ポンプ場におけるポンプの運転水位の設定方法
【課題】マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプにおいて、排水開始の遅延とハンチング運転との両方を防止する。
【解決手段】マウント９を越えて上流側から水が流入する吸水槽５に設置されたポンプ４Ａ〜４Ｅの排水開始水位を設定する。マウント９を越えて吸水槽５に流入する水の流量である越流量ｑがポンプ４Ａ〜４Ｅの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるようにマウント９の上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求める。この越流高さＨに対応するマウント９及び吸水槽５を含むポンプ井２の水位を最初に排水を開始させるポンプ４Ａの排水開始水位ＷＬｓ１に設定する。
【解決手段】マウント９を越えて上流側から水が流入する吸水槽５に設置されたポンプ４Ａ〜４Ｅの排水開始水位を設定する。マウント９を越えて吸水槽５に流入する水の流量である越流量ｑがポンプ４Ａ〜４Ｅの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるようにマウント９の上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求める。この越流高さＨに対応するマウント９及び吸水槽５を含むポンプ井２の水位を最初に排水を開始させるポンプ４Ａの排水開始水位ＷＬｓ１に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合流式下水道等のポンプ場におけるポンプの運転水位の設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合流式下水道等におけるポンプ場（例えば特許文献１参照）のポンプ井は、幹線から水（雨水及び汚水）が入流する流入部を備える。この流入部とポンプが設置された吸水槽との間には、越流堰、流入水路、沈砂槽、及びマウントが設けられている。幹線から流入する水の流量が越流堰で規定された流量を上回ると、流入部から流入水路を経て沈砂槽に水が流入する。ポンプ井の水位がさらに上昇してマウントを越えると、吸水槽に水が流入する。
【０００３】
ポンプが吸水槽内の水の排水を開始するポンプ井内の水位（排水開始水位）の設定は、この種のポンプ場を運用する上で重要である。吸水槽の底部から吸込ベルの寸法に係数（例えば１．５）を乗じた値までの高さをポンプの排水開始水位を設定することが知られている。しかし、このような一般的な排水開始水位の設定では、例えば都市型のゲリラ豪雨時の急激な水位上昇に対し、ポンプの排水開始に遅れを生じるおそれがある。ポンプの排水開始の遅れは、浸水被害等の原因となる。
【０００４】
排水開始の遅延回避のみを考慮して排水開始水位を過度に低い水位に設定すると、マウントを越えて吸水槽に流入する水の流量に対してポンプの排水量が不釣り合いに大きくなる。この場合、ポンプが先行待機型（例えば特許文献２参照）ではなく通常型であると、吸水槽内の水位が短時間で低下してポンプを停止させることになる。しかし、ポンプ停止後短時間で吸水槽内の水位は排水開始水位まで再度上昇し、ポンプの再始動となる。その結果、ポンプの運転としては、排水開始水位付近で始動と停止が短時間で繰り返されることになる（いわゆるハンチング運転）。以上のように通常型のポンプでは、排水水位開始水位を適切に設定しないと、排水開始遅れとハンチング運転とが問題となる。
【０００５】
ポンプが先行待機型であっても、インペラを位置に適切に設定しないと同様にハンチング運転が問題となり、自家発電源の喪失につながる危険もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５８９２０号公報
【特許文献２】特開２００４−１６２６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプにおいて、排水開始の遅延とハンチング運転との両方を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書において、ポンプの運転水位は、ポンプの排水開始水位と排水停止水位の両方を含む。ポンプの排水開始水位とは、それまでは吸水槽内の排水を行っていなかったポンプがポンプ井内の水位の上昇により排水を開始する水位をいう。一方、ポンプの排水停止水位は、それまでは吸水槽槽内の水を排水していたポンプがポンプ井内の水位の低下により排水を停止する水位をいう。
【０００９】
本発明は、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用の複数のポンプの運転水位を設定する方法であって、前記マウントを越えて前記吸水槽に流入する水の流量である越流量ｑが前記ポンプの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるように前記マウントの上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求め、この越流高さＨに対応する前記マウント及び前記吸水槽を含むポンプ井の水位を最初に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓ１に設定することを特徴とする、ポンプの運転水位の設定方法を提供する。
