JP6671231B2 - 運転制御方法及び運転制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御方法及び運転制御装置に関する。

近年、本川に合流する支川のような比較的少水量な水路において、上流側水路と下流側水路の境界部に備えられた既存の樋門に加えて又は代えて、ポンプゲート設備が設置される例が増えている。ポンプゲート設備は、水路に開閉自在に設置されるゲート扉体に上流側水路の水を下流側水路へと排水するための送水ポンプの一例である軸流羽根車や斜流羽根車をもつ水中ポンプが設けられた構造をしており、既存の水路内に直接設置することから、従来型の排水機場のようなバイパス水路や機場スペースが不要であるため、設置用地土木構造物が著しく減少でき、トータルコストの大幅な縮減が可能である点において優れているからである。

ポンプゲート設備は、雨天時のようにポンプゲート設備の下流側水路の水位（以下、下流側水位という。）が、ポンプゲート設備の上流側水路の水位（以下、上流側水位という。）より高くなったときは、下流側水路から上流側水路への逆流の虞があるため、ゲート扉体を閉鎖し水中ポンプを稼働させ、上流側水路の内水を下流側水路へ強制的に排水する。逆に、晴天時のように下流側水位が上流側水位より低くなったときは、上記のような逆流の虞がないため、ゲート扉体を開放し上流側水路の内水を下流側水路へ自然流下させる。

水中ポンプは、ゲート扉体が閉鎖された状態において、ポンプゲート設備の上流側水位が所定の排水運転開始水位に達すると始動し、所定の排水運転終了水位に達すると停止するように制御される。

特開２００２−２３５６７１号公報

しかし、ポンプゲート設備においては従来型の排水機場に備えられていた吸込み水槽が備えられていないため、従来のように水中ポンプの排水運転開始水位と排水運転終了水位との水位差を大きくすることが困難であるため以下のような問題があった。

水中ポンプによる排水運転中は、ポンプゲート設備の上流側水路から下流側水路へと所定の吐出量により内水が排水されるため、ポンプゲート設備の上流側水路には水位勾配が発生している。水中ポンプを停止して排水運転を終了すると、ポンプゲート設備に流入してきた内水の排水が行われなくなるため、ポンプゲート設備の上流側水位が急上昇し、これが排水運転開始水位を超えると停止したばかりの水中ポンプが再度始動してしまう。このような水中ポンプの始動及び停止の頻繁な繰り返しは、水中ポンプ及びその運転制御装置の耐久寿命などに悪影響を及ぼすため好ましくない。

ところで、ポンプゲート設備は、小降雨時には水中ポンプの運転回転数を低減させ吐出量を減らし、豪雨時には水中ポンプの運転回転数を増大させ定格吐出量を吐き出すというニーズから、水中ポンプの運転回転数を変動させるインバータ装置を具備していることも多い。

つまり、水中ポンプによる排水運転中にポンプゲート設備の上流側水路に発生する水位勾配は、水中ポンプの運転回転数を下げて吐出量を減らすことにより平坦化することができる。

しかし、水中ポンプの運転回転数を下げると実揚程との関係においては少量吐出領域における排水運転となってしまう虞がある。このような少量吐出領域においては、動作不安定となり異常な振動が発生する。水中ポンプの始動及び停止の頻繁な繰り返しを回避できたとしても異常な振動の発生により、かえって水中ポンプの耐久寿命に悪影響を及ぼす虞があった。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたもので、送水ポンプの運転停止前後における水位変動を抑制することができる送水ポンプの運転制御方法及び運転制御装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するための、本発明に係る運転制御方法の特徴は、上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御方法であって、前記境界部の前記上流側水路の水位が所定の排水運転開始水位に達すると前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、前記排水運転を開始してから、前記排水運転開始水位と前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位の間に位置する停止準備運転開始水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始し、その後前記排水運転終了水位に達すると前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了する点にある。

上述の構成によると、送水ポンプの停止前の停止準備運転において、送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、運転可能回転数領域内において実揚程に対応した最小の運転回転数である停止準備運転回転数とすることにより、送水ポンプの停止前の吐出量を排水運転時の吐出量よりも減らして送水ポンプの運転停止前後における上流側水位の水位変動を従来よりも抑制することにより、送水ポンプの停止直後に境界部の上流側水位が再び排水運転開始水位に達してしまうような状況の発生が回避される。送水ポンプの始動及び停止の頻繁な繰り返しの発生を防ぐことができるとともに、少量吐出領域における運転とならないように回転数を制御することにより、送水ポンプに異常な振動が発生しないため、従来の送水ポンプに比べて、耐久性が向上する。

