JP5513149B2 - ポンプ場におけるポンプの運転水位の設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、合流式下水道等のポンプ場におけるポンプの運転水位の設定方法に関する。

合流式下水道等におけるポンプ場（例えば特許文献１参照）のポンプ井は、幹線から水（雨水及び汚水）が入流する流入部を備える。この流入部とポンプが設置された吸水槽との間には、越流堰、流入水路、沈砂槽、及びマウントが設けられている。幹線から流入する水の流量が越流堰で規定された流量を上回ると、流入部から流入水路を経て沈砂槽に水が流入する。ポンプ井の水位がさらに上昇してマウントを越えると、吸水槽に水が流入する。

ポンプが吸水槽内の水の排水を開始するポンプ井内の水位（排水開始水位）の設定は、この種のポンプ場を運用する上で重要である。吸水槽の底部から吸込ベルの寸法に係数（例えば１．５）を乗じた値までの高さをポンプの排水開始水位を設定することが知られている。しかし、このような一般的な排水開始水位の設定では、例えば都市型のゲリラ豪雨時の急激な水位上昇に対し、ポンプの排水開始に遅れを生じるおそれがある。ポンプの排水開始の遅れは、浸水被害等の原因となる。

排水開始の遅延回避のみを考慮して排水開始水位を過度に低い水位に設定すると、マウントを越えて吸水槽に流入する水の流量に対してポンプの排水量が不釣り合いに大きくなる。この場合、ポンプが先行待機型（例えば特許文献２参照）ではなく通常型であると、吸水槽内の水位が短時間で低下してポンプを停止させることになる。しかし、ポンプ停止後短時間で吸水槽内の水位は排水開始水位まで再度上昇し、ポンプの再始動となる。その結果、ポンプの運転としては、排水開始水位付近で始動と停止が短時間で繰り返されることになる（いわゆるハンチング運転）。以上のように通常型のポンプでは、排水開始水位を適切に設定しないと、排水開始遅れとハンチング運転とが問題となる。

ポンプが先行待機型であっても、インペラを位置に適切に設定しないと同様にハンチング運転が問題となり、自家発電源の喪失につながる危険もある。

特開２００５−５８９２０号公報 特開２００４−１６２６４４号公報

本発明は、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプにおいて、排水開始の遅延とハンチング運転との両方を防止することを課題とする。

本明細書において、ポンプの運転水位は、ポンプの排水開始水位と排水停止水位の両方を含む。ポンプの排水開始水位とは、それまでは吸水槽内の排水を行っていなかったポンプがポンプ井内の水位の上昇により排水を開始する水位をいう。一方、ポンプの排水停止水位は、それまでは吸水槽内の水を排水していたポンプがポンプ井内の水位の低下により排水を停止する水位をいう。

マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプの運転水位を設定する方法であって、前記マウントを越えて前記吸水槽に流入する水の流量である越流量ｑが、前記ポンプの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるように前記マウントの上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求め、この越流高さＨに対応する前記マウント及び前記吸水槽を含むポンプ井の水位を、排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓ１に設定することを特徴とする、ポンプの運転水位の設定方法を提供する。

具体的には、下記の式を用いてＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める。

本発明にかかるポンプの運転水位の設定方法により、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプにおける排水開始の遅延を防止して浸水被害等を回避できる。また、本発明にかかるポンプの運転水位の設定方法により、ハンチング運転を防止できる。

本発明の実施形態に係るポンプの運転水位の設定方法が適用されるポンプ場の一例を示す模式図。 水位に対するポンプ井に蓄えられた水の平面視での水面の面積及び体積の関係を示す線図。 時間の経過と発電機に作用する負荷の関係の一例を模式的に示す線図。 先行待機型立軸ポンプの下端付近の模式図。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の設定方法によりポンプの排水開始水位と排水停止水位を設定する対象の一例である合流式下水道におけるポンプ場１を示す。図１の上側が縦断面図で、下側が平面図である。このポンプ場１のポンプ井２は、流入部３と複数台（本実施形態では５台）の立軸ポンプ４Ａ〜４Ｅ（以下単にポンプという）が設置された吸水槽５との間に、越流堰６、流入水路７、沈砂槽８、平坦な上端と上下流側の斜面をマウント９、及び１台の予備水槽１０を備える。流入部３に幹線１１から水（雨水及び汚水）が流入し（矢印Ａ１）、下流側（例えば下水処理施設）へ向けて流出する（矢印Ａ２）。しかし、幹線１１から流入部３に流入する水の流量が越流堰６で規定された流入量を上回ると、流入部３内の水は越流堰６を越えて流入水路７を経て沈砂槽８に流入する。越流堰６を越える水の流入の継続によって沈砂槽８内の水位がマウント９の上端を越えると、水はマウント９の下流側の斜面から吸水槽５の底部へ流入する。吸水槽５内の水はポンプ４Ａ〜４Ｅにより図示しない下流側（例えば河川等）へ排出される。

本実施形態では、ポンプ４Ａ〜４Ｅは先行待機型ではなく通常型の立軸ポンプである。例えば吸水槽５にポンプ井２内の水位を検出する水位センサ（図示せず）が設置されている。ポンプ４Ａ〜４Ｅは水位センサによって検出された水位に応じてコントローラ（図示せず）により起動及び停止される。具体的には、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅは水位センサにより検出された水位が排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５となると起動されて排水を開始し、排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５となると停止される。

