特許 6056147 海水供給装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6056147

(24)【登録日】2016年12月16日

(45)【発行日】2017年1月11日

(54)【発明の名称】海水供給装置

(51)【国際特許分類】

   B63B 35/44 20060101AFI20161226BHJP

   G21D 1/00 20060101ALI20161226BHJP

   F28C 3/06 20060101ALI20161226BHJP

【ＦＩ】

   B63B35/44 N

   G21D1/00 R

   F28C3/06

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-17109(P2012-17109)

(22)【出願日】2012年1月30日

(65)【公開番号】特開2013-154781(P2013-154781A)

(43)【公開日】2013年8月15日

【審査請求日】2015年1月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000211307

【氏名又は名称】中国電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(72)【発明者】

【氏名】一瀬 泰啓

【審査官】 中村 泰二郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５６−０８８９９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１５３１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０５６８７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６３Ｂ ３５／４４

Ｇ２１Ｄ １／００

Ｆ２８Ｃ ３／０６

Ｆ０４Ｆ １／１８

Ｈ０１Ｍ ８／０６

Ｅ０２Ｆ ３／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

海水を汲み上げて、冷却水として発電設備の復水器を含む設備に供給する海水供給装置であって、
前記発電設備の復水器を含む設備の近傍から海水中に延びて設けられている第１の汲み上げ管および第２の汲み上げ管と、
前記第１の汲み上げ管内に設けられ、電気分解で水素の泡を発生する陰極と、
前記第２の汲み上げ管内に設けられ、電気分解で塩素の泡を発生する陽極と、
前記第１の汲み上げ管および前記第２の汲み上げ管の外側に設けられ、電気分解のための電源を前記陽極と前記陰極とに供給する本体と、
前記第１の汲み上げ管内の陰極から発生する水素の泡の上昇で汲み上げられた海水を貯留し、この海水から水素の泡を分離する第１のタンクと、
前記第２の汲み上げ管内の陽極から発生する塩素の泡の上昇で汲み上げられた海水を貯留し、この海水から塩素の泡を分離する第２のタンクと、
前記第１のタンク内の海水と前記第２のタンク内の海水を前記発電設備の復水器を含む設備に供給する供給手段と、
を備え、
前記第１の汲み上げ管は、海水の水深部で前記陰極により発生させた、高圧常温の水素の泡を上昇させ、この水素の泡が常圧低温の状態に変化することで、冷却しながら海水を汲み上げ、
前記第２の汲み上げ管は、海水の水深部で前記陽極により発生させた、高圧常温の塩素の泡を上昇させ、この塩素の泡が常圧低温の状態に変化することで、冷却しながら海水を汲み上げる、
ことを特徴とする海水供給装置。

【請求項2】

前記第１のタンク内の水素を酸素と結合させることで発電し、発電した電力を、電源線を介して前記本体に供給する発電手段を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の海水供給装置。

【請求項3】

前記発電手段は、前記第１のタンク内の水素に酸素を結合させて生成した水を前記発電設備の復水器を含む設備に供給する、
ことを特徴とする請求項２に記載の海水供給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、海水中から汲み上げ管により海水を汲み上げてタンクに貯留させることで、海水を冷却水として設備に供給する海水供給装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、火力・原子力などの発電設備の冷却装置としては、海水面（汲み上げ管の上流部水面、以下、取水面と称す。）下に設置したポンプ（冷却水ポンプ）の圧力と、冷却配管（汲み上げ管）内のサイフォン効果とにより、海水を汲み上げ、所定の高さに設置された復水器や補機などの設備内に循環させて冷却する海水供給装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【0003】

