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【プラント設計の基礎】遠心ポンプの基礎知識、原理や特徴をわかりやすく解説します!

2019年3月13日

【プラント設計の基礎】遠心ポンプの基礎知識、原理や特徴をわかりやすく解説します!

みなさんこんにちは、プラントエンジニアのヤンです。

現役プラントエンジニアが教えるプラント設計の基礎知識。

学校では教えてくれないことを中心に、実務に直結する内容を書いていきます。今回は「遠心ポンプ」について語ります。

プラントや工場の中では多くの液体が搬送されており低所から高所へ、時には遠方へ搬送されます。その時に必要なのがポンプです。我々が普段何気に使用する水道の水もポンプで搬送されてきます。

つまりポンプがなければ我々の生活は成り立たないですし、プラントの中でも液体の搬送ができないと言っても過言ではありません。その中でも遠心ポンプは容積式ポンプと比べて取り扱いが簡単なので、非常に多くのところで使われています。

では遠心ポンプの基本的な構造はどうなっているのでしょうか?

>>【プラント設計の基礎】ポンプの超基礎:容積式

>>【プラント設計の基礎】容積式ポンプと遠心ポンプの違いと使い方を解説!

 

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簡単なプロフィール

【ヤン】
高専卒のプラントエンジニア。大卒との待遇の違いから一念発起して英語と資格の勉強をしまくる。プラントエンジニアリングのノウハウから資格・英語の勉強法に関する情報を提供しています。保有資格:1級管工事施工管理技士、1級機械保全技能士、英検準1級、TOEIC870点、甲種機械高圧ガス製造保安責任者、エネルギー管理士(熱)。趣味はバイクとキャンプ、愛車はGSX1300R隼。

ポンプの必要性

液体は基本的に重力により高所から低所へは自然に流れます。これは位置エネルギーによるものです。とは言ってもプラントや工場では常に高所から低所へ水が流れるわけではありませんよね?

どちらかというとタンクの底から次のタンクの上部などのように、低所から高所へ液体を搬送する必要が多くなります。となると位置エネルギーの代わりに何かのエネルギーにより液体に力を与える必要があります。

そこでポンプにより圧力エネルギーを与えることで液体を低所から高所へ搬送します。とはいっても配管内の摩擦で損失が発生するので、その損失も加味する必要があります。

つまりポンプは位置エネルギーの代わりに圧力エネルギーを液体に与えることで、搬送に必要なエネルギーを与えることができます。

遠心ポンプの原理

以前解説した容積式ポンプと同じように、遠心ポンプにも回転部品がありモーターにより回転させて液体を搬送させます。

しかし、その容積変化により液体を移送する容積ポンプとは異なり、遠心ポンプは液体を移動させるのに運動エネルギー(遠心力)を利用します

遠心ポンプの場合、運動エネルギーはポンプ内の回転部分によって発生し、その遠心力によって液体が吐出口から排出されます。

この概念を説明するために、底に小さな穴があいているバケツのハンドルにロープを結び付けたものを想像してみてください。

これで、バケツを水で満たすとどうなるでしょうか?重力のおかげで水は穴から滴り落ちるだけです。

しかし、ロープを手に取り輪の中でできる限り速くバケツを回転させます。この急速な回転が遠心力を生み出し、その結果穴からかなり強力な水流が発生します。

バケツを速く回転させるほど、流れは強くなります。

遠心ポンプの構造

遠心ポンプに関しての構造は下記の図がのようになっています。内部にインペラと呼ばれる羽があり、これが回転することでその遠心力のエネルギーを液体に与えます。基本的に遠心ポンプはインペラの中心から入り、接線方向から排出されます。

遠心ポンプに関しての構造
Wikipediaより引用

インペラはモーターなどの何らかの機械的エネルギー源によって駆動されるシャフトに取り付けられています。

水は回転する羽根車の中心(Suction Side)からポンプに入ります。次に、水は遠心力の作用で羽根車の表面を滑り中心から端まで移動します。その力はそれをインペラからポンプハウジング内へ押し出します。結果として軸と直角の半径方向に吐き出されます。

ハウジングが「渦巻き」と呼ばれる特別な形をしていることに気付くでしょう。この渦巻きは、渦巻き状のカタツムリの殻のように見えます。

渦巻きの形状はインペラから出てくる水を、ポンプの側面の排出口に導くのに役立ちます。ポンプの羽根車が速く回転するほど、水が羽根車から取り上げる運動エネルギーが多くなります。

