膜分離装置、膜分離装置の運転管理方法
【課題】ペルトン水車を用いたときより、高い効率で逆浸透膜カートリッジからのリジェクトが有するエネルギーを回収でき、造水性能（脱塩率）の維持、適切な逆浸透膜の洗浄タイミング及びエネルギー回収装置の故障を判断できる膜分離装置とその運転管理方法を提供すること。
【解決手段】逆浸透膜カートリッジ４より濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置５を用い、加圧された原水を高圧ポンプ３と逆浸透膜カートリッジ４を接続する高圧ライン１０の高圧原水に合流させる供給海水バイパスライン１５と、該バイパスライン１５中を流れる原水を加圧するブースタポンプ６と、逆浸透膜カートリッジ４に供給する原水流量を制御する制御手段を設けた。
【解決手段】逆浸透膜カートリッジ４より濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置５を用い、加圧された原水を高圧ポンプ３と逆浸透膜カートリッジ４を接続する高圧ライン１０の高圧原水に合流させる供給海水バイパスライン１５と、該バイパスライン１５中を流れる原水を加圧するブースタポンプ６と、逆浸透膜カートリッジ４に供給する原水流量を制御する制御手段を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜カートリッジに海水等の原水を高圧ポンプで加圧して供給し、淡水等の希薄水を得る膜分離装置、及びその運転管理方法にある。
【背景技術】
【０００２】
上記膜分離装置を海水淡水化設備で説明すると、海水淡水化設備は主として、前処理装置、高圧ポンプ、逆浸透膜カートリッジから構成されている。取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられた後、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に打ち勝って逆浸透膜を通過し、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。海水淡水化設備における最大の運用コストである使用する電力の半分以上は、高圧ポンプによる海水の加圧に費やされる。従って、逆浸透膜カートリッジから排出された高塩分濃度のリジェクトが保有する圧力エネルギーを回収する方法が、特許文献１乃至３等で紹介されている。
【０００３】
上記特許文献１乃至３に示す膜分離装置では、エネルギー回収にペルトン水車を用い流量制御弁を介して逆浸透膜カートリッジからのリジェクトをペルトン水車に供給し、この水車の回転力で、高圧ポンプの回転力を助成するように構成されている。また、エネルギー回収に逆転ポンプを用いたものもある。このようにエネルギー回収にペルトン水車や逆転ポンプを用いるものはエネルギー回収効率が低いという問題があった。
【０００４】
一方、容積形エネルギー回収装置（例えば、容積形ピストンポンプ）は、一般的にエネルギー回収効率が高く、海水淡水化設備のエネルギー回収装置に容積形を用いているものもある。しかしながら、エネルギー回収装置に容積形を用いた既存のものは、エネルギー回収装置自体のエネルギー回収効率や動作のみに関しての着眼に基づくものであり、逆浸透膜の浸透圧特性を考慮した流量調整を行うものではなかった。また、エネルギー回収装置に容積形を用いた場合、故障項目としては回収装置内での濃縮水の漏れが考えられる。濃縮水の漏れが多くなると相対的に脱塩率は下がり海水淡水化設備の性能の低下に繋がる。
【０００５】
また、従来の逆浸透膜カートリッジを用いた海水淡水化装置では、逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜は運転時間の経過と伴に蓄積物が堆積し、膜特性が低下していくため洗浄が必要であるが、洗浄のタイミングは個々の作業者の判断に任されており、逆浸透膜の劣化により洗浄を必要とする適切な時期に行われていなかった。
【特許文献１】特開昭５９−１８９９１０号公報
【特許文献２】特開昭５９−１９９００４号公報
【特許文献３】国際公開第１９８５／００１２２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、エネルギー回収にペルトン水車や逆転ポンプを用いたときより、高い効率で逆浸透膜カートリッジからの濃縮水（リジェクト）が有するエネルギーを回収でき、脱塩水性能（脱塩率）の維持、適切な逆浸透膜の洗浄タイミングとエネルギー回収装置の故障の判断ができる膜分離装置、膜分離装置の運転管理方法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】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明は、供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、高圧ポンプで加圧された高圧原水を逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置において、エネルギー回収手段として逆浸透膜カートリッジより濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を用い、容積形エネルギー回収装置で加圧された原水を高圧ポンプと逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させるバイパス管と、バイパス配管の途中に設けられ該バイパス配管中を流れる原水を加圧するブースタポンプと、逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御する原水流量制御手段と、当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段と、状態検出手段が検出した各部の不具合に応じて対応する不具合対応制御手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、上記膜分離装置において、原水流量制御手段は、高圧ポンプ及び／又はブースタポンプの回転数を制御して逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記膜分離装置において、高圧ライン、バイパスライン、逆浸透膜カートリッジから吐出された濃縮水を容積形エネルギー回収装置に導く濃縮ライン、該容積形エネルギー回収装置から濃縮水を排水する排水ライン、濃縮ラインから容積形エネルギー回収装置をバイパスして濃縮水を排水する濃縮水バイパスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、原水流量制御手段は、流量制御弁の少なくとも一つを制御して逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記膜分離装置において、希薄水の濃度を検出する第１の濃度センサ、バイパス管を流れる濃縮水の濃度を検出する第２のセンサ、供給原水の濃度を検出する第３の濃度センサ、及び原水の温度を検出するセンサを設け、状態検出手段が各センサの出力から容積形エネルギー回収装置の故障及び／又は逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜劣化を検出する機能を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記膜分離装置において、逆浸透膜カートリッジより容積形エネルギー回収装置に導入される濃縮水を該容積形エネルギー回収装置をバイパスして排水する濃縮水バイパスラインと、該濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁と、を設け、状態検出手段が容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、不具合対応制御手段は濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁を開いて濃縮水を排水することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記膜分離装置において、状態検出手段が容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、不具合対応制御手段はブースタポンプを停止して、高圧ポンプのみの運転で逆浸透膜カートリッジに原水を供給することを特徴とする。
【００１３】
上記のようにエネルギー回収手段として逆浸透膜カートリッジより濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を採用することにより、逆浸透膜カートリッジから吐出された高圧濃縮水の圧力エネルギーを効果的に回収できる。
【００１４】
また、例えば、状態検出手段が容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、不具合対応制御手段により、濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁を開いて濃縮水を排水し、濃縮水が容積形エネルギー回収装置内に閉じ込められることを防止したり、ブースタポンプを停止して、高圧ポンプのみの運転で逆浸透膜カートリッジに原水を供給したり、高圧ポンプをバックアップするためのバックアップポンプがある場合はブースタポンプを停止して、バックアップポンプを運転し、高圧ポンプとバックアップポンプの運転で逆浸透膜カートリッジに原水を供給する等の対策を素早くとることができる。
【００１５】
また、例えば、状態検出手段が逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜劣化を検出した場合、適正な時期に逆浸透膜の洗浄又は交換が可能となる。
【００１６】
また、本発明は、供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、高圧ポンプで加圧された高圧原水を逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置の運転管理方法において、エネルギー回収手段として容積形エネルギー回収装置を用いると共に、ブースタポンプを設け、逆浸透膜カートリッジより濃縮水を容積形エネルギー回収装置に導入し、供給される原水の一部を加圧し、該加圧した原水をブースタポンプで加圧し、該加圧した原水を高圧ポンプと逆浸透膜カートリッジを接続する接続管を流れる高圧原水に合流させると共に、逆浸透膜カートリッジに供給する原水流量を制御し、当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段で監視し、該状態検出手段が各部の不具合を検出したら不具合対応制御手段でその不具合に応じて各部を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、下記のような優れた効果が期待できる。
・逆浸透膜カートリッジから吐出された高圧濃縮水の圧力エネルギーを効果的に回収できるので、膜分離装置の所要エネルギーが少なく、運用コストが安価となる。
・容積形エネルギー回収装置の故障を検出できることにより、その修理や交換等の速やかな対応が可能となる。
・逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜の劣化が検出できるから、適切な時期にその洗浄又は交換が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。膜分離装置として海水淡水化装置を例に説明する。図１は本発明に係る海水淡水化装置の第１の態様を示す模式図である。図示するように本海水淡水化装置は、取水ポンプ１、前処理装置２、高圧ポンプ（ＨＰ）３、逆浸透膜カートリッジ４、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５、ブースタポンプ（ＢＰ）６、制御装置７を備えている。
【００１９】
取水ポンプ１により取水された海水１００は、前処理装置２により所定の水質条件に整えられた後、供給ライン９を通って電動モータ８により駆動される高圧ポンプ（ＨＰ）３に供給され、該高圧ポンプ（ＨＰ）３で加圧され、高圧ポンプ（ＨＰ）３と逆浸透膜カートリッジ４を接続する接続管である高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する。逆浸透膜カートリッジ４の高圧室１１内の海水の一部は、逆浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜４ａを通過し、溶質（塩分）が除去され、希薄水（脱塩水）１０２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４から濃縮海水ライン１３へ排出される。
【００２０】
逆浸透膜カートリッジ４から排出された高圧の濃縮水であるリジェクト１０３（濃縮海水）が保有する圧力エネルギーは容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５に導入され、圧力エネルギーを失ったリジェクト１０３（濃縮海水）は、エネルギー回収された低圧濃縮海水（リジェクト）１０４として排水ライン１４を通って廃棄される。容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５としては、例えば後に詳述する容積形ピストンポンプ等が使用されており、該容積形ピストンポンプで供給ライン９の海水の一部がポンプアップされ、供給海水バイパスライン１５へと排出され、最終的には高圧ライン１０を通る高圧海水に合流する。
