JP2006194186A - 大流量運転制御方法および大流量運転制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、吐出圧力一定制御、あるいは、推定末端圧力一定制御によって制御されている可変電圧・可変周波数電源で駆動されている給水システムの大流量運転制御方法および大流量運転制御システムに関するものである。
【解決手段】 本発明の大流量運転制御方法は、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、およびポンプの流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数、ポンプの限界流量ｑ_max 等を設定することにより、ポンプの定格流量より要求流量が大きい場合であっても、揚程を下げて、ポンプの定格流量より大きい流量を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、推定末端圧力一定制御、あるいは、吐出圧力一定制御によって制御されている可変電圧・可変周波数電源で駆動されている給水システムの大流量運転制御方法、および大流量運転制御システムに関するものである。

図７は従来例を説明するための給水制御システムを示すブロック構成図である。図７において、給水制御システムは、水道管１１１から図示されていない各部に給水するためのポンプ、配管、弁等から構成された給水部１１と、給水するためのポンプ等を駆動する駆動制御部２１と、前記駆動制御部２１を制御する制御部３１とから構成されている。

水道管１１１は、給水管１１２、２本の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４、バイパス管１１５にそれぞれ接続され、さらに、下流の前記給水分岐管１１３および給水分岐管１１４に設置されたポンプ１およびポンプ２を介して、前記２本の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４とバイパス管１１５が一緒になって給水本管１１６に接続されている。前記水道管１１１を通る水は、給水分岐管１１３および給水分岐管１１４と給水本管１１６との間に設置されているポンプ１およびポンプ２によって前記各部に汲み上げられる。

ポンプ吸込側圧力検出器１２は、水道管１１１に配設され、前記ポンプ１およびポンプ２への押込揚程ｈｓｕを検出して、後述する給水制御用シーケンス回路３１６へ出力するものである。ポンプ吸込側逆流防止器７は、水道管１１１と給水管１１２との間に配設され、給水管１１２側から水道管１１１側へ水が逆流するのを防止するものである。ポンプ１は、給水分岐管１１３に配設され、ポンプ２は、給水分岐管１１４に配設されている。

ポンプ吐出側逆止弁３およびポンプ吐出側逆止弁５は、ポンプ１およびポンプ２よりも下流の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４に配設され、自身よりも下流からポンプ１およびポンプ２へ水が逆流するのを防止するものである。ポンプ吐出側止水弁４およびポンプ吐出側止水弁６は、ポンプ１およびポンプ２よりも下流の給水分岐管１１３および給水分岐管１１４に配設され、自身よりも下流からポンプ１およびポンプ２へ水が逆流するのを止水するものである。

保圧用圧力タンク９は、ポンプ吐出側止水弁４およびポンプ吐出側止水弁６よりも下流の給水本管１１６に配設され、給水量が殆どゼロとなる深夜などの時間帯にポンプ１およびポンプ２が始動して停止する頻度、すなわち、始動頻度を少なくさせるため、所定量の加圧水を貯留するものである。

バイパス用逆止弁８は、前記給水管１１２と前記バイパス管１１５との間に配設され、押込揚程ｈｓｕがポンプ１およびポンプ２の運転が不要なくらい高圧であれば、ポンプ１およびポンプ２よりも上流の給水管１１２側からポンプ１およびポンプ２よりも下流の給水本管１１６側へ水を流すためのものである。また、バイパス用逆止弁８は、押込揚程ｈｓｕがポンプ１およびポンプ２の運転を必要とする圧力であれば、ポンプ吐出側止水弁４およびポンプ吐出側止水弁６よりも下流の給水本管１１６側からポンプ１およびポンプ２よりも上流の給水管１１２側へ水が逆流するのを防止するためのものである。

流量検出用フロースイッチ１０は、保圧用圧力タンク９よりも下流の給水本管１１６に配設され、前記給水本管１１６の流量（ポンプ吐出側流量）Ｆｌを検出して給水制御用シーケンス回路３１６へ出力するものである。ポンプ吐出側圧力検出器１０１は、流量検出用フロースイッチ１０よりも下流の給水本管１１６に配設され、ポンプ吐出側圧力（給水圧力、吐出圧力）ｈｉを検出して後述する制御部３１へ出力するものである。

制御部３１は、ポンプ１およびポンプ２からの吐出圧力を一定に制御するものであり、設定変更可能な目標圧力ｈｓを出力する目標圧力設定器３１１と、前記目標圧力設定器３１１が出力する目標圧力ｈｓからポンプ吐出側圧力検出器１０１が出力するポンプ吐出側圧力ｈｉを減算して出力する演算器３１２と、前記演算器３１２の出力に基づくディジタル信号の周波数ｆを出力するＰＩＤコントローラ３１３と、前記ＰＩＤコントローラ３１３から出力するディジタル信号の周波数ｆをアナログ信号のインバータ運転周波数指令ｆ_1sに変換して後述するインバータ２１１へ出力するＤ／Ａ（ディジタル・アナログ）変換器３１４と、前記ＰＩＤコントローラ３１３が出力するディジタル信号の周波数ｆをアナログ信号のインバータ運転周波数指令ｆ_2sに変換して後述するインバータ２１２へ出力するＤ／Ａ変換器３１５と、後述する給水制御用シーケンス回路３１６とから構成される。

