JP2007297919A - ポンプ運転支援システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ポンプ特性演算部301と配管抵抗特性演算部302とポンプ運転点演算部303とポンプ効率演算部304とモータ効率演算部305と力率演算部306と消費電力演算部307と消費電流演算部308と低効率判定部309と送水圧力判定部310を備え、前記各種演算部及び判定部の入力値及び演算結果を再利用するための記憶と、シミュレーションを可能にするためのディスプレイ上での可視化と、又、要因レベルの分析による実績水量データからの計画値の抽出と前記消費電力演算部308によるエネルギー演算と、ポンプ送水圧一定制御システムにおけるコントローラの送水圧力目標値の妥当性可否を行ない、適正なポンプ運転支援を行なう。
【選択図】図2
Description
(ア)異なる2点のポンプの運転点として流量及び揚程を入力するとポンプの流量に対する揚程特性及びポンプ効率特性及びモータ効率特性及び力率特性及び電力特性及び電流特性を数式化するとともに、ポンプ流量及び配管実揚程あるいはポンプ揚程及び配管実揚程あるいは配管流量及び配管全抵抗及び配管実揚程の3つの方法により入力すると配管抵抗特性を数式化するようにしており、ポンプの各種抵抗特性と配管抵抗特性の数式のモデル化を実現し、ポンプ運転点を決定する場合、従来、メーカー提供の特性図と照合しつつ煩雑で複合的な計算を行なっていた作業を大幅に簡略化できる。又、低効率領域として適正流量範囲を設定することによりポンプの適正化を図ることができ、
(イ)ポンプの各種特性及び配管抵抗特性を数式としてモデル化する演算部の入力及び演算部結果の数値を属性情報とともに記憶するようにし該属性情報を検索キーとして再利用することが可能になるため、試運転調整あるいは稼動後の運転分析の作業において大幅な工数を削減でき、
(ウ)モデル化されたポンプ消費電力特性式を活用し、月別時間帯別の需要水量計画データ及び水量実績データより消費電力量及び二酸化炭素排出量と同時に電力契約マスタより電力料金を演算し、月別時間帯別のエネルギー計画に対する消費エネルギーとコスト及び環境性の実績管理を行なうことができる。特に、従来電力量を監視するためには全てのポンプに個別に電力測定器を設置し測定データを収集する大掛かりな監視システムが必要だったが、そのような別途の監視システムも必要なくなり低コストでエネルギー監視を行なうことができ、
(エ)コントローラによりインバータ周波数を可変させてポンプの送水圧力が一定になるようポンプ回転数を制御するシステムにおいては、モデル化された各種ポンプ特性式及び配管特性式を活用して、送水圧力の設定値とポンプ運転点との比較により省エネ化と適正化の観点でポンプ運転の適正化を図ることができるようにし、運転作業者がポンプに関する理論的知識が不充分でも確実な運転方法を提供できる
という効果を発揮するものである。
Q1 =Q1f/f、P1 =P1f/f2 、
Q2 =Q2f/f、P2 =P2f/f2 式(1)
ポンプ最大流量Q0 に対する運転流量Qの比q及びポンプ締切揚程P0 に対する運転揚程Pの比pは、
q=Q/Q0 、p=P/P0 式(2)
ポンプ特性式を2次元モデル化すると運転流量比q、運転揚程比p、運転揚程P、締切揚程P0 の関係は、
p=1−q2 、P=P0 (1−q2 ) 式(3)
式(3)よりポンプの最大流量Q0 及び締切揚程P0 は次の式(4)、式(5)のようにして演算され、
式(4)、式(5)に示すように、一度、異なる2つの運転点の流量、揚程を入力すると、最大流量Q0 、締切揚程P0 、すなわち式(2)、式(3)で示すポンプ特性式の定数が決定される。ここで、定格電源周波数F0 に対する運転電源周波数Fの比をfとすると、前記運転電源周波数比fに対応する式(3)の特性式は、
p=f2 −q2 、P=P0 (f2 −q2 ) 式(6)
以降、式(2)、式(4)、式(5)、式(6)により変数として運転流量Q及び運転電源周波数Fを入力すると揚程Pが演算される。なお、前述のポンプ揚程(P1 、P2 )及びポンプ流量(Q1 、Q2 )は、現場で測定した運転値あるいはセンサより取り込んだ値以外に、メーカー提供の特性値でもよい。