上述の目的を達成するための、本発明に係る運転制御方法の特徴は、上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御方法であって、前記境界部の前記上流側水路の水位が所定の排水運転開始水位に達すると前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、前記排水運転を開始してから、前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始し、当該停止準備運転を１０〜６０秒間継続させ、その後前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了する点にある。

停止準備運転の実行時間が短すぎると、停止準備運転開始後にすぐに送水ポンプを停止することとなるため、送水ポンプの停止前後における上流側水位の変動の抑制の効果が少ない。逆に、停止準備運転の実行時間が長すぎると、停止準備運転を開始してから、送水ポンプを停止するまでに時間がかかりすぎる。上述のように、停止準備運転の実行時間を１０〜６０秒の範囲に設定することで、送水ポンプの停止前後における上流側水位の変動を効果的に抑制することができる。

本発明においては、前記停止準備運転開始水位は、前記排水運転終了水位の上部１０〜３０ｃｍに設けられていると好適である。

停止準備運転開始水位と排水運転終了水位との水位差が小さすぎると、停止準備運転開始後にすぐに送水ポンプを停止することとなるため、送水ポンプの停止前後におけるポンプゲート設備の上流側水位の変動の抑制の効果が少ない。逆に、停止準備運転開始水位と排水運転終了水位との水位差が大きすぎると、停止準備運転を開始してから、送水ポンプを停止するまでに時間がかかりすぎる。上述のように、停止準備運転開始水位と排水運転終了水位との水位差を１０〜３０ｃｍの範囲に設定することで、送水ポンプの停止前後における上流側水位の変動を効果的に抑制することができる。

本発明においては、前記境界部は、前記上流側水路及び前記下流側水路に開閉自在であるゲート扉体を有するポンプゲート設備であり、前記送水ポンプは前記ゲート扉体に設けられていると好適である。

上述の目的を達成するための、本発明に係る運転制御装置の特徴は、上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御装置であって、ポンプ制御部に入力された前記境界部の前記上流側水路の水位に基づいて前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、前記排水運転を開始してから、前記送水ポンプを始動して前記排水運転を開始すべき排水運転開始水位と前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位の間に位置する停止準備運転開始水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始し、その後前記排水運転終了水位に達すると前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了する制御を行うように構成されている点にある。

上述の構成によると、送水ポンプの停止前の停止準備運転において、送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、運転可能回転数領域内において実揚程に対応した最小の運転回転数である停止準備運転回転数とすることにより、送水ポンプの停止前の吐出量を排水運転時の吐出量よりも減らして送水ポンプの停止前後における上流側水位の水位変動を従来よりも抑制することにより、送水ポンプの停止直後に境界部の上流側水位が再び排水運転開始水位に達してしまうような状況の発生が回避される。送水ポンプの始動及び停止の頻繁な繰り返しの発生を防ぐことができるとともに、少量吐出領域における運転とならないように回転数を制御することにより、送水ポンプに異常な振動が発生しないため、従来の送水ポンプに比べて、耐久性が向上する。

上述の目的を達成するための、本発明に係る運転制御装置の特徴は、上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御装置であって、ポンプ制御部に入力された前記境界部の前記上流側水路の水位に基づいて前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、前記排水運転を開始してから、前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始する制御を行うように構成され、前記停止準備運転に切り替えてからの経過時間を計時可能な計時手段を有する点にある。

計時手段を備えることにより、停止準備運転を継続する時間を計時することができ、これに基づいて所定の時間後に停止準備運転を終了することができるようになる。

本発明においては、前記境界部は、前記上流側水路及び前記下流側水路に開閉自在であるゲート扉体を有するポンプゲート設備であり、前記送水ポンプは前記ゲート扉体に設けられていると好適である。

ポンプゲート設備の構成を示す側断面図 ポンプゲート設備の上流側水位及び下流側水位の説明図 本発明に係る運転制御装置の構成図 ポンプ揚程特性曲線の説明図 本発明に係る運転制御方法のフローチャート 本発明に係る運転制御方法の別実施形態のフローチャート

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すようにポンプゲート設備１０は、本川に合流する支川のような比較的少水量な水路１において、上流側水路１Ａと下流側水路１Ｂの境界部に備えられる。

ポンプゲート設備１０は、水路１内に構築されたコンクリート製のゲート土木躯体１１と、ゲート土木躯体１１に備えられた放流用開口部１２を開放又は水密に閉鎖可能なゲート扉体１３と、ゲート扉体１３に取り付けられたラック棒１４ａを介してゲート扉体１３を昇降させる昇降機構１４と、ゲート扉体１３に取り付けられた送水ポンプの一例である水中ポンプ１５とを備えている。ポンプゲート設備１０の上流側水路１Ａには、図示しない除塵機が設けられ、当該除塵機により上流から流れてくる流木などの塵芥類は除去され、水中ポンプ１５への塵芥類の侵入が防止されている。ポンプゲート設備１０の近傍にはポンプゲート設備１０を制御するための制御盤が設置され、当該制御盤に水中ポンプ１５を制御する運転制御装置２０が組み込まれている。

