化学プラント大全 
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ポンプのカタログや納入図に付いてくる1枚のグラフ——性能曲線。横軸に流量、縦軸に揚程・効率・軸動力・NPSH3の4本の線が引いてあります。選定のときにしか見ないものだと思われがちですが、流量や圧力を変える運転操作は、どれもこのグラフの上で運転点を動かすことです。
吐出し弁を絞る、インバータで回転数を下げる、タンクの液面が下がる、液温が上がる。どれも運転点をどこかへ動かします。この記事では4本の線を1本ずつ読み、運転点がどう動くかを追えるようにします。記事の途中にシミュレータを置いたので、弁と回転数と実揚程を動かして、点が動くのを確かめてください。
この記事の結論
- 性能曲線は揚程・効率・軸動力・NPSH3の4本。どれも横軸は流量
- 運転点は「ポンプの揚程曲線」と「配管側の抵抗曲線（システムカーブ）」の交点で自動的に決まる。ポンプが勝手に決めるのではない
- 吐出し弁を絞ると抵抗曲線が立ち上がり、交点は左上（流量減・揚程増）へ動く。遠心ポンプの軸動力は流量と一緒に減る
- 流量が増えるほど NPSH3 は増え、NPSHa は減る。交点は安全限界ではなく、交点に達する前から気泡や騒音が出始める
- 始動時は締切（流量0）から点が動き出す。吐出し弁を絞って起動するのは、締切付近で軸動力が小さいから（遠心の場合）
1. 4本の線｜揚程・効率・軸動力・NPSH3
性能曲線には、流量 Q を横軸にして次の4本が描かれます。
| 曲線 | 形 | 読み方 |
| 全揚程 H | 流量0（締切）で最大、右下がり | ポンプが液に与えるエネルギー。締切点より少し大流量側で揚程が最大になる「山形」特性のポンプもある（その左側の小流量域は運転が不安定になりやすい） |
| 効率 η | 山形。頂点が最高効率点（BEP） | 軸動力のうち液に渡った割合。BEPから離れるほど損が増える |
| 軸動力 P | 遠心では右上がり。流量が増えるほど大きい | ポンプ軸を回すのに要る動力。締切で最小、流しすぎると過負荷 |
| NPSH3 | 大流量側で右上がり | ポンプが必要とするNPSH（NPSHr）の代表的な判定値。初段揚程が3%低下する吸込条件で、キャビテーションが起きない境界ではない |
H-Q曲線が「右下がり」なのが遠心ポンプの基本です。流量を増やすと揚程が下がり、流量を減らすと揚程が上がる。締切（流量0）のときの揚程が最大で、これを締切揚程と呼びます。
軸動力の向きは形式で違います。遠心ポンプは流量が増えるほど軸動力が増える右上がり。だから締切付近で起動すればモータは軽く、流しすぎると過負荷になります。逆に軸流ポンプは締切で軸動力が最大になるので、バイパスや可動羽根がなければ締切起動ができません。カタログの軸動力曲線を見れば、そのポンプを「絞って起動するか、開けて起動するか」が分かります。
効率は山形です。頂点が最高効率点（BEP）で、設計点はここかそのすぐ近くに置かれます。BEPから大きく外れると、効率が落ちるだけでなく、羽根車を片側に押す力や振動が増えます。運転点を「BEPの近くに置き続ける」ことが、寿命を延ばすいちばんの方法です。
2. 運転点はどう決まるか｜配管の抵抗曲線との交点
ポンプは自分で流量を決めません。吸込タンクから吐出しタンクまでの配管系が、その流量で必要とする揚程と、ポンプが出せる揚程が釣り合うところで流量が決まります。
配管側が必要とする揚程（システムカーブ）は3つの足し算です。
- 実揚程 Ha：吸込液面と吐出液面の高さの差に、タンク圧力の差を揚程に直して足したもの。流量によらず一定
- 配管の損失：直管・エルボ・弁の摩擦損失。流量の2乗に比例