前記給水制御用シーケンス回路３１６は、前記ポンプ吸込側圧力検出器１２によって検出された前記ポンプ１およびポンプ２への押込揚程ｈｓｕ、および前記流量検出用フロースイッチ１０により検出された前記給水本管１１６の流量（ポンプ吐出側流量）Ｆｌを得る。前記給水制御用シーケンス回路３１６は、前記押込揚程ｈｓｕおよびポンプ吐出側流量Ｆ１を基にしてインバータ２１１および／またはインバータ２１２（インバータ２１１およびインバータ２１２の少なくとも一方）へインバータ運転指令１ｓ、２ｓを出力する。

前記給水制御用シーケンス回路３１６は、少流量検出から保圧、ポンプ１およびポンプ２を停止させるシーケンス制御機能の他、ポンプ１および／またはポンプ２（ポンプ１、２の少なくとも一方）の始動、ポンプ１およびポンプ２の自動交互運転シーケンス制御機能を内蔵するとともに、ポンプ吸込側圧力検出器１２からの押込揚程ｈｓｕが規定値以上であるときのみポンプ１およびポンプ２を運転できるようにインターロックする機能を内蔵している。

駆動部制御２１は、インバータ２１１およびインバータ２１２と、前記インバータ２１１の信号により駆動するモータ２１３と、前記インバータ２１２の信号によって駆動されるモータ２１４とから構成される。前記給水制御用シーケンス回路３１６は、インバータ運転周波数指令ｆ_1Sおよびインバータ運転指令１ｓに基づいてモータ２１３を介してポンプ１を制御し、また、インバータ運転周波数指令ｆ_2Sおよびインバータ運転指令２ｓに基づいてモータ２１４を介してポンプ２を制御するものである。

前記給水制御システムは、たとえば、本出願人が提案した特願２００３−３５５８４４号に記載されている。
特願２００３−３５５８４４号

前記給水制御システムは、たとえば、計画時において、想定していたポンプの流量が実際に必要とされる流量よりも小さいという問題が稼働直前になって判明する場合がしばしばある。前記給水制御システムは、ポンプ等の給水設備を発注後、建物の設計変更により、実流量も変更するような場合がしばしばある。前記のような場合、前記ポンプは、新たに要求されている流量を満たす大きさに変更する必要がある。

前記ポンプの変更は、ポンプが大型になればなる程、費用の無駄になる。また、前記のような場合を避けるために、計画当初からかなり余裕を持った流量のポンプを選定することがしばしば行われていた。すなわち、従来の給水制御システムは、前記のような場合を予め想定しているため、実際に必要な流量より大きい場合にも適応できるように、過大な容量のポンプを備えていた。

以上のような課題を解決するために、本発明は、給水制御システムにおいて、ポンプの容量に余裕のある運転を行うとともに、流量が不足しても、ポンプを変更することなく、ポンプの流量不足問題を解消できる大流量運転制御方法および大流量運転制御システムを提供することを目的とする。

本発明は、実験によるポンプの流量−揚程特性を基に二次近似式化して演算する際のポンプ特性定数、および実験によるポンプの流量−効率特性を表す二次近似式の定数を与えることにより、流量が不足しても、ポンプを変更することなく、ポンプの流量不足問題を解消できる大流量運転制御方法および大流量運転制御システムを提供することを目的とする。

（第１発明）
第１発明の大流量運転制御方法は、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものであり、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、およびポンプの流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数に基づいてポンプの定格流量より大きな流量でポンプを運転することを特徴とする。

（第２発明）
第２発明の大流量運転制御方法は、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものであり、実際に要求される流量、必要なポンプの吐出揚程、利用できる押込揚程、前記ポンプの流量−揚程特性を表す少なくとも２組のポンプ特性定数ａ、ｂ、前記ポンプの流量−効率特性を表す少なくとも３組の定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、前記ポンプの許容軸動力、およびポンプのキャビテーション限界流量を基にして、大流量運転を行うための定格定数を演算し、前記演算された定格定数を基にして関数を発生させ、前記関数により、ポンプの定格流量より大きい流量を第２の定格流量と設定し、前記第２の定格流量を基にして、推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御を行うことを特徴とする。

（第３発明）
第３発明の大流量運転制御システムは、給水部と、前記給水部におけるポンプを駆動する駆動制御部と、前記駆動制御部を制御する制御部と、大流量運転に切り替えられた際に大流量運転制御を行なう大流量運転制御ブロックとから少なくとも構成されており、前記大流量運転制御ブロックは、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性とポンプの流量−効率特性をあらわす二次近似式の定数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、実際に必要とする要求流量ｑ_re、定格揚程ｈ_N 、必要なポンプの吐出揚程ｈ_d1、前記ポンプのキャビテーション限界流量ｑ_max 、および前記ポンプの許容軸動力ｌ_av、押込揚程ｈ_SUを基にして大流量運転のための定格定数を演算する定格定数演算器と、前記定格定数演算器によって演算されたポンプの定格流量より大きい第２の定格流量ｑ_2N、第２の定格揚程ｈ_2N、推定流量ｑ＊、および最小圧力設定値ｈ₀ を基にして目標圧力を発生させる関数発生器と、を少なくとも備えていることを特徴とする。

