成果報告書詳細
管理番号20140000000589
タイトル平成25年度成果報告書 最先端PG(Mega-ton Water System) 100万m3/日規模大型プラント構成最適化 最適運転制御システム
公開日2015/3/5
報告書年度2013 - 2013
委託先名株式会社日立製作所
プロジェクト番号P09025
部署名環境部
和文要約本事業の目的は、大型海水淡水化設備運転時の課題である運転コストの低減を情報解析と先端シミュレーション技術を基盤とする監視制御システムで実現することである。そのために運転コストへ影響が大きい高圧ポンプの動力費の低減に主眼を置いた研究を遂行した。本事業では、とくに「水温が及ぼす影響」に着目して検討を進めた。供給する海水の水温が高いとRO膜の透水性能が向上し、同じ圧力であればより多くの淡水を得ることができる。まず、基本データを収集するために小型海水淡水化実験設備を設計および製作し、基本データを収集した。これと並行し、高圧ポンプの動力を計算するための動力モデルと阻止率モデルを構築した。これらのモデル式を統合し、適正な運転点を算出できるシステムを構築した。試算の結果、水温が高いほど、動力原単位(淡水1 m3を造水するために必要な動力費)は低下し、淡水に残留する溶質の濃度は高い結果を得た。しかし、水温が35℃まで上昇しても淡水中のホウ素濃度はWHOの飲料水水質ガイドラインの値を下回ることが分かった。さらに、加温して水温を高くするための蒸気購入費と高圧ポンプで消費される動力費の和が最小となる適正値が存在することが、試算の結果明らかになった。50\/ton以下で蒸気を購入できる場合には動力費と蒸気購入費の和を30%以上低減できる見込みである。以上のシステムの機能を拡張し、海水水質や電力量料金単価など時間変化する外乱の影響をできるだけ有利に活用できるような計算アルゴリズムも開発した。ここでは、海水淡水化設備の後段の淡水タンクのバッファ機能を最大限に活用することを試みた。また、日立で独自開発したバイオファウリングモデルを上述の適正運転点算出システムに組み込んで試算した結果、バイオファウリングが多いほど、造水量の適正化で得られる高圧ポンプ動力費低減効果は小さくなり、透過水中の塩濃度は増大する結果が得られた。また、水温が高いほど造水量適正化の効果は大きい結果を得た。上述の各種計算で用いたモデルの精度に関し、沖縄県北谷浄水場の実証設備で加温実験を実施して評価した。その結果、透過流量および透過水の塩濃度に関する計算値と実験値との最大偏差は2.4%と小さく、モデルの妥当性を確認できた。さらに、実際の海水水質の24時間の変化データをシンガポールで取得した。水温の日間変動は最大で約3℃あり、当初の予想以上に変動が大きいことが分かった。
以上のように、水温など海水水質の変化に電力量料金単価の変化も考慮し、さらに淡水タンクの容量やバイオファウリングも含めた計算を本事業にて開発した技術で実施することにより、高圧ポンプの動力費を低減する運転が実現できると考えられた。
英文要約 The objective of this project is to reduce operational cost for a large scale seawater desalination plant using RO membrane by a plant control system based on advanced simulation technology. To reduce the operational cost, it is effective to reduce power consumption of high pressure pump which covers the largest part in the power consumption of SWRO(Sea Water Reverse Osmosis). In this project, 'effect by feed water temperature' was focused on. If the temperature of the feed water increases, the power consumption of the high-pressure pump decreases. First, to obtain basic operational data, lab-scale experimental apparatus were fabricated and experiments were conducted. In order to evaluate the power consumption and power cost of the high pressure pump, model equations were assembled. Model equations were also assembled by which the salt rejection rate of the RO membrane can be calculated. By assembling these equations, a software was developed by which an optimum operational condition can be calculated. From the results of test calculations, it was found that the unit cost of the fresh water can be reduced by increasing the feed water temperature. The salt concentration in the freshwater was found to be high when the feed water temperature is high. However, the calculated boron concentration in the freshwater was less than the number shown in the guidelines for drinking water quality (WHO). It was also found that there is an optimum condition where the sum of the steam cost to heat the feed water and power cost for the high pressure pump becomes least. An optimum production scheduling software has also been developed to make use of the fluctuations such as water qualities of the seawater and unit price of electricity. In this calculation, the buffer facility of the permeate tank was tried to use at the maximum. Furthermore, a bio-fouling model, developed by Hitachi, was also added to the software. Trial calculation showed that the more the bio-fouling accumulates, the less the reduction effect of the high-pressure pump by the optimization of the production schedule. The accuracy of the model used in the system shown above was evaluated by the experiment conducted at the verification plant in Chatan. These deviations between the measurement and the calculation were thought to be rather small(<2.4%). Therefore the calculated results by the system above will not make any large differences from the actual phenomenon. Daily fluctuation data of the seawater qualities was obtained at Singapore, where large scale desalination plant is now in operation. The measured seawater temperature was fluctuated from 28.4 to 31.7 degrees Celsius in 24hours, the deviation of which was larger than initially expected.
As a result, optimum operation can be possible with the system shown above considering the fluctuations of seawater qualities(including water temperature)and the time of use tariff, buffer function of the permeate tank, and the influence of bio-fouling.
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