(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
既設の注入点から配水が注入され、複数の接続点を有する管路からなる配水管路網の指定点における圧力および流量を最適化するための配水運用支援装置において、
配水管路網には、新たに増設した配水ポンプが設けられた注入点が設けられており、
配水管路網全域で消費される配水量を設定する配水量設定手段と、
配水量設定手段で設定した配水量を配水管路網の管路の接続点において分配する分配量を設定する配水量分配手段と、
配水量分配手段で設定された分配量に関する情報と配水管路網の土木構造に関する情報に基づいて、指定点の圧力値と流量を算出する管網解析手段と、
既設の注入点及び既設の注入点における圧力を考慮した上で、管網解析手段で算出した指定点の圧力値と、指定点に対して設定された圧力値との偏差に基づいて、指定点の圧力を設定圧力に保持するために増設した注入点からの供給圧力および供給流量を定める注入点圧力決定手段と、
管網解析手段で算出した指定点の圧力値および流量と、注入点圧力決定手段で算出した供給圧力値および供給流量に基づいて、増設した注入点に設ける最適な配水ポンプ特性を算出する特性算出手段と、を備え、
特性算出手段で算出する配水ポンプ特性は、増設した注入点に設ける配水ポンプの台数、各配水ポンプ圧力−流量の特性であることを特徴とする配水運用支援装置。
【請求項２】
特性算出手段において、増設した注入点に容量の異なる複数の配水ポンプを設置する場合、各配水ポンプの合成特性が、各配水ポンプの同圧力時における流量を加算することにより算出されることを特徴とする請求項１記載の配水運用支援装置。
【請求項３】
管網解析手段で算出した指定点の圧力値と、指定点に対して設定された設定の圧力値との絶対偏差を求める管網解析停止手段を更に備え、管網解析停止手段は、この絶対偏差が所定値以下になった場合に管網解析手段を停止することを特徴とする請求項１または請求項２記載の配水運用支援装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は、配水管路網の配水運用支援装置に係り、とりわけ注入点を増設する場合、配水管路網の圧力を適正に保つため、増設する注入点における配水ポンプの圧力−流量の特性を検討することができる配水運用支援装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
配水管路網の圧力適正化検討のために、従来から管網解析技術が用いられている（例えば、高菜哲夫著：「配水管網解析の基礎と応用」、水道管理技術センター発行、１９９３年）。この圧力適正化の検討は、１日最大配水量の日における最大配水量の時間帯、または時間最大配水量の時間帯の注入点圧力と注入点流量を設定して、（１）配水管路網全体の圧力分布を検討する、（２）圧力不足になる点を検討する、（３）流向変化、流速変化を検討するものであった。したがって、ある時断面において定常的な注入点の必要圧力を検討することは可能であるが、１日を通じた運用に対して必要な注入点の圧力−流量特性を検討することはできなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来より、１日最大配水量の日における最大配水量の時間帯（時間最大配水量の時間帯）つまり、ある時断面での定常状態における解析、検討が行なわれている。
【０００４】
しかしながら、１日を通じた運用に対して必要な注入点の圧力−流量特性を検討は行なわれていない。
【０００５】