（第４発明）
第４発明の大流量運転制御システムは、第３発明の定格定数演算器における演算結果を目視できる表示装置を備えていることを特徴とする。

（第５発明）
第５発明の大流量運転制御システムは、第３発明または第４発明の大流量運転制御ブロックに、定格定数演算器によって演算された結果を一時記憶するＲＡＭと、前記定格定数演算器の演算を行うプログラムおよび演算結果をチェックするプログラムが記憶されているＲＯＭとを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、実際に要求される流量が選定されたポンプの定格流量より大きく、前記定格揚程に余裕がある場合に、ポンプを許容軸動力以下、キャビテーション限界流量以下でポンプの流量を安全に運転することができるように制御することによって、設備稼働直前に判明した流量不足問題に対してポンプを変更することなく解決できる。

本発明によれば、ポンプ計画時の流量決定において、従来のように、必要以上の容量を持ったポンプを設置する必要がなくなるので、より小型のポンプを選定することができる。

本発明によれば、実験によって得られたポンプ効率の二次近似式における定数およびポンプ定数を基にしてポンプの流量を上昇させて、定格より大きな流量でポンプを安全に運転することができるようになった。

（第１発明）
第１発明の大流量運転制御方法は、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものである。第１発明の大流量運転制御方法は、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、およびポンプの流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数に基づいて、ポンプの定格流量より大きな第２の定格流量でポンプを運転することができる。

たとえば、第２の定格流量、および第２の定格揚程は、前記各定格定数によって演算される。前記演算された第２の定格流量、および第２の定格揚程は、圧力設定値および推定流量とともに、関数を発生させて、大流量制御を行うための目標圧力を出力し、定格流量より大流量でポンプを運転する。すなわち、第１発明の大流量運転制御方法は、余裕のある定格揚程に着目し、定格流量より大きい必要な流量を得ることができるため、必要以上のポンプ容量を予め備えておく必要がない。

（第２発明）
第２発明の大流量運転制御方法は、第１発明と同様に、ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御するものである。大流量運転を行なうための定格定数は、実際に要求される流量ｑ_re、必要なポンプの吐出揚程ｈ_d1、前記ポンプの流量−揚程特性を表す少なくとも２組のポンプ特性定数ａ、ｂ、前記ポンプの流量−効率特性を表す少なくとも３組のポンプ特性定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、ポンプのキャビテーション限界流量ｑ_max 、前記ポンプの許容軸動力ｌ_av、および利用できる押込揚程ｈ_SUを基にして演算される。

前記演算された定格定数である第２の定格流量ｑ_2N、および第２の定格揚程ｈ_2Nは、推定流量ｑ＊および最小圧力設定値ｈ₀ とともに目標圧力となる関数ｈ_S20 として発生される。前記関数ｈ_S20 は、定格揚程より低い揚程で、かつ、定格流量より大きい流量で、推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御を行なうことができる。

（第３発明）
第３発明の大流量運転制御システムは、給水ポンプ、逆止弁、配管等を備えた給水部と、前記給水部におけるポンプを駆動する駆動制御部と、前記駆動制御部を制御する給水制御用シーケンス回路等を含む制御部と、大流量運転に切り替えられた際に大流量運転制御を行なう大流量運転制御ブロックとから少なくとも構成されている。また、前記大流量運転制御ブロックは、定格定数演算器と、関数発生器を少なくとも備えている。

前記定格定数演算器は、実験によって得られたポンプの流量−揚程特性とポンプの流量−効率特性をあらわす二次近似式の定数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、実際に必要とする要求流量ｑ_re、定格揚程ｈ_N 、必要なポンプの吐出揚程ｈ_d1、前記ポンプのキャビテーション限界流量ｑ_max 、前記ポンプの許容軸動力ｌ_av、および押込揚程ｈ_SUを基にして大流量運転のための定格定数を演算する。前記関数発生器は、前記定格定数演算器によって演算された第２の定格流量ｑ_2N、および第２の定格揚程ｈ_2Nと、現在使用されていると推定される推定流量ｑ＊、および最小圧力設定値ｈ₀ とを基にして目標圧力ｈ_s20 を発生させる。前記目標圧力ｈ_s20 は、要求流量で大流量運転を安全に行なうことができる。

（第４発明）
第４発明の大流量運転制御システムは、第３発明の定格定数演算器における演算結果を目視できる表示装置を備えている。前記定格定数演算器に入力される値は、当該ポンプを使用した際の実測値であるため、現場に設置された場合に、適合しない場合もある。そこで、前記定格定数演算器によって演算された値は、前記表示装置に表示させて、実行させてもよいか否かを確認してから関数を発生させている。したがって、前記大流量運転制御システムは、表示装置により確認後、実行に移すため安全である。

