可変速はポンプにとって魔法の解決策ですか? パート 2/2

Jul 13, 2023

著者からの注: Pumps & Systems の 2021 年 5 月号のこのシリーズのパート 1 で、親和性の法則を使用する場合、変化をヘッドの係数 4、パワーの係数 8 として考えることもできると誤って述べました。 。 これらの記述は、速度が 2 倍 (または半分) になっている場合にのみ当てはまります。 オンライン版は修正されており、pumpsandsystems.com/author/jim-elsey でご覧いただけます。

ポンプ曲線の形状 (ジオメトリ) は、ほぼ完全に、インペラの物理的形状、流路角度の変化、直径比 (目で見て全体)、羽根の重なり合い、羽根の角度、および羽根の数の関数です。 これらはすべて、本質的にはインペラの比速度 (Ns) 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するか、逆にシステム曲線がポンプが曲線上のどこで動作するかを決定します。 ポンプ曲線は通常、(その傾き/形状によって)「平坦」または「上昇」のいずれかとして説明され、場合によっては「急上昇」と表現されます。

平坦なポンプ曲線は、システム揚程の小さな変化に対して流量の大きな変化をもたらす特徴があり、急峻な (上昇) ポンプ曲線形状は、システム揚程の大きな変化に対して流量の変化が小さくなります。 これらの前述の特性は、システム曲線でプロットすると、大きな利点として機能するか、またはエネルギー節約の取り組みを弱めるものとして機能します。

システム曲線は、設計流量の全範囲に対するシステム内のすべての制限、高度変化の合計、および総摩擦を表します。 システム抵抗曲線は、静水頭、圧力水頭、摩擦水頭、速度水頭の 4 つの水頭係数で構成されます。 ごくわずかな効果のため、速度ヘッドは無視できます。

静的揚程は、ポンプによって液体を移動させるために必要な垂直距離です。 通常、静水頭は正の値を考慮しますが、静水頭が負の場合もあります (はい、下り坂でのポンプ動作)。このような場合は、システムの摩擦曲線とポンプ曲線の交点がさらに右に移動するため、問題が発生する可能性があります。

圧力水頭は、液体をボイラーや反応器などの容器に移動させるためにポンプが克服しなければならない圧力です。 流れの抵抗を克服するために必要なポンド/平方インチ (psi) 単位の圧力は、単純に水頭数に変換されます。 最後はフリクションヘッドです。 摩擦水頭は流量に応じて変化し、液体速度の 2 乗によって変化します (Darcy-Weisbach の公式を参照)。 簡単に言うと、流量が増加すると摩擦が指数関数的に増加します。

いくつかの計算や設計手順が信じさせているかもしれませんが、システム曲線は実際には静的な実体ではありません。 レベルはプロセスおよび圧力 (該当する場合) とともに変化し、制御バルブの位置が変化すると摩擦成分も変化します。 さらに、システムコンポーネントと配管は、経年劣化、汚れ、腐食によりさらに狭くなります。

システム曲線の最終形状は、実現可能性と可変周波数ドライブ (VFD) を組み込むかどうかの決定に大きな影響を与えます。 システム カーブは通常、「摩擦優位」または「静的ヘッド優位」のいずれかに分類されますが、両方を組み合わせることもできます。

VFD は、ポンプ曲線が上昇する形状で、システム曲線が摩擦が支配的な場合にうまく機能します。 システム曲線 (静的ヘッドが支配的) とポンプ曲線が平坦であればあるほど、VFD システムの効果は低くなります。 通常、ポンプ曲線が急峻であるほど、エネルギー節約の可能性は高くなりますが、正確さを得るには分析が必要です。 曲線が平坦だからといって、投資収益率が低いという意味ではありません。

VFD に適している/適用できるシステムの主なカテゴリは次の 3 つです。

システム曲線が摩擦に支配されている場合、速度を下げると、出力、流量、揚程も減少するため、ポンプ動作点 (システム曲線に従う) がポンプの最高効率点 (BEP) の傾きに従います。 曲線が平坦 (静的揚程が支配的) の場合、ポンプは速度が低下するとすぐに BEP および許容動作範囲 (AOR) から外れます。 曲線の左側で最小連続安定流量 (MCSF) に近づくこともできます。 与えられた狭い動作範囲内では、曲線の右側の境界にすぐに近づきます。

これを読んでいる VFD 支持者の皆さん、私はあなたの味方であることを知っておいてください。 VFD はほとんどの場合、素晴らしいソリューションだと思います。 しかし、世界のあらゆるものと同様に、完璧なものなど存在しないことをオペレーター/所有者が理解することも重要です。 すべてのオペレーター、所有者、ユーザーがベンダーと協力して、以下に挙げた問題を回避することをお勧めします。

このコラムでは、可変速アプリケーションおよび経済性評価のためのドライブ、モーター、ポンプ、システムおよびシステム プロセス制御に関するごく一部のみを取り上げます。 機器メーカーは、追加の関連情報の貴重な情報源となります。 また、Hydraulic Institute のガイドラインと教育資料を確認することをお勧めします。

Jim Elsey は、50 年以上の設計と運用の経験を持つ機械エンジニアであり、主に世界中のほとんどの産業用途および市場における回転機器の信頼性に重​​点を置いています。 Elsey は、Summit Pumps のゼネラルマネージャーであり、米国機械学会、米国金属協会、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 Consultants LLC の社長でもあります。 連絡先は [email protected] です。