- 読み仮名
- すいていまったんあついっていせいぎょ
- 英語表記
- Estimated Terminal Pressure Control
概要
推定末端圧一定制御とは、配水流量などから管路の損失水頭を推定し、代表末端地点で必要な圧力を確保できるように、ポンプ吐出圧力の設定値を調整する制御方式である。主にポンプ加圧方式の配水施設で使用され、需要量の変化に応じた圧力管理に用いられる。
吐出圧一定制御では、需要量が減少して管路損失が小さくなっても、ポンプの吐出圧力を一定に維持する。このため、末端側の圧力が必要以上に高くなる場合があるが、推定末端圧一定制御では、流量に応じて吐出圧力の設定値を変更することで、必要な水圧の確保と過大圧力の抑制を図る。
ただし、末端圧力は計算による推定値であり、実際の圧力と必ずしも一致するわけではない。適切な制御を行うためには、管網の構成や需要分布を踏まえた推定条件の設定と、運転状況に応じた検証が重要である。
1．推定末端圧一定制御の基本
1.1 制御の目的
配水管路では、水が流れる際に管壁との摩擦や弁類などによってエネルギーが失われる。一般に、流量が増加するほど損失水頭は大きくなるため、ポンプの吐出圧力を一定にしていても、需要量の増加に伴って末端側の圧力は低下しやすい。
推定末端圧一定制御は、この流量による損失水頭の変化を推定し、必要な吐出圧力を調整する方式である。需要量が少ないときには吐出圧力の設定値を下げ、需要量が増えると設定値を高くすることで、代表末端地点の圧力を目標値に近づける。
この制御では、末端側の必要水圧を確保するだけでなく、低需要時に必要以上の圧力を発生させないことも重要である。ポンプの回転速度制御と組み合わせることで、運転効率の改善や消費電力の削減につながる場合がある。
1.2 末端圧力の実測方式と推定方式
末端圧力を一定に保つ制御には、代表末端地点で測定した圧力を直接フィードバックする実測方式と、配水流量などから末端圧力を推定する演算方式がある。
実測方式では、末端地点の圧力測定値をポンプ場へ伝送し、目標圧力との差に応じてポンプを制御する。これに対し、推定末端圧一定制御は、管路の損失水頭を演算し、末端で必要な圧力を確保できるように吐出圧力を設定する方式である。
推定方式では、末端地点に圧力計を設置しなくても制御できるが、ポンプ吐出側の圧力などは実測して制御に利用する構成が一般的である。したがって、末端圧力を推定することと、圧力計を使用しないことは異なる。
2．制御の仕組みと損失水頭の推定
2.1 配水流量と損失水頭の関係
管路の損失水頭は、管径、延長、管内面の状態、流量などによって変化する。特に流量の影響が大きく、同じ管路条件であれば、一般に流量が増加するほど損失水頭も増加する。
管路条件が一定である場合、損失水頭と流量の関係は、次のような式で近似できる。
h_L ＝ KQⁿ
- h_L：管路の損失水頭（m）
- K：管路の条件によって定まる係数
- Q：流量
- n：流量の指数
流量の二乗に比例すると近似する場合は、n＝2となる。ただし、実際の損失水頭は管路の摩擦特性や流れの状態によって変化するため、常に流量の二乗に厳密に比例するわけではない。
また、分岐や合流を含む配水管網では、ポンプ場からの総配水流量が同じでも、各管路の流量分布が異なる場合がある。そのため、推定式の設定には、対象とする管網の構成や需要分布を考慮する必要がある。
2.2 必要な吐出圧力の設定
推定末端圧一定制御では、代表末端地点で確保したい圧力と、そこに至るまでの損失水頭を基に、ポンプ吐出側の圧力設定値を求める。
単純な管路では、吐出側と末端側の水理水頭の関係を、次のように表すことができる。
吐出側の必要水理水頭 ＝ 末端側の目標水理水頭 ＋ 管路の損失水頭
ここでいう水理水頭は、標高と圧力水頭を合わせたものである。この関係は、吐出側と末端側の流速水頭が等しく、途中にポンプなどのエネルギーを加える設備がない定常状態を前提としている。
例えば、吐出側と代表末端地点が同じ標高にあり、管径が一定で、損失水頭を流量の二乗に比例すると近似できる場合には、吐出圧力の設定値を次のように表せる。
