JP4254299B2

JP4254299B2 - 満水装置

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Publication number: JP4254299B2
Application number: JP2003087997A
Authority: JP
Inventors: 裕明依田; 博田中; 稔岩▲崎▲; 信之中島; 聡湯本
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004293449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚水ポンプ用の満水装置に関し、特に乾式真空ポンプが用いられている満水装置およびそれを用いた揚水ポンプ機場に関する。
【０００２】
【従来の技術】
揚水ポンプは、例えば大量の降雨や河川の氾濫による不時の出水などを排水するための排水設備場の排水ポンプなどとして用いられる。このような揚水ポンプは横軸ポンプの形態であるのが一般的である。横軸ポンプは、ポンプ羽根車が内部に配置されたポンプケーシングを備えており、揚水を開始するにあたって、そのポンプケーシング内に外部からの力で水を満たしてやる必要がある。そのために揚水ポンプには満水装置が補機として付属している。すなわち揚水ポンプ用の満水装置は、揚水ポンプによる揚水の開始に際して揚水ポンプのポンプケーシング内を負圧状態にして満水にするのに用いられる補機であり、ポンプケーシング内の負圧状態形成のために真空ポンプを備えている。
【０００３】
従来の満水装置では、その真空ポンプとして、水封式真空ポンプが用いられていた。それは、満水操作時に水（これは濁水である場合が多い）を吸入しても水封式真空ポンプであればその性能を低下させることがないというのが大きな理由になっている。しかし水封式真空ポンプには、貯水槽や給水ポンプなどの封水供給設備を必要とし、そのために満水装置が大型化し、真空ポンプ自体の価格は比較的安いものの、装置全体として高コストになるという欠点がある。また、揚水ポンプを排水ポンプとして用いる場合には、不時の出水対策用であることから、一般的にその運転頻度が低く、そのために満水装置も運転が停止されている期間が長く、その間に真空ポンプのロータなどが水分により錆びて固着するなど、より一層の信頼性向上が望まれていた。
【０００４】
このようなことから、満水装置の無水化に対する要求が高まり、最近は真空ポンプとして乾式真空ポンプを用いた満水装置が採用される例が増える傾向にある。しかし乾式真空ポンプにも問題はある。すなわち、乾式真空ポンプは基本的に水分を嫌うことから、そこへ水が吸入されるのを防止するための機構を十分に整える必要があるということである。そのような要求に応える満水装置を補機とした揚水ポンプの例が特許文献１や特許文献２に開示されている。
【０００５】
特許文献１に開示の揚水ポンプ（横軸ポンプ）では、揚水ポンプのポンプケーシングと満水装置の真空ポンプをつなぐ吸気管に十分な立ち上がり部を設け、この立ち上がり部により真空ポンプの吸水を防止するようにしている。このため真空ポンプに乾式真空ポンプを用いることが可能となる。一方、特許文献２に開示の揚水ポンプ（横軸ポンプ）では、揚水ポンプのポンプケーシングと満水装置の真空ポンプをつなぐ配管の途中に真空タンクを設け、この真空タンクに気液分離機能を発揮させることで、真空ポンプの吸水を防止するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２００２−２０６４９４号公報（図１）
【特許文献２】
特開平２００２−１３８９８２号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１における揚水ポンプのように吸気管に十分な立ち上がり部を設ける構造では、揚水ポンプにおける揚水高以上の高さの立ち上がり部を必要とする。揚水ポンプが設置される一般的な揚水ポンプ機場における揚水高は例えば６ｍ前後ある。したがって６ｍ以上で立ち上がり部を設ける必要があることになる。この結果、揚水ポンプ機場の建屋が大きくなり、大幅なコスト増を招きかねないことになる。
