化学プラント大全 
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遠心ポンプの流量を下げる方法は、大きく2つあります。吐出し弁を絞って配管抵抗を増やす方法と、インバータで回転数を下げる方法です。
どちらも流量計の表示は下がります。しかし性能曲線で見ると、動かしているものが違います。弁絞りは配管側の曲線を変え、インバータはポンプ側の曲線を変えます。この違いが、消費動力、最低流量、制御範囲、設備の安定性に表れます。
この記事の結論
- 吐出し弁の絞りはシステムカーブを急にする。余った揚程を弁の圧力損失として捨てる
- インバータはポンプのQ-H曲線を低い回転数の曲線へ移す。弁で捨てていた余分な揚程を、はじめから出さずに済む
- 同じポンプの相似状態では、流量は回転数、揚程は回転数の2乗、軸動力は回転数の3乗に比例する
- ただし三乗則はそのまま電気料金の削減率にはならない。静揚程、効率、最低流量、NPSH、電動機・インバータ損失がある
- 吸込弁を絞って流量調節してはいけない。吸込圧力を下げ、NPSHaを失う
- 正解は「常にインバータ」ではない。必要流量の範囲、運転時間、静揚程、設備重要度、保守性で決める
1. 弁絞りとインバータは、何を変えているのか
遠心ポンプの運転点は、ポンプ性能曲線とシステムカーブの交点です。
- ポンプ性能曲線：その回転数で、ポンプが流量ごとにどれだけの揚程を出せるか
- システムカーブ：配管系が、その流量を通すのにどれだけの揚程を必要とするか
吐出し弁を絞ると、同じ流量を通すために必要な圧力損失が増えます。システムカーブが急になり、交点は低流量側へ移ります。ポンプは同じ回転数のままなので、出した揚程の一部を弁で消費しています。
インバータで回転数を下げると、ポンプ性能曲線が全体に下へ移ります（締切揚程は回転数の2乗で下がります）。配管の抵抗は増やさずに、ポンプが出す揚程を下げて交点を移します。
弁絞りでは、ポンプが出した揚程のうちシステムカーブを超える分を弁で捨てています。回転数制御では、その分をはじめから出しません。
2. 吐出し弁を絞ると何が起きるか
吐出し弁を絞ると、弁前後の差圧が大きくなります。流量は下がりますが、ポンプが発生したエネルギーの一部を弁で熱・乱れ・音へ変えています。
それでも絞り制御が広く使われるのは、利点があるからです。
- 構成が単純で、既設ポンプにも適用しやすい
- 調節弁と流量計があれば自動制御しやすい
- 一定回転数なので、低速時の電動機冷却や共振域を考えなくてよい
- 小さな調整幅、短時間運転、予備系では投資回収を考えると合理的なことがある
一方、絞りすぎると小流量運転になります。締切側へ寄るほど、内部循環、温度上昇、振動、ラジアルスラストの問題が強くなります。調節弁の開度だけを見ず、ポンプ流量が許容最小流量を下回っていないかを確認します。
また、調節弁で大きな差圧を連続的に落とすと、弁のキャビテーション、騒音、振動、エロージョンが問題になることがあります。弁の絞り部で圧力が液の蒸気圧近くまで下がるためで、羽根車入口で起きるポンプのキャビテーションと場所は違いますが、仕組みは同じです。
3. インバータ制御とポンプの相似則
同じポンプで回転数だけを変え、流れが相似とみなせる範囲では、次の関係が成り立ちます。
Q₂ / Q₁ ＝ N₂ / N₁
H₂ / H₁ ＝ (N₂ / N₁)2
P₂ / P₁ ＝ (N₂ / N₁)3
Qは流量、Hは揚程、Pは軸動力、Nは回転数です。たとえば回転数を80%にすると、理想的な相似関係では次のようになります。
| 項目 | 回転数100% | 回転数80% |
| 流量 | 100% | 80% |
| 揚程 | 100% | 64% |
| 軸動力 | 100% | 約51% |
この表だけを見ると、インバータは非常に大きな省エネに見えます。ただし、これはポンプ単体を相似運転した理想関係です。実際の電力は、システムカーブとの交点、ポンプ効率、モータ効率、インバータ損失で決まります。
静揚程のある系統で回転数を下げたとき、または弁を絞ったときに運転点がどこへ動くかは、iPhoneアプリポンプ 3D図鑑の運転点の計算で、性能曲線と抵抗曲線を重ねて確かめられます（紹介ページ）。
4. 三乗則どおりに省エネにならない理由
静揚程がある
タンクから高い塔へ送る、加圧容器へ送る、といった系統には流量ゼロでも必要な静揚程があります。回転数を下げても、この固定分は消えません。
回転数を下げすぎてポンプの締切揚程が静揚程を下回ると、液は流れません。その手前でも、流量が許容最小流量を下回れば、締切運転と同じく液温が上がります。インバータの最低周波数を「流量が少ないから」と自由に下げられない理由です。
