JP3216437B2 - 排水ポンプ機場及び排水ポンプ機場の排水運転方法 - Google Patents

排水ポンプ機場及び排水ポンプ機場の排水運転方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、雨水を排水する排水ポ
ンプ機場及び排水ポンプ機場の排水運転方法に係り、特
に排水ポンプが大深度地下に設置される都市形の排水ポ
ンプ機場に適用して好適なものである。
【0002】
【従来の技術】雨水排水ポンプ機場は、数10年に1度
の大雨による出水でも排水できるよう機場のポンプ設備
を計画する。しかし、都市部の舗装率の向上や排水溝の
整備により、同じ雨量でも排水機場への雨水の流入が短
時間に集中するようになってきている。また、都市部で
消費されるエネルギ−密度の増加によりヒ−トアイラン
ド現象を生じ、記録的な大雨の発生度数も増加してい
る。新設の排水機場では、機場の計画排水量を従来より
大きくして流域の洪水を防止しているが、既設の機場で
は上記都市化に伴う急激な出水の対策が課題となってい
る。
【0003】この突発型出水の対策として、降雨時にで
きるだけ素早く排水するよう、雨水が排水機場に流入す
る以前からポンプを全速で運転する全速先行待機運転が
行われるようになってきている。しかし、全速先行待機
運転でも、機場容量を計画した雨量を上回る記録的大雨
量の場合には、依然として排水機場が冠水する恐れがあ
る。
【0004】このような雨水排水ポンプ機場は常時運転
されるものではないため、定期的にポンプや各機器の正
常な作動を確認する必要があり、このため排水運転を想
定した管理運転を定期的に行っている。しかし、雨水排
水ポンプ機場は通常、吸込水路や吸水槽の残水を完全に
排除しているため、上記管理運転はポンプに水を通さな
い空転状態で行っている。従って、実際の負荷が掛かっ
た状態でのポンプや駆動機の機能確認はできず、またポ
ンプ軸受部や軸封部が無水状態となるから、セラミック
軸受やセラミック軸封を使用し、これらの部分に給水し
て維持管理を簡素化することが最近されつつある。
【0005】排水ポンプを負荷状態にして管理運転する
従来技術としては、実開昭62−786号公報に記載の
ように、保守運転時に河川から保守運転用水を取水して
実負荷運転をする技術や、特公平6−31636号公報
に記載のように小水量の雨水を吸水槽に残しておいて締
切運転する技術が知られている。しかし、これらの従来
技術では負荷量が限定されるため、想定される最大負荷
での運転確認は困難であった。
【0006】なお、都市周辺では排水機場を地下に設け
て土地を有効利用する傾向がある。一方、雨水は路上や
排水溝を流れる際に土砂を流し込むため、従来の排水機
場ではポンプ保護のためポンプ直前に十分な容量の沈砂
池を設け、流入流速を低げて土砂を沈降堆積させてい
た。しかし、地下排水機場では、土木工事が大規模とな
り、また堆積した土砂の排除が大変なことから、沈砂池
をポンプ吐出し側地上部に設ける後沈砂池方式が考えら
れている。このような排水機場では、流速が低下する吸
水槽曲がり部等に土砂が堆積して吸水槽の容積が減少し
たり、堆積した土砂が間欠的に離脱してポンプに吸込ま
れ、羽根車の強度信頼性を低下させるなどの問題があ
る。更に、雨水排水運転の間隔が長期になると、堆積し
た汚泥から臭気や有毒ガスを発生し環境を悪化させるた
め、地下水路の定期点検などの障害になっていた。
【0007】堆積土砂を除去する従来技術として、着水
池の底に土砂を集める段差部を設けることも考えられて
いる。しかし、この考えでも土砂を定期的に排除するこ
とは必要なため、ポンプを地下に設ける排水機場では実
用化が困難である。
【0008】また、実開昭63−60100号公報に記
載のように、羽根車入口と吸込流路との間に連絡管を設
け、締切運転時に羽根車入口に生じる旋回逆流の圧力に
より、堆積した土砂を浮遊させる方法もある。しかしこ
の方法では広い範囲に土砂が堆積した場合には十分土砂
を浮遊させることは困難である。
【0009】更にヘドロ的な土砂を吐出させるため、ポ
ンプ吸込口の回転軸に螺旋羽根を設けたものもあるが、
螺旋羽根は雨水のみの場合の運転ではポンプ性能を低下
させるため、大形の排水ポンプ機場には適さない。
【0010】汚泥から発生する臭気対策としては、図3
に示すように吸込水路103に洗浄用配管17を設けて
給水タンク18等から定期的に洗浄水を水路に流すと共
に、換気用や脱臭用のブロア8で吸込水路の換気を行っ
ている。しかしこの方法では、水路が長大になると、洗
浄用配管やブロアが多数必要となり、また水路各所に空
気の淀み部が生じて作業環境の改善を十分図ることは困
難であった。
【0011】なお、地下の排水機場では、機場深さを浅
くし、且つ地下水路径やポンプ容量を小さくするため、
ポンプ運転時に地下水路が常に水で満たされる圧力管と
して運用されることもある。このような圧力管運用方式
の排水機場では、地下水路に接続される立坑や上流側河
川からの雨水流入部の水位高さにより吸込揚程が短時間
に大幅に変化するため、ポンプ運転流量の変化が大きく
なる問題がある。このため、比較的流量変動が少なく変
動の遅いポンプ井水位変化を前提にした従来の雨水排水
ポンプの運転方法では精度の良い運転制御は困難であ
る。圧力管運用方式の排水機場の運転制御装置として
は、タ−ボ機械第21巻第10号第23〜29頁に記載
されたものが検討されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、計画
した排水機場の容量を上回る大雨量の場合(超過洪水
時)でも排水機場やその流域を冠水から防止することに
ある。
【0013】本発明の他の目的は、機場の排水ポンプや
駆動機の機能を確認する管理運転を特別の給水系統なし