このような従来の海水供給装置について、図４を参照して説明する。図４は、従来の海水供給装置の構造を示す構成図であり、（ａ）はサイフォン式の配管構造を、（ｂ）はサイフォン式の設備位置をアップした構造を、各々示している。この従来の海水供給装置は、サイフォン効果を活用した海水供給装置である。このサイフォン効果を活用するためには、図４（ａ）に示すように、取水面から設備（復水器や補機など）までの設置高さが制限されており、取水面から一定高さ（１０ｍ：汲み上げ管などの損失水頭）以下に設置する必要がある。すなわち、復水器や補機などの設備は、取水面から１０ｍ以上の高さではサイフォンリミットが切れて滑らかな送水ができなくなる不具合があった。

【0004】

特に、この度の２０１１年３月１１日に発生した東日本大震災の津波による原子力発電所設備被害（発電機、冷却水ポンプが海水に浸かることによる安全機能停止）の防止対策として、復水器や補機等の設備を津波の影響を受けない安全な高さに持ち上げることは最も重要な課題となっている。

【0005】

そこで、従来の海水供給装置（例えば、特許文献１）では、ポンプだけのリフト力により数ｍ持ち上げ（汲み上げ）、あとはサイフォン効果で循環させることで、設備の設置位置を一定の高さまでアップさせていた。この場合、図４（ｂ）に示すように、設備の設置位置アップに伴って、冷却配管（汲み上げ管）の海への放水側もアップするため、このアップした放水側に、一端水槽（タンク）を配置して海水を受けることで、サイフォン効果（１０ｍ以下の損失水頭）が得られるようにしていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第２８８３９３８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の海水供給装置では、図４（ｂ）のように設備の設置位置をアップさせた場合、図４（ａ）のような通常高さ（１０ｍ以下）のサイフォン式装置に比べると、新たに水槽の増加（追加）や、この水槽から海へ放水する配管ロスの増加、および取水ポンプのリフト力増加（エネルギーロス増加）などの、様々なロスが大幅に増加してしまうという不具合があった。

【0008】

そこでこの発明は、大幅なエネルギーロスの低減や、冷却水温の低下および取水量の低下を図ることにより効率的なアップリフトを可能とし、冷却水アップリフトにおける省エネルギー化が実現可能な海水供給装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、海水を汲み上げて、冷却水として発電設備の復水器を含む設備に供給する海水供給装置であって、前記発電設備の復水器を含む設備の近傍から海水中に延びて設けられている第１の汲み上げ管および第２の汲み上げ管と、前記第１の汲み上げ管内に設けられ、電気分解で水素の泡を発生する陰極と、前記第２の汲み上げ管内に設けられ、電気分解で塩素の泡を発生する陽極と、前記第１の汲み上げ管および前記第２の汲み上げ管の外側に設けられ、電気分解のための電源を前記陽極と前記陰極とに供給する本体と、前記第１の汲み上げ管内の陰極から発生する水素の泡の上昇で汲み上げられた海水を貯留し、この海水から水素の泡を分離する第１のタンクと、前記第２の汲み上げ管内の陽極から発生する塩素の泡の上昇で汲み上げられた海水を貯留し、この海水から塩素の泡を分離する第２のタンクと、前記第１のタンク内の海水と前記第２のタンク内の海水を前記発電設備の復水器を含む設備に供給する供給手段と、を備え、前記第１の汲み上げ管は、海水の水深部で前記陰極により発生させた、高圧常温の水素の泡を上昇させ、この水素の泡が常圧低温の状態に変化することで、冷却しながら海水を汲み上げ、前記第２の汲み上げ管は、海水の水深部で前記陽極により発生させた、高圧常温の塩素の泡を上昇させ、この塩素の泡が常圧低温の状態に変化することで、冷却しながら海水を汲み上げる、ことを特徴とするものである。

【0010】

この発明によれば、海水中で水素と塩素の泡を発生させ、発生した泡と海水とを汲み上げ管を介して海上に汲み上げ、この汲み上げた泡と海水とをタンクに貯留し、タンク内の海水が冷却水として設備に供給される。

【0011】

請求項２の発明は、請求項１に記載の海水供給装置において、前記第１のタンク内の水素を酸素と結合させることで発電し、発電した電力を、電源線を介して前記本体に供給する発電手段を備える、ことを特徴とする。

