JP5364043B2 - 横軸ポンプ設備、及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、河川の排水を行なう排水機場（ポンプ機場）などに設置する斜流又は軸流ポンプを有する横軸ポンプを備えた横軸ポンプ設備、及びその運転方法に関する。

図８は従来の吸い上げ式の横軸ポンプ設備の概略構成を示す図である。図示するように、横軸ポンプ設備は、吸込水槽１２０の上に据付けられた斜流又は軸流ポンプからなる横軸ポンプ１を備え、該横軸ポンプ１のポンプインペラ３は回転軸７に固定され、電動機４により回転駆動されるようになっている。ポンプケーシング２の頂部には吸気取出口２１が設けられ、該吸気取出口２１には吸気配管８を介して真空ポンプ９が接続されている。また、吸気配管８には吸気弁（電磁弁又は電動弁）２３、及び満水検知器１１が接続されている。

ポンプケーシング２の吸い込み側には吸込管５が接続され、吸込管５の吸込口５ａは吸込水槽１２０内に開口している。また、ポンプケーシング２の吐出し側には吐出弁１３を介して吐出管６が接続されている。なお、２５は落水検知器である。

上記従来の吸い上げ式の横軸ポンプ設備においては、真空ポンプ９でポンプケーシング２内部を吸気し、満水検知器１１で満水を検知してから、駆動機である電動機４を起動し横軸ポンプ（主ポンプ）１を始動している。このような運転方法では、始動時におけるポンプトルク（ポンプ回転体を回転させるために必要なトルク）が大きくなり、十分な始動トルクを発生できる駆動系を選定する必要があった。このような駆動系においては、大きい始動トルクを発生するために必要な始動電流値も大きくなるため、その始動電流を抑制するために高価な電動機や始動方式を採用する必要があった。

上記のように、始動電流が大きい電動機を採用する場合、電力を供給する電源系統において、瞬時的な電圧降下を起す場合があり、これを解消するために、構造が複雑で高価な巻線型電動機や、高価な始動装置（インバータやコンドルファ始動器等）を用いるか、電圧降下補償装置を別途設ける必要がある。これは電力を供給する各電力会社では、他の電力需要家への影響を考慮し、系統の電圧降下について、制限を設けており、この制限から、逸脱する設備の場合、設備側で制限を満たす設備を設けるようになっているからである。

また、吸い上げ式の横軸ポンプ設備では、真空ポンプを用い、横軸ポンプ１のポンプケーシング２内の圧力を低下させて呼水運転を行い、ポンプケーシング２内が完全に満水（満水検知器１１が満水を検知した状態）になってから横軸ポンプ１を始動している。横軸ポンプ１台あたりの満水に要する時間は通常５分〜１０分程度であるが、近年は局地集中的な大雨（ゲリラ豪雨）により河川の水位上昇速度が速くなってきており、上記横軸ポンプ１の早期始動、早期排水運転が強く求められている。

特に、主ポンプの容量（口径）が大きい場合にはポンプケーシング内を満水にするための時間が長くかかり、主ポンプである横軸ポンプ１の始動、排水運転が内水位の上昇に間に合わず、浸水被害をもたらす可能性があった。この対策として、下記するような、真空ポンプの大容量化、真空ポンプの多数台制御、先行待機運転（ドライ始動運転）などが提案されている。

特開昭５８−１３１９１号公報 特開２００９−１４４６５８号公報 特許第３３９４４３２号公報 特開平８−２７０５９８号公報

しかしながら、上記真空ポンプの大容量化、真空ポンプの多数台制御、先行待機運転、吸気構造の工夫には下記のような課題がある。

〔真空ポンプの大容量化〕
満水工程時間（ポンプケーシング内を満水にさせる時間）を短縮するために、吸気容量の大きな真空ポンプを使用することである。しかしながら、真空ポンプにおいては大容量のものが市販化されていないことや、真空ポンプの吸気容量を大きくすると駆動電動機容量が大きくなって高価になること、真空ポンプ運転時の騒音が増大する等、経済性や環境性での課題がある。