【００１０】
具体的には、下記の式を用いてＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める。
【００１１】
【数１】
【００１２】
前記排水開始水位ＷＬｓ１に以下の式を用いて求めた水位差Ｈｓのｎ倍を加えた水位を２番目以降でｎ番目に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓｎに設定する。
【００１３】
【数２】
【００１４】
また、ｎ番目に排水を開始させた前記ポンプの排水を停止させる水位である排水停止水位ＷＬｅｎを以下の式に基づいて設定する。
【００１５】
【数３】
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかるポンプの運転水位の設定方法により、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプにおける排水開始の遅延を防止して浸水被害等を回避できる。また、本発明にかかるポンプの運転水位の設定方法により、ハンチング運転を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るポンプの運転水位の設定方法が適用されるポンプ場の一例を示す模式図。
【図２】水位に対するポンプ井に蓄えられた水の平面視での水面の面積及び体積の関係を示す線図。
【図３】時間の経過と発電機に作用する負荷の関係の一例を模式的に示す線図。
【図４】先行待機型立軸ポンプの下端付近の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の設定方法によりポンプの排水開始水位と排水停止水位を設定する対象の一例である合流式下水道におけるポンプ場１を示す。図１の上側が縦断面図で、下側が平面図である。このポンプ場１のポンプ井２は、流入部３と複数台（本実施形態では５台）の立軸ポンプ４Ａ〜４Ｅ（以下単にポンプという）が設置された吸水槽５との間に、越流堰６、流入水路７、沈砂槽８、平坦な上端と上下流側の斜面をマウント９、及び１台の予備水槽１０を備える。流入部３に幹線１１から水（雨水及び汚水）が流入し（矢印Ａ１）、下流側（例えば下水処理施設）へ向けて流出する（矢印Ａ２）。しかし、幹線１１から流入部３に流入する水の流量が越流堰６で規定された流入量を上回ると、流入部３内の水は越流堰６を越えて流入水路７を経て沈砂槽８に流入する。越流堰６を越える水の流入の継続によって沈砂槽８内の水位がマウント９の上端を越えると、水はマウント９の下流側の斜面から吸水槽５の底部へ流入する。吸水槽５内の水はポンプ４Ａ〜４Ｅにより図示しない下流側（例えば河川等）へ排出される。
【００２０】
本実施形態では、ポンプ４Ａ〜４Ｅは先行待機型ではなく通常型の立軸ポンプである。例えば吸水槽５にポンプ井２内の水位を検出する水位センサ（図示せず）が設置されている。ポンプ４Ａ〜４Ｅは水位センサによって検出された水位に応じてコントローラ（図示せず）により起動及び停止される。具体的には、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅは水位センサにより検出された水位が排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５となると起動されて排水を開始し、排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５となると停止される。
【００２１】
以下、ポンプ場１の主要緒元を説明する。下記の表１に示すように、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅの排水量Ｑが４００m3/min（６．６６７m3/s）、越流堰６を越える計画流入量Ｑｉが２６．６６７m3/sである。また、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータの起動を開始してからそのモータに給電する発電機（図示せず）への負荷が安定する定常的な運転状態に移行するまで要する時間（その逆に定常的な運転状態にあるポンプ４Ａ〜３Ｅのいずれかのモータを停止を開始してからそのモータに給電する発電機への負荷が完全にその零になるまでの時間も同一とみなす）を整定時間Ｔｓとする。本実施形態では整定時間Ｔｓは２０ｓである。
【００２２】
【表１】
【００２３】
ポンプ井２の主な寸法は、以下の表２に示す通りである。なお、水位を含めポンプ井２に関する高さないしレベルは、東京湾平均海面水位（ＴＰ）を基準として表す。
【００２４】
【表２】
【００２５】
以下、このポンプ場１を例にポンプ４Ａ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５及び排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５を設定する具体的な手順を説明する。
【００２６】
まず、ポンプ井１内に全く水が存在しない状態から吸水槽５に水が直接流入する状態が継続する場合を想定する。吸水槽５への水の流入が継続すると、水は吸水槽５からマウント９、沈砂槽８、流入水路７、及び越流堰６を経て流入部３へ流入していく。この場合のポンプ井２内の水位Ｌの上昇に伴い、ポンプ井２内の水が溜まっている部分の平面視での面積Ａと、ポンプ井２内に溜まっている水の体積Ｖとは、以下の表３のように変化する。表３の面積Ａと体積Ｖは、表２に示す寸法を使用して算出される。また、水位Ｌと面積Ａ及び体積Ｖの関係を図２に示す。
