JP5772765B2 - 給水ポンプおよび給水ポンプの満水検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、海や湖等の貯水体から汲み上げた水を所望の設備に供給するための給水ポンプおよび該給水ポンプの満水検知方法に関する。

高炉における羽口の溶損やコークス炉のガス冷却不足による燃焼放散等を防止するため、それらの設備を冷却する冷却装置に冷却水を供給する給水装置は重要な設備である。この冷却水は、一般に海や湖等の貯水体から給水ポンプを通じて供給されている。

上記のような給水ポンプは、ポンプ本体内に気体が一定量以上存在する状態では揚水できない。そこで、給水ポンプの運転前には、真空ポンプで給水ポンプのポンプ本体内を吸気（減圧）することによってポンプ本体内に水を汲み上げて（この動作を「呼水」と称する。）、ポンプ本体内に水を充満させる（以下、この状態を「満水（状態）」と称する。）。

上記のような呼水を行う際に給水ポンプのポンプ本体内が満水状態になったことを検知するための技術が、これまでにいくつか開示されている。例えば下記特許文献１には、満水検知器内のフロートもしくは電極棒に異物がからみつくことによる動作不良を防止するための技術が開示されている。

特開平１１−２３００５０号公報

しかしながら、給水ポンプで海や湖から水を汲み上げることを想定した場合、上記特許文献１に記載されているような従来技術では対策が不十分であった。給水ポンプで海や湖から水を汲み上げる場合、汲み上げる水には細かな異物や塩分が含まれるため、以下のような問題が生じやすかった。すなわち、満水検知器がフロート式である場合には、摺動部であるスピンドルなどに異物や塩が付着して摺動不良が発生する虞があった。また、電極式の場合には、塩が付着することによる短絡が起こり、満水を検知できない虞があった。

そこで、本発明は、海水や湖水等を汲み上げる場合でも、呼水を行う際にポンプ本体内が満水に達したか否かを適切に検知できる給水ポンプおよび該給水ポンプの満水検知方法を提供することを課題とする。

給水ポンプのポンプ本体内が満水のときの水頭圧を検出することで、原理的にはポンプ本体内が満水になったと判断できる。しかしながら、給水ポンプによって貯水体から水を汲み上げるとき、該貯水体の水位によって水頭圧は変化する。また、真空ポンプを用いて呼水を行う際、給水ポンプ内部の圧力損失が大きく、水頭圧だけを検出することは困難であった。

そこで、本発明者は、給水ポンプの上部と下部との差圧を検出することで、貯水体の水位の影響を失くすことを考えた。また、本発明者は、様々な条件で試験を行うことで、貯水体の水位が変化するとそれに応じて給水ポンプ内部の圧力損失が変動することを知見した。さらに、給水ポンプの上部と下部との差圧の変動状況から、ポンプ本体内が満水になったと判断できることを知見した。本発明は、当該知見に基づいてなされたものである。

本発明の第１の態様は、貯水体から水を汲み上げて外部に該水を供給する給水ポンプの満水検知方法であって、給水ポンプは、ポンプ本体と、貯水体からポンプ本体内に水を汲み上げる吸水管と、ポンプ本体内を吸気して減圧する吸気管と、を備えており、ポンプ本体と吸気管との接続部である吸気口はポンプ本体の上部に位置するとともに、ポンプ本体と吸水管との接続部である吸水口はポンプ本体の下部に位置し、給水ポンプの運転前に呼水を行う際に、吸気管内の圧力と吸水管内の圧力との差圧を測定し、該差圧の変動状況からポンプ本体内が満水になっていることを検知する、給水ポンプの満水検知方法である。

本発明において「給水ポンプの運転前」とは、給水ポンプに貯水体から汲み上げた水を所望の設備に供給できる状態になる前を意味する。

また、本発明の第２の態様は、貯水体から水を汲み上げて外部に該水を供給する給水ポンプであって、ポンプ本体と、貯水体からポンプ本体内に水を汲み上げる吸水管と、ポンプ本体内を吸気して減圧する吸気管と、ポンプ本体内から外部に水を供給する用水供給管と、を備えており、ポンプ本体と吸気管との接続部である吸気口はポンプ本体の上部に位置するとともに、ポンプ本体と吸水管との接続部である吸水口はポンプ本体の下部に位置し、吸気管内の圧力と吸水管内の圧力との差圧を測定する手段を備え、給水ポンプの運転前に呼水を行う際に、前記差圧の変動状況からポンプ本体内が満水になっていることを検知できる、給水ポンプである。