（第５発明）
第５発明の大流量運転制御システムは、第３発明の大流量運転制御ブロックに定格定数演算器によって演算された結果を一時記憶するＲＡＭと、前記定格定数演算器の演算を行なうプログラムおよび演算結果のチェックや比較を行なうプログラムが記憶されているＲＯＭとが備えられている。前記定格定数演算器は、前記ＲＡＭに演算結果を一時記憶するとともに、演算結果を表示装置に表示することができる。また、前記定格定数演算器は、前記ＲＯＭに記憶されているプログラムにしたがって演算を行なう。

本発明は、最初に、実際の要求流量、利用可能な押込揚程、必要なポンプの吐出揚程からポンプが発生すべき揚程とポンプの動作点を設定することにより、ポンプの揚程−流量特性における動作点を通るポンプ速度（周波数）を計算する。次に、予め入力されている該当ポンプの無次元化効率−流量特性の二次近似式に、前記計算結果の（流量／周波数）の値を代入することにより、ポンプの効率を求める。前記求められたポンプ効率から、要求流量、ポンプ発生揚程より軸動力が計算される。

前記軸動力は、予め入力されている該当ポンプの許容最大軸動力と比較される。もし、大容量運転を実現する前記軸動力が許容最大軸動力より小さい場合には、要求流量とポンプ揚程を第２の定格流量、第２の定格揚程として決定する。逆に、演算された大容量運転の軸動力が許容最大軸動力に等しいか、または、より大きい場合には、要求流量を引き下げて、前記の計算を繰り返し、大容量運転の軸動力が許容最大軸動力以下になるようにすることにより、第２の定格流量、第２の定格揚程を決定する。

かくして、定格流量以上の流量においても、過負荷に陥ることなく、安全なポンプの大容量運転が保証される。前記演算された、大容量運転の揚程、流量、周波数は表示装置に表示され、目視によって確認される。もし、前記目視によって問題が発見されなければ、大容量運転設定スイッチをＯＮにすることにより、それぞれのデータがセットされ、従来方式よりも大きい流量のもとで、推定末端圧力一定制御、または吐出圧力一定制御でポンプを運転することができる。

図１は本発明の実施例で、可変電圧・可変周波数電源で駆動される２台のポンプの単独交互運転方式で推定末端圧力一定制御を行う給水制御システムを説明するためのブロック構成図である。図１に示された本発明の給水制御システムは、給水部１１と、駆動制御部２１と、制御部３１と、大流量運転制御ブロック４１とから構成されている。図１において、図７に示された従来例と同じ部分は、説明を省略する。図１に示された制御部３１において、目標圧力設定器３１１は、推定末端圧力一定制御回路を構成するために、流量の増加につれてその設定値が大きくなり、定格流量で定格揚程になるように自動的に調整される。

演算器３１２は、ポンプの吐出圧力ｈｉをポンプ吐出側圧力検出器１０１で検出し、目標圧力設定器３１１で設定された圧力設定値ｈｓ₁ と比較する。前記演算器３１２による比較偏差は、ＰＩＤコントローラ３１３に与えられる。前記ＰＩＤコントローラ３１３は、出力がＡ／Ｄ変換器３１４およびＡ／Ｄ変換器３１５を通して、アナログ値がディジタル値に変換され、インバータ２１１およびインバータ２１２の周波数指令ｆ_1S、ｆ_2Sとなって出力する。また、前記ＰＩＤコントローラ３１３は、前記ポンプ吐出側圧力検出器１０１で検出されたポンプの吐出圧力ｈｉと、目標圧力設定器３１１で設定された圧力設定値ｈｓ₁ とから現在の推定流量ｑ＊を得ることができる。

ポンプ１およびポンプ２は、前記インバータ２１１およびインバータ２１２により、それぞれ可変電圧・可変周波数電源で制御されるモータ２１３および電動機２１４によって駆動される。給水制御用シーケンス回路３１６は、給水量の少ない深夜、多い日中等、小水量から大水量を検出して、保圧、ポンプ停止等のシーケンス制御回路を自動的に、また、ポンプ１およびポンプ２を交互に制御する。

前記制御部３１において、切替スイッチ３１７は、スイッチの切り替えにより、通常の制御運転と大流量制御運転とが切り替えられる。前記切替スイッチ３１７は、通常制御運転の場合、Ｃ−１側が閉になるように接続されている。また、前記切替スイッチ３１７は、大流量制御運転の場合、Ｃ−２側が閉になるように切り替えられる。さらに、前記切替スイッチ３１７がＣ−２側に接続されている場合、前記目標圧力設定器３１１は、大流量運転制御ブロック４１から出力する圧力設定値ｈ_S2が演算器３１２に与えられる。

