JP2001295746A

JP2001295746A - 水車のガイドベーン制御方法

Info

Publication number: JP2001295746A
Application number: JP2000111971A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Watanabe; 邊和彦渡; Takahiko Nakazawa; 澤孝彦中; Tomoyoshi Sagawa; 川朋美佐; Yuetsu Uto; 藤祐悦宇; Toshiaki Suzuki; 木敏暁鈴
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Toshiba Corp
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Toshiba Corp
Priority date: 2000-04-13
Filing date: 2000-04-13
Publication date: 2001-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷遮断時の水撃現象を十分抑制し、またそ
れに伴い主機の回転速度上昇をも抑制することができる
ようにした水車のガイドベーン制御方法を得ること。【解決手段】発電運転中に負荷遮断等で主機を緊急停
止するような場合に、ガイドベーンを一旦閉方向に制御
した後にそのガイドベーンを開方向に制御し、その後再
び全閉または全閉付近の開度までガイドベーンを閉制御
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水車のガイドベー
ンを開閉制御するガイドベーン制御方法に係り、特に負
荷遮断等により主機を緊急停止するような事態が発生し
た時のガイドベーン制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電力需要の増大に伴う発電容量の
増加によって水力発電所は高落差・高速度・大流量化の
傾向にある。そのため、長大な流水路を有する水力発電
所も建設されている。また、建設コストの低減のため
に、流水路の途中に複数本の分岐流水路を形成し、これ
らの分岐流水路に各々水力機械を配置する分岐水路方式
が一般に採用されている。

【０００３】図１０は一般的な水力発電所の水路系を示
したもので、上池１には一本の流水路２が連通され、こ
の流水路２は水車、ポンプ水車等の水力機械３を介して
放水路４に接続されている。また、この放水路４は放水
口または下池５に連通している。

【０００４】図１１は、フランシス形ポンプ水車３の概
略構成を示す図であり、上記流水路２にケーシング６が
接続されている。このケーシング６の内周部には流量を
調整するための多数のガイドベーン７が周方向に配列さ
れている。これらのガイドベーン７はガイドベーン駆動
装置８によって開閉駆動され、このガイドベーン駆動装
置８が制御装置９によって制御される。このように環状
に配列されたガイドベーン７の中央部には主軸１０に連
結されたランナ１１が配設されており、この主軸１０に
図示しない発電電動機が接続されている。また、上記ラ
ンナ１１の下方に放水路４に接続された吸出管１２が設
けられている。

【０００５】このような水力発電所では水力機械３の発
電運転中に電力系統の事故或は発電所機器に異常が発生
した場合には、電力系統から水力機械を切り離して主機
停止操作により主機を保護する。すなわち、上記異常が
発生した場合、制御装置９によって電力系統からの切り
離しに起因するガイドベーン閉指令が駆動装置８に入力
され、これに応じて駆動装置８によってガイドベーン７
が閉駆動され、水力機械３が停止される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、発電運転中
の水力機械に同時に負荷遮断が発生しガイドベーンが閉
方向に制御された場合には、ガイドベーンの閉動作によ
る流量変動のための水撃現象が発生して水圧変動が起こ
り、ガイドベーンを適切に閉駆動しないとこのような水
圧変動が重畳することにより流水路の最大水圧が設計水
圧を上回り、流水路を破損するといった問題を生ずる可
能性がある。さらに、上述の水圧変動の重畳によって放
水路水圧が低下して絶対真空以下になると水柱分離現象
が発生し、この水柱の再結合時に過大な水圧上昇が誘起
され、放水路や水車機器を破損するといった問題も生ず
る。複数台のフランシス形ポンプ水車を有する発電所で
はこれらの問題はさらに顕著となる。

【０００７】このような水撃現象に起因する問題を解決
するためには、水路の断面積を大きくして水路の有する
慣性エネルギーを小さくすること、或は巨大な容量を有
するサージタンクを水路に設置することなどが考えられ
るが、いずれの方法も設備が巨大化してしまうといった
問題がある。

【０００８】そこで、ガイドベーンの閉鎖方法なども提
案されている。図１２（ａ）〜（ｅ）は、発電運転中に
負荷遮断が発生した時の従来のガイドベーン閉鎖サーボ
ストロークと、流量と、回転速度と、放水路水圧と、流
水路水圧とをそれぞれ示したものである。なお、図１２
（ａ）〜（ｅ）において、点線はガイドベーンの閉動作
速度を比較的遅くした場合を表し、実線はガイドベーン
の閉動作速度を比較的速くした場合を表す。

