JP2008075595A - 先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】気水混合運転状態を含む先行待機型立軸ポンプの排水量を、簡易かつ高精度で測定する。
【解決手段】水位センサ１１で測定された吸水位ＴＰが空気供給口１０ａに対応する水位である上側閾値ＴＰ_ＵＰを上回っていれば、水位センサ１１で測定された吸水位ＴＰ、水位センサ１２で測定された吐出水位ＴＥ、予め測定された通常排水運転状態における全揚程と排水量の関係、及び予め測定された管路抵抗に基づいて排出量Ｑを算出する。吸水位ＴＰが上側閾値ＴＰ_ＵＰ以下であり、かつ吸込口５ａの水位より上方の所定の水位である下側閾値ＴＰ_ＬＷを上回っていれば、予め測定された吸水位ＴＰと排水量Ｑの関係を用いて排水量Ｑを算出する。吸水位ＴＰが下側閾値ＴＰ_ＬＷ以下であれば、排水量Ｑをゼロとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法に関する。

近年、市街地化や道路の舗装化により雨水の地下浸透率が低下している。また、ヒートアイランド現象等による局地的集中豪雨の発生が増加している。これらの原因により、下水道の排水ポンプ場へ短時間に多量の雨水が流入する傾向がある。この短時間かつ多量の雨水流入に対処するために、降雨情報等に基づいて予めポンプを始動しておいて雨水が排水ポンプ場に流入するのと同時に排水を開始し、かつ吸水槽内の水位が変動しても運転状態を維持することができる先行待機型立軸ポンプに対する要求が高まっている。

羽根車より下方のケーシングに空気を導入することで先行待機運転を実現した立軸ポンプが知られている（特許文献１）。この方式の先行待機型立軸ポンプでは、吸水槽内の水位がケーシング内の羽根車より上方の排水水位より低い状態でも運転を行うため、吸水槽内の水位が排水水位以上であって空気が混入しない状態で水を排水する運転状態（通常排水運転状態）に加え、空気が混入した状態で水を排水する運転状態（気水混合運転）と、羽根車の下方に空気だまりが形成され羽根車の上方に水柱が形成される運転状態（エアロック運転）がある。

エネルギ消費の低減、管理レベルの向上等の観点から、先行待機型立軸ポンプの排水量の高精度での測定に対する要求が高まっている。しかし、気水混合運転時の排水量を通常排水運転時と同様に実揚程（測定値）、排水量と全揚程の関係を示す特性曲線、及び管路抵抗から算出すると、排水量を過大に見積ることになる。逆に、気水混合運転の際の排水量をゼロとすると排水量を過小に見積ることなる。従って、これらの手法はいずれも正確さに欠ける。特許文献２に気水混合運転を含む先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法が記載されている。しかし、この特許文献２に記載の測定方法では、複雑な演算を実行する必要がある。

特開２００４−１６２６４４号公報 特開平６−２６８９９号公報

本発明は、気水混合運転状態を含む先行待機型立軸ポンプの排水量を、簡易かつ高精度で測定することを課題とする。

本発明の第１の態様は、ケーシングの羽根車よりも吸込口側の位置に空気供給口を備える先行待機型立軸ポンプが吸水槽内の水を吐出水槽に排水する排水量を測定する方法であって、前記吸水槽の水位である吸水位を第１の水位センサで測定し、前記吐出水槽の水位である吐出水位を第２の水位センサで測定し、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記空気供給口に対応する水位である上側閾値を上回っていれば、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位、前記第２の水位センサで測定された前記吐出水位、予め測定された通常排水運転状態における全揚程と前記排水量の関係、及び予め測定された管路抵抗に基づいて前記排出量を算出し、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記上側閾値以下であり、かつ前記吸込口の水位より上方の所定の水位である下側閾値を上回っていれば、予め測定された前記吸水位と前記排水量の関係を用いて前記排水量を算出し、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記下側閾値以下であれば、前記排水量をゼロとする、先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法を提供する。

