JP4514558B2

JP4514558B2 - ポンプシステム

Info

Publication number: JP4514558B2
Application number: JP2004241819A
Authority: JP
Inventors: 裕紀原; 靖志橋本
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2004-08-23
Filing date: 2004-08-23
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-08-23
Also published as: JP2006057567A

Description

本発明は、液体を移送する電動式のポンプと、前記ポンプの起動または停止制御を行なうポンプ制御装置とを備えてなるポンプシステムに関する。

このようなポンプシステムは、例えばマンホールに流入する貯留汚水を下流側汚水路に移送させる電動式のポンプを備えたマンホールポンプ機場などに適用されるもので、貯留槽の液位を検出する液位検出センサを備え、前記液位検出センサにより所定の液位まで液体が貯留されたことが検出されると、前記ポンプ制御装置がポンプ駆動用のモータに通電してポンプを起動して貯留液を下流側に移送させ、所定の液位まで低下したことが検出されると、前記モータへの通電を切り前記ポンプを停止するように構成されていた。
特開平０７−０１８７２８号公報「下水道マンホールポンプ施設技術マニュアル１９９７年６月」、財団法人下水道新技術推進機構発行（２４頁から２９頁）

しかし、上述した従来のポンプシステムによれば、ポンプを起動するときにポンプ制御装置により電圧を直入れしていために、起動時の高い突入電流によりモータが加熱される。このため単位時間当たりの起動頻度を多くするとモータが焼損する虞があるため、起動頻度を制限する必要があった。また、起動時の突入電流によってモータのコイルが熱によって伸縮し熱疲労を起こすため、総起動回数を固有の回数（寿命）以下に制限する必要があった。また一方、設置条件によっては、ポンプを急激に停止させるとポンプに接続された送水管にウォーターハンマ現象が発生する虞があった。

そのため、ポンプの頻繁な起動や停止を回避するべく液体を貯留する貯留槽の液位に応じてポンプを起動停止する場合は、貯留槽の容量を十分に確保するために土木工事費が嵩むという問題があった。また、設置条件によっては、ポンプの回転軸にフライホイールを装着して急激な停止を回避することによりウォーターハンマ現象の発生を防止していたために、フライホイールなどの部品コストが嵩むという問題があった。

ポンプの起動時の突入電流を制限するためにインバータ方式の駆動回路を備えることも考えられるが、当該駆動回路は一般に高価で、また高周波を利用するために電磁障害対策も必要となり、その採用は困難であった。また、急激な停止を防止するためにインバータ方式の駆動回路により、徐々に回転数を低下させることも考えられるが、前述したように駆動回路は一般に高価であり、且つ電磁障害対策も必要となるため、その採用は困難であった。

従来、ポンプの起動時の突入電流を制限する他の方法として、スターデルタ方式、コンドルファ方式、リアクトル方式、抵抗方式などがある。コンドルファ方式、抵抗方式は非常に高価である割に、突入電流は定格電流の２００％〜５００％と高いという問題がある。また、スターデルタ方式、リアクトル方式は共に比較的安価であるが、スターデルタ方式の突入電流は２００％、リアクトル方式では３００％〜５００％で何れも不十分であった。

本発明は、上述の従来欠点に鑑み、貯留槽を有するポンプシステムの場合は貯留槽の容量が小さくても十分にモータの寿命確保でき、且つ、安価なポンプシステムを提供する点にある。また、本発明は、ウォーターハンマ現象の発生が危惧される場合でも、モータの回転軸にフライホイールを装着しなくとも、ウォーターハンマ現象が発生することのない安価なポンプシステムを提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるポンプシステムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、液体を貯留する貯留槽となるマンホールと、前記貯留槽内に設置され、前記貯留槽に貯留された液体を移送する電動モータを駆動源とするポンプと、前記貯留槽の液位に応じて前記ポンプの起動または停止制御を行うポンプ制御装置とを備えてなるポンプシステムであって、前記貯留槽の有効貯留容量Ｖｏ（ｍ ^３）を、前記ポンプの定格吐出量をＱｐ（ｍ ^３／ｍｉｎ）とした場合に、Ｑｐ／４８（ｍ ^３）から５Ｑｐ／４（ｍ ^３）の範囲とし、前記ポンプの起動時に前記電動モータの始動電流を、位相制御により定格運転時の電流値の１５０％以下に制限してソフトスタートさせる始動制御手段を備えた点にある。