- 調節弁の損失：弁開度で変わる。流量の2乗に比例する係数が、弁を絞ると大きくなる
グラフにすると、実揚程の高さから立ち上がる放物線になります。ポンプの右下がりのH-Q曲線と、この右上がりの抵抗曲線の交点が運転点です。
ここから運転員の操作を読めます。
- 吐出し弁を絞る → 抵抗曲線が急になる → 交点は左上へ。流量が減り、揚程（吐出圧力）が上がる。遠心ポンプなら軸動力は減る
- 吐出タンクの液面が上がる・背圧が上がる → 抵抗曲線が上に平行移動 → 交点は左上へ。流量が減り、吐出圧力は上がる
- 配管が詰まる・ストレーナが汚れる → 弁を絞ったのと同じ。運転員が触っていないのに流量が減り吐出圧力が上がる
- 回転数を下げる（インバータ） → ポンプ側のH-Q曲線が下に下がる → 交点は左下へ。流量も揚程も下がる
「弁を絞ったら圧力計が上がった」「流量が出ないので弁を開けたら圧力が下がった」は、どちらもこの交点の移動です。弁絞りと回転数制御の違いと省エネ効果は「ポンプの流量調節」で詳しく比較しています。
3. シミュレータ｜弁・回転数・実揚程を動かして運転点を見る
下のシミュレータは、典型的な片吸込単段遠心ポンプの性能曲線に、配管側の抵抗曲線を重ねたものです。吐出し弁の開度、回転数、実揚程（液面差）を動かすと、交点＝運転点と、そのときの効率・軸動力・NPSHの余裕がどう変わるかが見られます。
| 運転点の流量 Q | – |
| 運転点の全揚程 H | – |
| 効率 η（BEPとの比較） | – |
| 軸動力 P（水、密度1000 kg/m³） | – |
| NPSH3 / NPSHa | – |
| 判定 | – |
モデル：定格 60 m³/h・50 m の片吸込単段遠心ポンプ（筆者の想定値）。回転数を変えると相似則（Q∝N, H∝N², P∝N³）で曲線を動かす。抵抗曲線＝実揚程＋配管損失（Q²）＋弁損失（Q²、開度で係数が変わる）。
やってみてほしいこと：
- 弁開度を100%から50%、30%に絞る。流量が減り揚程が上がる。軸動力は減る。効率はBEPから外れて落ちる
- 回転数を80%に下げる。弁を絞ったときと違い、揚程も流量も下がり、軸動力は大きく減る。同じ流量を出すなら絞るより回転数を下げるほうが省エネ
- 実揚程を大きくする（吐出側の液面や背圧を上げる）。抵抗曲線が持ち上がり、流量が減る
- 弁を全開にして回転数を100%にし、実揚程を小さくする。流量が増えて NPSH3 が NPSHa に迫る。ここでキャビテーション警告が出る
4. NPSH3 と NPSHa｜流すほど余裕が減る
性能曲線の4本目の NPSH3 は、ポンプが必要とするNPSH（NPSHr）を「初段揚程が3%低下する点」で決めた値で、大流量側で右上がりです。一方、配管側が用意できる NPSHa は、流量が増えると吸込配管の損失が増えるので右下がりです。
2本を重ねると大流量側で交わります。ただし交点は、NPSHa が「揚程が3%下がる点」と一致する流量を示すだけで、安全に運転できる上限ではありません。 キャビテーションの気泡や騒音は、交点に達する前から出始めます。弁を開けすぎて流量が設計点を大きく超えたときに「ジャリジャリ」と音がするのはこのためです。
NPSHa と NPSH3 の間に取る余裕にも、万能な一律値はありません。0.6 m や 1.3 倍のような一律の指定例もありますが、実際にはポンプ形式、液、運転範囲、メーカー推奨、適用規格を合わせて決めます。計算の手順と余裕の決め方は「NPSHaとNPSHrとは」で扱います。
5. 始動のとき、点はどこから動き出すか
