産業用ポンプ用途向けの流体力学ドライブ

電力と電気は現代生活に不可欠な部分であり、世界経済にとって重要です。 世界的なエネルギートレンドは、可能な限り最高の信頼性を提供し、今後のあらゆる危険に耐える必要のあるスマート技術ソリューションに対する需要を示しています。 安全な操作を確保するには、これらの業界に適用される規格の厳しい要件に従う必要があります。 現代の経済パラダイムでは、業務効率を最大化する必要性も求められています。

回転機器、特に工業用ポンプは、信頼性と効率の両方の点で最も重要な機器です。 工業用ポンプを適切に選択することは、プロセス全体にとって重要です。 また、現代の工業用ポンプは、揚程や容量だけでなく、比重や粘度などの流体データも変化するさまざまな運転状況下で高効率を確保する必要があります。 この要件を満たすために、ポンプ調整が一般的に使用されます。

この記事では、ポンプ調整のさまざまな方法とその要点を説明し、さまざまなアプリケーションの総所有コストを示します。 この記事では、特に速度調整と流体継手の適用が、運用プロセス全体の信頼性と効率の向上にどのように役立つかを学びます。

画像 1 は、ポンプ制御の 3 つの主な方法を示しています。スロットリング、流体カップリングの使用、および電気可変周波数ドライブ (VFD) です。

スロットル制御の場合、ポンプはカップリング (通常はスペーサータイプ) を介してポンプにしっかりと接続された固定速度電気モーターによって直接駆動されます。 ポンプの揚程と容量の制御は、ポンプの吐出ラインに取り付けられたスロットル バルブを介して行われます。 スロットル バルブの摩耗レベルが高く、効率が大幅に低下するため、この制御方法の適用範囲は限られており、通常は狭い制御範囲のみが必要な場合に使用されます。

どちらの方法でも、流体カップリングまたは VFD を介して速度制御を使用します。 VFD アプリケーションの場合、ポンプとモーター (通常はスペーサー タイプのカップリングを介して接続されています) は、VFD によって与えられる同じ速度で回転します。 流体カップリング オプションでは、標準の固定速度モーターが使用され、速度制御は流体カップリングを介して行われます。 したがって、VFD と流体カップリングのアプリケーションには異なるモーターが必要です。 VFD 制御の場合、モーターには絶縁ベアリングと、固定速度モーターと比較してサービスファクタが高い VFD に適したモーターが装備されている必要があります。 これにより、モーターのフレームサイズが大きくなり、関連コストが増加する可能性があります。 流体カップリングを適用すると、標準の固定速度モーターを使用できるため、価格と信頼性の点でさらなる利点が得られます。

流体カップリングの概念は、2 つのインペラ間の流体循環によるトルク伝達の原理を使用します。 ドライバーからの機械エネルギーは、ポンプ ホイールを介して運動エネルギー、つまり流体の流れ (オイル) のエネルギーに変換され、そこからタービン ホイールで再び機械エネルギーに変換されます。 タービンホイールの速度は、循環するオイルの量を変えること（スクープパイプやスクープチューブを使用します。このような機械はフルードカップリングと呼ばれます）、または調整可能なベーンを使用することによって変更できます（このような機械はトルクコンバーターと呼ばれます）。

ドライバーと被駆動機械の間に直接の金属接触がないため (オイルがトルクを伝達する媒体として機能します)、このタイプのトルク伝達では摩耗は一般的ではありません。

流体カップリングの設計と主要コンポーネントを画像 2 に示します。オイルの流れは、ギアを介してドライバーのシャフトによって駆動されるオイル ポンプによってオイル クーラーを循環します。 オイルの流れはドライブシャフトにしっかりと結合されているポンプホイールに供給され、そこで加速されてタービンホイールに排出されます。タービンホイールは被駆動機械（ポンプ）のシャフトにしっかりと結合されています。