に実負荷状態で可能にし、またポンプの軸受部や軸封部
への給水設備も不要にすることにある。
【0014】本発明の更に他の目的は、排水機場の吸込
水路や吸水槽に堆積した土砂を排出することができ、ま
た地下水路の換気を容易に行なうことにある。
【0015】本発明の他の目的は、地下にポンプを設置
し、吸込水路を圧力管として運用する方式の排水機場に
おいて、雨水流入量の変化にかかわらず、ポンプを常に
高い信頼性で運転できるようにすることにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の第1の特徴は、雨水を地下水路に集め大河
川等に排水する排水ポンプ機場において、可変容量形の
排水ポンプと、ポンプの締切り運転時に必要な軸動力以
上の容量の前記ポンプの駆動機と、吸水槽や水路上流に
設けられた水位計または圧力計とを備え、機場の計画容
量を上回る流入量の時、計画容量を超える過負荷で運転
することにある。
【0017】本発明の第2の特徴は、雨水を地下水路に
集め大河川等に排水する排水ポンプを備える排水ポンプ
機場において、排水ポンプの吐出側河川部に設けられた
ゲ−トと、該ゲ−トの河川側に設けられた除塵設備とを
備え、管理運転時には前記排水ポンプ吐出側河川部のゲ
−トを開放して地下水路に逆流給水し、実負荷を掛けて
運転確認を行うことにある。また、雨水排水ポンプ機場
の吸水槽または上流水路に水位計または圧力計を設置す
るとよい。さらに、望ましくは排水ポンプを可変速また
は可動翼とし、排水ポンプ吐出し側河川部のゲ−トを開
放して河川水を給水して実負荷で管理運転する際、急な
降雨に対しては回転数や翼角を設計値より大きくして、
計画排水量を超える大流量で過負荷運転する。
【0018】本発明の第3の特徴は、可変容量形の排水
ポンプを備え、雨水を大河川等に排水する排水ポンプ機
場において、降雨レ−ダからの降雨量デ−タを基にした
雨量流入予測システムと、排水ポンプ機場の上流水路の
水位変化を解析する水路流動シミュレ−ションとを併用
して上流水路の水位を予測し、上流水路水位の変化がポ
ンプ機場計画値を上回る場合にはポンプの容量を定格値
より大として計画排水量を上回る過負荷運転にすること
にある。
【0019】また、可変容量形の排水ポンプを備え、雨
水を大河川等に排水する排水ポンプ機場において、排水
ポンプ吐出側河川部から排水ポンプ機場に逆流給水し、
実負荷を掛けて管理運転を行うと共に、降雨レ−ダから
の降雨量デ−タを基にした雨量流入予測システムと、排
水ポンプ機場の上流水路の水位変化を解析する水路流動
シミュレ−ションとを併用して上流水路の水位を予測
し、水路流動シミュレ−ションで管理運転中の急な降雨
を事前に予測して管理運転の可否または管理運転時の負
荷量(吸水槽水位)を決定することにある。
【0020】本発明の第4の特徴は、雨水を地下水路を
通して下流側の河川等に排水する排水ポンプ機場におい
て、可変容量形の排水ポンプと、吸水槽や地下水路に設
けられた水位計または圧力計とを備え、これら水位計ま
たは圧力計のデ−タから流入雨水量が低下している場合
にはポンプの容量を低下させて地下水路の水位を一定値
以上に保ち、ポンプの容量が最小規定値に達したときポ
ンプの吐出側を閉じて締切運転を行い、一定時間地下水
路水位の変化を監視後ほぼ水位変化がなくなった時点で
ポンプの排水量を地下水路の土砂排出可能な容量まで増
加させ、残水を排水することにある。好ましくは、排水
ポンプを可変速または可動翼の斜流ポンプまたは軸流ポ
ンプとし、駆動機はポンプ締切運転に必要な軸動力以上
の容量とする。また、雨量流入予測システム及び水路流
動シミュレ−ションを併用し、上流側の水位変化を予測
し、上流からの流入量が増加すると予測された場合には
締切運転や低速運転を解除する。
【0021】本発明の第5の特徴は、排水ポンプ機場は
雨水及び汚水を地下水路を通して吸水槽に受水後、排水
ポンプで下流側の河川に排水する合流式下水排水ポンプ
機場において、可変容量形(例えば可変速または可動翼
形)の排水ポンプと、吸水槽や地下水路に設けられた水
位計または圧力計と、排水ポンプ吐出側に設けられた後
沈砂池と、前記水位計または圧力計のデ−タから流入雨
水量が低下している場合にはポンプの容量を低下させて
地下水路の水位を一定値以上に保ち、ポンプの容量が最
小規定値に達したときポンプの吐出側を閉じて締切運転
を行い、一定時間地下水路水位の変化を監視後ほぼ水位
変化がなくなった時点でポンプの排水量を地下水路の土
砂排出可能な容量まで増加させ、残水を排水する制御装
置とを備えたことにある。
【0022】本発明の第6の特徴は、雨水及び汚水を地
下水路を通して吸水槽に受水後排水ポンプで下流側の河
川に排水する合流式下水排水ポンプ機場において、吸水
槽上部に設けられた吸引ブロアと、立坑入口に設けられ
た仕切弁とを設け、前記吸水槽上部の吸引ブロアを運転
すると共に、前記立坑仕切弁を上流側から順次開放する
ことにより地下水路を換気することにある。
【0023】また、好ましくは、吸水槽または地下水路
に設置された水位計または圧力計とを設け、この水位計
または圧力計のデ−タから流入雨水量が低下している場
合にはポンプの回転数を低下させるか翼角を小さくして
地下水路の水位を一定値以上に保ち、ポンプの回転数ま
たは翼角が最小規定値に達した場合には吐出し弁を閉じ
て締切運転を行い、この締切運転時に立坑の前記仕切弁
を閉鎖し、一定時間地下水路水位の変化を監視後、ほぼ
水位変化がなくなった時点でポンプを定格回転数または
設計翼角として地下水路の残水を排水する制御装置を備
えたことにある。 さらに、好ましくは、ポンプ締切運
転時に必要な軸動力以上の容量とした駆動機と、排水ポ
ンプ吐出側河川部の河川側に設けられた除塵設備を持つ
