JP2005076452A - ポンプ運転システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポンプ11〜1Nの回転数制御と運転台数切換えを制御装置3で制御する。制御装置は、ポンプの吐出量Q−吐出圧力H特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線を求め、これとほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界の内側にしたポンプ台数増の台数変更流量曲線とポンプ台数減の台数変更流量曲線を設定しておき、これら変更流量曲線を越える吐出流量にはポンプ運転台数を増減する台数変更を行う。
キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の台数変更特性を移し替えた回転数N−吐出量Q特性によって、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御することも含む。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下水道施設等に設備されるポンプ運転システムに係り、特にポンプの運転台数切換制御に関する。
【0002】
【従来の技術】
上水の取水施設や下水の浄水施設では、複数台のポンプを設備し、それらの運転台数切換制御により所期の送水量(吐出量または揚水量)を確保している。
【0003】
図5は、ポンプ運転システムの要部構成を示す。N台のポンプ11〜1Nは、その電動機がそれぞれ回転数制御装置21〜2Nによって速度指令N1〜NNに応じた回転数制御されることで個々の吐出流量が制御可能に構成される。なお、回転数制御装置21〜2Nは、ポンプの揃速回転を行うことが基本であり、PID制御演算部を共通にした速度制御信号を得、これを基に各ポンプの駆動電源(例えば、インバータ本体)を制御する構成の場合が多い。
【0004】
ポンプ運転台数切換制御装置3は、コンピュータとそれに搭載するソフトウェア構成で実現され、ポンプ設備に要求される吐出量Q、吐出圧Hの設定や、ポンプのQ−H特性(Q−Hカーブ)データがあらかじめ格納され、これら設定に対する各ポンプのそれぞれの吐出流量と、ポンプからの吐出水の合流点の吐出圧を計測信号として取得し、ポンプの運転台数決定および運転ポンプの回転数制御を行う。
【0005】
これらポンプの運転台数決定と回転数制御には、吐出圧力一定制御と流量を基にしたポンプ運転台数切換制御との2つを併用している。
【0006】
上記の吐出圧力一定制御を説明する。図6は、横軸にポンプの吐出量Qを、縦軸に吐出圧Hとして、1台のポンプの単独運転時のQ−Hカーブと、2台のポンプの並列運転時のQ−Hカーブと、3台のポンプの並列運転時のQ−Hカーブを示す。これらQ−Hカーブはポンプの100%速度と最低速度およびキャビテーション限界で運転領域が制限される。
【0007】
同図において、設定された吐出圧力H1を保つように、流量Q1が吐出圧力H1とポンプ1台運転時の100%速度のQ−Hカーブとの交点の流量までは1台運転とし、その交点を越える流量では2台運転に切換え、両ポンプは吐出圧力H1になるよう速度制御する。また、2台運転から3台運転に切換える場合も同様になる。
【0008】
吐出流量によるポンプ運転台数切換制御を図7で説明する。同図において、ポンプのQ−Hカーブ上に、ポンプを運転開始する判定流量Q12,Q22と停止させる判定流量Q11,Q21を設定し、運転開始流量Q12,Q22を上回るときに運転台数を増し、停止流量Q11,Q21を下回るときに運転台数を減らす。つまり、ポンプの運転台数切換制御には運転流量と停止流量にかなり大きなヒステリシス幅を設定しておき、運転と停止を繰り返すハンチングの発生を防止している。
【0009】
なお、ポンプの運転台数切換頻度を下げる方式として、ポンプの起動/停止頻度を低くするため、吐出弁の開度を複数段に切換えて水位を一定範囲に保つものもある(例えば、特許文献1参照)。
【0010】
【特許文献1】
特開平08−177747号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
(1)吐出圧力一定制御と流量による運転台数切換制御における効率の問題