【０００９】負荷遮断が発生した時には、外部の負荷が
喪失するため一般に水流エネルギによって回転速度が上
昇する。そこで、この回転速度の上昇を抑えるために、
図１２（ａ）に示したようにガイドベーンを急速に閉動
作する。すると、このガイドベーンの急閉鎖に伴い流水
路水圧は図１２（ｅ）に示したように急激に上昇し、放
水路水圧は図１２（ｄ）に示すように下降する。なお、
このような場合でも回転速度は図１２（ｃ）に示すよう
に上昇する。そこで、これらの水圧変動を抑えるため、
或るガイドベーン開度から、ガイドベーンを急閉鎖から
引き続き緩閉鎖する。したがって、このガイドベーンの
閉動作の開始に伴い、ポンプ水車の流量は図１２（ｂ）
に示したように減少する。

【００１０】ところが、負荷遮断が発生した時に、ガイ
ドベーンの急閉鎖の速度を大きくすると、水流を素早く
減少させるため回転速度上昇を抑えることができるが、
水流量減少に伴う水撃現象により流水路および放水路の
水圧変動が大きくなってしまうことになる。さらに、こ
の流動変動が大きい場合には、逆転ポンプ水車領域に入
り込むこともあり、水路内を水流が逆流することで非常
に不安定な状態に陥ることになる。

【００１１】また、ガイドベーンの急閉鎖速度を遅くす
ると、流水路および放水路の水圧変動を抑えることがで
きるが、回転速度上昇が大きくなってしまう。特にポン
プ水車においては、ガイドベーンの急閉鎖速度が遅すぎ
ても、ランナの強い遠心力作用により水車方向回転が上
昇すると急激に水車方向流量が減少するために流水路水
圧上昇が大きくなってしまう等の問題がある。

【００１２】水路系の特性を考慮した場合のフランシス
形ポンプ水車の特性は、いわゆる完全特性として代表さ
れる。この完全特性は、通常、図１３に示したように、
ガイドベーン開度がＡ₁〜Ａ₃と変化したときの単位落
差あたりの回転速度ｎ₁と単位落差あたりの流量ｑ₁と
の関係、または図示していない単位落差あたりの回転速
度ｎ₁と単位落差あたりのトルクとの関係として表わさ
れる。

【００１３】負荷遮断が発生した時のガイドベーンの閉
口制御に伴う完全特性上の時間によるポンプ水運転特性
軌跡の一例を曲線Ｑに示す。曲線Ｑは長大な水路系にお
いて、また負荷遮断時の条件によっては、水が逆流する
など更に複雑となる。なお、図１３において、領域Ｉ
（水車方向回転、水車方向流量）は水車領域、領域II
（水車方向回転、ポンプ方向流量）は逆転ポンプ領域で
あって、上記水の逆流は、この逆転ポンプ領域に入るこ
とで発生する。

【００１４】上記完全特性上のポンプ水車運転特性軌跡
において最大回転速度は、単位落差あたり回転速度ｎ₁
がもっとも大きくなる点Ｐにおいて発生する。しかしな
がら、その付近においてｑ₁に対するｎ₁の変化は小さ
い。これは、ｎ₁が単位落差あたりの数値であることか
ら、落差も回転速度とともに上昇していることに起因す
る。すなわち、落差も点Ｐ付近で最大となる。

【００１５】しかして、ガイドベーンの制御に伴う流水
量の変化は回転速度に大きな影響があり、回転速度変動
を適切に抑制しかつ流量変化を適切に抑えることが流水
路および放水路の水圧変動を抑えることにつながる。

【００１６】本発明は、このような点に鑑み、負荷遮断
時の水撃現象を十分に抑制し、またそれに伴い主機の回
転速度上昇をも抑制することができるようにした水車の
ガイドベーン制御方法を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、発電運転
中に負荷遮断等で主機を緊急停止するような場合に、ガ
イドベーンを一旦閉方向に制御した後にそのガイドベー
ンを開方向に制御し、その後再び全閉または全閉付近の
開度まで上記ガイドベーンを閉制御することを特徴とす
る。

【００１８】第２の発明は、第１の発明において、発電
運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止するような場合
に、まずガイドベーンを所定の速度Ｖ₁で閉方向に制御
し、次に上記速度Ｖ₁以下の速度Ｖ₂で開方向に制御
し、さらに上記速度Ｖ₂以下の速度Ｖ₃で全閉または全
閉付近の開度まで上記ガイドベーンを制御することを特
徴とする。