p_d,set ＝ p_e,target ＋ ρgKQ²
- p_d,set：吐出側圧力の設定値（Pa）
- p_e,target：代表末端地点の目標圧力（Pa）
- ρ：水の密度（kg/m³）
- g：重力加速度（m/s²）
- KQ²：管路の損失水頭（m）
実際の設備では、吐出側と末端側の標高差や流速水頭の違いも考慮する必要がある。また、ポンプの全揚程は吸込側と吐出側の全水頭の差であり、吐出側の圧力水頭と同じものではない。
2.3 計測信号と圧力制御の流れ
推定末端圧一定制御では、一般に配水流量とポンプ吐出圧力を測定し、その情報を計装設備で演算・処理する。
流量計で測定した流量信号Qは、損失水頭の推定に使用される。制御装置では、推定した損失水頭に基づいて吐出圧力の目標値を設定し、圧力伝送器で測定した実測吐出圧力との差を求める。
インバータによる回転速度制御を採用する場合には、この偏差に応じて計装盤からインバータ盤へ回転速度指令を送る。インバータ盤では、出力周波数や電圧を調整して電動機を駆動し、ポンプの回転速度を変化させる。
また、インバータ盤の運転周波数や運転状態などを計装盤へ伝送し、監視に利用することもできる。なお、制御演算機能とインバータの構成は設備によって異なり、必ずしも別々の盤で構成されるとは限らない。
3．吐出圧一定制御との比較
3.1 吐出圧一定制御の特徴
吐出圧一定制御は、ポンプの吐出圧力をあらかじめ設定した値に維持する方式である。需要量が変化しても吐出圧力の目標値は変わらず、実測圧力と設定値との差に応じてポンプの運転状態を調整する。
管路が比較的短く、流量の変化に対する損失水頭の変動が小さい場合には、吐出圧力を一定に保つことで末端側の圧力も比較的安定する。制御構成が比較的単純で、末端圧力の推定に必要な演算条件を設定する必要がない点が特徴である。
一方、管路損失が大きい系統では、需要量の変化によって末端圧力が大きく変動する場合がある。最大需要時に必要な末端圧力を確保できるように吐出圧力を設定すると、低需要時には末端側で必要以上の圧力が発生することがある。
3.2 推定末端圧一定制御の特徴
推定末端圧一定制御では、配水流量に応じて吐出圧力の目標値を変更する。需要量が減少して管路損失が小さくなれば設定値を下げ、需要量が増えて損失が大きくなれば設定値を高くする。
例えば、比較基準となる流量で両方式の吐出圧力設定値を等しくした場合、推定末端圧一定制御では、低流量時の設定値を吐出圧一定制御より低くできる。これにより、末端側の必要圧力を確保しながら、低需要時の過大圧力を抑制することができる。
ただし、この関係は、管路条件や末端目標圧力が一定である場合の比較である。実際の配水管網では、需要分布や配水系統の変化によって必要な吐出圧力が変わるため、すべての設備で同じ設定曲線になるわけではない。
3.3 需要量の変化と動水勾配線
配水管路を流れる水は、管路の摩擦などによってエネルギーを失うため、動水勾配線は流下方向に低下する。管路条件が同じであれば、流量が少ないときは損失水頭が小さく、流量が多いときは損失水頭が大きくなる。
推定末端圧一定制御では、この損失水頭の変化に応じて吐出圧力の設定値を調整する。低流量時には低い吐出圧力でも末端の目標圧力を確保できる一方、高流量時には損失水頭が大きくなるため、必要な吐出圧力を高くする必要がある。
同径・同一標高の単純な管路で、流量以外の条件が変わらないと仮定すれば、低流量時と高流量時の動水勾配線は、吐出側で異なる高さから始まり、代表末端地点で同じ目標水頭に達する関係となる。
ただし、これは管路損失を適切に推定できる場合の水理的な関係を示したものであり、実際の末端圧力が常に一定になることを保証するものではない。
3.4 両方式の比較と省エネルギー効果
両方式の主な違いを次に示す。
| 比較項目 | 吐出圧一定制御／推定末端圧一定制御 |
|---|---|
| 圧力設定値 | 原則一定／配水流量などに応じて変更 |
| 末端圧力 | 管路損失の変化に応じて変動／推定した損失水頭に基づいて変動の抑制を図る |