h=h0 +γ×q 2 式(7)
なお、式(7)において、配管抵抗Hはポンプ締切揚程P0 、配管抵抗比hより、
H=P0 ×h 式(8)
ここで、式(7)のγは無次元抵抗係数で、次の3つの方法により決定される。
ポンプ最大流量Q0 に対するポンプ流量比q3 は、
q3 =Q3 /Q0 式(9)
ポンプ流量比q3 に対するポンプ揚程比p3 は、
p3 =1−q3 2 式(10)
ポンプ締切揚程P0 に対する配管実揚程h0 は、
h0 =H0 /P0 式(11)
無次元抵抗係数γは、式(7)、式(9)、式(10)、式(11)より、
γ=(1−q3 2−h0 )/q3 2 式(12)
のように決定される。
ポンプ揚程P0 に対するポンプ揚程比p3 は、
p3 =P3 /P0 式(13)
ポンプ揚程比p3 に対するポンプ流量比q3 は、
h0 =H0 /P0 式(15)
無次元抵抗係数γは、式(7)、式(13)、式(14)、式(15)より、
γ=(p3 −h0 )/(1−p3 ) 式(16)
のように決定される。
ポンプ揚程P0 に対する配管流量比q4 は、
q4 =Q4 /P0 式(17)
ポンプ締切揚程P0 に対する配管全抵抗h3 は、
h3 =H3 /P0 式(18)
ポンプ締切揚程P0 に対する配管実揚程h0 は、
h0 =H0 /P0 式(19)
無次元抵抗係数γは、式(7)、式(17)、式(18)、式(19)より、
γ=(h3 −h0 )/q4 2 式(20)
のように決定される。
p3 =f2 −q3 2 式(21)
同様に、ポンプの運転点でのポンプ締切揚程に対する配管抵抗比h3 、ポンプ最大流量に対する配管流量比q3 の関係は式(7)より、
h3 =h0 +γ×q3 2 式(22)
ポンプの運転点ではp3 とh3 は同じ値になるので、式(21)、式(22)より、ポンプ運点流量Q3 の最大流量に対する流量比q3、ポンプ運点揚程P3 の締切揚程に対する比p3 は、
式(25)、式(26)において、ポンプ締切揚程P0 及びポンプ最大流量Q0 は前記ポンプ特性演算部301により、 また配管実揚程比h0 及び無次元抵抗係数γは前記配管抵抗特性演算部302により設定されており、このようにしてポンプ運転点は一義的に決定される。
qB =QB /Q0 式(27)
同様に、ポンプ最大流量Q0 に対するポンプ運転点の流量Qの比qは、
q=Q/Q0 式(28)
ポンプ最大効率ΞPBに対するポンプ運転点でのポンプ効率ΞP の比ξP は、
ξP =ΞP /ΞPB 式(29)
ポンプ最大効率点の流量QB 未満とする小流量域の近似べき数nS 、ポンプ最大効率点の流量QB 以上とする大流量域の近似べき数nL を定数として入力すると、運転流量比qでのポンプ最大効率点に対するポンプ効率比ξP は、
q<qB の場合、ξP =1−|(qB −q)/qB |nS 式(30)
q≧qB の場合、ξP =1−|(qB −q)/qB |nL 式(31)
式(29)、式(30)、式(31)よりポンプ効率ΞP は、
q<qB の場合、ΞP =ΞPB×(1−|(qB −q)/qB |nS) 式(32)
q≧qB の場合、ΞP =ΞPB×(1−|(qB −q)/qB |nL) 式(33)
式(32)、式(33)に示すように、ポンプ運転流量に対するポンプ効率特性が一義的に決定される。
qB =QB /Q0 式(34)
同様に、ポンプ最大流量Q0 に対するポンプ運転点の流量Qの比qは、
q=Q/Q0 式(35)
ポンプ最大効率ΞMBに対する締切時のモータ効率ΞMCの比ξMCは、
ξMC=ΞMC/ΞMB 式(36)
ポンプ最大効率ΞPBに対するポンプ運転点でのモータ効率ΞM の比ξM は、
ξM =ΞM /ΞMB 式(37)
ポンプ最大効率点の流量QB 未満とする小流量域の近似べき数mS 、ポンプ最大効率点の流量QB 以上とする大流量域の近似べき数mL を定数として入力すると、運転流量比qでのポンプ最大効率点に対するモータ効率比ξM は、
q<qB の場合、