上述の構成によれば、位相制御によってポンプ起動時の始動電流が定格運転時の電流値の１５０％以下に制限してソフトスタートされるので、頻繁に起動してもポンプ寿命が短縮するような虞がなく、そのため、貯留槽の容量をより少なく設計することができるようになる。さらに、貯留槽の有効貯留容量を上述の範囲に設定することにより貯留槽となるマンホールを一層に小型化でき、マンホールを設置するための土木工事を削減することができるようになる。しかも、始動時の熱衝撃によるコイルの疲労が軽減されてポンプの寿命を延ばすことも可能になり、長期にわたりメンテナンスを行なわなくても安定して稼動できるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記ポンプの停止時に前記ポンプを位相制御してソフトストップさせる停止制御手段を備えたことを特徴とする点にある。

上述の構成によれば、ポンプの停止時に位相制御する停止制御手段が設けられているので、フライホイールなどを設けなくともポンプをフル回転から徐々に回転数を落として停止させることができるので、ウォーターハンマ現象の発生を抑えることができるのである。

以上説明した通り、本発明によれば、貯留槽の容量が小さくても、十分なモータの寿命を確保でき、且つ、安価なポンプシステムを提供することができるようになった。また、本発明によれば、ウォーターハンマ現象の発生が危惧される場合であっても、モータの回転軸にフライホイールを装着しなくともウォーターハンマ現象が発生することのない安価なポンプシステムを提供することができるようになった。

以下に本発明によるポンプシステムの実施の形態をマンホールポンプ機場に適用した場合について説明する。図１に示すように、ポンプシステムは、内部が貯留槽２として形成されたマンホール１の底部に予旋回槽３を設け、マンホール１の側壁上部に連通形成された汚水流入管５から流入した汚水を、吊下げ支持された一対のポンプ４により夫々の吐出管６を介して流出管７に移送するように構成されている。

各ポンプ４の吸込管４Ａは、前記予旋回槽３の予旋回部３Ａに臨むように取り付けられ、予旋回部３Ａに旋回流入する汚水がスカムなどの固形異物とともに吐出管６に吐き出される。

前記マンホール１には貯留汚水量を検出する水位センサ８が設けられ、水位センサ８による検出水位に基づいてポンプ４の起動、停止を制御するポンプ制御装置９が設けられている。ポンプ４は、ポンプケーシングに収容された水冷式のかご型インダクションモータとその出力軸に連動連結された回転羽根で構成され、当該インダクションモータがポンプ制御装置９により制御される。

前記ポンプ制御装置９には、ポンプの起動時にポンプを位相制御によりソフトスタートさせる始動制御手段９Ａ及びポンプの停止時に前記ポンプを位相制御してソフトストップさせる停止制御手段９Ｂを備えてあり、始動制御手段９Ａはポンプの始動時の電流値を抑制しながら滑らかに起動させ、停止制御手段９Ｂはポンプの停止時に次第に回転数を低下させることによりウォーターハンマ現象の発生を抑制する。

図２に示すように、商用の三相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）交流電源がサイリスタ回路１０を介してかご型インダクションモータ４ＢのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続されるとともに、電磁リレー回路１１を介したバイパス回路が接続されている。サイリスタ回路１０を構成する各サイリスタＳＣＲには、始動制御手段９Ａまたは停止制御手段９Ｂからのトリガー信号が入力されるように構成され、所定のタイミングで入力されたトリガー信号に同期した点弧角で電圧が印加されるように構成されている。