前記の吐出圧力一定制御と運転台数切換制御は、同時に実行されているが、互いに独立した制御としているため、吐出圧力一定制御状態で、台数増の流量になると台数切換シーケンスが無条件に実行される。
【0012】
この例は図8に示すように、ポンプを1台運転から2台運転に切換える運転流量Q12になると、例に示した1台目のポンプのQ−Hカーブでは回転数90%程度で、見た目にも余裕があるにもかかわらず、2台運転に制御される。この1台運転時と2台運転時の効率Pは、η1(=70%程度)からη2(=50%程度)へと移ってしまう。つまり、ポンプ吐出圧力は一定に保っているものの、ポンプ運転台数が少なく、効率が高い1台運転状態から運転台数が多く、効率も低い運転状態になってしまう。
【0013】
(2)運転台数切換制御におけるヒステリシス幅による軸動力等の問題
前記のように、流量による運転台数切換制御では、台数の変更をハンチング防止のために、大きめのヒステリシスを設けている。このヒステリシス区間では、流量的にはN台でも、(N+1)台でもよいが、運転台数を減らすときのヒステリシスであるときは(N+1)台運転となってしまう。
【0014】
この状態では、ポンプ回転数でみると、例の場合は図8に示すように、1台運転時の流量Q12、吐出圧力H1のときの回転数は約90%程度であるのに対して、同じ流量Q12で、2台運転時の回転数は80%程度である。
【0015】
このときの軸動力は、図9に示すように、1台運転時は40kW弱であるのに対して、2台運転時は50kW弱になる。
【0016】
つまり、同じ吐出圧力および流量でポンプ運転するのに、1台(N台)運転と2台(N+1台運転)では、(N+1)台運転では回転数が小さくなる(動力は回転数の3乗で小さくなる)ものの、ポンプに必要な軸動力は逆に大きくなってしまう。また、ポンプの電動機とその制御装置の効率も回転数が低いほど悪くなる。したがって、回転数が低い(N+1)台運転ではポンプ軸動力および電動機側効率の点で不利となる。
【0017】
本発明の目的は、上記の課題を解決したポンプ運転システムを提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】
(A)前記のように、従来の流量−運転台数切換制御では、運転台数変更流量(Q12など)になると、無条件に台数を増し、軸動力が大きくなり、しかもポンプモータの運転効率が悪くなる。これには、図8に示すポンプのQ−Hカーブから分かるように、例えば、運転台数変更流量Q12では台数変更を行わず、それより右側の流量の大きい範囲を上手に利用して、運転台数変更流量を設定変更できれば、流量Q12に達したときも1台運転を継続し、運転効率を改善できる。
【0019】
ここで、ポンプは各々の速度にて、吐出流量により効率が異なり、その値は0%〜70%程度である。このうち、最高効率点はポンプ仕様要項に提示され、例えば、・吐出圧力:40m、・吐出流量:5.3m3/分、・回転数:100%、ポンプ効率:77%、のように表される。
【0020】
この仕様要項を利用して、ポンプの比例の法則を適用すると、各回転数における最高効率点が分かり、当然、その点の流量、吐出圧力を求めることができる。この手法によって求めた各回転数での最高効率点をプロットすれば、最高効率曲線(カーブ)を描くことができる。このとき、最高効率曲線上の全てのポイントにおけるポンプ効率は上記の最高効率77%となる。
【0021】
以上のことから、本発明は、ポンプのQ−Hカーブ上の最高効率曲線を求め、この曲線を基にポンプ台数変更流量を設定することで、ポンプを高い効率で運転しながら運転台数を切り替え、大幅な省エネを図るものである。
【0022】
図10の(a)はポンプのQ−Hカーブ上に、上記の最高効率曲線Cmax等を記したもので、この最高効率曲線Cmaxは同図の(b)に示す各速度での効率曲線を基にして求められる。
【0023】
この最高効率曲線Cmaxとほぼ平行に、台数変更流量カーブを設定する。図中、C12がポンプを1台から2台への台数変更流量設定カーブ、C21がポンプを2台から1台への台数変更流量設定カーブであり、これらカーブC12,C21は最高効率曲線Cmaxとほぼ平行し、ポンプのキャビテーション限界曲線CLと最高効率曲線Cmaxとの間になるよう設定する。
【0024】
なお、点QLはポンプの1台運転下限流量を、この点QLを含む大枠全体が1台運転範囲領域を示す。また、Q12が従来のポンプを1台から2台への台数変更流量設定値、Q21がポンプを2台から1台への台数変更流量設定値を示す。