【００２１】
逆浸透膜カートリッジ４や濃縮海水ライン１３の圧力損失、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の制御弁や切替弁等における圧力損失、エネルギー回収チャンバーと内部ピストンとの間の漏れ損失等により、供給海水バイパスライン１５中の海水の圧力は高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する海水の圧力より低い。そこで、供給海水バイパスライン１５中を通る海水と高圧ライン１０中を通る海水を合流させるために、供給海水バイパスライン１５の途中に電動モータ１６で駆動されるブースタポンプ（ＢＰ）６を設置し、上記圧力損失分だけ供給海水バイパスライン１５中の海水を加圧する。このブースタポンプ（ＢＰ）６は、高圧ポンプ（ＨＰ）３に比べて小さい電気容量で供給海水バイパスライン１５中を通る海水を高圧ライン１０中を通る海水に合流させることができる圧力に昇圧できる。
【００２２】
制御装置７には、高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1とブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量Ｑ0-2を算出するポンプ吐出流量（供給海水流量）算出部２０、理想の希薄水流量を設定希薄水量ＱS1として設定する希薄水流量設定部２１、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定するＢＰ回転数選定部２２−１、及びブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線と高圧ポンプ（ＨＰ）３のＱ−Ｈ曲線を記憶する記憶部２３を備えている。なお、ここでは、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を一定としブースタポンプ６の回転数を制御して所定の希薄水流量Ｑ1を得る場合であるが、後に詳述するが図１２及び図１３に示すように、バルブ開度選定部２２−２、２２−３を設け、高圧ポンプ（ＨＰ）３及びブースタポンプ（ＢＰ）６の設定吐出流量に対してバルブの開閉度を制御する場合、図１４に示すようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を一定とし、ＨＰ回転数選定部２２−４を用いて高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を制御する場合もある。
【００２３】
ポンプ吐出流量算出部２０には圧力センサ２６で検出した高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力Ｐ0-1と圧力センサ２７で検出したブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力Ｐ0-2、及び圧力センサ１９で検出された逆浸透膜カートリッジ４の高圧室１１側の圧力Ｐ2が入力されるようになっている。ポンプ吐出水流量算出部２０は逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜特性変化及び海水１００中の海水溶質（塩分）濃度等を考慮し、逆浸透膜カートリッジ４で処理する希薄水流量Ｑ1が希薄水流量設定部２１で設定された設定希薄水量ＱS1になるように、供給海水流量（ポンプ吐出流量）Ｑ0を算出する。即ち希薄水流量Ｑ1が設定希薄水流量ＱS1になるように、高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1とブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量Ｑ0-2を算出する。
【００２４】
ＢＰ回転数選定部２２−１は、記憶部２３に記憶されている高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線を参照して、ポンプ吐出流量算出部２０で算出したポンプ吐出流量Ｑ0（Ｑ0-1＋Ｑ0-2）が得られるようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定する（ここでは高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1を所定の一定値としブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御して所定のポンプ吐出流量Ｑ0を得る）。この選定された回転数はドライバ（ここではインバータ２４）を介して、電動モータ１６に送られ、ブースタポンプ（ＢＰ）６は選定された回転数で回転する。
【００２５】
なお、図１において、Ｐ0-1は高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力、Ｑ0-1は高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量、Ｃ0-1は高圧ライン１０の溶質（塩分）濃度、Ｐ0-2はブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力、Ｑ0-2はブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量、Ｃ0-2は供給海水バイパスライン１５の溶質（塩分）濃度、Ｐ1は逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）圧力、Ｑ1は希薄水（脱塩水）の流量、Ｃ1は希薄水の溶質（塩分）濃度を夫々示す。
【００２６】
図２は制御装置７の機能ブロック図であり、制御装置７は、ＤW−Ｔ機能部７−１、ΔＰ−Ｑ1機能部７−２、π−ＣM機能部７−３、Ｑ−Ｈ機能部７−４を備えている。ＤW−Ｔ機能部７−１は、図示するように縦軸にＤW／Ｔ（ＤWは逆浸透膜４ａの水の拡散係数）を横軸に供給海水の温度Ｔを示すデータを備えている。ΔＰ−Ｑ1機能部７−２は縦軸に逆浸透膜４ａの逆浸透圧πを越える圧力ΔＰを横軸に希薄水流量Ｑ1を示すデータを備えている。π−ＣM機能部７−３は縦軸に浸透圧πを横軸に海水濃度ＣMを示すデータを備えている。Ｑ−Ｈ機能部７−４は縦軸に高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）の合成水頭圧Ｈを横軸に吐出流量Ｑを示すデータ（Ｑ−Ｈ曲線）を備えている。
【００２７】
次に、図２の機能ブロック図に基づいて制御装置７の作用を説明する。ＤW−Ｔ機能部７−１はＴとＤW／Ｔの関係式曲線５５から温度センサ４３で検出した供給海水の温度ＴよりＤW／Ｔを算出しており、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの種類により定まる係数Ｋは下式から求まる。
Ｋ＝Ｋ0（ＤW／Ｔ）
（但し、Ｋ0は逆浸透膜４ａの種類で定まる既知の定数、ＤWは水の拡散係数）
ここで、設定変更前の吐出圧力（供給海水圧力）Ｐ0が仮設定されている。
また、π−ＣM機能部７−３は、上記のように縦軸に浸透圧πを横軸に海水溶質（塩分）濃度ＣMを示しており、曲線５４は海水溶質（塩分）濃度ＣMと浸透圧πの関係を示す。曲線５４の関係から海水溶質（塩分）濃度ＣMが求まれば、供給海水の海水浸透圧πMが求まる。
【００２８】
また、逆浸透膜カートリッジ４の供給側の海水溶質（塩分）濃度ＣMは、近似的にＣM≒（Ｃ0＋Ｃ2）／２で定まる。海水溶質（塩分）濃度Ｃ0、濃縮海水溶質（塩分）濃度Ｃ2は回収率Ｑ1／Ｑ0が著しく変化しない限り、上記近似式でよい。従って、逆浸透膜カートリッジ４に供給される海水の海水溶質（塩分）濃度Ｃ0、濃縮海水溶質（塩分）濃度Ｃ2は特に装置の通常運転中は定数とみなすことができる。
【００２９】
また、π−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４は縦軸が同スケールで示してあり、逆浸透膜カートリッジ４の供給側圧力ＰMは仮設定した吐出圧力Ｐ0から逆浸透膜カートリッジ４での供給側高圧ライン１０の海水の管路による損失ヘッドＰＬ１を減じたものである。逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側圧力Ｐ1は略一定であり、また希薄水の溶質（塩分）濃度Ｃ1は一定とみてよいから希薄水の浸透圧π1は一定としてよい。そこで逆浸透圧ΔＰは、
ΔＰ＝（ＰM−Ｐ1）−（πM−π1）
と算出される。（この関係はπ−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４の間に取り出して示している）
【００３０】
ΔＰ−Ｑ1機能部７−２はπ−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４と縦軸のスケールを等しくしており、逆浸透膜カートリッジ４の希薄水流量Ｑ1は、直線５６で示される下記式で求まる。
Ｑ1＝ＡMＫΔＰ （１）
（但し、ＡMは逆浸透膜４ａの面積、ΔＰは逆浸透膜カートリッジ４に供給される海水の浸透圧πMを越える逆浸透膜４ａ近傍の圧力である）
【００３１】
制御装置７のＱ−Ｈ機能部７−４は、縦軸に圧力Ｈを横軸に流量Ｑを示したものであり、ポンプのＱ−Ｈ曲線（図３に詳細を示すように、合成Ｑ−Ｈ曲線５３、５３’は高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成Ｑ−Ｈ曲線を、曲線５１は高圧ポンプ（ＨＰ）３のＱ−Ｈ曲線を、曲線５２、曲線５２’はブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線）と、逆浸透膜カートリッジ４への吐出圧力Ｐ0に対応する逆浸透圧カートリッジ４の希薄水流量Ｑ1の曲線５７を同スケールで示した図となっている。
【００３２】
制御装置７で逆浸透膜カートリッジ４に供給する供給海水流量Ｑ0を制御する制御処理手順を説明する。ここでは、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を一定とし、ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量、即ちブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御して逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水の流量を制御する処理手順である。
【００３３】
（ステップＳＴ１）
先ず、理想の希薄水流量Ｑ1（＝ＱS1）を希薄水流量設定部２１から設定する。
【００３４】
（ステップＳＴ２）
次に、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎが仮定される。図３はＱ−Ｈ機能部７−４の詳細を示す図である。ここでは、逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水の流量制御を高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を固定とし、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを変えることで行う場合のＱ−Ｈ曲線を示している。図示するように、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を固定したＱ−Ｈ曲線５１に対して、ブースタポンプ（ＢＰ）６の（濃縮海水ライン１３側圧力を含めた）Ｑ−Ｈ曲線を曲線５２から曲線５２’に変えると高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成したＱ−Ｈ曲線は合成Ｑ−Ｈ曲線５３から合成Ｑ−Ｈ曲線５３’へと変化する。
【００３５】
（ステップＳＴ３）
上記式（１）により算出された希薄水流量Ｑ1をＱ1CALCとする。
【００３６】
（ステップＳＴ４）
上記設定した設定希薄水流量ＱS1の値と上記算出した希薄水流量Ｑ1CALCとを比較する。そしてこの誤差が大きいときは上記ステップＳＴ２に戻りブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを再仮定してステップＳＴ２〜ＳＴ４をループとして繰り返し、希薄水流量Ｑ1と算出した希薄水流量Ｑ1CALCの誤差が小さくなるまで繰り返す。つまり、先にステップＳＴ２で仮定した吐出圧力Ｐ0で求まるＱ1CALCが、Ｑ1CALC−ＱS1＞０になるときは、再仮定の吐出圧力Ｐ0を小さくするように、Ｑ1CALC−ＱS1＜０になるときは、再仮定の吐出圧力Ｐ0の値が大きくなるようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを変更し、Ｑ−Ｈ曲線を曲線５２から曲線５２’と変化することで全体のＱ−Ｈ曲線（合成Ｑ−Ｈ曲線）を曲線５３から曲線５３’にし、吐出圧力Ｐ0を曲線５７において設定値ＱS1になるような値に持っていく。また、吐出圧力Ｐ0を曲線５７において希薄水流量の最大値Ｑ1maxになる吐出圧力値Ｐ01に持っていくことにより、希薄水流量を最大値Ｑ1maxにすることができる。