【００２７】
【表３】
【００２８】
次に、ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５の設定について説明する。なお、本実施形態では、ポンプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの順で順次排水が開始される。
【００２９】
まず、最初に始動を開始するポンプ４Ａの排水開始水位ＷＬｓ１の設定を説明する。排水開始水位ＷＬｓ１はマウント９を越えて水が吸水槽５に流入する際のマウント９の上端から水面までの高さ（越流高さＨ）を考慮して設定する。まず、越流高さＨが既に過度に高くなった状態でポンプ４Ａが排水を開始しても、吸水槽５への流入量に対してポンプ４Ａの排水量が釣り合わず、排水開始に遅れために例えば都市型のゲリラ豪雨時の急激な水位上昇により浸水被害等を生じることになる。一方、もし、越流高さＨが過度に低い状態でポンプ４Ａが排水を開始すると、吸水槽５内の水位が短時間で低下してポンプ４Ａを停止させることになる。その後、ポンプ４Ａの停止後短時間で吸水槽５内の水位が再上昇し、ポンプ４Ａを再始動させることになる。つまり、越流高さＨが過度に低い状態でポンプ４Ａが排水を開始させると、ポンプ４Ａはハンチング運転を行うことなる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、マウント９を越えて吸水槽５に流入する水の流量である越流量ｑがポンプ４Ａの排水量Ｑをわずかに上回るようになる越流高さＨを求める。より具体的には、越流量ｑがポンプ４Ａの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める。このような越流高さＨでポンプ４Ａの排水を開始させれば、排水遅れを生じることこともなく、かつポンプ４Ａの排水量Ｑと越流量ｑが釣り合っているのでハンチング運転となることもない。越流高さＨは以下の式（１）を用いて逐次計算する。
【００３１】
【数４】
【００３２】
逐次計算の結果を表４に示す。なお、流量係数ｍは０．９４、重力加速度ｇは９．８m/s2とした。
【００３３】
【表４】
【００３４】
ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水量Ｑは６．６６７m3/sであるので、表４より越流高さＨが１mのときにＱ≦ｑ＜１．０５Ｑを満たす。次に、この越流高さＨ（１m）に対応する水位を求める。表２に示すように、本実施形態ではマウント９の上端のレベルＬｍが−８．５mであるから、１ｍの越流高さＨに対応するポンプ井２内の水位、つまり排水開始水位ＷＬｓ１は−７．５m（＝１−８．５(m)）である。
【００３５】
次に、２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ２〜ＷＬｓ５の設定を説明する。２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅについては、整定時間Ｔｓがあることによるポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータに給電する発電機への総負荷の急激な変動を防止しつつ、吸水槽５への流入量の増加に対して排水遅れが生じないように設定する。具体的には、まず以下の式（２）に基づいて水位差Ｈｓを求める。
【００３６】
【数５】
【００３７】
２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ２〜ＷＬｓ５は以下の式（３）のように設定される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
図３は時間経過と個々のポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータに給電する発電機の負荷の総和の関係を示す。この図３（時刻ｔ１〜ｔ５）は、時刻ｔ１にポンプ井２内の水位がＷＬｓ１に達して１台目のポンプ４Ａが起動されて排水を開始、その後ポンプ井２内の水位が一定速度で上昇を続けた場合を示している。時刻ｔ１に１台目のポンプ４Ａが起動して発電機に対する負荷が安定した時点（つまり整定時間Ｔｓに相当する水位上昇があった時点で）２台目のポンプ４Ｂを起動している（時刻ｔ２）。３台目から５台目のポンプ４Ｃ〜４Ｅについても同様である（時刻ｔ３，ｔ４，ｔ５）。このように整定時間Ｔｓに相当する水位上昇があった時点で２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅを順次起動させることで、発電機への総負荷の急激な変動を防止しつつ、吸水槽５への流入量の増加に対する排水遅れを防止できる。
【００４０】
次に、ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５の設定について説明する。なお、本実施形態では、排水開始と逆の順序、すなわちポンプ４Ｅ，４Ｄ，４Ｃ，４Ｂ，４Ａの順で順次排水が停止されるものとする。ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５は以下の式（４）で示すように排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５から水位差Ｈｓを引いた値とする。