【００１９】また、第３の発明は、第１の発明におい
て、発電運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止するよう
な場合に、ガイドベーンのサーボストロークまたはガイ
ドベーン開度を一旦９０％以下まで閉方向に制御し、次
に上記サーボストロークまたはガイドベーン開度を１０
％以上開方向に制御し、再び全閉または全閉付近まで閉
方向に制御することを特徴とする。

【００２０】第４の発明は、第１の発明において、発電
運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止するような場合
に、まずガイドベーンのサーボストロークまたはガイド
ベーン開度を一旦９０％以下まで所定の速度Ｖ₁で閉方
向に制御し、次に上記サーボストロークまたはガイドベ
ーン開度を１０％以上だけ上記速度Ｖ₁以下の速度Ｖ₂で
開方向に制御し、さらに上記速度Ｖ₂以下の速度Ｖ₃で
全閉または全閉付近の開度まで上記サーボストロークま
たはガイドベーン開度を閉方向に制御することを特徴と
する。

【００２１】第５の発明は、第１の発明において、発電
運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止するような場合
に、ガイドベーンを一旦閉方向に制御した後に、ガイド
ベーンを開方向と閉方向に交互に２回以上継続させて制
御し、その後再び全閉または全閉付近の開度まで上記ガ
イドベーンを閉方向に制御することを特徴とする。

【００２２】さらに、第６の発明は、第１の発明におい
て、ガイドベーンを一旦閉方向に所定開度まで制御した
後に、所定時間だけその開度に保持し、その後ガイドベ
ーンを開方向に制御することを特徴とする。

【００２３】第７の発明は、第１の発明において、ガイ
ドベーンを一旦閉方向に所定開度まで制御した後に開方
向に制御し、所定時間だけその開度を保持し、その後ガ
イドベーンを再び全閉または全閉付近まで閉方向に制御
することを特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図１乃至図９を参照して本
発明の実施の形態について説明する。

【００２５】図１は、分岐水路におけるフランシス形ポ
ンプ水車のガイドベーン制御方法の一例を概略的に示し
たブロック図であり、各フランシス形ポンプ水車のガイ
ドベーン７ａ，７ｂにはそれぞれ開度検出装置１３ａ，
１３ｂが付設されている。これらの開度検出装置１３
ａ，１３ｂは対応するガイドベーン７ａ，７ｂの開度を
検出し、検出した開度に応じた開度検出信号を発生し、
これらの開度検出信号がコントローラ１４に入力され、
このコントローラ１４から上記各開度検出信号に対応し
た制御信号が各ガイドベーン駆動装置８ａ，８ｂに入力
され、各ガイドベーン７ａ，７ｂの開度が制御される。

【００２６】そこで、フランシス形ポンプ水車が発電運
転しているときにフランシス形ポンプ水車に負荷遮断が
発生すると、コントローラ１４は負荷遮断に起因するガ
イドベーン閉指令を対応する駆動装置８ａに入力し、こ
れによって駆動装置８ａによりガイドベーン７ａが閉方
向に制御される。

【００２７】図２は、本発明の水車のガイドベーン制御
方法の一実施の形態と、そのときの流量変化と流水路水
圧の状態を示す線図であって、図２（ａ）に示すよう
に、負荷遮断が発生するとガイドベーンサーボストロー
クが小さくなるようにすなわちガイドベーンが一旦閉方
向に急速に制御される。その後ガイドベーンサーボスク
トロークが大きくなるようにすなわちガイドベーンが開
方向に制御され、その後再びガイドベーンサーボストロ
ークが減少されガイドベーンが全閉または全閉付近の開
度まで閉制御される。

【００２８】すなわち、図２（ｅ）は上記ガイドベーン
の制御に対応する流水路水圧の変化を示す図であって、
負荷遮断に応じてガイドベーンが急速に閉方向に制御さ
れ、流水路の水圧が或る目標の値まで上昇すると、ガイ
ドベーンが開方向に制御され時間当りの流量変化が減少
せしめられ、流水路水圧の上昇が抑えられる。水車に作
用する水の落差は流水路水圧と放水路水圧との差である
から、流水路水圧が低いと落差も小さくなり、落差が低
くなると、前述のように完全特性上、回転速度も低く抑
えられる。そこで、流水路水圧が最大値を通過した後、
ガイドベーンが再び閉方向に制御される。図２（ｂ）は
上記制御時の流量変化を示す図であって、流量変化はガ
イドベーン開度の影響を受けるまでに時間的な遅れがあ
るため、ガイドベーン急閉鎖時の流量減少は負荷遮断直
後には緩やかである。