【０００８】
これに対して、特許文献２における揚水ポンプのように、気液分離機能を有する真空タンクを介在させて吸水の防止をなす方式はその構造をコンパクトなものに収めることが可能である。しかし、この方式にも問題が残されている。それは真空ポンプの吸水防止に不安定要因があるということである。すなわち気液分離機能を有した真空タンクによる方式では、真空タンクへ大量の水が侵入してその気液分離機能が十分に働かなくなると、真空ポンプが吸水するおそれがある。そこで、特許文献２の揚水ポンプでは、満水検出手段を設け、この満水検出手段がポンプケーシングの満水を検出すると真空ポンプを停止させるようにすることにより、真空タンクへの大量な水の侵入を防ぐようにしている。ところで、このような機構の確実な作動を保障するには、満水検出手段に用いられる水位センサなどに高精度なものが必要である。しかるに、満水検出手段が作動する際には多くの場合に濁水に接触する。その結果、一回作動すると故障要因を抱え込む可能性が高くなる。そして次の揚水ポンプ運転時に満水検出手段が故障していると、ポンプケーシングの満水後にも真空ポンプが作動し続けて真空タンクへ大量の水が侵入し、それにより真空ポンプが吸水して排水作業の継続中に故障するおそれがある。このことは揚水ポンプにとって大きな問題である。すなわち、揚水ポンプは排水ポンプとして水害時の排水のように緊急的な状態で使用される場合が多いことから、必要時におけるその作動の確実性に高いものが要求され、できるだけ故障要因を減らすことが求められるからである。
【０００９】
本発明は以上のような従来の事情を背景になされたものであり、その目的は、装置全体での経済性が高くなる乾式真空ポンプを用いた満水装置として、より故障要因が少なくて必要時の作動確実性の高い満水装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明では、揚水ポンプによる揚水の開始に際して前記揚水ポンプのポンプケーシング内に水を満たすための負圧状態を形成するのに用いられ、前記負圧状態形成用の乾式の真空ポンプを備えている満水装置において、前記真空ポンプにより前記ポンプケーシング内の空気を吸引する際、空気流とともに侵入してくる水を前記真空ポンプが吸水するのを防止するために空気流から水を分離して貯水する緩衝槽と、前記ポンプケーシングと前記緩衝槽の間を接続する配管と、前記ポンプケーシングに近接するように前記配管に設けられ、かつ前記ポンプケーシングの満水状態を検知する第１の満水検出手段と、前記第１の満水検知手段と直列になるように前記緩衝槽内に設けられ、かつ前記第１の満水検知手段により前記ポンプケーシングの満水状態検知がなされなかった場合に前記ポンプケーシングの満水状態を検知するようにした第２の満水検知手段と、を具備したことを特徴としている。
【００１２】
また本発明では、上記のような満水装置について、前記ポンプケーシングの満水状態検知がなされた後に前記真空ポンプの乾燥運転を行なえるようにしている。
【００１３】
また本発明では、上記のような満水装置について、前記真空ポンプに乾式２段ルーツ形真空ポンプを用いるようにしている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に、一実施形態による満水装置を補機とした揚水ポンプの構成を模式化して示す。図の揚水ポンプは横軸ポンプである。また図の揚水ポンプは、吸込水槽１１から吸上げた水を吐出水槽１２に吐出させるのに用いる例としてある。揚水ポンプはポンプケーシング１３を有している。ポンプケーシング１３の上流側には吸込エルボ１４を介して吸込管１５が接続され、この吸込管１５の先端部の吸込口１６が吸込水槽１１の水面下に没するようにされている。