本発明はこのような点を考慮してなされたものであり、１日を通じた運用に対して必要な注入点の圧力−流量特性を検討することができる配水運用支援装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、既設の注入点から配水が注入され、複数の接続点を有する管路からなる配水管路網に対し、新たに注入点を増設した場合の配水管路網の指定点における圧力および流量を適正化するための配水運用支援装置において、配水管路網全域で消費される配水量を設定する配水量設定手段と、配水量設定手段で設定した配水量を配水管路網の管路の接続点において分配する分配量を設定する配水量分配手段と、配水量分配手段で設定された分配量に関する情報と配水管路網の土木構造に関する情報に基づいて指定点の圧力値と流量を算出する管網解析手段と、管網解析手段で算出した指定点の圧力値と、指定点に対して設定された圧力値との偏差に基づいて、指定点の圧力を設定圧力に保持するために増設した注入点からの供給圧力および供給流量を定める注入点圧力決定手段と、管網解析手段で算出した指定点の圧力値および流量と、注入点圧力決定手段で算出した供給圧力値および供給流量に基づいて、増設した注入点に設ける最適な配水ポンプ特性を算出する特性算出手段と、を備えたことを特徴とする配水運用支援装置である。
【０００７】
本発明によれば、増設する注入点に設ける最適な配水ポンプ特性を算出することにより、１日を通じた運用に対して必要な注入点の圧力−流量特性を検討することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【０００９】
図１乃至５は、本発明による配水運用支援装置の一実施の形態を示す図である。本発明による配水運用支援装置８は、図２に示す配水管網２の接続点における圧力と流量を最適化するためのものである。
【００１０】
また、図２に示すように配水管路網１０は、複数の接続点１４を有する管路からなり、このような配水管路網１０に対し、既設の注入点１１、１２に設置された配水ポンプから配水が注入され、新たに設けられた注入点に配水ポンプを設置するものである。
【００１１】
図１に示すように、本発明による配水運用支援装置８は、配水管路網１０全域で消費される配水量を設定する配水量設定手段１と、配水量設定手段１で設定した配水量を配水管路網１０の管路の接続点１４において分配する分配量を設定する配水量分配手段２と、配水量分配手段２で設定された分配量に関する情報と配水管路網１０の土木構造に関する情報に基づいて指定点１５の圧力値と流量を算出する管網解析手段３とを備えている。
【００１２】
管網解析手段３には、管網解析手段３で算出した指定点１５の圧力値と、指定点１５に対して設定された圧力値との偏差に基づいて、指定点１５の圧力を設定圧力に保持するために増設する注入点１３からの供給圧力値および供給流量を定める注入点圧力決定手段４が接続されている。また管網解析手段３および注入点圧力決定手段４には、管網解析手段３で算出した指定点１５の圧力値および流量と、注入点圧力決定手段４で算出した供給圧力および供給流量に基づいて、注入点１３に設ける最適な配水ポンプ特性を算出する特性算出手段６が接続されている。
【００１３】
特性算出手段６には、管網解析手段３で算出した指定点１５の圧力値と、指定点１５に対して設定された設定の圧力値との絶対偏差を求める管網解析停止手段５が接続されている。また、管網解析手段３には、管網解析手段３を圧力設定から流量設定に変更する制御方法変更手段７が接続されている。さらに、配水量設定手段１、配水量分配手段２、管網解析手段３、注入点圧力決定手段４および制御方法変更手段７には、前記各手段に情報を入力する入力手段９が接続されている。
【００１４】
次にこのような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００１５】
配水量設定手段１は、入力手段９から入力される情報に基づいて配水管路網１０全域で消費される配水量を設定する。このとき配水量設定手段１では、１日の内の最小配水量、最大配水量および平均配水量が設定される。
【００１６】
配水量分配手段２では、入力手段９から入力される情報を用いて、配水量設定手段１で設定した配水量をもとに配水管路網１０の管路の接続点（節点）１４における分配量が設定される。配水量分配手段２は、分配量の設定値を（１）式を用いて算出する。
【００１７】
【数１】
0004330823.tif 000002
なお上記、入力手段９から入力される情報とは、接続点ｉにおける給水人口Ｎｉ、配水管路網全体の給水人口Ｎｔをいう。