ゲ−トと、排水ポンプ吐出側のゲ−ト上流の地上部に設
けられた後沈砂池とを備え、管理運転時に排水ポンプ吐
出側河川部のゲ−トを開放して逆流給水して、一定時間
締切運転後定格回転数または設計翼角に増加して排水運
転する。望ましくは、雨量流入予測システム及び水路流
動シミュレ−ションを有し、給水中の急な降雨を事前に
予測して、管理運転時の可否または急な降水時の給水か
ら排水への切替えを行う。
【0024】本発明の第7の特徴は、雨水を地下水路を
通して吸水槽に受水し、ポンプ運転時に地下水路を常に
圧力管として運用して下流側の河川に排水する排水ポン
プ機場において、可変容量形の排水ポンプと、ポンプの
締切り運転時に必要な軸動力以上の容量の前記ポンプの
駆動機とを備え、地下水路の水位が一定になるように前
記ポンプを制御することにある。好ましくは、排水ポン
プを可変速または可動翼とし、吸水槽または地下水路に
水位計または圧力計を設置し、地下水路の水位が一定値
となるようにポンプを運転制御する制御装置を備える。
また、雨量流入予測システム及び水路流動シミュレ−シ
ョンを併用して地下水路の水位を予測し、地下水路の水
位が一定値となるようにポンプを運転制御する。
【0025】
【作用】上述した本発明によれば次のような動作が可能
である。
【0026】(1)ポンプの駆動機をポンプ締切り運転
に必要な軸動力以上の容量としているので、計画した機
場容量の雨量を上回る大雨量の場合(超過洪水時)には
計画流量を超える過負荷で運転し、超過洪水時にも排水
機場や流域を冠水から防止する。
【0027】(2)管理運転時には、ポンプ機場の吐出
側河川部から機場内に給水し、実負荷状態でポンプや駆
動機の機能確認をする。これにより、信頼性の高い管理
運転が可能となり、ポンプの軸受や軸封部への給水設備
をなくすことができる。さらに、管理運転時に機場を水
で満たして排水することにより、管理運転時に同時に地
下水路の換気もされる。
【0028】(3)地下排水機場への流入雨水量が多い
場合には、必要容量でポンプを運転し、流入雨水量が低
下したらポンプ容量を下げて地下水路の水位を一定値以
上に保ち、流入雨水量がほぼ0になった時点でポンプ排
水量を土砂排出可能な容量まで増加させるように運転す
ることにより、機場内の残水排水に併せて機場内の土砂
も排出することができる。また、給水槽上部に吸引ブロ
ワを設け、且つ立坑入口には仕切弁を設置し、地下水路
の残水を排水する際に上記吸引ブロワを運転し、同時に
上記立坑仕切弁を上流側から順次開放することにより、
排水時に地下水路の換気がなされる。
【0029】(4)吸込水路を圧力管として運用する地
下排水機場とし、ポンプを可変容量型として地下水路の
水位が一定になるように制御する。これにより、雨水流
入量の変化にかかわらずポンプの起動停止の頻度が低減
される。
【0030】
【実施例】雨水排水機場では比較的低揚程で大水量排水
するため、排水ポンプには軸流ポンプまたは斜流ポンプ
が用いられる。これらのポンプの軸動力は一般に締切り
点で最大となるため、従来は締切運転を避けて定格点の
必要軸動力の120%程度の容量の駆動機で設備を計画
していた。一方、ポンプの回転数または翼角を大きくす
ると、排水ポンプの作動点は図8に示すように設計点よ
り大流量側になるが、大流量側軸動力は設計点より小さ
いので数10%程度増速しても駆動機が過負荷になるこ
とはない。また、大流量運転の障害となる吸込性能は図
9に示すように急激に低下せず、一方雨水排水機場の場
合、このような大吐出し量運転が必要になる状態では吸
込側水位は高くなるため、排水ポンプでは大吐出し量側
の運転でキャビテ−ションにより排水不能となることは
ほとんどない。
【0031】したがって、本発明では、既設の排水ポン
プが可変速または可動翼の場合、駆動機の容量範囲内で
規定回転数や設計翼角以上の運転をすることとし、機場
建設時の計画排水量を上回る排水を行うようにした。更
に、駆動機をポンプ締切運転時に必要な軸動力以上の容
量のものと交換すれば全流量域での過負荷運転が可能と
なる。すなわち、吸水槽または上流水路に水位計や圧力
計を設けて流入水量の変化を監視し、機場の計画排水量
を上回る雨水の流入がある場合には、ポンプや駆動機の
寿命よりも排水を優先した緊急の過負荷排水運転を行な
うことができる。
【0032】更に、図10に示すような降雨レ−ダを備
え、降雨量デ−タを基にした雨量流入予測システム、及
び上流水路の水位変化を解析する水路流動シミュレ−シ
ョンを設けて、これらを併用することにより、上流水路
の水位を事前に予測する。そして、上流水位の変化まで
考慮してポンプの緊急排水運転の必要性を総合的に検討
し、必要最小限の過負荷運転時間を決定する。
【0033】なお、排水ポンプ吐出し側河川部にゲ−ト
を設け、ゲ−トの河川側には除塵設備を設け、管理運転
時には下流側河川から河川水を排水機場に供給する。こ
の場合、吸水槽または上流水路に水位計や圧力計を設け
て水位を監視し、必要な水量を排水機場に給水する。こ
のようにすれば、各種の負荷状態を想定した管理運転が
可能となり、しかも排水ポンプに多く使われているセラ
ミック軸受やセラミック軸封装置に対して給水設備を新
たに設ける必要はなくなる。
【0034】また、前記雨量流入予測システム、及び前
記水路流動シミュレ−ションにより、管理運転中の急な
降雨を事前に予測し、管理運転の可否や急な降水時の給
水から排水運転への切替えを可能とし、排水遅れによる
機場及び流域の冠水を防止する。
【0035】更に、排水ポンプを斜流または軸流形とす
れば、図13に示すように、締切り運転時に羽根車入口
に生じる逆流により、羽根車入口から吸水槽間で流れを
循環させることができる。従って、吸水槽または地下水