【0012】

この発明によれば、発電手段が、当該水素を酸素と結合させて発電し、この発電による電力によって泡発生手段の電気分解を行えるようにする。

【0013】

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の海水供給装置において、前記発電手段は、前記第１のタンク内の水素に酸素を結合させて生成した水を前記発電設備の復水器を含む設備に供給する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

請求項１に記載の発明によれば、陰極に発生した水素の泡とともに海水を冷却しながら汲み上げ、陽極に発生した塩素の泡とともに海水を冷却しながら汲み上げることで、泡の浮力によって海水が浮上されるため、海水を泡とともに効率的に汲み上げることができる。しかも、海水中の高圧状態で泡が発生されるため、泡の浮力および海水の浮上力が高まり、より効率的に海水を汲み上げることが可能となる。この結果、復水器や補機等の設備が高い位置に設置されていても、エネルギーや配管のロスを低減でき、冷却水アップリフトにおける大幅な省エネルギー化を実現することが可能となる。さらに、泡が上昇に伴って膨張することで海水を冷却する効果（気体膨張冷却効果）が発揮されるため、海水の冷却水としての効果が高くなり、設備の冷却に要する海水量を低減することが可能となり、この結果、冷却水の循環に必要なエネルギーをより低減することが可能となる。また、海水中で泡を発生させるだけであるため、構成が簡易で、費用を低減することができる。さらに、請求項１の発明によれば、第１の汲み上げ管および第２の汲み上げ管で汲み上げた冷却水が放射性物質等により汚染された水であっても、処分の対象としか扱われなかった放射性物質による汚染水を冷却水として使用することができる。

【0019】

請求項２に記載の発明によれば、タンク内の水素を酸素と結合させて発電し、この電力によって電気分解を行うため、冷却水アップリフトにおけるシステム全体（装置全体）のエネルギー効率を高めることが可能になる。

【0020】

請求項３に記載の発明によれば、冷却水を電気分解させて発生した水素により発電し、この発電において水素を酸素と結合させて水を生成するため、冷却水が汚染された水であっても、電気分解と結合とにより汚染物質を含まない純水として生成できる。この結果、発電の過程で純水を生成させて汚染された水を減量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】この発明の実施の形態に係る海水供給装置の概略構造を示す構成図である。

【図2】図１の泡発生手段と発電手段との動作状態を示す図である。

【図3】図１の汲み上げ管内を上昇する気体が膨張し冷却水の温度を低下させる状況を示す図である。

【図4】従来の海水供給装置の構造を示す構成図であり、（ａ）はサイフォン式の配管構造を、（ｂ）はサイフォン式の設備位置をアップさせた構造を、各々示している。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

【0025】

図１は、この発明の実施の形態に係る海水供給装置の概略構造を示す構成図である。この海水供給装置１は、図１に示すように、火力・原子力などの発電設備における復水器や補機などの設備１０に、海水Ａを汲み上げて冷却水として循環させる装置であって、主として、泡発生手段２０、汲み上げ管３０、タンク４０、供給手段５０、発電手段６０、とにより構成されている。

【0026】

泡発生手段２０は、海水Ａ中に設けられて泡Ｂを発生させる装置であって、海中の水深部に配設され、海水Ａ中に電源線２を介して電源を供給して駆動させる本体２１と、この本体２１に各々接続されて電圧を加える陽極２２ｂおよび陰極２２ａと、を備えている。

【0027】

すなわち、陽極２２ｂおよび陰極２２ａにより海水Ａ中に電圧を加えると、それぞれの電極から気体が発生されて電流が流れる。この陰極（−極）２２ａから発生する気体は水素（Ｈ_２）であり、陽極（＋極）２２ｂから発生する気体は塩素（Ｃｌ_２）である。このように電気分解によって発生する水素と塩素との気体が、図１に示した泡Ｂとして海水Ａ中に含有される。この塩素と水素とは同じ体積で各々発生するが、塩素は水にとけやすいので、水素よりも集まる量が少ない。