本発明の第２の態様は、ケーシングの羽根車よりも吸込口側の位置に空気供給口を備える先行待機型立軸ポンプが吸水槽内の水を吐出水槽に排水する排水量を測定する方法であって、前記吸水槽の水位である吸水位を第１の水位センサで測定し、前記吐出水槽の水位である吐出水位を第２の水位センサで測定し、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記空気供給口に対応する水位である上側閾値を上回っていれば、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位、前記第２の水位センサで測定された前記吐出水位、予め測定された通常排水運転状態における全揚程と前記排水量の関係、及び予め測定された管路抵抗に基づいて前記排出量を算出し、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記上側閾値以下であり、かつ前記吸込口の水位より上方の所定の水位である下側閾値を上回っていれば、前記排出量を予め定められた規定排水量とし、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記下側閾値以下であれば、前記排水量をゼロとする、先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法を提供する。

本発明の排水量測定方法により、気水混合運転状態を含む先行待機型立軸ポンプの排水量を簡易かつ高精度で測定できる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１を参照すると、先行待機型立軸ポンプ（以下、単に立軸ポンプという）１は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽２内に流入する雨水等の水を吐出水槽３に排水する。立軸ポンプ１は鉛直方向に延びるケーシング５を備え、このケーシング５内には鉛直方向に延びる回転軸６が配置されている。回転軸６の下端には羽根車７が固定されている。回転軸６の上端はケーシング５の外部に突出し、概略的に示すモータ８に連結されている。ケーシング５の上端（吐出側）には吐出側の配管９の一端が接続されている。この配管９の他端は吐出水槽３内で開放している。羽根車７よりも下方（吸込口５ａ側）のケーシング５には空気導入管１０の一端である空気供給口１０ａが開口している。空気導入管１０の他端は大気に開放されている。

吸水槽２には第１水位センサ１１が配置されている。本実施形態では、第１水位センサ１１が測定する吸水槽２内の水位（吸水位ＴＰ）は、吸水槽２の上方に設定された基準高さから下向きに測った距離である（下向きであることを示すため吸水位ＴＰの符号はマイナスとする。）。同様に、吐出水槽３には、吐出水槽３内の水位（吐出水位ＴＥ）を測定する第２水位センサが配置されている。第１水位センサ１１が測定する吸水位ＴＰと第１水位センサ１２が測定する吐出水位ＴＥは演算装置１５に常時入力されている。なお、実揚程ｈｄは吸水位ＴＰと吐出水位ＴＥから得られる（ｈｄ＝ＴＥ−ＴＰ）。

立軸ポンプ１には、概ね３つの運転状態がある。まず、吸水位ＴＰが十分に高い場合、例えば羽根車７の上端に対応する水位ＴＰ_１よりも高い場合に、空気が混入しない状態で水を排水する通常排水運転状態がある。また、吸水位ＴＰの低下に伴って生じる空気が混入した状態で水を排水する気水運転状態がある。さらに、気水運転状態からさらに吸水位ＴＰが低下することにより生じる、羽根車７の下方に空気だまりが形成されると共に羽根車７の上方に水柱が形成されるエアロック運転状態がある。

