- 読み仮名
- りゅうりょういっていせいぎょ
- 英語表記
- Constant flow control
概要
流量一定制御とは、流量計で測定した流量を、あらかじめ設定した目標値に維持する制御方式である。水道施設では、取水、導水、送水などのポンプ設備に用いられ、運転条件が変化しても必要な水量を安定して供給するために利用される。
流量の調整には、ポンプの回転速度制御、台数制御、制御用弁の開度制御などが用いられる。一般に、連続的な流量調整にはインバータなどによる回転速度制御が適している。
流量一定制御では、送水先の水位や管路の圧力条件が変化しても、ポンプの運転状態を調整することで目標流量を維持する。ただし、ポンプの能力や運転可能範囲には限界があるため、必要な全揚程、流量計の測定精度、設備の保護条件などを考慮する必要がある。
1．流量一定制御の基本
1.1 制御の目的
取水ポンプや送水ポンプでは、一定時間内に必要な水量を安定して供給する運転が求められる場合がある。
例えば、浄水場へ原水を送る取水ポンプでは、浄水処理に必要な流量を確保するために、ポンプの吐出流量を目標値に維持することがある。また、配水池へ水を送る送水ポンプでも、運転計画に基づいて一定流量で送水する場合がある。
ポンプを一定回転速度で運転している場合、吸込水位や送水先の水位、管路の抵抗条件などが変化すると、運転点が移動して流量も変化する。
流量一定制御では、このような運転条件の変化に対してポンプの運転状態を調整し、目標流量を維持する。
1.2 流量一定制御と回転速度制御の違い
流量一定制御は、ポンプの吐出流量を目標値に維持する制御方式である。一方、回転速度制御は、ポンプの回転速度を変更して流量や全揚程を調整する操作方法である。
例えば、流量計で測定した流量が目標値を下回った場合には、インバータによってポンプの回転速度を上げ、流量を増加させる。反対に、測定流量が目標値を上回った場合には、回転速度を下げて流量を減少させる。
このように、回転速度制御を利用する流量一定制御では、流量が一定となるように回転速度を変化させる。
したがって、流量一定制御は、回転速度を一定に維持する制御ではない。
2．流量一定制御の仕組み
2.1 流量のフィードバック制御
流量一定制御では、流量計で測定した流量を制御装置へ入力し、設定された目標流量と比較する。
制御装置では、測定流量と目標流量の偏差を求め、その偏差を小さくするようにポンプの運転状態を調整する。
インバータによる回転速度制御を採用した設備では、計装盤の制御装置が流量制御の演算を行い、インバータ盤へ回転速度指令を送る構成が考えられる。
インバータ盤では、その指令に応じて電動機へ供給する交流電力の周波数などを調整し、ポンプの回転速度を変更する。
この結果、ポンプの運転点が変化し、流量が設定値に近づく。
ただし、流量制御の演算機能をインバータ盤に内蔵する構成もあり、計装盤とインバータ盤の機能分担は設備によって異なる。
2.2 流量計の測定位置と制御信号
流量一定制御では、実際に一定に維持したい流量を適切に測定する必要がある。
複数台のポンプを並列運転する設備で、送水系統全体の流量を制御する場合には、共通吐出管などに流量計を設置する構成が考えられる。
一方、分岐管や循環配管がある設備では、流量計の設置位置によって測定対象となる流量が異なる。ポンプの総吐出流量と送水先へ実際に供給する流量が一致しない場合には、制御目的に応じた測定位置を選定する必要がある。
また、流量計を設置する際には、必要な直管長や満管条件など、測定方式に応じた設置条件を満たす必要がある。
流量計の測定信号は制御装置へ入力する。一方、制御装置からインバータへ送る信号は回転速度指令であり、インバータから電動機へ供給する主回路の電力とは区別する。
なお、実回転速度の検出器を設ける場合には、その信号をインバータの速度制御や運転監視などに利用することがある。ただし、流量一定制御を行うために、すべての設備で実回転速度の検出器が必要となるわけではない。
3．流量一定制御と必要全揚程の関係
3.1 水位の変化と必要全揚程
ポンプで水を送るためには、送水先との水位差や管路の損失水頭などに相当する全揚程が必要となる。
例えば、吸込水槽と送水先水槽がともに大気開放され、送水先水槽への吐出口が水没している場合を考える。このとき、ポンプに必要な全揚程は、概ね次の関係で表される。
必要全揚程＝実揚程＋損失水頭
実揚程は、吸込水槽と送水先水槽の自由水面の標高差に相当する。
両水槽の水位をそれぞれz₁、z₂、管路の損失水頭をhLとすると、目標流量Q₀における必要全揚程は、次のように表せる。
H＝(z₂－z₁)＋hL(Q₀)
| 記号 | 内容 |
|---|---|
| H | 必要全揚程 |
| z₁ | 吸込水槽の水位標高 |
| z₂ | 送水先水槽の水位標高 |
| hL(Q₀) | 目標流量における管路の損失水頭 |
| Q₀ | 目標流量 |
ここで、hLは吸込管と吐出管の摩擦損失や局部損失などを含む、管路全体の損失水頭とする。