昇降機構１４はラック棒１４ａのラックに噛みあう歯車機構であり、モータ駆動などの電動操作により歯車機構を回転させることによりラック棒１４ａを上下に移動させゲート扉体１３を昇降できるように構成されている。なお、昇降機構１４は、ハンドルを手動操作して歯車機構を回転させることで、上記のようにゲート扉体１３を昇降するように構成されていてもよい。

水中ポンプ１５は、当該ポンプゲート設備１０が設置された水路１において、実揚程がどのように変動しても支障なく運転できるとともに、ポンプゲート設備１０の上流側水路１Ａにおいて内水が所定の水位を超えることとのないように、設計揚程及び設計吐出量が設計されている。

水中ポンプ１５の吐出口には、当該吐出口の上端近傍の水平軸を支点に揺動可能なフラップ弁１６が備えられている。フラップ弁１６は、水中ポンプ１５による排水運転時及び自然流下時には流下する内水の水圧によって開かれて上流側水路１Ａ側から下流側水路１Ｂへの内水の流れを許容し、水中ポンプ１５による排水運転の停止時にはフラップ弁１６の自重と外水の水圧により閉じられて下流側水路１Ｂにから上流側水路１Ａ側への逆流を防止する。

このように、ポンプゲート設備１０は、ゲート扉体１３と水中ポンプ１５とを一体化することで、止水と排水の機能の両立が図られている。

本実施形態においては、水中ポンプ１５は、軸流羽根車をもつ横軸軸流ポンプから構成され、二台の横軸軸流ポンプがゲート扉体１３に並設され、それぞれ運転制御装置２０によって制御される。このようにポンプゲート設備１０は、水中ポンプ１５を複数台備えることにより、リスク低減が図られている。

ポンプゲート設備１０の上流側水路１Ａには、当該上流側水路１Ａの上流側水位Ｈ_Ａを計測するための水位センサ１７Ａが備えられ、ポンプゲート設備１０の下流側水路１Ｂには当該下流側水路１Ｂの下流側水位Ｈ_Ｂを計測するための水位センサ１７Ｂが備えられている。

水位センサ１７Ａ及び水位センサ１７Ｂは、例えば投込圧力式や気泡式の水位センサが用いられ、上流側水路１Ａの水位（以下、上流側水位Ｈ_Ａいう。）及び下流側水路１Ｂの水位（以下、下流側水位Ｈ_Ｂという。）を連続的に計測するように構成されている。水位センサ１７Ａ及び水位センサ１７Ｂが計測した上流側水位Ｈ_Ａ及び下流側水位Ｈ_Ｂが運転制御装置２０に随時入力される。運転制御装置２０は、入力された下流側水位Ｈ_Ｂと上流側水位Ｈ_Ａとの差から実揚程ΔＨを算出し、実揚程ΔＨと、水路１や水中ポンプ１５の損失などから全揚程を算出する。

図２に示すように、水位センサ１７Ａは、水中ポンプ１５による排水運転を開始する水位である排水運転開始水位ＨＷＬと、水中ポンプ１５による排水運転を終了する水位である排水運転終了水位ＬＷＬと、水中ポンプ１５による停止準備運転を開始する水位である停止準備運転開始水位ＰＷＬとを計測可能に構成されている。

さらに、少なくとも上流側水路１Ａには、水位センサ１７Ａの故障に備えバックアップ用の水位センサとして、例えばフロート式や電極式の水位センサ（図示せず）が備えられている。当該水位センサは、水中ポンプ１５を非常停止する水位である非常停止水位ＬＬＷＬとなる高さに設置され、非常停止水位ＬＬＷＬを検知可能に構成されている。なお、この水位センサが検知した各設定水位も運転制御装置２０に入力される。

本実施形態においては、排水運転終了水位ＬＷＬは非常停止水位ＬＬＷＬの上部２０〜３０ｃｍ程度高い位置に設けられ、停止準備運転開始水位ＰＷＬは排水運転終了水位ＬＷＬの上部２０〜３０ｃｍ程度高い位置に設けられ、排水運転開始水位ＨＷＬは非常停止水位ＬＬＷＬの上部４０〜６０ｃｍ程度高い位置に設けられている。なお、これら、排水運転開始水位ＨＷＬ、停止準備運転開始水位ＰＷＬ、排水運転終了水位ＬＷＬ及び非常停止水位ＬＬＷＬの各間の距離は例示である。

