(57)【要約】【課題】キャビテーションを発生させることなく、運転台数をできるだけ少なくした省エネ運転を可能にする。【解決手段】ポンプ１１〜１Ｎの回転数制御と運転台数切換えを制御装置３で制御する。制御装置は、ポンプの吐出量Ｑ−吐出圧力Ｈ特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線を求め、これとほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界の内側にしたポンプ台数増の台数変更流量曲線とポンプ台数減の台数変更流量曲線を設定しておき、これら変更流量曲線を越える吐出流量にはポンプ運転台数を増減する台数変更を行う。キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の台数変更特性を移し替えた回転数Ｎ−吐出量Ｑ特性によって、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御することも含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転数制御される複数台のポンプを設備し、これらポンプの回転数制御と並列運転台数を切換えるポンプ運転台数切換制御装置によって各ポンプの吐出流量および各ポンプからの吐出水の合流点の吐出圧力を制御するポンプ運転システムにおいて、
前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
ポンプの単独運転時および複数台の並列運転時の吐出量Ｑ−吐出圧力Ｈ特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線Ｃｍａｘを求め、この最高効率曲線とほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界ＣＬの内側にしたポンプ台数増の台数変更流量曲線Ｃ１２とポンプ台数減の台数変更流量曲線Ｃ２１を設定しておく手段と、
前記ポンプ台数増の台数変更流量曲線を越える吐出流量の増加にはポンプ運転台数を１台増す台数変更を行い、前記ポンプ台数減の台数変更流量曲線を越える吐出流量の減少にはポンプ運転台数を１台減らす台数変更を行う手段とを備えたことを特徴とするポンプ運転システム。
【請求項２】
前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
前記キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の前記台数変更特性を移し替えた回転数Ｎ−吐出量Ｑ特性を設け、この回転数Ｎ−吐出量Ｑ特性に対する、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御することを特徴とする請求項１に記載のポンプ運転システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上下水道施設等に設備されるポンプ運転システムに係り、特にポンプの運転台数切換制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上水の取水施設や下水の浄水施設では、複数台のポンプを設備し、それらの運転台数切換制御により所期の送水量（吐出量または揚水量）を確保している。
【０００３】
図５は、ポンプ運転システムの要部構成を示す。Ｎ台のポンプ１１〜１Ｎは、その電動機がそれぞれ回転数制御装置２１〜２Ｎによって速度指令Ｎ１〜ＮＮに応じた回転数制御されることで個々の吐出流量が制御可能に構成される。なお、回転数制御装置２１〜２Ｎは、ポンプの揃速回転を行うことが基本であり、ＰＩＤ制御演算部を共通にした速度制御信号を得、これを基に各ポンプの駆動電源（例えば、インバータ本体）を制御する構成の場合が多い。
【０００４】
ポンプ運転台数切換制御装置３は、コンピュータとそれに搭載するソフトウェア構成で実現され、ポンプ設備に要求される吐出量Ｑ、吐出圧Ｈの設定や、ポンプのＱ−Ｈ特性（Ｑ−Ｈカーブ）データがあらかじめ格納され、これら設定に対する各ポンプのそれぞれの吐出流量と、ポンプからの吐出水の合流点の吐出圧を計測信号として取得し、ポンプの運転台数決定および運転ポンプの回転数制御を行う。
【０００５】