| 適用条件 | 管路損失の変動が小さい系統／管路損失や需要量の変動が大きい系統 |
| 制御構成 | 比較的単純／損失水頭を推定する演算機能が必要 |
| 省エネルギー | 吐出圧力を一定に維持／条件によって不要な吐出圧力を低減可能 |
| 運転管理 | 吐出圧力の設定・監視が中心／推定条件の検証や見直しも必要 |
推定末端圧一定制御では、低需要時に必要以上の吐出圧力を発生させないことで、ポンプの消費電力を削減できる可能性がある。特に、管路損失が大きく、需要量の変動が大きい系統では、その効果が期待できる。
ただし、ポンプの消費電力は流量、全揚程、ポンプ効率、運転台数などによって変化する。圧力設定値を下げれば必ず同じ割合で消費電力が減るわけではなく、実際の省エネルギー効果は設備条件や運転状況によって異なる。
また、推定条件が実際の管網の状態と一致しない場合には、必要な末端圧力を確保できないおそれがある。両方式の選定では、制御の複雑さ、運転管理の負担、圧力管理上の効果を総合的に評価することが重要である。
4．設備構成と運転方法
4.1 計装盤とインバータ盤の役割
推定末端圧一定制御を行う設備は、一般に流量計、圧力伝送器、制御装置、ポンプおよびその駆動装置などによって構成される。具体的な機器の組み合わせは、設備規模や制御方式によって異なる。
計装盤では、流量信号から管路の損失水頭を推定し、必要な吐出圧力の設定値を求める。さらに、実測した吐出圧力と設定値を比較し、その偏差に応じた制御指令を出力する。
インバータ盤は、計装盤からの回転速度指令に応じて電動機の駆動周波数などを調整する設備である。これによりポンプの回転速度が変化し、ポンプ特性と管路条件によって決まる運転点が移動する。
なお、計装盤とインバータ盤は機能上の役割が異なるが、制御装置とインバータを一体化した設備もある。重要なのは、末端圧力を推定して目標値を設定する機能と、電動機の回転速度を変化させる機能を区別することである。
4.2 回転速度制御と台数制御
インバータによる回転速度制御では、電動機の回転速度を変えることで、ポンプの揚程や流量の特性を変化させる。配水流量の変動に応じて吐出圧力を連続的に調整できるため、推定末端圧一定制御と組み合わせやすい。
一方、台数制御は、運転するポンプの台数を切り替えて、必要な流量範囲に対応する方式である。複数台のポンプを設置している施設では、台数制御と回転速度制御を組み合わせることで、広い流量範囲への対応を図ることができる。
ただし、ポンプには適切な運転流量範囲があり、極端な低流量運転や過大流量運転では、効率低下、振動、キャビテーションなどの問題が生じる場合がある。制御方式の選定では、必要な流量と圧力だけでなく、各ポンプの性能曲線や運転可能範囲も確認する必要がある。
4.3 制御の安定性と運転条件
配水流量は需要者の使用状況によって変動するため、その変化に応じて圧力設定値を調整する必要がある。一方、流量の小さな変動に対して設定値を頻繁に変更すると、ポンプの回転速度が不安定になる場合がある。
このため、流量信号の処理方法、圧力制御の応答速度、回転速度の変更範囲などを適切に設定することが重要である。必要に応じて、信号の平滑化や設定値の変更速度の制限などを設け、安定した運転を図る。
また、ポンプの起動・停止や台数切替が頻繁に発生すると、電動機や弁類などの設備に負担がかかる。台数切替の条件には適切な余裕を設け、短時間の発停を繰り返さないようにする必要がある。
5．適用条件と維持管理上の注意
5.1 推定末端地点の設定
推定末端圧一定制御では、圧力管理の対象となる代表末端地点を適切に選定する必要がある。この地点は、必ずしもポンプ場から最も遠い場所とは限らず、標高、管路損失、需要分布などによって決まる。
例えば、配水管路の延長が短くても、標高の高い地区では必要な圧力を確保しにくい場合がある。また、管径の小さい管路や需要が集中する地区では、流量増加に伴う損失水頭が大きくなることがある。