一方、水位センサ１７Ｂは、ゲート扉体１３を上昇開放するゲート開放水位ＧＯＷＬ及びゲート扉体１３を下降閉鎖するゲート閉鎖水位ＧＣＷＬを計測可能に構成されている。

運転制御装置２０は、水位センサ１７Ａが計測した上記各設定水位に基づいてゲート扉体１３の閉鎖状態において水中ポンプ１５を運転制御するとともに、水位センサ１７Ｂが計測した上記各設定水位に基づいて昇降機構１４によりゲート扉体１３を昇降操作する。

つまり、運転制御装置２０は、例えば雨天時のように、下流側水位Ｈ_Ｂがゲート閉鎖水位ＧＣＷＬよりも高いときには、昇降機構１４によりゲート扉体１３を下降させてゲート土木躯体１１の放流用開口部１２をゲート扉体１３によって閉鎖し、水中ポンプ１５により上流側水路１Ａ側の内水を下流側水路１Ｂへと強制的に排水する。

また、運転制御装置２０は、例えば晴天時のように、下流側水位Ｈ_Ｂがゲート開放水位ＧＯＷＬよりも低いときには、昇降機構１４によりゲート扉体１３を上昇させて放流用開口部１２を開放し、上流側水路１Ａ側の内水を下流側水路１Ｂに自然流下させる。

以下に本発明に係る運転制御装置２０について詳述する。
図３に示すように、運転制御装置２０は、コントローラ２１、インバータ回路２２及びドライバー回路２３を備えている。

コントローラ２１には、ＣＰＵと、当該ＣＰＵで実行される水中ポンプ１５の排水運転の開始制御や終了制御などの各種制御プログラムと、各種制御プログラムにより利用される各種制御情報が格納されたＲＯＭと、ワーキングエリアとして使用されるＲＡＭなどが組み込まれ、当該ＣＰＵにおいて各種制御プログラムが実行されることにより、入力された上流側水位Ｈ_Ａに基づいて水中ポンプ１５は稼働制御され、また入力された下流側水位Ｈ_Ｂに基づいてゲート扉体１３は昇降制御される。

コントローラ２１は、水中ポンプ１５の停止中において上流側水位Ｈ_Ａが上昇して所定の排水運転開始水位ＨＷＬに達すると水中ポンプ１５を始動させる。これにより排水運転が開始される。

また、コントローラ２１は、水中ポンプ１５の駆動中において上流側水位Ｈ_Ａが低下し所定の停止準備運転開始水位ＰＷＬに達すると水中ポンプ１５の運転回転数を排水運転中の所定の運転回転数より低い停止準備運転回転数に切り替える。これにより排水運転から停止準備運転に切り替わる。

さらに、コントローラ２１は、水中ポンプ１５の停止準備運転中において上流側水位Ｈ_Ａが低下し上流側水位Ｈ_Ａが所定の排水運転終了水位ＬＷＬに達すると水中ポンプ１５を停止する。これにより排水運転は終了する。なお、運転制御装置２０は、水中ポンプ１５の運転中において非常停止水位ＬＬＷＬに達した場合は、水中ポンプ１５を非常停止する。

インバータ回路２２は、運転制御装置２０が水中ポンプ１５を停止準備運転する際に、その運転回転数Ｎを可変制御するために設けられている。
図４に示すように、水中ポンプ１５は、排水運転時において、吐出量Ｑが設計吐出量Ｑ_１００であり、全揚程Ｈが設計揚程Ｈ_１００であり、運転回転数Ｎが定格運転回転数Ｎ_１００である条件により稼働されるように設計されている。

当該ポンプゲート設備１０において実揚程ΔＨは刻々と変動する。例えば、ポンプゲート設備１０の上流側水路１Ａの上流側水位Ｈ_Ａが高くなった場合や、ポンプゲート設備１０の下流側水路１Ｂの下流側水位Ｈ_Ｂが低くなった場合においては、実揚程ΔＨは設計揚程Ｈ_１００よりも低いΔＨ_Ｌとなる。一方、上流側水位Ｈ_Ａが低くなった場合や、下流側水位Ｈ_Ｂが高くなった場合においては、実揚程ΔＨは設計揚程Ｈ_１００よりも高いΔＨ_Ｈとなる。

上述のように、実揚程ΔＨが設計揚程Ｈ_１００よりも低い水位ΔＨ_Ｌとなった場合に、定格運転回転数Ｎ_１００により水中ポンプ１５を運転させると、吐出量Ｑは設計吐出量Ｑ_１００よりも多いＱ_Ｌとなってしまう。このような場合に、インバータ回路２２により運転回転数Ｎを低下させ、吐出量Ｑを減らすのである。しかし、その運転回転数Ｎを選定する際に注意を要する。