【0028】

このように泡発生手段２０は、海底と発電所敷地とをつなぐ配管の中に泡Ｂを含有させてエアーバブルアップリフト効果により、海水Ａを海面よりも高い位置に送液させるものである。そして、泡Ｂを発生させる場合、前述した電気分解により水素（Ｈ_２）と塩素（Ｃｌ_２）との気体を発生させて泡Ｂを発生させている。

【0029】

すなわち、電気分解であるため、例えば、水深の深い海底へ空気を圧縮して圧送するエアーバブルアップリフト工法とは異なり、空気圧縮に必要なエネルギーを全く不要としている。特に、この泡発生手段２０は、深い海底における高圧状態で気体（泡Ｂ）を発生させるため、後述する泡Ｂの上昇で減圧される気体膨脹冷却効果により、汲み上げられる冷却水（海水）の温度を同時に低下させることを目的としている。

【0030】

汲み上げ管３０は、設備１０の近傍から海水Ａ中に延びて配設され、海水Ａ中で泡発生手段２０のエアーバブルアップリフト効果により、海上に海水を汲み上げるために海水Ａ中に長く延びて配置されている。この際、汲み上げ管３０は、水素（Ｈ_２）側の陰極２２ａに配設される水素汲み上げ管３１と、塩素（Ｃｌ_２）側の陽極２２ｂに配設される塩素汲み上げ管３２と、を備えている。この汲み上げ管３０は、エアーバブルアップリフト効果が得られるように長さと配管直径とを調整し、例えば、海水に泡を３％含有させることで、管内の水位が３ｍ上昇させるなどの汲み上げを可能にしている。

【0031】

水素汲み上げ管３１は、海水Ａを汲み上げる終端を設備１０に接続して供給せず、一端、タンク４０に貯留させて、水素と分離させて海水Ａのみを冷却水として設備１０に送水させている。一方、塩素汲み上げ管３２は、前述した塩素が水素よりも集まる量が少ないため、海水Ａを汲み上げる海水量も少なくなる。しかし、塩素汲み上げ管３２も、図示されていないが、水素汲み上げ管３１と並行してタンクに接続させ、塩素と分離させて海水Ａのみを設備１０に送水させることも可能である。

【0032】

タンク４０では、汲み上げ管３０で汲み上げられた泡Ｂ（水素）と海水Ａとを貯留して、この泡Ｂと分離させた海水Ａを、図１に示した配管５１とポンプ５２とを備えた供給手段５０により送水して設備１０に供給している。

【0033】

また、タンク４０内で分離させた水素と塩素とは、タンク４０内から抽出（回収）して他の工程などに送って再利用される。この際、本実施の形態では、タンク４０で抽出された水素をさらに用いて、装置自体に帰還させて再利用している。具体的に、タンク４０で抽出された水素は、図１に示した配管４１を介して発電手段６０に供給されている。

【0034】

発電手段６０は、タンク４０内からの水素（Ｈ_２）に酸素（Ｏ_２）を結合（混合）させて発電する燃料電池の構造を備えている。そして、この発電手段６０で発電させた電力は、前述した泡発生手段２０に電源線２を介して供給されて使用される。ここで、発電手段６０で発電させた電力は、泡発生手段２０を駆動させる電力の約５０％程度である。したがって、残り５０％の電力は、図示されていない外部電源から、電源線２を介して発電手段６０での電力とともに、泡発生手段２０に供給されている。

【0035】

次に、このような構成の海水供給装置を用いた海水供給方法について、図１から３を参照して詳細に説明する。図２は、図１の泡発生手段２０と発電手段６０との動作状態を示す図である。また、図３は、図１の汲み上げ管３０内の動作を示す図である。この海水供給装置を用いた海水供給方法は、まず、図１に示した泡発生手段２０を駆動させ、海水Ａ中の陽極２２ｂおよび陰極２２ａに電圧を加える。この際、発電手段６０は、タンク４０から水素の供給がないため、駆動していない。したがって、駆動直後の泡発生手段２０は、電源線２を介して、図示されていない外部電源から電源が供給されて駆動される。