以下、ポンプ場１の主要緒元を説明する。下記の表１に示すように、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅの排水量Ｑが４００m³/min（６．６６７m³/s）、越流堰６を越える計画排水量Ｑｉが２６．６６７m³/sである。また、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータの起動を開始してからそのモータに給電する発電機（図示せず）への負荷が安定する定常的な運転状態に移行するまで要する時間（その逆に定常的な運転状態にあるポンプ４Ａ〜３Ｅのいずれかのモータを停止を開始してからそのモータに給電する発電機への負荷が完全にその零になるまでの時間も同一とみなす）を整定時間Ｔｓとする。本実施形態では整定時間Ｔｓは２０ｓである。

ポンプ井２の主な寸法は、以下の表２に示す通りである。なお、水位を含めポンプ井２に関する高さないしレベルは、東京湾平均海面水位（ＴＰ）を基準として表す。

以下、このポンプ場１を例にポンプ４Ａの排水開始水位ＷＬｓ１を設定する具体的な手順を説明する。

まず、ポンプ井１内に全く水が存在しない状態から吸水槽５に水が直接流入する状態が継続するという仮想の場合を想定する。吸水槽５への水の流入が継続すると、水は吸水槽５からマウント９、沈砂槽８、流入水路７、及び越流堰６を経て流入部３へ流入していく。この場合のポンプ井２内の水位Ｌの上昇に伴い、ポンプ井２内の水が溜まっている部分の平面視での面積Ａと、ポンプ井２内に溜まっている水の体積Ｖとは、以下の表３のように変化する。表３の面積Ａと体積Ｖは、表２に示す寸法を使用して算出される。また、水位Ｌと面積Ａ及び体積Ｖの関係を図２に示す。

次に、ポンプ４Ａの排水開始水位ＷＬｓ１の設定について説明する。なお、本実施形態では、ポンプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの順で順次排水が開始される。

まず、最初に始動を開始するポンプ４Ａの排水開始水位ＷＬｓ１の設定を説明する。排水開始水位ＷＬｓ１はマウント９を越えて水が吸水槽５に流入する際のマウント９の上端から水面までの高さ（越流高さＨ）を考慮して設定する。まず、越流高さＨが既に過度に高くなった状態でポンプ４Ａが排水を開始しても、吸水槽５への流入量に対してポンプ４Ａの排水量が釣り合わず（吸水槽５への流入量がポンプ４Ａの排水量を上回り、ポンプ４Ａが運転しているのにもかかわらず、吸水槽５内の水位が上昇する。）、排水開始に遅れために例えば都市型のゲリラ豪雨時の急激な水位上昇により浸水被害等を生じることになる。一方、もし、越流高さＨが過度に低い状態でポンプ４Ａが排水を開始すると、吸水槽５内の水位が短時間で低下してポンプ４Ａを停止させることになる。その後、ポンプ４Ａの停止後短時間で吸水槽５内の水位が再上昇し、ポンプ４Ａを再始動させることになる。つまり、越流高さＨが過度に低い状態でポンプ４Ａが排水を開始させると、ポンプ４Ａはハンチング運転を行うことなる。

そこで、本実施形態では、マウント９を越えて吸水槽５に流入する水の流量である越流量ｑがポンプ４Ａの排水量Ｑをわずかに上回るようになる越流高さＨを求める。より具体的には、越流量ｑがポンプ４Ａの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める。このような越流高さＨでポンプ４Ａの排水を開始させれば、排水遅れを生じることもなく、かつポンプ４Ａの排水量Ｑと越流量ｑが釣り合っているのでハンチング運転となることもない。越流高さＨは以下の式（１）を用いて逐次計算する。

逐次計算の結果を表４に示す。なお、流量係数ｍは０．９４、重力加速度ｇは９．８m/s²とした。

ポンプ４Ａの排水量Ｑは６．６６７m³/sであるので、表４より越流高さＨが１mのときにＱ≦ｑ＜１．０５Ｑを満たす。次に、この越流高さＨ（１m）に対応する水位を求める。表２に示すように、本実施形態ではマウント９の上端のレベルＬｍが−８．５mであるから、１ｍの越流高さＨに対応するポンプ井２内の水位、つまり排水開始水位ＷＬｓ１は−７．５m（＝１−８．５(m)）である。

ポンプ４Ａは図４に示すように先行待機型の立軸ポンプであってもよい。吸込ベル２１のインペラ２２よりも下側の位置に形成された吸気孔２１ａに吸気管２３の一端が連結され、この吸気管２３の他端がポンプ井２内の水位に関係なく常に大気に開放されている。水位に応じた流量の空気が吸気管２３から吸気孔２１ａを経て吸込ベル２１内に流入することで、急激な空気の吸込により衝撃や振動を生じることなく、水位にかかわらずインペラ２２の回転を継続させることができる。

ポンプ４Ａが図４に示す先行待機型の立軸ポンプである場合、インペラ２２の上端（出口端部）を排水開始水位ＷＬｓ１を設定すればよい。かかる設定により排水遅れを防止できる。

合流式下水道のポンプ場を例に本発明を説明したが、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプを備える限り、ポンプ場の種類は特に限定されない。

１ ポンプ場
２ ポンプ井
３ 流入部
４Ａ〜４Ｅ ポンプ
５ 吸水槽
６ 越流堰
７ 流入水路
８ 沈砂槽
９ マウント
１０ 予備水槽
１１ 幹線
２１ 吸込ベル
２１ａ 吸気孔
２２ インペラ
２３ 吸気管

Claims (2)

1. マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプの運転水位を設定する方法であって、
   前記マウントを越えて前記吸水槽に流入する水の流量である越流量ｑが、前記ポンプの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるように前記マウントの上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求め、この越流高さＨに対応する前記マウント及び前記吸水槽を含むポンプ井の水位を、排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓ１に設定することを特徴とする、ポンプの運転水位の設定方法。
2. 下記の式を用いてＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める、請求項１に記載のポンプの運転水位の設定方法。
   

   

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