飽和液・高温液・液化ガスのポンプ｜タンクを加圧してもNPSHAが増えない理由

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ボイラ給水ポンプ、塔底ポンプ、還流ポンプ、LPG移送ポンプ、凝縮液の抜出しポンプ。これらに共通するのは、吸込側の液が沸点状態にあることです。

このとき、吸込側の常識が1つ壊れます。タンクを加圧してもNPSHAが増えません。 圧力を上げれば吸込みが楽になる、という直感が通じない。この記事では、なぜそうなるのかを式で示し、では何が効くのかを整理します。

1. 飽和液とは｜貯金がゼロの液

NPSHAの式をもう一度書きます。

NPSHA ＝ (P_s − P_vp) / (ρg) − h_a − h_L

第1項が「液が持っている圧力の貯金」でした。常温の水を大気開放のタンクから汲むときは、P_s＝101.3 kPa、P_vp＝2.3 kPa なので、差は99 kPa、ヘッドにして約10 m。この10 mの貯金があるから、多少の高さと損失を引いてもNPSHAが残ります。

ところが、密閉タンクの中で液と蒸気が接していて、平衡状態にある場合はどうなるか。タンクの中の圧力は、その液温での飽和蒸気圧そのものです。つまり

P_s ＝ P_vp

第1項がゼロになります。式は

NPSHA ＝ − h_a − h_L

h_a は「液面がポンプより下なら正」でした。飽和液のポンプは必ず押込み（液面がポンプより上）にするので h_a は負、符号を入れ替えて書くと

NPSHA ＝ （液面とポンプ中心の高さの差） − （吸込配管の損失）

圧力の貯金がゼロ。残っているのは高さだけです。 これが飽和液のポンプが難しい理由のすべてです。

2. だから加圧しても効かない

「タンクを窒素で加圧すればNPSHAが増えるのでは」——飽和液ではこれが効きません。

理由は気液平衡です。液と蒸気が接して平衡にあるかぎり、圧力を上げれば液温も上がり、飽和蒸気圧も同じだけ上がります。 P_s と P_vp が一緒に動くので、差はゼロのままです。

窒素などの不活性ガスで加圧した場合はどうか。加圧直後は P_s > P_vp になるので一時的にNPSHAは増えます。しかし時間が経つと不活性ガスが液に溶け込み、また液温が上がって平衡に近づきます。 「加圧しているのに、なぜかNPSHが足りない」という現象はここから来ます。

数値で見ます（吸込配管の損失0.5 m）。

タンク圧力も液温も、この表に一切出てきません。 液面の高さと配管の損失だけです。飽和液のポンプで塔やドラムがあれほど高い架構の上に載っているのは、この表を満たすためです。

3. 効く手は3つだけ

① 液面を高くする（＝ポンプを下げる）

いちばん確実です。設計段階なら、ドラムや塔をポンプより十分高い位置に置く。塔底ポンプが地面近くにあって、塔が高い架構の上にあるのは偶然ではありません。

運転段階ではタンク・ドラムの液面を高めに保つことが対策になります。飽和液のドラムで液面下限の警報が出たら、それは「NPSHAが尽きかけている」という意味です。

タンクの最低液面（LWL）は、容量の下限ではなくNPSHAの下限として決まっていることがあります。「あと少し抜ける」と思っても抜いてはいけない理由がここにあります。

② 吸込配管を短く・太くする

残り2つの項のうち、設計で削れるのが h_L です。飽和液のポンプでは吸込配管に対する要求が普通のポンプよりずっと厳しくなります。

• 最短距離で、曲がりを少なく。エルボ1個の損失が、常温水なら誤差でも、飽和液では致命的になり得る
• 吐出側より1〜2サイズ太く。損失は流速の2乗なので、1サイズ太くするだけで半分以下になる
• 途中でフラッシュさせない。配管の途中に上に凸の部分があると、そこで静圧が下がって液が沸きます。飽和液の吸込配管は下り勾配一本が原則
• ストレーナは慎重に。 液化ガスは吸込圧力は高くても飽和蒸気圧も高いので、ストレーナの圧力損失とNPSHAを必ず計算で予測する必要があります。目の細かいストレーナを安易に入れない