これらポンプの運転台数決定と回転数制御には、吐出圧力一定制御と流量を基にしたポンプ運転台数切換制御との２つを併用している。
【０００６】
上記の吐出圧力一定制御を説明する。図６は、横軸にポンプの吐出量Ｑを、縦軸に吐出圧Ｈとして、１台のポンプの単独運転時のＱ−Ｈカーブと、２台のポンプの並列運転時のＱ−Ｈカーブと、３台のポンプの並列運転時のＱ−Ｈカーブを示す。これらＱ−Ｈカーブはポンプの１００％速度と最低速度およびキャビテーション限界で運転領域が制限される。
【０００７】
同図において、設定された吐出圧力Ｈ１を保つように、流量Ｑ１が吐出圧力Ｈ１とポンプ１台運転時の１００％速度のＱ−Ｈカーブとの交点の流量までは１台運転とし、その交点を越える流量では２台運転に切換え、両ポンプは吐出圧力Ｈ１になるよう速度制御する。また、２台運転から３台運転に切換える場合も同様になる。
【０００８】
吐出流量によるポンプ運転台数切換制御を図７で説明する。同図において、ポンプのＱ−Ｈカーブ上に、ポンプを運転開始する判定流量Ｑ１２，Ｑ２２と停止させる判定流量Ｑ１１，Ｑ２１を設定し、運転開始流量Ｑ１２，Ｑ２２を上回るときに運転台数を増し、停止流量Ｑ１１，Ｑ２１を下回るときに運転台数を減らす。つまり、ポンプの運転台数切換制御には運転流量と停止流量にかなり大きなヒステリシス幅を設定しておき、運転と停止を繰り返すハンチングの発生を防止している。
【０００９】
なお、ポンプの運転台数切換頻度を下げる方式として、ポンプの起動／停止頻度を低くするため、吐出弁の開度を複数段に切換えて水位を一定範囲に保つものもある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０８−１７７７４７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
（１）吐出圧力一定制御と流量による運転台数切換制御における効率の問題
前記の吐出圧力一定制御と運転台数切換制御は、同時に実行されているが、互いに独立した制御としているため、吐出圧力一定制御状態で、台数増の流量になると台数切換シーケンスが無条件に実行される。
【００１２】
この例は図８に示すように、ポンプを１台運転から２台運転に切換える運転流量Ｑ１２になると、例に示した１台目のポンプのＱ−Ｈカーブでは回転数９０％程度で、見た目にも余裕があるにもかかわらず、２台運転に制御される。この１台運転時と２台運転時の効率Ｐは、η１（＝７０％程度）からη２（＝５０％程度）へと移ってしまう。つまり、ポンプ吐出圧力は一定に保っているものの、ポンプ運転台数が少なく、効率が高い１台運転状態から運転台数が多く、効率も低い運転状態になってしまう。
【００１３】
（２）運転台数切換制御におけるヒステリシス幅による軸動力等の問題
前記のように、流量による運転台数切換制御では、台数の変更をハンチング防止のために、大きめのヒステリシスを設けている。このヒステリシス区間では、流量的にはＮ台でも、（Ｎ＋１）台でもよいが、運転台数を減らすときのヒステリシスであるときは（Ｎ＋１）台運転となってしまう。
【００１４】
この状態では、ポンプ回転数でみると、例の場合は図８に示すように、１台運転時の流量Ｑ１２、吐出圧力Ｈ１のときの回転数は約９０％程度であるのに対して、同じ流量Ｑ１２で、２台運転時の回転数は８０％程度である。
【００１５】
このときの軸動力は、図９に示すように、１台運転時は４０ｋＷ弱であるのに対して、２台運転時は５０ｋＷ弱になる。
【００１６】
つまり、同じ吐出圧力および流量でポンプ運転するのに、１台（Ｎ台）運転と２台（Ｎ＋１台運転）では、（Ｎ＋１）台運転では回転数が小さくなる（動力は回転数の３乗で小さくなる）ものの、ポンプに必要な軸動力は逆に大きくなってしまう。また、ポンプの電動機とその制御装置の効率も回転数が低いほど悪くなる。したがって、回転数が低い（Ｎ＋１）台運転ではポンプ軸動力および電動機側効率の点で不利となる。
【００１７】
本発明の目的は、上記の課題を解決したポンプ運転システムを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
（Ａ）前記のように、従来の流量−運転台数切換制御では、運転台数変更流量（Ｑ１２など）になると、無条件に台数を増し、軸動力が大きくなり、しかもポンプモータの運転効率が悪くなる。これには、図８に示すポンプのＱ−Ｈカーブから分かるように、例えば、運転台数変更流量Ｑ１２では台数変更を行わず、それより右側の流量の大きい範囲を上手に利用して、運転台数変更流量を設定変更できれば、流量Ｑ１２に達したときも１台運転を継続し、運転効率を改善できる。