【0025】
以上のことから、最高効率曲線に沿って設定したポンプ台数変更流量を設定し、吐出圧力も設定すると、最高効率に近い所で運転点が設定され、運転上の問題も無いことが確認でき、n台からn+1台への増台の場合、およびn+1台からn台への減台の場合も従来の流量による台数増減変更よりも少ない台数で運転できる。
【0026】
(B)運転台数変更の詳細
前項(1)で説明するように、台数変更カーブC12,C21は、キャビテーションカーブCLよりも高い吐出圧力範囲に設けることで、キャビテーションの発生を防止するが、この台数変更カーブ設定は流量Q、吐出圧力(水頭)H、ポンプモータ回転数Nの3つの要素を含み、また、同じ吐出量を送水するのに必要なポンプ台数が複数台選べるこもとあり、このままでは取り扱いが難しくなる。
【0027】
しかし、これら3要素のうち、キャビテーション限界を決める有効吸い込み水頭HSは、流量Qと速度Nとの間で以下の関数関係になる。
【0028】
【数1】
HS=(N×√Q/S)4/3
ただし、Sは比速度でポンプ毎に定まる一定値
この関係から、Q−Hカーブ上に設定されるキャビテーション限界カーブ(メーカ提供)を、回転数N−吐出量Qカーブにプロットした移し替えを行うも正しく使用できることになる。
【0029】
図11は、図10のキャビテーション限界カーブ、1台から2台への台数変更カーブC12および2台から1台への台数変更カーブC21などを回転数N−吐出量Qカーブにプロットしたものである。
【0030】
本発明は、図11に示す回転数N−吐出量Qカーブを利用し、キャビテーション限界を避けたポンプ運転台数切換のための判定を得る。これにより、回転数N−吐出量Qカーブでは、ヒステリシス部分を除いて、運転台数と流量に不要な重なりがなく、流量による正確な台数判別が可能となる。
【0031】
以上のことから、本発明は、キャビテーションを発生させることなく、運転台数をできるだけ少なくし、吐出圧力が高過ぎず、エネルギーの無駄が少なく、ポンプ効率および電動機効率も高い範囲を広く使ったポンプ運転台数切換制御を可能にするもので、以下の構成を特徴とする。
【0032】
(1)回転数制御される複数台のポンプを設備し、これらポンプの回転数制御と並列運転台数を切換えるポンプ運転台数切換制御装置によって各ポンプの吐出流量および各ポンプからの吐出水の合流点の吐出圧力を制御するポンプ運転システムにおいて、
前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
ポンプの単独運転時および複数台の並列運転時の吐出量Q−吐出圧力H特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線Cmaxを求め、この最高効率曲線とほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界CLの内側にしたポンプ台数増の台数変更流量曲線C12とポンプ台数減の台数変更流量曲線C21を設定しておく手段と、
前記ポンプ台数増の台数変更流量曲線を越える吐出流量の増加にはポンプ運転台数を1台増す台数変更を行い、前記ポンプ台数減の台数変更流量曲線を越える吐出流量の減少にはポンプ運転台数を1台減らす台数変更を行う手段とを備えたことを特徴とする。
【0033】
(2)前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
前記キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の前記台数変更流量曲線を移し替えた回転数N−吐出量Q特性を設け、この回転数N−吐出量Q特性に対する、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御することを特徴とする。
【0034】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施形態を示すポンプ運転システムの要部構成であり、図5と同等の部分は同じ符号で示す。なお、回転数制御装置21〜2Nは、ポンプの揃速回転を行うため、PID制御演算部を共通にした速度制御信号を得、これを基に各ポンプの駆動電源を制御する構成とする。
【0035】
