(57)【要約】      （修正有）【課題】可変速ポンプで並列運転を行うように構成された大流量の直送給水システムにおいて、ポンプの流量をキャビテーション限界以下になるように制御する。【解決手段】本発明は、複数台並列に接続された逆流防止用逆止弁の流量に対する合成損失揚程を表す近似式と逆流防止用逆止弁の上流側に置かれた水道本管圧力検出用圧力センサの検出値から、利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）を演算する手段を設ける。また、本発明は、ポンプメーカから与えられた必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）の近似式を求め、前記求められた利用ＮＰＳＨavおよび必要ＮＰＳＨreから、利用ＮＰＳＨav−必要ＮＰＳＨre＞余裕揚程を演算し、この条件が満足されない場合、インバータの周波数をその時点の値に保持し、前記ポンプの加速を阻止することによって、ポンプ速度をキャビテーション限界流量以下に制御される。【選択図】図２
2010084697.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変電圧・可変周波数電源によって制御される電動機を用いて駆動する可変速ポンプが２台以上並列に運転され、前記可変速ポンプの圧力を吐出圧力一定制御または推定末端圧力一定制御によって制御するとともに、インバータの周波数によって制御されるポンプの吸込み側に逆流防止用逆止弁が２つ以上並列に設置されているポンプキャビテーションレス制御装置において、
前記逆流防止用逆止弁の上流側に設置され、前記上流側の押込み圧力を検出する圧力センサと、
前記逆流防止用逆止弁の合成損失揚程を近似する流量に関する二次方程式を求める揚程近似式演算手段と、
前記圧力センサによって検出された押込み圧力および前記揚程近似式演算手段によって演算された逆流防止用逆止弁の合成損失揚程から利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）を演算する利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）演算手段と、
ポンプに与えられているポンプ固有の必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）の二次近似式を演算する必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）演算手段と、
前記利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）演算手段の演算結果から前記必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）演算手段の演算結果を減算した結果とポンプ固有の余裕揚程とを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果が前記ポンプ固有の余裕揚程と同じ、または小さい場合、インバータの周波数を保持してポンプ流量の増加を阻止する制御手段と、
を少なくとも備えていることを特徴とするポンプキャビテーションレス制御装置。
【請求項２】
前記それぞれ逆流防止用逆止弁は、選択スイッチが設けられ、前記選択スイッチの選択によって個別に切り離し、ポンプの稼働中に、保守または交換ができることを特徴とする請求項１に記載されたポンプキャビテーションレス制御装置。
【請求項３】
前記選択スイッチによる逆流防止用逆止弁の切り離し中に、利用ポンプ吸込揚程ＮＰＳＨav−必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）≦余裕揚程の演算を行い、インバータの周波数を保持してポンプ流量の増加を阻止することを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたポンプキャビテーションレス制御装置。
【請求項４】
可変電圧・可変周波数電源によって制御される電動機を用いて駆動する可変速ポンプが２台以上並列に運転され、前記可変速ポンプの圧力を吐出圧力一定制御または推定末端圧力一定制御によって制御するとともに、インバータの周波数によって制御されるポンプの吸込み側に逆流防止用逆止弁が２つ以上並列に設置されているポンプキャビテーションレス制御方法において、
前記逆流防止用逆止弁の上流側に設置され圧力センサにより上流側の押込み圧力を検出し、
前記逆流防止用逆止弁の合成損失揚程を近似する流量に関する二次方程式を求め、
前記圧力センサによって検出された押込み圧力および前記揚程近似式演算手段によって演算された逆流防止用逆止弁の合成損失揚程から利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）を演算し、
ポンプに与えられているポンプ固有の必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）の二次近似式を演算し、
利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）−必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）≦余裕揚程を演算し、