【００３７】
逆浸透膜カートリッジ４に供給する吐出圧力Ｐ0が曲線５７に対して上記設定した希薄水流量ＱS1になるようにするために、具体的な制御方法としてはＢＰ回転数選定部２２−１により、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定し、ドライバ２４（ここではインバータ）に出力する。ドライバ２４は電動モータ１６の回転数を制御してブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御し、回転数Ｎを変化させブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線が曲線５２から曲線５２’と変化することで、相対的に全体のＱ−Ｈ曲線も曲線５３から曲線５３’に変化する。
【００３８】
上記のように制御装置７は希薄水流量Ｑ1の値を設定すると供給海水の濃度と浸透圧の関係が定まっているため、高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成Ｑ−Ｈ曲線をブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を変更する事で任意に設定した希薄水の流量に合わせることができる。つまり高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の運転点と希薄水流量Ｑ1との関係は一義的に決定される。また、希薄水流量Ｑ1の設定値を逆浸透膜カートリッジ４（逆浸透膜４ａ）の曲線５７における希薄水流量の最大値Ｑ１max点に合せると、該最大値Ｑ1max点での希薄水流量が得られる。
【００３９】
図４は容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の一例として、容積形のピストンポンプの構成例を示す図である。容積形のピストンポンプ３０は制御切替弁３１、切替弁３２、２個のエネルギー回収チャンバー３３、３４を備えている。制御切替弁３１の流入口には濃縮海水ライン１３が接続され、流出口には排水ライン１４が接続されている。また、切替弁３２の流入口には供給ライン９が接続され、流出口には供給海水バイパスライン１５が接続されている。
【００４０】
上記構成の容積形ピストンポンプ３０において、制御切替弁３１を図４（ａ）に示すように切り替えると、濃縮海水ライン１３からの高圧のリジェクト（濃縮海水）１０３はエネルギー回収チャンバー３３に流入し、ピストン３３ａを矢印Ｂの方向に押圧移動させると共に、該エネルギー回収チャンバー３３の内に供給ライン９及び切替弁３２を通って供給されていた海水は、ピストン３３ａに押圧されてリジェクト１０３（濃縮海水）とほぼ同じ圧力に加圧され切替弁３２を通って、供給海水バイパスライン１５に吐出される。一方、供給海水バイパスライン１５に圧力エネルギーを伝達したエネルギー回収チャンバー３４には、供給ライン９の海水が切替弁３２を通って流入し、ピストン３４ａを矢印Ｃの方向に押圧移動させると共に、圧力の消失したリジェクト（濃縮海水）１０４は排水ライン１４に吐出される。
【００４１】
制御切替弁３１を図４（ｂ）に示すように切り替えると、濃縮海水ライン１３からの高圧のリジェクト（濃縮海水）１０３はエネルギー回収チャンバー３４に流入し、ピストン３４ａを矢印Ｆの方向に押圧移動させると共に、該エネルギー回収チャンバー３４の内の海水は、ピストン３４ａに押圧されてリジェクト（濃縮海水）１０３とほぼ同じ圧力に加圧され切替弁３２を通って、供給海水バイパスライン１５に吐出される。一方供給ライン９の海水は切替弁３２を通ってエネルギー回収チャンバー３３に流入し、ピストン３３ａを矢印Ｅの方向に押圧移動させると共に、圧力の消失したリジェクト（濃縮海水）１０４は排水ライン１４に吐出される。
【００４２】
上記のように、逆浸透膜カートリッジ４や濃縮海水ライン１３の圧力損失、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５である容積形ピストンポンプ３０の制御切替弁３１や切替弁３２等における圧力損失、エネルギー回収チャンバー３３、３４と内部ピストン３３ａ、３４ａとの間の漏れ損失等により、供給海水バイパスライン１５中の海水の圧力は高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する海水の圧力より低い。ブースタポンプ６は供給海水バイパスライン１５中の海水を加圧してこの圧力損失を補償し、高圧ライン１０中の海水と合流させるために設けられている。従って、ブースタポンプ６は高圧ポンプ３より小さい電気容量のポンプで済む。
【００４３】
上記構成の海水淡水化装置において、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの脱塩率は、膜特性、即ち温度、圧力、透過流量から予測される。また、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の構造上の特徴として、上記容積形ピストンポンプ３０のように、濃縮海水と供給海水とを隔離する工夫はなされているが、ピストン３３ａ、３４ａ等の要素の磨耗等により漏れを完全に持続的に封止することが難しい。また、水質管理のため、逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）１２に塩分検出器として例えば導電率計４０を設けて塩分をモニターし、希薄水（脱塩水）１０２の脱塩率を監視している。経年変化の影響の少ない設置初期において、脱塩率が予測された値よりも低下した場合は容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５における故障（濃縮海水の漏れ）による急増の可能性が高い。
【００４４】
また、補助測定として供給ライン９、供給海水バイパスライン１５にも塩分検出器として導電率計４１、４２を設けて、後に詳述するように、脱塩水側の導電率計４０で測定した塩分とを照合することにより、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の漏れ状況を把握できる。そして規定値以上に脱塩率が予測値と離れた場合は、軽故障表示と共に、ＢＰ回転数選定部２２−１ではブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を減らして供給海水バイパスライン１５側の水量を減らす制御を行う。また、逆浸透膜カートリッジ４の経年変化による膜の劣化（逆浸透膜４ａには時の経過と共に、蓄積物が堆積し膜特性（脱塩能力）が低下する）に関しても、後に詳述するように判定することが可能であり、逆浸透膜４ａの洗浄時期（又は交換時期）を自動的に設定することができる。
【００４５】
図５は高圧ライン１０に設けた温度センサ４３、逆浸透膜カートリッジ４の脱塩水側に設けた導電率計４０、供給ライン９に設けた導電率計４１、供給海水バイパスライン１５に設けた導電率計４２の出力により、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障、逆浸透膜４ａの膜の劣化を検出するための処理フローを示す図である。逆浸透膜カートリッジ４の回収率（％）、塩透過比率（％）、脱塩率（％）は下式で表される。
回収率（％）＝｛（希薄水流量）／（供給海水流量）｝×１００
塩透過比率（％）＝｛（希薄水の溶質（塩分）濃度）／（供給海水溶質（塩分）濃度）｝×１００
脱塩率（％）＝１００−塩透過比率
また、逆浸透膜は温度によって希薄水流量及び脱塩率が図６に示すように変化する。なお、温度が上昇すると希薄水（脱塩水）流量及び塩透過比率は上昇する性質を持っている。
【００４６】
図５において、温度センサ４３による高圧ライン１０中の海水検出温度と、圧力センサ２６、２７によって高圧ライン１０及び供給海水バイパスライン１５の圧力を測定する（ステップＳＴ１１）。次に記憶部２３に記憶されている高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線を参照して、上記ステップＳＴ１１で測定された高圧ライン１０及び供給海水バイパスライン１５の圧力から高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６のそれぞれの流量を算出する（ステップＳＴ１２）。次に図６に示すような、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜特性（脱塩率ｖｓ温度・圧力）を予め保存してあったデータから取得し（ステップＳＴ１３）、制御装置７によって各（ポンプの吐出及び希薄水の）流量は想定される。よって上記膜特性と海水検出温度、各流量のデータから溶質（塩分）濃度ＣCALを算出（ステップＳＴ１４）する。次に導電率計４０の出力より実際の希薄水の溶質（塩分）濃度Ｃ1を算出する（ステップＳＴ１５）。続いて｜ＣCAL−Ｃ1｜＞閾値かを判断し（ステップＳＴ１６）、Ｎｏであったら正常とする（ステップＳＴ１７）。
【００４７】
Ｙｅｓであったら、導電率計４１及び導電率計４２の出力により、供給海水バイパスライン１５及び供給ライン９の海水の夫々溶質（塩分）濃度Ｃ0-2、Ｃ0-1を測定し（ステップＳＴ１８）、続いて｜Ｃ0-2−Ｃ0-1｜＞閾値で、且つ（Ｃ0-2−Ｃ0-1）＞０かを判断し（ステップＳＴ１９）、Ｎｏであったら逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜劣化とし（ステップＳＴ２０）、Ｙｅｓであったら、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障とする（ステップＳＴ２１）。この逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜劣化、及び容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障は図示しない表示装置や警報装置で警報すると共に、逆浸透膜４ａの劣化の場合はその洗浄（又は場合によっては交換）をし、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の故障の場合は、修理や交換、更には下記の対策を採る。
【００４８】
（容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障の場合の対策）
高圧ポンプ（ＨＰ）３がブースタポンプ（ＢＰ）６分の流量が減っても対応可能な設計仕様となっている場合は、ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出側に設けたバルブＶ３を閉じると共に、濃縮海水排水バイパスライン１７のバルブＶ５を開いて、図７に示すように希薄水流量（脱塩水量）の制御目標値Ｑ1を、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５が故障と判定された時点Ｔ１でＱ2にまで下げる。即ち、図８の破線で示すように、（系全体としては）高圧ポンプ（ＨＰ）３＋ブースタポンプ（ＢＰ）６の揚程曲線（ＨＰ＋ＢＰ）の運転していたものを、実線で示すように、高圧ポンプ（ＨＰ）３のみの揚程曲線（ＨＰ）の運転に切り換える。
【００４９】
高圧ポンプ（ＨＰ）３をバックアップするため、図１１に示すように電動モータ２９で駆動されるバックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）２８が備わっている場合は、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５が故障と判定された時点Ｔ１で、バルブＶ３を閉じて図９に示すように、バックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）２８を運転する。即ち、図１０の実線で示す高圧ポンプ（ＨＰ）３の揚程曲線の運転（バルブＶ３を閉じ、バルブＶ５を開いて高圧ポンプ（ＨＰ）３による運転状態）から、点線で示す高圧ポンプ（ＨＰ）３＋バックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）２８の揚程曲線（ＨＰ＋ＢＨＰ）の運転とする。
【００５０】
なお、脱塩率の誤差から容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５からの漏れ量を推定することができる。従って、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５において、予め漏れ量と封止部分の磨耗量との関係をデータベース化しておけば容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の交換及び修繕時期が予測可能となる。
【００５１】
