JP2008076291A - 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】電流センサ１３で測定されたモータ電流にが、予め測定した吸水位ＴＰの低下による全揚程Ｈの降下開始時の値である上側閾値Ｉ_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Ｈと排水量Ｑ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する。モータ電流Ｉが、上側閾値Ｉ_ＵＰ以下であり、かつ予め測定したエアロック発生時の値と上側閾値Ｉ_ＵＰの間の所定の値である下側閾値Ｉ_ＬＷを上回っていれば、排出量Ｑを予め定めた規定排水量Ｑ_ＲＥとする。モータ電流Ｉが、下側閾値Ｉ_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、かつ羽根車が固定された回転軸をモータにより駆動す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、
前記モータのモータ電流を電流センサで測定し、前記電流センサで測定されたモータ電流が、予め測定した吸水位の低下による全揚程の降下開始時の値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、前記電流センサで測定された前記モータ電流が、前記上側閾値以下であり、かつ予め測定したエアロック発生時の値と前記上側閾値の間の所定の値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た規定排水量とし、前記電流センサで測定された前記モータ電流が、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。

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）。モータ８の駆動電流（モータ電流）を監視する電流センサ１３が設けられている。電流センサ１３が検出するモータ電流Ｉも演算装置１５に常時に入力されている。

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。吸水位ＴＰが低下して通常排水運転状態から気水運転状態に移行すると排水量Ｑが低下するので、モータ８への負荷が低減されてモータ電流Ｉは減少する。吸水位ＴＰのさらなる低下により気水運転状態からエアロック状態に向けて気体の混入量が増加するのに伴い、モータ８への負荷はさらに低減されていく。その結果、モータ電流Ｉも減少を続ける。エアロック運転状態に移行したときにモータ８への負荷は最も低減された状態となり、モータ電流Ｉは最少となる。このようにモータ電流Ｉは吸水位ＴＰの低下に伴って減少する。

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）モータ電流Ｉの上側閾値Ｉ_ＵＰ。この上限閾値Ｉ_ＵＰは、後に詳述するように、予め測定しておいた吸水位ＴＰの低下による全揚程Ｈの降下開始時のモータ電流Ｉの値である。
５）モータ電流Ｉの下側閾値Ｉ_ＬＷ。この下側閾値ＴＰ_ＬＷは、後に詳述するように、上側閾値Ｉ_ＵＰと予め測定しておいたエアロック発生時のモータ電流Ｉの値の中間値である。
６）モータ電流Ｉが上側閾値Ｉ_ＵＰと同一又はそれよりも小さく、かつ下側閾値Ｉ_ＬＷよりも大きい場合の予め定められた一定の排水量である規定排水量Ｑ_ＲＥ。

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、電流センサ１３から入力されるモータ電流Ｉ、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。

モータ電流Ｉが上側閾値Ｉ_ＵＰを上回る場合（Ｉ_ＵＰ＜Ｉ）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。モータ電流Ｉが上側閾値Ｉ_ＵＰを上回る場合（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。

モータ電流Ｉが上側閾値Ｉ_ＵＰと同一又はそれを下回り、かつ下側閾値Ｉ_ＬＷを上回る場合（ＴＰ_ＵＰ≧ＴＰ＞ＴＰ_ＬＷ）には、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。このモータ電流Ｉが上側閾値Ｉ_ＵＰと同一又はそれを下回り、かつ下側閾値Ｉ_ＬＷを上回る場合（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。

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。

モータ電流Ｉが下側閾値Ｉ_ＬＷと同一又はそれを下回る場合（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Ｉ_ＵＰ、及び下側閾値Ｉ_ＬＷ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、吐出水位ＴＥ、及びモータ電流Ｉ等を測定することによって得られる。

以下、上側閾値Ｉ_ＵＰ及び下側閾値Ｉ_ＬＷ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とモータ電流Ｉを測定する。測定結果を図３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Ｈ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。６種類の排水流量についての全揚程Ｈの降下開始時のモータ電流Ｉは以下の表２の通りであった。

表２に示す全揚程Ｈの降下発生時のモータ電流Ｉのうち最低値である１１０Ａ（排水量Ｑが１００m³/minの場合のモータ電流Ｉ）を上側閾値Ｉ_ＵＰに設定する。ここで６種類の排水量Ｑのモータ電流Ｉのうち最低値を選択するのは、確実に気水混合運転による排水量Ｑの低下が生じている状態で規定排水量Ｑ_ＲＥを排水量Ｑの測定に使用するためである。

６種類の排水流量についての全揚程Ｈの降下開始時のモータ電流Ｉは以下の表３の通りであった。

上側閾値Ｉ_ＵＰと表３に示すエアロック発生時のモータ電流Ｉのうち最大値である７０Ａ（排水量Ｑが３００m³/minの場合のモータ電流Ｉ）の中間値である９０Ａ（＝（１１０＋７０）／２）を下側閾値Ｉ_ＬＷに設定する。エアロック発生時のモータ電流Ｉとして６種類の排水量Ｑのモータ電流Ｉのうちの最大値を選択するのは、エアロックが生じている可能性が少しでもあれば排水量Ｑをゼロに設定するためである。

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Ｉ_ＵＰ≧Ｉ＞Ｉ_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、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。

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
１３ 電流センサ
１５ 演算装置
１６ 記憶部
１７ 処理部
１８ 表示装置

Claims (3)

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、かつ羽根車が固定された回転軸をモータにより駆動す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、
   前記モータのモータ電流を電流センサで測定し、
   前記電流センサで測定されたモータ電流が、予め測定した吸水位の低下による全揚程の降下開始時の値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、
   前記電流センサで測定された前記モータ電流が、前記上側閾値以下であり、かつ予め測定したエアロック発生時の値と前記上側閾値の間の所定の値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た規定排水量とし、
   前記電流センサで測定された前記モータ電流が、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、前記上側閾値と前記エアロック発生時の値の中間値である、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. 前記規定排水量は、通常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。

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