【0036】

そして、泡発生手段２０が駆動されると、陰極２２ｂと陽極２２ａとの電極に電圧が加えられ、それぞれの電極から水素と塩素との気体が発生される。この気体が泡Ｂとなって、水素汲み上げ管３１と塩素汲み上げ管３２との各管内から海水Ａを上昇させるようになっている。

【0037】

この際、海水Ａの電気分解による気泡発生（電気分解式エアーバブルアップリフト）は、図２に示すように、周囲から圧力Ｐが加わり、高圧状態（深い水域）で海水を電気分解させるが、この場合、大気圧状態と同じエネルギーで同量の気体を発生させることが可能である。すなわち、前述したエアーバブルアップリフト工法のように、深い水域に気体を圧縮させて圧送するため必要とされるエネルギーなどが全く不要である。しかも、高圧状態（深い水域）では、深ければ深いほど海面上昇力が大きくなる（例えば、１００ｍの深さで約３％軽くなる）ため、海水のアップリフト力が増加される。

【0038】

また、前述したエアーバブルアップリフト工法では、圧縮して吹き込まれる空気の圧力を高める必要があるため、その過程で気体圧縮熱が発生し、そのための冷却エネルギーが必要となり、全体のエネルギー効率を低下させる。これに対して、電気分解式エアーバブルアップリフトでは、発生させる泡（水素・塩素の泡）が、高圧・常温気体であるため、汲み上げ管３０内の冷却水（海水Ａ）の温度を低下させながら汲み上げることができる。すなわち、この方法で汲み上げた海水Ａは、冷却に最も適した冷却水として設備１０に供給されて、設備１０を冷却するために必要な水量を低減し、冷却水の循環に必要なエネルギーをより低減することができる。

【0039】

具体的に、汲み上げ管３０（水素汲み上げ管３１、塩素汲み上げ管３２）内を上昇する泡Ｂ（水素・塩素の泡）は、高圧状態（深い水域）から脱するように浮上し、常温からさらに冷却される。すなわち、上昇する泡Ｂは、図３に示すように、高圧・常温の状態から浮上することで、常圧・低温に冷却される。これは高圧状態で発生された泡Ｂ（気体）が、海面への上昇により減圧・膨張され、気体膨張冷却により気泡（気体）の温度が低下するためである。

【0040】

このように汲み上げ管３０で気体膨張冷却されて汲み上げられた冷却水（海水Ａ）は、図１に示したタンク４０内で一端貯留され、気体である泡Ｂ（水素・塩素）を分離させた後、設備１０に供給される。そして、冷却水から泡Ｂが分離された後、供給手段５０のポンプ５２を駆動させて配管５１を介して設備１０に冷却水が供給される。

【0041】

これにより冷却水を復水器や補機などの設備１０内に循環させることで、設備１０が冷やされて冷却作業が完了される。ここで、本実施の形態は、電気分解式であってサイフォン式でないため、図４（ｂ）に示した水槽（タンク）を介さずに、前述した冷却作業を終えた冷却水を、そのまま海に放水することができる。

【0042】

ところで、図１に示したタンク４０内で分離された水素は、配管４１を介して発電手段６０に送られて再利用される。この際、発電手段６０は、従来周知の燃料電池であって、この燃料電池の発電の仕組みは泡発生手段２０の電気分解と逆の反応である。すなわち、発電手段６０は、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）とを反応させて電気をつくり出すようになっている。

【0043】

ただし、水素と酸素をそのまま反応させると燃焼してしまうため、図２に示した電極６１ａ、６１ｂを介し発電される。水素は陰極の電極６１ｂで電子とイオンとに分けられ、水素の分解で発生された電子が流れて発電される。残った水素イオンは、イオン透過膜６２を通じて陽極の電極６１ｂで酸素および電子と結びつき、水に変わる。この水は、純水であるため、各種発電設備に再利用される。