演算装置１５は、記憶部１６と処理部１７を備える。

記憶部１６には、少なくとも以下の情報とそれに基づいて立軸ポンプ１の排水量Ｑを演算する方法ないしは手順が予め記憶されている。
１）立軸ポンプ１が通常排水運転の状態にあるときの全揚程Ｈと排水量Ｑの関係（Ｈ−Ｑ特性）。
２）立軸ポンプ１の吸込口から配管９の出口までの管路抵抗。
３）実揚程ｈｄ、Ｈ−Ｑ特性、及び管路抵抗から排水量Ｑを計算するための関係式。この関係式は当業者に広く知られている。
４）空気供給口に対応する水位である上側閾値ＴＰ_ＵＰ。
５）上側閾値ＴＰ_ＵＰよりも低く吸込口５ａの水位ＴＰ_０よりも高い下側閾値ＴＰ_ＬＷ。この下側閾値ＴＰ_ＬＷは、それ以上水位が低下すると立軸ポンプ１がエアロック運転に移行する吸水位ＴＰに対応している。さらに具体的には、この下側閾値ＴＰ_ＬＷは、ケーシング５の下端の吸込口５ａからケーシング５内に流入する空気の損失と、空気導入管１０を介して空気供給口１０ａからケーシング５内に流入する空気の損失とが釣り合う吸水位ＴＰに対応している。
６）吸水位ＴＰが上側閾値ＴＰ_ＵＰと同一又はそれよりも低く、かつ下側閾値ＴＰ_ＬＷよりも高い場合の吸水位ＴＰと立軸ポンプ１の排水量Ｑの関係（図３参照）。この場合、吸水位ＴＰが低下するほど排水量Ｑが減少する。

処理部１７は水位センサ１１，１２から入力される吸水位ＴＰ及び吐出水位ＴＥと、記憶部１６に記憶されている情報及び手順とにより立軸ポンプ１の排水量Ｑを算出し、算出した排水量Ｑを表示装置１８に表示させる。具体的には、処理部１７は以下のよう立軸ポンプ１の排水量Ｑを算出する。

吸水位ＴＰが上側閾値ＴＰ_ＵＰよりも高い場合（ＴＰ_ＵＰ＜ＴＰ）には、前述の情報１）〜３）に基づいて立軸ポンプ１の排水量Ｑが算出される。具体的には、水位センサ１１，１２から入力される吸水位ＴＰと吐出水位ＴＥから立軸ポンプ１の実揚程ｈｄを求める。また、求めた実揚程ｈｄ、Ｈ−Ｑ特性、及び管路抵抗から排水量Ｑを計算する。吸水位ＴＰが上側閾値ＴＰ_ＵＰよりも高い場合（ＴＰ_ＵＰ＜ＴＰ）は、立軸ポンプ１が通常排水運転の状態にある場合に相当する。

吸水位ＴＰが上側閾値ＴＰ_ＵＰと同一又はそれよりも低く、かつ下側閾値ＴＰ_ＬＷよりも高い場合（ＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷ）には、図３の関係を使用して吸水水位ＴＰから排水量Ｑを求める。吸水位ＴＰが上側閾値ＴＰ_ＵＰと同一又はそれよりも低く、かつ下側閾値ＴＰ_ＬＷよりも高い場合（ＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷ）は、立軸ポンプ１が気水混合運転状態となったことにより排水量の低下が生じている状態に対応する。

吸水位ＴＰが下側閾値ＴＰＬＷと同一又はそれよりも低い場合（ＴＰ_ＬＷ≧ＴＰ）は、立軸ポンプ１がエアロック運転又は気中運転の状態にある場合に相当し、立軸ポンプ１の排水量Ｑはゼロに設定される（Ｑ＝０）。

以下の表１に処理部１７が実行する立軸ポンプ１の排水量Ｑの算出方法をまとめて示す。

Ｈ−Ｑ特性、上側閾値ＴＰ_ＵＰ、下側閾値ＴＰ_ＬＷ、及び図３に示す吸水位ＴＰと吸水量Ｑの関係は、例えば製造工場において立軸ポンプ１を実際に通常排水運転や気水混合運転の状態で動作させ、その際の排水量Ｑ、吸水位ＴＰ、及び吐出水位ＴＥを測定することによって得られる。