ξM =1−(1−ξMC)×|(qB −q)/qB |mS 式(38)
q≧qB の場合、
ξM =1−(1−ξMC)×|(qB −q)/qB |mL 式(39)
式(37)、式(38)、式(39)よりモータ効率ΞM は、
q<qB の場合、
ΞM =ΞMB×(1−ξMC)×(1−|(qB −q)/qB |mS) 式(40)
q≧qB の場合、
ΞM =ΞMB×(1−ξMC)×(1−|(qB −q)/qB |mL) 式(41)
式(40)、式(41)に示すように、ポンプ運転流量に対するモータ効率特性が一義的に決定される。
qB =QB /Q0 式(42)
同様に、ポンプ最大流量Q0 に対するポンプ運転点の流量Qの比qは、
q=Q/Q0 式(43)
ポンプ最大効率ΦkBに対する締切時の力率ΦkCの比ξkCは、
φkC=ΦkC/ΦkB 式(44)
ポンプ最大効率ΦPBに対するポンプ運転点での力率Φk の比φk は、
φk =Φk /ΦkB 式(45)
ポンプ最大効率点の流量QB 未満とする小流量域の近似べき数kS 、ポンプ最大効率点の流量QB 以上とする大流量域の近似べき数kL を定数として入力すると、運転流量比qでのポンプ最大効率点に対する力率比φk は、
q<qB の場合、
φk =1−(1−φkC)×|(qB −q)/qB |kS 式(46)
q≧qB の場合、
φk =1−(1−φkC)×|(qB −q)/qB |kL 式(47)
式(45)、式(46)、式(47)より力率Φk は、
q<qB の場合、
Φk =ΦkB×(1−φkC)×(1−|(qB −q)/qB |kS) 式(48)
q≧qB の場合、
Φk =ΦkB×(1−φkC)×(1−|(qB −q)/qB |kL) 式(49)
式(48)、式(49)に示すように、ポンプ運転流量に対する力率特性が一義的に決定される。
P=P0 (1−q2 ) 式(50)
ポンプ運転流量Q及び式(50)で決定されたポンプ揚程Pと、前記ポンプ効率演算部304の式(32)、式(33)で設定されたポンプ効率ΞP 、前記モータ効率演算部305の式(40)、式(41)で設定されたモータ効率ΞK より消費電力Wは、
W=P×Q/6.12/ΞP /ΞK ×(1+LI ) 式(51)
式(51)に示すように、ポンプ運転流量に対する消費電力が一義的に決定される。
式(52)に示すように、消費電力演算部307にてポンプ運転流量に対する消費電力が決定されると消費電流が一義的に決定される。
q=Q/Q0 式(53)
q≦qaPS の場合、低効率状態 式(54)
qaPS <q<qaPL の場合、適性運転状態 式(55)
q≧qaPL の場合、低効率状態 式(56)
前記式(54)、式(55)、式(56)に示すように、低効率警報点qaPS qaPL を入力すると、ポンプ運転流量に対して適正範囲を越えた場合に低効率状態として警報を出すようにし、サージングやキャビテーション等の異常を防止するようにしている。
q=Q/Q0 式(57)
ポンプ締切揚程P0 に対するポンプ運転点の揚程Pの比pは、
p=P/P0 式(58)
運転電源周波数Fの定格電源周波数F0 に対する比fは、
f=F/F0 式(59)
インバータ下限周波数FS の定格電源周波数F0 に対する比fS は、
fS =FS /F0 式(60)
インバータ上限周波数FL の定格電源周波数F0 に対する比fL は、
fL =FL /F0 式(61)
図4に示す第1のケースとして、以下の式(62)のように送水圧力設定値1が運転揚程1以下の場合、
PSP≦P0 ×(fS 2 −q2 ) 式(62)
送水圧力設定値PSPがインバータ下限周波数FS でのポンプ運転点の揚程以下に設定されており、このような最小負荷付近での送水圧力設定については、インバータ下限周波数FS をさらに低くして省エネを図るようにするか、ポンプが不安定領域に入るため下限周波数FS を低くできない場合は式(62)の右辺の値を適正値として設定する。
PSP≧P0 ×(fL 2 −q2 ) 式(63)