上記本発明の第２の態様において、ポンプ本体内が満水になっていると検知したことに基づき、用水供給管を通じて外部に水の供給を開始する手段を備えることが好ましい。

また、上記本発明の第２の態様において、ポンプ本体内の水位が所定の高さ以上に達したときに、ポンプ本体から吸気管への水の流入を妨げる止水器を備えることが好ましい。

さらに、上記本発明の第２の態様において、吸気管内の圧力と吸水管内の圧力との差圧を測定する手段が隔膜式の圧力計であることが好ましい。

本発明によれば、海水や湖水等を汲み上げる場合でも、呼水を行う際にポンプ本体内が満水に達したか否かを適切に検知することができる給水ポンプおよび該給水ポンプの満水検知方法を提供することができる。

給水ポンプ１０の構成を概略的に示した図である。 呼水を行う際の吸気管内の圧力と吸水管内の圧力との差圧の時間変化を示した図である。 貯水体の水位と、吸気管内の圧力と吸水管内の圧力との差圧と、の関係を示した図である。 図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、給水ポンプの運転準備方法の流れを概略的に示したフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態例について説明する。

図１は、本発明の給水ポンプの一つの実施形態例である給水ポンプ１０について、構成を概略的に示した図である。

給水ポンプ１０は、貯水体２０から水を汲み上げて外部に該水を供給するポンプである。図１に示したように、給水ポンプ１０は、ポンプ本体１と、貯水体２０からポンプ本体１内に水を汲み上げる吸水管２と、ポンプ本体１内を吸気して減圧する吸気管３と、ポンプ本体１内から外部に水を供給する用水供給管４と、を備えている。給水ポンプ１０は、さらに、吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧を測定する手段６（差圧計６）を備えており、後に詳述するように、給水ポンプ１０の運転前に呼水を行う際に、差圧計６で測定した差圧の変動状況からポンプ本体１内が満水になっていることを検知できる。

ポンプ本体１は、吸水管２との接続部である開口部２ａ（以下、「吸水口２ａ」という。）と、吸気管３との接続部である開口部３ａ（以下、「吸気口３ａ」という。）と、用水供給管４との接続部である開口部４ａ（以下、「用水供給口４ａ」という。）と、を備えた容器である。吸気口３ａはポンプ本体１の上部に位置し、吸水口２ａはポンプ本体１の下部かつ貯水体２０の水位よりも高い場所に位置している。

吸水管２は、一端が吸水口２ａでポンプ本体１に接続されており、他端は貯水体２０に浸される筒状体である。給水ポンプ１０の運転前に呼水を行う際、ポンプ本体１内が減圧されると、吸水管２を介して貯水体２０からポンプ本体１内に水が汲み上げられる。

吸気管３は、一端が吸気口３ａでポンプ本体１に接続されており、他端は不図示の真空ポンプに接続された筒状体である。給水ポンプ１０の運転前に呼水を行う際、当該真空ポンプを稼働させることによって、吸気管３を介してポンプ本体１内から吸気し、ポンプ本体１内を減圧することができる。吸気管３には吸気弁３ｃが備えられており、吸気管３に繋がれた真空ポンプを稼働させて吸気弁３ｃを開くことにより、ポンプ本体１内から吸気することができる。また、吸気弁３ｃを閉じることによって、吸気管３内の流体の流通を止めることができる。

また、吸気管３には止水器３ｂが設けられている。止水器３ｂは、ポンプ本体１内の水位が所定の高さ以上に達したとき、ポンプ本体１から吸気管３へと水が流入することを防げるものである。このような止水器３ｂとしては、例えば公知のフロート弁を用いることができる。

用水供給管４は、一端が用水供給口４ａでポンプ本体１に接続されており、他端は給水ポンプ１０で汲み上げた水を供給する所望の設備に接続された筒状体である。貯水体２０から給水ポンプ１０で汲み上げた水は、用水供給管４を介して所望の設備に供給することができる。用水供給管４には制水弁４ｂが備えられており、制水弁４ｂの開閉を制御することによって、用水供給管４に繋がれた所望の設備への水の供給量を制御することができる。

