(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験対象のポンプが接続される主配管系と、該主配管系の状態を安定させるための付属配管系と、前記ポンプ及び前記配管系に付属する装置の運転制御を行なう制御装置を備えたポンプ試験装置において、
前記制御装置は、予め試験対象のポンプの予測性能に対応して設定された試験条件下でポンプを運転し、該ポンプの運転試験データを採取する機能と、前記設定試験条件に基づいてポンプ運転のシミュレーションを行なう機能とを有することを特徴とするポンプ試験装置。
【請求項２】
前記制御装置は、試験対象ポンプの予測性能データに基づいてポンプの試験条件を設定する機能を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置。
【請求項３】
前記制御装置は、さらに前記シミュレーション結果を判定し、合格の場合はその試験条件に基づいて実際の運転試験を実行させることを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置。
【請求項４】
前記制御装置は、さらに実際の運転試験中に得られたデータに基づいて設定試験条件を修正しながら試験を行なうことを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置。
【請求項５】
物質収支、エネルギー収支を物理モデルにより求め、ポンプ性能に合わせて制御パラメータの最適化を行なうことを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置。
【請求項６】
試験対象のポンプが接続される主配管系と、該主配管系の状態を安定させるための付属配管系と、前記ポンプ及び前記配管系に付属する装置の運転制御を行なう制御装置を備えたポンプ試験装置において、
前記制御装置は、予め試験対象のポンプの予測性能に対応して設定された試験条件下でポンプを運転し、該ポンプの運転試験データを採取する機能と、前記設定試験条件に基づいてポンプ運転のシミュレーションを行なう機能とを有し、物質収支、エネルギー収支を物理モデルにより求め、ポンプ性能に合わせて制御パラメータの最適化を行なうことを特徴とするポンプ試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ポンプの性能確認試験を行うためのポンプ試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラント設備用等のポンプを製作するポンプ工場では、通常、個々の用途に対応して、性能、形式等の異なる種々のポンプを製作している。従って、このような工場には、必要な設計仕様に沿って個別に製作されたポンプを出荷の前に実地で運転して性能の確認のためのテストを行なう試験装置を具備している。
【０００３】
例えば、高圧遠心ポンプとして、吐出圧力７０〜４２０Ｋｇ／ｃｍ２、軸動力１，０００〜１０，０００ｋｗという幅広い仕様範囲で種々のものが製作され、その運転条件は吸込温度が常温から飽和温度近く（約２００℃）まで変化する。従って、ポンプの性能確認試験を行うための工場設備は広範囲にわたり安定な運転条件を作り出せるものが要求される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなポンプ試験装置は、流体を外部に出さない閉鎖系で行なわれ、上述のようにポンプ自体の種類が多い上、幅広い運転範囲を試験するので、プロセス・ゲイン変化、系内のプロセス変数間の相互干渉が生じて運転を難しくしている。
【０００５】
また、性能試験の条件も、それぞれ用途や形式に応じて種々のものがあり、例えばキャビテーション発生限界試験では、現実にキャビテーションを発生させずに、それが発生する直前まで運転しなければならない。従って、従来、試験装置の自動化の要請はあったが、そのような要請に応える実用性の高い試験装置は提供されておらず、熟練者が経験や勘に頼って手動操作せざるを得ず、相当の時間と手間を要していた。
【０００６】
この発明は、上記に鑑み、熟練者の経験や勘に頼ることなく、試験工程の省力化及び安定化を図り、かつ正確なデータ採取を可能とするポンプ試験装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、試験対象のポンプが接続される主配管系と、該主配管系の状態を安定させるための付属配管系と、前記ポンプ及び前記配管系に付属する装置の運転制御を行なう制御装置を備えたポンプ試験装置において、前記制御装置は、予め試験対象のポンプの予測性能に対応して設定された試験条件下でポンプを運転し、該ポンプの運転試験データを採取する機能と、前記設定試験条件に基づいてポンプ運転のシミュレーションを行なう機能とを有することを特徴とするポンプ試験装置である。
【０００８】