具体的には、図４において、実揚程がΔＨ_Ｌであるときの抵抗曲線は、運転回転数Ｎ_１００における回転数曲線、運転回転数Ｎ_９０における回転数曲線及び運転回転数Ｎ_８０における回転数曲線とは、それぞれ実線部分において交わる。しかし、運転回転数Ｎ_７０における回転数曲線とは、破線部分において交わる。図４においては、実揚程がΔＨ_Ｌであるときの抵抗曲線と、運転回転数Ｎ_１００における回転数曲線との交点及び運転回転数Ｎ_８０における回転数曲線との交点とがそれぞれ実線三角で示され、実揚程がΔＨ_Ｌであるときの抵抗曲線と、運転回転数Ｎ_７０における回転数曲線との交点が破線三角で示されている。

なお、運転回転数Ｎ_１００とは、定格運転回転数Ｎ_１００と同じ回転数であり、運転回転数Ｎ_９０とは、定格運転回転数Ｎ_１００の９０％の回転数であり、運転回転数Ｎ_８０とは、定格運転回転数Ｎ_１００の８０％の回転数であり、運転回転数Ｎ_７０とは、定格運転回転数Ｎ_１００の７０％の回転数である。

運転回転数Ｎ_７０により水中ポンプ１５を運転させると、当該ポンプゲート設備１０において水中ポンプ１５に動作不安定となり異常な振動が発生してしまう。このような、当該ポンプゲート設備１０において水中ポンプ１５に動作不安定となり異常な振動が発生してしまう領域である少量吐出領域における運転は避けるべきである。水中ポンプ１５は、抵抗曲線と回転数曲線の交点が回転数曲線の実線上にある運転回転数Ｎにより運転させなければならない。

つまり、ΔＨ_Ｌ抵抗曲線においては水中ポンプ１５は、運転回転数Ｎ_８０により運転してもよいが、運転回転数Ｎ_７０による運転は避けるべきである。したがって、この例においては、運転可能回転数領域内における最小の運転回転数Ｎは運転回転数Ｎ_８０となる。そして、この運転回転数Ｎ_８０が停止準備運転回転数となる。

ただし、図４に示す例においては、停止準備運転回転数を運転回転数Ｎ_８０とした後に、実揚程が上がったときに、そのときの抵抗曲線と運転回転数Ｎ_８０における回転数曲線とが破線部分において交わる虞がある。これを回避するために、停止準備運転回転数を少し余裕をみた運転回転数Ｎ_９０としてもよい。これにより、停止準備運転中に実揚程が変動しても、すぐに前記少量吐出領域における運転となってしまう虞が低減される。

一方、上述のように、実揚程ΔＨが設計揚程Ｈ_１００よりも高い水位ΔＨ_Ｈとなった場合に、定格運転回転数Ｎ_１００により水中ポンプ１５を運転させると、吐出量Ｑは設計吐出量Ｑ_１００よりも少ないＱ_Ｈとなる。

図４において、実揚程がΔＨ_Ｈであるときの抵抗曲線は、運転回転数Ｎ_１００における回転数曲線とは実線部分において交わる。しかし、運転回転数Ｎ_９０における回転数曲線、運転回転数Ｎ_８０における回転数曲線、運転回転数Ｎ_７０における回転数曲線とは、それぞれ破線部分において交わる。図４においては、実揚程がΔＨ_Ｈであるときの抵抗曲線と、運転回転数Ｎ_１００における回転数曲線との交点が実線三角で示され、実揚程がΔＨ_Ｈであるときの抵抗曲線と、運転回転数Ｎ_９０における回転数曲線との交点が破線三角で示されている。

つまり、水中ポンプ１５は、運転回転数Ｎ_１００により運転してもよいが、運転回転数Ｎ_９０による運転は避けるべきである。したがって、運転可能回転数領域内における最小の運転回転数Ｎは運転回転数Ｎ_１００となる。このとき運転回転数Ｎ_１００が停止準備運転回転数となる。

上述のように、インバータ回路２２は、停止準備運転中には水中ポンプ１５の停止準備運転回転数として、前記少量吐出領域が除外された領域である運転可能回転数領域内において、停止準備運転開始水位ＰＷＬを検知した時点における実揚程ΔＨに対応した最小の運転回転数Ｎを採用するのである。

この最小の運転回転数Ｎによる停止準備運転により、水中ポンプ１５の停止直前の吐出量Ｑは、定格運転回転数Ｎ_１００による排水運転時の設計吐出量Ｑ_１００よりも少なくなる。水中ポンプ１５の停止前後における上流側水位Ｈ_Ａの水位変動は、設計吐出量Ｑ_１００の状態から水中ポンプ１５を停止する場合に比べて抑制される。これにより、水中ポンプ１５の運転停止前後の水位変動が低減され、水中ポンプ１５の始動及び停止の頻繁な繰り返しの発生を防ぐことができる。