代表末端地点の選定には、管網解析や現地の圧力測定結果などを活用することが有効である。ただし、需要量や配水系統によって圧力上の最も厳しい地点が変わる場合には、単一の代表地点だけで配水区域全体の圧力を管理できるとは限らない。
5.2 管網条件の変化と推定誤差
推定末端圧一定制御の精度は、流量と損失水頭の関係をどの程度正確に表せるかによって左右される。実際の配水管網では、総配水流量だけでなく、需要地点ごとの使用水量の割合も変化する。
例えば、ポンプ場からの総配水流量が同じでも、特定地区への需要が集中すると、その地区に至る管路の流量や損失水頭が変化する。この場合、総配水流量だけから推定した末端圧力と、実際の末端圧力に差が生じることがある。
また、制水弁の開閉、配水系統の切替、管路の更新などによって流量分布が変わる場合にも注意が必要である。管網の構成が変化した場合には、必要に応じて損失水頭の推定条件や代表末端地点の設定を見直す必要がある。
5.3 計測精度と維持管理
推定計算の基礎となる流量計の測定値に誤差があると、吐出圧力の設定値にも影響する。また、吐出側の圧力伝送器に誤差が生じれば、実際の吐出圧力を設定値に合わせる制御にも影響が生じる。
このため、流量計や圧力伝送器の点検・校正に加え、必要に応じて代表地点や圧力上重要な地点の実測値と推定値を比較することが重要である。配水流量、吐出圧力、ポンプ回転速度などの運転データを継続的に記録することで、推定条件のずれや設備状態の変化を把握しやすくなる。
また、圧力設定値の変更には、配水管路の許容圧力、必要最低圧力、ポンプの運転可能範囲などを考慮する必要がある。計器の故障や異常値を検出した場合に備え、警報や制御方式の切替など、安全側の運転方法をあらかじめ検討しておくことも重要である。
なお、推定末端圧一定制御は、主として需要変動に伴う定常的な圧力変化に対応するものである。ポンプの急停止や弁の急閉鎖などによって生じる水撃作用は、通常の圧力設定値の調整だけでは防止できないため、必要に応じて別途対策を検討する。
6．水道・工業用水道における活用
6.1 上水道での活用
上水道の配水施設では、昼夜や季節によって需要量が変化する。ポンプ加圧方式を採用している配水区域では、需要量が少ない時間帯の過大圧力を抑えながら、需要が増加する時間帯にも必要な水圧を確保することが求められる。
推定末端圧一定制御は、このような需要変動に応じてポンプ吐出圧力を調整する方法の一つである。適切に設定することで、過大圧力の抑制やポンプ運転の効率化につながる場合がある。
ただし、配水区域内には標高や管路条件の異なる地区が存在するため、代表末端地点だけでなく、低地部の過大圧力や高地部の必要圧力にも配慮する必要がある。また、需要分布が大きく変わる区域では、管網解析や実測圧力によって制御条件の妥当性を確認することが重要である。
6.2 工業用水道での活用
工業用水道では、工場の操業状況や設備の運転条件によって使用水量が大きく変化する場合がある。特に、大口需要者の使用水量が変動する系統では、配水流量の変化に伴って管路損失が大きく変動することがある。
ポンプ加圧方式の配水系統では、こうした需要変動に応じて吐出圧力を調整することで、必要な受水圧力の確保と過大圧力の抑制を図ることができる。ただし、大口需要者の使用水量や需要分布が大きく変化する場合には、総配水流量だけでは各受水地点の圧力を十分に推定できないことがある。
また、工業用水道には、浄水場や配水池との標高差を利用した自然流下方式もある。推定末端圧一定制御は主にポンプ加圧設備に適用する方式であり、自然流下方式の配水系統にそのまま適用するものではない。
工業用水道での採用に当たっては、各受水地点の必要圧力、需要変動の特性、管路の流量分布、ポンプ設備の構成などを総合的に検討する必要がある。
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 8.2.6「ポンプ形式と運転点」
- 第8編 8.2.7「ポンプの制御」
- 第8編 8.15.19「配水施設」
- 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』
