ポンプや送風機の回転速度調整による省エネとは？（その２）

１．バルブによる流量調整

従来から、液体の流量調整は主にバルブにより行われてきました。

図１のように、横軸に吐出し量（流量）、縦軸に全揚程をとり、各吐出し量に対するポンプの発生する全揚程を表したものが揚程曲線です。

同じ横軸、縦軸のグラフに、配管系の吐出し量に対する抵抗の状態を示したものが配管抵抗曲線です。

上記の二つの曲線の交点が実際に運転される状況を表した点で、運転点と呼ばれます。

いま、図１において、バルブなしの状態で①の点で運転され流量がＢですが、流量をＡまで減らしたいとします。バルブを設け、絞っていくと配管抵抗曲線は上に立ち上がっていき、②の点を通るまで絞れば流量がＡとなります。

このとき、ポンプのモーターの消費電力の側から見てみます。

図２に示すとおり、流量をＢからＡにすると、消費電力はbからaに、若干、下がります。重要なことは、aにはバルブによる消費電力の増加分、すなわち、バルブの抵抗により生じたロスによる消費電力を含んでいることです。このロス分は図１における③から②への揚程の増加分hに比例し、バルブの消費電力＝電力a ×（h / Y ）となります。

２． 回転速度調整による流量調整

次に、近年、価格と制御の面で使いやすくなってきたインバータを用い、ポンプを駆動するモータの回転速度を変えることにより流量を変える場合を考えます。

ポンプの揚程曲線は、モータの電源の周波数によって図３の①'～④'のように変わります。

いま、商用周波数が60Hzとして、インバータを使わない場合、配管抵抗曲線との交点を見ると、運転点は①で流量はＢになることがわかります。目標の流量がＡのときには、インバータによりモータの電源の周波数を下げていき、運転点④を通る周波数にすればよいのです。図３では、曲線④'の周波数50Hzになります。

このとき、消費電力はどのように削減されるのか見てみたいと思います。モータの電源の周波数ごとの流量と消費電力の関係を表したものが図４です。

商用周波数60Hzで流量Bのときの消費電力は①です。インバータにより流量を絞り、流量Ａにするため周波数を50Hzにしたときの消費電力は④です。①－④が電力の削減量となります。

このとき、図４から読み取ったBからAへのポンプの回転速度の比は、回転速度に比例するモータ電源の周波数が60Hzから50Hzへとなっているため、50/60 = 0.83。これに対し、消費電力は1.00/1.75= 0.57と大きく減少しているのがわかります。また、0.83^3 = 0.57 であり、（その１）で記した、モータの消費電力がポンプの回転速度の３乗に比例していることがわかります。

３．効果計算例

ポンプの回転速度調整による消費電力削減の効果計算の例です。

(1) 条件

食品工場でクーリングタワーで冷却した水を冷却水として生産設備で使用しています。

その生産量は、設備を設置した時点より減少しているので、冷却水の流量も15％程度減らせるのではないかと考えられています。

そこで、仮に、インバータを設置して流量を15％減らしたときの電力の削減金額を試算してみます。なお、現在は流量調整用バルブは全開となっています。

• 稼働日：310日/年、24時間/日
• 冷却水ポンプ：ターボ形である渦巻ポンプ、電動機：37kW、効率：92.5％
• 負荷率：90％
• インバータの効率：95％
• 電気料金：基本料金を含んだ総合単価　22.0円/kWh

ただし、ここでは実揚程は0 mとしています。実揚程が0mでない場合の扱いについては次回以降に記します。

(2) 計算

①現在の電力量

37kW÷0.925×24h/日×310日/年×0.9
=267,800kWh/年

②流量削減後の電力量

この種類のポンプの流量は回転速度に比例するので、流量を15％減らすには回転速度を15％減らし、85％とします。（その１）で記したように、ポンプの電動機の駆動力は回転速度の3乗に比例します。

したがって、流量削減後の電力量は
267,800 kWh/年×0.85^3÷0.95
=173,100 kWh/年
となります。

③削減電力量 削減電力量

削減電力量 削減電力量は、①-②で
267,800 kWh/年 - 173,100 kWh/年
=94,700k Wh/年
削減金額は
94,700 kWh/年×22.0円/kWh÷1,000
＝2,083千円/年
となります。

【参考文献】
1) 水口雄二朗、楽勝！ポンプ設備の省エネ、（財）省エネルギーセンター、2010、p.133

回答者

エネルギー管理士　本橋　孝久

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