上述のように構成された運転制御装置２０による水中ポンプ１５の運転制御方法について説明する。

運転制御方法は、以下の各ステップを有する。
図５に示すように、ポンプゲート設備１０の上流側水位Ｈ_Ａが所定の排水運転開始水位ＨＷＬ（ステップ＃１０でＹｅｓ）に達すると、排水運転を開始する（ステップ＃１１）。なお、このとき、水中ポンプ１５の運転回転数Ｎは、設計揚程Ｈ_１００において設計吐出量Ｑ_１００が得られる定格運転回転数Ｎ_１００である。

排水運転により上流側水位Ｈ_Ａが低下していき、排水運転終了水位ＬＷＬの上部３０ｃｍに設けられた停止準備運転開始水位ＰＷＬに達すると（ステップ＃１２でＹｅｓ）、運転制御装置において、停止準備運転回転数を算出し（ステップ＃１３）、算出した停止準備運転回転数により停止準備運転を開始する（ステップ＃１４）。

停止準備運転回転数は、運転可能回転数領域内において、停止準備運転開始水位ＰＷＬを検知した時点における実揚程ΔＨに対応し、前記少量吐出領域を回避した最小の運転回転数Ｎが採用される。停止準備運転においては、水中ポンプ１５は、排水運転中の定格運転回転数より低い停止準備運転回転数により駆動される。

なお、停止準備運転中に、上流側水位Ｈ_Ａが再び排水運転開始水位ＨＷＬまで上昇するようなことがあれば（ステップ＃１５でＮｏ，ステップ＃１７でＹｅｓ）、水中ポンプ１５の運転回転数Ｎを定格運転回転数Ｎ_１００に戻して排水運転を行う（ステップ＃１１）。

停止準備運転中に、上流側水位Ｈ_Ａが、所定の排水運転終了水位ＬＷＬに達すると（ステップ＃１５でＹｅｓ）、排水運転を終了する（ステップ＃１６）。

本発明に係る運転制御方法は、上述した運転制御装置２０により自動で行われてもよいし、上述の手順のとおりに、作業員によって例えば水中ポンプ１５による排水運転の開始操作及び終了操作を行ったり、排水運転中の水中ポンプ１５の運転回転数Ｎを手動により調整してもよい。

上述した実施形態においては、インバータ回路２２は、停止準備運転中には水中ポンプ１５の停止準備運転回転数として、運転可能回転数領域内において、停止準備運転開始水位ＰＷＬを検知した時点における実揚程ΔＨに対応した最小の運転回転数Ｎを、予め設定しておいた、例えば、運転回転数Ｎ_１００、運転回転数Ｎ_９０、運転回転数Ｎ_８０及び運転回転数Ｎ_７０の中から選択し、その停止準備運転回転数により排水運転終了水位ＬＷＬまで停止準備運転を継続する例について説明した。しかし、このような実施形態に限定されない。

例えば、停止準備運転回転数は、運転可能回転数領域内において、停止準備運転開始水位ＰＷＬを検知した時点における実揚程ΔＨに対応した最小の運転回転数Ｎを算出し、その最小の運転回転数Ｎを停止準備運転回転数としてもよい。

また、例えば、停止準備運転回転数は、停止準備運転開始水位ＰＷＬを検知した時から当該水中ポンプ１５を停止するまでの間に変化する実揚程ΔＨに伴って、停止準備運転回転数である最小の運転回転数Ｎを刻々と変更させてもよい。

つまり、最小の運転回転数Ｎとは、水中ポンプ１５の運転回転数Ｎを、設計揚程Ｈ_１００において設計吐出量Ｑ_１００が得られる定格運転回転数Ｎ_１００より低下させたときに、運転可能回転数領域から逸脱する直前の運転回転数である。

また、停止準備運転開始水位ＰＷＬに達した瞬間の下流側水位Ｈ_Ｂと、排水運転終了水位ＬＷＬとの水位差に基づいて最小の運転回転数Ｎを算出し、それを停止準備運転回転数として排水運転終了水位ＬＷＬまで運転してもよい。

上述したいずれの実施形態においても、停止準備運転開始水位ＰＷＬは、排水運転終了水位ＬＷＬの上部３０ｃｍに設けられている例について説明した。しかし、このような実施形態に限定されない。例えば、停止準備運転開始水位ＰＷＬは、排水運転終了水位ＬＷＬの上部１０〜３０ｃｍの範囲に設定されることが好ましい。