前記始動制御手段９Ａ及び停止制御手段９Ｂは、図３（ａ），（ｂ）に示すように、交流電圧半波の中間の所望位相でサイリスタをターンオンさせ、当該半波の終期位相までオン動作が継続して、交流電圧半波の終期位相から初期位相に向けて導通位相角が形成される順位相制御方式が採用され、各相（Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相）の各電圧位相に同期した矩形波パルスを出力する同期回路と、前記同期回路に同期して所定のタイミングでトリガー信号を発生するトリガー回路と、前記トリガー回路によるトリガー信号の発生タイミングを制御するタイミング制御回路を備え、前記トリガー信号により前記サイリスタがターンオンされるように構成されている。

前記タイミング制御回路によりタイミング制御されたトリガー信号により、前記サイリスタのターンオン時間を次第に早め、または所定の点弧角で一定に維持することにより始動時の印加電流が抑制される。また、前記サイリスタのターンオン時間を次第に遅らせ、または所定の点弧角で一定に維持することにより定格駆動状態から回転数を低下させながら停止させることができる。

上述のポンプ制御装置９によるポンプ４の起動及び停止制御について説明する。図４に示すように、貯留槽２に貯留された汚水の水位が水位センサ８により検出されてポンプ制御装置９に入力されると、検出水位がポンプ始動水位ＨＷＬよりも上であるか否かが判断され（Ｓ１）、上である場合には始動制御手段９Ａにより所定時間だけ位相制御によるソフトスタート制御が行なわれ（Ｓ２）、ポンプ４が所定の回転数に立ち上がると電磁リレー回路１１を閉塞してバイパスし、定格回転数で稼動させる（Ｓ３）。

吐出管６を介して貯留水の移送が進み、貯留槽のポンプ水位が有効貯留水深下端水位Ｍ２ＷＬよりも低下すると（Ｓ４）、バイパス回路を遮断するとともに停止制御手段９Ｂにより所定時間だけ位相制御によるソフトストップ制御が行なわれた後に停止させる（Ｓ５，Ｓ６）。

以下に、本発明によるポンプシステムが採用された場合に必要とされるマンホール深さと、従来のポンプシステムが採用された場合に必要とされるマンホール深さの違いについて詳述する。一般に、通常マンホールの深さは、予旋回槽３などが設置可能で、ポンプ４の始動時に連続運転水位Ｍ１ＷＬが確保でき、ポンプ計画吐出水量とマンホール１内への最大流量汚水量及びポンプ４の始動頻度で決定される必要有効貯留容量Ｖｏが確保できる深さに設計される（「下水道マンホールポンプ施設技術マニュアル１９９７年６月」、財団法人下水道新技術推進機構発行（２４頁から２９頁）。

有効貯留容量Ｖｏとはポンプが停止してから次に始動するまでの間、マンホール内に貯留できる汚水容積をいい、この容量を大きくすることによりポンプの始動頻度を少なくすることができるものである。また、有効貯留容量Ｖｏを満たす水深を有効貯留水深ｈ_３といい、ｈ_３＝Ｖｏ／Ａ（ここに、Ａはマンホール水表面積である）で表され、ポンプケーシング頂部付近を下端とするように設定される。ポンプ始動水位は流入管の管底以下に設定され、２台のポンプで並列運転する場合には２台目始動水位が流入管の管底以下になるように設定される。

ポンプケーシング頂部以下には有効貯留容量内のポンプ本体及び配管などの体積を補足する分と予旋回槽を据付けるために必要な寸法ｈ_１を要し、この値は使用される予旋回槽やポンプなどにより決定され、一般的には、３号マンホールで９００ｍｍが目安とされている。

水冷式ポンプの場合、モータの発熱を冷却しポンプ寿命を確保するために、ポンプ始動時に連続運転可能水位が確保される必要があり、上式で求まる有効貯留水深ｈ_３と有効貯留水深下端水位Ｍ２ＷＬとモータ上端位置に相当する連続運転可能水位Ｍ１ＷＬの差をｈ_２とすると、ｈ_３＜ｈ_２の場合、ポンプ起動時に連続運転可能水位が確保できないため、ｈ_３≧ｈ_２となるようにマンホールの深さを設定する必要がある。

