JP2017518462A - ポンプおよびポンプ場設備の停止方法 - Google Patents

Abstract

第１の態様によれば、本発明は、導管（４）を介し液体をポンプ移送するように構成されたポンプ（２）を停止操作する方法に関し、このポンプ（２）は、停止操作される前は、制御装置（６）により動作周波数（ＦＮ）で駆動される。この方法は、停止操作指示に起因し、ポンプ（２）の周波数を漸減させるステップであって、漸減の終端周波数が、ポンプ（２）の動作周波数（ＦＮ）から少なくとも１０Ｈｚを引いたものと等しく、漸減時間が、少なくとも対象の導管に対する反射時間（ＴＲ）であり、漸減の終端周波数が１０Ｈｚ未満にはならない、ステップと、前記漸減後にポンプ（２）を止めるステップとを含むことを特徴とする。第２の態様によれば、本発明は、上述の停止操作方法を実行するように構成されたポンプ場設備に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、全体として、導管を介し液体を圧送するように構成されたポンプを停止操作する（ｔｕｒｎ ｏｆｆ）方法に関し、このポンプは、停止操作される前は、制御装置により動作周波数で駆動される。特に、本発明は、排水を圧送するように構成されたポンプ用の停止操作方法に関する。第２の態様によれば、本発明は、ポンプと、制御装置と、ポンプの出口に接続された導管とを備えるポンプ場設備に関し、ポンプ場設備は、上述の停止操作方法を実行するように構成される。

このようなポンプ場設備では、液体の流速は、一般的に、０．７〜１メートル毎秒の範囲内であり、ポンプから延在する導管内に、大きな運動量を有する大きな液体の流れが存在することを伴う。導管内の沈殿を回避するために、液体の流速は０．７メートル毎秒よりも通常速く、大きな摩擦損失を受けないように、１メートル毎秒を通常超えない。さらに、導管は、数千メートルの長さになることもある。ポンプから導管への液体の供給が突然止められると、液体内の圧力波が生成され、パイプシステムを通じて伝播され、それにより、液体の異なる部分が異なる速度を有することになる。このやっかいな状況は、導管内における減圧発泡(vacuum bubbles)の生成を伴う場合があり、これらが内破すると、例えば、液体の異なる部分が導管内で異なる方向へ移動すると、導管およびそのユニットを損傷するおそれがある、いわゆる水撃が発生することになる。さらに、ポンプに向かって液柱が戻ったときに、ポンプの下流に配置された従来式の逆止弁が急閉し、損傷を受けるおそれがある。

水撃作用を低減するために、自動または手動で生成された停止操作指示に起因し、ポンプの周波数を、動作周波数からゼロへ漸減させる（ｒａｍｐ ｄｏｗｎ）ことが、従来から知られている。漸減の目的は、正のポンプ圧をポンプに常に生成させ、それにより、逆止弁を開いたままにし、導管内で減圧発泡が生成されない程度に液体の流速をゆっくりと下げることである。減圧発泡を完全に排除するには、漸減は非常に時間をかけなければならず、不必要な量のエネルギーを消費する。

さらに、動作周波数からゼロへ漸減させることは、実際には、羽根車が、液体の流れを生成するように依然として駆動されているが、液体を導管の中に圧送するにはポンプ圧および／または液体の流れが小さすぎて、逆止弁が閉じられた状態になることを伴う。例えば、ポンプは、いかなる有用な出力も発揮することなく、エネルギーを消費する。

本発明は、従来から知られている停止操作方法の上述した欠点および不利な点を最小限にすること、ならびに、ポンプ用の改良された停止操作方法を提供することを目的とする。本発明の基本的な目的は、可能な限り短時間でポンプを停止させ、同時に、導管内の水撃作用が大幅に低減される、初めに定義されたタイプの改良された停止操作方法を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、減圧発泡の大きさが低減される停止操作方法を提供することである。
本発明の別の目的は、導管および逆止弁を害さない停止操作方法を提供することである。

本発明の別の目的は、停止操作中のエネルギー消費が低減される停止操作方法を提供することである。

本発明によれば、少なくとも基本的な目的は、独立請求項に定義された特徴を有する、初めに定義された方法およびポンプ場設備により達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項においてさらに定義される。

