JP3793885B2 - ポンプの推定末端圧力一定制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直送給水式におけるポンプの推定末端圧力一定制御装置に関する。ここで、「推定末端圧力一定制御」とは、末端圧力をポンプ側にて推定し、推定値をほぼ一定にする制御のことで、遠隔点の給水末端の圧力を直接検出して制御する方法に比して、このように呼ばれる。
【０００２】
【従来の技術】
ビルやマンション等に設置する可変速式のポンプ給水設備で、使用水量の変動にも拘らず、需要端での圧力をほぼ一定に保つことのできる推定末端圧力一定制御が、需要端での圧力変動の少ない質の良い給水と最近の省エネルギーの見地から検討されている。
【０００３】
これは、ポンプから需要端までの圧力損失揚程が、流量のほぼ２乗に等しいことを利用して、ポンプ吐出圧一定制御の吐出圧設定値に、流量信号の２乗値を管路損失揚程分として加算して、設定するように構成されている。
即ち、一般に、次の（１）式に基づいてポンプ叶出圧力を設定し、実際のポンプ圧力が、この設定値に一致するように、ポンプの速度を自動制御することにより、目的を達している。
【０００４】
Ｈ_P＝Ｈ_a＋Ｈ_K＋ｋＱ² （１）
但し、Ｈ_P：ポンプ吐出揚程（ｍ） Ｈ_a：負荷実揚程（ｍ）
Ｈ_K：所要末端揚程（ｍ） ｋ：定数（流量係数）
Ｑ：流量（ｍ³／ｍｉｎ）
然しながら、この場合、流量信号を得るために、差圧式や電磁式などの流量計を必要とする。これ等の流量計は一般に高価であるために、ビルやマンション等の給水設備では、ポンプ容量も小容量になることから、コスト面で適用が困難である。
【０００５】
この対策として、これらの流量計を使用しないで、近似的流量信号を得る方法が検討されている。例えば、速度制御範囲を限定すれば、ポンプの吐出量が、ほぼ、ポンプ速度に比例する原理を応用して、ポンプ速度から流量を推定する方法が一般的に採用されている。然しながら、この方法では、ポンプ負荷に実揚程がある場合や、ポンプ吸込側に押込み圧が存在する場合等では、ポンプ速度と流量の比例関係が成立しないため、流量の推定に大きな誤差を生じる。とりわけ、最近の受水槽を省略した直送式の給水システムでは、吸込側に押込み圧が存在するのみならず、地域的な需要量の変動によって本管圧力の変動を受けて、その引込み水道管の圧力が変動する。また、引込み水道管を通して給水ポンプ側から水が水道本管に逆流しないようにするために、引込み水道管とポンプ吸込側の間に設ける減圧式の逆止弁の特性による影響を受ける。
【０００６】
この様な、圧力変動や、配管に切り込まれた逆止弁の特性による流量変動は、従来の、ポンプ速度から流量を推定する方法では、検知することは出来ない。それだけ、流量推定に大きな誤差を生じることになる。
即ち、以上の様な問題点のために、従来方式のポンプ速度を使用した流量推定法では、高価な流量計を併用した方式を採用しない限り、特に、直送給水方式での、精度の良い推定末端圧一定制御することは困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の問題点を解決するために、電磁流量計等の高価な流量検出手段を必要とせず、また、従来のポンプ速度からの流量を推定する方法とは異なる原理に基づく、流量演算推定方法を開発し、高精度、且つ低価格の推定末端圧一定制御を可能とする制御装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、特に、ポンプ吐出側圧力、吸込側圧力を検出しその差の圧力がポンプの正味発生圧力である点に着目し、実際の圧力を検出しポンプ発生圧力を求め、これを基に流量を演算すると云う原理に基づくので、ポンプの吸込側圧力変動に影響されない流量検出手段をソフトウェアで構築し、安価で、高精度の推定末端圧力一定制御装置を構成している所に特徴がある。