前記式が成立するように、インバータの周波数を保持してポンプ流量の増加を阻止することを特徴とするポンプキャビテーションレス制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変電圧、可変周波数電源で駆動される可変速ポンプが並列運転を行うように構成され、吐出圧力一定制御、あるいは、推定末端圧力一定制御によって制御されている大流量の直送給水システムにおいて、本管圧力が規定最低値、あるいは、最低値に近い圧力に低下した場合の大流量給水運転においても、ポンプの流量をキャビテーション限界以下になるように制御して、安全な給水運転ができるように制御した、ポンプキャビテーションレス制御装置およびポンプキャビテーションレス制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直送給水システムにおけるポンプは、並列運転して、大流量給水を行っている場合、何等かの理由で、水道本管圧力が低下すると、前記ポンプにキャビテーションが発生することがあった。前記キャビテーションの発生は、前記ポンプの吸込み側に置かれた逆流防止用逆止弁の圧力損失が大流量運転で、非常に大きくなるためである。また、前記キャビテーションの発生による弊害の保護は、ポンプ吸込み圧力で、ポンプ運転のインターロックを行うようにしている。しかし、従来方式のキャビテーション保護は、圧力センサが逆流防止用逆止弁の上流側に設置されているために困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
以上の課題を解決するために、本発明は、ポンプが並列運転によって大流量給水を行っている場合、水道本管圧力が規定最小値近くに低下した場合においても、前記ポンプの速度をキャビテーション限界流量以下になるように自動的に制御するポンプキャビテーションレス制御装置およびポンプキャビテーションレス制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、単独、または、複数台並列に接続された逆流防止用逆止弁の流量に対する合成損失揚程を表す近似式を求め、これを設定する。また、本発明は、前記近似式と逆流防止用逆止弁の上流側に置かれた水道本管圧力検出用圧力センサの検出値から、利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）を利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）演算手段を設ける。他方、本発明は、ポンプメーカから与えられた必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）の近似式を求め、これを設定する。本発明は、前記求められた利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）および必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）から、利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）−必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）＞余裕揚程を演算し、この条件が満足されない場合、インバータの周波数をその時点の値に保持し、前記ポンプの加速を阻止することによって、ポンプ速度をキャビテーション限界流量以下に制御される。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、押込み揚程が低い時、直送給水システムの大流量運転で問題とされている、逆流防止用逆止弁の損失揚程に起因する、キャビテーション問題を解決できる。特に、本発明は、逆流防止用逆止弁の損失揚程を流量の二次近似式で表し、ポンプの押込み揚程に対応した利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）を計算し、また、必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）を流量の二次近似式によって表すことにより、実際の押込み揚程に対するキャビテーション限界流量を連続的に演算しているので、従来の規定最低揚程で設定されたキャビテーション限界流量より、押込み揚程の回復に対応してキャビテーション限界流量が自動的に大きくなるために、給水流量を自動的に増加することができる効果がある。
【０００６】
本発明によれば、逆流防止用逆止弁を保守する場合において、逆流防止用逆止弁の選択スイッチが逆流防止用逆止弁毎に設けられているため、従来方式のように、全断水になることがない。
【０００７】
本発明によれば、逆流防止用逆止弁が保守のために取り外されている場合、残された逆流防止用逆止弁の合成損失特性で利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）が演算され、必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）と比較することによりポンプをキャビテーション限界流量以下の速度で運転するように制御しているので、キャビテーションの発生に対して安全となっている。
