可変速アクチュエータによるウォーターハンマーの防止

ウォーターハンマーはポンプシステムにおける大きな懸念事項となる可能性があり、いくつかの理由から設計者は考慮する必要があります。 対処しないと、配管やサポートの損傷から配管コンポーネントの亀裂や破損に至るまで、さまざまな問題が発生する可能性があります。 最悪の場合、工場の人員が負傷する可能性もあります。

ウォーターハンマーは、配管システム内の流体の圧力と流量が急増し、圧力や力に急激な変化が生じるときに発生します。 高圧は、継手の漏れやパイプの破裂など、配管システムの故障を引き起こす可能性があります。 サポートコンポーネントは、サージや突然の流れの反転によって強い力を受ける可能性もあります。 ウォーターハンマーは、パイプ内のあらゆる流体で発生する可能性がありますが、その深刻さは流体とパイプの両方の状態によって異なります。 通常、これは液体で発生しますが、気体でも発生する可能性があります。

ポンプの状態によって流体が加速または妨げられるたび、またはバルブの位置が変化するたびに、圧力の上昇が発生します。 通常、この圧力は小さく、変化率も緩やかであるため、ウォーターハンマーは事実上検出できません。 状況によっては、何ポンドもの圧力が発生し、サポートにかかる力が設計仕様を超えるほど大きくなる可能性があります。 バルブを急速に開閉すると、パイプライン内に圧力過渡現象が発生し、圧力が定常状態の値を大幅に超える可能性があり、水のサージが発生し、パイプやプロセス制御機器に重大な損傷を与える可能性があります。 ポンプ場におけるウォーターハンマー制御の重要性は、電力会社やポンプ場で広く認識されています。

典型的なウォーターハンマーのトリガーには、ポンプの起動/停止、停電、ラインバルブの突然の開閉などがあります。 流れる円筒形の流体柱の簡略化されたモデルは、金属製の円筒がコンクリートの壁で突然停止することに似ています。 ポンプシステムにおけるこうしたウォーターハンマーの課題を解決するには、その影響を軽減するか、その発生を防ぐ必要があります。 システム設計者がポンプ システムを開発する際に留意する必要があるソリューションは数多くあります。 圧力タンク、サージチャンバー、または同様のアキュムレータを使用して圧力サージを吸収できます。これらはすべてウォーターハンマーとの戦いに役立つツールです。 ただし、最初から圧力サージの発生を防ぐ方が、多くの場合、より良い戦略となります。 これは、マルチターン可変速度アクチュエータを使用して、ポンプの出口でのバルブの閉鎖速度の速度を制御することによって実現できます。

アクチュエータとその制御の進歩により、ウォーターハンマーの防止にアクチュエータを使用する機会が生まれています。 ここでは、ウォーターハンマーへの対処が重要な要件となった 3 つのケースを紹介します。 いずれの場合も、大容量ポンプからの流量制御には線形特性が不可欠でした。 これが達成されていなかったら、ハンマー効果が生じ、ステーションの給水システムに損傷を与える可能性がありました。

デザインチャレンジ

コロラド州のイースト チェリー クリーク バレー (ECCV) サザン ブースター ポンプ ステーションには大容量ポンプが設置され、流量制御にポンプ 逆止弁が使用されていました。 ウォーターハンマーや重大なシステム損傷の可能性を回避するために、このアプリケーションには直線的な流量特性が必要でした。 設計上の課題は、ボール バルブから線形の流れを得ることでした。ボール バルブは通常、開閉時に非線形の流れ特性を示します。

解決

可変速アクチュエータを使用することで、時間の経過とともに異なるストローク位置が得られるようにバルブ位置が設定されました。 これにより、ボールバルブをさまざまな速度で開閉駆動して、より線形な流体の流れの変化を実現できます。 さらに、停電が発生した場合には、アクチュエータがバルブを閉じて、所定の緊急曲線でシステムを排水するように設定できるようになりました。

選択された可変速アクチュエータは、事前に設定された時間に基づいてバルブ位置を制御する機能を備えていました。 アクチュエータは、対応するバルブ位置を使用して、最大 10 個の時間設定値にプログラムできます。 バルブの開閉速度を制御して、適切なタイミングで所望の設定位置が確実に達成されるようにすることができます。 この高度な柔軟性により、バルブ特性が線形化され、フルポートバルブの選択が可能になったり、バルブを閉じる際のウォーターハンマーが大幅に軽減されたりすることができます。 アクチュエータの統合制御は、通常のポンプ動作中に水の直線的な加速と減速を生み出すようにプログラムされています。 さらに、電力損失が発生した場合、アクチュエーターは無停電電源装置 (UPS) からのバックアップを介して迅速に閉じることを保証します。 直線的な流量変化も提供され、これによりシステム過渡現象が最小限に抑えられ、速度-時間曲線の校正/調整が容易になりました。

