現場で役立つ配管口径(Pipe diameter)と流量(Flow rate)の概算を解説します。
エンジニアがこの考え方が現場で使えると、現場で相談を受けたときに非常に役立ちます。
何の気なしに現場に行ったら、「ちょうど良かった！」って製造管理者から相談をいきなり受けたりします。
相談事はだいたい運転でのトラブル。「物が流れない」という内容が多く、ポンプが原因となりやすいです。
特に昔のプラントでは、ちゃんと設計されておらずにトラブルが起きて、現在のしっかりした設計だと簡単に解決する場合も多いです。
配管口径と流量の関係、さらにポンプ流量との関係、とちゃんと知っているだけで即答が可能となり、製造課からの信頼感が一気に高まることでしょう。
自分で仕事をコントロールしやすくなったり、キャリアにも有利になったりするので、ぜひとも押さえておきたい内容です。
配管口径(Pipe diameter)と流量(Flow rate)の概算計算
配管口径と流量の概算計算方法を紹介します。
バッチ系化学プラントでは超重要な概念で、暗記して使える内容を含みます。
機械設計を10年近く担当していても、この考え方に関連するトラブルに即対応できないエンジニアは存在します。
強調してもし過ぎることはないくらいなので、色々なアプローチで解説したいと思います。
標準流速
バッチ系化学プラントでは標準流速の考え方がとても大事です。
標準化・モジュール化はこれからのバッチ系化学プラントのトレンドとなるでしょう。
- 複数の生産ラインで同じ設備を使う
- ここの生産ラインで使用条件（流量・圧力・温度）が違う
個別最適化ができる連続プラントと違って複数のパターンに適応しないといけないのが、バッチ系化学プラントの大事なところ。
ポンプ周りの口径を決めるためには、標準流速の考え方が大活躍します。
液体では1～2m/s程度で考えます。
ガスラインの口径も標準流速の考え方でほぼ決まります。
標準流速の考え方だけでバッチ系化学プラントの8～9割の口径を選定することすら可能です。
- 液体 1～2m/s
- ガス 10m/s
- 蒸気 20～30m/s
口径×流速=流量
口径と流速から流量を計算する方法を紹介します。
といっても、とても簡単な計算式です。
$$Q=\frac{π}{4}Av^2$$
この式を使うだけです。
パラメータが2つあって、現場で即決するには使いにくいので、流速を固定化します。
これが標準流速の考え方。
いくつかの標準的な数値を暗記します。2つで十分です。
- 40Aで110L/min
- 50Aで170L/min
これだけあれば十分です。
後は少しの暗算で応用可能です。
- 25A → 50Aの1/4倍 → 約40L/min
- 80A → 40Aの4倍 → 約440L/min
- 100A → 50Aの4倍 → 約680L/min
標準流速さえ決めておけば、流量は口径の2乗に比例するという関係が活きてきます。
たった2つの数字を現場レベルで使えるようになると応用が広がっていきます。
標準流量(Flow rate)の例
上で紹介した例をもとに計算した結果をまとめておきましょう。
| 口径 | 液体 | ガス | 蒸気 |
| – | 1.5m/s | 10m/s | 30m/s |
| 25A | 40 | 300 | 1,200 |
| 40A | 110 | 750 | 2,250 |
| 50A | 170 | 1,200 | 3,600 |
| 80A | 440 | 3,000 | 9,000 |
| 100A | 680 | 4,800 | 14,400 |
流量で問題になるのはほぼ液体で、主要な40～50Aで8割程度は解決してしまいます。
ガスや蒸気も同じ考え方で設計は可能ですが、標準流量を意識した関係計算を頻度は多くないと思います。
それよりはP&IDや機器設計段階でもう少し真面目な計算を行っているでしょう。
バッチ系化学プラントでのトラブル例
バッチ系化学プラントの現場で起こる問題の5割以上はポンプです。
ポンプで液が送れないという問題は特に試生産で発生します。
ポンプ設計の基本的で簡単な部分を疎かにしていると起こりやすいでしょう。
例えばこんな例が、普通にユーザーの設計現場では起こりえます。
10L/min の流量を100L/minのポンプで40Aの口径で送りたい
ニーズとしては分かります。
でもポンプの知識が少しあれば、ミニマムフローを確保できるか疑問になるはずです。
普通の100L/minのポンプではミニマムフローは20～30L/min程度でしょうか。
10L/minという小流量を送ることはできません。
この場合、循環をしながら少しずつ送るという方法を取ります。
これも要注意。
100L/minのポンプで以下の条件で運転することになります。
- 循環90/min ？？A
- 送液10L/min 40A
もともと100L/minのポンプで液を送るラインの口径は、標準流速の考えから40Aで設計されます。
ここを10L/minで送ろうとした場合、圧力損失がほとんど発生しません。
100L/minのポンプなら10L/min以外の90L/minを循環ラインで流してあげると考えないといけません。
ここで循環ラインと送液ラインの圧力損失バランスが問題になります。
現実的には手動バルブで調整を迫られますが、結構限界があります。
かといって、自動調整弁を付けてもCV値が高すぎて制御できません。
こんな場合は、インペラカットや制限オリフィスに頼ることになります。
単純に1つの製品ラインに適応する設計ができないところが、バッチ系化学プラントの難しいところですね＾＾
ポンプの圧力損失について詳しく知りたい方は、以下の記事もご覧ください。
もう少し詳細に学習したい場合は・・・
このざっくり計算は実務上非常に有用です。
もう少し細かく知りたいけど、計算ソフトを導入するまででもないという場合は以下の書籍が役に立ちます。
計算上は細かな配管形状の設定と圧損計算を使っています。
計算して得られた結果の正誤性を確認するためには、原理原則である基礎式に立ち返るでしょう。
この基礎式が、まさに今回のざっくり計算です。
関連記事
標準流速や流量の話をさらに理解するためには、以下の記事も参考になるでしょう。
最後に
現場で役立つ配管口径と流量の概算を解説しました。
標準流速・口径と流速から流量を計算する・必要流量とポンプ流量を調べる
40Aで110L/min、50Aで170L/minという2つの数字を覚えるだけで応用が広がります。
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25A → 50Aの1/4倍 → 約40L/min
50Aの1/4倍が何故25Aなのでしょうか。
イマイチ理解が出来ません。
コメントありがとうございます。
25Aは50Aの1/2の口径
断面積は(1/2)^2=1/4
流速が同じであれば、流量は断面積に比例
なので、25Aは50Aの1/4として計算して、
170/4=42.5→おおよそ40
という意味です。
導入する海外の装置は冷却水などは3.5m/sを要求されることが多いので、そちらに合わせています。日本の配管屋さんは2m/sが標準のようですね。内径25Aで60～105LPMなので最低が2m/s。
ウチの業界では2″(50A)240LPMで覚えておいたほうが便利かもしれません。
コメントありがとうございます。
動力コスト/配管の腐食/静電気などの影響で速度を落としているので、
例えば水なら2m/sよりも高くなる場合もあるかも知れません。
それでも3.5m/sはやや高いなぁと感じました。