〔真空ポンプの多数台制御〕
満水工程時間を短縮させるために、真空ポンプを多数台用いて制御する方法が採られることがある。しかしながら、真空ポンプを多数台使用することにより、騒音問題の発生だけでなく、制御の複雑化、メンテナンス対象機器の増加に繋がり、環境性や経済性、運転管理性が悪化する等の課題がある。

〔ドライ始動運転〕
真空ポンプで満水化を行うと同時に主ポンプを気中で起動することで、真空ポンプのみによる満水工程と比べて満水工程に要する時間を短縮でき、主ポンプの排水運転を迅速に開始できる。しかしながら、ポンプケーシング内の水位が上昇し、水位がポンプインペラに到達して気水混合での運転状態になると、インペラの回転に影響されてポンプケーシングの内壁に旋回流（水膜）が発生するため、真空ポンプは空気と水を一緒に吸引することになり、真空ポンプが正常に吸気できず、その結果満水工程時間が長くなることだけではなく、一緒に吸引した水の影響により、満水工程完了の誤検知により真空ポンプが停止して、その結果、落水が発生することがあるという課題がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ポンプ始動時における始動トルクを軽減させ、低トルク始動を行うことで、駆動機である電動機の始動電流を抑制し、安価で簡素な横軸ポンプ設備を提供することを目的とする。

また、短時間で満水工程を完了させ、早期に排水運転を可能とする横軸ポンプ設備の運転方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明は、斜流又は軸流の主ポンプを備え、ポンプケーシング内を真空引き配管を通して真空ポンプにより吸気することにより水を吸い上げる吸い上げ式の横軸ポンプ設備であって、真空引き配管は、ポンプケーシングの主ポンプインペラより上流側上部に接続し、真空引き配管の接続箇所に主ポンプ始動時の気液二相流の旋回を防止する旋回流防止機構と、気液二相流から気体を分離する気液分離機構とを設け、該気液分離機構で分離された気体を真空引き配管を介して真空ポンプで吸気することを特徴とする。

また、本発明は、上記横軸ポンプ設備において、旋回流防止機構は、ポンプケーシング内面から該ポンプケーシング内部に向かって突出し、ポンプケーシングの内壁面を流れる旋回流が衝突する旋回流防止板を備え、旋回流防止板の近傍で、旋回流の下流側に気液分離機構に連通する吸気開口を設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記横軸ポンプ設備において、旋回流防止機構はポンプケーシング内の旋回流を抑制する旋回流防止板を備え、旋回流防止板近傍で気液分離機構の底に設けられた第１の吸気開口を設け、第１の吸気開口より吸気した気液二相流を分離する気液分離機構を設け、気液分離機構には第２の吸気開口を設け、第２の吸気開口に真空ポンプを真空引き配管を介して接続し、第１の吸気開口と第２の吸気開口が略鉛直方向に合わないようにずらして設けたことを特徴とする。

また、本発明は、上記横軸ポンプ設備において、主ポンプの吐出口に接続された吐出管に設けた吐出弁は主ポンプの吐出口側に弁体を傾斜させることにより開閉を行う蝶型弁であることを特徴とする。

また、本発明は、上記横軸ポンプ設備の運転方法であって、操作制御盤のドライ始動指令により、真空ポンプを起動し気液分離機構を介してポンプケーシンク内を吸気すると共に、主ポンプの吐出口に接続された吐出管に設けた吐出弁の開度を所定の中間開度として、主ポンプを低トルク始動することを特徴とする。

本発明は、ポンプケーシングの真空引き配管の接続箇所に主ポンプ始動時の気液二相流の旋回を防止する旋回流防止機構と、気液二相流から気体を分離する気液分離機構とを設け、該気液分離機構で分離され気体を真空引き配管を介して真空ポンプで吸気するので、気液二相での運転を伴うドライ始動時に主ポンプインペラの回転により、ポンプケーシング内壁面に気液二相の旋回流が発生しても、吸気開口から水が流入することがなく、確実にケーシング内を満水にすることができ、主ポンプインペラが接水しない内の主ポンプの始動を可能としたことでポンプの始動トルクが小さくて済み、駆動機である電動機の始動電流を抑制し、安価で簡素な横軸ポンプ設備を提供できる。