差圧計６は、吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧を測定できるものであれば特に限定されない。本実施形態例では、吸気管３の所定位置３ｘと、吸水管２の所定位置２ｘとに差圧計６に接続された導管５をそれぞれ接続して、吸気管３内の圧力と吸水管内２の圧力との差圧を測定する。この例では、差圧計６は隔膜式の圧力計であることが好ましい。隔膜式の圧力計は摺動部や電極部が露出されていないため、摺動不良や短絡が起こらないからである。

吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧を測定する手段としては、前述の実施形態例以外に、例えば、吸気管３の所定位置３ｘと吸水管２の所定位置２ｘとにそれぞれ圧力計を取り付けて各々の圧力を測定してからこの差を求めてもよい。この場合の圧力計も隔膜式の圧力計であることが好ましい。

また、図示していないが、給水ポンプ１０は、ポンプ本体１内が満水になっていると検知したことに基づいて用水供給管４を通じて外部への水の供給を開始する手段を備えることが好ましい。このような手段としては、例えば、差圧計６による測定結果（吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧の変動状況）に基づいて、制水弁４ｂの開閉を制御できる制御装置を挙げることができる。当該制御装置は、例えば、差圧計６による測定結果から制水弁４ｂの操作量を演算し、制水弁４ｂの動作制御を実行可能なＣＰＵと、このＣＰＵに対する記憶装置と、を備えた装置で構成することができる。当該ＣＰＵは、マイクロプロセッサユニット及びその動作に必要な各種周辺回路を組み合わせて構成され、このＣＰＵに対する記憶装置は、例えば、制水弁４ｂの操作量演算や動作制御に必要なプログラムや各種データを記憶するＲＯＭと、ＣＰＵの作業領域として機能するＲＡＭ等を組み合わせて構成される。当該構成に加えて、さらに、制御装置のＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されたソフトウエアと組み合わされることにより、制水弁４ｂの動作制御を適切に行うことができる。給水ポンプ１０において、差圧計６から制御装置へ向けて出力された信号は、制御装置の入力ポートを介して入力信号としてＣＰＵへと達する。制御装置のＣＰＵは、上記入力信号および制御装置のＲＯＭに記憶されたプログラムに基づいて制水弁４ｂの操作量を演算し、制御装置の出力ポートを介して制水弁４ｂに対する動作指令を出力する。

貯水体２０は、給水ポンプ１０によって所望の設備に水を供給する際に、十分な量の水を供給できるものであれば特に限定されない。貯水体２０としては、例えば海や湖を挙げることができる。給水ポンプ１０によれば、呼水を行う際に、汲み上げる水に含まれた細かな異物や塩分によってポンプ本体１内が満水になったか否かの判断が妨げられることを、防止できる。したがって、給水ポンプ１０によれば、海水や湖水等のように細かな異物や塩分を含む水を汲み上げる場合でも、呼水を行う際にポンプ本体１内が満水に達したか否かを適切に判断することができ、所望の設備に安定して給水することができる。

次に、給水ポンプ１０の運転を開始する前に呼水を行う際に、ポンプ本体１内が満水になったことを検知する給水ポンプ１０の満水検知方法について以下に説明する。

給水ポンプ１０は、運転前に呼水を行う際に、吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧を測定し、該差圧の変動状況からポンプ本体１内が満水になっていることを検知することができる。吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧は、上述したように、差圧計６によって測定することができる。上記差圧の変動状況からポンプ本体１内が満水になっていることを検知する方法について、以下に詳細に説明する。

給水ポンプ１０のポンプ本体１内が満水のときの水頭圧を検出することで、原理的にはポンプ本体１内が満水になったと判断できる。しかしながら、給水ポンプ１０によって貯水体２０から水を汲み上げるとき、貯水体２０の水位によって水頭圧は変化する。また、吸気管３に接続された真空ポンプを用いて呼水を行う際、給水ポンプ１０内部の圧力損失が大きく、水頭圧だけを検出することは困難であった。そこで、本発明者は、給水ポンプ１０の上部と下部との差圧を検出することで、貯水体２０の水位の影響を失くすことを考えた。また、本発明者は、様々な条件で試験を行うことで、貯水体２０の水位が変化するとそれに応じて給水ポンプ１０内部の圧力損失が変動することを知見した。さらに、給水ポンプ１０の上部と下部との差圧の変動状況から、ポンプ本体１内が満水になったと判断できることを知見した。