路の水位計や圧力計デ−タから流入水量が低下している
場合には、ポンプの回転数を低下させるか翼角を小さく
して吐出し量を減らし、土砂が堆積せず排出できる最小
流量以上でも吸水槽に渦等を生じない一定値以上に地下
水路の水位を保つ。更に、ポンプの回転数または翼角が
最小規定値、即ち土砂が堆積せず排出できる最小流量に
達した場合には、吐出し弁を閉じて締切待機運転を行
う。一定水位の状態で締切運転を行うことにより、羽根
車からの逆流により雨水中に含まれる土砂は堆積するこ
となく撹伴され、且つ一定水位以上であるから排水運転
時には土砂を排出できる限界流速を確保できる。従っ
て、一定時間地下水路の水位の変化を監視後、ほぼ水位
変化がなくなった時点で100%回転数又は設計翼角に
増加して残水を排水運転することにより、土砂を残水と
共に下流側河川に排出する。
【0036】また、この場合にも、雨量流入予測システ
ムや水路流動シミュレ−ションにより上流側の水位変化
を予測し、上流からの流入水量が増加すると予測された
場合には、締切運転または低速運転を解除し排水遅れに
よる機場及び流域の冠水を防止する。
【0037】管理運転時に河川水を地下水路最高部の頂
部まで給水することにより、地下水路内の空気は全て立
坑や上流河川流入口から自動的に排気され、地下水路全
域の確実な換気を行うことができる。
【0038】合流式下水排水地下ポンプ機場で排水ポン
プを可変速または可動翼とし、立坑入口に仕切弁を、更
に吸水槽または地下水路に水位計や圧力計を設置するこ
とにより、地下水路の水位変化からポンプの吐出し量制
御と対応して立坑入口の仕切弁制御を行うことができ
る。即ち、水位計や圧力計のデ−タから、流入水量が低
下している場合にはポンプの回転数を低下させるか翼角
を小さくして地下水路の水位を一定値以上に保ち、ポン
プの回転数や翼角が最小規定値に達した場合には吐出し
弁を閉じて締切運転を行う。この締切運転時に立坑の仕
切弁を閉鎖し、立坑からの空気の出入りを防止する。次
に、一定時間地下水路の水位変化を監視後、ほぼ水位変
化がなくなった時点で100%回転数または設計翼角に
増加して地下水路の残水を排水運転する際、立坑仕切弁
を上流側から順次開放し、水路下流側である吸水槽から
ブロアで吸引することにより、地下水路内の空気を上流
側から大気で自動換気する。
【0039】上記ポンプ機場で、後沈砂池を設置するこ
とにより、汚水中に含まれ徐々に堆積する汚泥を吸水槽
から除去し後沈砂池で回収することが可能となる。即
ち、管理運転時に排水ポンプ吐出し側河川部のゲ−トを
開放して逆流給水する。この際、河川水は羽根車から汚
泥堆積部に落差を持って流入するため、流入する流水の
勢いで汚泥をかきあげ、堆積した汚泥を河川水に混合さ
せることができる。更に、一定時間締切運転することに
より、河川水中に混合した汚泥を羽根車入口で生じる旋
回を伴う逆流で撹拌、拡散し、汚泥濃度を均一化した後
100%回転数または設計翼角に増加して排水運転する
ことにより、ポンプに悪影響を与えることなく汚泥を後
沈砂池で回収することができる。
【0040】通常排水ポンプは軸流ポンプ、斜流ポンプ
が用いられるが、これらのポンプでは図14のC点に示
すように低流量域では軸動力が増大したり、B点付近の
運転制御性が悪い揚程特性となる。従って、このような
流量点での運転を避けるため設計点付近に運転を限定し
ている。一方、地下に設置される雨水排水ポンプ機場に
おいて、ポンプ運転中地下の吸込水路を常に満管で運用
する場合には、図14に示すように地下の吸込水路に接
続される立坑等の水位に連動してポンプの吸込圧力は変
化し、これに応じてポンプの運転点は点A、B、Cのよ
うに常に移動する。従って、ポンプの回転数制御や羽根
車の翼角制御により運転点を制御する必要を生じる。し
かし、圧力管で運用される排水ポンプでは必要排水量は
吸込水位に連動して変化するため、低流量域運転での障
害がなければ特に運転制御は不要である。従って、ポン
プの駆動機をポンプ締切運転に必要な軸動力以上の容量
を持つように構成すれば、ポンプの制御は全く不要とな
る。
【0041】以下、本発明の具体的な実施例を図面に基
づき説明する。
【0042】図1は本発明の雨水排水ポンプ機場の実施
例の全体断面図である。縦坑101や上流側河川102
から流入した雨水は吸込水路103を通して排水機場1
00の吸水槽2で受水後、排水ポンプ1で下流側の河川
104に排水される。図1において排水ポンプ1は可変
速の軸流ポンプであり、駆動機3はポンプ締切運転時に
必要な軸動力以上の容量を持っている。更に吸水槽2ま
たは上流水路103には水位計4や圧力計5を設けてい
る。
【0043】本排水機場は上記の構成のため、水位計4
や圧力計5から得られる水位デ−タの変化から、排水機
場計画時に想定した最大排水量を超える雨水の流入が想
定される場合でも、設計計画排水量を超える運転が可能
となる。即ち、排水ポンプ1は可変速であるため、排水
機場100や流域105の冠水が想定されるような非常
の場合には、駆動機3の容量範囲内で回転数を増加する
ことができる。ポンプの軸動力は回転数の3乗に、吐出
し量は回転数に比例して増加するため、例えば10%回
転数を増加すると軸動力は定格回転数の1.33倍に増
加する。しかし、通常駆動機の容量は定格容量の120
〜130%で計画するため、駆動機に問題を生じること
なく設計計画排水量を10%上回る運転が可能となる。
【0044】排水ポンプに軸流ポンプを用いた場合、締
切軸動力は最高効率点軸動力の200%近くに達する。
従って、締切運転を想定して設置した駆動機の場合に
は、図8に示すように最高効率点より大吐出し量側では
25〜30%回転数を増加しても軸動力は許容値内にあ
る。即ち、25〜30%大流量で運転することができ