【００１８】
管網解析手段３では、配水量分配手段２で設定された分配量に関する情報と配水管路網の土木構造に関する情報に基づいて、指定点の圧力値と流量が算出される。管路解析手段３において指定点１５の圧力値と流量を算出する際、既設の注入点１１、注入点１２および増設した注入点１３の圧力は任意の値が用いられる。
【００１９】
注入点圧力決定手段４では、管網解析手段３で算出した指定点１５の圧力値と、指定点１５に対して入力手段９により予め設定された圧力値との偏差に基づいて、指定点１５の圧力を設定圧力に保持するよう増設した注入点１３からの供給圧力値および供給流量を定める。
【００２０】
すなわち、（ｉ）注入点圧力決定手段４は、管網解析手段３で算出した指定点の圧力値と、指定点に対して設定された圧力値との偏差が０よりも大きい場合は、注入点１３からの供給圧力値に予め設定された圧力変更量を加算する。また、（ｉｉ）注入点圧力決定手段４は、管網解析手段３で算出した指定点１５の圧力値と、指定点１５に対して設定された圧力値との偏差が０よりも小さい場合は、注入点からの供給圧力値に予め設定された圧力変更量を減算する。なお、予め設定された圧力変更量は、入力手段９を介して任意に設定できるようにしてもよい。
【００２１】
注入点圧力決定手段４では、以上（ｉ）、（ｉｉ）の演算が繰り返される。
【００２２】
注入点圧力決定手段４は、増設した注入点からの供給圧力値および供給流量を（２）式を用いて定める。
【００２３】
【数２】
0004330823.tif 000003
管網解析停止手段５では、管網解析手段３で算出した指定点１５の圧力値と、指定点１５に対して設定された設定の圧力値との絶対偏差を求め、この絶対偏差が所定値（許容誤差所定値）より小さくなった場合に管網解析手段３を停止する。さらに管網解析手段３を停止すると、同時に注入点圧力決定手段４を停止する。
【００２４】
管網解析停止手段５は、（３）式を用いて管網解析手段３および注入点圧力決定手段４を停止する。
【００２５】
【数３】
0004330823.tif 000004
なお、許容誤差設定値は予め設定された値であるが、入力手段９を介して任意に設定変更できるようにしてもよい。
【００２６】
特性計算手段６では、管網解析手段３で算出した指定点１５の圧力値および流量と、注入点圧力決定手段４で算出した供給圧力値および供給流量に基づいて、注入点１３に設ける最適な配水ポンプ特性を算出する。ここで、配水ポンプ特性とは、増設した注入点に設ける配水ポンプの台数、各配水ポンプ圧力−流量の特性をいう。
【００２７】
特性計算手段６では、以下に述べる手順で配水ポンプ特性を算出する。
【００２８】
Ｓｔｅｐ（１）
管網解析手段で算出した指定点１５の圧力値および流量と、注入点圧力決定手段４で算出した供給圧力値および供給流量に基づいて、配水管路網１０の管路抵抗式を（４）式で近似する。
【００２９】
Ｈｌ＝ａＱｍｂ＋Ｈ０     −−（４）
ここで（４）式の各記号は以下のように定める。
【００３０】
Ｈｌ：配水管路網の圧力［ｍ］
Ｑｍ：配水管路網で消費される流量（最小流量、最大流量、平均流量）
［ｍ３／ｈ］
ａ、ｂ：管路抵抗を決定する定数
Ｈ０：流量が０のときの配水管路網の圧力［ｍ］
Ｓｔｅｐ（２）
Ｓｔｅｐ（１）で近似した管路抵抗式を用いて、増設した注入点１３における配水ポンプの定格揚程を決定する。このとき、増設した注入点１３における配水ポンプの定格揚程は配水管路網１０で消費される最大流量における圧力以上を設定する。（圧力設定ポイント１）
Ｓｔｅｐ（３）
次に、配水管路網１０で消費される最小流量における圧力以上の圧力を設定する。（圧力設定ポイント２）
Ｓｔｅｐ（４）
流量０［ｍ３／ｈ］から前記最小流量の間で、任意の流量に対応する圧力を設定する。このとき、設定する圧力は圧力設定ポイント１および圧力設定ポイント２の間の圧力を設定する。（圧力設定ポイント３）
Ｓｔｅｐ（５）
圧力設定ポイント１、２、３で設定した圧力をＳｔｅｐ（１）で算出した管路抵抗式に各々代入し、圧力設定ポイント１、２、３での流量を算出する。前記設定した圧力と算出した流量の値から（５）式を用いて、増設した注入点１３における配水ポンプ特性の近似式を算出する。