本発明の第１の態様によれば、初めに定義されたタイプの停止操作方法が提供され、この方法は、制御装置により、停止操作指示に起因し、ポンプの周波数を漸減させるステップであって、漸減の終端周波数が、ポンプの動作周波数から少なくとも１０Ｈｚを引いたものと等しく、漸減時間が、少なくとも対象とされる導管に対する反射時間であり、漸減の終端周波数が１０Ｈｚ以上である、ステップと、制御装置により、前記漸減後にポンプを止めるステップとを含むことを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、ポンプと、制御装置と、ポンプの出口に接続された導管とを備える、ポンプ場設備が提供される。
このポンプ場設備は、制御装置が、停止操作指示に起因し、ポンプの周波数を動作周波数から漸減させるように構成され、漸減の終端周波数が、ポンプの動作周波数Ｆ_Ｎから少なくとも１０Ｈｚを引いたものと等しく、漸減時間が、少なくとも対象とされる導管に対する反射時間Ｔ_Ｒであり、漸減の終端周波数が１０Ｈｚ以上であり、さらに、制御装置が、漸減後にポンプを止めるように構成されていることを特徴とする。

したがって、本発明は、漸減の開始時のプラスの効果を利用し、漸減の終了時のマイナスの効果を回避するという理解に基づく。
本発明の好ましい実施形態によれば、漸減後にポンプを止めるステップは、ポンプの羽根車を、それが止まるまで惰性旋回（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌ）させるための、制御装置によるポンプの係合解除を含む。このようにして、ポンプが、有用な出力ではない作業を実行しないことが確保される。

本発明の代替の実施形態によれば、漸減後にポンプを止めるステップは、ポンプのモータが圧送される液体から受けるトルクが、ゼロに等しくなる方向に制御されるように、ポンプの周波数の第２の漸減を、制御装置により実行するステップを含む。このようにして、羽根車の、それが止まるまでの惰性旋回が模倣され、それにより、ポンプが、有用な出力ではない作業を実行しないことが確保される。

好ましい実施形態によれば、漸減の終端周波数は、３５Ｈｚ以下、さらに、２５Ｈｚ以上である。このようにして、ポンプに有用な出力ではない作業を実行させることなく、大幅に水撃作用を低減するのに十分な漸減が実行される。

本発明の他の利点および特徴は、他の従属請求項、および好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。
本発明の上述の、ならびに他の特徴および利点のより完全な理解は、添付の図面を参照した、好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

ポンプ場設備を備えるポンプ場の概略図である。 本発明による停止操作中に、ポンプの周波数、液体の流れ、および圧力がどのように変化するかを概略的に開示する図表である。 従来技術による停止操作中に、ポンプの周波数、液体の流れ、および圧力がどのように変化するかを概略的に開示する図表である。

図１には、全体が符号１で示されたポンプ場を備えるポンプ場設備が開示され、ポンプ場１は、運転状態において、ポンプ場１の水だめ３から、ポンプ場１から離れる方向に向けて延びる導管４へ、液体を圧送するように構成された少なくとも１つの速度制御式ポンプ２、通常は、２つの水中ポンプを備える。導管４は、ポンプ２と密接して配置された逆止弁（開示せず）を備える。さらに、従来の方式では、ポンプ場１は、ポンプ場１内の液体レベルを判定するために配置された少なくとも１つのレベル計器５を備え、このレベル計器５は、例えば、所定の液体レベルを判定するように構成された浮き型レベル計器、または、異なる液体レベルを判定するように構成された連続型レベル計器で構成されることができる。レベル計器５は、外部制御装置６に作動的に接続された独立装置でもよく、前記少なくとも１つの速度制御式ポンプ２に作動的に接続されたもの、前記少なくとも１つの速度制御式ポンプ２に組み込まれたものなどとすることができることを指摘しておく。前記少なくとも１つの速度制御式ポンプ２は、好ましくは、ポンプの回転速度の調節を可能にするために外部の制御装置６に作動的に接続され、あるいは、前記少なくとも１つの速度制御式ポンプ２は、組込式制御装置（図示せず）を備えてもよい。これ以降、制御装置６という用語は、その物理的位置とは無関係に使用される。

ポンプ２および制御装置６は、ポンプ設備の少なくとも一部を共に構成し、ポンプ２は、前記制御装置６によって駆動されるように配置された電気モータ７と、駆動シャフト９を介し従来の方式でモータ７に接続された羽根車８とを備える。好ましくは、羽根車８は、オープン羽根車であり、最も好ましくは、羽根車は、動作中にポンプの入口の吸込みカバー／インサート環に対して軸方向にポンプ２内で変位可能である。

用語「速度制御式」は、ポンプの回転速度、より正確には、モータ７の回転速度／動作速度を変化させるすべての考えられる限りの方式を含み、特に、周波数変換器（可変周波数ドライブ）による電流供給周波数の調節が意図されており、この周波数変換器は、ポンプ内に組み込まれているか、または、外部にあり、前記制御装置６の一例をなし、通常動作中、回転速度は、電流供給周波数に比例する。ただし、内部的または外部的に制御される供給電力の調節などが意図される。このように、本発明の全体的な観点では、ポンプの動作速度がどのように調整されるかが重要ではなく、ポンプ２の回転速度が調節／制御され得ることのみが重要である。