スクープチューブの位置を変えると、動力伝達に寄与するオイルの量が変わります。 その結果、流体カップリング内のオイルが増えるとポンプへの出力速度が増加し、逆も同様になります。 ポンプ ホイールとタービン ホイールの間でエネルギーを伝達するために、常に約 2% の最小スリップが残ります。 画像 3 は、スクープ チューブの位置に応じてカップリングが特性曲線に沿ってどのように動作するかを示しています。 流体カップリングによる一般的な速度制御範囲は、モーター速度の 20% ～ 98% です。

流体継手のもう 1 つの特徴は、ポンプやモーターがスリーブ ベアリングで動作する場合に必要となる、潤滑油システムとしても機能する機能です。 したがって、別途潤滑油システムを設ける必要がありません。

VFD オプションで全体的な概要を終えると、プロジェクトのレイアウトに大幅な複雑さを加える多くのコンポーネントを備えた高度なテクノロジーについての話があることに注意する必要があります。 一般的な 4 メガワット (MW) 6 キロボルト (kV) VFD は、変圧器セクション、いくつかの電力網セクション、制御セクションで構成されており、流体カップリングに比べて非常に多くのスペースを必要とします: 幅約 6,000 ミリメートル (mm)、奥行き1,500mm、高さ3,000mm。

この記事では、次の 3 つの主要な経済基準、資本支出 (Capex)、エネルギー節約、および保守コストの例と比較を検討します。 アプリケーションは次のとおりです。

3 つの制御オプションすべてに対する設備投資の分割を画像 4 に示します。ここでは次の点に注意してください。

直接駆動ポンプユニットには油圧システムの一部であるスロットル排出バルブが必要ですが、今回の研究では考慮されていません。 ただし、これは油圧システム全体を設計する際にも注意する必要があります。

ポンプは 3 つのポンプ ユニットすべてで同じです。流体カップリング オプションのポンプは、流体カップリングの滑りを補償するために大きなインペラ直径を持つことができます。 通常、インペラのトリムが異なるだけで、コストの変更は発生しません。

ダイレクトドライブおよび流体カップリングのオプションは固定速度モーターを使用しますが、VFD オプションは VFD に適した特別なモーター (絶縁ベアリング付き) を使用します。 この特殊なモーターの実行に伴うコストの増加は、通常、固定速度モーターの価格の +5% です。

ダイレクトドライブポンプユニットと VFD 駆動ポンプユニットは同じベースプレートを使用します。 流体カップリングはポンプとモーターの間のベースプレートに直接取り付けられるため、流体カップリング オプションのベースプレートは通常少し長くなります。 ただし、潤滑油システムが必要であり、ベースプレートに取り付ける必要がある場合、3 つのオプションすべての設置面積はほぼ同じになります。

流体カップリング オプションではユニットあたり 2 つの接続カップリングが必要ですが、ダイレクト ドライブおよび VFD オプションではユニットあたり 1 つだけ必要です。 ただし、接続カップリングのコストは、3 つのオプションすべてでほとんど無視できます。

VFD のコスト自体は、流体カップリングのコストに比べて高価です。 VFD には補助装置 (HVAC システム) を備えたキャビネットも必要です。 プロジェクトによっては、別の適切なクリーン ルームが必要になる可能性があります。これにより、建設コストが発生する可能性がありますが、今回の研究では考慮されていませんでしたが、発電所の設計段階で確認する必要があります。

流体カップリングを備えたポンプ ユニットの合計設備投資は、直接駆動ポンプ ユニットと比較して 41% 高くなります。 VFD 駆動ポンプ ユニットは、直接駆動ポンプ ユニットと比較して設備投資が 2 倍高価です。