【実施例】
【０００８】
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は本発明の直送給水システム用ポンプのキャビテーションレス制御方法を適用した、可変電圧、可変周波数電源で駆動される可変速ポンプ３台の並列運転を行うように構成された、推定末端圧力一定制御を行う直送給水システムの全体構成が示されている。図１において、本発明の実施例は、直接関係しない、たとえば、ポンプ交互運転シーケンス制御あるいは、ポンプ保圧運転シーケンス制御等は省略されている。図１における推定末端圧力一定制御回路３１は、公知のものであり、本発明のキャビテーションレス制御回路４１のブロック線図が付加されている。
【０００９】
図１において、推定末端圧力一定制御回路３１の動作を説明する。圧力設定器31〜4 は、推定末端圧力一定制御の最小揚程h0（ｐ. ｕ. ）を設定する最小揚程設定器で、管路摩擦損失揚程演算器31〜6 （HEAD）の出力Δｈ（ｐ. ｕ. ）を加算することにより、推定末端圧力一定制御の目標揚程hS（ｐ. ｕ. ）を生成する。
【００１０】
前記目標揚程hSは、吐出圧力検出器11の出力hIと比較され、その偏差がPID または、PIコントローラ31〜1 によって増幅され、後述のコントロールリミッタ31〜8 を介して、出力ｆS ＊をD/A 変換器31〜2 、31〜3 、31〜4 に与える。各Ｄ/ Ａ変換器31〜2 、31〜3 、31〜4 は、インバータ21、22、23に周波数指令f1S
、f2S 、f3S を与え、ポンプ１、ポンプ２、ポンプ３の速度を調整する。つまり、前記推定末端圧力一定制御回路３１は、一つの系を構成している。
【００１１】
前記管路摩擦損失揚程演算器31〜6 （HEAD）は、流量演算回路31〜5 （FLOW）から推定流量の自乗ｑ＊2 を受け取り、摩擦損失揚程Δｈを、Δｈ＝（1 −ｈ0
）ｑ＊2 で演算する。前記流量演算回路31〜5 （FLOW）は、ポンプの吐出圧力ｈI から正味押込み圧力ｈSUN を減算して得られる正味のポンプ揚程ｈP とインバータ指令周波数fS＊を入力として、揚程−流量近似二次式によって、流量の自乗ｑ＊2 とその平方根ｑ＊を演算する。ここに、ポンプ正味押込み圧力ｈSUN は、押込み圧力hSU から逆流防止用逆止弁損失揚程hSU0を減算したものである。
【００１２】
シーケンス回路31〜7 （SEQ ）は、その詳細は図示されていないが、直送給水システムの自動運転に必要なポンプの並列、解列制御あるいは、ポンプ保圧制御、ポンプ停止制御等のシーケンス制御を遂行する制御ブロックである。前記シーケンス回路31〜7 （SEQ ）は、RUN1、RUN2 RUN3 がインバータ21、22、23を運転する信号で、ZEROがフロースイッチ10のFLS の信号で、給水流量が規定値以下になったことを検知する信号を示している。
【００１３】
ポンプ１、２、３は、図示のように、それぞれインバータ21、22、23によって制御される電動機14、15、16で駆動される。前記ポンプ１、２、３は、図示のように、その吐出し側に、逆止弁４、６、８と締め切り弁５、７、９、を介して、また、吸い込み側は、吸込共通配管によって、それぞれ並列に接続されている。圧力タンク13は、ポンプ停止時に給水圧力を保持するために置かれている。
【００１４】
逆流防止用逆止弁24〜1 、25〜1 、26〜1 は、ポンプ停止時等に給水システムから水道本管への逆流を防止する逆流防止弁で、３台が並列に構成された例が示されている。前記逆流防止用逆止弁24〜1 、25〜1 、26〜1 は、両側に保守用締切り弁、24〜2 、24〜3 、25〜2 、25〜3 、26〜2 、26〜3 が設けられ、これ等の締切弁を閉塞することにより、逆流防止用逆止弁24〜1 、25〜1 、26〜1 の保守ができるように構成されている。
【００１５】
水道本管圧力検出器12は、逆流防止用逆止弁24〜1 、25〜1 、26〜1 より上流側に置かれている。また、逆流防止弁27は、水道本管圧力が、規定圧力以上の場合、ポンプを停止して、水道本管圧力のみで、給水できるように配置されたバイパス配管を示している。PID またはPIコントローラ31〜1 の出力側に置かれた、周波数リミッタ31〜8 （LIM ）は、本発明のキャビテーションレス制御回路41の制御信号fLIMで制御される。後述のように通常運転において、前記制御信号fLIMは“０”であり、周波数リミッタ31〜8 （LIM ）のリミット動作が行なわれない。以上の説明によって、図１の構成によれば、ポンプの並列運転方式、推定末端圧力制御の直送給水運転が遂行できる。
【００１６】
図２は本発明の実施例で、キャビテーションレス制御の動作を説明するブロック構成図である。流量の二次式で表した逆止弁損失揚程の近似式を設定するブロック41〜1 は、逆流防止用逆止弁選択スイッチ41〜2 、41〜3 、41〜4 の選択状態に対応して、逆流防止用逆止弁の合成損失揚程ｈL(p.u.) を（１）式のように設定する。
ｈL ＝C1・q ＊2 ＋C2・q ＊＋C3                      ----（１）
ここに、C1、C2、C3＝定数
ｑ＊＝Q ＊/QN ＝推定流量（ｍ3/min ）／ポンプの定格流量(m3/min)  (p.u.)