上記実施形態例では、ドライバ（ここではインバータ）２４により、電動モータ１６の回転数、即ちブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御する場合を示したが、図１２に示すようにドライバ２４により、濃縮海水ライン１３に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ１、排水ライン１４に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ２、供給海水バイパスライン１５に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ３、及び高圧ライン１０に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ４の開度を制御して、その流量を制御してもよい。また、図１３に示すように、濃縮海水ライン１３中を流れる濃縮海水を容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５をバイパスして排水する濃縮海水排水バイパスライン１７を設け、該濃縮海水バイパスライン１７に流量を調整するバルブ（流量制御弁）Ｖ５を設け、ドライバ２４で該バルブＶ５の開度を制御して容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５に導入する濃縮海水流量を制御するようにしてもよい。
【００５２】
更に、図１４に示すようにドライバ（ここではインバータ）２４により高圧ポンプ（ＨＰ）３を駆動する電動モータ８の回転数を制御して、高圧ポンプ（ＨＰ）３から吐出される海水流量（逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水流量）を制御してもよい。図１５に示すように、ブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線５２に対して、高圧ポンプ（ＨＰ）３のＯ−Ｈ曲線を５１から５１’に変化させた場合、ブースタポンプ（ＢＰ）６と高圧ポンプ（ＨＰ）３の合成Ｏ−Ｈ曲線は５３から５３’となる。目標の希薄水流量（目標の脱塩水流量）Ｑ1の設定値を逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの曲線５７の希薄水の最大値Ｑ1MAXに合わせることにより、逆浸透膜カートリッジ４を逆浸透膜４ａの最大希薄水点で運転できる。
【００５３】
なお、上記例では膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段として、高圧ライン１０に設けた温度センサ４３、逆浸透膜カートリッジ４の脱塩水側に設けた導電率計４０、供給ライン９に設けた導電率計４１、供給海水バイパスライン１５に設けた導電率計４２の出力を監視し、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障、逆浸透膜４ａの膜劣化を検出する例を示したが、状態検出手段はこれに限定されるものではなく、膜分離装置の他の部分を監視するためのセンサを設け、その出力から各部の状態を検出するようにしてもよい。また、不具合対応制御手段も、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障、逆浸透膜４ａの膜劣化に対応するものではなく、他の部分の不具合に対応できるようにしてもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。また、上記実施形態では容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５として容積形ピストンポンプ３０を説明したが、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５は容積形ピストンポンプに限定されるものではなく、例えば特表２００４−５００５０２号公報に開示されている圧力交換装置でもよい。即ち、限られた空間内でエネルギー伝達をしている装置であれば、どのようなものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る海水淡水化装置の第１の態様を示す模式図である。
【図２】本発明に係る海水淡水化装置の制御装置の機能ブロック図である。
【図３】高圧ポンプ（ＨＰ）とブースタポンプ（ＢＰ）のＱ−Ｈ曲線を示す図である。
【図４】容積形エネルギー回収装置として容積形ピストンポンプの構成例を示す図である。
【図５】逆浸透膜の劣化及び容積形エネルギー回収装置の故障判定の処理フローを示す図である。
【図６】逆浸透膜の希薄水流量と脱塩率と温度の関係を示す図である。
【図７】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図８】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図９】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図１０】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る海水淡水化装置の第２の態様を示す模式図である。
【図１２】本発明に係る海水淡水化装置の第３の態様を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る海水淡水化装置の第４の態様を示す模式図である。
【図１４】本発明に係る海水淡水化装置の第５の態様を示す模式図である。
【図１５】高圧ポンプ（ＨＰ）とブースタポンプ（ＢＰ）のＱ−Ｈ曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 取水ポンプ
２ 前処理装置
３ 高圧ポンプ（ＨＰ）
４ 逆浸透膜カートリッジ
４ａ 逆浸透膜
５ 容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）
６ ブースタポンプ（ＢＰ）
７ 制御装置
７−１ ＤW−Ｔ機能部
７−２ ΔＰ−Ｑ1機能部
７−３ π−ＣM機能部
７−４ Ｑ−Ｈ機能部
８ 電動モータ
９ 供給ライン
１０ 高圧ライン
１１ 高圧室
１２ 希薄水側
１３ 濃縮海水ライン
１４ 排水ライン
１５ 供給海水バイパスライン
１６ 電動モータ
１７ 濃縮水バイパスライン
１９ 圧力センサ
２０ ポンプ吐出流量算出部
２１ 希薄水流量設定部
２２−１ ＢＰ回転数選定部
２２−２ バルブ開度選定部
２２−３ バルブ開度選定部
２２−４ ＨＰ回転数選定部
２３ 記憶部
２４ ドライバ
２６，２７ 圧力センサ
２８ バックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）
２９ 電動モータ（ＢＨＰ用）
３０ 容積形のピストンポンプ
３１ 制御切替弁
３２ 切替弁
３３，３４ エネルギー回収チャンバー
３３ａ，３４ａピストン
４０〜４２ 導電率計
４３ 温度センサ
Ｃ0 海水溶質（塩分）濃度
Ｃ1 希薄水の溶質（塩分）濃度
Ｃ2 濃縮海水の溶質（塩分）濃度
ＣM 海水溶質（塩分）濃度
Ｐ0 吐出圧力（供給海水圧力）
Ｐ1 逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）圧力
Ｐ2 逆浸透膜カートリッジ４の濃縮海水側圧力
ＰM 逆浸透膜カートリッジ４の供給側圧力
Ｑ0 供給海水流量（ポンプ吐出流量），合成吐出流量
Ｑ1 希薄水流量（脱塩水流量）
Ｑ2 濃縮海水流量
Ｑ1MAX 最大の希薄水流量
Ｃ0-1 高圧ライン１０の溶質（塩分）濃度
Ｃ0-2 供給海水バイパスライン１５の溶質（塩分）濃度
Ｐ0-1 高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力
Ｐ0-2 ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力
Ｑ0-1 高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量
Ｑ0-2 ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量
Ｔ 海水温度
Ｖ１〜Ｖ５ バルブ（流量制御弁）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜カートリッジに海水等の原水を高圧ポンプで加圧して供給し、淡水等の希薄水を得る膜分離装置、及びその運転管理方法にある。
【背景技術】
【０００２】
上記膜分離装置を海水淡水化設備で説明すると、海水淡水化設備は主として、前処理装置、高圧ポンプ、逆浸透膜カートリッジから構成されている。取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられた後、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に打ち勝って逆浸透膜を通過し、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。海水淡水化設備における最大の運用コストである使用する電力の半分以上は、高圧ポンプによる海水の加圧に費やされる。従って、逆浸透膜カートリッジから排出された高塩分濃度のリジェクトが保有する圧力エネルギーを回収する方法が、特許文献１乃至３等で紹介されている。
【０００３】
上記特許文献１乃至３に示す膜分離装置では、エネルギー回収にペルトン水車を用い流量制御弁を介して逆浸透膜カートリッジからのリジェクトをペルトン水車に供給し、この水車の回転力で、高圧ポンプの回転力を助成するように構成されている。また、エネルギー回収に逆転ポンプを用いたものもある。このようにエネルギー回収にペルトン水車や逆転ポンプを用いるものはエネルギー回収効率が低いという問題があった。
【０００４】
一方、容積形エネルギー回収装置（例えば、容積形ピストンポンプ）は、一般的にエネルギー回収効率が高く、海水淡水化設備のエネルギー回収装置に容積形を用いているものもある。しかしながら、エネルギー回収装置に容積形を用いた既存のものは、エネルギー回収装置自体のエネルギー回収効率や動作のみに関しての着眼に基づくものであり、逆浸透膜の浸透圧特性を考慮した流量調整を行うものではなかった。また、エネルギー回収装置に容積形を用いた場合、故障項目としては回収装置内での濃縮水の漏れが考えられる。濃縮水の漏れが多くなると相対的に脱塩率は下がり海水淡水化設備の性能の低下に繋がる。
【０００５】
また、従来の逆浸透膜カートリッジを用いた海水淡水化装置では、逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜は運転時間の経過と伴に蓄積物が堆積し、膜特性が低下していくため洗浄が必要であるが、洗浄のタイミングは個々の作業者の判断に任されており、逆浸透膜の劣化により洗浄を必要とする適切な時期に行われていなかった。
【特許文献１】特開昭５９−１８９９１０号公報
【特許文献２】特開昭５９−１９９００４号公報
【特許文献３】国際公開第１９８５／００１２２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、エネルギー回収にペルトン水車や逆転ポンプを用いたときより、高い効率で逆浸透膜カートリッジからの濃縮水（リジェクト）が有するエネルギーを回収でき、脱塩水性能（脱塩率）の維持、適切な逆浸透膜の洗浄タイミングとエネルギー回収装置の故障の判断ができる膜分離装置、膜分離装置の運転管理方法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】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明は、供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、高圧ポンプで加圧された高圧原水を逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置において、エネルギー回収手段として逆浸透膜カートリッジより濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を用い、容積形エネルギー回収装置で加圧された原水を高圧ポンプと逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させるバイパス管と、バイパス配管の途中に設けられ該バイパス配管中を流れる原水を加圧するブースタポンプと、逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御する原水流量制御手段と、当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段と、状態検出手段が検出した各部の不具合に応じて対応する不具合対応制御手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、上記膜分離装置において、原水流量制御手段は、高圧ポンプ及び／又はブースタポンプの回転数を制御して逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明は、上記膜分離装置において、高圧ライン、バイパスライン、逆浸透膜カートリッジから吐出された濃縮水を容積形エネルギー回収装置に導く濃縮ライン、該容積形エネルギー回収装置から濃縮水を排水する排水ライン、濃縮ラインから容積形エネルギー回収装置をバイパスして濃縮水を排水する濃縮水バイパスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、原水流量制御手段は、流量制御弁の少なくとも一つを制御して逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記膜分離装置において、希薄水の濃度を検出する第１の濃度センサ、バイパス管を流れる濃縮水の濃度を検出する第２のセンサ、供給原水の濃度を検出する第３の濃度センサ、及び原水の温度を検出するセンサを設け、状態検出手段が各センサの出力から容積形エネルギー回収装置の故障及び／又は逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜劣化を検出する機能を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記膜分離装置において、逆浸透膜カートリッジより容積形エネルギー回収装置に導入される濃縮水を該容積形エネルギー回収装置をバイパスして排水する濃縮水バイパスラインと、該濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁と、を設け、状態検出手段が容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、不具合対応制御手段は濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁を開いて濃縮水を排水することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、上記膜分離装置において、状態検出手段が容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、不具合対応制御手段はブースタポンプを停止して、高圧ポンプのみの運転で逆浸透膜カートリッジに原水を供給することを特徴とする。