【００４１】
【数７】
【００４２】
図３の時刻ｔ６〜ｔ１０は、時刻ｔ７にポンプ４Ｅの停止が開始し、その後ポンプ井２内の水位が一定速度で降下し続けた場合を示している。ポンプ４Ｅが完全に停止して発電機に対する負荷が安定した時点（つまり整定時間Ｔｓに相当する水位差Ｈｓだけ低下があった時点）で、次のポンプ４Ｄの停止を開始している（時刻ｔ７）。ポンプ４Ｄに続いて停止されるポンプ４Ｃ，４Ｂ，４Ａについても同様である（時刻ｔ８，ｔ９，ｔ１０）。
【００４３】
前述のように水位差Ｈｓは整定時間Ｔｓに対応しているので、排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５を式（４）のように設定すれば、整定時間Ｔｓがあることによるポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータに給電する発電機への総負荷の急激な変動を防止しつつ、駆動するポンプ４Ａ〜４Ｅの台数をポンプ井２内の水位の低下に伴って順次減少させることができる。また、最後に停止されるポンプ４Ａについては、Ｑ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨに対応する水位（排水開始水位Ｗｓ１）よりも整定時間Ｔｓに対応する水位に相当する水位差Ｈｓだけ低い排水停止水位ＷＬｅ１（＝Ｗｓ１−Ｈｓ）で運転が停止される。従って、ポンプ４Ａが停止を開始してから完全に停止するまでの排水量（整定時間Ｔｓ中の排水量）によってポンプ４Ａの排水量が越流量ｑを上回ることがなく、ハンチング運転は生じない。
【００４４】
以上のように、本実施形態の方法で排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５と排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５を設定することで、通常型のポンプ４Ａ〜４Ｅにおいて、排水開始の遅延とハンチング運転の両方を防止することができる。
【００４５】
ポンプ４Ａ〜４Ｅは図４に示すように先行待機型の立軸ポンプであってもよい。吸込ベル２１のインペラ２２よりも下側の位置に形成された吸気孔２１ａに吸気管２３の一端が連結され、この吸気管２３の他端がポンプ井２内の水位に関係なく常に大気に開放されている。水位に応じた流量の空気が吸気管２３から吸気孔２１ａを経て吸込ベル２１内に流入することで、急激な空気の吸込により衝撃や振動を生じることなく、水位にかかわらずインペラ２２の回転を継続させることができる。
【００４６】
ポンプ４Ａ〜４Ｅが図４に示す先行待機型の立軸ポンプである場合、インペラ２２の上端（出口端部）を排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５設定すればよい。かかる設定により排水遅れを防止できる。また、この場合、吸気孔２１ａの高さ位置を排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５に設定すればよい。ただし、水位差Ｈｓよりポンプ口径ｄが大きい場合（Ｈｓ＞ｄ）、以下の式（５）に示すように排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５からポンプ口径ｄを引いた値を個々のポンプ４Ａ〜４Ｅの排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５に設定し、この水位を吸気孔２１ａの高さ位置に設定する。
【００４７】
【数８】
【００４８】
合流式下水道のポンプ場を例に本発明を説明したが、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプを備える限り、ポンプ場の種類は特に限定されない。
【符号の説明】
【００４９】
１ ポンプ場
２ ポンプ井
３ 流入部
４Ａ〜４Ｅ ポンプ
５ 吸水槽
６ 越流堰
７ 流入水路
８ 沈砂槽
９ マウント
１０ 予備水槽
１１ 幹線
２１ 吸込ベル
２１ａ 吸気孔
２２ インペラ
２３ 吸気管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合流式下水道等のポンプ場におけるポンプの運転水位の設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
合流式下水道等におけるポンプ場（例えば特許文献１参照）のポンプ井は、幹線から水（雨水及び汚水）が入流する流入部を備える。この流入部とポンプが設置された吸水槽との間には、越流堰、流入水路、沈砂槽、及びマウントが設けられている。幹線から流入する水の流量が越流堰で規定された流量を上回ると、流入部から流入水路を経て沈砂槽に水が流入する。ポンプ井の水位がさらに上昇してマウントを越えると、吸水槽に水が流入する。
【０００３】
