ポンプの並列運転と直列運転｜2台で流量・揚程が2倍にならない理由

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ポンプを2台並べれば流量は2倍、直列につなげば揚程は2倍——これは性能曲線上の合成方法としては半分正しく、実際の運転点としては不十分です。

並列では「同じ揚程で流量を足す」、直列では「同じ流量で揚程を足す」。しかし実際に出る流量と揚程は、合成したポンプ曲線とシステムカーブの交点で決まります。さらに、個体差、逆止弁、NPSH、モータ容量、ケーシング・軸封の許容圧力が効きます。

この記事の結論

1. 並列運転とは｜同じ揚程で流量を足す

並列運転は、複数のポンプが共通の吸込ヘッダーから吸い、共通の吐出しヘッダーへ送る接続です。各ポンプの入口圧力と出口圧力がほぼ共通なので、各ポンプが受け持つ揚程は同じになります。

合成曲線は、同じ揚程 H における各ポンプの流量を足して作ります。

Q_total ＝ Q_A ＋ Q_B

同じ性能のポンプ2台なら、ある揚程での合成流量は単機の2倍です。しかし、それは合成曲線上の話です。実際の運転点は、その合成曲線とシステムカーブの交点になります。

配管の摩擦損失は、おおむね流量の2乗に比例して増えます。1台から2台へ切り替えて流量が増えると、配管・弁・熱交換器などの圧力損失も大きくなります。

その結果、2台合成曲線とシステムカーブは、単機流量の2倍より手前で交わります。配管抵抗が大きい系統ほど増加幅は小さくなります。正確な値は実際の曲線で求めます。

増えた総流量を2台で分けるので、同一ポンプなら1台あたりの流量は単機運転時より小さくなることがあります。つまり、2台並列にすると各ポンプは左側の運転点へ移ります。

ここから2つの確認が必要になります。

「2台にした方が各ポンプが楽」とは限りません。1台・2台の両方の運転点を見ます。

実機には製作差、摩耗、羽根車径、回転数、弁開度の違いがあります。性能曲線が異なるポンプを並列運転すると、同じヘッダー圧力でも流量分担は均等になりません。

特に問題になるのは、運転中の系統圧力が、弱いポンプの締切揚程より高い場合です。弱いポンプを始動しても吐出し逆止弁を押し開けられず、ポンプは締切付近にとどまります。

外から見ると、次のような状態になります。

「起動したから並列になった」と判断せず、各ポンプの流量、逆止弁の開成立、吐出し弁前後の圧力を確認します。

流量分担を合わせるために強いポンプの吐出し弁を絞る方法はありますが、絞り損失と低流量側への移動を伴います。恒久対策なら、羽根車径、回転数、ポンプ選定、配管抵抗の見直しを含めて検討します。

共通吐出しヘッダーでは、運転中のポンプから停止中のポンプへ液が逆流する経路ができます。逆止弁はこの逆流と逆回転を防ぎます。

ただし、逆止弁を付ければ終わりではありません。

逆止弁は保護装置であると同時に、過渡現象を作る可動部です。音、弁前後圧力、停止時の逆回転、点検履歴を管理します。

直列運転は、前段ポンプの吐出しを後段ポンプの吸込へつなぐ接続です。途中に分岐がなければ、2台を通る流量は同じです。

合成曲線は、同じ流量 Q における各ポンプの揚程を足して作ります。

H_total ＝ H_A ＋ H_B

同じポンプ2台なら、ある流量での合成揚程は単機の2倍です。しかし実際の運転点は、直列合成曲線とシステムカーブの交点です。揚程が増えれば流量も増え、その分だけ配管損失が増えるので、単機と同じ流量のまま揚程だけが2倍になるとは限りません。

直列運転は、高い差圧が必要な系統、長距離移送、多段昇圧などで使われます。多段遠心ポンプも、羽根車を機内で直列に並べて揚程を加える考え方です。

後段ポンプの吸込側には、前段ポンプの吐出し圧力がかかります。したがって後段は、通常の低い吸込圧力を前提にしたポンプより高い圧力を受けます。

確認対象は次のとおりです。

前段ポンプを先に起動し、後段のケーシングを満液・加圧・ベントしてから後段を起動する構成があります。ただし、設備によって自動シーケンスやバイパスが異なります。直列運転の始動順序は一般論で決めず、設備SOPを使います。