【００１３】
上記のようにエネルギー回収手段として逆浸透膜カートリッジより濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を採用することにより、逆浸透膜カートリッジから吐出された高圧濃縮水の圧力エネルギーを効果的に回収できる。
【００１４】
また、例えば、状態検出手段が容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、不具合対応制御手段により、濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁を開いて濃縮水を排水し、濃縮水が容積形エネルギー回収装置内に閉じ込められることを防止したり、ブースタポンプを停止して、高圧ポンプのみの運転で逆浸透膜カートリッジに原水を供給したり、高圧ポンプをバックアップするためのバックアップポンプがある場合はブースタポンプを停止して、バックアップポンプを運転し、高圧ポンプとバックアップポンプの運転で逆浸透膜カートリッジに原水を供給する等の対策を素早くとることができる。
【００１５】
また、例えば、状態検出手段が逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜劣化を検出した場合、適正な時期に逆浸透膜の洗浄又は交換が可能となる。
【００１６】
また、本発明は、供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、高圧ポンプで加圧された高圧原水を逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置の運転管理方法において、エネルギー回収手段として容積形エネルギー回収装置を用いると共に、ブースタポンプを設け、逆浸透膜カートリッジより濃縮水を容積形エネルギー回収装置に導入し、供給される原水の一部を加圧し、該加圧した原水をブースタポンプで加圧し、該加圧した原水を高圧ポンプと逆浸透膜カートリッジを接続する接続管を流れる高圧原水に合流させると共に、逆浸透膜カートリッジに供給する原水流量を制御し、当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段で監視し、該状態検出手段が各部の不具合を検出したら不具合対応制御手段でその不具合に応じて各部を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、下記のような優れた効果が期待できる。
・逆浸透膜カートリッジから吐出された高圧濃縮水の圧力エネルギーを効果的に回収できるので、膜分離装置の所要エネルギーが少なく、運用コストが安価となる。
・容積形エネルギー回収装置の故障を検出できることにより、その修理や交換等の速やかな対応が可能となる。
・逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜の劣化が検出できるから、適切な時期にその洗浄又は交換が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。膜分離装置として海水淡水化装置を例に説明する。図１は本発明に係る海水淡水化装置の第１の態様を示す模式図である。図示するように本海水淡水化装置は、取水ポンプ１、前処理装置２、高圧ポンプ（ＨＰ）３、逆浸透膜カートリッジ４、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５、ブースタポンプ（ＢＰ）６、制御装置７を備えている。
【００１９】
取水ポンプ１により取水された海水１００は、前処理装置２により所定の水質条件に整えられた後、供給ライン９を通って電動モータ８により駆動される高圧ポンプ（ＨＰ）３に供給され、該高圧ポンプ（ＨＰ）３で加圧され、高圧ポンプ（ＨＰ）３と逆浸透膜カートリッジ４を接続する接続管である高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する。逆浸透膜カートリッジ４の高圧室１１内の海水の一部は、逆浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜４ａを通過し、溶質（塩分）が除去され、希薄水（脱塩水）１０２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４から濃縮海水ライン１３へ排出される。
【００２０】
逆浸透膜カートリッジ４から排出された高圧の濃縮水であるリジェクト１０３（濃縮海水）が保有する圧力エネルギーは容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５に導入され、圧力エネルギーを失ったリジェクト１０３（濃縮海水）は、エネルギー回収された低圧濃縮海水（リジェクト）１０４として排水ライン１４を通って廃棄される。容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５としては、例えば後に詳述する容積形ピストンポンプ等が使用されており、該容積形ピストンポンプで供給ライン９の海水の一部がポンプアップされ、供給海水バイパスライン１５へと排出され、最終的には高圧ライン１０を通る高圧海水に合流する。
【００２１】
逆浸透膜カートリッジ４や濃縮海水ライン１３の圧力損失、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の制御弁や切替弁等における圧力損失、エネルギー回収チャンバーと内部ピストンとの間の漏れ損失等により、供給海水バイパスライン１５中の海水の圧力は高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する海水の圧力より低い。そこで、供給海水バイパスライン１５中を通る海水と高圧ライン１０中を通る海水を合流させるために、供給海水バイパスライン１５の途中に電動モータ１６で駆動されるブースタポンプ（ＢＰ）６を設置し、上記圧力損失分だけ供給海水バイパスライン１５中の海水を加圧する。このブースタポンプ（ＢＰ）６は、高圧ポンプ（ＨＰ）３に比べて小さい電気容量で供給海水バイパスライン１５中を通る海水を高圧ライン１０中を通る海水に合流させることができる圧力に昇圧できる。
【００２２】
制御装置７には、高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1とブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量Ｑ0-2を算出するポンプ吐出流量（供給海水流量）算出部２０、理想の希薄水流量を設定希薄水量ＱS1として設定する希薄水流量設定部２１、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定するＢＰ回転数選定部２２−１、及びブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線と高圧ポンプ（ＨＰ）３のＱ−Ｈ曲線を記憶する記憶部２３を備えている。なお、ここでは、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を一定としブースタポンプ６の回転数を制御して所定の希薄水流量Ｑ1を得る場合であるが、後に詳述するが図１２及び図１３に示すように、バルブ開度選定部２２−２、２２−３を設け、高圧ポンプ（ＨＰ）３及びブースタポンプ（ＢＰ）６の設定吐出流量に対してバルブの開閉度を制御する場合、図１４に示すようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を一定とし、ＨＰ回転数選定部２２−４を用いて高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を制御する場合もある。
【００２３】
ポンプ吐出流量算出部２０には圧力センサ２６で検出した高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力Ｐ0-1と圧力センサ２７で検出したブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力Ｐ0-2、及び圧力センサ１９で検出された逆浸透膜カートリッジ４の高圧室１１側の圧力Ｐ2が入力されるようになっている。ポンプ吐出水流量算出部２０は逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜特性変化及び海水１００中の海水溶質（塩分）濃度等を考慮し、逆浸透膜カートリッジ４で処理する希薄水流量Ｑ1が希薄水流量設定部２１で設定された設定希薄水量ＱS1になるように、供給海水流量（ポンプ吐出流量）Ｑ0を算出する。即ち希薄水流量Ｑ1が設定希薄水流量ＱS1になるように、高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1とブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量Ｑ0-2を算出する。
【００２４】
ＢＰ回転数選定部２２−１は、記憶部２３に記憶されている高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線を参照して、ポンプ吐出流量算出部２０で算出したポンプ吐出流量Ｑ0（Ｑ0-1＋Ｑ0-2）が得られるようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定する（ここでは高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1を所定の一定値としブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御して所定のポンプ吐出流量Ｑ0を得る）。この選定された回転数はドライバ（ここではインバータ２４）を介して、電動モータ１６に送られ、ブースタポンプ（ＢＰ）６は選定された回転数で回転する。
【００２５】
なお、図１において、Ｐ0-1は高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力、Ｑ0-1は高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量、Ｃ0-1は高圧ライン１０の溶質（塩分）濃度、Ｐ0-2はブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力、Ｑ0-2はブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量、Ｃ0-2は供給海水バイパスライン１５の溶質（塩分）濃度、Ｐ1は逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）圧力、Ｑ1は希薄水（脱塩水）の流量、Ｃ1は希薄水の溶質（塩分）濃度を夫々示す。
【００２６】
図２は制御装置７の機能ブロック図であり、制御装置７は、ＤW−Ｔ機能部７−１、ΔＰ−Ｑ1機能部７−２、π−ＣM機能部７−３、Ｑ−Ｈ機能部７−４を備えている。ＤW−Ｔ機能部７−１は、図示するように縦軸にＤW／Ｔ（ＤWは逆浸透膜４ａの水の拡散係数）を横軸に供給海水の温度Ｔを示すデータを備えている。ΔＰ−Ｑ1機能部７−２は縦軸に逆浸透膜４ａの逆浸透圧πを越える圧力ΔＰを横軸に希薄水流量Ｑ1を示すデータを備えている。π−ＣM機能部７−３は縦軸に浸透圧πを横軸に海水濃度ＣMを示すデータを備えている。Ｑ−Ｈ機能部７−４は縦軸に高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）の合成水頭圧Ｈを横軸に吐出流量Ｑを示すデータ（Ｑ−Ｈ曲線）を備えている。