これにより、所定の条件を与えれば、必要な試験が自動的に実施されて所要のデータが採取されるので、人手による操作や監視が不要となり、熟練労働を省力化することができるとともに、間違いの少ない正確な試験データが迅速に得られる。なお、ポンプの予測性能とは、ポンプ設計段階における予測されるポンプ性能のことで、任意流量においてそのポンプが有する揚程、ＮＰＳＨ特性等を指す。
【０００９】
さらに前記設定試験条件に基づいてポンプ運転のシミュレーションを行なう機能を有することにより、実機で試験を行なう前に試験条件の適否を判断することができる。シミュレーションの結果判定は、制御装置自体が行っても良く、あるいはシミュレーション出力を人間が判断してもよい。ここで、設定試験条件とは、ポンプ試験を行う際の、流体条件（吸込温度、吸込圧力、ループ圧力、ループ温度上昇・下降速度、ループ圧力上昇・下降速度等）の設定を意味する。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記制御装置は、試験対象ポンプの予測性能データに基づいてポンプの試験条件を設定する機能を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置である。これにより、試験対象ポンプの予測性能データを与えれば、必要な試験が自動的に実施されて所要のデータが採取され、さらに試験の省力化及び正確化が図られる。また、所定のロジックにより、試験工程におけるポンプの出力を節約して省エネルギー化を図ることができる。また、設計に用いるコンピュータと連携することにより、設計の段階において、自動的に試験運転計画及びコストまでを把握することができるようになる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、前記制御装置は、さらに前記シミュレーション結果を判定し、合格の場合はその試験条件に基づいて実際の運転試験を進行させることを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、前記制御装置は、さらに実際の運転試験中に得られたデータに基づいて設定試験条件を修正しながら試験を行なうことを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置である。これにより、試験をより正確なデータに基づいて行うので、試験を安定な条件下で行うことができ、ポンプの運転の起動停止及び動力源のステップ変化等の過渡的なプロセスの変化にも対応可能である。また、特にＮＰＳＨ試験のように臨界的な試験を行なう場合でも、安全により正確なデータを採取することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、物質収支、エネルギー収支を物理モデルにより求め、ポンプ性能に合わせて制御パラメータの最適化を行なうことを特徴とする請求項１に記載のポンプ試験装置である。ここで、物質収支・エネルギー収支とは、任意の系に注目して物質、およびエネルギーのバランスをとることであって、下記式にて定義する。
0003573602.tif 000002
また、物理モデルとは、考えている系において起こっている物質、エネルギーの移動現象を定量的に取扱うために現象の数学的定性化を行うことで、上記物質収支・エネルギー収支式に基づくモデルを意味する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明のポンプ試験装置の全体の構成を示すブロック図である。この試験装置は、試験対象のポンプ１０に直接接続されて取扱流体を循環させる主配管系１２と、この主配管系１２中の流体の温度を制御するために主配管系１２に付属して設けられた付属配管系（冷却水配管系）１４の２つの配管系と、これらの配管系の各部に配置されたセンサの出力に基づいて装置の運転を制御する制御装置を有している。
【００１５】
主配管系１２は、この実施の形態では、試験の対象であるポンプ１０の吸込側と吐出側を連絡した閉回路として形成され、試験の目的に応じて所定の負荷（配管抵抗）を構成する配管１６と、配管１６の所定の位置に設けた流量調整弁１８、圧力計２０、温度計２２等のセンサ、及び圧力容器２４を備えている。この圧力容器２４は、主配管系１２内の静圧を正確に測定するために、流速を低下させるべく設けられている。このように閉回路系とすることにより、ポンプ１０の出力を熱エネルギとして利用し、試験流体の温度を制御することができる。
【００１６】
冷却水配管系１４は、主配管系１２の所定の位置から通常高温の循環水の一部を抜き出す抜き出し経路２６と、この抜き出した循環水とほぼ同量の温度調整した戻り水を冷却水タンク２８から主配管系の所定位置に合流させる戻し経路３０とを備えている。この例では、抜き出した水を冷却して再使用しており、そのための冷却塔３２が設けられ、各経路には、熱交換器３４、ポンプ３６、混合機３８及び各所の弁４０等が設けられている。これにより、例えば流体温度をフィードバック制御して、ポンプの能力変動等の種々の要因による温度変化を補償して安定な系を作るようにしている。
【００１７】
