縁の下の力持ち 高圧ポンプ −活躍場所編− 暮らしの中の見えるところに高圧ポンプの 姿はありませんが，意外と身近なものや， その原材料を作る現場で頑張っています。 右は，BFP（HDB 型） 仕様：1 685 t/h×3 500 m×5 900 min−1×18 750 kW×186 ℃，駆動機：蒸気タービン 左は，ブースタポンプ（BFP 吸込圧力を助けるポンプ，KS 型） 仕様：105 m×1 490 min−1×580 kW 16-71-1 01/251 図 1：100 万 kW 火力発電所内で活躍する 50％容量ボイラ給水ポンプ（BFP） リングポンプ”が活躍しています。 高圧ポンプと私たちの生活との関わり その他に，大根やニンジンなどの農作物に使用する尿 『高圧ポンプってなに ?』とポンプの技術者がこう問わ 素肥料を生産するプラント，プラスチックや合成繊維な れた時に『高揚程のポンプ』と答えるのではと思います どの原料が作られる石油化学プラント，海水から飲み水 が，その人が関わる分野によって，イメージするポンプ を作り出す海水淡水化プラントなどで使われています。 の構造は様々ではないかと思われます。 また， 省エネに寄与する動力回収タービン（逆転ポンプ※1） インターネットで“高圧ポンプ”を検索すると，その があります。 用途によって容積式，遠心式で様々な構造のものがあり， これらの高圧ポンプが活躍する場所の多くでは，高圧 さらには自転車の空気入れなどもヒットするので，特に の環境へ水や化学液を送り込むために，また圧力を使っ 決まった定義はなく，製作メーカがそれぞれの用途に て水を流すために使われています。これらの中から，火 よって命名しているようです。 力発電所，製鉄所，海水淡水化プラントで活躍する代表 そもそも，ポンプは数えきれないほどの様々な分野で 的な高圧ポンプ 3 件を紹介します。 活躍しています。私たちの生活圏に近い代表格としては， ※ 1：プラントで不要となった圧力をバルブで減圧するのではなく モータの後ろにつないだポンプに逆流させて回転を得て， モータの動力を助けて，省エネに寄与する。坂道を登る自転 車の後ろを押してあげるような役割。 上下水道用，農業用，洪水対策排水用等であり，これら は一般の人でも容易にポンプが使われていることを想像 できるのではないかと思います。しかし，ほとんどの高 高圧ポンプの活躍場所 圧ポンプは，これらには使われていません。 高圧ポンプの姿は，私たちの生活圏から遠く，工場見 （1）発電用ボイラ給水ポンプ（BFP：Boiler Feed Pump） 学などのコースで見られる程度です。しかし，高圧ポン 電気は発電機を回転させて作られます。火力発電の発 プが働くことでできるものには，私たちの暮らしに密着 電機は蒸気タービンによって回され，その高圧の蒸気は した，なくてはならないものが多く，重要な任務を負い 石炭や LNG 等を燃料とするボイラを加熱することで作ら ながら活躍しています。いわば縁の下の力持ちなのです。 れます（原子力発電の場合は原子炉がボイラに相当しま 本稿では，エバラの高圧ポンプを少し身近に感じていた す） 。このボイラへ水を送り込むには，ボイラで作られて だくために，その概要を紹介したいと思います。 いる高圧の蒸気に負けない非常に高い圧力の水が要求さ れます。この高い圧力の水を作りボイラへ送り出すのが 高圧ポンプの用途 BFP（図 1，2） ，原子力では RFP（Reactor Feed Pump） 私たちが当然のように毎日使っている電気を作り出す です。その役割から発電設備の心臓に例えられ，非常に とき“発電用ボイラ給水ポンプ”が，又洗濯機や自動車 高い信頼性が要求されます。 などに使われる鉄板を生産する製鉄所では“デスケー 4 ─ ─ エバラ時報 No. 251（2016-4） 高圧ポンプ−活躍場所編− 集合煙突 変圧器 開閉装置 蒸気タービン 送電鉄塔 HDB型 ボイラ 発電機 復水器 集じん器 P P 循環水ポンプ 海・川又は 冷却塔 復水 ポンプ P ボイラ給水ポンプ 図 2 火力発電フロー図とボイラ給水ポンプ （2）デスケーリングポンプ め，ポンプの回転はそのままで大水量からゼロ流量を繰り 私たちの身の回りにある洗濯機，冷蔵庫，自動車等の 返す運転方法と，省エネのためエバラが独自で開発した 製造にも高圧のポンプが深く関わっています。 急変速流体継手を使用して，回転速度を 20 〜 100% に急 これらボディーの材料となる鉄板は，製鉄所で作られ 変させる方法があります。鉄板の生産量が多いときにはこ ています。 の断続運転が一分間に数回にも及ぶため，どちらの場合 1 000 ℃以上に熱せられた原材料の鋼塊は，ローラ上 でもポンプの使い方としては最も過酷であると言えます。 