る。また、大流量運転の障害となる吸込性能は図9に示
すように急激に低下せず、一方このような大吐出し量運
転が必要になる状態では吸込側水位は高くなるため、排
水ポンプでは大吐出し量側の運転は致命的な障害にはな
らない。このように本実施例ではポンプの寿命より排水
を優先する緊急の運転を行い、機場100及び流域10
5を洪水から防止することができる。
【0045】更に、図1に示す排水機場の操作盤13に
降雨レ−ダからの降雨量デ−タを基にした雨量流入予測
システム、及び上流水路103の水位変化を解析する水
路流動シミュレ−ションを組み込むことにより緊急排水
に対する信頼性が更に向上する。
【0046】即ち図10に示すように、水位計4または
圧力計5から得られる水位デ−タに加え、雨量流入予測
システムS1、及び水路流動シミュレ−ションS2を併
用して上流水路の水位変化を予測することにより、排水
機場計画時に想定した最大排水量を超える雨水に対して
も、図11に示すように排水ポンプ1の最適運転制御を
行うことができる。
【0047】まず、上流水位の変化が増加傾向にあり、
且つ上流流域の降雨量も増加している場合には、吸水槽
で渦等を生じない水位下限まで予めポンプ1を排水運転
する。また、雨量流入予測システムから排水機場計画時
に想定した最大排水量を超える雨水の流入が想定される
場合には、水路流動シミュレ−ションからこの雨水の排
水機場100への流入到達時間を予測して、この時間ま
でポンプ1は設計排水量で運転してポンプの能力と寿命
のバランスをとって運転することができる。さらに定格
回転数を上回る過負荷運転で排水できる限界を超える超
過洪水が予想される場合には、吸水槽の水位、流入雨量
にかかわらず直ちに駆動機の容量限界までの過負荷運転
を行う。
【0048】図2は本発明の排水ポンプ機場の一部変形
例を示す要部の断面図である。図2において、吸水槽2
または上流水路103に、水位計4あるいは圧力計5を
設置し、さらに排水ポンプ1の吐出し側河川部104に
は河川側に除塵設備7を持つゲ−ト6を設けている。
【0049】本発明の排水機場は以上の構成のため、排
水ポンプ1や他の機器の機能を定期的に確認する管理運
転時に、ゲ−ト6を開放して吐出し側河川部104から
河川水を排水機場内に、吸水槽2または上流水路103
に設置した水位計4あるいは圧力計5で水位を確認しな
がら給水することにより、必要な負荷条件を設定でき
る。ゲ−ト6の河川側に設けた除塵設備7は河川水中の
夾雑物を除去するもので、管理運転時の給水時以外は上
方に移動しておく。この例では天候にかかわらず随時排
水ポンプ1の排水運転が可能となり、より信頼性の高い
管理運転を行うことができる。
【0050】さらに、図2の例において排水ポンプ1を
可変速または可動翼ポンプとすることにより、管理運転
時の急な降水に対しても機場の信頼性が確保される。即
ち、管理運転中の急な降雨に対しては、排水ポンプ1の
回転数を設計回転数以上に増加して過負荷運転を行い、
管理運転中の雨水の急激な流入によるポンプ機場100
や流域105の冠水を防止することができる。この場合
軸動力が増加するが、図8に示すようにポンプの作動点
は設計点より大流量側になり、大流量側軸動力は設計点
より小さいので10%程度増速しても駆動機が過負荷に
なることはない。
【0051】更に、図2に示す排水機場の操作盤13に
降雨レ−ダからの降雨量デ−タを基にした雨量流入予測
システム、及び上流水路103の水位変化を解析する水
路流動シミュレ−ションを組み込むことにより、更に信
頼性を向上することができる。即ち、管理運転時に排水
ポンプ1の吐出し側河川部104のゲ−ト6を開放して
逆流給水して、負荷を掛けて運転確認を行う際、該水路
流動シミュレ−ションで管理運転中の急な降雨を事前に
予測して管理運転の可否を判定したり、急な出水に対し
ても安全な管理運転時の排水可能負荷量、即ち吸水槽水
位を決めることができる。したがって、管理運転中に降
雨があっても排水遅れを生じることがない。
【0052】なお、図2に示す排水ポンプ機場におい
て、排水ポンプ1の軸受1aや軸封1bにセラミックス
を用いることにより、軸受1a、軸封1bの保守、管理
が容易になる。さらに、この例では河川部104から排
水機場に給水して管理運転を行なうので、管理運転を空
転で行う場合に必要な軸受,軸封への冷却水供給が不要
となる。
【0053】図3は本発明の排水ポンプ機場全体の例を
示す全体断面図である。図3において、排水ポンプ1は
可変速または可動翼の斜流ポンプあるいは軸流ポンプで
あり、駆動機3はポンプ締切運転時に必要な軸動力以上
の容量を持つ。さらに、吸水槽2または地下水路103
に水位計4や圧力計5を設置している。
【0054】本発明の排水ポンプ機場において、排砂運
転に好適な排水運転モ−ドを図12のチャ−ト図により
説明する。
【0055】吸水槽2または地下水路103の水位計4
や圧力計5のデ−タから流入雨水量が低下している場合
には、土砂を排出できる限界の最低流速(限界流速)ま
でポンプ1の回転数を低下させるか翼角を小さくして、
大流量の排水運転により水位が急激に低下して吸込渦等
の問題を生じないように地下水路の水位を一定値以上に
保つ運転をする。ポンプの回転数または翼角が最小規定
値以下に達した場合には吐出し弁を閉じて締切運転を行
うことにより、一定水位の状態で締切運転を行うことが
でき、雨水中に含まれる土砂は堆積することなく撹伴さ
れる。したがっって、一定時間地下水路水位の変化を監
視後、ほぼ水位変化がなくなった時点(排水機場への流
入水がほぼ0になった時点)で100%回転数または設
計翼角に増加して残水を排水運転する。この結果、土砂
を排出できる限界流速以上となり、雨水中の土砂を残水
と共に下流側河川に排出することができる。
