平成 27 年度 第 52 回下水道研究発表会講演集 N-8-3-4

配管の流れ場における流体の分配調整
中日本建設コンサルタント株式会社 ○山本 洋一 中根 進
公益財団法人愛知水と緑の公社 丸山 司
愛知県尾張建設事務所

有我 清隆

1 はじめに水処理施設では反応槽各系列への送気、多段ステップの硝化槽へ送気、返送汚泥の各反応槽への分配など、配管の流れ場による流体の分配調整の必要な箇所が多数ある。現場では手動および電動バルブによって流体の分配調整を行っているが、分配が適正に実現できていない事例がある。バルブ調整によって分配調整に努めるが、開度に対する流量の感度が微妙で非常に難しいため、管理を容易にするため、バルブ調整を必要としない配管設計が求められる。本稿では、空気配管に絞り、硝化脱窒法を採用している実施設の配管２例の分配割合を調査し、数値計算(定圧法、管網計算)による分配調整値を示し、分配調整の適正化や効果を数値計算で事前に検討することにより、管理、設計に反映させたいと考えている。
2 ２実施設における風量管理の状況
前段脱窒槽 硝化槽

風量調整弁と略記する)を使って風量調査を行った。

M600A

第１回調査：ライザー管の元弁を全開とし、風量を 20,28,34 Nm3/minと変化させた時の前段、後段の分配比率

水中
攪拌機

350A

水中
攪拌機

300A

硝化槽

元弁150A

水中撹拌機が３基設置されている(図-１)。その内２基(前段、後段

元弁150A

二段ステップ流入式硝化脱窒法の反応槽には、散気装置に機械式

後段脱窒槽

元弁150A

2.1 機械式水中撹拌機による二段ステップ流入式反応槽の風量調査

水中攪拌機200A

M

第２回調査：最大 44 Nm3/min までの風量で前段、後段の分配比率が均等となる元弁開度を調査
第３回調査：元弁の開度調整による前段、後段の分配比率の変化

図-１ 二段ステップ空気配管系統図

各段の風量は、前段、後段のライザー管に設置してある

1.00

フローメータで測定し、この読み値から分配比率を算定し0.900.80

調査時の前段、後段元弁を全開とした場合には、前段と後段の分配比率は、いずれの送気量に対しても前段が多くなり、概ね 0.57：0.43 となった。
前段、後段の分配比率が均等になるよう元弁の開度を変えて第２回調査を行ったが、いずれの送気量に対しても前段元バルブの開度が 50％のとき、均等となった(図-２)。
さらに前段元バルブの開度を絞ると図-３の開度と分配比前段への分配比率た。第１回、第２回調査時のデータを図-２に示す。第１回

0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.200.10

第１回調査

前段：100% 後段：100%

第２回調査

前段：50% 後段：100%

0.00
0102030
送気量(Nm3/min)4050

図-２ 元弁開度と前段、後段の分配比率率の関係が得られた。前段 0.57 と後段 0.43 のわずかに不均一な空気量を均等にするためには、前段元バルブの開度を 50％も絞る必要があった。開度 50％以下の絞りに対しては、開度と分配比率が線形を示している。全体としては、バルブ開度と分配比率は非線形であり、開度調整による分配を難しくしている。
この反応槽では、１槽毎に DO 計と風量調節弁が配置されていることや元弁が２つしかないことから、元バルブの開度調整で風量の管理が可能である。しかし、処

1.00

理場によっては、1 つの風量調節弁で複数の反応槽を制御

0.90

脱窒法の風量調査
三段ステップ流入式硝化脱窒法の反応槽では、超微細気0.60

後段

0.70

0.50
0.40
0.30
0.20

泡式散気装置が設置されている。三段ステップの反応槽は、

20Nm3/分
28Nm3/分
34Nm3/分均等

前段

2.2 超微細気泡式散気装置によるステップ流入式３段硝化％量分配管理の難易度は大幅に上昇する。

0.80

前段分配比率し、かつ元弁の数が多くなる場合もあり、バルブによる風0.10２槽あり、その２槽を 1 つの風量調節弁で制御している。

0.000

片側の１槽(図-４)では、ヘッダー管およびライザー管元バルブの開度を全て 100％としていた。もう片側は、各好気

204060
前段元バルブ開度

80100％

図-３ 前段元弁開度と分配比率の関係

槽の DO 測定により、空気量のバランスを確認したところ、250A

一段目、二段目に風量が多く分配される傾向があった。そのため、

ヘッ ダー管 200A

１段ヘッダー管

２段ヘッダー管

150A
３段ヘッダー管

ライザー管
元弁

3 数値計算による二段ステップ流入式反応槽の分配比率
3.1 定圧法

100A
100A

ヘッダー管
元弁目 100％にして、各段の風量の均等配分が概ね確保された。

ライザー管

ライザー管２本の元バルブ開度を一段目 44％、二段目 44％、三段第１ 段第２ 段

第３ 段

硝化槽

硝化槽

硝化槽

図-４ ステップ流入式３段硝化脱窒法の概略配管系統図

算し、散気水深５ m を加え、前段からと後段からの圧力が同値となるようトライアル計算で各段の空気量を計算した。
3.2 計算結果
計算結果を図-６に示すが、前段への分配比率は 0.51 でわずかに前