また、短時間で満水工程を完了させ、早期に排水運転を可能とさせる横軸ポンプ設備の運転方法を提供できる。

本発明に係る横軸ポンプ設備の概略構成を示す図である。 本発明に係る横軸ポンプ設備の気液分離機構の構成を示す図である。 本発明に係る横軸ポンプ設備の気液分離機構の構成を示す図である。 気液分離機構の旋回防止機構部の構成を示す図である。 気液分離機構の気液分離短管の構成を示す図である。 本発明に係る横軸ポンプ設備における横軸ポンプ１を始動する際の操作手順を示すフロー図である。 従来の横軸ポンプを始動する際の操作手順を示すフロー図である。 従来の横軸ポンプ設備の概略構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明に係る横軸ポンプ設備の概略構成を示す図である。図１において、図８と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示す。また、他の図面においても同様とする。図１に示すように、吸込水槽１２０上に据付けられた横軸ポンプ１は斜流又は軸流ポンプであり、ポンプインペラ３より上流側のポンプケーシング２上部に気液分離機構１５が設けられている。気液分離機構１５の上部の吸気口には、吸気配管８を介して真空ポンプ９が接続され、該吸気配管８には吸気弁（電磁弁又は電動弁）２２、及び満水検知器１１が設けられている。

ポンプインペラ３は回転軸７に固定され、該回転軸７の他端は駆動機である電動機４の回転軸に連結されている。ポンプケーシング２の吐出口には吐出弁１３を介して吐出管６が接続される。吐出弁１３は、蝶型弁であり、開閉に関しては当該蝶型弁は横軸の蝶型弁であって、開時において天側の弁体がポンプ側に傾斜し、地側の弁体が吐出側に傾くように設置することが好ましい。

図２及び図３は気液分離機構１５の構成を示す図で、図２は気液分離機構１５をポンプ上流側から見た図であり、図３はポンプ側面から見た図である。気液分離機構１５は、旋回防止機構部３０と気液分離短管４０から構成されている。旋回防止機構部３０は後に詳述するように、ポンプ始動時に生じるポンプケーシング２の内壁に発生する旋回流（水膜）をせき止め、吸気開口に水が流入することを防ぐ作用を奏するものであり、気液分離短管４０は後に詳述するように、気液混合水（気液二相流）を分離し、吸気口付近に空気溜まりを作る作用を奏するものである。

図４は旋回防止機構部３０の構成を示す図で、図４（ａ）は設置時ポンプ上流側（図３のＡ−Ａ方向）から見た図であり、図４（ｂ）は設置時ポンプ側面から見た図であり、図４（ｃ）は設置時下方から見た図（図３のＢ−Ｂ方向）であり、Ｐはポンプインペラ側、Ｍは電動機側を示している。図示するように旋回防止機構部３０は、円筒状部３１を有し、該円筒状部３１の上部外周にはフランジ３２が設けられ、更に下端は板状の流入防止部３３で閉塞され、吸気開口部３５以外からは円筒状部３１の内部にポンプインペラ３の回転によりポンプケーシング２の内壁面に形成される水膜が流入しないようになっている。また、流入防止部３３の下方には旋回防止板３４が設けられている。

旋回防止板３４は流入防止部３３の中央近くに、ポンプ軸方向と略平行になるようにポンプケーシング２の内部方向に突出して設けられている。旋回防止機構部３０の円筒状部３１は、図２及び図３に示すように、ポンプケーシング２の上部に形成された円筒状の開口部２ａ内に旋回防止板３４がポンプ軸方向と略平行に、且つポンプケーシング２内壁面から突出するように挿入されて取り付けられている。図２の矢印に示すように、旋回流（水膜）１００は旋回防止板３４に衝突し、その流れ方向がポンプケーシング２の内部に向うように変更される。旋回防止板３４の旋回流（水膜）１００が衝突する側とは反対側に位置する流入防止部３３には図４（ｃ）に示すように、扇状の吸気開口部３５が形成されている。旋回防止板３４の突出長さ（高さ）は１５０ｍｍ程度、その幅は円筒状部３１の直径と同じ長さにすることが最も効率的である。