【0056】本実施例ではポンプを水位デ−タと水路の
流動状況シュミレ−ションでの時々刻々の水位変化の予
測結果をもとに、以上のように排水運転の終了時の吐出
し量を一定値以上とすることができる。従って、排水終
了時の水路流速を土砂の沈降速度以上にすることができ
るため、雨水中に含まれる土砂の水路内への堆積を防止
することができる。
【0057】更に、図3に示す排水機場の操作盤13に
降雨レ−ダからの降雨量デ−タを基にした雨量流入予測
システム、及び上流水路103の水位変化を解析する水
路流動シミュレ−ションを組み込むことにより、排水量
制御により心配となる突発出水に対する排水の信頼性を
維持することができる。即ち、水位計又は圧力計の水位
デ−タにシミュレ−ション結果を併用して上流側の水位
変化を予測し、上流からの流入量が増加すると予測され
た場合には、吸水槽の水位上昇前に締切運転、または低
速運転を解除することができるため、撹拌運転中の急激
な雨水流入に対して機場及び河川に近接する流域等の洪
水を防止することができる。
【0058】図4は図3に示す地下排水ポンプ機場の一
部変形例である。この例では、排水ポンプ1の吐出側河
川部104に河川側に除塵設備7を持つゲ−ト6を、更
に吸水槽2または地下水路103に水位計4または圧力
計5を設置している。管理運転時に、吐出側河川部10
4から河川水を給水する際には、水位を監視しながら地
下水路103の頂部まで給水する。この結果、地下水路
103中の空気は全て河川水で置き替えることができる
ため、地下水路の換気設備8は立坑部分101や上流側
河川からの流入部102の空間を換気するだけの容量で
よく、立坑部分101や上流側河川からの流入部102
の換気設備を小形化できる。また、地下水路103中に
は空気の淀み部を生じる心配がないので、地下水路10
3の各所に設けていた予防検知設備を簡略化することが
できる。
【0059】さらに、図4に示す排水機場の操作盤13
に降雨レ−ダからの降雨量デ−タを基にした雨量流入予
測システム、及び上流水路103の水位変化を解析する
水路流動シミュレ−ションを組み込むことにより、吐出
側河川部104から給水して管理運転を行っている途中
の突発出水に対して、排水の信頼性を維持することがで
きる。即ち、水路流動シミュレ−ションで給水中の急な
降雨を事前に予測することにより、事前に管理運転時の
可否を判断したり、または給水過程でも吸水槽に雨水が
到達する前に排水への切り替えを行うことができる。
【0060】図5は雨水及び汚水を地下水路を通して吸
水槽に受水後、ポンプで下流側の本河に排水する合流式
下水排水ポンプ機場に本発明を適用した実施例の全体断
面図である。合流式下水では、汚水のみが流入する場合
には汚水は専用の水路103aを流れて排水されるが、
雨水が流入する場合には雨水と汚水が一緒に地下水路1
03bを流れるため、排水終了時に汚水濃度の高い雨水
が地下水路103bを流れることになり、排水後の悪臭
の原因となる。
【0061】本実施例では、市街地の雨水集水用立坑1
01には仕切弁9を設けている。また、排水ポンプ1は
可変速または可動翼であり、更に吸水槽2あるいは地下
水路103bに水位計4や圧力計5を設置している。そ
して、水位計4や圧力計5のデ−タから、流入雨水量が
低下している場合にはポンプ1の回転数を低下させるか
翼角を小さくして地下水路103bの水位を一定値以上
に保ち、更にポンプの回転数または翼角が規定値以下に
なった場合には吐出し弁10を閉じて締切運転を行う。
この締切運転時に立坑の仕切弁9を閉鎖し、一定時間地
下水路水位の変化を監視後、ほぼ水位変化がなくなった
時点で100%回転数または設計翼角に増加して地下水
路の残水を排水する。この時、立坑仕切弁9を上流側か
ら順次開放する。上記の仕切弁操作を行うことにより、
排水に併せて地下水路103bの空気を排出し、排水終
了時に地下水路の空気を新鮮な外気で置換できる。この
ため、小容量の換気設備でも地下水路を十分換気するこ
とができる。
【0062】なお図5に示すように、吸水槽2の上部に
吸引ブロア14を設置し、100%回転数または設計翼
角に増加して地下水路の残水を排水する際に吸引ブロア
14を作動させることにより更に完全な換気を行うこと
ができる。
【0063】図6は図5に示す合流式下水排水ポンプ機
場の一部変形例である。合流式下水では、汚水のみが流
入する場合には汚水は専用の水路103aを流れて排水
されるが、汚水は自由表面を持った開水路を流れるため
流速が遅く、汚水中の汚物を集めるためポンプ手前に汚
水井11を必要としていた。排水ポンプ1は斜流ポンプ
または軸流ポンプであり、駆動機3はポンプ締切運転時
に必要な軸動力以上の容量を持つ。6は排水ポンプ吐出
側河川部104に設けられ河川側に除塵設備7を持つゲ
−ト、12は排水ポンプ1の下流側地上部に設けられた
後沈砂池である。吸水槽2あるいは地下水路103aに
は水位計4や圧力計5を設置している。
【0064】この例では、管理運転時に排水ポンプ吐出
側河川部104のゲ−ト6を開放して逆流給水して、一
定時間締切運転後100%回転数または設計翼角に増加
して排水することができる。上記のポンプ運転制御によ
り、河川水は羽根車から汚泥堆積部に落差を持って流入
するため、堆積した汚泥を河川水に混合させることがで
き、締切運転では図13に示すように、羽根車1cの入
口部で生じる旋回を伴う逆流15により河川水中の汚泥
16を撹拌、拡散して濃度を均一化する。この結果、管
理運転排水時に、地下水路103aに残っている汚泥
を、下流側地上部の沈砂池12に排出することができる
ため、特別の排砂装置や、ポンプの前(上流)に沈砂池
を設ける必要はなくなる。
【0065】図7は雨水を地下水路を通して吸水槽に受
水後、ポンプで下流側の河川104に排水する地下排水