図２は、この試験装置の制御装置の全体構成を示すもので、ワークステーション４２といくつかのプロセスコンピュータ４４が通信回線４６を介して接続され、さらにこれらのコンピュータと各ハードウエアの個々の駆動手段やセンサと制御ケーブル、Ｉ／Ｏインタフェイス４８を介して接続されている。図１に示す制御信号は、全て図２に示すＩ／Ｏインタフェイス４８を介してコンピュータ４２，４４とやり取りされ、制御計算はＩ／Ｏインタフェイス４８につながるコンピュータ４４により行われ、計算結果はＩ／Ｏインタフェイス４８を介して現場機器へ設定される。なお、ここでは、複数のコンピュータを用いているが、全てを一台のコンピュータで行っても良い。
【００１８】
以下に、このような構成のポンプ試験装置の制御方法について、図３のフロー図を参照して説明する。この制御は、ポンプ１０の実際の運転が始まる前に、所定のデータをもとに試験運転のシミュレーションを行ない、条件を設定するオフライン制御工程と、ポンプ運転中に得られたデータをもとに条件の再設定を行なうオンライン制御工程とに大別される。
【００１９】
オフライン制御工程では、まず、メモリーにポンプの予測性能を示す設計データを読み込む工程（ステップ１）が行われる。この設計データは、通常は、設計者が認識しているポンプの性能として与えられ、例えば、流量、全揚程、軸動力、ＮＰＳＨ等の項目が挙げられ得る。このようなデータは、キーボード等の入力装置から入力しても、あるいは設計用コンピュータのデータを転送するようにしてもよい。
【００２０】
次に、読み込まれた設計データを加工してシミュレーション用のデータを算出する（ステップ２）。これは、通常、とびとびの点における目標値として与えられる予測性能をもとに、連続的な性能曲線を作成するものである。そして、この算出したデータを基に、例えば、運転時間、測定点数、測定流量、試験温度等のデータを入力し（ステップ３）、必要な試験項目に対応するシミュレーションのパターンを作成する（ステップ４）。そして、これに基づいて、例えば、温度上昇工程、性能試験工程、ＮＰＳＨ工程、温度下降工程等の運転工程別のシミュレーションを行なう（ステップ５）。
【００２１】
次に、シミュレーションの結果の判定工程を行なう（ステップ６）。この実施の形態では、当初は、シミュレーションのパラメータを比較的低く設定して、計算の工程におけるコンピュータの負荷を節約するようにし、シミュレーションの結果が充分収束しない場合には、再度パラメータを設定しなおし（ステップ７）、再度シミュレーションを行なう（ステップ５）。なお、この例では、シミュレーションの結果を一度アウトプットして、人間が結果の判定に加わることによりコンピュータによる全計算工程を省いているが、コンピュータの能力が充分高い場合には、最後までコンピュータが判定するようにしてしもよい。
【００２２】
このようにして、予測性能に基づいて所定の条件を設定し、そのシミュレーションの結果が良好であれば、通信回線を介してそのデータがメインコンピュータからプロセスコンピュータに転送される（ステップ８）。プロセスコンピュータは、このデータに基づいてポンプの運転を開始し（ステップ９）、以降の主配管系１２、冷却配管系１４の各ハードウエアをそれぞれの目的に応じて制御し、同時に運転データを採取する（ステップ１０）。
【００２３】
運転開始後にはオンライン制御が行なわれる。すなわち、順次採取されるデータが当初予測された値に対して許容偏差範囲内か否かを判定する（ステップ１１）。これが許容範囲内である場合には、プロセスパラメータを固定して（ステップ１２）、運転を継続し、ステップ１０に戻る。実測されたポンプ性能が当初のポンプの予測性能からずれている場合には、運転点におけるパラメータに基づいて最適制御パラメータを算出し（ステップ１３）、変更した制御パラメータを転送する（ステップ１４）。そして試験を継続し、採取した運転データを転送してステップ１０に戻り、以下の工程を繰り返す。
【００２４】
以下に、この発明の試験装置における実施例を説明する。図４は、８０００ｋｗクラスのポンプの配管温度を一定に維持した場合の性能試験におけるループ温度制御結果を示すもので、（１）は設定温度、（２）はある設定条件下でのシミュレーションによる予測温度、（３）その条件下で行われた実際の試験における測定温度、（４）は測定された流量である。ここでは、循環流量を１１２０ｍ３／ｈから数ステップで５００ｍ３／ｈまで変化させている。この循環流量の変化により、高圧ポンプから系内への入熱量は８０００ｋｗから３５００ｋｗまでステップ的に変動する。
【００２５】
この系内への入熱量ステップ変動があるにも関わらず、高圧ポンプ軸動力変動を検出し、フィードフォワード制御によりループ温度に与える影響を先行的に打ち消す先行予測機能、及びフィードバック制御による制御結果を見ての修正制御により、最大ループ温度変動１℃以内の安定制御を行うことができた。また、図４に示される”ループ温度実測値”及び”ループ温度計算値”から解るように、”ループ温度計算値”は”ループ温度実測値”を非常に正確にシュミレートしている。この結果より今回の熱収支プロセスモデルが妥当であることが検証できた。予測した性能と実測値とが良く一致しており、従って、オンライン制御は不要であった。