【００２９】図３は、上記本発明の一実施の形態におけ
るガイドベーン制御方法の場合と、回転速度上昇を抑え
るためにガイドベーンを締め切り付近まで急閉鎖した場
合、および前記従来のガイドベーン閉鎖方式とを比較し
て示したもので、実線が本発明の一実施の形態によるガ
イドベーン制御方式を示し、一点鎖線が締め切り付近ま
でガイドベーンを急閉鎖した制御方法を示し、点線が従
来のガイドベーン閉鎖方式を示したものである。

【００３０】この図から判るように、従来のガイドベー
ン閉鎖方法では、腰折れ開度Ａでガイドベーンを緩閉鎖
制御することによって流量変化を抑えることができる
が、本発明では、上述のように腰折れ開度から一旦開方
向に制御することにより、時間当りの流量変化を顕著に
少なくさせることができる。したがって、これにより流
水路水圧上昇および回転速度上昇を低く抑えることがで
きる。

【００３１】なお、この場合、負荷遮断発生後のガイド
ベーンの急速閉制御は、９０％以下のサーボストローク
またはガイドベーン開度まで閉方向に制御し、その後１
００％以下のサーボストロークまたはガイドベーン開度
になるまで、１０％以上開方向に制御することが好まし
い。

【００３２】図４は本発明の他の実施の形態のガイドベ
ーン制御方法を示す図であり、最大出力で発電運転中に
負荷遮断が発生する点が図の左下に付した三角マークで
ある。

【００３３】そこで負荷遮断が発生すると、ガイドベー
ンをまず所定の速度Ｖ₁（ストローク／時間）で閉方向
に制御する。その後、上記速度Ｖ₁より遅い速度Ｖ₂で
開方向に制御する。このとき、流入路水圧は上昇する
が、上記ガイドベーンの開方向の制御によって上昇量は
従来と比較して顕著に低くなる。その後、流水路水圧が
ピークに達した後、上記速度Ｖ₂より更に遅い速度Ｖ₃
で閉方向に制御する。このガイドベーンの閉方向の速度
を徐々に遅くしてゆくことで、流量や水圧変化の如き現
象の急激な変化を防ぐことができる。尚、速度Ｖ₁とＶ₂
を、速度Ｖ₂とＶ₃をそれぞれ等速としても良い。

【００３４】通常の水力発電所では、最大出力で発電運
転中でも、ガイドベーンは機械最大開度（ガイドベーン
開度またはサーボストローク１００％）より小さい開度
で運転している。図５は、この通常使うことのないガイ
ドベーン開度を利用する例を示す図であり、この場合図
２および図４に示すものに比し、ガイドベーンを一旦閉
方向に制御した後、再び開方向に制御する場合に、発電
運転時よりもさらに大きく開ける。しかして、この場合
流量変化をさらに少なくして、流水路水圧および回転速
度を低く抑えることができる。

【００３５】図６は、本発明の他の実施の形態を示す図
であって、負荷遮断が発生した場合に前述と同様にガイ
ドベーンが一旦閉方向に制御され、流水路水圧がある一
定点まで上昇すると、ガイドベーンが開方向に制御さ
れ、流水路水圧が別の一定点まで下降すると再び閉方向
に制御され、この開方向制御および閉方向制御が交互に
２回以上継続され、その後全閉または全閉付近の開度ま
で緩閉鎖が行われる。

【００３６】図７は本発明のさらに他の実施の形態を示
す図であって、最大出力で発電運転中に負荷遮断で主機
を緊急停止する場合に、ガイドベーンを一旦閉方向に制
御して回転速度上昇をおさえた後、所定の時間だけ所定
のガイドベーンストロークまたはガイドベーン開度のま
ま保持し、その後ガイドベーンを開方向に制御し、しか
る後再び全閉まで閉方向に制御する。

【００３７】上記所定のガイドベーンストロークまたは
ガイドベーン開度を保持することによって、その間のガ
イドベーンにかかる応力を抑えたり、ガイドベーン制御
の切り替えが正常動作せずに遅れた場合に対応すること
ができ、所定のガイドベーンサーボストロークを保持し
た後に開方向に制御することにより、流水路の水圧上昇
および水車の回転速度上昇を抑えることができる。