一方、ポンプケーシング１３の下流側には吐出管１７が接続され、この吐出管１７の先端部の吐出口１８が吐出水槽１２の水面下に没するようにされている。またポンプケーシング１３にはその内部にポンプ羽根車１９が組み込まれている。そしてこのポンプ羽根車１９は、吸込エルボ１４の壁を横方向に貫通する主軸２０の一端に固定されている。一方、主軸２０の他端は、減速機２１を介して駆動電動機２２に連結されている。ここで、ポンプケーシング１３下流側に吐出弁を設ける構成とすることも可能で、その場合にはルーズ短管を介して吐出弁を設け、その吐出弁に吐出管１７を接続することになる。
【００１６】
満水装置はポンプケーシング１３の上部に設けられた開口部３１を介して揚水ポンプに接続されている。この満水装置は、ポンプケーシング１３の側から順に配管で接続されて配置される第１の満水検知手段３２、緩衝槽３３、ストレーナ３４、逆止弁３５、および乾式の真空ポンプ３６を備えている。
【００１７】
第１の満水検知手段３２は、例えば水位センサなどが用いられる検知部３７を満水検知容器３８に取り付けた構造とされている。その検知部３７は、点線で示す信号線により制御手段３９に電気的に接続され、後述のようにしてポンプケーシング１３の満水を検知すると制御手段３９に検知信号を伝えるようにされている。一方、その満水検知容器３８には、その内に真空ポンプ３６で形成される負圧状態を破壊するための真空破壊手段として第１の真空ブレーク弁４０が接続されている。
【００１８】
緩衝槽３３には基本として二つの機能がある。その一つは、真空ポンプ３６で吸引される空気流とともに第１の満水検知手段３２における満水検知容器３８を越えて侵入してくる水を真空ポンプ３６が吸水するのを防止するために空気流から分離して貯水する緩衝用であり、それに必要な容量と形状を有している。具体的には、満水検知容器３８から緩衝槽３３の胴部に接続する配管Ｐａを通して緩衝槽３３に流れ込む水分混入の空気流から急激な膨張により水分を分離させることができるサイズで横断面円形状の縦長容器の形態で形成してある。他の一つの機能は、第１の満水検知手段３２をバックアップするための第２の満水検知手段４２としての機能である。すなわち緩衝槽３３は第１の満水検知手段３２における満水検知容器３８と同様に機能し、また緩衝槽３３の胴部に取り付けられている検知部４２ｓが第１の満水検知手段３２における検知部３７と同様に機能する。
【００１９】
この緩衝槽３３には、後述するような機能を有する分離弁４１が配管Ｐａを介して接続されるとともに、緩衝槽３３の真空破壊手段である第２の真空ブレーク弁４３が接続され、さらに緩衝槽３３に溜まった水を引き抜くためのドレン弁４４が接続されている。
【００２０】
ストレーナ３４は、真空ポンプ３６が吸引空気とともに異物を吸入するのを防止する。逆止弁３５は、真空ポンプ３６がその運転中に異常停止した場合に、当該逆止弁３５から先の上流側の負圧状態を保持するのに機能する。
【００２１】
以上の第１の真空ブレーク弁４０、分離弁４１、第２の真空ブレーク弁４３、およびドレン弁４４には電動弁が用いられている。そしてこれらの電動弁は、それぞれ信号線で電気的に制御手段３９に接続され、それぞれの開閉状態信号を制御手段３９に与え、また制御手段３９からは開閉操作信号をそれぞれが与えられることで制御手段３９による制御を受けるようになっている。
【００２２】
制御手段３９は、第１の満水検知手段３２や第２の満水検知手段４２からの信号などを受けて、例えばリレーまたはシーケンサによるシーケンス制御により、真空ポンプ３６の運転操作や上記各電動弁の開閉動作などを制御する。その詳細については後述する。なお図示はしていないが、真空ポンプ３６や制御手段３９それに上記各電動弁は電力供給のために動力電源に電線で接続されている。
【００２３】
