H-Q曲線とは？
H-Q曲線とは、ポンプの揚水性能を表すグラフで、縦軸に全揚程（H）、横軸に吐出し量（Q）を取ったものです。
ポンプの吐出し量がゼロのときに全揚程が最大となり、吐出し量が増加するにつれて全揚程が減少するのが一般的な特徴です。
このH-Q曲線は、ポンプの種類や形状、回転数、運転条件に応じて変化します。
単独運転のH-Q曲線
実揚程が一定の場合
単独運転時のH-Q曲線は、管路抵抗曲線との交点がポンプの運転点となります。
この運転点は、管内での揚程（H）と吐出し量（Q）が釣り合った地点です。
実揚程が変化する場合
タンク内の液面が変化するなど、実揚程が変動すると、管路抵抗曲線が上下に平行移動し、ポンプの運転点も変わります。
このため、運転頻度や液面変動を考慮してポンプを選定する必要があります。
吐出し弁開度の変更
吐出し弁の開度を変更すると、管路抵抗曲線の傾きが変化します。
弁を開けば吐出し量は増加し、全揚程は減少。
弁を絞ればその逆が起こります。
この方法は短時間の流量調整に便利ですが、ポンプの動力消費にはあまり影響しないため、長時間の調整にはポンプ回転速度を変える方法が経済的です。
ポンプ回転速度の変更
ポンプの回転速度を変更すると、次の式が成り立ちます。
$$
Q’ = Q \times \frac{n’}{n}
$$
$$
H’ = H \times \left( \frac{n’}{n} \right)^2
$$
回転速度を下げると、H-Q曲線全体が下方にシフトし、吐出し量も減少します。
効率的な運転が求められる場面では、吐出し弁よりも回転速度調整が有利です。
直列運転・並列運転の使い分け
複数のポンプを運転する場合、直列運転と並列運転のどちらを選ぶべきかは、H-Q曲線と管路抵抗曲線の傾きによって決まります。
直列・並列運転の使い分けポイント
＜グラフ工事中＞
上図に、性能が同じポンプ2台の直列・並列運転時のH-Q曲線と管路抵抗曲線を示します。
直列運転と並列運転の使い分けの基準となるのが点Aです。
点Aでは、直列運転と並列運転のH-Q特性が一致します。
- 管路抵抗曲線の傾きが大きい（R’のような曲線）場合、2台直列運転の方が全揚程・吐出し量ともに並列運転よりも有利です。
- 管路抵抗曲線の傾きが小さい（R”のような曲線）場合、2台並列運転の方が全揚程・吐出し量ともに直列運転より有利です。
以上のように、H-Q曲線と管路抵抗曲線の傾きに応じて、直列運転と並列運転のどちらが効率的かを判断できます。
管路抵抗曲線はポンプの全揚程Hを各吐出し量Qで算出することで引くことができます。
ポンプの全揚程 \( H \) の算出方法は以下の記事で解説しています。
直列運転のH-Q曲線
同性能ポンプの直列運転
ポンプを2台直列に配置すると、それぞれの吐出し量での全揚程を足し合わせたH-Q曲線を得ることができます。
直列運転は、全揚程が高い場合に有利です。
直列運転時は、同じ流量でも2台分の揚程が得られるため、揚程の必要なシステムで採用されます。
異性能ポンプの直列運転
異なる性能のポンプを直列運転する場合も、全揚程を足し合わせて合成H-Q曲線を得ます。
ただし、吐出し量が増加すると、小容量のポンプが逆にマイナスの揚程になることがあり、この領域ではポンプ効率が低下するため注意が必要です。
直列にポンプを配置する場合、容量の大きいポンプを1段目に配置することでキャビテーションを防止できます。
並列運転のH-Q曲線
同性能ポンプの並列運転
並列運転の場合、各揚程における吐出し量を足し合わせたH-Q曲線が得られます。
並列運転は、流量が大きく必要な場合に有利です。
ただし、管路抵抗曲線の傾きが大きい場合、並列運転の効果が薄れることがあるため、並列運転を選定する際は、H-Q曲線と管路抵抗曲線をしっかり確認する必要があります。
異性能ポンプの並列運転
異なる性能のポンプを並列運転する場合も、同様に吐出し量を足し合わせて合成H-Q曲線を作成しますが、小容量ポンプの最大揚程が上限となる点に注意が必要です。
管路抵抗曲線の傾きが大きくなりすぎると、小容量ポンプが性能を発揮できなくなるため、場合によっては大容量ポンプだけで運転する方が効率的です。
まとめ
H-Q曲線は、ポンプの性能を理解し、最適な運転方法を選定する上で非常に重要です。
- 直列運転は、高い揚程が必要な場合に適しており、2台分の全揚程を合成して運用できます。
- 並列運転は、大きな吐出し量が求められる場合に適しており、流量を増やすことができます。
H-Q曲線と管路抵抗曲線の関係を把握し、ポンプの直列運転・並列運転を適切に使い分けることが重要です。
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