ポンプが吸水槽内の水の排水を開始するポンプ井内の水位（排水開始水位）の設定は、この種のポンプ場を運用する上で重要である。吸水槽の底部から吸込ベルの寸法に係数（例えば１．５）を乗じた値までの高さをポンプの排水開始水位を設定することが知られている。しかし、このような一般的な排水開始水位の設定では、例えば都市型のゲリラ豪雨時の急激な水位上昇に対し、ポンプの排水開始に遅れを生じるおそれがある。ポンプの排水開始の遅れは、浸水被害等の原因となる。
【０００４】
排水開始の遅延回避のみを考慮して排水開始水位を過度に低い水位に設定すると、マウントを越えて吸水槽に流入する水の流量に対してポンプの排水量が不釣り合いに大きくなる。この場合、ポンプが先行待機型（例えば特許文献２参照）ではなく通常型であると、吸水槽内の水位が短時間で低下してポンプを停止させることになる。しかし、ポンプ停止後短時間で吸水槽内の水位は排水開始水位まで再度上昇し、ポンプの再始動となる。その結果、ポンプの運転としては、排水開始水位付近で始動と停止が短時間で繰り返されることになる（いわゆるハンチング運転）。以上のように通常型のポンプでは、排水水位開始水位を適切に設定しないと、排水開始遅れとハンチング運転とが問題となる。
【０００５】
ポンプが先行待機型であっても、インペラを位置に適切に設定しないと同様にハンチング運転が問題となり、自家発電源の喪失につながる危険もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−５８９２０号公報
【特許文献２】特開２００４−１６２６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプにおいて、排水開始の遅延とハンチング運転との両方を防止することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書において、ポンプの運転水位は、ポンプの排水開始水位と排水停止水位の両方を含む。ポンプの排水開始水位とは、それまでは吸水槽内の排水を行っていなかったポンプがポンプ井内の水位の上昇により排水を開始する水位をいう。一方、ポンプの排水停止水位は、それまでは吸水槽槽内の水を排水していたポンプがポンプ井内の水位の低下により排水を停止する水位をいう。
【０００９】
本発明は、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用の複数のポンプの運転水位を設定する方法であって、前記マウントを越えて前記吸水槽に流入する水の流量である越流量ｑが前記ポンプの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるように前記マウントの上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求め、この越流高さＨに対応する前記マウント及び前記吸水槽を含むポンプ井の水位を最初に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓ１に設定することを特徴とする、ポンプの運転水位の設定方法を提供する。
【００１０】
具体的には、下記の式を用いてＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める。
【００１１】
【数１】
【００１２】
前記排水開始水位ＷＬｓ１に以下の式を用いて求めた水位差Ｈｓのｎ倍を加えた水位を２番目以降でｎ番目に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓｎに設定する。
【００１３】
【数２】
【００１４】
また、ｎ番目に排水を開始させた前記ポンプの排水を停止させる水位である排水停止水位ＷＬｅｎを以下の式に基づいて設定する。
【００１５】
【数３】
【発明の効果】
【００１６】
本発明にかかるポンプの運転水位の設定方法により、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプにおける排水開始の遅延を防止して浸水被害等を回避できる。また、本発明にかかるポンプの運転水位の設定方法により、ハンチング運転を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るポンプの運転水位の設定方法が適用されるポンプ場の一例を示す模式図。
【図２】水位に対するポンプ井に蓄えられた水の平面視での水面の面積及び体積の関係を示す線図。
【図３】時間の経過と発電機に作用する負荷の関係の一例を模式的に示す線図。
【図４】先行待機型立軸ポンプの下端付近の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
図１は、本発明の設定方法によりポンプの排水開始水位と排水停止水位を設定する対象の一例である合流式下水道におけるポンプ場１を示す。図１の上側が縦断面図で、下側が平面図である。このポンプ場１のポンプ井２は、流入部３と複数台（本実施形態では５台）の立軸ポンプ４Ａ〜４Ｅ（以下単にポンプという）が設置された吸水槽５との間に、越流堰６、流入水路７、沈砂槽８、平坦な上端と上下流側の斜面をマウント９、及び１台の予備水槽１０を備える。流入部３に幹線１１から水（雨水及び汚水）が流入し（矢印Ａ１）、下流側（例えば下水処理施設）へ向けて流出する（矢印Ａ２）。しかし、幹線１１から流入部３に流入する水の流量が越流堰６で規定された流入量を上回ると、流入部３内の水は越流堰６を越えて流入水路７を経て沈砂槽８に流入する。越流堰６を越える水の流入の継続によって沈砂槽８内の水位がマウント９の上端を越えると、水はマウント９の下流側の斜面から吸水槽５の底部へ流入する。吸水槽５内の水はポンプ４Ａ〜４Ｅにより図示しない下流側（例えば河川等）へ排出される。