遠心ポンプのメリットとデメリット

遠心ポンプは多くのプラントや工場で使用されているポンプですが、容積式ポンプと比べるとデメリットが発生する場合があります。遠心ポンプのメリットとデメリットを正確に理解して、適正なポンプを選定できるようにしましょう。

遠心ポンプのメリット
  • 構造上圧力が一定以上上昇しない。
  • 出口側のバルブが閉じても流量が0になるので万が一の場合でも安全。
  • 流量調整がコントロール弁、インバーターの両方で行える。
  • 幅広い液体に対応できる。

 

遠心ポンプのデメリット
  • (容積式ポンプと比べると)吐出圧力が小さい。
  • 高粘度流体には対応できない。
  • インバーターの使用方法を誤ると送液不能になる。
  • NPSHを考慮しないと送液不能になる。

遠心ポンプは非常に幅広く使われているので「万能なポンプ」と勘違いしている人も多いですが、高粘度流体には対応できないですし吐出圧力も容積式と比べると低いです。これらをよく理解して最適なポンプを選定しましょう。

遠心ポンプの選定方法

遠心ポンプを選定する際に重要なのは以下の3点となります。

  • 流量
  • 全揚程
  • 吸い込み全揚程

です。これら3つのうちどれか一つでもかければ送液できなくなりますので、正確に選定することが必要です。

流量

その名の通り必要な量を流すことのできるポンプが必要です。これは基本的に設計条件により決まりますので、ポンプの選定がどうこうよりも設計に起因するトラブルの方が多いです。

全揚程

ポンプは圧力を液体に与えて低所から高所へと搬送しますが、その時に必要な圧力は単純に高さではありません。配管自体の圧力損失や道中のバルブなどによる損失も発生します。

これらを加味して考えたポンプの必要な圧力が全揚程となります。これが足りないと圧力不足により送液ができない、もしくは送液はできるけど流量が極端に低いなどのトラブルの元になります。

吸い込み全揚程

ポンプで地下にあるピットなどから吸い上げるときは、ポンプの吸い込み能力も重要となります。吸い上げる際はポンプ入口が下がることにより、ピットなどの液体の表面に生じる大気圧も利用して、液体を吸い込みます。

このとき、液体の飽和蒸気圧よりポンプの吸い込み側圧力が低くなると、キャビテーションというトラブルの元になるので注意が必要です。

一般的にはNPSHと呼ばれることが多いですが、これらもしっかりと計算して求めておくことでトラブルを回避できます。

遠心ポンプの選定方法

実際に遠心ポンプを使用する場合の注意点です。容積式ポンプと比べると扱いやすいポンプですが注意点は色々必要です。

遠心ポンプの使用上の注意点
  • 入り口配管径はなるべく太くして流速は0.5〜1m/sに抑える。
  • 出口の流速は1〜2m/sになるように設計する。
  • 出口には必ず逆止弁を設ける。逆止弁のあとに手動弁を設ければ逆止弁の交換が行いやすくなる。
  • 流量調整を行いたい場合はバルブで行うか、インバーターで行うのが良いかよく検討する。バルブであれば簡単であるがインバーターよりも省エネ効果が小さい。インバーターは省エネ効果が大きいが吐出圧が下がる。
  • NPSHに注意する。
  • 吸い込み揚程はできる限り小さくする。
  • 吸い込み液面圧力をあるべく上げる。
  • 常時運転しているが吐出側を閉じていることが多い場合にはミニマムフローラインを設ける。

遠心ポンプのトラブルとその原因

遠心ポンプに関するトラブルとその対処法をまとめています。

キャビテーション

ポンプの運転時に発生する問題としてキャビテーションがあります。これは液体中の圧力がその時の温度の蒸気圧よりも低い部分が生じて、液体の蒸発や溶融しているガスにより小さな気泡を多数発生する減少です。