ポンプ機場の一例である。この例でも、ポンプ1の駆動
機3はポンプ締切運転時に必要な軸動力以上の容量を持
たせている。従って、吸込水路103を圧力管として運
用するような大深度の地下にポンプ1を設置した場合、
従来のように排水ポンプに軸流ポンプや斜流ポンプを用
いた場合でも、吸込水路103の水位によりポンプの運
転点が変化しても、特にポンプの運転点制御を行わなく
ても良い。更に、排水ポンプ1を可変速または可動翼ポ
ンプとすることにより、水位計4や圧力計5の水位デ−
タから、吸水槽2あるいは地下水路103の水位が一定
値となるようなポンプ1の運転制御が可能となる。
【0066】従って、上流からの流入量が低下してポン
プが低流量の運転に入ると想定される場合には、予め回
転数を低下させるか翼角度を小さくして吐出し量を抑制
し、逆に上流からの流入量が増加してポンプ機場100
が浸水の恐れのある場合には、予め回転数を増加させる
か翼角度を大きく変更して吐出し量を増し、さらに先行
待機運転を行っている場合には気中運転と液相運転の頻
繁な切り替わりを防止すると共に、通常の液相運転の場
合でもポンプ運転点を設計点付近から外れないように制
御できるため、ポンプ及びポンプ機場の運転信頼性を増
すことができる。
【0067】図7に示す排水機場の操作盤13に降雨レ
−ダからの降雨量デ−タを基にした雨量流入予測システ
ム、及び上流水路103の水位変化を解析する水路流動
シミュレ−ションを組み込むことにより、更に信頼性を
向上することができる。即ち、図7において、吸水槽2
あるいは地下水路103に水位計4や圧力計5を設置
し、更にこの水位デ−タと降雨デ−タから水路の流動状
況シュミレ−ションでの時々刻々の水位変化の予測結果
をもとにポンプ1を運転する。この結果、上流側からの
事前の流入量予測もでき、現在より先の状態まで考慮し
た運転制御を予め行うことにより頻繁な運転制御がなく
なり、運転制御に伴う上流側水路103や立坑102の
水位のサ−ジング等の恐れをなくすことができる。
【0068】上述した実施例では主に軸流形ポンプを用
いた例で説明したが、高比速度のものであれば斜流形ポ
ンプでも同様に適用可能であり、またポンプも可変速タ
イプだけでなく、翼角度を変更できる可動翼ポンプでも
同様の効果を得ることができる。
【0069】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば以下の効果がある。
【0070】(1)ポンプの駆動機をポンプ締切り運転
に必要な軸動力以上の容量とし、計画した機場容量の雨
量を上回る大雨量の場合(超過洪水時)には計画流量を
超える過負荷で運転するようにしたので、超過洪水時に
も排水機場や流域を冠水から防止することができる。
【0071】(2)管理運転時には、ポンプ機場の吐出
側河川部から機場内に給水することにより、実負荷状態
でポンプや駆動機の機能確認をすることができるから、
信頼性の高い管理運転が可能となる。また、管理運転時
にもポンプを空運転しないので、ポンプの軸受や軸封部
への給水設備をなくすことができる。さらに、管理運転
時には機場を水で満たして排水するので、管理運転時に
同時に効率よく換気をすることもできる。
【0072】(3)地下排水機場への流入雨水量が多い
場合には、必要容量でポンプを運転し、流入雨水量が低
下したらポンプ容量を下げて地下水路の水位を一定値以
上に保ち、流入雨水量がほぼ0になった時点でポンプ排
水量を土砂排出可能な容量まで増加させることにより、
機場内の残水排水に併せて機場内の土砂も排出すること
ができ、雨水中に含まれる土砂の吸込水路や吸水槽への
堆積を防止することができる。 また、給水槽上部に吸
引ブロワを設け、且つ立坑入口には仕切弁を設置して、
地下水路の残水を排水する際に、上記吸引ブロワを運転
し、同時に上記立坑仕切弁を上流側から順次開放するこ
とにより、排水時に地下水路の換気を行なうことがで
き、汚泥の排出と共に地下水路の臭気を効率良く換気す
ることができる。
【0073】(4)吸込水路を圧力管として運用する地
下排水機場とし、ポンプを可変容量型として地下水路の
水位が一定になるように制御することにより、ポンプの
起動停止の頻度を低減でき、雨水流入量の変化にかかわ
らず、ポンプを常に高い信頼性で運転することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の排水ポンプ機場の実施例を示す全体縦
断面図である。
【図2】図1に示す排水ポンプ機場の一部変形例を示す
ポンプ機場部の縦断面図である。
【図3】本発明の排水ポンプ機場のさらに他の例を示す
全体縦断面図である。
【図4】図3に示す排水ポンプ機場の一部変形例を示す
全体縦断面図である。
【図5】図3に示す排水ポンプ機場の一部変形例を示す
もので、合流式地下排水ポンプ機場とした場合の全体縦
断面図である。
【図6】図5に示す合流式地下排水ポンプ機場のさらに
他の例を示す全体縦断面図である。
【図7】吸込水路を圧力管として運用する排水ポンプ機
場に本発明を適用した場合の例を示す全体縦断面図であ
る。
【図8】ポンプの回転数を変更した場合の作動点の変化
を説明する線図である。
【図9】軸流ポンプの吸込性能を説明する線図である。
【図10】降雨量予測、流動シミュレ−ションを基づく
ポンプ制御の説明図である。
【図11】本発明の限界過負荷運転のモ−ドを説明する
チャ−ト図である。
【図12】本発明の排水運転のモ−ドを説明するチャ−
ト図である。
【図13】羽根車入口部の逆流による汚泥撹拌の状態を
説明する説明図である。
【図14】吸込水路が圧力管として運用されるポンプ機
場の吸込水位による作動点の変化を説明する図である。
【符号の説明】
1…排水ポンプ、1a…排水ポンプ軸受、1b…排水ポ