以下、吸水位ＴＰがＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷの範囲にあるときの吸水位ＴＰと排水量Ｑの関係の決定方法の一例を説明する。まず、定格排水量（３００m³/min)を最大とする６種類の流量、すなわち５０m³/min、１００m³/min、１５０m³/min、２００m³/min、２５０、及び３００m³/minについて、排水量Ｑを一定に維持したままで、吸水位ＴＰを徐々に低下させつつ全揚程Ｈを測定する。測定結果を図４に示す。６種類の排水量Ｑのそれぞれについて吸水位ＴＰが特定の水位まで低下すると、気水混合運転状態であることの影響で全揚程の急激な降下が始まっている。例えば、排水量Ｑが定格の３００m³/minの場合には、空気供給口１０ａの高さ位置（上側閾値ＴＰ_ＵＰ）である、−１６．４ｍの吸水位ＴＰで全揚程Ｈの急激な降下が開始する。排水量Ｑの減少に伴い、ケーシング５内への空気の吸込量が減少するので、全揚程Ｈの急激な降下が開始する吸水位ＴＰも低下していく。図４において全揚程Ｈの急激な降下の開始点を結ぶ曲線Ｌを求める。この曲線Ｌと６種類の流量について吸水位ＴＰと全揚程Ｈの交点を横軸が流量Ｑで縦軸が吸水位である座標平面上にプロットしたものが図３のグラフである。すなわち、この例ではＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷの範囲にあるときの吸水位ＴＰと排水量Ｑの関係を、排水量Ｑと気水混合運転状態となることによる全揚程Ｈの降下が始まる吸水位ＴＰとの関係から求められている。

本実施形態では、気水混合運転状態により排水量Ｑの減少が生じているＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷの範囲における排水量Ｑを図３の関係に基づいて求めており、気水混合運転状態の排水量Ｑを過大（定格排水量である通常排水運転と同一）に見積ることも、過小（排水量がゼロ）に見積もることもない。またＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷの範囲における排水量Ｑを求めるために複雑な演算を実行する必要もない。よって、本実施形態の方法により方法により排水量Ｑを簡易かつ高精度で測定できる。

（第２実施形態）
第２実施形態は演算装置１５が実行する立軸ポンプ１の排水量Ｑの測定方法のみが異なり、立軸ポンプ１自体の構造等は第１実施形態と同様である（図１参照）。以下の表２に示すように、処理部１７が実行する立軸ポンプ１の排水量Ｑの算出方法も、吸水位ＴＰがＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷの範囲にある場合を除いて第１実施形態と同一である。

本実施形態では、吸水位ＴＰがＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷである場合、排水量Ｑは予め定められた一定の排水量である規定排水量Ｑ_ＲＥであると推定される。この規定排水量Ｑ_ＲＥは少なくとも定格排水量での通常排水運転状態での排水量（本実施形態では３００m³/min）よりも少なく設定する必要がある。また、この規定排水量Ｑ_ＲＥを通常排水運転状態での排水量に近い値に設定すると、実際に立軸ポンプ１が吸水槽２から排出している排水量よりも多くの水が排出されていると推定する可能性があり好ましくない。逆に、規定排水量Ｑ_ＲＥを通常排水運転状態での排水量よりも十分に少なく設定しておけば、実際に立軸ポンプ１が吸水槽２から排出している排水量よりも少ない量の水が排出されていると推定する可能性はあっても、実際の排水量よりも多くの水が排出されていると推定する可能性を排除できる。従って、規定排水量Ｑ_ＲＥを通常排水運転状態での排水量よりも十分に少なく、具体的には定格排水量での通常排水運転状態での排水量（本実施形態では３００m³/min）の１／１０以上１／５以下の範囲の排水量に設定される。例えば、規定排水量Ｑ_ＲＥは定格排水量での通常排水運転状態での排水量（３００m³/min）の１／６である５０m³/minに設定される。