【００２６】
図５は、８０００ｋｗクラスのポンプの性能試験におけるループ圧力制御結果を示している。ここでは、循環流量を１１２０ｍ３／ｈから５００ｍ３／ｈまで変化させた場合におけるループ圧力変動を示している。循環流量が変化するとループ系内のハイドロリックバランス変動という外乱、及びエネルギーバランス変化による前述のフィードフォワード制御及びフィードバック制御による系内からの冷却水抜出量変動という外乱要素によりループ圧力変動が生じる。図５から解るように、上記外乱要素にも関わらず、最大０．０１ＭＰａの変動幅に収まっている。”ループ圧力計算値”と”ループ圧力実測値”は、動的挙動からみて非常に近いデータを示している。これにより、今回の物質収支プロセスモデルが妥当であることが検証できた。
【００２７】
図６は、３１００ｋｗクラスの高圧ポンプを使用した場合での性能試験におけるループ温度制御を示している。循環流量を３８０ｍ３／ｈから１１０ｍ３／ｈまでステップ状に変化させ、従って、高圧ポンプからの入熱量は３１００ｋｗから１８００ｋｗまで変化している。前述の８０００ｋｗクラスの高圧ポンプと比較して入熱量の変化はそれほど大きくないが、循環流量が小さいためプロセス制御上無駄な時間が非常に大きくなり、一般的に安定制御が難しくなる。これにも拘わらず、図６に示されるように、ループ温度実測値の変動幅は約２℃以内の制御を行っている。また、”ループ温度実測値”と”ループ温度計算値”は非常に近い値を示していることが分かる。
【００２８】
図７は、図６と同じ３１００ｋｗクラスの高圧ポンプを使用した場合での性能試験におけるループ圧力制御結果を示している。循環流量を３８０ｍ３／ｈから１１０ｍ３／ｈまで変化させた場合でのループ圧力変動幅は、約０．０１ＭＰａとなる。
【００２９】
また、図８は、３１００ｋｗクラスのポンプのＮＰＳＨ試験中での吸込圧力、弁位置のシミュレーション値と実測値を比較して示すものである。ＮＰＳＨ試験とは、ポンプの必要吸込み圧力を確認する試験であり、それ以下の圧力ではポンプの吸込み側においてキャビテーションをおこし、揚程低下や、機能的にポンプにダメージを与えやすくなる。特に、高温の状態では、流体の飽和蒸気圧力の変化は温度変化に対し著しいので、温度のオーバーシュート、ハンチングが起きてポンプ損傷につながる。特に、高圧、高速条件でおきると、ポンプ及びそれに付随する機器に対するダメージは計りしれない。本発明によれば、このような状況を事前に予測し、安全かつスムーズに試験を行なうことができる。
【００３０】
ＮＰＳＨ試験では、ポンプ吸込圧力は試験温度における飽和蒸気圧よりも少しだけ高い圧力で制御する必要がある。図８の結果によると、”吸込圧力実測値”と”吸込圧力計算値”、及び”吸込圧力制御弁ストローク計算値”と”吸込圧力制御弁ストローク実測値”は、ほぼ同じ動的挙動を示していることが分かり、安定運転が行われていることがわかる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、所定の条件や設計データを与えれば、必要な試験が自動的に実施されて所要のデータが採取されるので、人手による操作や監視が不要となり、熟練労働を省力化することができるとともに、間違いの少ない正確な試験データが迅速に得られる。所定のロジックにより、試験工程におけるポンプの出力を節約して省エネルギー化を図ることができる。また、設計に用いるコンピュータと連携することにより、設計の段階において、自動的に試験運転計画及びコストまでを把握することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のポンプ試験装置の全体の構成を示す図である。
【図２】この発明のポンプ試験装置の制御装置の部分の構成を示す図である。
【図３】この発明のポンプ試験装置の制御装置における制御を示すフロー図である。
【図４】この発明のポンプ試験装置による制御工程の実施例を示すグラフである。
【図５】この発明のポンプ試験装置による制御工程の実施例を示すグラフである。
【図６】この発明のポンプ試験装置による制御工程の実施例を示すグラフである。
【図７】この発明のポンプ試験装置による制御工程の実施例を示すグラフである。
【図８】この発明のポンプ試験装置による制御工程の実施例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０    ポンプ
１２    主配管系
１４    付属配管系
４２，４４    制御装置
【図１】
0003573602.tif 000003
【図２】
0003573602.tif 000004
【図３】
0003573602.tif 000005
【図４】
0003573602.tif 000006
【図５】
0003573602.tif 000007
【図６】
0003573602.tif 000008
【図７】
0003573602.tif 000009
【図８】
0003573602.tif 000010