③ 入熱を防ぐ

飽和液は、わずかな入熱でも蒸発します。蒸発すれば配管の中に気泡ができ、NPSHAを失うだけでなくポンプが空を噛みます。

• 低温液化ガスの吸込配管の断熱材は外さない。 キャビテーションが出たときに「断熱材を外して冷やそう」とするのは完全な逆です。低温液化ガスは周囲より冷たいので、断熱材を外せば入熱が増えて蒸発します
• 高温液なら保温を適切に（過剰な蒸気トレースは液温を上げてしまう）
• ポンプの締切運転を避ける。締切では液がかき回されて発熱し、飽和液では直ちに蒸発につながります（この話は締切運転の記事で扱います）
• ミニマムフローラインの戻し先に注意。吸込ドラムに戻すと、戻した液の熱でドラムの液温が上がることがあります

4. 具体例で見る｜どこが厳しいか

飽和液のポンプの代表例と、それぞれの厳しさを並べます。

塔底ポンプの行は運転員に効きます。蒸留塔の圧力を操作すると、塔底の液温が変わり、NPSHAが変わります。 「塔頂圧力を下げたら塔底ポンプが鳴き出した」は、この連鎖です。

5. 運転員のチェックポイント

飽和液のポンプで巡回・監視するときに見るのは、普通のポンプと少し違います。

1. 吸込ドラム・タンクの液面。これが直接NPSHAです。下限警報は「余裕が尽きる」の警報
2. 液温。上がっていれば蒸気圧が上がる。ただし飽和なら圧力も一緒に上がるので、大事なのは液温そのものより「入熱があるか」
3. 吸込ストレーナの差圧。h_L が増えるとそのままNPSHAが減る
4. 断熱材の状態（低温液化ガス）。剥がれ・濡れ・着氷は入熱のサイン
5. 上流の圧力操作（塔・ドラム）。圧力を動かす操作は、下流のポンプのNPSHAを動かす

そして、キャビテーションが出たときに「吸込配管の断熱材を外す」「タンクを加圧する」は、飽和液では効かないか逆効果であることを覚えておいてください。効くのは液面を上げること、流量を下げること（＝h_L を減らす）です。

まとめ

• 飽和液では P_s ＝ P_vp となり、NPSHAの圧力の項が消える。NPSHA ＝ 液面の高さ − 吸込配管の損失
• だから加圧は効かない。不活性ガス加圧も、時間が経てば平衡に近づく
• 効く手は①液面を高くする ②吸込配管を短く太く（下り勾配一本、ストレーナは慎重に） ③入熱を防ぐの3つ
• 低温液化ガスの吸込配管の断熱材は外さない。 外すと入熱で蒸発してNPSHAを失う
• 塔・ドラムの圧力操作は下流ポンプのNPSHAを動かす。液面下限警報は「余裕が尽きる」の警報

数値表は NPSHA ＝ h_a − h_L から筆者が計算したものです（`_calc/ch2_npsh.py`）。実際の設計では、サブクール度・配管のフラッシュ・過渡状態を含めて検討してください。

参考文献

• 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・7「NPSHAとNPSH3」（密閉タンクの配置で Ps＝Pvp となり NPSHA＝ha−hL になること）、2・8「吸込ストレーナ」（液化ガスでの注意） 　Amazonで見る
• 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」（液面に蒸気圧が作用しているときのNPSH、キャビテーション対策）
• 西野悠司『「配管設計」実用ノート』日刊工業新聞社, 4.4「ポンプまわり配管」（飽和水を扱うポンプの吸込管、フラッシュさせないループの取り方） 　Amazonで見る
• 化学工学会編『プロセス機器構造設計シリーズ5 貯槽』丸善, 1 タンク計画（吸込側配管とタンク最低レベル、蒸気圧の高い液体）
• 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, 2・3・2 液化ガス用うず巻ポンプ、2・3・3 極低温用ポンプ
• 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」 　Amazonで見る