【００３１】
Ｈｐ＝ａＱｎ２＋ｂＱｎ＋ｃ      −−（５）
ここで、（５）式の各記号は、以下のように定める。
【００３２】
Ｈｐ          ：増設した注入点における揚程（圧力）［ｍ］
ａ、ｂ、ｃ  ：増設した注入点における配水ポンプ特性を決定する定数
Ｑｎ         ：増設した注入点における配水ポンプ配水量［ｍ３／ｈ］
Ｓｔｅｐ（６）
Ｓｔｅｐ（５）で算出した、増設した注入点１３における配水ポンプ特性の近似式を用いて、配水ポンプ定格時のｖ割運転時（例えばｖ＝０．７、配水ポンプ定格時の０．７割運転時とは、配水ポンプ定格時に対する７０％の運転能力をいう。）における配水ポンプの特性を（６）式より算出する。
【００３３】
【数４】
0004330823.tif 000005
Ｓｔｅｐ（７）
（６）式で算出した、増設した注入点１３における配水ポンプ運転能力での揚程が配水管路網１０で消費される最小流量時の圧力以下になるようにする。設定したｖに対して増設した注入点１３における配水ポンプ運転能力での揚程が配水管路網１０で消費される最小流量時の圧力以下にならない場合は、Ｓｔｅｐ（３）に戻る。
【００３４】
Ｓｔｅｐ（８）
次に、増設した注入点において同容量の配水ポンプ運転台数を増加し（例えばＮ＝２、ｖ＝１．０であれば２台の配水ポンプを定格運転した時の配水ポンプ特性を表している。）、（６）式によって増設した注入点１３における配水ポンプの揚程を算出する。
【００３５】
Ｓｔｅｐ（９）
配水管路網１０で消費される最大流量において、（１）式によって算出した圧力と（６）式によって算出した配水管路網１０で消費される最大流量における２台の配水ポンプの定格運転時の揚程を比較し、（１）式によって算出した圧力の方が高い場合は、Ｎ＝Ｎ＋１の演算を行ない、ｖ＝１．０として、Ｓｔｅｐ（８）に戻る。なお、Ｎの初期値をＮ＝１とする。
【００３６】
Ｓｔｅｐ（１０）
Ｓｔｅｐ（１）からＳｔｅｐ（８）の演算を繰り返し、最終的に得られたＮが必要となる配水ポンプ数であり、またＳｔｅｐ（６）で算出された式が配水ポンプ特性を示している。つまり、増設した注入点には、Ｓｔｅｐ（６）で算出された配水ポンプ特性を持つ配水ポンプをＮ台設置すればよい。
【００３７】
図３は、上記演算によって算出された増設した注入点に設置された１台または複数台の同容量の配水ポンプ特性を示している。つまり、上記Ｓｔｅｐ（１）からＳｔｅｐ（８）の演算を繰り返し、最終的に得られたＳｔｅｐ（６）で算出された配水ポンプ特性の式を示している。図３において縦軸は、増設した注入点１３における圧力、横軸は増設した注入点１３における流量を示している。また、図３の符号（ａ）は、同容量の２台の配水ポンプを定格運転時の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。符号（ｂ）は、同容量の１台の配水ポンプを定格運転時の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。符号（ｃ）は、同容量の２台の配水ポンプを定格の７０％運転時の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。符号（ｄ）は、同容量の１台の配水ポンプを定格の７０％運転時の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。
【００３８】
次に、増設した注入点１３に異種容量のポンプを設置する場合について、配水ポンプ特性を算出する手順について、図４において説明する。
【００３９】
なお図４において、縦軸は増設した注入点１３における圧力を示し、横軸は増設した注入点１３における流量を示している。また図４の符号（ｆ）は、１台の配水ポンプを定格運転時の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。符号（ｇ）は、符号（ｆ）と異種容量の配水ポンプを定格運転時の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。符号（ｈ）は、符号（ｆ）の配水ポンプと符号（ｇ）の配水ポンプを組み合わせて設置した場合の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。符号（ｉ）は、１台の配水ポンプを定格のｖ％運転時の増設した注入点１３における圧力と流量の関係を示している。