【００２７】
次に、図２の機能ブロック図に基づいて制御装置７の作用を説明する。ＤW−Ｔ機能部７−１はＴとＤW／Ｔの関係式曲線５５から温度センサ４３で検出した供給海水の温度ＴよりＤW／Ｔを算出しており、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの種類により定まる係数Ｋは下式から求まる。
Ｋ＝Ｋ0（ＤW／Ｔ）
（但し、Ｋ0は逆浸透膜４ａの種類で定まる既知の定数、ＤWは水の拡散係数）
ここで、設定変更前の吐出圧力（供給海水圧力）Ｐ0が仮設定されている。
また、π−ＣM機能部７−３は、上記のように縦軸に浸透圧πを横軸に海水溶質（塩分）濃度ＣMを示しており、曲線５４は海水溶質（塩分）濃度ＣMと浸透圧πの関係を示す。曲線５４の関係から海水溶質（塩分）濃度ＣMが求まれば、供給海水の海水浸透圧πMが求まる。
【００２８】
また、逆浸透膜カートリッジ４の供給側の海水溶質（塩分）濃度ＣMは、近似的にＣM≒（Ｃ0＋Ｃ2）／２で定まる。海水溶質（塩分）濃度Ｃ0、濃縮海水溶質（塩分）濃度Ｃ2は回収率Ｑ1／Ｑ0が著しく変化しない限り、上記近似式でよい。従って、逆浸透膜カートリッジ４に供給される海水の海水溶質（塩分）濃度Ｃ0、濃縮海水溶質（塩分）濃度Ｃ2は特に装置の通常運転中は定数とみなすことができる。
【００２９】
また、π−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４は縦軸が同スケールで示してあり、逆浸透膜カートリッジ４の供給側圧力ＰMは仮設定した吐出圧力Ｐ0から逆浸透膜カートリッジ４での供給側高圧ライン１０の海水の管路による損失ヘッドＰＬ１を減じたものである。逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側圧力Ｐ1は略一定であり、また希薄水の溶質（塩分）濃度Ｃ1は一定とみてよいから希薄水の浸透圧π1は一定としてよい。そこで逆浸透圧ΔＰは、
ΔＰ＝（ＰM−Ｐ1）−（πM−π1）
と算出される。（この関係はπ−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４の間に取り出して示している）
【００３０】
ΔＰ−Ｑ1機能部７−２はπ−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４と縦軸のスケールを等しくしており、逆浸透膜カートリッジ４の希薄水流量Ｑ1は、直線５６で示される下記式で求まる。
Ｑ1＝ＡMＫΔＰ （１）
（但し、ＡMは逆浸透膜４ａの面積、ΔＰは逆浸透膜カートリッジ４に供給される海水の浸透圧πMを越える逆浸透膜４ａ近傍の圧力である）
【００３１】
制御装置７のＱ−Ｈ機能部７−４は、縦軸に圧力Ｈを横軸に流量Ｑを示したものであり、ポンプのＱ−Ｈ曲線（図３に詳細を示すように、合成Ｑ−Ｈ曲線５３、５３’は高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成Ｑ−Ｈ曲線を、曲線５１は高圧ポンプ（ＨＰ）３のＱ−Ｈ曲線を、曲線５２、曲線５２’はブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線）と、逆浸透膜カートリッジ４への吐出圧力Ｐ0に対応する逆浸透圧カートリッジ４の希薄水流量Ｑ1の曲線５７を同スケールで示した図となっている。
【００３２】
制御装置７で逆浸透膜カートリッジ４に供給する供給海水流量Ｑ0を制御する制御処理手順を説明する。ここでは、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を一定とし、ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量、即ちブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御して逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水の流量を制御する処理手順である。
【００３３】
（ステップＳＴ１）
先ず、理想の希薄水流量Ｑ1（＝ＱS1）を希薄水流量設定部２１から設定する。
【００３４】
（ステップＳＴ２）
次に、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎが仮定される。図３はＱ−Ｈ機能部７−４の詳細を示す図である。ここでは、逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水の流量制御を高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を固定とし、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを変えることで行う場合のＱ−Ｈ曲線を示している。図示するように、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を固定したＱ−Ｈ曲線５１に対して、ブースタポンプ（ＢＰ）６の（濃縮海水ライン１３側圧力を含めた）Ｑ−Ｈ曲線を曲線５２から曲線５２’に変えると高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成したＱ−Ｈ曲線は合成Ｑ−Ｈ曲線５３から合成Ｑ−Ｈ曲線５３’へと変化する。
【００３５】
（ステップＳＴ３）
上記式（１）により算出された希薄水流量Ｑ1をＱ1CALCとする。
【００３６】
（ステップＳＴ４）
上記設定した設定希薄水流量ＱS1の値と上記算出した希薄水流量Ｑ1CALCとを比較する。そしてこの誤差が大きいときは上記ステップＳＴ２に戻りブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを再仮定してステップＳＴ２〜ＳＴ４をループとして繰り返し、希薄水流量Ｑ1と算出した希薄水流量Ｑ1CALCの誤差が小さくなるまで繰り返す。つまり、先にステップＳＴ２で仮定した吐出圧力Ｐ0で求まるＱ1CALCが、Ｑ1CALC−ＱS1＞０になるときは、再仮定の吐出圧力Ｐ0を小さくするように、Ｑ1CALC−ＱS1＜０になるときは、再仮定の吐出圧力Ｐ0の値が大きくなるようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを変更し、Ｑ−Ｈ曲線を曲線５２から曲線５２’と変化することで全体のＱ−Ｈ曲線（合成Ｑ−Ｈ曲線）を曲線５３から曲線５３’にし、吐出圧力Ｐ0を曲線５７において設定値ＱS1になるような値に持っていく。また、吐出圧力Ｐ0を曲線５７において希薄水流量の最大値Ｑ1maxになる吐出圧力値Ｐ01に持っていくことにより、希薄水流量を最大値Ｑ1maxにすることができる。
【００３７】
逆浸透膜カートリッジ４に供給する吐出圧力Ｐ0が曲線５７に対して上記設定した希薄水流量ＱS1になるようにするために、具体的な制御方法としてはＢＰ回転数選定部２２−１により、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定し、ドライバ２４（ここではインバータ）に出力する。ドライバ２４は電動モータ１６の回転数を制御してブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御し、回転数Ｎを変化させブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線が曲線５２から曲線５２’と変化することで、相対的に全体のＱ−Ｈ曲線も曲線５３から曲線５３’に変化する。
【００３８】
上記のように制御装置７は希薄水流量Ｑ1の値を設定すると供給海水の濃度と浸透圧の関係が定まっているため、高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成Ｑ−Ｈ曲線をブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を変更する事で任意に設定した希薄水の流量に合わせることができる。つまり高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の運転点と希薄水流量Ｑ1との関係は一義的に決定される。また、希薄水流量Ｑ1の設定値を逆浸透膜カートリッジ４（逆浸透膜４ａ）の曲線５７における希薄水流量の最大値Ｑ１max点に合せると、該最大値Ｑ1max点での希薄水流量が得られる。
【００３９】
図４は容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の一例として、容積形のピストンポンプの構成例を示す図である。容積形のピストンポンプ３０は制御切替弁３１、切替弁３２、２個のエネルギー回収チャンバー３３、３４を備えている。制御切替弁３１の流入口には濃縮海水ライン１３が接続され、流出口には排水ライン１４が接続されている。また、切替弁３２の流入口には供給ライン９が接続され、流出口には供給海水バイパスライン１５が接続されている。
【００４０】
上記構成の容積形ピストンポンプ３０において、制御切替弁３１を図４（ａ）に示すように切り替えると、濃縮海水ライン１３からの高圧のリジェクト（濃縮海水）１０３はエネルギー回収チャンバー３３に流入し、ピストン３３ａを矢印Ｂの方向に押圧移動させると共に、該エネルギー回収チャンバー３３の内に供給ライン９及び切替弁３２を通って供給されていた海水は、ピストン３３ａに押圧されてリジェクト１０３（濃縮海水）とほぼ同じ圧力に加圧され切替弁３２を通って、供給海水バイパスライン１５に吐出される。一方、供給海水バイパスライン１５に圧力エネルギーを伝達したエネルギー回収チャンバー３４には、供給ライン９の海水が切替弁３２を通って流入し、ピストン３４ａを矢印Ｃの方向に押圧移動させると共に、圧力の消失したリジェクト（濃縮海水）１０４は排水ライン１４に吐出される。
【００４１】
制御切替弁３１を図４（ｂ）に示すように切り替えると、濃縮海水ライン１３からの高圧のリジェクト（濃縮海水）１０３はエネルギー回収チャンバー３４に流入し、ピストン３４ａを矢印Ｆの方向に押圧移動させると共に、該エネルギー回収チャンバー３４の内の海水は、ピストン３４ａに押圧されてリジェクト（濃縮海水）１０３とほぼ同じ圧力に加圧され切替弁３２を通って、供給海水バイパスライン１５に吐出される。一方供給ライン９の海水は切替弁３２を通ってエネルギー回収チャンバー３３に流入し、ピストン３３ａを矢印Ｅの方向に押圧移動させると共に、圧力の消失したリジェクト（濃縮海水）１０４は排水ライン１４に吐出される。
【００４２】
上記のように、逆浸透膜カートリッジ４や濃縮海水ライン１３の圧力損失、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５である容積形ピストンポンプ３０の制御切替弁３１や切替弁３２等における圧力損失、エネルギー回収チャンバー３３、３４と内部ピストン３３ａ、３４ａとの間の漏れ損失等により、供給海水バイパスライン１５中の海水の圧力は高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する海水の圧力より低い。ブースタポンプ６は供給海水バイパスライン１５中の海水を加圧してこの圧力損失を補償し、高圧ライン１０中の海水と合流させるために設けられている。従って、ブースタポンプ６は高圧ポンプ３より小さい電気容量のポンプで済む。
【００４３】
上記構成の海水淡水化装置において、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの脱塩率は、膜特性、即ち温度、圧力、透過流量から予測される。また、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の構造上の特徴として、上記容積形ピストンポンプ３０のように、濃縮海水と供給海水とを隔離する工夫はなされているが、ピストン３３ａ、３４ａ等の要素の磨耗等により漏れを完全に持続的に封止することが難しい。また、水質管理のため、逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）１２に塩分検出器として例えば導電率計４０を設けて塩分をモニターし、希薄水（脱塩水）１０２の脱塩率を監視している。経年変化の影響の少ない設置初期において、脱塩率が予測された値よりも低下した場合は容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５における故障（濃縮海水の漏れ）による急増の可能性が高い。
【００４４】
また、補助測定として供給ライン９、供給海水バイパスライン１５にも塩分検出器として導電率計４１、４２を設けて、後に詳述するように、脱塩水側の導電率計４０で測定した塩分とを照合することにより、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の漏れ状況を把握できる。そして規定値以上に脱塩率が予測値と離れた場合は、軽故障表示と共に、ＢＰ回転数選定部２２−１ではブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を減らして供給海水バイパスライン１５側の水量を減らす制御を行う。また、逆浸透膜カートリッジ４の経年変化による膜の劣化（逆浸透膜４ａには時の経過と共に、蓄積物が堆積し膜特性（脱塩能力）が低下する）に関しても、後に詳述するように判定することが可能であり、逆浸透膜４ａの洗浄時期（又は交換時期）を自動的に設定することができる。