本実施形態では、気水混合運転状態により排水量Ｑの減少が生じているＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷの範囲における排水量Ｑを規定排水量Ｑ_ＲＥに設定しているので、気水混合運転状態の排水量Ｑを過大（定格排水量である通常排水運転と同一）に見積ることも、過小（排水量がゼロ）に見積ることもない。またＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷの範囲における排水量Ｑを求めるために複雑な演算を実行する必要もない。よって、本実施形態の方法により方法により排水量Ｑを簡易かつ高精度で測定できる。

本発明は前記実施形態に限定されず種々の変形が可能である。例えば、先行待機型立軸ポンプの構造は図１のものに限定されず、ケーシングの羽根車よりも吸込口側の位置に空気供給口を備えるものであればよい。

先行待機型立軸ポンプを示す模式図。 立軸ポンプの部分拡大図。 吸水位と排水量の関係を示す線図。 種々の排水量について吸水位と全揚程の関係を示す線図。

符号の説明

１ 先行待機型立軸ポンプ
２ 吸水槽
３ 吐出水槽
５ ケーシング
５ａ 吸込口
６ 回転軸
７ 羽根車
８ モータ
９ 配管
１０ 空気導入管
１０ａ 空気供給口
１１ 第１水位センサ
１２ 第２水位センサ
１５ 演算装置
１６ 記憶部
１７ 処理部
１８ 表示装置

Claims (6)

1. ケーシングの羽根車よりも吸込口側の位置に空気供給口を備える先行待機型立軸ポンプが吸水槽内の水を吐出水槽に排水する排水量を測定する方法であって、
   前記吸水槽の水位である吸水位を第１の水位センサで測定し、
   前記吐出水槽の水位である吐出水位を第２の水位センサで測定し、
   前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記空気供給口に対応する水位である上側閾値を上回っていれば、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位、前記第２の水位センサで測定された前記吐出水位、予め測定された通常排水運転状態における全揚程と前記排水量の関係、及び予め測定された管路抵抗に基づいて前記排出量を算出し、
   前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記上側閾値以下であり、かつ前記吸込口の水位より上方の所定の水位である下側閾値を上回っていれば、予め測定された前記吸水位と前記排水量の関係を用いて前記排水量を算出し、
   前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記下側閾値以下であれば、前記排水量をゼロとする、先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法
2. 前記下側閾値は、前記吸込口から前記ケーシング内に流入する空気の損失と、前記空気供給口から前記ケーシング内に流入する空気の損失とが釣り合う水位である、請求項１に記載の先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法。
3. 前記吸水位と前記排水量の関係は、排水量と気水混合運転状態となることによる全揚程の降下が始まる吸水位との関係から求められている、請求項１又は請求項２に記載の先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法。
4. ケーシングの羽根車よりも吸込口側の位置に空気供給口を備える先行待機型立軸ポンプが吸水槽内の水を吐出水槽に排水する排水量を測定する方法であって、
   前記吸水槽の水位である吸水位を第１の水位センサで測定し、
   前記吐出水槽の水位である吐出水位を第２の水位センサで測定し、
   前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記空気供給口に対応する水位である上側閾値を上回っていれば、前記第１の水位センサで測定された前記吸水位、前記第２の水位センサで測定された前記吐出水位、予め測定された通常排水運転状態における全揚程と前記排水量の関係、及び予め測定された管路抵抗に基づいて前記排出量を算出し、
   前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記上側閾値以下であり、かつ前記吸込口の水位より上方の所定の水位である下側閾値を上回っていれば、前記排出量を予め定められた規定排水量とし、
   前記第１の水位センサで測定された前記吸水位が前記下側閾値以下であれば、前記排水量をゼロとする、
   先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法。
5. 前記下側閾値は、前記吸込口から前記ケーシング内に流入する空気の損失と、前記空気供給口から前記ケーシング内に流入する空気の損失とが釣り合う水位である、請求項４に記載の先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法。
6. 前記規定排水量は、前記通常排水運転状態の排水量の１／１０以上１／５以下の範囲で設定されている、請求項４又は請求項５に記載の先行待機型立軸ポンプの排水量測定方法。

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