図1において、設定データには、N台のポンプの台数増変更流量曲線C12〜CN2、台数減変更流量曲線C11〜CN1の設定をする。また、従来のQ−Hカーブに代えて、キャビテーション限界を避けた台数変更カーブをプロットした回転数N−吐出量Qカーブを設定する(図11参照)。検出信号には、従来の吐出圧力と各ポンプの吐出流量に加えて、各ポンプモータの回転数を取り込む。
【0036】
以上の構成において、N台のポンプの台数増変更流量曲線C12〜CN2とポンプ台数減変更流量曲線C11〜CN1は、前記のように、ポンプの吐出量Q−吐出圧力H特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線Cmaxを求めておき、この最高効率曲線とほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界CLの内側にした設定にされる。
【0037】
そして、ポンプ運転台数切換制御装置3は、設定された吐出圧H1を保ちながら、ポンプ11の速度N1の指令で吐出流量をQ1を制御し、吐出流量が変更流量C12を越えるまでは1台運転とし、その交点を越える流量ではポンプ11と12の2台運転に切換え、両ポンプは吐出圧力H1になるよう速度制御する。逆に、2台運転での吐出流量が減少し、それが変更流量C21を越えるときにポンプ11の1台運転に切換え、両ポンプは吐出圧力H1になるよう速度制御する。同様に、2台運転から3台運転に切換える場合などのポンプ台数増と、逆に3台運転から2台運転に切換える場合などのポンプ台数減には、それぞれ台数変更流量C12〜CN2、C11〜CN1を基にした運転台数の切換え制御になる。
【0038】
また、ポンプ運転台数切換制御装置3は、その台数変更制御に、キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の台数変更流量曲線を移し替えた回転数N−吐出量Q特性を基に行い、この回転数N−吐出量Q特性に対する、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御する。
【0039】
以上のことから、台数変更には各ポンプを最高効率で運転しながら、ハンチング現象を防止できる。また、台数増と台数減との間のヒステリシス幅を小さくすることができる。
【0040】
また、キャビテーション限界を避けたポンプ運転台数切換のための判定を得ることにより、運転台数と流量に不要な重なりがなく、流量による正確な台数判別が可能となる。
【0041】
図2は、既存のポンプ運転システムに本実施形態を適用した処理シーケンス図である。
【0042】
図において、n台のポンプの近くに配置される操作盤のn個のCOS(Change Over Switch)11は各ポンプの制御を現場と中央のいずれで行うかを指示し、このCOSとペアで設けられるCS(Control Switch)12はCOS11が現場側を指示(ホールドスイッチ)しているときに、当該ポンプを運転と停止の切換え指示を可能にする。
【0043】
COS13は中央側に増設され、既存の「中央1」と本実施形態の方式による運転台数切換制御を適用する「中央2」の切換指示をし、既存の「中央1」側のCOS14は手動と自動を切換え、n個のCS15はCOS14が手動の場合に各ポンプの運転と停止を切換操作する。
【0044】
電気室内に設けられるリレー回路16は、CS12による現場でのポンプ運転/停止指令、またはCS15による中央でのポンプ運転/停止指令に応じてポンプの手動または自動の運転/停止制御を行う。
【0045】
ここで、増設したCOS13による「中央2」の切換操作では、本実施形態を組み込んだ省エネ運転監視装置17を設ける。この装置17は、PC(プログラマブル・コントローラ)17Aと、制御装置17Bおよび入出力部17Cで構成する。
【0046】
PC17Aは、オペレータとのマンマシンコントロール装置に構成され、台数選択操作、表示、ロギング、運転状況表示、吐出圧力設定、N−Qカーブ設定、効率シミュレーション表示等の機能を搭載する。制御装置17Bは、図1におけるポンプ運転台数切換制御装置3と同等の機能を搭載し、運転台数選択および制御、補正を含む吐出圧力制御、N−Qカーブによる制御、従来のQ−Hカーブによる制御への切換え等の機能を搭載する。入出力部17Cは、制御装置17Bからの吐出圧力、回転数指令、運転/停止指令等をリレー回路16に出力し、またこれら指令に対するリレー回路16からのアンサーバックを入力する。