を移動して巨大な圧延機を何度も通過しながら鉄板とし （3）海水淡水化用ポンプ て徐々に厚みを薄くしていきます。 中東など水不足が深刻な地域では海水を淡水（真水）に 高温の鉄板表面には，酸化スケールが発生するため， 変えて飲料水などに利用します。 これを海水淡水化と呼びます。 これが表面に残ったまま圧延機でつぶされると，鉄板に 海水淡水化の方法にはいくつかありますが，主流は多 不純物として残り美観を損ない，割れが発生したりなど 段フラッシュ法と逆浸透膜（RO：Reverse Osmosis）法 で粗悪な製品になってしまいます。このため鉄板が圧延 です。前者は海水を蒸発させてできた水蒸気を集める方 機に入る直前に，高圧水をノズルからまんべんなく噴射 法で，低圧の立形ポンプを使用します。これに対し後者 して鉄板表面に衝突させて，スケールを吹き飛ばしてし は，繊維メーカが開発した特殊繊維（RO）に高圧ポン まいます。鉄板が圧延機に突入する度に，これを繰り返 プを用いて高圧の海水を通して淡水を得る方法で，エネ します。 ルギー消費が少なく，設備がコンパクトで済むため，RO この高圧水を作り出すのがデスケーリングポンプです の改良と相まって近年多く採用されるようになっていま （図 3） 。鉄板が圧延機を通過してしまうと噴射を止めるた す（図 4） 。日本の大型海水淡水化プラントでは沖縄県と スプレーヘッダ 圧延機 圧延済鋼板 赤外線発信器 圧延前鋼板 流体継手 HDB型 スプレー弁 吸込タンク 過熱 防止弁 減圧 オリフィス 吐出し弁 安全弁 吸込ストレーナ 流体継手 デスケーリングポンプ 蓄圧器 エアコンプレッサー 液面計 遮断弁 図 3 鉄板製造工程とデスケーリングポンプ 5 ─ ─ エバラ時報 No. 251（2016-4） 高圧ポンプ−活躍場所編− ROエレメント SP型 P 高圧ポンプ 塩素 モータ 前処理装置 P ・砂；泥；藻などの異物除去 ・殺菌・除菌 ・農薬・有機物など除去 動力回収タービン 濃縮水 海水 淡水 図 4 海水淡水化プラントと水平二つ割多段渦巻ポンプ 福岡県でこの設備が採用されています。 発電所では多くのポンプを使用していますが，その中 海水を扱うため，いずれのポンプも材質は耐腐食性の でも BFP は最も消費動力が大きく，発電容量に対してお 高い高級ステンレス鋼を使用します。 おむね 4% 程度の動力を必要とします（KS 型等のブース タポンプ動力も含みます） 。このため BFP の高効率化は 高圧ポンプの用途とエバラの機種 メーカにとって永遠の課題なのです。 活躍している高圧ポンプの姿を見ていただくことは難し また，デスケーリングポンプの噴射圧力 10 MPa 級以 いですが，これまで説明したように生活の中で使われてい 下では SP 型（まれに SS 型） ，15 MPa 級以上では HDB る多くのものを作り出すとき高圧ポンプが活躍しています。 型（他社では DC 型相当）を採用しています。 エバラでは，これらの用途に対応した高圧ポンプをそろ 噴射圧力が高いほど鉄板の品質が良くなるため，1990 えていますが，ここでは高圧ポンプの基本形である 4 種類 年代初期には，日本の製鉄業界ではより高品質の鉄板を を表にまとめました。 供給する機運が高まり，それまでの主流であった 15 MPa 発電用ボイラ給水ポンプは，小規模な自家発電では SS から 30 MPa，50 MPa，さらには 60 MPa（30 MPa ポン 型，SP 型を，事業用発電では HDB 型，DC 型を，原子 プ直列運転）デスケーリングシステムを実現し， 高圧ポン 力発電では HDR 型を採用します。 プもこの要求に応えてきました。 日本の事業用火力発電設備は 1970 年代の初期まで大形 海水淡水化用逆浸透膜の一次圧力は 5 〜 7 MPa を要求 化の一途をたどり，100 万 kW（1 000 MW と表すことも されるので，SP 型，SPR 型等を使用します。 あります）でピークを迎え，BFPもそれに伴って大形化し 高圧ポンプの“パワー” てきました。近年の中国では，66 万〜 100 万 kW 級の大形 石炭火力発電所の建設が急ピッチで進められています。 エバラのホームページやカタログなどで紹介する“高 従来の BFP は 50% 容量 2 台運転が常識でしたが，直近 圧ポンプ”は， “遠心式横形多段”のカスタム仕様ポン の中国では 100 万 kW 用 100% 容量 1 台も登場し，BFP は プです。ポンプの仕様揚程はおおむね 200 〜 5 000 m と 更に大形化しています。エバラは，2015 年初め中国にこ 広範囲であり，ケーシング耐圧部設計圧力は最大のもの の 100 万 kW 用 BFP を納入するに至りました。