管路条件が変わらず、送水流量を一定に維持する場合には、管路の損失水頭も概ね一定となる。
一方、送水先水槽の水位が上昇すると実揚程が増加するため、ポンプに必要な全揚程も大きくなる。反対に、送水先水槽の水位が低下すると、必要な全揚程は小さくなる。
また、吸込水槽の水位が低下した場合にも、水位差が大きくなるため、必要全揚程が増加する。
ただし、送水管の吐出口が送水先水槽の水面より高い位置で大気開放されている場合など、水槽水位が吐出側の背圧に影響しない構成では、この関係をそのまま適用できない。
3.2 運転点と回転速度の変化
ポンプの運転点は、ポンプ性能曲線と管路抵抗曲線の交点によって決まる。
送水先水槽の水位が上昇して実揚程が増加すると、同じ流量を送るために必要な全揚程が大きくなる。このとき、一般的な遠心ポンプを一定回転速度で運転している場合には、運転点が流量の小さい方向へ移動する。
流量一定制御では、流量計がこの流量低下を検出し、制御装置が回転速度を上げる。
回転速度が上昇するとポンプ性能曲線が変化し、より大きな全揚程を発生できるようになる。その結果、新しい管路条件においても、運転点を目標流量付近に維持できる。
一方、送水先水槽の水位が低下した場合には、必要全揚程が小さくなるため、回転速度を下げても目標流量を維持できる場合がある。
ここで重要なのは、流量を一定に維持していても、ポンプの回転速度や全揚程、吐出圧力が一定になるわけではないことである。
ただし、ポンプの最高回転速度や能力の限界に達した場合には、目標流量を維持できなくなる。
4．流量一定制御の実現方法
4.1 回転速度制御
流量一定制御では、インバータなどによってポンプの回転速度を連続的に調整する方法が用いられる。
回転速度制御では、流量計の測定値に応じてポンプ性能曲線を変化させることができるため、目標流量に合わせた細かな調整が可能である。
また、制御用弁で流量を絞る方法に比べて、不要な損失を低減できる場合がある。
ただし、ポンプの運転可能範囲や実揚程などの条件によっては、回転速度を変更しても目標流量を維持できない場合がある。
4.2 台数制御との組み合わせ
複数台のポンプを設置している設備では、流量一定制御と台数制御を組み合わせる場合がある。
例えば、目標流量が大きく、1台では必要な水量を確保できない場合には、2台以上を並列運転する。
ただし、運転台数の変更だけでは流量の調整が段階的となるため、目標流量に正確に一致させることが難しい場合がある。
このため、台数制御によって必要な運転能力を確保し、回転速度制御によって流量を調整する構成が考えられる。
増台や減台の際には、設備全体の合成ポンプ性能曲線が変化するため、切替時の流量変動や各ポンプの運転可能範囲に注意する必要がある。
4.3 制御用弁による流量調整
流量一定制御には、制御用弁の開度を変更する方法もある。
この方式では、一般にポンプの吐出側に設けた制御用弁の開度を変更し、管路の損失水頭を変化させることで流量を制御する。
例えば、流量が目標値を上回った場合には弁を絞り、流量を減少させる。反対に、流量が目標値を下回った場合には弁を開いて損失水頭を小さくする。
ただし、弁を全開にしてもポンプの能力が不足する場合には、目標流量を維持できない。また、弁の絞りによってエネルギー損失が発生するため、運転効率にも注意が必要である。
制御用弁の選定では、必要な制御範囲に加え、差圧やキャビテーションの発生条件などを確認する必要がある。
5．適用条件と他の制御方式との違い
5.1 流量一定制御が適する設備
流量一定制御は、一定の水量を継続的に送る必要がある設備に適している。
例えば、浄水処理に必要な原水量を確保する取水設備や、運転計画に基づいて配水池へ送水する設備などで利用される。
また、工業用水道でも、送水量を一定に維持する必要がある設備では適用を検討できる。
一方、水道利用者の需要量が時間帯によって大きく変動する配水設備では、流量だけを一定に維持すると、需要量との不均衡によって管路圧力などが変動する場合がある。
このため、配水設備では、必要に応じて吐出圧一定制御や推定末端圧一定制御など、圧力を管理する方式が用いられる。
5.2 圧力制御との違い
流量一定制御では流量を目標値に維持するのに対し、吐出圧一定制御ではポンプの吐出圧力を目標値に維持する。
両方式では、運転条件が変化したときに一定に保とうとする値が異なる。
| 制御方式 | 主な制御目標 |
|---|---|
| 流量一定制御 | 流量を一定に維持する |
| 吐出圧一定制御 | ポンプ吐出側の圧力を一定に維持する |
| 推定末端圧一定制御 | 代表末端地点の推定圧力を目標値に維持する |
例えば、送水先水槽の水位が上昇した場合、流量一定制御では必要に応じてポンプの回転速度を上げ、目標流量を維持する。
一方、吐出圧一定制御では、ポンプ吐出側の圧力を一定に維持する。吸込側の水位や管路条件が変わらない場合、送水先水槽の水位上昇によって送水流量が減少することがある。
