システムが主役 (パート 1/2 … 簡単なパート)

Jul 27, 2023

配管システムは、ポンプの性能曲線上のどこで動作するかを指示します。 物理システムは放物線で地理的に表すことができ、システム摩擦曲線、またはより一般的にはシステム抵抗曲線 (SRC) と呼ばれます。

私はポンプのトレーニングコースを、ポンプは愚かだという宣言から始めます。 ポンプがその時点で動作できるかどうか、ポンプがその性能曲線上のどこで動作するかを決定するのは、ポンプではなくシステムです。

ポンプは、その性能曲線がシステム曲線と交差する場所で動作します。 交差点がどこにあるのか常にわかるわけではありません。さらに問題を複雑にしているのは、多数の変数によって交差点がすぐに変わる可能性があることです。 詳細については、2019 年 8 月のコラム「ポンプが曲線から外れて動作しているのはなぜですか?」を参照してください。

システム曲線の形状と位置に関する知識は、現場での数多くの問題を解決するために非常に重要です。 ポンプの信頼性を担当していて、プロセスのシステム曲線を計算したことがない場合は、このコラムを学習のきっかけとして活用してください。

実際のポンプ動作点 (揚程と流量) を決定することは、問題解決における重要なステップです。 ポンプが磨耗しておらず、システムが最初から適切に設計され、操作されていた場合は、ポンプ全体の差圧 (揚程) (吐出揚程 - 吸込揚程 = 全揚程) を測定するだけで、ポンプ曲線に近づくことができます。しかし、その情報から得られるのはシステム曲線上の 1 つの点だけです。

この 2 部構成のカラムでは、満水吸引を備えた開放システム内の単一遠心ポンプのシステム曲線を構成する 3 つの主な要因を調べます。 今月は最初の 2 つの要素 (簡単なもの) について、来月は摩擦 (難しいもの) について説明します。

現場では、正しく設計されたシステムが、信頼性や長期的な運用/保守コストを考慮せずに、時間の経過とともに初期設計に修正が加えられているという状況によく遭遇します。 残念なことに、私も最初から失敗する運命にあったシステム設計を経験しました。 ポンプ システムの問題を解決するとき、私はオーナーにシステム曲線のコピーを要求することがよくあります。 ただし、システム オペレータがシステム曲線が何であるか、および/またはそれがどこにあるかを知っている場合は、まれに発生します。 したがって、私たちは次の数時間をかけて「システムを歩き回って」、システム曲線を作成します。 来月は「システムの歩き方」についてさらに議論します。

最初に配管システムを設計してからポンプを選択する設計者もいますが、その逆を行う設計者もいます。 両方を同時に行うのが賢明な選択です。 プロジェクトの設計プロセスにより、基本的なシステム パラメーターと経済性 (最適なパイプ サイズを考慮する) が決まります。 システムの寿命に関する決定は、推定総所有コストとバランスのとれた、必要/望ましい信頼性レベルに基づいて決定する必要があります。

システム曲線は、静水頭 (上昇水頭)、圧力水頭、摩擦水頭 (圧力降下) の 3 つの基本要素で構成されます。

簡単に言えば、システム曲線は総水頭損失と流量の関係を定義します。

システム揚程曲線は、設計流量の全範囲にわたってシステムが必要とする揚程をデカルト (グラフィック象限 1) で表したものです。

グラフとして表示されるシステム曲線は、流量と、静圧、圧力、摩擦によるヘッドの合計の組み合わせとの間の関数関係を表します。

従来の慣例では、流量 (Q) は水平 X 軸に割り当てられ、ヘッド (H) は垂直 Y 軸に割り当てられます。 満水吸引を備えた逆止開放システムの場合、総ポンプ揚程はすべての摩擦損失に静揚程と圧力揚程を加えた合計になりますが、閉ループ システムの場合は単に摩擦損失になります。

技術的には、速度ヘッドの 4 番目のシステム曲線コンポーネントがあり、この「101」バージョンのシステム曲線計算では無視できます。これは、適切に設計されたシステムでは、通常は無視できる要素であるためです。

グラフ用紙にシステム曲線を作成してから、ポンプ曲線を追加できます。 あるいは、ポンプ曲線の印刷コピーにシステム曲線を描画 (重ね合わせ) することも好きです。 後者の方法は少し面倒になる可能性がありますが、値が割り当てられたヘッド軸とフロー軸はすでに確立されています。

反省: 皆さんの多くは、私の昔ながらの方眼紙の選択に疑問を抱くかもしれませんが、単純に Excel (または選択したワークシート) で作業を行いたいと思うかもしれないことを黙認します。 私には、Fortran プロジェクト用の IBM キー パンチ コンパイラー カードの箱に加えて、大学時代 (1969 年頃) から残っているエンジニアリング グラフ用紙がまだ残っています。 完全に引退する前にこれらのアイテムを消費しようと思っています。

静的ヘッドは上昇ヘッドと呼ばれることもあり、流量には依存しません。 システム曲線計算におけるこの最初の要素は暗号化が比較的簡単で、物理的な測定のみが必要です。 静揚程とは簡単に説明すると、吸引源の液面レベルから吐出点の液面レベルまでの鉛直高さの差（高低差）のことです。

もう 1 つの観点は、総静的ヘッドは、浸水システムの静的吸引ヘッドと静的排出ヘッドの差であるということです。 詳細については、画像 1 と以下のコメントおよび注意事項を参照してください。

静的揚程は、ポンプが克服しなければならない高さの正味の変化です。 米国慣用単位系 (USCU) では単位はフィートであり、国際単位系 (SI) ではメートルで表されます。