可変速アクチュエータは、その可変速機能により、この設置の課題を解決しました。 可変速アクチュエータによって提供される移動量に応じた調整可能な位置決め時間により、ボールバルブを通る直線的な流れが生成されました。 これにより、ウォーターハンマーを防ぐために動作速度を10段階で微調整することが可能になりました。

デザインチャレンジ

オーストラリアのオウラ地域では、水は複数のボーリング穴から収集タンクに汲み上げられ、その後、貯水タンクに送られます。 3 つのポンプにはそれぞれ、水の流れを制御する 12 インチのバタフライ バルブが装備されています。

水のキャビテーションによる損傷からバルブ シートを保護したり、水が失われた場合にポンプが空になるのを防ぐために、バタフライ バルブは急速に閉じることができなければなりません。 このような操作では、ウォーターハンマーとして知られる巨大な水力が発生します。 これらの力は配管に損傷を与えるのに十分なため、回避する必要があります。

解決

バルブにパートターン可変速アクチュエータを取り付けると、バルブの動作中に異なる閉鎖速度を設定できます。 全開から30％開度まで閉める際に、早い閉まり速度を設定します。 ウォーターハンマーを回避するために、30% ～ 5% の開状態では、アクチュエータは前の速度の 8 分の 1 まで減速します。 最後に、完全に閉じるまでの最後の 5% の間に、アクチュエータは再び速度を上げ、キャビテーションとそれに伴うバルブ シートの損傷を軽減します。 バルブが開いてから閉じるまでの総作動時間は約 3 分半です。

選択した可変速アクチュエータは、移動位置に基づいて出力速度を変更する機能を備えていました。 この高度な柔軟性によりバルブ特性が線形化され、バルブの選択が簡素化され、ウォーターハンマーが軽減されました。 バルブ速度は最大 10 個の補間点によって定義され、開位置の 1% 刻みで正確に設定できます。 アクチュエータのタイプに基づいて、速度を最大 7 つの値 (n1 ～ n7) に設定できます。

デザインチャレンジ

英国ミッドチェシャーでは、ある化学会社が数百の塩水井戸を使用しており、それぞれの井戸で塩水を井戸から飽和装置に移送するためにポンプを使用していました。 流量は、アクチュエータによって駆動されるポンプ送出リサイクル バタフライ バルブを使用して制御されます。

通常の動作では、流量の減少が検出されると、バルブを制御するアクチュエーターが 80 秒かけて開きます。 ただし、逆流が検出された場合は、ポンプを保護するために 10 秒以内にバルブを閉じる必要があります。 ポンプを確実に保護するために、開閉、緊急閉鎖には異なる作動速度が必要です。

解決

可変速アクチュエータは、最大 7 つの異なる開閉速度を提供できます。 これらは、開、閉、緊急開、緊急閉を個別にプログラムできます。

バルブの変調を改善することは、ポンプ システムにおけるウォーター ハンマーの問題に対処する際に考慮すべき解決策の 1 つです。 可変速アクチュエータと制御により、ポンプ システム設計者はバルブの動作速度と設定値に到達する精度を継続的に制御する柔軟性が得られ、これは閉ループ制御とは別のタスクです。

さらに、可変速作動を使用して緊急安全シャットダウンを提供できます。 ポンプ場の非常用発電機を使用して運転を継続できる機能により、作動技術はフェールセーフ オプションを提供できます。

つまり、停電が発生すると、UPS システムからの電力を使用してアクチュエーターが緊急モードでさまざまな速度で閉じ、システムの電力を消耗できるようになります。 位置決め時間曲線は、閉/開方向および緊急モードに対して個別にプログラムできます。

可変速度のマルチターンアクチュエータも、開閉作業状況に対するソリューションです。 この設計により、開始位置からのソフトスタートと、終了位置に到達した際のソフトストップを実現できます。 このレベルの制御により、コンポーネントの早期劣化の一因となる可能性のある機械的圧力サージ (つまり、ウォーターハンマー) が回避されます。 この制御を提供する可変速アクチュエータの機能は、メンテナンス間隔にプラスの影響を与え、システム コンポーネントの寿命を延ばします。

Craig Mizer は、ペンシルバニア州キャノンズバーグにある AUMA Actuators, Inc. のエンジニアリング マネージャーです。 マイザーは、AUMA の北米販売と製造をサポートするエンジニアリング活動を監督しています。 詳細については、auma.com をご覧ください。