【００４５】
図５は高圧ライン１０に設けた温度センサ４３、逆浸透膜カートリッジ４の脱塩水側に設けた導電率計４０、供給ライン９に設けた導電率計４１、供給海水バイパスライン１５に設けた導電率計４２の出力により、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障、逆浸透膜４ａの膜の劣化を検出するための処理フローを示す図である。逆浸透膜カートリッジ４の回収率（％）、塩透過比率（％）、脱塩率（％）は下式で表される。
回収率（％）＝｛（希薄水流量）／（供給海水流量）｝×１００
塩透過比率（％）＝｛（希薄水の溶質（塩分）濃度）／（供給海水溶質（塩分）濃度）｝×１００
脱塩率（％）＝１００−塩透過比率
また、逆浸透膜は温度によって希薄水流量及び脱塩率が図６に示すように変化する。なお、温度が上昇すると希薄水（脱塩水）流量及び塩透過比率は上昇する性質を持っている。
【００４６】
図５において、温度センサ４３による高圧ライン１０中の海水検出温度と、圧力センサ２６、２７によって高圧ライン１０及び供給海水バイパスライン１５の圧力を測定する（ステップＳＴ１１）。次に記憶部２３に記憶されている高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線を参照して、上記ステップＳＴ１１で測定された高圧ライン１０及び供給海水バイパスライン１５の圧力から高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６のそれぞれの流量を算出する（ステップＳＴ１２）。次に図６に示すような、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜特性（脱塩率ｖｓ温度・圧力）を予め保存してあったデータから取得し（ステップＳＴ１３）、制御装置７によって各（ポンプの吐出及び希薄水の）流量は想定される。よって上記膜特性と海水検出温度、各流量のデータから溶質（塩分）濃度ＣCALを算出（ステップＳＴ１４）する。次に導電率計４０の出力より実際の希薄水の溶質（塩分）濃度Ｃ1を算出する（ステップＳＴ１５）。続いて｜ＣCAL−Ｃ1｜＞閾値かを判断し（ステップＳＴ１６）、Ｎｏであったら正常とする（ステップＳＴ１７）。
【００４７】
Ｙｅｓであったら、導電率計４１及び導電率計４２の出力により、供給海水バイパスライン１５及び供給ライン９の海水の夫々溶質（塩分）濃度Ｃ0-2、Ｃ0-1を測定し（ステップＳＴ１８）、続いて｜Ｃ0-2−Ｃ0-1｜＞閾値で、且つ（Ｃ0-2−Ｃ0-1）＞０かを判断し（ステップＳＴ１９）、Ｎｏであったら逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜劣化とし（ステップＳＴ２０）、Ｙｅｓであったら、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障とする（ステップＳＴ２１）。この逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜劣化、及び容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障は図示しない表示装置や警報装置で警報すると共に、逆浸透膜４ａの劣化の場合はその洗浄（又は場合によっては交換）をし、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の故障の場合は、修理や交換、更には下記の対策を採る。
【００４８】
（容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障の場合の対策）
高圧ポンプ（ＨＰ）３がブースタポンプ（ＢＰ）６分の流量が減っても対応可能な設計仕様となっている場合は、ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出側に設けたバルブＶ３を閉じると共に、濃縮海水排水バイパスライン１７のバルブＶ５を開いて、図７に示すように希薄水流量（脱塩水量）の制御目標値Ｑ1を、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５が故障と判定された時点Ｔ１でＱ2にまで下げる。即ち、図８の破線で示すように、（系全体としては）高圧ポンプ（ＨＰ）３＋ブースタポンプ（ＢＰ）６の揚程曲線（ＨＰ＋ＢＰ）の運転していたものを、実線で示すように、高圧ポンプ（ＨＰ）３のみの揚程曲線（ＨＰ）の運転に切り換える。
【００４９】
高圧ポンプ（ＨＰ）３をバックアップするため、図１１に示すように電動モータ２９で駆動されるバックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）２８が備わっている場合は、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５が故障と判定された時点Ｔ１で、バルブＶ３を閉じて図９に示すように、バックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）２８を運転する。即ち、図１０の実線で示す高圧ポンプ（ＨＰ）３の揚程曲線の運転（バルブＶ３を閉じ、バルブＶ５を開いて高圧ポンプ（ＨＰ）３による運転状態）から、点線で示す高圧ポンプ（ＨＰ）３＋バックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）２８の揚程曲線（ＨＰ＋ＢＨＰ）の運転とする。
【００５０】
なお、脱塩率の誤差から容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５からの漏れ量を推定することができる。従って、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５において、予め漏れ量と封止部分の磨耗量との関係をデータベース化しておけば容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の交換及び修繕時期が予測可能となる。
【００５１】
上記実施形態例では、ドライバ（ここではインバータ）２４により、電動モータ１６の回転数、即ちブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御する場合を示したが、図１２に示すようにドライバ２４により、濃縮海水ライン１３に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ１、排水ライン１４に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ２、供給海水バイパスライン１５に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ３、及び高圧ライン１０に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ４の開度を制御して、その流量を制御してもよい。また、図１３に示すように、濃縮海水ライン１３中を流れる濃縮海水を容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５をバイパスして排水する濃縮海水排水バイパスライン１７を設け、該濃縮海水バイパスライン１７に流量を調整するバルブ（流量制御弁）Ｖ５を設け、ドライバ２４で該バルブＶ５の開度を制御して容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５に導入する濃縮海水流量を制御するようにしてもよい。
【００５２】
更に、図１４に示すようにドライバ（ここではインバータ）２４により高圧ポンプ（ＨＰ）３を駆動する電動モータ８の回転数を制御して、高圧ポンプ（ＨＰ）３から吐出される海水流量（逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水流量）を制御してもよい。図１５に示すように、ブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線５２に対して、高圧ポンプ（ＨＰ）３のＯ−Ｈ曲線を５１から５１’に変化させた場合、ブースタポンプ（ＢＰ）６と高圧ポンプ（ＨＰ）３の合成Ｏ−Ｈ曲線は５３から５３’となる。目標の希薄水流量（目標の脱塩水流量）Ｑ1の設定値を逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの曲線５７の希薄水の最大値Ｑ1MAXに合わせることにより、逆浸透膜カートリッジ４を逆浸透膜４ａの最大希薄水点で運転できる。
【００５３】
なお、上記例では膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段として、高圧ライン１０に設けた温度センサ４３、逆浸透膜カートリッジ４の脱塩水側に設けた導電率計４０、供給ライン９に設けた導電率計４１、供給海水バイパスライン１５に設けた導電率計４２の出力を監視し、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障、逆浸透膜４ａの膜劣化を検出する例を示したが、状態検出手段はこれに限定されるものではなく、膜分離装置の他の部分を監視するためのセンサを設け、その出力から各部の状態を検出するようにしてもよい。また、不具合対応制御手段も、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）の故障、逆浸透膜４ａの膜劣化に対応するものではなく、他の部分の不具合に対応できるようにしてもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。また、上記実施形態では容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５として容積形ピストンポンプ３０を説明したが、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５は容積形ピストンポンプに限定されるものではなく、例えば特表２００４−５００５０２号公報に開示されている圧力交換装置でもよい。即ち、限られた空間内でエネルギー伝達をしている装置であれば、どのようなものでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明に係る海水淡水化装置の第１の態様を示す模式図である。
【図２】本発明に係る海水淡水化装置の制御装置の機能ブロック図である。
【図３】高圧ポンプ（ＨＰ）とブースタポンプ（ＢＰ）のＱ−Ｈ曲線を示す図である。
【図４】容積形エネルギー回収装置として容積形ピストンポンプの構成例を示す図である。
【図５】逆浸透膜の劣化及び容積形エネルギー回収装置の故障判定の処理フローを示す図である。
【図６】逆浸透膜の希薄水流量と脱塩率と温度の関係を示す図である。
【図７】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図８】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図９】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図１０】容積形エネルギー回収装置の故障の対策例を説明するための図である。
【図１１】本発明に係る海水淡水化装置の第２の態様を示す模式図である。
【図１２】本発明に係る海水淡水化装置の第３の態様を示す模式図である。
【図１３】本発明に係る海水淡水化装置の第４の態様を示す模式図である。
【図１４】本発明に係る海水淡水化装置の第５の態様を示す模式図である。
【図１５】高圧ポンプ（ＨＰ）とブースタポンプ（ＢＰ）のＱ−Ｈ曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 取水ポンプ
２ 前処理装置
３ 高圧ポンプ（ＨＰ）
４ 逆浸透膜カートリッジ
４ａ 逆浸透膜
５ 容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）
６ ブースタポンプ（ＢＰ）
７ 制御装置
７−１ ＤW−Ｔ機能部
７−２ ΔＰ−Ｑ1機能部
７−３ π−ＣM機能部
７−４ Ｑ−Ｈ機能部
８ 電動モータ
９ 供給ライン
１０ 高圧ライン
１１ 高圧室
１２ 希薄水側
１３ 濃縮海水ライン
１４ 排水ライン
１５ 供給海水バイパスライン
１６ 電動モータ
１７ 濃縮水バイパスライン
１９ 圧力センサ
２０ ポンプ吐出流量算出部
２１ 希薄水流量設定部
２２−１ ＢＰ回転数選定部
２２−２ バルブ開度選定部
２２−３ バルブ開度選定部
２２−４ ＨＰ回転数選定部
２３ 記憶部
２４ ドライバ
２６，２７ 圧力センサ
２８ バックアップ用高圧ポンプ（ＢＨＰ）
２９ 電動モータ（ＢＨＰ用）
３０ 容積形のピストンポンプ
３１ 制御切替弁
３２ 切替弁
３３，３４ エネルギー回収チャンバー
３３ａ，３４ａピストン
４０〜４２ 導電率計
４３ 温度センサ
Ｃ0 海水溶質（塩分）濃度
Ｃ1 希薄水の溶質（塩分）濃度