【００１９】
ここで、ポンプは各々の速度にて、吐出流量により効率が異なり、その値は０％〜７０％程度である。このうち、最高効率点はポンプ仕様要項に提示され、例えば、・吐出圧力：４０ｍ、・吐出流量：５．３ｍ３／分、・回転数：１００％、ポンプ効率：７７％、のように表される。
【００２０】
この仕様要項を利用して、ポンプの比例の法則を適用すると、各回転数における最高効率点が分かり、当然、その点の流量、吐出圧力を求めることができる。この手法によって求めた各回転数での最高効率点をプロットすれば、最高効率曲線（カーブ）を描くことができる。このとき、最高効率曲線上の全てのポイントにおけるポンプ効率は上記の最高効率７７％となる。
【００２１】
以上のことから、本発明は、ポンプのＱ−Ｈカーブ上の最高効率曲線を求め、この曲線を基にポンプ台数変更流量を設定することで、ポンプを高い効率で運転しながら運転台数を切り替え、大幅な省エネを図るものである。
【００２２】
図１０の（ａ）はポンプのＱ−Ｈカーブ上に、上記の最高効率曲線Ｃｍａｘ等を記したもので、この最高効率曲線Ｃｍａｘは同図の（ｂ）に示す各速度での効率曲線を基にして求められる。
【００２３】
この最高効率曲線Ｃｍａｘとほぼ平行に、台数変更流量カーブを設定する。図中、Ｃ１２がポンプを１台から２台への台数変更流量設定カーブ、Ｃ２１がポンプを２台から１台への台数変更流量設定カーブであり、これらカーブＣ１２，Ｃ２１は最高効率曲線Ｃｍａｘとほぼ平行し、ポンプのキャビテーション限界曲線ＣＬと最高効率曲線Ｃｍａｘとの間になるよう設定する。
【００２４】
なお、点ＱＬはポンプの１台運転下限流量を、この点ＱＬを含む大枠全体が１台運転範囲領域を示す。また、Ｑ１２が従来のポンプを１台から２台への台数変更流量設定値、Ｑ２１がポンプを２台から１台への台数変更流量設定値を示す。
【００２５】
以上のことから、最高効率曲線に沿って設定したポンプ台数変更流量を設定し、吐出圧力も設定すると、最高効率に近い所で運転点が設定され、運転上の問題も無いことが確認でき、ｎ台からｎ＋１台への増台の場合、およびｎ＋１台からｎ台への減台の場合も従来の流量による台数増減変更よりも少ない台数で運転できる。
【００２６】
（Ｂ）運転台数変更の詳細
前項（１）で説明するように、台数変更カーブＣ１２，Ｃ２１は、キャビテーションカーブＣＬよりも高い吐出圧力範囲に設けることで、キャビテーションの発生を防止するが、この台数変更カーブ設定は流量Ｑ、吐出圧力（水頭）Ｈ、ポンプモータ回転数Ｎの３つの要素を含み、また、同じ吐出量を送水するのに必要なポンプ台数が複数台選べるこもとあり、このままでは取り扱いが難しくなる。
【００２７】
しかし、これら３要素のうち、キャビテーション限界を決める有効吸い込み水頭ＨＳは、流量Ｑと速度Ｎとの間で以下の関数関係になる。
【００２８】
【数１】
ＨＳ＝（Ｎ×√Ｑ／Ｓ）４／３
ただし、Ｓは比速度でポンプ毎に定まる一定値
この関係から、Ｑ−Ｈカーブ上に設定されるキャビテーション限界カーブ（メーカ提供）を、回転数Ｎ−吐出量Ｑカーブにプロットした移し替えを行うも正しく使用できることになる。
【００２９】
図１１は、図１０のキャビテーション限界カーブ、１台から２台への台数変更カーブＣ１２および２台から１台への台数変更カーブＣ２１などを回転数Ｎ−吐出量Ｑカーブにプロットしたものである。
【００３０】
本発明は、図１１に示す回転数Ｎ−吐出量Ｑカーブを利用し、キャビテーション限界を避けたポンプ運転台数切換のための判定を得る。これにより、回転数Ｎ−吐出量Ｑカーブでは、ヒステリシス部分を除いて、運転台数と流量に不要な重なりがなく、流量による正確な台数判別が可能となる。
【００３１】
以上のことから、本発明は、キャビテーションを発生させることなく、運転台数をできるだけ少なくし、吐出圧力が高過ぎず、エネルギーの無駄が少なく、ポンプ効率および電動機効率も高い範囲を広く使ったポンプ運転台数切換制御を可能にするもので、以下の構成を特徴とする。
【００３２】
（１）回転数制御される複数台のポンプを設備し、これらポンプの回転数制御と並列運転台数を切換えるポンプ運転台数切換制御装置によって各ポンプの吐出流量および各ポンプからの吐出水の合流点の吐出圧力を制御するポンプ運転システムにおいて、