以下では上記のような構成による満水装置と揚水ポンプの運転制御について説明する。図２に運転制御における処理の流れを示す。ステップ１０１で運転を開始する。なお、運転開始にあたっての満水装置の初期状態は、機器異常：無し、真空ポンプ３６：停止、第１の満水検知手段３２：未検知、第２の満水検知手段４２：未検知、分離弁４１：閉、第１の真空ブレーク弁４０：開、第２の真空ブレーク弁４３：開、ドレン弁４４：開の状態であり、この初期状態が確認された後に運転が開始される。運転が開始されると、並列的なステップ１０２〜１０４で第１の真空ブレーク弁４０、第２の真空ブレーク弁４３、およびドレン弁４４それぞれを閉じる動作が同時的に実施される。これらはＡＮＤ条件であり、それが満たされていれば、ステップ１０５で分離弁４１の開動作が実施され、分離弁４１を境にした下流側と上流側が連通する。ここで、分離弁４１を境にした「下流側」と「上流側」とは、真空ポンプ３６による吸引における空気の流れを基準にしたもので、下流側は真空ポンプ３６の側となり、上流側は第１の満水検知手段３２の側となる。ステップ１０６では、真空ポンプ３６の満水用運転のための起動がなされる。この真空ポンプ３６の満水用運転により緩衝槽３３と満水検知容器３８、それに揚水ポンプのポンプケーシング１３が負圧状態になり、それに応じてポンプケーシング１３に吸込水槽１１から水が吸上げられる。そしてポンプケーシング１３が満水状態になると、第１の満水検知手段３２の満水検知容器３８にも水が吸い上げられ、それが検知部３７で検知されて満水検知がなされる。
【００２４】
ステップ１０７とステップ１０８は何れも満水についての判断処理で、並列的になされる。ステップ１０７では第１の満水検知手段３２による満水の検知がなされた否かを判断する。第１の満水検知手段３２による満水の検知がなされていた場合にはそれが制御手段３９に伝えられる。この満水検知を受けた制御手段３９はタイマにより所定の時間をカウントする。ステップ１０９ではこの所定時間のカウントがなされたか否かを判断する。このような処理を設けたのは、ポンプケーシング１３が満水になっていない状態でも水が満水検知容器３８の内部に跳ね上がってそれを検知部３７が検知することで誤作動する可能性があるということから、満水検知から真空ポンプ３６を停止させるまでに適当なクッションを置くためである。ステップ１０９で所定時間のカウントがなされたと判断されると、ステップ１１０で真空ポンプ３６が停止させられる。
【００２５】
一方、ステップ１０８では第２の満水検知手段４２による満水の検知がなされた否かを判断する。通常はポンプケーシング１３が満水になれば、上記のようにそれを第１の満水検知手段３２が検知して真空ポンプ３６の停止がなされる。しかし第１の満水検知手段３２が故障などにより正常に作動しない場合がある。その場合には満水検知容器３８が水で満たされても真空ポンプ３６が停止せずに満水装置側への水の吸い上げが続き、その水は緩衝槽３３まで達する。そして緩衝槽３３の水位が検知部４２ｓに達すると、それが検知部４２ｓで検知される。これが第２の満水検知手段４２による満水検知である。この満水検知手段４２による満水検知と、上記第１の満水検知手段３２による満水の検知＋所定時間のカウントとはＯＲ条件であり、何れかが満たされればステップ１１０で真空ポンプ３６が停止させられる。
【００２６】
真空ポンプ３６が停止すると、ステップ１１１で分離弁４１が閉じられ、これにより分離弁４１を境にした下流側と上流側が分離する。分離弁４１の閉に続いて、並列的に処理されるステップ１１２〜１１４がある。ステップ１１２では揚水ポンプを起動して揚水が開始され、ステップ１１３では第２の真空ブレーク弁４３が開となって緩衝槽３３内が大気圧となり、ステップ１１４ではドレン弁４４が開となって緩衝槽３３に貯まっている水が自然流下で排出される。この緩衝槽３３の貯留水排出完了は、制御手段３９においてタイマで所定時間をカウントすることでなされる。その所定時間カウントはステップ１１５で判断される。この所定時間カウントと第２の真空ブレーク弁４３の開はＡＮＤ条件で、これが満たされると、ステップ１１６で真空ポンプ３６が乾燥用運転のために起動させられる。この乾燥用運転は制御手段３９においてタイマで設定されている所定時間だけ継続される。そのためにステップ１１７でその所定時間カウントがなされたか否かを判断する。所定時間カウントがなされたと判断されれば、ステップ１１８で真空ポンプ３６の乾燥用運転が停止される。なお真空ポンプ３６の乾燥は真空ポンプ３６の乾燥用運転による自己発熱でなされる。