図２は本発明の実施例で、大流量運転制御を行う場合のブロック構成図である。前記大流量運転制御ブロック４１は、圧力設定器４１１と、Ｄ／Ａ変換器４１２と、推定末端圧力一定制御部４１３と、大流量にするための各種定数を演算する定格定数演算器４１４と、セットスイッチ４１５と、演算のためのプログラム等が記憶されているＲＯＭ４１６と、前記プログラムにしたがって演算する際のデータ、および演算結果を一時記憶するＲＡＭ４１７と、前記演算結果に基づく定数を比較する比較器４１８と、各部を制御する制御器４１９とから構成されている。前記ＲＡＭ４１７に記憶された演算結果は、表示装置４２０により目視することができる。

前記推定末端圧力一定制御部４１３は、推定末端圧力一定制御の圧力設定値ｈ_S2を演算し、関数を生成する関数発生器であり、以下、単に関数発生器４１３と記載する。前記関数発生器４１３は、大流量運転の第２の定格揚程ｈ_2N、および大流量運転の第２の定格流量ｑ_2Nを定格定数演算器４１４から受け取る。

前記関数発生器４１３は、流量がゼロの場合における第２の最小圧力設定値ｈ₀ と、制御部３１によって演算された推定流量ｑ＊を受け取り、Ｄ／Ａ変換器４１２を介して、推定末端圧力一定制御の目標圧力をｈ_S20 として出力する。前記定格定数演算器４１４は、大流量運転に必要な第２の定格揚程ｈ_2N、および第２の定格流量ｑ_2Nを生成する。

前記定格定数演算器４１４により生成された、第２の定格揚程ｈ_2N、および第２の定格流量ｑ_2Nは、前記定格定数演算器４１４への入力である実際に必要な流量ｑ_re、ポンプの流量−揚程特性二次近似式の係数ａ、ｂ、ポンプの無次元化効率特性（流量定数−効率特性）の二次近似式の係数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と、許容軸動力ｌ_av、ポンプ装置に許容される最大運転周波数ｆ_max に基づいて演算される。前記定数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、実際のポンプを運転することによって得られる実験値からなる。したがって、前記各定数は、前記ポンプが現場に設置された際に稼働させて修正することもできる。

次に、大流量運転制御のための、第２の定格揚程ｈ_2N、および第２の定格流量ｑ_2Nをいかに演算するかを説明する。図３は本発明の実施例で、大流量運転制御を行うためのフローチャートである。図４は図１に示すブロック構成図におけるポンプ押込側揚程をゼロの場合である押込揚程が存在する場合のポンプの流量−揚程特性を示す図である。

図１から図４において、今、実際に利用できる押込揚程ｈ_SU（ｐ．ｕ．）であるとする。前記押込揚程ｈ_SU＝０でポンプの推定末端圧力一定制御のもとで運転している場合のポンプ動作点は、定格流量ｑ_INの時のＡ点、流量がゼロの時のＢ₁ になる。すなわち、ポンプは、推定末端圧力一定制御の目標揚程曲線１のＡ−Ｂ₁ によって運転される。ここで、実際に利用できる押込揚程がｈ_SUである場合には、従来方式では、推定末端圧力一定制御の目標曲線は、自動的に下方に前記押込揚程ｈ_SUだけずれて、Ａ₁ −Ｂ₂ となる。すなわち、ポンプの動作点は、定格流量ｑ_INの時にＡ₁ 点、流量ゼロの時にＢ₂ 点になる。

Ａ₁ 点の時のポンプ速度はｎ₃ 、インバータ周波数はｆ₃ である。ここで、利用できる押込揚程ｈ_SUが存在する場合には、ポンプのキャビテーション限界流量が押込揚程がない場合、あるいは少ない場合よりも大流量側に移動する特性に着目する。すなわち、大きな押込揚程によって、大きくなったキャビテーション限界流量を予め測定しておき、この限界流量以下の流量を第２の定格流量として設定し、従来方式よりも大きな定格流量のもとで、推定末端圧力一定制御を行うことができる。

今、要求流量が定格流量ｑ_Inより大きい要求流量ｑ_re（ｐ．ｕ．）で、必要なポンプの吐出揚程ｈ_d が、定格流量ｑ_Inの吐出揚程ｈ_d1と同じであるとする。この場合、ポンプの流量−揚程特性は、図４に示すように、ｎ₃ （ｆ₃ ）の特性になる。よって、必要なポンプの吐出揚程がｈ_d1で、要求流量ｑ_reとなるポンプの発生揚程、ｈ_re（ｐ．ｕ．）は、
ｈ_re＝ｈ_d1−ｈ_SU ・・・・(1)
となる。