また、吸気開口部３５の面積は、上部に設けられる気液分離短管４０に設けられる第２の吸気開口部４４の開口面積以上とすることが好ましい。図４（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は旋回防止板３４のその他の態様を示す図である。図４（ｄ）に示すように、ポンプケーシング２のフランジの開口部２ａのフランジ面がポンプ軸芯と水平でない場合等については、該旋回防止板３４を傾斜させた構成としてもよい。また、ポンプの取扱水に塵芥が多い場合などには、塵芥の絡みつきを防止するため、図４（ｅ）及び（ｆ）に示すように、旋回防止板３４の角部を鈍角で構成したり、角部を無くするように円弧状に構成してもよい。

図５は気液分離短管４０の構成を示す図であり、図５（ａ）は設置時のポンプ上流側から見た図であり、図５（ｂ）は設置時ポンプ側から見た図（下方から見た図）である。また、図５（ｃ）はポンプの側方より見た図であり、図中Ｐはポンプ側、Ｍは電動機側である。気液分離短管４０は短い円筒状の筒部４１を有し、該筒部４１の下端にはフランジ４２を設け、上端は円板状の蓋体４３で閉塞されている。該蓋体４３の中心部を通る軸線上でポンプ水流の下流側に第２の吸気口４４が設けられ（図２、図４参照）、該蓋体４３に吸気配管８が接続されている。気液分離短管４０の蓋体４３の高さはポンプケーシング２の接続部から１５０ｍｍ以上でポンプケーシング２の最頂部（ボールトップ）と同程度にすることが好ましい。

気液混合状態での運転を伴うドライ始動においては、ポンプケーシング２内が満水になり定常水量運転に至るまでに、小水量運転状態でポンプが運転する状態となり、この時に生じるインペラ部の逆流旋回流により、ポンプの吸込ケーシングの内壁に旋回流（水膜）が発生する。

上記構成の気液分離機構１５をポンプインペラ３より上流側のポンプケーシング２上部に設けることにより、ポンプインペラ３の回転によりポンプケーシング２の内壁面に発生する旋回流（水膜）１００は、図２に示すように、旋回防止板３４に衝突し、ポンプケーシング２の中央部に向う流れとなり、流入防止部３３の旋回流１００の下流側に設けた吸気開口部３５から円筒状部３１内への流入を抑制することが可能となる。流入防止部３３は円筒状部３１を開口部２ａに挿入した場合に、ポンプケーシング２の内壁とに段差がないように設けられている。なお、ポンプケーシング２の開口部２ａとしては、ポンプケーシング２に設けているハンドホールを用い、ハンドホールの蓋を蓋体４３としてポンプケーシング２の間に気液分離機構１５を設けてもよい。

なお、ポンプインペラの下流側（吐出側）の空気については、ポンプの吐出水流により、吐出配管を介して図示しない吐出水槽へ放出されるため、従来の満水になってから始動する始動方法に比べ真空ポンプの吸気能力に主ポンプの掃気能力が加わる分、定格排水運転状態まで移行する時間（始動時間）を短くすることができる。また、上記の通り、インペラの下流側については主ポンプの自己水流で掃気できるため、真空ポンプで吸気する吸気口を設ける必要がなく、従来通りの簡素な設備構成で、ドライ始動を可能としている。

流入防止部３３に設けられる吸気開口部３５の形状は、扇形に限定されるものではなく、円形、楕円形、正方形、長方形等の様々な形状が可能であるが、いずれの場合でも、旋回防止板３４に衝突しなかった旋回流が気液分離短管４０に流入するのを防ぐような位置及び形状でなければならない。