効率が変わる
相似則の軸動力三乗は、効率が大きく変わらない前提で使う近似です。運転点が最高効率点から離れれば、ポンプ効率は下がります。低速で電動機効率や冷却性能が変わることもあります。
最低流量がある
プロセス要求が小さくても、ポンプの最低流量を下回る運転はできません。最低流量バイパスを流すなら、その再循環分の動力は残ります。
NPSHと配管条件が変わる
一般に回転数を下げると必要NPSHは下がる方向ですが、実際には吸込容器の液面、温度、ストレーナ差圧、再循環による入熱も変わります。回転数だけでキャビテーション余裕を判断しません。
共振域・補助系・電動機条件がある
回転機には、連続運転を避ける回転数帯が指定されることがあります。低速ではモータ内蔵ファンの冷却能力が下がることもあります。軸封や潤滑系、最低速度、加速・減速時間もメーカー確認が必要です。
5. 吸込弁を絞ってはいけない
流量を下げたいときに、吸込弁を絞るのは原則として避けます。吸込弁で圧力損失を増やすと、ポンプ入口の圧力が下がり、NPSHaがそのまま減るからです。
起きることは次の連鎖です。
- 吸込弁を絞る
- 吸込配管の圧力損失が増える
- 羽根車入口の圧力が下がる
- キャビテーションが発生しやすくなる
- 音・振動・揚程低下・壊食へ進む
流量調節は吐出し側の弁か、設計された回転数制御で行います。設備固有の手順で吸込弁を操作する場合を除き、吸込弁は全開が基本です。
6. どちらを選ぶか
| 条件 | 吐出し弁の絞りが向く | インバータが向く |
| 流量変動 | 小さい、まれ | 大きい、長時間続く |
| 年間運転時間 | 短い | 長い |
| 静揚程 | 大きいと差が小さくなりやすい | 摩擦損失の比率が大きい系で効果が出やすい |
| 設備構成 | 単純にしたい | 制御範囲と省エネを重視 |
| 既設改造 | 弁・計装だけで済む場合がある | モータ、インバータ、電源、高調波、冷却の確認が必要 |
| 重要設備 | 故障モードが少ない方を選びやすい | バイパス運転や冗長性を含めて設計する |
実務では、全開・全閉の二択ではありません。インバータで大きく合わせ、調節弁で微調整する組み合わせもあります。重要なのは、年間の運転点分布を使うことです。定格点1点だけでは、省エネ量も最低流量違反も見抜けません。インバータへの信号の入り方と、調節弁との使い分けは調節弁以外の操作端で説明しています。
7. 現場で見るべき値
インバータ運転中は、周波数や回転数だけでなく次を確認します。
- 流量、吸込圧力、吐出し圧力
- ポンプ差圧と、その回転数で予想される揚程
- モータ電流・電力、モータ温度
- 振動・騒音と、禁止回転数帯の通過・滞留
- ミニマムフロー弁の状態とポンプ総流量
- 調節弁開度。インバータを下げながら弁も絞っているなら、制御が競合していないか
同じ流量でも、季節、液温、液密度、上流・下流圧力で必要揚程は変わります。「いつも50 Hzならこの圧力」という固定観念を持たず、運転点で見ます。
まとめ
- 静揚程、最低流量、NPSH、共振域、モータ冷却が回転数制御の下限を決める
- 選定は年間の運転点分布と設備重要度で行い、「インバータなら必ず得」と決めつけない
ポンプを2台使う並列運転と直列運転は「ポンプの並列運転と直列運転」で扱います。2台並列にしても流量が2倍にならない理由を、性能曲線から説明します。
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計算と選定の結果は構想段階の概算で、保証計算ではありません。必要NPSHの概算や比速度からの羽根車の形は目安です。3Dは代表構造の教育用モデルで、特定の機種の寸法・形状とは一致しません。実機の選定・発注・安全判断は、メーカーの性能曲線と仕様書、適用規格で確認してください。
参考文献
- 松村正夫『入門 新ポンプ技術』丸善, 5.3.3「回転速度制御運転」 Amazonで見る
- 外山幸雄『絵とき「ポンプ」基礎のきそ』日刊工業新聞社, 第2章「回転速度を変えた場合の性能変化」 Amazonで見る
- 化学工学協会関東支部編『プロセス機器構造設計シリーズ6 化学プラント用ポンプ・圧縮機』丸善, 5・2・5「バルブによる流量の絞り調節」
- 西野悠司『「配管設計」実用ノート』日刊工業新聞社, 第3章「ポンプ―管路系を設計する」 Amazonで見る
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