上述のマンホールポンプ機場によれば、設計条件として、計画流入汚水量Ｑｉｎを０．５ｍ^３／ｍｉｎ、マンホールを３号組立マンホール、マンホール内径Ｄｍ＝１．５ｍ、ポンプ口径を８０ｍｍ、ポンプのモータ出力を１１ｋＷ、送水管径Ｄを１５０ｍｍとしたときに、ポンプ計画吐出量Ｑｐが（数１）で求まり、有効貯留容量Ｖｏがポンプの最小始動間隔Ｔｍｉｎ（モータ１１ｋＷの場合１０分）をもとに（数２）で求まり、必要な有効貯留水深ｈ_３が（数３）で求まる。

従来の起動方法によると、ｈ_３＞ｈ_２＝０．７５（指針の値）、ｈ_３−ｈ_２＝０．１５ｍという設計になる、一方、本発明による始動制御手段を用いたソフトスタートを用いると突入電流による寿命すなわち最小始動間隔Ｔｍｉｎから求まる有効貯留容量Ｖ_０を考慮する必要がないので、マンホールの深さを従来より浅くできることになるのである。

つまり、従来では３号マンホールでｈ_３＝０．９ｍ必要とされたのをｈ_３＝０．７５ｍで設計できる。さらに、上記設計条件を２号マンホールに適用すれば従来の起動手段であれば２号マンホールの内径Ｄｍ＝１．２ｍなのでｈ_３＝１．４ｍ必要とされたのをｈ_３＝０．７５ｍで設計できることになり、土木工事費も大きく低減できるようになるのである。

上述の実施形態で説明した位相制御回路については、公知の位相制御回路を適宜採用して構成することができる。また、バイパス回路は必ずしも必要ではなく、その場合には、位相制御回路による点弧角を０度に調整することにより定格運転することが可能である。

上述した実施形態では、ポンプとして連続運転可能水位がポンプケーシング頂部に設定される水中ポンプを使用した場合を説明したが、気中連続運転可能なポンプを採用すれば、連続運転可能水位を確保する必要が無くなるので、さらにマンホールの深さを浅くすることができる。

上述した実施形態では、前記電動モータの最大始動電流値を位相制御により、制御するものであったが、さらに、位相制御により最大始動電流値を定格運転時の電流値の１５０％以下に制限することが好ましい。

詳述すると、図５に示すように、最大始動電流を定格電流の１５０％以下に制限した場合には最小始動間隔が５分以上となり、最大始動電流を制限しない場合に比べ、始動間隔を２倍以上短くすることができる。さらに、図５及び図６に示すように、最大始動電流を定格電流の１５０％以下に制限した場合、モータのメンテナンスが必要となる累計始動回数が２０万回以上となり、最大始動電流を制限しない場合に比べ、１０〜２０倍にモータの寿命を延ばすことができるのである。

以下に最大始動電流を１５０％に制限した場合と、１３０％に制限した場合での有効貯留容量Ｖｏについて詳述する。ポンプの始動間隔Ｔと有効貯留容量Ｖｏの関係は（数４）から（数９）で表すことができる。ここで、Ｔ_１はポンプ運転時間、Ｔ_２はポンプ停止時間、Ｑｉｎは流入汚水量である。

（数４）より、

となり、（数５）より、

となる。（数６）、（数７）、（数８）より、

が導かれる。さらに、（数９）から、始動間隔Ｔは、Ｑｉｎ＝１／２Ｑｐのとき最小（最大始動頻度）となるのでＴｍｉｎ（数１０）が得られる。

図５に示すように、始動電流を１５０％とした場合、最小始動間隔Ｔｍｉｎ＝５（ｍｉｎ）であり、この値を（数１０）に代入して、Ｖｏ＝５Ｑｐ／４が得られる。

始動電流を１３０％とした場合、モータコイルの温度上昇防止のための始動間隔の制限は無いが、ポンプの起動と停止に数秒ずつの時間が必要なため、実用上始動間隔は７〜１０秒以上必要となる。このとき、定格電流量での運転に相当するポンプの運転時間は５秒程度と考えられるので、最小始動間隔Ｔｍｉｎ＝５（ｓｅｃ）＝１／１２（ｍｉｎ）となり、この値を（数１０）に代入して、Ｖｏ＝Ｑｐ／４８が得られる。