図３に示すように、要求流量ｑ_re（ｐ．ｕ．）と、必要なポンプの吐出揚程ｈ_d1が入力されると、まず、最初に、要求揚程と要求流量のチェックを行う。すなわち、要求揚程ｈ_reが定格揚程ｈ_N （ｐ．ｕ．）以下であること、要求流量がキャビテーション限界流量ｑ_max （ｐ．ｕ．）以下であることをチェックする。(1) 式で求めたポンプの発生揚程ｈ_reは、図２に示すＲＡＭ４１７の１ＲＥＳ（レジスター記憶領域）に記憶される。(1) 式で求めたポンプの発生揚程ｈ_reが求まったので、ポンプ速度ｆ₂ が(2) 式で計算できる。
ｆ₂ ＝（（ｈ_re＋ｂｑ_re ² ）／ａ）^1/2 ・・・・(2)
ここで、ａ、ｂ：ポンプ定数
ただし、ポンプの揚程ｈ_p （ｐ．ｕ．）をｈ_p ≒ａｆ² −ｂｑ² で 近似した場合
ｑ ：流量（ｐ．ｕ．）＝流量／定格流量＝Ｑ／Ｑ_N
ｈ_p ：ポンプ揚程（ｐ．ｕ．）＝揚程／定格揚程＝Ｈ／Ｈ_N
ｆ ：周波数（ｐ．ｕ．）＝周波数／定格周波数＝Ｆ／Ｆ_N

計算結果のポンプ速度ｆ₂ は、図２に示すＲＡＭ４１７の２ＲＥＳ（レジスター記憶領域）に記憶される。他方、ポンプ効率は、流量係数Φ＝Ｑ／Ａ_2u2 （Ｑ：流量、Ａ₂ ：羽根車出口断面積、ｕ２：羽根車の円周速度）をＸ軸に取ってプロットすると、ポンプ速度に関係なく、一つの二次曲線上に集まることが知られている。本発明では、前記流量係数Φの近似値として（流量ｑ（ｐ．ｕ．）／モータ周波数ｆ（ｐ．ｕ．））＝ｑ／ｆを取り、ポンプ効率を(3) 式で推定する。

ηｐ＝−Ｃ１（ｑ／ｆ）² ＋Ｃ２（ｑ／ｆ）＋Ｃ３ ・・・・(3)
前記Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３：ポンプ効率二次近似式の定数
したがって、（ｑ_re／ｆ₂ ）を(3) 式に代入することにより、要求流量ｑ_reで運転している場合のポンプ効率ηｐ_reが計算できる。この結果、式(3) は、図２に示すＲＡＭ４１７の３ＲＥＳに記憶される。したがって、運転点Ｅでの軸動力ｌ_re（ｐ．ｕ．）は、
ｌ_re＝ｈ_re×ｑ_re／ηｐ_re ・・・・(4)
となる。

前記軸動力ｌ_reは、図２に示すＲＡＭ４１７の４ＲＥＳに記憶され、予め入力されているポンプの許容軸動力ｌ_avと比較される。すなわち、ｌ_re≦ｌ_avの条件が満足されていれば、要求流量ｑ_reを第２の定格流量ｑ_2Nとし、要求揚程ｈ_reを第２の定格揚程ｈ_2Nとして決定する。同時に、ポンプ速度ｆ₂ を第２の定格周波数ｆ_2Nとして決定する。この結果、図３に示すように、図２に示すＲＡＭ４１７の５ＲＥＳ、６ＲＥＳ、７ＲＥＳにそれぞれ記憶される。

もし、ｌ_re≦ｌ_avの条件が満足されなければ、図３に示すように、要求流量ｑ_reを若干小さくして計算を繰り返す。ｌ_re≦ｌ_avの条件が満足される要求流量ｑ_reを見出す。かくして、任意の要求流量ｑ_re、必要なポンプの吐出揚程ｈ_d1、利用できる押込揚程ｈ_usを入力することにより、前記ＲＡＭ４１７の５ＲＥＳ、６ＲＥＳ、７ＲＥＳに、大流量運転制御のためのパラメータが生成される。

前記制御器４１９は、前記ＲＡＭ４１７に記憶された各パラメータを、安全のために、表示装置４２０に表示し、目視によって確認できるようにしている。確認して、ＯＫであれば、データセットスイッチ４１５をＯＮにする。この結果、前記データは、関数発生器４１３に転送された後、一時記憶される。

次に、前記関数発生器４１３の作用について説明する。前記関数発生器４１３は、第２の定格揚程ｈ_2N、第２の定格流量ｑ_2N、および推定流量ｑ＊、第２の最小圧力設定値ｈ₀₂を基にして、ポンプの推定末端圧力一定制御を遂行するため の目標圧力ｈ_S20 を生成するもので、次の(5) 式の演算を実行する。

ｈ_S20 ＝ｈ₀ ＋ｋ_q （ｈ_2N−ｈ₀ ）（ｑ＊／ｑ_2N）² ・・・・(5)
ここに、ｈ_S20 ： 推定末端圧力一定制御の揚程指令（ｐ．ｕ．）：Ｄ／Ａ変換器４１２の出力
ｈ₀ ： 最小揚程設定（ｐ．ｕ．）
ｋ_q ： 流量定数、通常は１．０に設定する。
吐出圧力一定制御の場合には、ｈ₀ を吐出圧力に設定し、ｋ_q ＝０に設定する。
ｑ＊ ： 推定流量（ｐ．ｕ．）：制御部３１の中で推定演算された値が関数発生器４１３に入力される。たとえば、以下に示すポンプの流量−揚程特性の二次近似式から演算推定される。
ｈ_P ≒ａ₁ ｆ² ＋ｂ₁ ｆ・ｑ＋ｃ₁ ｑ²
ｈ_P ： ポンプ揚程（ｐ．ｕ．）
ｆ ： モータ周波数（ｐ．ｕ．）
ｑ ： 流量（ｐ．ｕ．）
ａ₁ 、ｂ₁ 、ｃ₁ ： 定数