【０００９】
本発明は、単独運転、或いは、２台以上の並列運転により末端給水栓に給水できるように構成されたポンプの推定末端圧力一定制御装置において、前記ポンプの速度を可変速制御できる、少なくとも１台の可変速制御装置と、前記ポンプの吐出側の給水管と吸込側にそれぞれ配設された各１個の圧力検出器があり、ポンプ吸込側と引込水道管の間に置かれた逆止弁の特性を固定損失揚程と摩擦損失揚程の和に近似する関数発生器、ポンプ速度を推定演算する関数発生器、圧力の伝達遅れを近似する一次遅れ要素を有し、ポンプの推定速度の２乗とポンプの特性係数からポンプの締切り揚程を求め、また、吸込側の圧力検出器が検出する吸込揚程から逆止弁固定損失揚程を減じた値を吐出側圧力検出器で検出した吐出圧力揚程から減じ、さらにこの値を前記ポンプの締切り揚程から引き算し、この差の揚程をポンプの流量の２乗の係数と逆止弁摩擦損失揚程の和によって除することにより、流量の２乗に相当する流量信号を検出し、これに係数を乗じて推定末端圧力一定制御に必要な補償揚程信号を作り出し、該補償揚程信号を加味した圧力設定値とポンプ吐出圧力検出値を比較する手段からなることを特徴とするポンプの推定末端圧力一定制御装置である。
【００１０】
また、本発明は、上記の吸込側圧力検出器を上記の逆止弁位置よりポンプ側に配設することにより、逆止弁特性を近似する関数発生器を省略し流量演算を簡単にすることができる。上記の吸込側逆止弁、吸込側圧力検出器を使用しない受水槽式の場合に対しても、それぞれの設定値をゼロとすることにより、推定末端圧力一定制御を同様に構成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の推定末端圧力一定制御装置をポンプ２台運転の直送給水システムに適用した場合の全体構成図である。図２は本発明の推定末端圧力一定制御装置の構成を示すブロック線図である。
【００１２】
図１において、１は本発明の推定末端圧力一定制御装置（図２参照）であり、２₁、２₂はポンプ吐出側、ポンプ吸込側それぞれの圧力を検出する圧力検出器で、圧力信号ｈ、ｈ_SUを推定末端圧力一定制御装置１に出力する。
推定末端圧力一定制御装置１は、出力信号として可変周波数指令ｆ_1S、ｆ_2Sをインバータ１２、２２に与え、インバータ１２、２２はポンプ１３、２３を駆動する誘導モータ１１、２１に可変電圧、可変周波数を供給し、ポンプ速度を単独に、或いは同時に制御できるように構成されている。３₁、３₂は圧力の変動を低減させる目的で、吸込側、吐出側に取り付けられた圧力タンク、４は水道引込み側９への水の逆流を防止するための減圧式逆止弁、５₁、５₂はポンプ１３、２３の吐出側にそれぞれ置かれた逆流防止用逆止弁、６₁、６₂はそれぞれ、ポンプの保守点検に使用される締切り弁、８₁、８₂は同様の目的に供される吸込側締切り弁である。
【００１３】
７は、ポンプ１３、２３の吐出側集合管と給水管吐出側１０に至る給水配管の間に設置され、その間の流量を検知するフロースイッチである。
また、２₃は、ポンプ吸込側圧力を検出する圧力検出器２₂に代えて減圧式逆止弁４よりポンプ１３と２３の中間位置に配設した場合の構成例を示す。
図２は、図１に示す本発明の推定末端圧力一定制御装置１の内部構成を示したブロック図である。同図において、１０１は圧力設定器、１０２はＰＩコントローラ、１０３、１０４はデジタル−アナログ変換器、１０５はインバータ１２又は２２に内蔵された直線指令器と同様の特性を持った直線指令器、１０６は一次遅れ要素、１０７は２乗演算器である。１０８はポンプ特性ａを表わす定数、１０９は減圧式逆止弁４の摩擦損失特性ｈ_SULとポンプ特性ｂの和の逆数、１１０はポンプの並列運転台数を設定する定数、１１１は圧力設定に加算される管路損失の補償揚程Δｈを決定するための流量係数ｋである。また、１１２は流量係数ｋで補償された管路損失の補償揚程Δｈと圧力設定器出力の圧力設定値ｈ_S’の和で設定される値ｈ_Sが、定格圧力を超えないようにするためのリミッタである。１１３は直送給水式と受水槽式の切換器、１１４は減圧式逆止弁４の固定損失特性である。