600A

M

後段
元弁150A

前段
元弁150A

撹拌機からヘッダー管●印のまでの圧力損失を常圧気体として計元弁150A

図-５の前段、後段のライザー管元バルブを全開とした場合に、350A

300A

200A段の方が多くなった。現場調査結果を併せて図-６に示すが、現場の前段分配比率 0.57 とは差が生じた。今回の定圧法では、ライザー管、ヘ1失を考慮していないことなどが差の一因と考えられる。

0.9

4 数値計算によるステップ流入式３段硝化脱窒法の分配比

0.8率
4.1 空気の管網計算
ほぼ大気圧の気体を常圧気体といい、脱臭ダクトなどの低圧では非圧縮性流体として取り扱っているが、本稿の管網計算では、一般気体の圧縮性流体として取り扱う。
計算に使用する管摩擦係数λと気体定数を下に示す。
管摩擦係数
気体定数
絶対温度
基準密度λＲＴρN

0.018 －
287.03 Ｊ/(kgＫ)
送気温度 80 ℃
353.15 Ｋ
1.288228 kg/m3

前段への分配比率

ッダー管の異形管(レジュサー、エルボ、丁字管など)の損

図-５ 定圧法による分配空気量の計算方法
前段バルブ開度100％
後段バルブ開度100％

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3

定圧法

0.2

第１回調査

0.1

第２回調査

001020送気量

30
Nm3/min4050

図-６ 定圧法による計算値と調査値の比較

ライザー管風量などを未知数、送風機風量、吐出圧を既知量として管網全体の「総管路損失動力最小化の原理」１）を使い、未知数を算出する方法を採用した。
元弁の形式は、バタフライ弁であり、その流量特性(バルブ容量係数Ｃv)は、文献２）p.17 の特性曲線を使用した。

4.2 数値計算モデル
反応槽１槽に対して各段硝化槽へ空気が均等分配されているか検討できるようにモデル化する。図-４に示したが硝化槽各段に送気するため、ヘッダー管があり、さらに各段硝化槽の２本のライザー管に送気分配するため各段用のヘッダー管がある。現地では、各段の風量分配調整はヘーダ管の元弁で調整せず、ライザー管についている元弁(６個)を操作していたが、数値計算では、ライザー管間での風量の差を見るためヘッダーの元弁で調整するモデルとした。
4.3 計算結果
吹込水深圧 0.051 MPa、送気風量 1.491 m3/sec(日最大程度)を送風機と連動させ可変とし、ヘッダー管の元弁全開時と開度調整した各硝化槽への吹込量を計算する。
(1）各段ヘッダー管元弁全開時の空気量

第１段硝化槽 0.37＞第２段硝化槽＞0.33 第３段硝化槽 0.30
この結果から、第１段の元弁を絞れば、均等化

m3/secなった。割合は下の通りであった。

ライザー管風量

元弁全開時の各段への吹込空気量は、図-７と0.3が図れるものと考えられた。

0.250.20.15

ヘッダー管元弁開度100 ％0.1

第１段硝化槽ヘッダー管元
弁開度100 ％第２段硝化槽

反応槽流れの方向

ヘッダー管元弁開度100 ％第３段硝化槽⇒0.05
0010203040
散気装置ライザ―管の反応槽上流端からの距離（2）各段ヘッダー管元弁開度による空気量の均等50m60

図-７ 各段硝化槽ライザー管の風量(弁全開時)

化
第３段硝化槽への吹込空気が大であるため、均0.3

果、第 1 段と２段目の元弁の開度を 12％と 17％と絞り込むことにより、均等な風量となった(図-８)。
均等化の調整には、第 1 段だけでなく２段目の開度も絞る必要あることが判り、実施設を再現できた。しかし、数値計算の元弁開度は非常に小さく、何度も計算を繰り返して求めざるを得なかった。

ライザー管風量調整する数値シミュレーションを行った。その結m3/sec

等化を図るため、各硝化槽のヘッダー管の元弁を

0.25
0.20.15

ヘッダー管元弁開度14 ％0.1

第１段硝化槽ヘッダー管元弁開度25 ％第２段硝化槽

反応槽流れの方向

ヘッダー管元弁開度100 ％第３段硝化槽⇒0.05
0010203040
散気装置ライザ―管の反応槽上流端からの距離50m60

図-８ 各段硝化槽ライザー管の風量(弁調整時)

バルブ開度が実施設 44％と大きく異なったのは、数値計算では送風機からライザー管までの管路に対して異形管の損失を省いてあるため、ヘッダー管における圧力が実施設より高いことが考えられる。
5 まとめ
実施設の２例に対して現地で風量調査を行い、各施設の数値計算(定圧法、管網計算)による風量の分配調整値を示し、バルブ開度による分配調整に対して、数値計算でもある程度再現できることが明らかになった。
今後、分配調整の適正化や効果を数値計算で事前に示すことにより、実施設のバルブ操作量などの管理や配管設計に反映させたいと考えている。
【参考文献】
１）坂東修

著：Excel で解く配管とポンプの流れ (株)工業調査会

２）北村裕一編著：CONTROL VALVE HANDBOOK JPP センター 昭和 51 年 11 月 1 日【問合わせ先】中日本建設コンサルタント(株)水工技術本部 中根s_nakane@nakanihon.co.jp

進TEL052-232-6055 E-mail