hL＝HL/HN ＝逆止弁の合成損失揚程(m) ／ポンプの定格揚程(m)       (p.u.)
【００１７】
たとえば、本発明の逆流防止用逆止弁３台を並列に配置した場合、実測データから、C1=0.0128 、C2=0.0198 、C3=0.0619 が得られた。前記逆流防止用逆止弁を３台並列に配置した以外、たとえば、２台並列の場合、選択した逆流防止用逆止弁は、それぞれに対応して定数C1、C2、C3を測定データから決定できる。たとえば、前記逆流防止用逆止弁の２台構成では、C1=0.0248 、C2=0.0330 、C3=0.0652 と云うデータが得られた。
【００１８】
図３は本発明の実施例における逆流防止用逆止弁を選択した場合の設定定数の例を示すテーブルである。前記流量の二次式で表した逆止弁損失揚程の近似式を設定するブロック41〜1 は、逆流防止用逆止弁の選択構成によって、図３に示すように、定数C1、C2、C3が設定されたテーブルが作製されている。たとえば、逆流防止用逆止弁選択スイッチ41〜2 、41〜3 、41〜4 が全て“ON”、つまり、3
台の逆流防止用逆止弁が並列に接続されている場合には、C1にｄ31、C2にｄ32、C3にｄ33が設定される。ここに、ｄは２１個のメモリに予め設定しておく、設定定数である。
【００１９】
図３に示されたテーブルは、並列接続された逆流防止用逆止弁の損失特性がそれぞれ異なる場合として作成しているので、全ての組み合わせに対してC1、C2、C3データを与えるために、計21個のメモリーが必要な場合を示している。ただし、並列に接続される逆流防止用逆止弁の損失特性にばらつきが少ない場合、前記テーブルは、３台並列の場合、２台並列の場合、１台の場合、の３つの場合に絞り、合計９個のメモリーで済ますように簡単化することができる。
【００２０】
本発明は、逆止弁の合成損失揚程を近似する二次式の定数を予めテーブルにして設定して置くことにより、保守のために、逆流防止用逆止弁が一時的に取り外されている場合においても、前記逆流防止用逆止弁選択スイッチを手動で“OFF
”にして置くだけで、逆流防止用逆止弁の合成損失揚程の演算回路を実際使用状態に一致するように、自動的に修正できる。前記設定された二次式に図示の流量の推定値q ＊(p.u.)が与えられると、前記ブロック41〜1 の出力に、その流量における逆流防止用逆止弁の合成損失hL(p.u.)が出力される。
【００２１】
よって、押込み揚程hSU(p.u.) から、前記ブロック41〜1 の出力hL(p.u.)を減算することにより、正味押込み揚程hSNET(p.u.) が計算される。前記正味押込み揚程hSNET(p.u.) は、大気圧ｈa(p.u.) ＝大気圧HA（ｍ）／ポンプ定格揚程HN(m) を加算することにより、ＮＰＳＨav(p.u.)が求められる。他方、必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）は、ポンプメーカから示される。これを、ポンプ定格揚程と定格流量をベースにして（２）式のように、p.u.表示の二次式が近似される。
【００２２】
ＮＰＳＨre＝D1・q ＊2 ＋D2・q ＊+D3               ----（２）
ここに  ＮＰＳＨre＝必要ポンプ吸込揚程(p.u.)＝必要ポンプ吸込揚程（ｍ）／ポンプの定格揚程HN（ｍ）(p.u.)