【0047】
以上のように、既存のポンプ運転システムに適用する場合には、COS13等の追加によって、既存の自動/手動運転に代えて、省エネ運転監視装置17によるポンプの運転制御が可能となる。
【0048】
また、装置17に既存のポンプ運転台数切換制御装置と同等のものを組み込むことにより、既存装置との省エネ比較やシミュレーションを行うことができる。
【0049】
図3と図4は、既存装置とを比較するためのシミュレーション結果を示す。同図3はA町の午後4時から12時までの記録データを復元したもので、時刻別の送水流量、吐出圧力、ポンプ運転台数、推定回転数等を示す。図4は、本実施形態によるポンプ運転台数切換制御を行った場合のシミュレーション結果を示し、図3に比べて、ポンプ運転台数削減と軸動力低下とポンプモータ運転効率で改善された。
【0050】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、ポンプのQ−Hカーブ上の最高効率曲線を求め、この曲線を基にポンプ台数変更流量を設定するようにしたため、ポンプを高い効率で運転しながら運転台数を切り替え、大幅な省エネを図ることができる。
【0051】
また、キャビテーション限界カーブおよび台数変更カーブを移し替えた回転数N−吐出量Qカーブを基に、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御するため、流量による正確な台数判別が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すポンプ運転システムの要部構成図。
【図2】本実施形態を既存システムに適用した処理シーケンス。
【図3】A町の午後4時から12時までの記録データ。
【図4】実施形態によるポンプ運転台数切換制御でのシミュレーション結果。
【図5】従来のポンプ運転システムの要部構成図。
【図6】従来の吐出圧力一定制御方式の説明図。
【図7】従来の吐出流量によるポンプ台数制御方式の説明図。
【図8】流量台数制御とポンプ効率の関係図。
【図9】ポンプ台数/回転数と吐出流量と軸動力の関係図。
【図10】本発明の原理的な説明図。
【図11】本発明における回転数N−吐出流量Qカーブ。
【符号の説明】
11〜1N…ポンプ
21〜2N…速度制御装置
3…ポンプ運転台数切換制御装置
11、13、14…COS
12、15…CS
16…リレー回路
17…省エネ運転監視装置
Claims (2)
- 回転数制御される複数台のポンプを設備し、これらポンプの回転数制御と並列運転台数を切換えるポンプ運転台数切換制御装置によって各ポンプの吐出流量および各ポンプからの吐出水の合流点の吐出圧力を制御するポンプ運転システムにおいて、
前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
ポンプの単独運転時および複数台の並列運転時の吐出量Q−吐出圧力H特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線Cmaxを求め、この最高効率曲線とほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界CLの内側にしたポンプ台数増の台数変更流量曲線C12とポンプ台数減の台数変更流量曲線C21を設定しておく手段と、
前記ポンプ台数増の台数変更流量曲線を越える吐出流量の増加にはポンプ運転台数を1台増す台数変更を行い、前記ポンプ台数減の台数変更流量曲線を越える吐出流量の減少にはポンプ運転台数を1台減らす台数変更を行う手段とを備えたことを特徴とするポンプ運転システム。 - 前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
前記キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の前記台数変更特性を移し替えた回転数N−吐出量Q特性を設け、この回転数N−吐出量Q特性に対する、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御することを特徴とする請求項1に記載のポンプ運転システム。
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