【００２０】
本実施形態では、ポンプ４Ａ〜４Ｅは先行待機型ではなく通常型の立軸ポンプである。例えば吸水槽５にポンプ井２内の水位を検出する水位センサ（図示せず）が設置されている。ポンプ４Ａ〜４Ｅは水位センサによって検出された水位に応じてコントローラ（図示せず）により起動及び停止される。具体的には、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅは水位センサにより検出された水位が排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５となると起動されて排水を開始し、排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５となると停止される。
【００２１】
以下、ポンプ場１の主要緒元を説明する。下記の表１に示すように、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅの排水量Ｑが４００m3/min（６．６６７m3/s）、越流堰６を越える計画流入量Ｑｉが２６．６６７m3/sである。また、個々のポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータの起動を開始してからそのモータに給電する発電機（図示せず）への負荷が安定する定常的な運転状態に移行するまで要する時間（その逆に定常的な運転状態にあるポンプ４Ａ〜３Ｅのいずれかのモータを停止を開始してからそのモータに給電する発電機への負荷が完全にその零になるまでの時間も同一とみなす）を整定時間Ｔｓとする。本実施形態では整定時間Ｔｓは２０ｓである。
【００２２】
【表１】
【００２３】
ポンプ井２の主な寸法は、以下の表２に示す通りである。なお、水位を含めポンプ井２に関する高さないしレベルは、東京湾平均海面水位（ＴＰ）を基準として表す。
【００２４】
【表２】
【００２５】
以下、このポンプ場１を例にポンプ４Ａ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５及び排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５を設定する具体的な手順を説明する。
【００２６】
まず、ポンプ井１内に全く水が存在しない状態から吸水槽５に水が直接流入する状態が継続する場合を想定する。吸水槽５への水の流入が継続すると、水は吸水槽５からマウント９、沈砂槽８、流入水路７、及び越流堰６を経て流入部３へ流入していく。この場合のポンプ井２内の水位Ｌの上昇に伴い、ポンプ井２内の水が溜まっている部分の平面視での面積Ａと、ポンプ井２内に溜まっている水の体積Ｖとは、以下の表３のように変化する。表３の面積Ａと体積Ｖは、表２に示す寸法を使用して算出される。また、水位Ｌと面積Ａ及び体積Ｖの関係を図２に示す。
【００２７】
【表３】
【００２８】
次に、ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５の設定について説明する。なお、本実施形態では、ポンプ４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅの順で順次排水が開始される。
【００２９】
まず、最初に始動を開始するポンプ４Ａの排水開始水位ＷＬｓ１の設定を説明する。排水開始水位ＷＬｓ１はマウント９を越えて水が吸水槽５に流入する際のマウント９の上端から水面までの高さ（越流高さＨ）を考慮して設定する。まず、越流高さＨが既に過度に高くなった状態でポンプ４Ａが排水を開始しても、吸水槽５への流入量に対してポンプ４Ａの排水量が釣り合わず、排水開始に遅れために例えば都市型のゲリラ豪雨時の急激な水位上昇により浸水被害等を生じることになる。一方、もし、越流高さＨが過度に低い状態でポンプ４Ａが排水を開始すると、吸水槽５内の水位が短時間で低下してポンプ４Ａを停止させることになる。その後、ポンプ４Ａの停止後短時間で吸水槽５内の水位が再上昇し、ポンプ４Ａを再始動させることになる。つまり、越流高さＨが過度に低い状態でポンプ４Ａが排水を開始させると、ポンプ４Ａはハンチング運転を行うことなる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、マウント９を越えて吸水槽５に流入する水の流量である越流量ｑがポンプ４Ａの排水量Ｑをわずかに上回るようになる越流高さＨを求める。より具体的には、越流量ｑがポンプ４Ａの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める。このような越流高さＨでポンプ４Ａの排水を開始させれば、排水遅れを生じることこともなく、かつポンプ４Ａの排水量Ｑと越流量ｑが釣り合っているのでハンチング運転となることもない。越流高さＨは以下の式（１）を用いて逐次計算する。
【００３１】
【数４】
【００３２】
逐次計算の結果を表４に示す。なお、流量係数ｍは０．９４、重力加速度ｇは９．８m/s2とした。
【００３３】
【表４】
【００３４】
ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水量Ｑは６．６６７m3/sであるので、表４より越流高さＨが１mのときにＱ≦ｑ＜１．０５Ｑを満たす。次に、この越流高さＨ（１m）に対応する水位を求める。表２に示すように、本実施形態ではマウント９の上端のレベルＬｍが−８．５mであるから、１ｍの越流高さＨに対応するポンプ井２内の水位、つまり排水開始水位ＷＬｓ１は−７．５m（＝１−８．５(m)）である。
【００３５】
次に、２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ２〜ＷＬｓ５の設定を説明する。２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅについては、整定時間Ｔｓがあることによるポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータに給電する発電機への総負荷の急激な変動を防止しつつ、吸水槽５への流入量の増加に対して排水遅れが生じないように設定する。具体的には、まず以下の式（２）に基づいて水位差Ｈｓを求める。
【００３６】
【数５】
【００３７】
２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅの排水開始水位ＷＬｓ２〜ＷＬｓ５は以下の式（３）のように設定される。
【００３８】
【数６】
【００３９】
図３は時間経過と個々のポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータに給電する発電機の負荷の総和の関係を示す。この図３（時刻ｔ１〜ｔ５）は、時刻ｔ１にポンプ井２内の水位がＷＬｓ１に達して１台目のポンプ４Ａが起動されて排水を開始、その後ポンプ井２内の水位が一定速度で上昇を続けた場合を示している。時刻ｔ１に１台目のポンプ４Ａが起動して発電機に対する負荷が安定した時点（つまり整定時間Ｔｓに相当する水位上昇があった時点で）２台目のポンプ４Ｂを起動している（時刻ｔ２）。３台目から５台目のポンプ４Ｃ〜４Ｅについても同様である（時刻ｔ３，ｔ４，ｔ５）。このように整定時間Ｔｓに相当する水位上昇があった時点で２台目以降のポンプ４Ｂ〜４Ｅを順次起動させることで、発電機への総負荷の急激な変動を防止しつつ、吸水槽５への流入量の増加に対する排水遅れを防止できる。
【００４０】
次に、ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５の設定について説明する。なお、本実施形態では、排水開始と逆の順序、すなわちポンプ４Ｅ，４Ｄ，４Ｃ，４Ｂ，４Ａの順で順次排水が停止されるものとする。ポンプ４Ａ〜４Ｅの排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５は以下の式（４）で示すように排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５から水位差Ｈｓを引いた値とする。
【００４１】
【数７】
【００４２】
図３の時刻ｔ６〜ｔ１０は、時刻ｔ７にポンプ４Ｅの停止が開始し、その後ポンプ井２内の水位が一定速度で降下し続けた場合を示している。ポンプ４Ｅが完全に停止して発電機に対する負荷が安定した時点（つまり整定時間Ｔｓに相当する水位差Ｈｓだけ低下があった時点）で、次のポンプ４Ｄの停止を開始している（時刻ｔ７）。ポンプ４Ｄに続いて停止されるポンプ４Ｃ，４Ｂ，４Ａについても同様である（時刻ｔ８，ｔ９，ｔ１０）。
【００４３】
前述のように水位差Ｈｓは整定時間Ｔｓに対応しているので、排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５を式（４）のように設定すれば、整定時間Ｔｓがあることによるポンプ４Ａ〜４Ｅを駆動するモータに給電する発電機への総負荷の急激な変動を防止しつつ、駆動するポンプ４Ａ〜４Ｅの台数をポンプ井２内の水位の低下に伴って順次減少させることができる。また、最後に停止されるポンプ４Ａについては、Ｑ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨに対応する水位（排水開始水位Ｗｓ１）よりも整定時間Ｔｓに対応する水位に相当する水位差Ｈｓだけ低い排水停止水位ＷＬｅ１（＝Ｗｓ１−Ｈｓ）で運転が停止される。従って、ポンプ４Ａが停止を開始してから完全に停止するまでの排水量（整定時間Ｔｓ中の排水量）によってポンプ４Ａの排水量が越流量ｑを上回ることがなく、ハンチング運転は生じない。
【００４４】
以上のように、本実施形態の方法で排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５と排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５を設定することで、通常型のポンプ４Ａ〜４Ｅにおいて、排水開始の遅延とハンチング運転の両方を防止することができる。
【００４５】
ポンプ４Ａ〜４Ｅは図４に示すように先行待機型の立軸ポンプであってもよい。吸込ベル２１のインペラ２２よりも下側の位置に形成された吸気孔２１ａに吸気管２３の一端が連結され、この吸気管２３の他端がポンプ井２内の水位に関係なく常に大気に開放されている。水位に応じた流量の空気が吸気管２３から吸気孔２１ａを経て吸込ベル２１内に流入することで、急激な空気の吸込により衝撃や振動を生じることなく、水位にかかわらずインペラ２２の回転を継続させることができる。