【００１４】
次に、本発明の流量を推定する原理について説明する。
定常状態で運転中のポンプの揚程は、近似的に、下記（２）式で表わされることが知られている。
Ｈ_P＝Ｃ₀Ｎ²＋Ｃ₃ＮＱ−Ｃ₁Ｑ² （２）
但し Ｈ_P：ポンプ吐出揚程（ｍ） Ｎ：ポンプ回転数（ｒｐｍ）
Ｑ：流量（ｍ³／ｍｉｎ）
Ｃ₀、Ｃ₁、Ｃ₃：羽根車の大きさ、形状によって決まる定数
ここで、可変速式の給水装置に用いられるポンプの揚程−流量特性は、低流量域でのサージングを防止するために、低流量域から大流量域迄の圧力が、なだらかな垂下特性を持つように設計される。その方法は、例えば、実公昭６１−９１９９号公報、第３頁に記載のように公知である。従って、Ｈ_Pは、（３）式で近似することができる。
【００１５】
Ｈ_P≒Ｃ₀Ｎ²−Ｃ₁Ｑ² （３）
ここで、ポンプの定格揚程、定格回転数、定格流量をＨ_N、Ｎ_N、Ｑ_Nとすれば、（３）式は更に、単位法（ｐｅｒ ｕｎｉｔ）で表わした（３）’式に書き変えることができる。
ｈ_r≒ａｎ²−ｂｑ² （３）’
但し、 ｈ_r＝Ｈ_P／Ｈ_N（ｐ.ｕ．）
ｎ＝Ｎ／Ｎ_N（ｐ.ｕ．）
ｑ＝Ｑ／Ｑ_N（ｐ.ｕ．）
ａ、ｂはポンプ特性を表わす定数
次に、実際の直送給水システムにおいて、本発明の流量推定の原理について説明する。分かり易くするため、図１の１台のポンプ１３のみが運転されている場合とする。
【００１６】
この場合の給水システムは、図３のブロック線図で表わすことができる。図３は本発明の流量検出の原理を説明するためのブロック線図で、同図では、図１中の逆流防止用逆止弁５₁、締切り弁６₁及び吸込側締切り弁８₁の特性は、一般に、固定損失、摩擦損失がともに小さいために、これを省略している。
図３において、Ｇ１〜Ｇ５は各要素の伝達特性を示す伝達関数であり、ＭＵＬは乗算を、ＳＱＲは１／２乗演算を行なうものとする。Ｇ１、Ｇ２はポンプの特性を示す（３）’式の定数ａ、ｂ、Ｇ３は管路特性、Ｇ４は逆止弁４の摩擦抵抗損失、Ｇ５は逆止弁４の固定損失特性をそれぞれ表わす伝達関数である。また、ｈ_aは負荷の実揚程Ｈ_aの単位法表示Ｈ_a／Ｈ_N、ｈ_SUはポンプ吸込側圧力の単位法表示Ｈ_SU／Ｈ_Nを示している。
【００１７】
従って、図３から
ｑ²＝〔Ｇ１・ｎ²−｛ｈ−（ｈ_SU―Ｇ５）｝〕／（Ｇ２＋Ｇ４） （４）
が誘導できる。
本発明は、この（４）式に基づいて流量の推定検出を行なうもので、図２中のブロック１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３、１１４に示す様な演算制御回路の構成によって実現している。因みに（４）式の各項との対応は、Ｇ１−ａ、ｎ−ｎ^*、Ｇ５−ｈ_SUC、Ｇ２−ｂ、Ｇ４−ｈ_SULである。
【００１８】
ところで、図２中のＰＩコントローラ１０２の出力は、デジタル一アナログ変換器１０３を通して、インバータ１２へ周波数指令ｆ_1Sを与えているが、インバータに内蔵された直線指令器によって、誘導モータ１１はソフトに加速、減速させられる。即ち、ポンプ圧力はソフトに変化させられ、それだけ、流量の変化速度も抑えられ、過大な圧力上昇や振動を生じない長所がある。然し、逆に、流量を推定演算する場合には、この遅れを考慮しなければならない。
【００１９】
この対策として、本発明では、直線指令器１０５を設け、インバータに内蔵された直線指令器と同じ特性、つまり、同じ加速時間、減速時間を設定することにより、誘導モータに与えられている周波数Ｆ（Ｈz）の単位法値Ｆ／Ｆ_N＝ｆ（ｐ．ｕ．）の推定値ｆ^*を出力できるようにしている。但し、Ｆ_Nは定格周波数（Ｈz）である。
【００２０】