この気泡は振動や騒音の原因になるだけでなく、気泡が羽根車やケーシングに付着して破壊するとその際の衝撃波によりエロージョンが生じます。

なお、基本的にキャビテーションは圧力が低くなる所、ポンプの吸い込み側に発生しやすいので

キャビテーションを発生させないための対策
  • ポンプの入り口配管径を太くして流速を0.5〜1m/sに抑える。
  • なるべく液温が低くなるようにする。
  • 有効吸い込み揚程(NPSH:Net Positive Suction Head)に注意する。
  • ポンプの吸い込み位置をできるだけ下げて吸い込み揚程を小さくする。
  • ポンプの回転速度を下げる。
  • 吸い込みの液面を上げる。
  • 吸い込み液面圧力を上げる
  • 液体中の混入ガスを少なくする。

これらを注意することでキャビテーションを防ぎましょう。

サージング

サージングはキャビテーションと似ている現象です。基本的に気体の圧縮に使用するターボ型ブロワに発生する現象ですが遠心ポンプでも発生する場合があります。

ポンプ出口側で圧力が急激に変化すると液体の搬送が不安定となり、振動が発生するので注意が必要です。

サージングの防止対策
  • 吐出配管に空気溜まりなどを生じさせないようにする。
  • 配管途中に貯槽などを設けない。
  • エア弁を設けて試運転段階でエア抜きをしっかりとする。

以上の対策をすることでサージングを防ぐことができます。

振動・異音の発生

キャビテーション、サージングなどが発生した場合に起こるので、設計段階で流速やNPSHをよく検討することが必要。空気を吸い込んでいないかも確認すること。

圧力計の指示が異常

何らかの原因で回転数が低下したり漏洩があると、圧力計の数値が下がる。吐出配管に物が詰まると圧力計の数値は上がる。

キャビテーションやサージングが発生すると圧力計の指示が不安定になる。

モーターの過負荷

遠心ポンプは計画よりも高い吐出量で運転すると軸動力が高くなるのでモーターの過負荷につながる。同様に液体の密度や粘度が高くなると同様に過負荷につながる。

また、インペラになにか詰まって抵抗になると同様に過負荷につながるので、異物が入る恐れがあるときはストレーナーを設置する(ただし圧損に注意!)。

吐出量の減少

使用開始時に正常な吐出量だったのに運転後に下がった場合は羽根車の摩耗などが考えられるので点検をする必要がある。

また、配管内に何か異物が詰まったりスケールで閉塞すると吐出量が減少する。

発熱

締切運転を長くすると液体がケーシングの中でかき回されて発熱する。発熱するとキャビテーションが発生して振動や騒音の原因、羽根車の損傷などが起こる。

プロセス設計上でどうしても締切運転を長くする場合は、ミニマムフローラインを設けて吐出側の最低流量を確保して温度上昇を抑える。

まとめ

遠心ポンプはいろいろな産業で使われている汎用性の高いポンプです。

汎用性が高い反面、使用方法に気をつけ合いと大きなトラブルに繋がる恐れがあるので、配管設計やプロセス設計で注意が必要です。

別の記事ではもう少し詳しく各ポンプの違いや、運転方法などを解説したいと思っています。

ポンプの選定とトラブル対策-現場で起きた故障事例と対処法-

>>【プラント設計の基礎】ポンプの超基礎:容積式

>>【プラント設計の基礎】容積式ポンプと遠心ポンプの違いと使い方を解説!

 

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この記事を書いた人

ヤン
・高専卒業後に専業プラントエンジニアとして活躍。その後、化学/食品プラントのエンジニアに転職。プラントエンジニアリングや、資格・英語勉強に関する情報を発信。
・就職後に大卒との待遇の違いから学歴コンプに陥るが、持ち前の負けず嫌いの精神から勉強しまくって大卒を見返す。
・社会では大卒の方が優遇されるが「高専卒の方が即戦力&活躍できる!」ということから全ての高専卒を応援するためにブログを開始。
・主に機械系を担当したのでPFDからPIDの作成などの基本設計から、回転機器選定、配管設計、調達、建設、施工管理、試運転、保守管理を担当。今では設備保全の知識を活かして効率的なメンテナンス計画の立案や設備診断技術の導入も実施。5Sを軸とした仕事&職場&業務効率のカイゼンにも従事。
・保有資格:1級管工事施工管理技士、1級機械保全技能士、英検準1級、TOEIC870点、甲種機械高圧ガス製造保安責任者、エネルギー管理士(熱)
・海外プラントの設計や立ち上げ経験もあり。