ポンプ２は、世界の異なる地域で異なる電力周波数、通常は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電力周波数を有する主電源に作動的に接続されるように構成される。代替の実施形態によれば、ポンプ２は、ディーゼルエンジンなどを使用する発電装置に作動的に接続される。発電装置からの出力周波数は、一定または可変であってもよく、通常は５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。

ポンプ２の通常動作中、ポンプ２は、制御装置６によって、動作速度として知られる動作周波数Ｆ_Ｎで駆動される。動作周波数Ｆ_Ｎは、経時的に変化しても、一定でもよく、そして、例えば、最大周波数、すなわち、主電源の電力周波数と等しくすることもでき、または、主電源の電力周波数の９０〜９５％の範囲内とすることもできる。

ポンプ２、またはポンプ場設備が、ある特定の状況により、自動または手動で生成された停止操作指示を例えばレベル計器５から受信したとき、制御装置６は、動作周波数Ｆ_Ｎから下降する、ポンプ２の周波数Ｆの制御された漸減を開始する。この漸減は、動作周波数Ｆ_Ｎから漸減の終端周波数(terminal frequency;換言すれば、最終周波数)に向かって、直線状（一定の減少率）であっても、非直線状（変動する減少率）であってもよい。

ここで、秒で測定される時間をＸ軸、ポンプ２の周波数ＦをＹ軸に有する図表を概略的に開示する図２を参照する。Ｙ軸は、相対的な比率を示し、ここでは、ポンプ２の動作周波数Ｆ_Ｎが１（１００パーセントに相当し、実際には、例えば５０Ｈｚである）に固定されていることを指摘しておく。ポンプ２の周波数Ｆは、中央の曲線によって開示される。さらに、Ｙ軸は、導管４内の液体の流れ、および、ポンプ２の下流の領域内の導管４内の圧力も含み、上側の曲線が、液体の流れが経時的にどのように変化するかを開示し、下側の曲線が、圧力が経時的にどのように変化するかを開示する。液体の流れ、および圧力は、相対的な比率によって与えられるポンプ２の周波数Ｆに応じている。

漸減の終端周波数は、ポンプ２の動作周波数Ｆ_Ｎから少なくとも１０Ｈｚを引いたものと等しくなり、さらに、１０Ｈｚより下に下がることはない。図２に開示される実施形態では、動作周波数Ｆ_Ｎが５０Ｈｚに等しい場合、漸減の終端周波数は、動作周波数Ｆ_Ｎの６０％、すなわち３０Ｈｚに等しい。好ましくは、漸減の終端周波数は、４０Ｈｚ以下となり、最も好ましくは、３５Ｈｚ以下となる。さらに、漸減の終端周波数は、２０Ｈｚ以上であることが好ましく、最も好ましくは、２５Ｈｚ以上である。

漸減時間は、少なくとも対象の導管４に対する１つの反射時間(reflection time)Ｔ_Ｒとなる。図２に開示される例では、漸減時間は、およそ１５秒である。
対象の導管４の反射時間Ｔ_Ｒは、このようなポンプ場設備では公知であり、導管４内の圧力波が導管４内で往復動するのに要する時間のことを言う。反射時間Ｔ_Ｒは、２＊Ｌ／Ｃに等しく、式中、Ｌは導管の長さ、Ｃは材料特定の定数である。導管４がプラスチック製ならば、Ｃは、３００〜４００の範囲内であり、導管４が鋼製ならば、Ｃは、１０００〜１２００の範囲内である。したがって、プラスチック製で、２０００メートルの長さを有する導管４については、反射時間Ｔ_Ｒは、１０〜１３秒の範囲内であり、鋼製の導管４について対応する値は、３．５〜４秒の範囲内である。

好ましい実施形態によれば、漸減時間は、少なくとも１０秒、最も好ましくは、少なくとも１５秒となる。これは、少なくとも、何らかの理由で、導管４の反射時間がわからないときに適用可能である。

