深層取水口の海底よりの高さとヒサシの効果

抄録

原子力発電所や火力発電所における復水器冷却水に海水を用いることはわが国では一般的であり, その取水口の設計には深層取水の考えを導入することが経済的であることが多い。筆者は, 本論において, 深層取水口設計に関係する二つの問題をとり上げて理論的な面から検討を行なった。とり扱った問題の一つは深層取水が可能となる取水開口部の限界位置についてであり, 他の一つは取水構造物の寸法の減少を計るため開口部天端に水平ヒサシをとりつけるアイディアの提示である。
(1) 深層取水が可能な取水口の限界位置について取水開口部が海底にある場合の深層取水に関する設計条件については, 従来多くの調査研究がなされてきているが, 海底付近の浮遊砂や腐食土, 腐食水等の有害物が冷却水の内に混入するのを防止するため, 開口部を海底より上方におく必要が生じることがある。水の密度勾配が次式であらわれる直線分布をなし,
ρ=ρ₀ (1-βy), β=ρ₀-ρ₁/ρ₀d…… (i)
(ここにρ₀, ρ₁は水域底部および水表面の水の密度, yは底部よりの高さ)
line sinkを水平な水域底部においた場合, 水の粘性を無視すると, F<1/πの条件下においてのみ深層取水が可能なことはYihにより示されている。
ここに, F= (U'd) /d²√1/gβ
であり, U'はsinkから十分上流における流速をσとした場合√ρ/ρ₀Uであらわされる一種のmodifiedvelocityでありdは全水深, gは重力の加速度である。しかし, 水域底の形状を水平としないで, line sinkの直上流の底を,
η=2/π∞Σ1 (n-1n) ・sinnπη/exp (n²π2-1/F²) |ξ|…… (ii)
(ここにη=y/d, ξ=x/dでy, xはsinkの位置を原点にとり, 上向きにy軸, 流れの方向に向ってx軸をとる)
に合せてかさ上げすると, 1/2π<F<1/πのf範囲でも全水域からの取水が可能となる。福井県浦底湾内において観測した海水温分布と敦賀原子力発電所の取水口設計条件を用いてFの値を検討した結果, 同地点ではその値は1/πと1/2πの間に入ることが判明した。したがって, この海水域で取水開口部を海底より上方におくことを考える場合, 深層取水を行うためには, 取水口周辺のせき上げ形状を, 式 (ii) であたえられる曲線以下になるように作ること, あるいは取水開口部位置の海底よりの高さを, 式 (ii) より計算されるηの最大値η_maxに相当する高さ以下におく必要がある。本論において, 筆者はη_maxとFの関係をあたえた。
(2) 取水開口部天端の水平ヒサシの効果
取水開口部の寸法は水理的条件からきまってくるが, いわゆるskimmer wall式取水口ではカーテンウォールの構造上, 取水口に向う流れを横切って一定間隔ごとにH型鋼杭を打ちこむことが一般に行なわれている.このため流れに面した取水口設備の平面寸法はH型鋼杭の幅分だけ水理的に要求される純幅より広くなる。いま, 取水開口部天端に流れと反対方向に水平ヒサシをとりつけ, 流線がH型鋼杭により変形されない位置までのばすと, 上記の取水口設備平面寸法はH型鋼杭の存在を無視した水理的純開口幅となる。しかし, その場合の水平ヒサシの長さは, 流れを完全流体と仮定した場合, 理論的には無視大となり, 実際設計上意味をもたなくなる。そこで,
U-u/U=ε…… (iii)
(ここに, Uは開口部より十分上流における流速, uは有限長の水平ヒサシの上流端における流速) とし, εをあたえた場合の水平ヒサシの所要長を算定する近似式を提示した。