両方の速度調整オプションのスロットル バルブの信頼性とメンテナンス コストを考慮すると、流体カップリングは機械式の機器となります。 毎年のメンテナンスがほとんど必要ない、油を扱う遠心分離機です。 大規模なオーバーホールは通常 8 年に 1 回です。 一方、VFD は通常、より多くのスペアパーツを必要とし、毎年動作します。 また、生涯にわたって大規模なオーバーホールがより頻繁に実行されます。 画像 5 は、流体カップリングと VFD の両方の可変速ドライブ (VSD) の 30 年間のメンテナンス コストのダイナミクスを示しています。 データは市場の専門知識とオペレーターのフィードバックに基づいています。

ポンプは年間 8 か月間定格で稼働し、残りの 4 か月間は能力を低下させて稼働します。 画像 6 は、これらの動作点のポンプ曲線と関連するポンプ電力消費を示しています。

システム曲線 (S1、S2、S3、S4) とポンプヘッド容量 (HQ) 曲線の相互作用により、ポンプの動作点が生じます。 動作点 1 は、ポンプがほとんどの時間動作する公称ポンプ動作点です。 ここでのポンプ HQ 曲線は、直接駆動の場合のポンプ速度に等しい公称モーター速度に対して評価されています。 流体継手を使用する場合、ポンプ速度は流体継手の出力軸速度と等しくなりますが、流体継手の滑りによりモータ速度よりも若干遅くなります。

同じ揚程と容量の値を維持するために、ポンプ メーカーは異なるインペラ トリム (より大きな直径) を使用しますが、通常は価格の変更は発生しません。 したがって、ポンプは 3 つの制御オプションすべてに対して動作点 1 で公称値どおりに動作します。 ポンプの吐出ラインのスロットル バルブを閉じると、油圧システムの曲線が急峻になり、ポイント 2、3、4 に達します。 速度制御の場合、ポンプ曲線は親和性の法則に基づいて下降し、動作点 2、3、および 4 に到達します。 親和性の法則により、ポンプ消費電力曲線を描くこともできます。 ポンプの消費電力はポンプ速度の 3 乗に変化するため、速度制御によって到達するすべての動作点で必要な電力は、スロットリングに比べて少ないことがわかります。

画像 7 は、スロットリングによるエネルギーの節約を示しています。 このチャートは動作シナリオを考慮し、モーターの消費電力と効率を分析し、統合された変圧器とその補助機器を含む VFD 上の流体カップリングを詳細に示します。 どちらのオプションでも、30 年の寿命でスロットル制御を節約できます。

3 つの主要な経済的側面 (設備投資、メンテナンス コスト、エネルギー節約) をすべて要約すると、両方の速度制御方法が必要な動作モードを提供するだけでなく、コストも節約できることがわかります。

流体継手は、電力市場だけでなく、石油・ガス産業の多くの用途においても、ポンプ制御に関して信頼性が高く、堅牢で、費用対効果の高いソリューションであることが、世界中の多くの設置と長年の運用実績により確認されています。

ギア付き VSD のさらなる開発では、遊星歯車と独立した動力伝達の原理が使用されます。 このような駆動装置は、同じハウジング内に取り付けられたトルクコンバータと遊星歯車で構成されています。 動力の約75%は遊星歯車を介して伝達され、残りの25%はトルクコンバータを介して伝達されます。 ガイドベーン (緑色で表示) の位置を変更すると、遊星キャリアの速度と回転方向が調整され、太陽歯車の速度が調整されます。 サンギヤは、被駆動機械を回転させる出力シャフトにしっかりと接続されています。

ポンプ速度を調整するにはさまざまな方法があります。 それぞれの選択は、個々のプロジェクトの特定のタスクと運用条件によって決まります。 流体カップリングとギア付き VSD は、信頼性と耐久性に加えて高効率であるため、工業用ポンプの調整に最適なソリューションです。

Aleksei Kobzev は Voith Turbo の営業マネージャーで、特に回転機器とポンプの分野での経歴を持っています。 Kobzev への連絡先は [email protected] です。 詳細については、voith.com をご覧ください。