本発明の停止操作方法は、制御装置６によって、漸減後にポンプ２を止めるステップを含む。
図２に開示される最も好ましい実施形態によれば、漸減後にポンプ２を止めるステップは、ポンプ２の羽根車８を、それが止まるまで惰性旋回させるための、制御装置６によるポンプ２の係合解除(disengagement)を含む。第２の実施形態（図示せず）によれば、漸減後にポンプ２を止めるステップは、ポンプ２のモータ７が移送液体から受けるトルクが、ゼロに等しくなる方向に制御されるように、ポンプ２の周波数Ｆの第２の漸減を、制御装置６により実行することを含む。第２の漸減は、ポンプ２の周波数Ｆがゼロに等しくなったときに終了される。言い換えれば、第２の実施形態は、羽根車８の惰性旋回が模倣されることを意味する。第３の実施形態（開示せず）によれば、第２の漸減は、第１の漸減よりも急峻に実行されることができる。

図３には、従来技術による、図２に相当する停止操作手順の図表が開示され、ポンプ２の停止操作は、ポンプ２の羽根車８を動作周波数時に係合解除し、羽根車８を、それが止まるまで惰性旋回させることにより実行される。下側の曲線は、大きな圧力降下が導管４内に生じ、多くの水撃が引き起こされていることを開示する。上側の曲線は、導管４内の液体の流れの多くの脈動が存在することを開示する。
本発明の可能な変更
本発明は、主として説明および例示を目的とする、上述され、図面に示された実施形態だけに限定されるものではない。本特許出願は、本明細書に記載された好ましい実施形態のすべての修正および変形を包含することが意図されたものであり、したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の文言によって定義され、したがって、機器は、添付の特許請求の範囲内で、あらゆる種類の方式で変更されることができる。

上方、下方、上側、下側などの用語についての／関するあらゆる情報は、図面に従って機器を配向させ、参照が適切に読み取られ得るように図面を配向させた上で解釈される／読み取られるものであるということをさらに指摘しておく。したがって、このような用語は、示された実施形態における相互関係を示すものに過ぎず、この関係は、本発明の機器が別の構造／設計で提供された場合には変更され得る。

明確に記述されていなくても、特定の実施形態からの特徴が、別の実施形態からの特徴と組み合わされることができ、その組合せが可能であれば、その組合せは自明であると考えられるということをさらに指摘しておく。

Claims (10)

1. 導管（４）を介し液体を圧送するように構成されたポンプ（２）を停止操作する方法であって、前記ポンプ（２）が、停止操作される前は、制御装置（６）により動作周波数（Ｆ_Ｎ）で駆動され、
   前記方法が、
   − 前記制御装置（６）により、停止操作指示に起因し、前記ポンプ（２）の周波数を漸減させるステップであって、漸減の終端周波数が、前記ポンプ（２）の前記動作周波数（Ｆ_Ｎ）から少なくとも１０Ｈｚを引いたものと等しく、漸減時間が、少なくとも対象とされる前記導管に対する反射時間（Ｔ_Ｒ）であり、前記漸減の前記終端周波数が１０Ｈｚ以上である、ステップと、
   − 前記制御装置（６）により、前記漸減後に前記ポンプ（２）を止めるステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記漸減後に前記ポンプ（２）を止める前記ステップが、前記ポンプ（２）の羽根車（８）が止まるまで前記羽根車（８）を惰性旋回させるための、前記制御装置（６）による前記ポンプ（２）の係合解除を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記漸減後に前記ポンプ（２）を止める前記ステップは、前記ポンプ（２）のモータ（７）が圧送される前記液体から受けるトルクがゼロに等しくなる方向に制御されるように、前記ポンプ（２）の周波数の第２の漸減を前記制御装置（６）により実行するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記漸減の前記終端周波数が４０Ｈｚ以下である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記漸減の前記終端周波数が３５Ｈｚ以下である、請求項４に記載の方法。
6. 前記漸減の前記終端周波数が２０Ｈｚ以上である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記漸減の前記終端周波数が２５Ｈｚ以上である、請求項６に記載の方法。
8. 前記漸減時間が少なくとも１０秒である、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記漸減時間が少なくとも１５秒である、請求項８に記載の方法。
10. ポンプ（２）と、制御装置（６）と、前記ポンプ（２）の出口に接続された導管（４）とを備える、ポンプ場設備であって、前記制御装置（６）が、停止操作指示に起因し、前記ポンプ（２）の周波数を動作周波数（Ｆ_Ｎ）から漸減させるように構成され、漸減の終端周波数が、前記ポンプ（２）の前記動作周波数（Ｆ_Ｎ）から少なくとも１０Ｈｚを引いたものと等しく、漸減時間が、少なくとも対象とされる前記導管に対する反射時間（Ｔ_Ｒ）であり、前記漸減の前記終端周波数が１０Ｈｚ以上であり、さらに、前記制御装置（６）が、前記漸減後に前記ポンプ（２）を止めるように構成されていることを特徴とする、ポンプ場設備。

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