以上の動作を図４のポンプの揚程ｈ−流量ｑ特性で説明する。従来方式では、推定末端圧力一定制御は、ポンプの定格速度が与える揚程ｈ−流量ｑ特性、ｎ₁ （ｆ₁ ）を最大揚程特性として、流量低下に対応して、目標揚程曲線Ａ−Ｂ₁ になるようにポンプ速度が制御される。通常の場合、Ａ点は、定格揚程、定格流量点である。本発明は、実際に利用できる大きな押込揚程ｈ_SUが存在する場合、キャビテーション限界流量が、押込揚程がゼロか、または、小さい場合より大流量側に移動する特性を応用し、ポンプを定格流量以上にて運転することができる。

従来方式において、利用できる大きな押込揚程ｈ_SUが存在する場合、目標揚程曲線は、押込み揚程に比例し、図に示すように、目標揚程曲線Ａ₁ −Ｂ₂ になる。定格流量ｑ_1Nでのポンプ動作点は、Ａ₁ 点になり、ポンプ速度ｎ₃ （ｆ₃ ）となる。すなわち、最大流量は、定格流量である。ここで、本発明は、定格流量ｑ_INより大きい、たとえば、図示のように要求流量ｑ_reを第２の定格流量ｑ_2Nとする推定末端圧力一定制御を行うものである。この場合、推定末端圧力一定制御の目標揚程曲線は、Ｅ−Ｂ₂ のようになる。すなわち、従来方式よりも、大きい流量を第２の定格流量ｑ_2Nとして推定末端圧力一定制御を行うことができる。

この制御が可能な理由は、ポンプの運転点Ｅで、キャビテーションが発生しないこと、軸動力がそのポンプの許容軸動力以下になっていることを確かめなければならない。前記ポンプの許容軸動力は、以上のべたように、実際に必要なポンプ発生揚程と要求流量、その動作点におけるポンプ効率推定値から演算した軸動力と許容軸動力を比較することにより解決している。定格流量ｑ_INより小さい流量点に来るように設計されているので、定格流量以上では、効率の低下によって流量増加に対して軸動力が異常に上昇する。

図５は本実施例におけるポンプ特性において、キャビテーションを説明するための図である。図５において、定格流量ｑ_Inとキャビテーション限界流量ｑ_max との間で、軸動力の増加が著しいことが判る。特に、ポンプ速度を低下せしめた場合、この上昇する軸動力特性が低流量側に移動している。図５において、ｎ＝０．９５（ｐ．ｕ．）の場合の軸動力特性と、ｎ＝１．０（ｐ．ｕ．）の場合の軸動力特性とは、定格流量ｑ_av（ｐ．ｕ．）にて交叉している。前記交叉時における軸動力は、ｌ₂ （ｐ．ｕ．）である。すなわち、許容軸動力ｌ_av（ｐ．ｕ．）以上であれば、本発明の方式では、定格流量ｑ_av（ｐ．ｕ．）を、第２の定格流量ｑ_2Nとして採用できる。

このように、要求流量がキャビテーション限界流量以下であっても、速度低下によって低流量側に移動する軸動力特性によって許容される最大流量が制限される特性に留意しなければならない。本発明では、以上に述べたように、要求流量ｑ_re、要求揚程ｈ_reが満足するポンプ運転点におけるポンプ効率を推定し、軸動力を求めることによって、この問題を解決している。キャビテーション限界は、通常行われる必要ＮＰＳＨと利用ＮＰＳＨから求めるのが困難である。よって、本発明では、実際の該当ポンプシステムにて実験的に求める方法を取っている。

図６はある機種におけるキャビテーション限界を押込圧力０．２ＭＰａと０．２５ＭＰａの場合について、ポンプの運転速度（周波数）を変化させ場合を測定した図である。図６において、ポンプの周波数の上昇によって、キャビテーション発生流量も若干大きくなるという常識とは異なった特性となっている。すなわち、キャビテーション限界については、機種毎に実験し確認する必要がある。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項を逸脱することがなければ、種々の設計変更を行うことが可能である。本実施例に記載されているブロックは、周知または公知の回路を使用することができる。また、本実施例に記載されているモータ、ポンプ、弁等は、周知または公知の装置を使用することができる。本発明の実施例は、推定末端圧力一定制御で説明したが、吐出圧力一定制御であっても、同様に制御できることはいうまでもないことである。