送水圧力設定値PSPがインバータ上限周波数FL でのポンプ運転点の揚程以上に設定されており、このような最大負荷付近での送水圧力設定については、送水圧力設定値PSPを低くして式(63)の右辺の値を適正値として設定するようにして省エネを図るか、系全体として流量不足に陥るため送水圧力設定値PSPを低くできない場合はインバータ上限周波数FL を高くするが定格周波数F0 を超える場合は系統の見直しをする。
p<h0 +γ×q 2 式(64)
送水圧力設定値PSPが定格周波数での抵抗特性上のポンプ運転点未満に設定されているため制御範囲を超えている。このような定格周波数での送水圧力設定については、設計上送水圧力設定に余裕がある場合は送水圧力設定値PSPを高くして式(64)の右辺の値を適正値として設定し適性化を図るか、設計上余裕のない場合は負荷に対して供給する流量が不足するため系統の見直しをする。
2 信号入力装置
3 コンピュータ
4 記憶装置
5 ディスプレイ
301 ポンプ特性演算部
302 配管抵抗特性演算部
303 ポンプ運転点演算部
304 ポンプ効率演算部
305 モータ効率演算部
306 力率演算部
307 消費電力演算部
308 消費電流演算部
310 送水圧力判定部
Claims (11)
- 入力手段と演算手段と表示手段を備え、
前記演算手段はポンプ特性演算手段と配管抵抗特性演算手段とポンプ運転点演算手段からなり、
前記ポンプ特性演算手段は、前記入力手段から異なる2点のポンプ揚程及びポンプ流量を入力し、ポンプ締切揚程及びポンプ最大流量を演算するポンプ特性演算部1と、前記入力手段からポンプ運転流量とポンプ運転電源周波数及び定格電源周波数を入力し、前記ポンプ特性演算部1の演算結果を利用してポンプ揚程を演算するポンプ特性演算部2を有し、
前記配管抵抗特性演算手段は、前記入力手段からポンプ流量と配管実揚程、あるいはポンプ揚程と配管実揚程、あるいは配管流量と配管全抵抗と配管実揚程を入力し、無次元化抵抗係数を演算する配管抵抗特性演算部1と、前記入力手段からポンプ運転流量を入力し、前記配管抵抗特性演算部1の演算結果を利用して配管抵抗を演算する配管抵抗特性演算部2を有し、
前記ポンプ運転点演算手段は、前記ポンプ特性演算部1で決定されたポンプ締切揚程及びポンプ最大流量と、前記配管抵抗特性演算部1で決定された無次元化抵抗係数と、前記入力手段から入力された配管実揚程とから、ポンプ運転点の流量及び揚程を演算し、
前記表示手段は、前記演算手段での演算結果を表示することを特徴とするポンプ運転支援システム。 - 前記演算手段が、前記入力手段からポンプ最大効率点のポンプ最大効率及びポンプ流量、該ポンプ流量未満での近似べき数1、該ポンプ流量以上での近似べき数2を入力し、変数としてポンプ運転流量を入力すると、前記ポンプ特性演算部1で決定されたポンプ最大流量を利用してポンプ効率を演算するポンプ効率演算手段を備えていることを特徴とする請求項1記載のポンプ運転支援システム。
- 前記演算手段が、前記入力手段からポンプ締切時のモータ効率とポンプ最大効率点のモータ効率及びポンプ流量と該ポンプ流量未満での近似べき数1と該ポンプ流量以上での近似べき数2を入力し、変数としてポンプ運転流量を入力すると、前記ポンプ特性演算部1で決定されたポンプ最大流量を利用してモータ効率を演算するモータ効率演算手段を備えていることを特徴とする請求項2記載のポンプ運転支援システム。
- 前記演算手段が、前記入力手段からポンプ締切時の力率とポンプ最大効率点の力率及びポンプ流量と該ポンプ流量未満での近似べき数1と該ポンプ流量以上での近似べき数2を入力し、変数としてポンプ運転流量を入力すると、前記ポンプ特性演算部1で決定されたポンプ最大流量を利用して力率を演算する力率演算手段を備えていることを特徴とする請求項2記載のポンプ運転支援システム。
- 前記演算手段が、前記入力手段からインバータロスと変数としてポンプ運転流量を入力すると、前記ポンプ特性演算部1で決定されたポンプ最大流量と、請求項2記載のポンプ効率演算部で演算されるポンプ効率と、請求項3記載のモータ効率演算部で演算されるモータ効率を利用して消費電力を演算する消費電力演算手段を備えていることを特徴とするポンプ運転支援システム。