具体的には、ポンプ本体１の上部にある吸気管３と下部にある吸水管２のそれぞれの所定位置３ｘ、２ｘに、差圧計６に接続された導管５、５をそれぞれ接続して、吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧を測定する。図２は、呼水を行う際の吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧の時間変化を示した図である。図２に示したグラフの横軸は、吸気管３に接続された真空ポンプを起動してからの時間［秒］であり、縦軸は吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧［ｋＰａ］である。

図２に示したグラフにおいて、Ｉの時点で真空ポンプを起動し、ＩＩの時点では吸水口２ａに水が到達し、ＩＩＩの時点ではポンプ本体１の上部（吸気口３ａ）に水が到達し、ＩＶの時点では吸気管３の所定位置３ｘに水が到達し、Ｖの時点では止水器３ｂが閉じたと考えられる。Ｉ〜ＩＩの区間では、給水ポンプ内を流れる空気による圧力損失がみられる。ＩＩ〜ＩＩＩの区間では、吸水管２の所定位置２ｘから水位が上昇していると考えられる。ＩＩＩ〜ＩＶの区間では、ポンプ本体１の容量に比べて吸気管３の径が細いため、水位が急上昇したと考えられる。ＩＶ〜Ｖの区間では、止水器３ｂのフロートが浮くことで吸気管３への水の流れが止められ、圧力損失が減ったと考えられる。

図２に示したように、真空ポンプを起動してから約６８秒〜約７０秒（ＩＩＩ〜ＩＶの区間）では、差圧が急上昇している。具体的には、ＩＩＩの時点から差圧の時間変化の傾きが０．６４ｋＰａ／秒から７．００ｋＰａ／秒に変化している。これは、ポンプ本体１の容量に比べて吸気管３の径が細いため、水位が急上昇し、圧力損失が急増したためであると考えられる。このことから、真空ポンプを起動してから約６８秒（ＩＩＩ）の時点で貯水体２０から汲み上げられた水は吸気管３にまで達していることがわかる。このように、ポンプ本体１内が満水となった後は差圧が急激に増加するため、この差圧の傾きの変化の度合いを、ポンプ本体１内が満水であると判断する閾値とすることができる。したがって、差圧の時間変化の傾きが所定の値を超えたときに、ポンプ本体１内が満水になった判断できる。

また、差圧の時間変化の傾きが急激に大きくなる時点（ＩＩＩの時点）での差圧（以下、「変曲点における差圧」という。）と、呼水過程における最大差圧（ＩＶの時点での差圧）との中間値も、ポンプ本体１内が満水になったと判断する閾値にすることができる。

ただし、真空ポンプの特性上、貯水体２０の水位の変動により水頭圧が変化すると空気の吸込み量が変化するため、それに伴い圧力損失が変化する。即ち、貯水体２０の水位の変動によって差圧が変化するので、様々な条件で繰り返し実験を行って変曲点における差圧と呼水過程における最大差圧との値をそれぞれ多数求め、ポンプ本体１内が満水であると判断できるより適正な閾値を検討した。

図３は、貯水体２０の水位に対する、変曲点における差圧と、呼水過程における最大差圧と、両者の中間値と、を示した図である。図３に示したように、変曲点における差圧と呼水過程における最大差圧との中間値は、貯水体２０の水位によって値が異なる。したがって、貯水体２０の水位が異なる場合の複数の中間値について平均を取った値を、ポンプ本体１内が満水であると判断する閾値とすることが好ましいと考えられる。

ポンプ本体１内が満水であると判断する上記のような閾値は、実際に使用するポンプ内部の圧力損失や圧力の検出位置に加え、ポンプ本体内を吸気する真空ポンプの能力等によって異なる。したがって、適正な閾値は、実際に使用する給水ポンプや給水ポンプと真空ポンプの組み合わせ毎に設定する必要がある。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、上記のようにして差圧の変動状況からポンプ本体１内が満水になったと判断する、給水ポンプの満水検知方法の流れを概略的に示したフローチャートである。

図４（Ａ）に例示した方法は、真空ポンプ起動工程Ｓ１１および満水判断工程Ｓ１２を有している。真空ポンプ起動工程Ｓ１１は、吸気管３に接続された真空ポンプを起動し、ポンプ本体１内を減圧する工程である。ポンプ本体１内を減圧することによって、吸水管２を介して貯水体２０からポンプ本体１内に水が汲み上げられる。満水判断工程Ｓ１２は、上記のようにしてポンプ本体１内に水が汲み上げられ始めた後、吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧の時間変化の傾きが所定の閾値に達したかを判断する工程である。上述したように、当該差圧の時間変化の傾きが所定の閾値に達したか否かによって、ポンプ本体１内が満水になったか否かを判断することができる。当該判断は作業者が行ってもよく、自動で判断し得る装置を用いてもよい。上記差圧の時間変化の傾きがが所定の閾値に達するまで満水判断工程Ｓ１２を繰り返し、所定の閾値達したと判断されれば、給水ポンプ１０を起動させて所望の設備に水を供給することができる。

