプのポンプ羽根車と対向するように配置され、前記加圧ポンプの入口側（低圧側）と前記ハイドロタービンの出口側（低圧側）が隣り合うように前記加圧ポンプと前記ハイドロタービンを配置し、前記回転軸の前記加圧ポンプとハイドロタービンの隣り合う位置に回転軸を半径方向に支持する軸受を設けたことを特徴とするエネルギー回収装置を備えたポンプ。
請求項１に記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記タービン羽根車の軸推力とポンプ羽根車の軸推力とを支持する軸推力支持装置を備えたことを特徴とするエネルギー回収装置を備えたポンプ。
請求項１または２に記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記加圧ポンプ及びハイドロタービンの回転軸をラジアル水中軸受によって支持することを特徴とするエネルギー回収装置を備えたポンプ。
請求項２に記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記軸推力支持装置として、バランスディスクを用いた軸推力平衡装置であることを特徴とするエネルギー回収装置を備えたポンプ。
請求項１〜４のいずれかに記載のエネルギー回収装置を備えたポンプにおいて、前記加圧ポンプ及びハイドロタービン回転軸の端部をエンドカバーでノンシール構造とすることを特徴とするエネルギー回収装置を備えたポンプ。