ンプ軸封部、1c…羽根車、2…吸水槽、3…駆動機、
4…水位計、5…圧力計、6…樋管ゲ−ト、7…除塵設
備、8…換気設備、9…立坑仕切弁、10…吐出し弁、
11…汚水井、12…後沈砂池、13…操作盤、14…
吸引ブロア、15…逆流、16…汚泥、17…洗浄用配
管、18…給水タンク、100…排水ポンプ機場、10
1…上流側河川、102…立坑、103…吸込水路、1
03a…汚水用吸込水路、103b…雨水用吸込水路、
104…下流側河川、105…河川流域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 雅之 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 嶋田 豊 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 真鍋 明 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (56)参考文献 特開 平6−26092(JP,A) 特開 平6−108988(JP,A) 特開 平4−371621(JP,A) 実開 昭62−786(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F04D 15/00 E03F 1/00 E03F 5/22

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】雨水を地下水路に集め大河川等に排水する
    排水ポンプ機場において、可変容量形であってかつ軸流
    または斜流形の排水ポンプと、ポンプ締切り運転時に必
    要な軸動力以上の容量の前記ポンプの駆動機と、吸水槽
    や水路上流に設けられた水位計または圧力計とを備え、
    機場の計画排水量を上回る雨水の流入がある場合、計画
    排水量を超える過負荷で運転することを特徴とする排水
    ポンプ機場。
  2. 【請求項2】雨水を地下水路に集め大河川等に排水する
    地下排水ポンプ機場において、排水ポンプの吐出側河川
    部に設けられたゲートと、前記ゲートの河川側に設けら
    れた除塵設備と、地下水路またはその吸水槽に設置され
    た水位計または圧力計とを備え、管理運転時には前記排
    水ポンプ吐出側河川部のゲートを開放し、前記地下排水
    ポンプ機場に逆流させてその頂部付近まで給水し、実負
    荷を掛けて運転確認を行うことを特徴とする排水ポンプ
    機場。
  3. 【請求項3】請求項2において、前記排水ポンプは容量
    可変型とし、管理運転中の急な降雨に対して、ポンプ容
    量を増加して計画排水量を上回る過負荷運転を行うこと
    を特徴とする排水ポンプ機場。
  4. 【請求項4】請求項3において、前記排水ポンプは可変
    速または可動翼ポンプであり、管理運転中の急な降雨に
    対して、ポンプの回転数を増速するかまたは翼角度を大
    きくして過負荷運転を行うことを特徴とする排水ポンプ
    機場。
  5. 【請求項5】請求項3において、管理運転時には吐出側
    河川から地下水路の頂部まで給水して管理運転を行うこ
    とを特徴とする排水ポンプ機場。
  6. 【請求項6】請求項5において、降雨レーダからの降雨
    量データを基にした雨量流入予測システム、及び地下水
    路の水位変化を解析する水路流動シミュレーションをさ
    らに備え、この水路流動シミュレーションにより排出側
    河川から地下水路への給水中の急な降雨を事前に予測し
    て、管理運転の可否または給水から排水への切替えを行
    うことを特徴とする排水ポンプ機場。
  7. 【請求項7】可変容量型の排水ポンプを備え、雨水を大
    河川等に排水する排水ポンプ機場において、排水ポンプ
    吐出側河川部から排水ポンプ機場に逆流給水し、実負荷
    を掛けて管理運転を行う際に、降雨レーダからの降雨量
    データを基にした雨量流入予測システムと排水ポンプ機
    場の上流水路の水位変化を解析する水路流動シミュレー
    ションとを併用して上流水路の水位を予測し、水路流動
    シミュレーションで管理運転中の急な降雨を事前に予測
    して管理運転の可否または管理運転時の負荷量(吸水槽
    水位)を決定する排水ポンプ機場の排水運転方法。
  8. 【請求項8】雨水を地下水路を通して下流側の河川等に
    排水する排水ポンプ機場において、可変容量形の排水ポ
    ンプと、吸水槽や地下水路に水位計または圧力計とを備
    え、これら水位計または圧力計のデータから流入雨水が
    低下している場合にはポンプの容量を低下させて地下水
    路の水位を一定値に保ち、ポンプの容量が最小規定値に
    達したときポンプの吐出側を閉じて締切運転を行い、一
    定時間地下水路水位の変化を監視後ほぼ水位変化がなく
    なった時点でポンプの排水量を地下水路の土砂排出可能
    な容量まで増加させ、残水を排水することを特徴とする
    排水ポンプ機場の排水運転方法。
  9. 【請求項9】雨水及び汚水を地下水路を通して吸水槽に
    受水後排水ポンプで下流側の河川に排水する合流式下水
    排水ポンプ機場において、吸水槽上部に設けられた吸引
    ブロアと、立坑入口に仕切弁とを備え、前記吸水槽上部
    の吸引ブロアを運転すると共に、前記立坑仕切弁を上流
    側から順次開放することにより地下水路を換気すること
    を特徴とする排水ポンプ機場。
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