【００４６】
ポンプ４Ａ〜４Ｅが図４に示す先行待機型の立軸ポンプである場合、インペラ２２の上端（出口端部）を排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５設定すればよい。かかる設定により排水遅れを防止できる。また、この場合、吸気孔２１ａの高さ位置を排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５に設定すればよい。ただし、水位差Ｈｓよりポンプ口径ｄが大きい場合（Ｈｓ＞ｄ）、以下の式（５）に示すように排水開始水位ＷＬｓ１〜ＷＬｓ５からポンプ口径ｄを引いた値を個々のポンプ４Ａ〜４Ｅの排水停止水位ＷＬｅ１〜ＷＬｅ５に設定し、この水位を吸気孔２１ａの高さ位置に設定する。
【００４７】
【数８】
【００４８】
合流式下水道のポンプ場を例に本発明を説明したが、マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用のポンプを備える限り、ポンプ場の種類は特に限定されない。
【符号の説明】
【００４９】
１ ポンプ場
２ ポンプ井
３ 流入部
４Ａ〜４Ｅ ポンプ
５ 吸水槽
６ 越流堰
７ 流入水路
８ 沈砂槽
９ マウント
１０ 予備水槽
１１ 幹線
２１ 吸込ベル
２１ａ 吸気孔
２２ インペラ
２３ 吸気管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用の複数のポンプの運転水位を設定する方法であって、
前記マウントを越えて前記吸水槽に流入する水の流量である越流量ｑが前記ポンプの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるように前記マウントの上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求め、この越流高さＨに対応する前記マウント及び前記吸水槽を含むポンプ井の水位を最初に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓ１に設定することを特徴とする、ポンプの運転水位の設定方法。
【請求項２】
下記の式を用いてＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める、請求項１に記載のポンプの運転水位の設定方法。
【数１】
【請求項３】
前記排水開始水位ＷＬｓ１に以下の式を用いて求めた水位差Ｈｓのｎ倍を加えた水位を２番目以降でｎ番目に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓｎに設定することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のポンプの運転水位の設定方法。
【数２】
【請求項４】
ｎ番目に排水を開始させた前記ポンプの排水を停止させる水位である排水停止水位ＷＬｅｎを以下の式に基づいて設定する、請求項３に記載のポンプの運転水位の設定方法。
【数３】
【請求項１】
マウントを越えて上流側から水が流入する吸水槽に設置された排水用の複数のポンプの運転水位を設定する方法であって、
前記マウントを越えて前記吸水槽に流入する水の流量である越流量ｑが前記ポンプの排水量Ｑに対してＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなるように前記マウントの上端から越流する水の水面までの高さである越流高さＨを求め、この越流高さＨに対応する前記マウント及び前記吸水槽を含むポンプ井の水位を最初に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓ１に設定することを特徴とする、ポンプの運転水位の設定方法。
【請求項２】
下記の式を用いてＱ≦ｑ＜１．０５Ｑとなる越流高さＨを求める、請求項１に記載のポンプの運転水位の設定方法。
【数１】
【請求項３】
前記排水開始水位ＷＬｓ１に以下の式を用いて求めた水位差Ｈｓのｎ倍を加えた水位を２番目以降でｎ番目に排水を開始させる前記ポンプの排水開始水位ＷＬｓｎに設定することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のポンプの運転水位の設定方法。
【数２】
【請求項４】
ｎ番目に排水を開始させた前記ポンプの排水を停止させる水位である排水停止水位ＷＬｅｎを以下の式に基づいて設定する、請求項３に記載のポンプの運転水位の設定方法。
【数３】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１５７９４９（Ｐ２０１１−１５７９４９Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２８１６（Ｐ２０１０−２２８１６）
【出願日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（０００１５２１７０）株式会社酉島製作所 (89)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（０００１５２１７０）株式会社酉島製作所 (89)
【Ｆターム（参考）】
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