【００４０】
増設した注入点１３に異種容量のポンプを設置する場合、配水ポンプ特性を算出する手順は、上記同容量の配水ポンプの配水ポンプ特性を算出する手順とＳｔｅｐ（１）からＳｔｅｐ（７）まで同一である。Ｓｔｅｐ（８）以降の手順については、以下のように行なう。
【００４１】
Ｓｔｅｐ（８’）
異種容量の配水ポンプを増設した注入点１３における定格のＭ％（揚程が同一の場合は流量がＭ％となる）と仮定する。
【００４２】
Ｓｔｅｐ（９’）
Ｓｔｅｐ（８’）において仮定した異種容量ポンプとＳｔｅｐ（６）で決定した配水ポンプの合成特性を図４に示すように算出する。合成特性の算出方法は、同揚程（圧力）時における二つの配水ポンプ流量の加算し、プロットすることにより算出する。
【００４３】
例えば、図４において、（ｆ）の配水ポンプと（ｇ）の配水ポンプの合成特性は、同揚程時における前記各配水ポンプの流量を加算し、その結果を図４のグラフにプロットすることによって算出する。前記プロットによって、（ｆ）の配水ポンプと（ｇ）の配水ポンプの合成特性（ｈ）が算出される。
【００４４】
Ｓｔｅｐ（１０’）
最大流量時の合成特性の揚程が（１）式で算出した圧力以下であれば異種容量ポンプあるいは配水ポンプ台数を増やし、Ｓｔｅｐ（９’）に戻る。
【００４５】
上述のように、Ｓｔｅｐ（１）からＳｔｅｐ（１０）およびＳｔｅｐ（１）からＳｔｅｐ（１０’）において、増設した注入点１３についての配水ポンプ特性を算出したが、入力手段７を介して、配水ポンプ特性を算出したい注入点１１、１２、１３を自由に選択することによって、各注入点における配水ポンプ特性を算出することができる。
【００４６】
次に、制御方法変更手段７により既設の注入点を圧力設定から流量設定の制御に変更する作用ついて説明する。
【００４７】
制御方法変更手段７は、入力手段９を介して管網解析手段３を圧力設定から流量設定に変更する。
【００４８】
図５は、既設の注入点を圧力設定から流量設定の制御に変更する場合を示している。制御方法変更手段７によって、管網解析手段３を圧力設定から流量設定に変更する。管網解析手段３は、配水管路網の指定点圧力を算出する際に、既設の注入点の設定を圧力ではなく流量とし、注入点に設定した流量が流れ込むとして、配水管路網１０における指定点１５の圧力を算出する。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、既設または増設した注入点から配水が注入され、複数の接続点を有する管路からなる配水管路網において、注入点に設ける最適な配水ポンプ特性を算出し、１日を通じた運用に対して注入点の圧力−流量特性を検討することができる。それにより、新たに注入点を増設した場合の配水管路網の指定点における圧力および流量を適正化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による配水運用支援装置の一実施例を示す全体構成図
【図２】配水管路網を示す図
【図３】同容量の配水ポンプ特性を示す図
【図４】異種容量の配水ポンプ特性を示す図
【図５】注入点の圧力設定から流量設定の制御の変更を示す図
【符号の説明】
１  配水量設定手段
２  配水量分配手段
３  管網解析手段
４  注入点圧力決定手段
５  管網解析停止手段
６  特性算出手段
７  制御方法変更手段
８  配水運用支援装置
【図１】
0004330823.tif 000006
【図２】
0004330823.tif 000007
【図３】
0004330823.tif 000008
【図４】
0004330823.tif 000009
【図５】
0004330823.tif 000010