ポンプの流量調節｜吐出し弁の絞りとインバータを性能曲線で比較

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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。

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、ポンプ性能曲線そのものが低く、小さくなります。配管側を無理に重くするのではなく、ポンプが作る流量と揚程を減らして交点を移します。

たとえるなら、弁絞りはアクセルを踏んだままブレーキで速度を調節する方法、回転数制御はアクセルを戻す方法です。ただし実設備には静揚程や最低流量があるので、この比喩だけで省エネ効果を決めてはいけません。

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。これはポンプのキャビテーションとは発生場所が違いますが、差圧のエネルギーを一箇所で消費している点は同じです。

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。

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。

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。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。

1. 吸込弁を絞る
2. 吸込配管の圧力損失が増える
3. 羽根車入口の圧力が下がる
4. キャビテーションが発生しやすくなる
5. 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

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。

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

• 吐出し弁の絞りはシステムカーブを変え、余った揚程を弁損失として消費する
• インバータはポンプ性能曲線を変え、必要な流量・揚程に合わせる
• 相似則では Q∝N、H∝N²、P∝N³。ただし実際の省エネ率は運転点と効率で計算する
• 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
• 吸込弁の絞りはNPSHAを失うので、流量調節に使わない
• 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

次の記事では、ポンプを2台使う並列運転と直列運転を扱います。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。

回転数80%の表は相似則から計算した理想値です。実機の入力電力・省エネ量は、ポンプ効率、モータ効率、インバータ損失、静揚程、実際のシステムカーブを含めて評価してください。

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
• 化学工学会編『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「ポンプの調節」
• 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