停止準備運転開始水位ＰＷＬと排水運転終了水位ＬＷＬとの水位差が小さすぎると、停止準備運転開始後にすぐに水中ポンプ１５を停止することとなるため、水中ポンプ１５の停止前後における上流側水位Ｈ_Ａの変動の抑制の効果が少ない。逆に、停止準備運転開始水位ＰＷＬと排水運転終了水位ＬＷＬとの水位差が大きすぎると、停止準備運転を開始してから、水中ポンプ１５を停止するまでに時間がかかりすぎる。上述のように、停止準備運転開始水位ＰＷＬと排水運転終了水位ＬＷＬとの水位差が１０〜３０ｃｍの範囲に設定されていれば、水中ポンプ１５の停止前後における上流側水位Ｈ_Ａの変動を効果的に抑制することができる。

上述したいずれの実施形態においても、排水運転終了水位ＬＷＬの上部３０ｃｍに停止準備運転開始水位ＰＷＬを設け、これに達すると水中ポンプ１５を排水運転から停止準備運転に切り替え、排水運転終了水位ＬＷＬに達すると水中ポンプ１５を停止する例について説明した。しかし、この実施形態に限定されない。例えば、停止準備運転開始水位ＰＷＬに替えて、運転制御装置２０に、停止準備運転に切り替えてからの経過時間を計時可能な計時手段としてのタイマー回路を備える。

停止準備運転の実行時間は１０〜６０秒程度に調整される。停止準備運転の実行時間が短すぎると、停止準備運転開始後にすぐに水中ポンプ１５を停止することとなるため、水中ポンプ１５の停止前後における上流側水位Ｈ_Ａの変動の抑制の効果が少ない。逆に、停止準備運転の実行時間が長すぎると、停止準備運転を開始してから、水中ポンプ１５を停止するまでに時間がかかりすぎる。タイマー回路のような計時手段を備えることにより、停止準備運転を継続する時間を計時することができ、これに基づいて所定の時間後に停止準備運転を終了することができるようになる。これにより、水中ポンプ１５の停止前後における上流側水位Ｈ_Ａの変動を効果的に抑制することができる。

運転制御装置２０がタイマー回路を備える構成である場合は、本発明に係る運転制御方法は以下のようになる。

図６に示すように、ポンプゲート設備１０の上流側水位Ｈ_Ａが所定の排水運転開始水位ＨＷＬ（Ｓ２０でＹｅｓ）に達すると、排水運転を開始する（ステップ＃２１）。なお、このとき、水中ポンプ１５の所定の運転回転数Ｎは、排水運転においては、設計揚程Ｈ_１００において設計吐出量Ｑ_１００が得られる定格運転回転数Ｎ_１００である。

排水運転により上流側水位Ｈ_Ａが低下していき、排水運転終了水位ＬＷＬに達すると（ステップ＃２２でＹｅｓ）、タイマー回路による計時を開始する（ステップ＃２３）とともに、運転制御装置において、停止準備運転回転数を算出し（ステップ＃２４）、算出した停止準備運転回転数により停止準備運転を開始する（ステップ＃２５）。停止準備運転においては、水中ポンプ１５は、排水運転中の定格運転回転数Ｎ_１００より低い停止準備運転回転数により駆動される。停止準備運転回転数には、運転可能回転数領域内において、停止準備運転開始水位ＰＷＬを検知した時点における実揚程ΔＨや、排水運転終了水位ＬＷＬ（上流側水位Ｈ_Ａ）と下流側水位Ｈ_Ｂと差から算出された実揚程ΔＨに対応した最小の運転回転数Ｎが採用される。

停止準備運転中に、タイマー回路がカウントアップすると（ステップ＃２６でＹｅｓ）、排水運転を終了する（ステップ＃２７）。なお、停止準備運転中に、タイマー回路がカウントアップする前に（ステップ＃２６でＮｏ）、排水運転開始水位ＨＷＬまで上昇するようなことがあれば（ステップ＃２８でＹｅｓ）、水中ポンプ１５の運転回転数Ｎを定格運転回転数Ｎ_１００に戻して排水運転を行う（ステップ＃２１）。

この運転制御方法も運転制御装置２０により自動で行われてもよいし、上述の手順のとおりに、作業員によって例えば水中ポンプ１５による排水運転の開始操作及び終了操作を行ったり、排水運転中の水中ポンプ１５の運転回転数Ｎを手動により調整してもよい。

上述したいずれの実施形態においても、水中ポンプ１５が横軸軸流ポンプである例について説明した。しかし、実施形態はこれに限定されない。例えば、水中ポンプ１５は立軸軸流ポンプであってもよい。すなわち、本発明に係る運転制御方法及び運転制御装置は、軸流ポンプのように、少量吐出領域において動作不安定となり異常な振動が発生するような特性を有する送水ポンプに好ましく適用される。また、水中ポンプ１５は軸流羽根車をもつ水中ポンプに限らず、斜流羽根車をもつ水中ポンプであってもよい。また、水中ポンプ１５の台数は二台に限らず、実揚程の変動に応じた吐出量の変動への追従や、リスク分散などに応じて決定される。