Ｃ2 濃縮海水の溶質（塩分）濃度
ＣM 海水溶質（塩分）濃度
Ｐ0 吐出圧力（供給海水圧力）
Ｐ1 逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）圧力
Ｐ2 逆浸透膜カートリッジ４の濃縮海水側圧力
ＰM 逆浸透膜カートリッジ４の供給側圧力
Ｑ0 供給海水流量（ポンプ吐出流量），合成吐出流量
Ｑ1 希薄水流量（脱塩水流量）
Ｑ2 濃縮海水流量
Ｑ1MAX 最大の希薄水流量
Ｃ0-1 高圧ライン１０の溶質（塩分）濃度
Ｃ0-2 供給海水バイパスライン１５の溶質（塩分）濃度
Ｐ0-1 高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力
Ｐ0-2 ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力
Ｑ0-1 高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量
Ｑ0-2 ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量
Ｔ 海水温度
Ｖ１〜Ｖ５ バルブ（流量制御弁）
【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、逆浸透膜カートリッジと、前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、前記高圧ポンプで加圧された高圧原水を前記逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置において、
前記エネルギー回収手段として前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水を導入し、前記供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を用い、
前記容積形エネルギー回収装置で加圧された原水を前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させるバイパス管と、
前記バイパス配管の途中に設けられ該バイパス配管中を流れる原水を加圧するブースタポンプと、
前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御する原水流量制御手段と、
当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段が検出した各部の不具合に応じて対応する不具合対応制御手段を設けたことを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜分離装置において、
前記原水流量制御手段は、高圧ポンプ及び／又はブースタポンプの回転数を制御して前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項３】
請求項１に記載の膜分離装置において、
前記高圧ライン、前記バイパスライン、前記逆浸透膜カートリッジから吐出された濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に導く濃縮ライン、該容積形エネルギー回収装置から濃縮水を排水する排水ライン、前記濃縮ラインから前記容積形エネルギー回収装置をバイパスして濃縮水を排水する濃縮水バイパスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、
前記原水流量制御手段は、前記流量制御弁の少なくとも一つを制御して前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の膜分離装置において、
前記希薄水の濃度を検出する第１の濃度センサ、前記バイパス管を流れる濃縮水の濃度を検出する第２のセンサ、前記供給原水の濃度を検出する第３の濃度センサ、及び前記原水の温度を検出するセンサを設け、
前記状態検出手段が前記各センサの出力から前記容積形エネルギー回収装置の故障及び／又は前記逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜劣化を検出する機能を備えていることを特徴とする膜分離装置。
【請求項５】
請求項４に記載の膜分離装置において、
前記逆浸透膜カートリッジより前記容積形エネルギー回収装置に導入される濃縮水を該容積形エネルギー回収装置をバイパスして排水する濃縮水バイパスラインと、該濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁と、を設け、
前記状態検出手段が前記容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、前記不具合対応制御手段は前記濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁を開いて前記濃縮水を排水することを特徴とする膜分離装置。
【請求項６】
請求項５に記載の膜分離装置において、
前記状態検出手段が前記容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、前記不具合対応制御手段は前記ブースタポンプを停止して、前記高圧ポンプのみの運転で前記逆浸透膜カートリッジに原水を供給することを特徴とする膜分離装置。
【請求項７】
請求項５に記載の膜分離装置において、
前記高圧ポンプをバックアップするためのバックアップポンプを設け、
前記状態検出手段が前記容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、前記不具合対応制御手段は前記ブースタポンプを停止して、前記バックアップポンプを運転し、前記高圧ポンプと前記バックアップポンプの運転で前記逆浸透膜カートリッジに原水を供給することを特徴とする膜分離装置。
【請求項８】
供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、前記高圧ポンプで加圧された高圧原水を前記逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置の運転管理方法において、
前記エネルギー回収手段として容積形エネルギー回収装置を用いると共に、ブースタポンプを設け、
前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に導入し、前記供給される原水の一部を加圧し、該加圧した原水を前記ブースタポンプで加圧し、該加圧した原水を前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジを接続する接続管を流れる高圧原水に合流させると共に、前記逆浸透膜カートリッジに供給する原水流量を制御し、
前記当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段で監視し、該状態検出手段が各部の不具合を検出したら不具合対応制御手段でその不具合に応じて各部を制御することを特徴とする膜分離装置の運転管理方法。
【請求項１】
供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、前記高圧ポンプで加圧された高圧原水を前記逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置において、
前記エネルギー回収手段として前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水を導入し、前記供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を用い、
前記容積形エネルギー回収装置で加圧された原水を前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させるバイパス管と、
前記バイパス配管の途中に設けられ該バイパス配管中を流れる原水を加圧するブースタポンプと、
前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御する原水流量制御手段と、
当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段と、
前記状態検出手段が検出した各部の不具合に応じて対応する不具合対応制御手段を設けたことを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜分離装置において、
前記原水流量制御手段は、高圧ポンプ及び／又はブースタポンプの回転数を制御して前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項３】
請求項１に記載の膜分離装置において、
前記高圧ライン、前記バイパスライン、前記逆浸透膜カートリッジから吐出された濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に導く濃縮ライン、該容積形エネルギー回収装置から濃縮水を排水する排水ライン、前記濃縮ラインから前記容積形エネルギー回収装置をバイパスして濃縮水を排水する濃縮水バイパスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、
前記原水流量制御手段は、前記流量制御弁の少なくとも一つを制御して前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の膜分離装置において、
前記希薄水の濃度を検出する第１の濃度センサ、前記バイパス管を流れる濃縮水の濃度を検出する第２のセンサ、前記供給原水の濃度を検出する第３の濃度センサ、及び前記原水の温度を検出するセンサを設け、
前記状態検出手段が前記各センサの出力から前記容積形エネルギー回収装置の故障及び／又は前記逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜劣化を検出する機能を備えていることを特徴とする膜分離装置。
【請求項５】
請求項４に記載の膜分離装置において、
前記逆浸透膜カートリッジより前記容積形エネルギー回収装置に導入される濃縮水を該容積形エネルギー回収装置をバイパスして排水する濃縮水バイパスラインと、該濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁と、を設け、
前記状態検出手段が前記容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、前記不具合対応制御手段は前記濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁を開いて前記濃縮水を排水することを特徴とする膜分離装置。
【請求項６】
請求項５に記載の膜分離装置において、
前記状態検出手段が前記容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、前記不具合対応制御手段は前記ブースタポンプを停止して、前記高圧ポンプのみの運転で前記逆浸透膜カートリッジに原水を供給することを特徴とする膜分離装置。
【請求項７】
請求項５に記載の膜分離装置において、
前記高圧ポンプをバックアップするためのバックアップポンプを設け、
前記状態検出手段が前記容積形エネルギー回収装置の故障を検出した場合、前記不具合対応制御手段は前記ブースタポンプを停止して、前記バックアップポンプを運転し、前記高圧ポンプと前記バックアップポンプの運転で前記逆浸透膜カートリッジに原水を供給することを特徴とする膜分離装置。
【請求項８】
供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、前記高圧ポンプで加圧された高圧原水を前記逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置の運転管理方法において、
前記エネルギー回収手段として容積形エネルギー回収装置を用いると共に、ブースタポンプを設け、
前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に導入し、前記供給される原水の一部を加圧し、該加圧した原水を前記ブースタポンプで加圧し、該加圧した原水を前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジを接続する接続管を流れる高圧原水に合流させると共に、前記逆浸透膜カートリッジに供給する原水流量を制御し、
前記当該膜分離装置の各部の状態を検出する状態検出手段で監視し、該状態検出手段が各部の不具合を検出したら不具合対応制御手段でその不具合に応じて各部を制御することを特徴とする膜分離装置の運転管理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１０−８９０３６（Ｐ２０１０−８９０３６Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６３２１６（Ｐ２００８−２６３２１６）
【出願日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
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