【００２７】
一方、この間に揚水ポンプによる揚水が終了とするとステップ１１９で揚水ポンプの停止がなされる。それからこの揚水ポンプ停止と、上記所定時間カウント＋真空ブレーク弁４３開のＡＮＤ条件満足とをＡＮＤ条件として、ステップ１２０で第１の真空ブレーク弁４０の開が実施され、ポンプケーシング１３を満たしていた水が吸込水槽１１に落水する。そしてこの真空ブレーク弁４０開と上記真空ポンプ３６の乾燥用運転停止をＡＮＤ条件として、運転終了となる（ステップ１２１）。
【００２８】
なお以上の運転制御では、緩衝槽３３からの水の排出を時間のカウントで判断するようにしていたが、これに代えて緩衝槽３３に水位スイッチや水位センサを設け、この水位スイッチや水位センサで水の排出を判断する形態とすることも可能である。
【００２９】
以上の実施形態では、揚水ポンプのポンプケーシング１３に近接して設けられる第１の満水検知手段３２に加えて、緩衝槽３３を利用した第２の満水検知手段４２を設けるようにしている。このため、第１の満水検知手段３２に故障を生じて満水検知をなすことができなくても第２の満水検知手段４２でバックアップすることができ、真空ポンプ３６が吸水する危険性を大幅に低減させることができる。したがって本実施形態によれば、乾式の真空ポンプ３６が用いられた満水装置の必要時の作動確実性を大幅に高めることができ、ひいては揚水ポンプの必要時の作動確実性も大幅に高めることができる。また真空ポンプ３６の満水用運転の停止後に、分離弁４１によりその下流側と上流側を分離した状態で揚水ポンプの揚水運転を行ない、その間に真空ポンプ３６の乾燥用運転を行なって真空ポンプ３６の内部を十分に乾燥した状態にし、これを条件に運転終了とするようにしている。このため、たとえ運転中に真空ポンプ３６へ水分が侵入してもそれを残留させることがなく、揚水ポンプの休止中に真空ポンプ３６の内部に錆などが発生して生じる可能性のある故障要因を排除することができる。そしてこのことでも満水装置の必要時の作動確実性をさらに高めることができる。さらに本実施形態によれば、真空ポンプ３０の吸水防止用である緩衝槽３３を利用して第２の満水検知手段４２を形成するようにしたことにより、装置のコンパクト化を図れる。
【００３０】
次に、真空ポンプ３６に適用する乾式真空ポンプの好ましいタイプについて説明する。表１に、それぞれ同程度の吸引性能を有する水封式真空ポンプ、乾式サイドチャンネル形真空ポンプおよび乾式２段ルーツ形真空ポンプを価格、設置面積および駆動電動機容量の各項目について比較した結果を示す。これから判るように、乾式２段ルーツ形真空ポンプは、価格と設置面積で水封式真空ポンプに及ばないまでも駆動電動機容量は同等であり、無水化により封水供給設備のコストや設置面積が削減されることを考慮すれば、十分に経済性があると言える。また、乾式２段ルーツ形真空ポンプは少量であれば吸水があっても直ぐに故障につながるようなことがなく、このことでも水にきわめて弱い乾式サイドチャンネル形真空ポンプに優ると言える。したがって図１の満水装置における乾式の真空ポンプ３６には乾式２段ルーツ形真空ポンプを用いるのが最も好ましいことになる。
【表１】

【００３１】
以下では、参考までに水封式真空ポンプと乾式２段ルーツ形真空ポンプの性能比較について説明する。図３は、同一の駆動電動機容量において水封式真空ポンプと乾式２段ルーツ形真空ポンプの性能を比較したグラフである。その横軸は負圧であり、縦軸は吸込風量である。この比較から判るように、同一の駆動電動機容量において、乾式２段ルーツ形真空ポンプＤは水封式真空ポンプＷの吸込風量をほぼカバーすることができ、水封式真空ポンプに代えて用いても十分な性能を持った満水装置を構成することが可能となる。