図５（ｃ）に示すように、気液分離短管４０は旋回防止機構で抑制しきれなかった飛沫水流１０１を確実に気液分離させることが可能となり、真空ポンプの吸気性能、信頼性を確保することができる。なお、図示したように、第１の吸気開口部３５と第２の吸気開口部４４は略鉛直方向に並べて配置せず、ずらして配置することで気液分離効果を向上させることができる。また、上記のように、ハンドホール蓋を蓋体４３としてポンプケーシング２の間に気液分離機構１５を設ける場合は、吸気口４４を設けたハンドホール蓋と旋回防止機構部３０の間に設ける。また、ハンドホールの蓋を蓋体４３とする場合は、吸気口４４は中心若しくはポンプの流れ方向に対して下流側に設けることが好ましい。

図６は、上記構成の横軸ポンプ設備における横軸ポンプ１を始動する際の操作手順を示すフロー図である。図示しない操作制御盤の操作により、横軸ポンプ設備をドライ状態からの運転制御ができるようになっている。以下、ドライ始動フローについて説明する。

〔ドライ始動〕
ドライ始動制御とは、吸気弁２２の開操作、真空ポンプ９を起動、主ポンプ（横軸ポンプ１）始動、吐出弁１３の開操作を連動させる運転制御方法である。吸込水位等の始動条件が成立し（ステップＳＴ１）、ドライ始動指令が自動若しくは手動にて出されると（ステップＳＴ１−１）、次いで吸気弁２２を開き（ステップＳＴ１−３）、真空ポンプ９を起動（ステップＳＴ１−４）、主ポンプ（横軸ポンプ１）を始動し（ステップＳＴ１−５）、吐出弁１３を中間開度まで開く（ステップＳＴ１−６）。

次いで満水検知か否かを判断し（ステップＳＴ１−７）、ノー（Ｎ）の場合は満水検知を待ち、イエス（Ｙ）の場合は第２の吸気弁２２を閉じて（ステップＳＴ１−８）、真空ポンプ９を停止し（ステップＳＴ１−９）、吐出弁１３を開く（全開）（ステップＳＴ１−１０）。続いて定格排水運転に移行したか、即ち定格排水運転を検知したか否かを判断し（ステップＳＴ１−１１）、定格排水運転を検知したら始動を完了する（ステップＳＴ１−１２）。

ここで定格排水運転に移行したか否かを検知する方法としては、主ポンプ（横軸ポンプ）１の吐出圧力、若しくは電動機４の電流値により判断することが望ましい。また、本運転フローにおいては、吐出弁１３を中間開にて始動しているが全開にしての始動としても構わない。但し、できる限りの始動時間の短縮をはかる場合においては、吐出弁１３を中間開度にて始動することで、主ポンプ１の吐出流が吐出弁１３の弁体によりポンプ側に戻され、全開の時に比べ早期に、且つ確実にポンプインペラ部が満水となり、ポンプ吐出流による掃気効果を上げ、結果、始動時間の短縮を図ることができる。なお、その際の吐出弁１３の開度は１０〜３０％とすることが最も好ましい。

次いで、従来の通常始動方法を図７のフロー図に基づいて説明する。
〔通常始動〕
通常始動は、横軸ポンプ１のポンプケーシング２の略頂部の吸気取出口２１から、第１の吸気弁２３を通して真空ポンプにより吸気し満水操作を行う運転方法である。水位等の始動条件が成立し（ステップＳＴ２）、始動指令が出されると（ステップＳＴ２−１）、吸気弁２３を開き（ステップＳＴ２−２）、真空ポンプ９を始動する（ステップＳＴ２−４）。

上記真空ポンプ９の始動運転によりポンプケーシング２内の空気が頂部吸気取出口２１から吸引され、吸込水槽１２０の水がポンプケーシング２内に流入する。その後、ポンプケーシング２内の水位が徐々に上昇し、満水検知器１１が所定の満水水位を検知すると（ステップＳＴ２−５）、主ポンプを始動する（ステップＳＴ２−６）。続いて第１の吸気弁２３を閉じ（ステップＳＴ２−７）、真空ポンプ９を停止し（ステップＳＴ２−８）満水工程を終了し、始動完了する（ステップＳＴ２−９）。