一次遅れ要素１０６は、この推定値ｆ^*から、モータの速度と等速になる迄の遅れ時間及びポンプ系の圧力−流量の関係が定常状態となる迄の遅れ時間を設定する一次遅れ要素である。つまり、モータとポンプの慣性による遅れ、ポンプ速度からポンプ圧力までの伝達遅れ、その過渡応答整定時間を合計した等価遅れ時定数を設定する。
【００２１】
ここで、慣性による遅れは、ほぼ正確に計算で求めることができるにしても、圧力の伝達遅れ、過渡応答整定時間は、非線形性、ポンプ構造、システムの条件によって大きく異なることが知られており、この値の計算による設定は難しい。
然るに、本発明は、推定末端圧力一定制御の損失揚程の演算に使用するものであることから、流量推定検出の遅れ時間は、殆ど問題にならないと云う条件がある。本発明では、この点に着目し、実験によって、ポンプの圧力応答が十分整定するまでの遅れ時間、例えば、１.０ｓｅｃという長めの時間を設定して、解決した。
【００２２】
かくして、逆数１０９の出力側に単位法で表わしたｑ² の推定値ｑ^*2を得ることができる。
次に、本発明の流量推定に基づく推定末端圧一定制御について図面を参照して説明する。
ポンプ１台運転の場合、並列運転台数の設定定数１１０（図２参照）は１．０に設定されている。
【００２３】
従って、図２に示すように、（４）式によるｑ^*2と流量係数ｋの積で計算した管路損失の補償揚程△ｈがリミッタ１１２の出力に得られる。また、圧力設定器１０１の出力である圧力設定ｈ_S’（ｐ.ｕ.）は、実揚程ｈ_a（ｐ.ｕ.）と必要な管端圧力ｈ_k（ｐ.ｕ.）の和で設定されており、これに、リミッタ１１２の出力である管路損失の補償揚程△ｈを加算して、推定末端圧力一定制御のための設定値ｈ_Sを得ている。
【００２４】
この設定値ｈ_Sは、圧力検出器２₁からのポンプ吐出圧力検出値ｈと比較され、その誤差が減少するように、ＰＩコントローラ１０２からの可変周波数指令ｆ_1Sによってインバータ１２、誘導モータ１１を介して、ポンプ１３の速度を調整する。このようにして、（１）式で与えた推定末端圧を一定に制御可能となる。
ポンプが例えば、２台並列運転する場合には、並列運転台数の設定定数１１０の設定を、次の（５）式を満足するように変更する。
【００２５】
Ｋ_nq＝ｋ_2q＝（Ｇ₂＋Ｇ₄）／〔（Ｇ₂／４）＋Ｇ₄〕 （５）
同様にして、３台、４台並列の場合には、（５）’、（５）”で設定する。
ｋ_3q＝（Ｇ₂＋Ｇ₄）／〔（Ｇ₂／９）＋Ｇ₄〕 （５）’
ｋ_4q＝（Ｇ₂＋Ｇ₄）／〔（Ｇ₂／１６）＋Ｇ₄〕 （５）”
また、受水槽式の場合には、Ｇ₄、Ｇ₅、ｈ_SUも共にゼロと見なせるから、（４）式は（４）’式と簡単になり、（５）、（５）’、（５）”も４.０、９.０、１６.０と簡単になる。
【００２６】
ｑ²＝（Ｇ１・ｎ²−ｈ）／Ｇ２ （４）’
図２の受水槽式の場合の回路は、これを示している。但し、ｈ_SUL、ｈ_SUC もゼロに設定されるので、図２の構成で、受水槽式の場合でも、正確な流量の演算検出が可能であること示している。本発明の原理を同様に適用できる。つまり、応用範囲が広い。
【００２７】
さらに、図１にて、吸込側圧力検出器２₂を、図示の２₃の位置に移設できる場合には、ｈ_SUL、ｈ_SUCをゼロに設定することで、上記の構成によって、逆止弁の設定誤差を除くことができるので、さらに、正確な流量を検出することができる。
以下、本発明の実施例に於ける特性例を説明する。
【００２８】
図４は、本発明の実施例におけるポンプ特性を（３）’式で近似推定した場合のグラフを示し、推定例を○印で示し、また実際の測定例を□印で示す。ポンプ定数ａ、ｂにより、実使用流量範囲で、かなり精度良くポンプ特性を近似出来ていることが分かる。