【００３２】
次に、本発明による満水装置を複数台の揚水ポンプが設けられている揚水ポンプ機場に適用する場合の実施形態について説明する。複数台の揚水ポンプに本発明による満水装置を適用する場合、揚水ポンプ１台毎に満水装置１台ずつ設ける方式と満水装置を部分的に共有させて複数台の揚水ポンプの満水操作を行なう方式が可能である。揚水ポンプ１台毎に満水装置１台ずつ設ける方式とする場合には、図１の構成を並列に並べることと同じである。この場合には複数台の揚水ポンプに対して同時に満水操作を行なうことができるという利点がある。一方、満水装置を部分的に共有させる方式では、複数台の揚水ポンプに対して順番に満水操作を行なうことになるものの、揚水ポンプ機場全体のコストを大幅に低減できるという利点がある。本発明による満水装置を部分共有方式とするについては、図１の満水装置の場合であれば、分離弁４１より下流側を共有とし、分離弁４１とそれより上流側を揚水ポンプ１台ごとに設ける形態とするのが好ましい。この形態における満水操作は、図２の運転制御処理にしたがって複数台の揚水ポンプに対して順に満水操作を施し、それを全部の揚水ポンプに完了した後に真空ポンプ３６の乾燥用運転を行なうことになる。なお揚水ポンプ停止後に行なわれる第１の真空ブレーク弁４０の開は、揚水ポンプごとに実施するようにしてもよく、また全揚水ポンプの停止を受けて全揚水ポンプに一斉に実施するようにしてもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、揚水ポンプのポンプケーシングに近接して設けられる第１の満水検知手段に加えて、その下流側に設けられた緩衝槽内に第２の満水検知手段を第１の満水検知手段と直列になるように設けるようにしている。このため、第１の満水検知手段に故障を生じて満水検知をなすことができなくても第２の満水検知手段でバックアップすることができ、真空ポンプが吸水する危険性を大幅に低減させることができる。したがって本発明によれば、乾式の真空ポンプが用いられた満水装置の必要時の作動確実性を大幅に高めることができ、ひいては揚水ポンプの必要時の作動確実性も大幅に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施形態による満水装置とそれを適用した揚水ポンプの構成を模式化して示す図である。
【図２】図１の満水装置と揚水ポンプの運転制御における処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】水封式真空ポンプと乾式２段ルーツ形真空ポンプの性能比較についてのグラフを示す図である。
【符号の説明】
１３ポンプケーシング
３２第１の満水検知手段
３３緩衝槽
３６真空ポンプ
４１分離弁
４２第２の満水検知手段

Claims

揚水ポンプによる揚水の開始に際して前記揚水ポンプのポンプケーシング内に水を満たすための負圧状態を形成するのに用いられ、前記負圧状態形成用の乾式の真空ポンプを備えている満水装置において、前記真空ポンプにより前記ポンプケーシング内の空気を吸引する際、空気流とともに侵入してくる水を前記真空ポンプが吸水するのを防止するために空気流から水を分離して貯水する緩衝槽と、前記ポンプケーシングと前記緩衝槽の間を接続する配管と、前記ポンプケーシングに近接するように前記配管に設けられ、かつ前記ポンプケーシングの満水状態を検知する第１の満水検出手段と、前記第１の満水検知手段と直列になるように前記緩衝槽内に設けられ、かつ前記第１の満水検知手段により前記ポンプケーシングの満水状態検知がなされなかった場合に前記ポンプケーシングの満水状態を検知するようにした第２の満水検知手段と、を具備したことを特徴とする満水装置。
前記ポンプケーシングの満水状態検知がなされた後に前記真空ポンプの乾燥運転を行なうようにされている請求項１に記載の満水装置。
前記真空ポンプとして、乾式２段ルーツ形真空ポンプを用いた請求項１または２に記載の満水装置。