以上、本発明の実施形態例を説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

本発明は、真空引き配管をポンプケーシングの主ポンプインペラより上流側上部に接続し、真空引き配管の接続箇所に主ポンプ始動時の気液二相流を分離する気液分離機構と、該気液分離機構で液から分離された気体を吸気する吸気開口とを設けたので、始動時に主ポンプインペラの回転により、ポンプケーシング内壁面に気液二相の旋回流が発生しても、吸気開口に水が流入することがなく、主ポンプインペラが接水しない内に主ポンプを始動するから始動トルクが小さくて済み、駆動機である電動機の始動電流を抑制し、短時間で満水工程を完了させ、早期に排水運転を可能させる横軸ポンプ設備に利用することができる。

１ 横軸ポンプ
２ ポンプケーシング
３ ポンプインペラ
４ 電動機
５ 吸込管
６ 吐出管
７ 回転軸
８ 吸気配管
９ 真空ポンプ
１１ 満水検知器
１３ 吐出弁
１５ 気液分離機構
２１ 吸気取出口
２２ 第２の吸気弁
２３ 第１の吸気弁
２５ 落水検知器
３０ 旋回防止機構部
３１ 円筒状部
３２ フランジ
３３ 流入防止部
３４ 旋回防止板
３５ 第１の吸気開口部
４０ 気液分離短管
４１ 筒部
４２ フランジ
４３ 蓋体
４４ 第２の吸気開口部

Claims (5)

1. 斜流又は軸流の主ポンプを備え、ポンプケーシング内を真空引き配管を通して真空ポンプにより吸気することにより水を吸い上げる吸い上げ式の横軸ポンプ設備であって、
   前記真空引き配管は、前記ポンプケーシングの前記主ポンプインペラより上流側上部に接続し、
   前記真空引き配管の接続箇所に前記主ポンプ始動時の気液二相流の旋回を防止する旋回流防止機構と、気液二相流から気体を分離する気液分離機構とを設け、該気液分離機構で分離された気体を前記真空引き配管を介して前記真空ポンプで吸気することを特徴とする横軸ポンプ設備。
2. 請求項１に記載の横軸ポンプ設備において、
   前記旋回流防止機構は、前記ポンプケーシング内面から該ポンプケーシング内部に向かって突出し、前記ポンプケーシングの内壁面を流れる旋回流が衝突する旋回流防止板を備え、
   前記旋回流防止板の近傍で、前記旋回流の下流側に前記気液分離機構に連通する吸気開口を設けたことを特徴とする横軸ポンプ設備。
3. 請求項１に記載の横軸ポンプ設備において、
   前記旋回流防止機構は前記ポンプケーシング内の旋回流を抑制する旋回流防止板を備え、
   前記旋回流防止板近傍で前記気液分離機構の底に設けられた第１の吸気開口を設け、
   前記第１の吸気開口より吸気した気液二相流を分離する気液分離機構を設け、
   前記気液分離機構には第２の吸気開口を設け、
   前記第２の吸気開口に前記真空ポンプを前記真空引き配管を介して接続し、
   前記第１の吸気開口と前記第２の吸気開口が略鉛直方向に合わないようにずらして設けたことを特徴とする横軸ポンプ設備。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の横軸ポンプ設備において、
   前記主ポンプの吐出口に接続された吐出管に設けた吐出弁は前記主ポンプの吐出口側に弁体を傾斜させることにより開閉を行う蝶型弁であることを特徴とする横軸ポンプ設備。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の横軸ポンプ設備の運転方法であって、
   操作制御盤のドライ始動指令により、前記真空ポンプを起動し前記気液分離機構を介して前記ポンプケーシンク内を吸気すると共に、前記主ポンプの吐出口に接続された吐出管に設けた吐出弁の開度を所定の中間開度として、前記主ポンプを低トルク始動することを特徴とする横軸ポンプ設備の運転方法。

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