本発明の実施例で、可変電圧・可変周波数電源で駆動される２台のポンプの単独交互運転方式で推定末端圧力一定制御を行う給水制御システムを説明するためのブロック構成図である。（実施例１） 本発明の実施例で、大流量運転制御を行う場合のブロック構成図である。 本発明の実施例で、大流量運転制御を行うためのフローチャートである。 図１に示すブロック構成図におけるポンプ押込側揚程をゼロの場合である押込揚程が存在する場合のポンプの流量−揚程特性を示す図である。 本実施例におけるポンプ特性において、キャビテーションを説明するための図である。 ある機種におけるキャビテーション限界を押込圧力０．２ＭＰａと０．２５ＭＰａの場合について、ポンプの運転速度（周波数）を変化させ場合を測定した図である。 従来例を説明するための給水制御システムを示すブロック構成図である。

符号の説明

１、２・・・ポンプ
３、５・・・ポンプ吐出側逆止弁
４、６・・・ポンプ吐出側止水弁
７・・・ポンプ吸込側逆流防止器
８・・・バイパス用逆止弁
９・・・保圧用圧力タンク
１０・・・流量検出用フロースイッチ
１０１・・・ポンプ吐出側圧力検出器
１１・・・給水部
１１１・・・水道管
１１２・・・給水管
１１３、１１４・・・給水分岐管
１１５・・・バイパス管
１１６・・・給水本管
１２・・・ポンプ吸込側圧力検出器
２１・・・駆動制御部
２１１、２１２・・・インバータ
２１３、２１４・・・モータ
３１・・・制御部
３１１・・・目標圧力設定器
３１２・・・演算器
３１３・・・ＰＩＤコントローラ
３１４、３１５・・・Ｄ／Ａ変換器
３１６・・・給水制御用シーケンス回路
３１７・・・切替スイッチ
４１・・・大流量運転制御ブロック
４１１・・・圧力設定器
４１２・・・Ｄ／Ａ変換器
４１３・・・推定末端圧力一定制御部（関数発生器）
４１４・・・定格定数演算器
４１５・・・セットスイッチ
４１６・・・ＲＯＭ
４１７・・・ＲＡＭ
４１８・・・比較器
４１９・・・制御器
４２０・・・表示装置

Claims (5)

1. ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、
   前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御する大流量運転制御方法において、
   実験によって得られたポンプの流量−揚程特性を二次近似式化したときのポンプ回転数の係数、およびポンプの流量−効率特性を二次近似式の二次係数、一次係数、定数に基づいてポンプの定格流量より大きな流量でポンプを運転することを特徴とする大流量運転制御方法。
2. ポンプが可変電圧・可変周波数電源で制御される電動機によって駆動され、
   前記ポンプの圧力を推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御によって制御する大流量運転制御方法において、
   実際に要求される流量、必要なポンプの吐出揚程、利用できる押込揚程、前記ポンプの流量−揚程特性を表す少なくとも２組のポンプ特性定数ａ、ｂ、前記ポンプの流量−効率特性を表す少なくとも３組の定数Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、前記ポンプの許容軸動力、およびポンプのキャビテーション限界流量を基にして、大流量運転を行うための定格定数を演算し、
   前記演算された定格定数を基にして関数を発生させ、
   前記関数により、ポンプの定格流量より大きい流量を第２の定格流量と設定し、
   前記第２の定格流量を基にして、推定末端圧力一定制御または吐出圧力一定制御を行うことを特徴とする大流量運転制御方法。
3. 給水部と、前記給水部におけるポンプを駆動する駆動制御部と、前記駆動制御部を制御する制御部と、大流量運転に切り替えられた際に大流量運転制御を行なう大流量運転制御ブロックとから少なくとも構成されている大流量運転制御システムにおいて、
   前記大流量運転制御ブロックは、
   実験によって得られたポンプの流量−揚程特性とポンプの流量−効率特性をあらわす二次近似式の定数ａ、ｂ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、実際に必要とする要求流量ｑ_re、定格揚程ｈ_N 、必要なポンプの吐出揚程ｈ_d1、前記ポンプのキャビテーション限界流量ｑ_max 、および前記ポンプの許容軸動力ｌ_av、押込み圧力ｈ_SUを基にして大流量運転のための定格定数を演算する定格定数演算器と、
   前記定格定数演算器によって演算されたポンプの定格流量より大きい第２の定格流量ｑ_2N、第２の定格揚程ｈ_2N、推定流量ｑ＊、および最小圧力設定値ｈ₀ を基にして目標圧力を発生させる関数発生器と、
   を少なくとも備えていることを特徴とする大流量運転制御システム。
4. 前記定格定数演算器における演算結果を目視できる表示装置を備えていることを特徴とする請求項３に記載された大流量運転制御システム。
5. 前記大流量運転制御ブロックは、前記定格定数演算器によって演算された結果を一時記憶するＲＡＭと、前記定格定数演算器の演算を行うプログラムおよび演算結果をチェックするプログラムが記憶されているＲＯＭとを備えていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載された大流量運転制御システム。

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