また、推定末端圧一定制御では、流量などから管路損失を推定し、代表末端地点で必要な圧力を確保できるように吐出圧力の設定値を変更する。
このように、制御方式の選定では、必要な流量を維持することと、必要な圧力を維持することのどちらを主な目的とするかを明確にする必要がある。
5.3 流量制御と水位管理の関係
流量一定制御によって、送水先水槽へ流入する流量を一定に維持しても、水槽の水位が一定になるわけではない。
水槽の水位は、流入量と流出量の差によって変化する。流入量が流出量を上回れば水位は上昇し、流出量が流入量を上回れば水位は低下する。
したがって、送水先水槽の水位を管理する設備では、流量一定制御と水位による運転制御を組み合わせる場合がある。
例えば、通常は目標流量で送水し、送水先水槽が満水に近づいた場合には、流量を減らすか、ポンプを停止する構成が考えられる。
この場合、水位による運転条件が優先されるため、常に同じ目標流量で送水するわけではない。
また、瞬時の流量を一定に維持することと、一定時間内の総送水量を管理することは異なる。総送水量の管理には、積算流量や運転時間などを用いる必要がある。
6．運転管理上の注意点
6.1 目標流量と運転可能範囲
流量一定制御では、設備の目的に応じて目標流量を設定する。
設定値が大きすぎると、ポンプの能力不足や過負荷が発生する場合がある。一方、設定値が小さすぎると、ポンプが過小流量域となり、内部循環や水温上昇などの問題が生じる場合がある。
このため、目標流量はポンプの運転可能範囲や管路条件を考慮して決定する必要がある。
また、取水設備では、必要に応じて取水可能量や水利権などの条件も考慮する。
6.2 流量計の精度と信号異常
流量一定制御では、流量計の測定値を基にポンプの運転状態を調整するため、流量計の精度や信頼性が重要となる。
測定値に誤差が生じると、実際の流量と制御装置が認識する流量に差が生じる。また、流量信号の断線や異常値によって、誤った回転速度指令などが出力されるおそれがある。
例えば、実際には水が流れているのに測定値が小さく表示された場合には、制御装置が流量不足と判断して回転速度を上げる可能性がある。
このため、流量計の点検・校正に加え、必要に応じて信号異常の検出、警報、制御出力の制限、制御方式の切替などを設ける必要がある。
また、流量計の応答特性や測定信号の変動が制御に影響するため、計測信号の処理方法にも注意する。
6.3 水位・圧力による保護
流量一定制御では、流量の維持を優先することで、設備の運転条件が許容範囲を超える場合がある。
例えば、送水先水槽の水位が上昇して必要全揚程が大きくなると、流量を維持するためにポンプの回転速度が上昇する。このとき、吐出圧力や電動機負荷が増加する場合がある。
したがって、吐出圧力の上限、電動機の過負荷、ポンプの最高回転速度などに対する保護を設ける必要がある。
また、吸込水槽の水位低下によって有効吸込ヘッド（NPSHₐ）が不足すると、キャビテーションが発生するおそれがある。このため、必要に応じて流量制御よりも優先する減速・停止条件などを設ける。
送水先水槽が満水に近づいた場合にも、目標流量を維持し続けるのではなく、水位に応じて送水量を変更するか、ポンプを停止するなどの制御が必要となる。
流量一定制御は、設備の保護条件を超えてまで流量を維持するものではない。
6.4 制御応答と流量変動
流量一定制御では、測定流量の変化に応じて回転速度などを調整するため、制御の応答速度が重要となる。
制御応答を速くしすぎると、測定値の小さな変動に対して回転速度が頻繁に変化し、流量が振動する場合がある。一方、応答が遅すぎると、運転条件の変化に十分対応できない場合がある。
このため、流量計の応答特性、制御パラメータ、回転速度の変更速度などを適切に設定する必要がある。
また、複数台のポンプを運転する設備では、増台・減台時に流量が一時的に変動するため、台数切替条件や切替時の制御方法にも注意する。
6.5 水撃作用と異常時の対応
流量一定制御であっても、ポンプの急停止や停電などが発生した場合には、流量を一定に維持することはできない。
特に長距離の送水管路では、急激な流量変化によって水撃作用が発生し、異常な圧力上昇や圧力低下を引き起こすおそれがある。
このため、ポンプの始動・停止方法、回転速度の変更速度、逆止弁の閉鎖特性などを考慮し、必要に応じて水撃対策を検討する。
また、流量計や制御装置の故障時に、現在の運転状態を維持するのか、制御方式を切り替えるのか、停止するのかについては、設備の重要度と安全性を考慮して決定する必要がある。
関連用語
参考資料
- 公益社団法人 日本水道協会『水道施設設計指針2024』
- 第8編 8.2.3「ポンプの容量と台数」
- 第8編 8.2.6「ポンプ形式と運転点」
- 第8編 8.2.7「ポンプの制御」
- 第8編 8.2.8「ポンプ運転監視制御設備」
- 第8編 8.15.20「ポンプ設備」
- 東芝『水道用電気設備ハンドブック 第8編 電動力応用システム』