従って、始動電流を定格電流の１５０％〜１３０％に制御した場合、有効貯留容量Ｖｏ（ｍ^３）は、Ｑｐ／４８から５Ｑｐ／４（ｍ^３／ｍｉｎ）の範囲となる。

すなわち、有効貯留容量ＶｏをＱｐ／４８から５Ｑｐ／４（ｍ^３／ｍｉｎ）の範囲で設計し、始動電流を定格電流の１５０％以下、好ましくは１３０％以下に制御することで、モータの寿命を延ばすと同時に貯留槽の容量を小さくすることができるのである。

以下に別実施形態を説明する。上述した実施形態では、ポンプシステムをマンホールポンプ機場に適用したものを説明したが、本発明によるポンプシステムは、液体を貯留する貯留槽を必要とする汚水中継ポンプ機場や道路排水ポンプ機場などにも適用することができる。また、移送される液体は水に限るものではなく、ポンプ移送可能な液体であれば特に制限されるものではない。

上述した実施形態では、前記ポンプシステムは、液体を貯留する貯留槽と、前記貯留槽に貯留された液体を移送する電動モータを駆動源とするポンプと、前記貯留槽の液位に応じて前記ポンプの起動または停止制御を行うポンプ制御装置を備えて構成されたものを説明したが、貯留槽を持たず、液体を移送する配管に直接設置された電動モータを駆動源とするポンプと、その配管内の圧力に応じて前記ポンプの起動を行うポンプ制御装置を備えた前記ポンプシステムに対して、前記ポンプの起動時に前記電動モータの最大始動電流を位相制御により、定格運転時の電流値の１５０％以下に制限するように始動するものであってもよい。

つまり、汚水流入管から流入した汚水を貯留槽に貯留すること無く、ポンプを介して流出管に直接移送するようにシステムを構成し、ポンプ上流側の汚水流入管に設けた圧力センサによって所定の起動圧力より上昇したことが検出されたときに、始動制御手段によりポンプを起動するのである。この場合、ポンプの始動後に所定の停止圧力より下降したことが検出されたときには停止制御手段による位相制御によってポンプをソフトストップすることが好ましい。

この場合には、ポンプが設置された配管内の圧力がポンプの始動により急激に変化して配管内の流れが変動するなどの弊害を抑制しながら安定的に稼動することができるようになり、また始動時の熱衝撃によるコイルの疲労が軽減されてポンプの寿命を延ばすことも可能になり、長期にわたりメンテナンスを行なわなくても安定して稼動できるようになる。

マンホールポンプ機場の説明図ポンプ制御装置の回路図位相制御の説明図フローチャート定格電流値に対する最大始動電流値と始動間隔との関係図定格電流値に対する最大始動電流値とメンテナンスが必要となる累計始動回数との関係図

１：マンホール
２：貯留槽
３：予旋回槽
４：ポンプ
５：汚水流入管
６：吐出管
７：流出管
８：水位センサ
９：ポンプ制御装置
９Ａ：始動制御手段
９Ｂ：停止制御手段

Claims

液体を貯留する貯留槽となるマンホールと、前記貯留槽内に設置され、前記貯留槽に貯留された液体を移送する電動モータを駆動源とするポンプと、前記貯留槽の液位に応じて前記ポンプの起動または停止制御を行うポンプ制御装置とを備えてなるポンプシステムであって、
前記貯留槽の有効貯留容量Ｖｏ（ｍ ^３）を、前記ポンプの定格吐出量をＱｐ（ｍ ^３／ｍｉｎ）とした場合に、Ｑｐ／４８（ｍ ^３）から５Ｑｐ／４（ｍ ^３）の範囲とし、
前記ポンプの起動時に前記電動モータの始動電流を、位相制御により定格運転時の電流値の１５０％以下に制限してソフトスタートさせる始動制御手段を備えたポンプシステム。
前記ポンプの停止時に前記ポンプを位相制御によりソフトストップさせる停止制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のポンプシステム。