前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
ポンプの単独運転時および複数台の並列運転時の吐出量Ｑ−吐出圧力Ｈ特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線Ｃｍａｘを求め、この最高効率曲線とほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界ＣＬの内側にしたポンプ台数増の台数変更流量曲線Ｃ１２とポンプ台数減の台数変更流量曲線Ｃ２１を設定しておく手段と、
前記ポンプ台数増の台数変更流量曲線を越える吐出流量の増加にはポンプ運転台数を１台増す台数変更を行い、前記ポンプ台数減の台数変更流量曲線を越える吐出流量の減少にはポンプ運転台数を１台減らす台数変更を行う手段とを備えたことを特徴とする。
【００３３】
（２）前記ポンプ運転台数切換制御装置は、
前記キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の前記台数変更流量曲線を移し替えた回転数Ｎ−吐出量Ｑ特性を設け、この回転数Ｎ−吐出量Ｑ特性に対する、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御することを特徴とする。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態を示すポンプ運転システムの要部構成であり、図５と同等の部分は同じ符号で示す。なお、回転数制御装置２１〜２Ｎは、ポンプの揃速回転を行うため、ＰＩＤ制御演算部を共通にした速度制御信号を得、これを基に各ポンプの駆動電源を制御する構成とする。
【００３５】
図１において、設定データには、Ｎ台のポンプの台数増変更流量曲線Ｃ１２〜ＣＮ２、台数減変更流量曲線Ｃ１１〜ＣＮ１の設定をする。また、従来のＱ−Ｈカーブに代えて、キャビテーション限界を避けた台数変更カーブをプロットした回転数Ｎ−吐出量Ｑカーブを設定する（図１１参照）。検出信号には、従来の吐出圧力と各ポンプの吐出流量に加えて、各ポンプモータの回転数を取り込む。
【００３６】
以上の構成において、Ｎ台のポンプの台数増変更流量曲線Ｃ１２〜ＣＮ２とポンプ台数減変更流量曲線Ｃ１１〜ＣＮ１は、前記のように、ポンプの吐出量Ｑ−吐出圧力Ｈ特性上に、ポンプの各回転数における最高効率点をプロットした最高効率曲線Ｃｍａｘを求めておき、この最高効率曲線とほぼ平行し、かつポンプのキャビテーション限界ＣＬの内側にした設定にされる。
【００３７】
そして、ポンプ運転台数切換制御装置３は、設定された吐出圧Ｈ１を保ちながら、ポンプ１１の速度Ｎ１の指令で吐出流量をＱ１を制御し、吐出流量が変更流量Ｃ１２を越えるまでは１台運転とし、その交点を越える流量ではポンプ１１と１２の２台運転に切換え、両ポンプは吐出圧力Ｈ１になるよう速度制御する。逆に、２台運転での吐出流量が減少し、それが変更流量Ｃ２１を越えるときにポンプ１１の１台運転に切換え、両ポンプは吐出圧力Ｈ１になるよう速度制御する。同様に、２台運転から３台運転に切換える場合などのポンプ台数増と、逆に３台運転から２台運転に切換える場合などのポンプ台数減には、それぞれ台数変更流量Ｃ１２〜ＣＮ２、Ｃ１１〜ＣＮ１を基にした運転台数の切換え制御になる。
【００３８】
また、ポンプ運転台数切換制御装置３は、その台数変更制御に、キャビテーション限界特性および運転台数の増および減の台数変更流量曲線を移し替えた回転数Ｎ−吐出量Ｑ特性を基に行い、この回転数Ｎ−吐出量Ｑ特性に対する、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御する。
【００３９】
以上のことから、台数変更には各ポンプを最高効率で運転しながら、ハンチング現象を防止できる。また、台数増と台数減との間のヒステリシス幅を小さくすることができる。
【００４０】
また、キャビテーション限界を避けたポンプ運転台数切換のための判定を得ることにより、運転台数と流量に不要な重なりがなく、流量による正確な台数判別が可能となる。
【００４１】
図２は、既存のポンプ運転システムに本実施形態を適用した処理シーケンス図である。
【００４２】