100% 容 で 75 MPa 程度です。 量 1 台 BFP プラントは，日本では 50 万，60 万 kW 級で数 ポンプの揚程高さをイメージするために，よく山の高さに 件ありますが，100 万 kW ではまだありません。 例えますが，前記仕様揚程最大 5 000 m 級のポンプであれ 表 高圧ポンプの基本形（エバラの高圧ポンプ） ポンプ名称 温度・圧⼒限界目安 SP，SPD 型式 水平二つ割多段渦巻ポンプ 150 ℃，15 MPa ボイラ給水，デスケーリング，海水淡水化，石油化学関係等 HDB，HSB 横形多段二重胴渦巻ポンプ 400 ℃，50 MPa ボイラ給水，デスケーリング，石油化学・精製用チャージポンプ，インジェ クションポンプ等 SSD，SS 横形輪切多段タービンポンプ 200 ℃，20 MPa ボイラ給水，デスケーリング等 DCD，DC 横形二重胴多段タービンポンプ 400 ℃，35 MPa ボイラ給水，石油化学・精製用チャージポンプ等 ※ 用途 ※初段片吸込：SP 型，HSB 型，SS 型，DC 型，初段両吸込：SPD 型，HDB 型，SSD 型，DCD 型 6 ─ ─ エバラ時報 No. 251（2016-4） 高圧ポンプ−活躍場所編− 吐出し 吸込 主軸 羽根車 図 5 高圧ポンプの揚程高さ ば小水量域での揚程は約 6 000 mになるので，キリマンジャ 図 6 多段ポンプの構造（SS 型） ロ山頂（5 895 m）まで揚水できることになります（図 5） 。 今のところエベレスト（8 848 m）までは及びません。 では， “高圧”とはどのくらいの圧力かというと，こ れも明確な定義はありません。容積式の往復動ポンプで もないポンプになってしまいます。極端な例えになりま は，100 MPa 以上のものもありますが，これは頑丈な連 すが，羽根車外径が 1 メートルで水路出口幅が 1 ミリの 射式水鉄砲のようなものであり，水量は極小で，エバラ 羽根車や，段数が 50 段のポンプも理論上は設計できてし の“高圧ポンプ”には含めていないため，本稿では遠心 まうのです。ですから性能，機能，製造コストを総合的 式に限定しています。 に考慮して，イ，ロ，ハの三者を最適に組み合わせた設 最初のページに登場した写真の高圧ポンプのように， 計をしなければなりません。 遠心式ポンプの作り出す圧力（揚程：水柱 m を単位とす 高圧ポンプへの思い る）を高くするためには，次のような方法があります。 イ）羽根車の外径を大きくする 高圧ポンプの活躍場所では，いろいろな技術が結集し ロ）回転速度を速くする て暮らしを支えるものが作り出されています。高圧ポン ハ）そして一本の軸に羽根車を複数個配列する，すな プもその技術の一員として役立ち活躍することに誇りと わち多段ポンプです（図 6） 責任をもっています。 これらを簡単に説明すると，羽根車の回転による遠心 3.11 東日本大震災以降，各電力会社は深刻な電力不足 力を利用して水を羽根車の外周側へ動かします。遠心力 に対応するため老朽化した発電所や，稼働を止めていた によって水が勢いよく外周に飛び出します。遠心力の原 火力発電所の整備・再稼働によって一部電力を補ってい 理ですから，外径が大きいほど，また羽根車を速く回す ます。そこで働く BFP もまた一生懸命頑張っています。 ほどその勢いを増すことができます。この勢いのある水 発電所の現場を訪問した際に， BFP があれば『お前もがん は速度と圧力の両方のエネルギーをもっていますが，飛 ばっているなあ』と軸受（本体は熱いので危険）をなで び出た水をケーシングの通路でいい具合に減速しながら てやります。 流すことで速度のほとんどが圧力に置き換わります。多 ですから，電灯をともしたとき，水不足の地域のペッ 段ポンプではこれを次の段の羽根車の入口に渡すこと トボトルに“この水は海水から作られています”と表示 で，次の段の勢いが加わることになります。これを段数 されていたとき，また車のボディーを触ったとき，少し 分積み上げた結果，それに応じた高圧力が得られること だけ本稿“高圧ポンプ”を思い起こしてください。 になります。 今後読者諸氏が高圧ポンプをこのように感じていただ この羽根車は軸に取り付けられてポンプの中心で回転 ければ，長年高圧ポンプという多くの子供たちを世に送 していますが，イ，ロ，ハの要素がそれぞれ勝手な組合 り出してきた技術者の一人として本望です。 せでは，効率が悪すぎたり，製造できないようなとんで ［風水力機械カンパニー カスタム事業統括 近藤 忠］ 7 ─ ─ エバラ時報 No. 251（2016-4）
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