ポンプの過渡状態を制御する: 起動とトリップ

Apr 06, 2024

遠心ポンプは最適な定常状態で動作するように設計されています。 ただし、ポンプの起動と停止時に定常状態から逸脱することは避けられず、配管システム内に劇的な、多くの場合危険な圧力応答が生じる可能性があります。 ポンプの過渡状態は、初期試運転時の起動やメンテナンスのためのシャットダウンと同じくらい日常的に発生する可能性があります。

多くの場合、ウォーターハンマーまたはサージは、バルブが急速に閉じられた後の高圧応答に関連しています。 簡単に言うと、バルブを閉じると、流体が閉じているバルブに勢いよくぶつかり、流体の運動量が圧力に変換されます。 結果として生じる圧力は、パイプまたは機器の圧力定格を超える可能性があります。

その後、後続の流体が停止した流体に衝突し、高圧波が発生し、システム内を後方に伝わり、不均衡な力が発生します。 これらの現象により圧力が低下し、システム内の高い位置で逆流、真空状態、または流体の蒸発が発生する可能性があります。

バルブは流体の運動量を圧力に変換する（またはその逆の）典型的な原因ですが、ポンプも同様に、発生する圧力によって流れに影響を与えるため、サージを引き起こします。 ポンプ圧力源を突然追加または削除すると、配管システムを通じて高圧および低圧の波が伝達されます。

バルブの閉鎖と同様、ポンプ動作の急激な変化により、より劇的な圧力と流量の応答が発生します。 モデリング ソフトウェアは、波が伝達および相互作用する際のこれらの影響を定量化できるため、エンジニアは幅広いポンプ過渡原因を柔軟にモデル化できます。

多くのポンプ過渡現象を予測できます。 これは、システムの初期立ち上げ中、定期メンテナンスの予測とフォロー中、またはポンプを追加して変動する需要に対応するときに発生する可能性があります。 これらの日常的な過渡現象は、動作条件間の移行を滑らかにすることによって負の過渡現象の影響を最小限に抑える手順に従う必要があります。

機器の故障や緊急事態など、計画外の問題にポンプが反応する事後的なイベントもあります。 ポンプの状態間の移行をスムーズにするために設計されたプロセスが利用できないため、電力損失が最悪のシナリオとなることがよくあります。 電力が回復してポンプを突然再起動すると、電力損失の懸念がさらに高まります。

単一システム内の複数のポンプには、単一のポンプがトリップした場合に並列ポンプが逆止弁の閉まりを引き起こすなど、追加の考慮事項があります。 すべてのポンプを同時にトリップまたは起動すると、サージの懸念が生じますが、複数のポンプは、段階的にオン/オフするときにシステムを動作条件間で徐々に移行させる資産として機能します。

ポンプの過渡現象は、制御されたものと制御されていないものという 2 つのカテゴリに区別できます。

制御されたポンプ過渡現象では、可変周波数ドライブ (VFD) などの外部コントローラーを使用して、速度を制御することでポンプの状態間の切り替えを容易にします。 これにより、オペレータは流体を徐々に加速して、それほど劇的な圧力応答を引き起こすことができなくなります。 逆止弁などの保護システムもシステムを段階的に変更することが容易になり、二次的な過渡効果を回避できます。 制御された過渡現象は、VFD を複製するためのポンプ速度と時間としてモデル化できます。

過渡状態を制御するには、ポンプを制御するための電力が必要です。 ただし、電力損失後は、ポンプの速度はシステムによって決まります。 電力損失ポンプトリップは、制御されていないポンプ過渡状態を示します。

「制御されていない」とは、ポンプの過渡現象が予測できないことを意味するのではなく、ポンプの動作が微調整された電子コントローラーではなくシステムによって決定されることを意味します。 たとえば、日常的なポンプの起動は、振れを避けるために部分的に閉じたバルブまたはチェックバルブに対して開始し、その後、意図した動作点に到達するためにバルブを徐々に開いていきます。 全体的なプロセスは日常的なものですが、ポンプをオンにするだけで、周囲のシステムに応じて流れが発生します。

VFD はサージ軽減アプローチの 1 つを提供しますが、エンジニアは、制御されていないポンプ過渡現象の根本的な仕組みを理解することで、同様にサージを軽減できます。 この理解は、ポンプを制御する代替手段がない電力損失状況では非常に重要です。