図５は、吸込側の押込み圧力揚程８ｍの場合、本発明の推定末端圧力一定制御を実施した場合の特性例を示している。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来のポンプ速度基準に比ベ、実際の圧力を検出しポンプ発生圧力を求め、これを基に流量を演算すると云う原理に基づくので、本質的に、外乱に影響されない精度の良い流量検出が可能である。従って、安価で、高精度の推定末端圧一定制御装置を提供できる効果がある。
【００３０】
また、本発明は吸込み側押込み圧が小さく、殆どゼロと見なせる場合、例えば、受水槽式の場合に対しても吸込側圧力検出器を省略し、その検出値を例えば、ゼロに設定することにより、本発明の原理を同様に適用でき、その応用範囲が広い。
このようにして、本発明の管路損失揚程を推定演算する回路は、直結給水式に限らず、従来の受水槽式にも、また、ポンプが並列運転する場合にも適用可能であると云う長所がある。
【００３１】
つまり、給水システムが変わっても、以上の様な対応によって、推定末端圧力一定制御を安価に、高精度に実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の推定末端圧力一定制御装置をポンプ２台運転の直送給水システムに適用した場合の全体構成図
【図２】 本発明の推定末端圧力一定制御装置の構成を示すブロック図
【図３】 本発明の流量検出の原理を説明するためのブロック線図
【図４】 本発明の実施例におけるポンプ特性を（３）’式で近似した場合のグラフ
【図５】 本発明の推定末端圧力一定制御を実施した場合のグラフ
【符号の説明】
１ 推定末端圧力一定制御装置
２₁、2、3 圧力検出器
３1、₂ 圧力タンク
４ 減圧式逆止弁
５1、₂ 逆流防止用逆止弁
６1、₂ 締切り弁
７ フロースイッチ
８1、₂ 吸込側締切り弁
９ 水道引込み側
１０ 給水管吐出側
１１、２１ 誘導モータ
１２、２２ インバータ
１３、２３ ポンプ
１０１ 圧力設定器
１０２ ＰＩコントローラ
１０３、１０４ デジタル−アナログ変換器
１０５ 直線指令器
１０６ 一次遅れ要素
１０７ ２乗演算器
１１２ リミッタ
１１３ 切換器

Claims (3)

1. 単独運転、或いは、２台以上の並列運転により末端給水栓に給水できるように構成されたポンプの推定末端圧力一定制御装置において、
   前記ポンプの速度を可変速制御できる、少なくとも１台の可変速制御装置と、前記ポンプの吐出側の給水管と吸込み側にそれぞれ配設された各１個の圧力検出器があり、ポンプ吸込側と引込水道管の間に置かれた逆止弁の特性を固定損失揚程と摩擦損失揚程の和に近似する関数発生器、ポンプ速度を推定演算する関数発生器、圧力の伝達遅れを近似する一次遅れ要素を有し、ポンプの推定速度の２乗とポンプの特性係数からポンプの締切り揚程を求め、また、吸込側の圧力検出器が検出する吸込揚程から逆止弁固定損失揚程を減じた値を吐出側圧力検出器で検出した吐出圧力揚程から減じ、さらにこの値を前記ポンプの締切り揚程から引き算し、この差の揚程をポンプの流量の２乗の係数と逆止弁摩擦損失揚程の和によって除することにより、流量の２乗に相当する流量信号を検出し、これに係数を乗じて推定末端圧力一定制御に必要な補償揚程信号を作り出し、該補償揚程信号を加味した圧力設定値とポンプ吐出圧力検出値を比較する手段からなることを特徴とするポンプの推定末端圧力一定制御装置。
2. 上記の吸込側圧力検出器を上記の逆止弁位置よりポンプ側に配設することにより、逆止弁特性を近似する関数発生器を省略し流量演算を簡単化したことを特徴とする請求項１に記載のポンプの推定末端圧力一定制御装置。
3. 上記の吸込側逆止弁、吸込側圧力検出器を使用しない受水槽式の場合に対しても、それぞれの設定値をゼロとし、推定末端圧力一定制御を同様に構成したことを特徴とする請求項１に記載のポンプの推定末端圧力一定制御装置。

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