- 前記演算手段が、前記入力手段から変数としてポンプ運転流量を入力すると、請求項4記載の力率演算部で演算される力率と、請求項5記載の消費電力演算部で演算される消費電力を利用して消費電流を演算する消費電流演算手段を備えていることを特徴とするポンプ運転支援システム。
- 前記演算手段が、前記入力手段から最小の適正流量、最大の適正流量を入力し、変数として運転流量を入力すると、前記ポンプ特性演算部1で決定されるポンプ最大流量を利用して前記最小の適正流量以下の場合あるいは前記最大の適正流量の場合に低効率と判定する低効率判定手段を備えていることを特徴とする請求項1記載のポンプ運転支援システム。
- 入力値及び演算結果の値に属性情報を付加して記憶するとともに、前記属性情報を検索キーにして参照するようにした記憶手段を備えていることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載のポンプ運転支援システム。
- 前記表示手段は、演算結果を、ディスプレイに特性図としてリアルタイムに可視化し、前記可視化された線図上で同時に数値を表示することを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載のポンプ運転支援システム。
- 電力契約マスタ及び二酸化炭素換算係数マスタを記憶する記憶手段を有するとともに、前記演算手段が、月別時間帯別実績水量データより要因別に仕分けされた月別時間帯別水量計画データと月別時間帯別水量実績データを入力すると、該月別時間帯別水量計画データ及び該前記月別時間帯別水量実績データに対応する消費電力を前記消費電力演算部で演算し、該消費電力を消費電力量として前記電力契約マスタより電力料金を演算し、又前記消費電力量と前記二酸化炭素換算係数マスタより二酸化炭素排出量を演算し、前記月別時間帯別水量計画データと前記月別時間帯別水量実績データに対応する前記消費電力量及び前記消費電力料金及び前記二酸化炭素排出量を比較できるようにしたエネルギー演算手段を備えていることを特徴とする請求項6記載のポンプ運転支援システム。
- コントローラによりインバータ周波数を可変させてポンプの送水圧力が一定になるようポンプ回転数を制御するポンプ運転システムにおいて、
前記ポンプ特性演算手段で決定されるポンプ特性式の定数となるポンプ締切揚程及びポンプ最大流量と前記配管特性演算手段で決定される配管抵抗特性式の定数となる配管実揚程及び無次元化抵抗係数と前記コントローラのポンプ送水圧力設定値とインバータ下限周波数とインバータ上限周波数を入力し、変数となるポンプ運転流量あるいは運転電源周波数及び定格電源周波数を入力すると、前記ポンプ特性式及び前記配管抵抗特性式により前記コントローラのポンプ送水圧力設定値の適正判定を行ない又適正値を設定する送水圧力判定部を備え、
第1のケースとして前記送水圧力設定値が前記インバータ下限周波数でのポンプ運転点の揚程以下に設定されている場合にインバータ下限周波数をさらにポンプ運転点の揚程以下まで低くするかあるいはポンプが不安定領域に入るため下限周波数を低くできない場合は前記ポンプ特性演算手段で演算された揚程を適正値として設定し、また第2のケースとして前記圧力設定値がインバータ上限周波数でのポンプ運転点の揚程以上に設定されている場合に送水圧力設定値を低くして前記ポンプ特性演算手段で演算された揚程を適正値として設定するようにするあるいは系全体として流量不足に陥るため送水圧力設定値を低くできない場合はインバータ上限周波数を高くするが定格周波数を超える場合は系統の見直しをし、また第3のケースとして前記送水圧力設定値が定格周波数での抵抗特性上のポンプ運転点未満に設定されているため制御範囲を超えている場合に設計上前記送水圧力設定に余裕がある場合は前記送水圧力設定値を高くして前記配管抵抗特性演算手段で演算された配管抵抗の値を適正値として設定し適性化を図るか設計上余裕のない場合は負荷に対して供給する流量が不足するため系統の見直しをすることを特徴とする請求項1記載のポンプ運転支援システム。
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