上述したいずれの実施形態においても、境界部に樋門を備えず、ポンプゲート設備１０のみを備える構成について説明した。しかし、この実施形態に限定されない。例えば、境界部に樋門を備えていてもよい。樋門は、基本的には開放されており、例えばポンプゲート設備１０のメンテンナンス時に閉鎖するような運用がなされる。

さらに、上述した実施形態においては、境界部に樋門を備えず、ポンプゲート設備１０が備える水中ポンプ１５に本発明に係る運転制御方法及び運転制御装置を適用する場合について説明した。しかし、この実施形態に限定されない。例えば、本発明に係る運転制御方法及び運転制御装置は、ポンプ場を構成する上流側水路と下流側水路との境界部としての壁体に、当該壁体を貫通するように設けられ、上流側水路の水を下流側水路へと排水するための水中ポンプにも適用可能である。また、本発明に係る運転制御方法及び運転制御装置は、水中ポンプのような水中に設置される送水ポンプに限らず、例えば配管により構成された上流側水路と下流側水路との境界部に設置された弁体に隣接して設けられ、上流側水路の水を下流側水路へと排水するための陸上ポンプのような送水ポンプにも適用可能である。

上述したいずれの実施形態も本発明の一例であり、当該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲において適宜変更設計可能である。

１ ：水路
１０ ：ポンプゲート設備（境界部）
１３ ：ゲート扉体
１５ ：水中ポンプ（送水ポンプ）
２０ ：運転制御装置
ＨＷＬ ：排水運転開始水位
Ｈ_Ａ ：上流側水位
Ｈ_１００ ：設計揚程
Ｎ ：運転回転数
Ｎ_１００ ：定格運転回転数
ＰＷＬ ：停止準備運転開始水位
Ｑ ：吐出量
Ｑ_１００ ：設計吐出量
ＬＷＬ ：排水運転終了水位
ΔＨ ：実揚程

Claims (7)

1. 上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御方法であって、
   前記境界部の前記上流側水路の水位が所定の排水運転開始水位に達すると前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、
   前記排水運転を開始してから、前記排水運転開始水位と前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位の間に位置する停止準備運転開始水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始し、その後前記排水運転終了水位に達すると前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了する運転制御方法。
2. 上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御方法であって、
   前記境界部の前記上流側水路の水位が所定の排水運転開始水位に達すると前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、
   前記排水運転を開始してから、前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始し、当該停止準備運転を１０〜６０秒間継続させ、その後前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了する運転制御方法。
3. 前記停止準備運転開始水位は、前記排水運転終了水位の上部１０〜３０ｃｍに設けられている請求項１に記載の運転制御方法。
4. 前記境界部は、前記上流側水路及び前記下流側水路に開閉自在であるゲート扉体を有するポンプゲート設備であり、前記送水ポンプは前記ゲート扉体に設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の運転制御方法。
5. 上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御装置であって、
   ポンプ制御部に入力された前記境界部の前記上流側水路の水位に基づいて前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、
   前記排水運転を開始してから、前記送水ポンプを始動して前記排水運転を開始すべき排水運転開始水位と前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位の間に位置する停止準備運転開始水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始し、その後前記排水運転終了水位に達すると前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了する制御を行うように構成されている運転制御装置。
6. 上流側水路と下流側水路との境界部に設けられ、前記上流側水路の水を前記下流側水路へと排水するための送水ポンプの運転制御装置であって、
   ポンプ制御部に入力された前記境界部の前記上流側水路の水位に基づいて前記送水ポンプを始動して排水運転を開始し、
   前記排水運転を開始してから、前記送水ポンプを停止して前記排水運転を終了すべき排水運転終了水位に達すると、前記上流側水路の水位と前記下流側水路の水位の差である実揚程を算出し、前記送水ポンプの運転回転数を、前記排水運転中の所定の運転回転数より低く、かつ、予め求める前記送水ポンプの各運転回転数に応じた吐出量と全揚程との関係を示す回転数曲線と、各全揚程に応じた抵抗曲線とから、前記算出した実揚程において少量吐出領域を避けて前記回転数曲線及び前記抵抗曲線が交わる運転回転数である停止準備運転回転数に切り替えて停止準備運転を開始する制御を行うように構成され、
   前記停止準備運転に切り替えてからの経過時間を計時可能な計時手段を有する運転制御装置。
7. 前記境界部は、前記上流側水路及び前記下流側水路に開閉自在であるゲート扉体を有するポンプゲート設備であり、前記送水ポンプは前記ゲート扉体に設けられている請求項５又は６に記載の運転制御装置。

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