【0044】

この水は、例えば、汲み上げ管３０で汲み上げた冷却水（海水Ａ）が放射性物質等により汚染された水であっても、この水を電気分解させて発生した水素を発電時に酸素と結合させるため、汚染物質を含まない純水として生成できる。また、汚染水は、汲み上げ管３０で気体膨脹冷却効果によって冷却されるため、この汚染水を冷却水として使用できる。すなわち、処分の対象としか扱われなかった放射性物質による汚染水を冷却水として使用することができ、かつ汚染物質を含まない純水に生成できるため、冷却および発電の過程で汚染された水を減量化することができる。

【0045】

このようにタンク４０の冷却水から回収された水素は、発電手段６０に供給されて発電に用いられ、この発電された電力として電源線２を介して泡発生手段２０に供給される。以上で、図１に示した設備１０に冷却水である海水が循環され、設備１０全体が良好に冷やされて発電設備を安全に運転させることが可能になる。

【0046】

以上のように、この海水供給装置１および方法によれば、海水Ａを泡Ｂとともに汲み上げることで、泡Ｂの浮力によって海水Ａが浮上されるため、海水Ａを泡Ｂとともに効率的に汲み上げることができる。しかも、海中の高圧状態で泡Ｂが発生されるため、泡Ｂの浮力および海水Ａの浮上力が高まり、より効率的に海水Ａを汲み上げることが可能となる。この結果、設備１０が高い位置に設置されていても、エネルギーや配管のロスを低減でき、冷却水アップリフトにおける大幅な省エネルギー化を実現することが可能となる。さらに、泡Ｂが上昇に伴って膨張することで海水Ａを冷却する効果が発揮されるため、海水Ａの冷却水としての効果が高くなり、設備１０の冷却に要する海水量を低減することが可能となり、この結果、冷却水の循環に必要なエネルギーをより低減することが可能となる。また、海水中で泡Ｂを発生させるだけであるため、構成が簡易で、費用を低減することができる。

【0047】

また、タンク４０内の水素を酸素と結合させて発電し、この電力によって電気分解を行うため、冷却水アップリフトにおけるシステム全体（装置全体）のエネルギー効率を高めることが可能になる。

【0048】

また、電気分解によって泡Ｂ（気体）を発生させるため、気体を送気するための圧縮エネルギーを費やすことなく、泡Ｂを発生させることができる。

【0049】

また、高水圧である水深部で電気分解によって高圧の泡Ｂ（気体）を発生させるため、泡Ｂの上昇に伴う気体膨脹冷却効果が大きく、冷却のためのエネルギーを費やすことなく、海水Ａをより低温まで冷却することができる。この結果、設備１０を冷却するために必要な海水（冷却水）量をより低減し、海水Ａを汲み上げる（循環させる）のに要するエネルギーをより低減することができる。

【0050】

さらに、冷却水を電気分解させて発生した水素により発電し、この発電において水素を酸素と結合させて水を生成するため、冷却水が汚染された水であっても、電気分解と結合とにより汚染物質を含まない純水として生成できる。この結果、発電の過程で純水を生成して汚染された水を減量化することができる。

【0051】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、復水器や補機などの発電施設における冷却水の汲み上げについて説明したが、これに限定されるものではなく、海水Ａにより冷却する装置であれば採用することが可能である。

【符号の説明】

【0052】

１ 海水供給装置
２ 電源線
１０ 設備
２０ 泡発生手段
２１ 本体
２２ａ 陰極
２２ｂ 陽極
３０ 汲み上げ管
３１ 水素汲み上げ管（第１の汲み上げ管）
３２ 塩素汲み上げ管（第２の汲み上げ管）
４０ タンク（第１のタンク）
４１ 配管
５０ 供給手段
５１ 配管
５２ ポンプ
６０ 発電手段
６１ａ、６１ｂ 電極
６２ イオン透過膜
Ａ 海水
Ｂ 泡

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】