図４（Ｂ）に例示した方法は、満水判断工程Ｓ２２の内容が図４（Ａ）に例示した方法の満水判断工程Ｓ１２と異なる以外は同様である。従って、図４（Ｂ）に例示した方法については、満水判断工程Ｓ２２についてのみ説明する。満水判断工程Ｓ２２は、上述したようにして変曲点における差圧と呼水過程における最大差圧との中間値を閾値として求めておき、吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧が当該閾値に達したかを判断する工程である。上述したように、吸気管３内の圧力と吸水管２内の圧力との差圧が、変曲点における差圧と呼水過程における最大差圧との中間値に達したか否かによって、ポンプ本体１内が満水になったか否かを判断することができる。差圧が上記中間値に達するまで満水判断工程Ｓ２２を繰り返し、中間値に達したと判断されれば、給水ポンプ１０を起動させて所望の設備に水を供給することができる。

これまでに説明したように、本発明によれば、給水ポンプの上部と下部との差圧の変動状況からポンプ本体内が満水になったと判断しており、海水や湖水等のように細かな異物や塩分を含む水を汲み上げる場合でも、呼水の際にポンプ本体内が満水に達したか否かを適切に判断できる。よって、本発明の給水ポンプを用いた給水装置によれば、高炉やコークス炉等の所望の装置を冷却する冷却装置に冷却水を安定して供給することができる。

１ ポンプ本体
２ 吸水管
２ａ 吸水口
３ 吸気管
３ａ 吸気口
３ｂ 止水器
３ｃ 吸気弁
４ 用水供給管
４ａ 用水供給口
４ｂ 制水弁
６ 差圧計
１０ 給水ポンプ
２０ 貯水体

Claims (5)

1. 貯水体から水を汲み上げて外部に該水を供給する給水ポンプの満水検知方法であって、
   前記給水ポンプは、ポンプ本体と、前記貯水体から前記ポンプ本体内に水を汲み上げる吸水管と、前記ポンプ本体内を吸気して減圧する吸気管と、を備えており、
   前記ポンプ本体と前記吸気管との接続部である吸気口は前記ポンプ本体の上部に位置するとともに、前記ポンプ本体と前記吸水管との接続部である吸水口は前記ポンプ本体の下部に位置し、
   前記給水ポンプの運転前に呼水を行う際に、前記吸気管内の圧力と前記吸水管内の圧力との差圧を測定し、
   前記差圧の変動状況から前記ポンプ本体内が満水になっていることを検知する、給水ポンプの満水検知方法。
2. 貯水体から水を汲み上げて外部に該水を供給する給水ポンプであって、
   ポンプ本体と、前記貯水体から前記ポンプ本体内に水を汲み上げる吸水管と、前記ポンプ本体内を吸気して減圧する吸気管と、前記ポンプ本体内から外部に前記水を供給する用水供給管と、を備えており、
   前記ポンプ本体と前記吸気管との接続部である吸気口は前記ポンプ本体の上部に位置するとともに、前記ポンプ本体と前記吸水管との接続部である吸水口は前記ポンプ本体の下部に位置し、
   前記吸気管内の圧力と前記吸水管内の圧力との差圧を測定する手段を備え、
   前記給水ポンプの運転前に呼水を行う際に、前記差圧の変動状況から前記ポンプ本体内が満水になっていることを検知できる、給水ポンプ。
3. 前記ポンプ本体内が満水になっているとの前記検知に基づき、前記用水供給管を通じて外部に前記水の供給を開始する手段を備える、請求項２に記載の給水ポンプ。
4. 前記ポンプ本体内の水位が所定の高さ以上に達したときに、前記ポンプ本体から前記吸気管への水の流入を妨げる止水器を備える、請求項２または３に記載の給水ポンプ。
5. 前記差圧を測定する手段が隔膜式の圧力計である、請求項２乃至４のいずれかに記載の給水ポンプ。