図において、ｎ台のポンプの近くに配置される操作盤のｎ個のＣＯＳ（Ｃｈａｎｇｅ  Ｏｖｅｒ  Ｓｗｉｔｃｈ）１１は各ポンプの制御を現場と中央のいずれで行うかを指示し、このＣＯＳとペアで設けられるＣＳ（Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｗｉｔｃｈ）１２はＣＯＳ１１が現場側を指示（ホールドスイッチ）しているときに、当該ポンプを運転と停止の切換え指示を可能にする。
【００４３】
ＣＯＳ１３は中央側に増設され、既存の「中央１」と本実施形態の方式による運転台数切換制御を適用する「中央２」の切換指示をし、既存の「中央１」側のＣＯＳ１４は手動と自動を切換え、ｎ個のＣＳ１５はＣＯＳ１４が手動の場合に各ポンプの運転と停止を切換操作する。
【００４４】
電気室内に設けられるリレー回路１６は、ＣＳ１２による現場でのポンプ運転／停止指令、またはＣＳ１５による中央でのポンプ運転／停止指令に応じてポンプの手動または自動の運転／停止制御を行う。
【００４５】
ここで、増設したＣＯＳ１３による「中央２」の切換操作では、本実施形態を組み込んだ省エネ運転監視装置１７を設ける。この装置１７は、ＰＣ（プログラマブル・コントローラ）１７Ａと、制御装置１７Ｂおよび入出力部１７Ｃで構成する。
【００４６】
ＰＣ１７Ａは、オペレータとのマンマシンコントロール装置に構成され、台数選択操作、表示、ロギング、運転状況表示、吐出圧力設定、Ｎ−Ｑカーブ設定、効率シミュレーション表示等の機能を搭載する。制御装置１７Ｂは、図１におけるポンプ運転台数切換制御装置３と同等の機能を搭載し、運転台数選択および制御、補正を含む吐出圧力制御、Ｎ−Ｑカーブによる制御、従来のＱ−Ｈカーブによる制御への切換え等の機能を搭載する。入出力部１７Ｃは、制御装置１７Ｂからの吐出圧力、回転数指令、運転／停止指令等をリレー回路１６に出力し、またこれら指令に対するリレー回路１６からのアンサーバックを入力する。
【００４７】
以上のように、既存のポンプ運転システムに適用する場合には、ＣＯＳ１３等の追加によって、既存の自動／手動運転に代えて、省エネ運転監視装置１７によるポンプの運転制御が可能となる。
【００４８】
また、装置１７に既存のポンプ運転台数切換制御装置と同等のものを組み込むことにより、既存装置との省エネ比較やシミュレーションを行うことができる。
【００４９】
図３と図４は、既存装置とを比較するためのシミュレーション結果を示す。同図３はＡ町の午後４時から１２時までの記録データを復元したもので、時刻別の送水流量、吐出圧力、ポンプ運転台数、推定回転数等を示す。図４は、本実施形態によるポンプ運転台数切換制御を行った場合のシミュレーション結果を示し、図３に比べて、ポンプ運転台数削減と軸動力低下とポンプモータ運転効率で改善された。
【００５０】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、ポンプのＱ−Ｈカーブ上の最高効率曲線を求め、この曲線を基にポンプ台数変更流量を設定するようにしたため、ポンプを高い効率で運転しながら運転台数を切り替え、大幅な省エネを図ることができる。
【００５１】
また、キャビテーション限界カーブおよび台数変更カーブを移し替えた回転数Ｎ−吐出量Ｑカーブを基に、ポンプ回転数と吐出流量からポンプ運転台数を切換制御するため、流量による正確な台数判別が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すポンプ運転システムの要部構成図。
【図２】本実施形態を既存システムに適用した処理シーケンス。
【図３】Ａ町の午後４時から１２時までの記録データ。
【図４】実施形態によるポンプ運転台数切換制御でのシミュレーション結果。
【図５】従来のポンプ運転システムの要部構成図。
【図６】従来の吐出圧力一定制御方式の説明図。
【図７】従来の吐出流量によるポンプ台数制御方式の説明図。
【図８】流量台数制御とポンプ効率の関係図。
【図９】ポンプ台数／回転数と吐出流量と軸動力の関係図。
【図１０】本発明の原理的な説明図。
【図１１】本発明における回転数Ｎ−吐出流量Ｑカーブ。
【符号の説明】
１１〜１Ｎ…ポンプ
２１〜２Ｎ…速度制御装置
３…ポンプ運転台数切換制御装置
１１、１３、１４…ＣＯＳ
１２、１５…ＣＳ
１６…リレー回路
１７…省エネ運転監視装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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