ポンプを起動した瞬間、流量は0、揚程も0です。回転数が上がるにつれて揚程が上がり、全揚程が実揚程に達した瞬間に液が流れ始めます。 その先は吐出し弁の開度で行き先が変わります。
- 吐出し弁が全開：実揚程の点から抵抗曲線に沿って上がり、定格回転数に達したところで運転点に落ち着く
- 吐出し弁を少し開けている：急な抵抗曲線に沿って上がり、流量の小さい運転点で落ち着く。ここから弁を開けていくと点は右下へ移り、全開の運転点に達する
- 吐出し弁が全閉：流量0のまま揚程だけ上がり、締切揚程に達する。ここで弁を開け始めると点は曲線に沿って右下へ動く
遠心ポンプの起動手順書に「吐出し弁を少し開けて（または閉めて）起動し、圧力が立ってから開ける」と書いてあるのは、締切付近で軸動力が最小だからです。始動電流そのものは負荷によらず定格の数倍流れますが、負荷が軽いぶんモータが早く定格回転に達し、起動直後の過負荷も避けられます。長時間の締切運転は液温が上がるので別問題で、これは「ポンプの締切運転と最小流量」、始動前確認と操作の順序は「ポンプの始動・停止・切換え」で扱います。
6. 性能曲線で見抜けること
最後に、性能曲線を手元に置いて現場で判断できることを整理します。
- 流量計の値と全揚程が、曲線の上に乗っているか。全揚程は吐出し・吸込圧力の差を揚程に換算し、計器の高さの差も補正して求める。 乗っていなければ、羽根車の摩耗（曲線が下にずれる）か、空気の吸込み、計器の不具合
- 電流値から軸動力を逆算し、軸動力曲線と比べる。 曲線より大きければ、液の密度や粘度が高い、羽根車に異物がからんでいる、すき間が片当たりしている、を疑う
- 今の流量での NPSH3 を読み、現場の NPSHa と比べる。 夏場に液温が上がって NPSHa が減ると、同じ流量でも余裕がなくなる
- 回転数を変えたら曲線がどう動くか。 流量は回転数に比例、揚程は2乗、軸動力は3乗で変わる（相似則）。相似な点どうしで比べると、回転数を20%下げれば軸動力はおよそ半分。実揚程がある系では運転点が相似な点からずれるので、省エネ量は実際の運転点で確かめる
まとめ
流量を増やすほどNPSHの余裕は減り、軸動力は増えることを、曲線で確かめてから操作してください。
シミュレータの性能曲線は、片吸込単段遠心ポンプの典型的な形を筆者がモデル化したもので、特定の実機のデータではありません。実務では必ずメーカーの性能曲線を使ってください。
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参考文献
- 高橋徹『流体のエネルギーと流体機械』理工学社, 2章「ポンプ」遠心ポンプの特性（揚程曲線・軸動力曲線・効率曲線、山形特性、リミットロード特性） Amazonで見る
- 松村正夫『入門 新ポンプ技術』丸善, 5.2「ポンプの運転点の決定」（システムカーブ、配管損失・バルブ損失・実揚程の内訳、図5.6） Amazonで見る
- 外山幸雄『ポンプの選定とトラブル対策』日刊工業新聞社, 2・15「性能曲線と運転点の関係」（始動時のルート） 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, 1-7「吸込揚程」（NPSHa と NPSH3 の関係、余裕の目安） Amazonで見る
- 化学工学協会編『化学装置便覧 改訂二版』丸善, 第18章 図18・4／18・5「遠心ポンプの特性」
- 高圧ガス保安協会『高圧ガス保安技術』学識編 11.5「圧縮機とポンプ」図11.96 ポンプの特性曲線（遠心・斜流・軸流）
設備技術は、回転機械・静機器・配管・計装・設備信頼性の12の記事マップで案内しています。
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