静的ヘッドは、オープン システムとそのバリエーションにのみ適用されます。 温水工学システムのような閉ループ システムでは、システム全体として見たときにポンプがいかなる高さをも克服する必要がないため、静的揚程はゼロであることに注意してください。 システムの一方の部分は流体を押し上げ、システムのもう一方の部分では重力によって流体が引き下げられ、正味ゼロサムになります。

定義上、「満水吸引」とは、単に吸引側の液体レベルがポンプ インペラの中心線よりも上にあることを意味します。 これは、多くの人が信じているように、利用可能な正味正味吸引ヘッド (NPSHa) や水没が十分にあることを意味するものではありません。

注: ポンプの吸込側では、ポンプの中心線より上の液体の垂直距離 (高さ) を、ポンプが吐出側で液体を移動させる必要がある垂直距離から差し引くことができます。

吸込側の液面がポンプの中心線より下にある場合 (吸込リフトとみなされる)、垂直距離を追加する必要があります。これは、ポンプが実行する必要がある仕事であるためです。

静水頭を決定するとき、パイプや容器がどのような形状であるか、またはかなりの水平距離があるかどうかは気にしません。 この単純な要因は高低差だけです。

静的揚程 (合計、吸引または吐出) は、流れがない状態、つまりポンプがオフの静的条件下で測定されます。

水平パイプの距離成分 (X 軸) の長さは、後で摩擦係数に取り込まれます。 今のところ、私たちは単に液体に対する重力の影響に関心を持っています。

ポンプの吐出側では、ポンプの中心線からシステムの最高点までの高さを考慮する必要があります。 (図のように) タンク/容器にポンプで注入している場合、通常、最高の高さはタンク内の液体のレベルになります。 ただし、多くのプロセスではポンプの吐出口がタンクの上方に開いているため、パイプの吐出量が最高点となります。

最小レベルと最大レベルには注意してください。測定を行うときは、動的システム内の静的な瞬間を捕捉することになります。 常に最悪のケース、つまり「吸引タンクが最低点にあるのか、最高点にあるのか」を考慮してください。 次に、排出タンクのレベルまたはポイントを再度尋ねます。 はい、システムのダイナミクスに応じて、静水頭の違いにより複数のシステム曲線が存在する可能性があり、そこに識別すべき問題の 1 つが存在します。 ほとんどのシステムは、単一ラインのシステムヘッド曲線によって完全に定義されるわけではありません (特に摩擦ヘッドを考慮する場合に当てはまります)。

技術的には、基準点としてインペラの中心線から測定する必要がありますが、多くの場合、それはポンプの中心線でもあります。 ただし、常にそうとは限りません。 たとえば、垂直ポンプ、いくつかの自吸式ポンプ、および/または水平分割ケースポンプなどです。

正当な理由により、液体を下り坂に汲み上げるためにポンプが使用されることがあります。 その場合、静的ヘッドは実際には負の値になります (デカルト象限 4)。

この例では、静的ヘッドの合計が 20 フィートであると仮定します。 次に、グラフ全体にわたって、垂直 Y 軸の値 20 フィートを始点とする水平線を描きます。 この線自体はシステム曲線ではありません。 それは単なる参照点です。

システム曲線計算の 2 番目の要素は圧力ヘッドです。 真の開放システム (自由で制限のない排出) の場合、圧力水頭がないため、この要因を無視でき、アクションは必要ありません。 ただし、ハイブリッド オープン システムでは、圧力水頭がある場合、圧力は水頭に変換され、静水頭に追加されます。 このタスクを実行するには、圧力に 2.31 を掛け、比重で割って数値を求めます。 私の個人的で保守的な習慣は、ポンプが圧力ヘッドを満たすだけでなく、実際に圧力ヘッドを超える必要があるため、数値にヘッドを少し追加することです。

静的水頭と同様に、圧力水頭はポンプ流量によって変化しないと想定されています。 したがって、これは直線関数です。 また、システムカーブではなく、摩擦曲線の開始点の基準点となります(画像2)。

圧力ヘッドの一般的な例は、ボイラーの内部蒸気圧力がポンプまたは復水ポンプによって脱気装置の圧力に打ち勝つ必要があるボイラー供給システムです。

複合 SRC の最後の重要なコンポーネントは摩擦曲線です。

来月は、「システムのウォーキング」と、システム全体の曲線を完成させるための摩擦部分の計算方法について説明します。

簡単に言うと、速度ヘッドは、システム内で流体をゼロまたは低速 (ポンプ吸引時) から下流の高速まで加速するのに必要なエネルギーです。 速度水頭は、ベルヌーイの方程式 (流れる流体に適したエネルギー保存則) の運動係数で、全水頭の 3 分の 1 です。 速度ヘッドは標準的な圧力計構成では測定できないため、通常は計算されます。 閉ループシステムでは速度ヘッドがゼロであることに注意してください。 さらに詳しく知りたい場合は、2020 年 4 月の私のコラム「三銃士」をお読みください。

参考文献

クレーン技術出版物 410

キャメロン油圧データブック

水理学会工学データブック

Pumping Station Design 第 3 版、Garr M. Jones 他

Jim Elsey は、世界中の産業および海洋用途の回転機器において 50 年以上の経験を持つ機械エンジニアです。 彼は、Summit Pump, Inc. のエンジニアリング アドバイザーであり、米国機械学会、全米腐食技術者協会、および海軍潜水艦連盟の積極的な会員です。 エルシーは、MaDDog Pump Consulting LLC の社長でもあります。 連絡先は [email protected] です。