D1、D2、D3＝定数
必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）演算ブロック41〜5 （REH)は、（２）式の演算を行うものであり、使用ポンプに対応してポンプメーカから与えれれた必要ＮＰＳＨre（ｍ）から、そのp.u.値を計算し、その曲線を近似する定数D1、D2、D3が予め計算され、設定される。よって、前記演算ブロック41〜5 （REH)は、流量の推定値q ＊(p.n.)が与えられると、その出力として、必要ポンプ吸込揚程ＮＰＳＨre(p.u.)が得られる。ポンプ吸込み側配管の摩擦損失揚程推定値ｈ00(p.u.)は、キャビテーションレス制御を実行するための揚程裕度(p.u.)を加えた値が設定される。そして、コンパレータ41〜6 は、次の（３）式の演算を行う。
【００２３】
ＮＰＳＨav(p.u.)−ＮＰＳＨre(p.u.)−h00(p.u.) ≦0     ----（３）
前記（３）式が成立すると、コンパレータ41〜6 は、その出力、ｆLIM を“１”にする。前記信号は、リミッタ31〜8 （LIM)に伝達され、インバータ周波数がその時点の値に保持される。つまり、利用ポンプ吸込揚程ＮＰＳＨavは、必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）＋余裕揚程以下になる場合、ｆLIM を“１”にすることにより、ポンプの速度を保持し、ポンプの流量増加を阻止する。よって、前記ポンプは、キャビテーション限界流量以下で、安全に運転されることになる。
【００２４】
図４は本発明の異なる実施例で、逆流防止用逆止弁が２台の場合における利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）（ｍ）と必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）（ｍ）の関係を説明するための図である。前記逆流防止用逆止弁が２台の押込み揚程10ｍ、15ｍ、18.14 ｍの場合について計算したものである。図示のように、この例では、押込み揚程10ｍで、キャビテーション限界流量が、殆ど、ゼロになっており、押込み揚程10ｍで、運転できないことを示している。しかし、押込み揚程が15ｍでの場合、約190l/min、押込み揚程18.14 ｍの場合、約260l/minと増加している。この例のように、押込み揚程の低下は、キャビテーション限界流量に大きく影響することが分かる。
【００２５】
本発明では、このような逆止弁合成損失揚程が大きい場合においても、前述の方法によって、この大きな合成損失揚程がキャビテーションレス制御回路に設定され、実際の押込み揚程を検出して利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）を計算しているために、キャビテーションのない安全な運転ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の直送給水システム用ポンプのキャビテーションレス制御方法を適用した、可変電圧、可変周波数電源で駆動される可変速ポンプ３台の並列運転を行うように構成された、推定末端圧力一定制御を行う直送給水システムの全体構成が示されている。（実施例１）
【図２】本発明の実施例で、キャビテーションレス制御の動作を説明するブロック構成図である。
【図３】本発明の実施例における逆流防止用逆止弁を選択した場合の設定定数の例を示すテーブルである。
【図４】本発明の異なる実施例で、逆流防止用逆止弁が２台の場合における利用ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨav）（ｍ）と必要ポンプ吸込揚程（ＮＰＳＨre）（ｍ）の関係を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２７】
１、２、３・・・ポンプ
４、６、８・・・逆止弁
５、７、８・・・締切弁
１１・・・吐出圧力検出器
１２・・・水道本管圧力検出器
１３・・・圧力タンク
１４、１５、１６・・・モータ
２１、２２、２３・・・インバータ
３１・・・推定末端圧力一定制御回路
４１・・・キャビテーションレス制御回路
【図１】
2010084697.tif 000003
【図２】
2010084697.tif 000004
【図３】
2010084697.tif 000005
【図４】
2010084697.tif 000006