ポンプのサイズが大きすぎたり小さすぎたりした場合の影響

エンジニアは、システム設計において過度に保守的になることをしばしば懸念します。設計プロセスには、実際の運転条件の変動、流体特性の変化、機器の経年劣化、配管のスケール付着など、多くの不確実性が存在します。エンジニアは、これらの要因を考慮し、過小なサイズの機器を選定・購入することを防ぐために設計係数を用います。また、システムの経年劣化の影響も考慮に入れます。

しかし、一部のエンジニアは、設計において過剰な安全マージンを設けると、特にポンプのサイズを決定する際に、流路部品の摩耗が増加し、システムの寿命が短くなる可能性があることを考慮していない。

ポンプと配管システムを選定する際、主な目的は、冷却水システム、燃料供給パイプライン、化学プラントなど、用途に応じて必要な圧力（揚程）と流量を達成することです。必要なシステム流量に基づいてポンプの全揚程を決定し、それを用いて利用可能なすべてのポンプタイプの性能曲線を比較します。ポンプのサイズが大きすぎたり小さすぎたりすると、システムに深刻な影響を与える可能性があるため、このプロセスでは正確な運転点を用いることが非常に重要です。

ポンプのサイズが大きすぎたり小さすぎたりした場合の影響

選択したポンプのサイズが小さすぎると、システム内の流量は必要流量を下回ります。そのため、追加のポンプが必要になるか、排水弁を開ける（ポンプをより高い容量で運転できるようにする）などのシステム調整が必要になります。ポンプのサイズが大きすぎると、システムが必要とする流量よりも多くの流量が供給されます。用途によっては、流量を減らすためにスロットル弁を使用したり、インペラを調整したりする必要があるかもしれません。ポンプの運転点がシステム内のバルブを調整するだけで修正できる場合は、システムへの影響は小さいように見えるかもしれません。しかし、ポンプの効率を考慮すると、ポンプのサイズが大きすぎたり小さすぎたりした場合の影響はより顕著になります。

最適効率点（BEP）とは、ポンプの運転に用いられるエネルギーのうち、流体に伝達されるエネルギーの割合が最大となる理想的な運転点です。ポンプの運転点がBEPから外れると、いくつかの現象が発生します。最も顕著な影響は効率の低下であり、ポンプはより多くの駆動動力を必要とします。流体に伝達されなかったエネルギーは、熱や振動などの他の形で放出されます。そのため、ポンプ効率が低下するにつれて、ポンプによって発生する振動と熱が増加します。場合によっては、これがポンプに及ぼす影響は小さいですが、ポンプがBEPから離れるほど、その影響は大きくなります。

遠心ポンプの規格（例えば、油圧協会規格 HI 9.6.3）では、これらの影響を避けるために、ポンプを基本等価出力（BEP）の約 80% ～ 110% の範囲内で運転することを推奨しています。BEP の 110% を超えると、有効吸込ヘッド（NPSH）マージンが低くなるためキャビテーションが発生するリスクや、振動や熱による損傷のリスクにさらされる可能性があります。BEP の 80% 未満では、ポンプの焼き付き、低流量キャビテーション、内部逆流、高温などの悪影響が発生する可能性があります。このようなポンプを長期間運転すると、メンテナンスコスト、エネルギーコストが高くなり、ポンプの寿命が短くなります。そこで、エンジニアは設計要因を効果的に活用して、システム内のポンプのサイズが小さすぎたり大きすぎたりするのをどのように回避できるのか、という疑問が生じます。

全体的な設計要素を慎重に決定する

考慮すべき点の1つは、ポンプに必要な設計係数の数と、その安全マージンをいつ適用するかということです。通常、設計に設計係数を追加することを検討するのは、システム設計エンジニアがシステム寸法を決定し、プロジェクトマネージャーが設計をレビューし、ポンプメーカーがポンプを推奨する段階です。システムサイズを決定する際に使用される前提条件と境界条件を理解する際には、不合理な設計係数を意図せず定義してしまうことを避けるため、注意が必要です。

運転制限を考慮する

選定されたサイズ計算と設計要素は、極端な運転条件を考慮に入れているでしょうか？システムの最大流量に対して効果的な設計が行われたとしても、それが本来の運転点を変更することにならないでしょうか？ポンプは、極端な運転条件だけでなく、あらゆる条件下でBEP（最適性能点）に近づくことができる特性を持つものを選ぶことが重要です。システム要件が頻繁に変更される場合は、ポンプの運転を所望の範囲内に維持するために、可変周波数駆動装置（VFD）をポンプに追加するなどの選択肢を検討する必要があるかもしれません。

適切なツールを選択する

システムのサイズ決定、特に大規模システムの決定は複雑なプロセスです。プロセスを効率化するツールを使用することで、エラーの可能性を低減できます。自動調整ツールを使用すると、モデリング手法をより明確に伝え、他者に情報を報告できます。効果的な自動サイズ決定ツールを使用すれば、エンジニアはメーカー情報を設計に迅速に入力し、提案された機器が期待どおりに動作することを検証できます。この冗長性により、コストのかかる可能性のあるエラーを防ぐことができます。さらに、効果的な自動寸法計算ツールを使用すれば、ユーザーはさまざまな動作条件を迅速に比較し、寸法計算を実行する際に複数の関連する設計シナリオを検討することもできます。

まとめ

運用要件を満たすシステムを設計することは非常に重要です。しかし、システム設計においては、必ずしも規模が大きいほど良いとは限りません。効果的な設計は、システム構築時の材料費や設置費を削減するだけでなく、ポンプなどのシステム内部部品の摩耗を軽減することにもつながります。