【００３８】図８は本発明の他の実施の形態を示す図で
あって、最大出力で発電運転中に負荷遮断で主機を緊急
停止する場合に、ガイドベーンを閉方向に制御して回転
速度上昇を抑え、続いてガイドベーンを開方向に制御し
て流水路水圧上昇を抑えた後、所定の時間だけ所定のガ
イドベーンサーボストロークのまま保持し、流水路水圧
がピークに達した後再びガイドベーンを全閉または閉方
向に制御する。

【００３９】しかして、このように所定時間だけガイド
ベーンサーボストロークを所定ストロークに保持するこ
とによって、流水路水圧がピークに達した後にガイドベ
ーンを閉方向に制御して流水路水圧のピーク値が上昇す
ることを確実に防止することができる。

【００４０】ところで、上記各実施の態様においては、
最大出力で発電運転中に負荷遮断が発生し主機を緊急停
止する場合について説明したが、ガイドベーンサーボス
トロークまたはガイドベーン開度が５０％以上の中間負
荷での発電運転中に主機を緊急停止する場合も全く同様
に行うことができる。

【００４１】すなわち、図９において、点線は前述のよ
うに最大出力発電時における主機の緊急停止のためのガ
イドベーン開度制御方法を示し、実線は、中間負荷発電
状態からガイドベーンを全閉状態に制御するときの制御
方法の例を示す。

【００４２】なお、上記各実施の態様ではフランシス形
ポンプ水車について説明したが、ガイドベーンを有する
他の形の水車にも適用することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は発電運転
中に負荷遮断が発生した場合に、ガイドベーンを一旦閉
方向に制御した後に開方向に制御し、その後全閉または
全閉付近の開度になるまで閉方向に制御するようにした
ので、急激な流量変化を緩和することができ、水撃現象
の発生を十分に抑制し、且つ回転速度上昇をも十分抑制
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ポンプ水車のガイドベーン制御方法の一例を概
略的に示したブロック図。

【図２】本発明の一実施の形態のガイドベーン制御例と
流量変化および流水路水圧の状態を示すグラフ。

【図３】本発明の一実施の形態によるガイドベーン制御
方法と従来のガイドベーン制御方法における流水路水圧
および流量の変化の比較図。

【図４】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図５】本発明のさらに他の実施の形態を示す図。

【図６】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図７】本発明のさらに他の実施の形態を示す図。

【図８】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図９】本発明の他の実施の形態を示す図。

【図１０】一般的な水力発電所の水路系を示す図。

【図１１】ガイドベーンを有する一般的なフランシス形
ポンプ水車の概略構成を示す図。

【図１２】（ａ）〜（ｅ）は従来のガイドベーンの閉鎖
制御における諸データの変化を示す図。

【図１３】フランシス形ポンプ水車の完全特性を示すグ
ラフ。

【符号の説明】

２流水路３水力機械４放水路６ケーシング７ガイドベーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中澤孝彦東京都中央区銀座６−15−１電源開発株式会社内 (72)発明者佐川朋美神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者宇藤祐悦神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者鈴木敏暁神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 3H073 AA12 BB07 BB34 CC20 CD04 CD11 CE09 CE27 5H590 AA21 AB01 AB15 BB11 CA11 CE01 EA05 GA02 HA02 HA12 HA17 HA26 KK04 KK06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水車のガイドベーンを開閉するガイドベー
ン制御方法において、発電運転中に負荷遮断等で主機を
緊急停止するような場合に、ガイドベーンを一旦閉方向
に制御した後にそのガイドベーンを開方向に制御し、そ
の後再び全閉または全閉付近の開度まで上記ガイドベー
ンを閉制御することを特徴とする、水車のガイドベーン
制御方法。
【請求項２】発電運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止
するような場合に、まずガイドベーンを所定の速度Ｖ₁
で閉方向に制御し、次に上記速度Ｖ₁以下の速度Ｖ₂で
開方向に制御し、さらに上記速度Ｖ₂以下の速度Ｖ₃で
全閉または全閉付近の開度まで上記ガイドベーンを制御
することを特徴とする、請求項１記載の水車のガイドベ
ーン制御方法。
【請求項３】発電運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止
するような場合に、ガイドベーンのサーボストロークま
たはガイドベーン開度を一旦９０％以下まで閉方向に制
御し、次に上記サーボストロークまたはガイドベーン開
度を１０％以上開方向に制御し、再び全閉または全閉付
近まで閉方向に制御することを特徴とする、請求項１記
載の水車のガイドベーン制御方法。
【請求項４】発電運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止
するような場合に、まずガイドベーンのサーボストロー
クまたはガイドベーン開度を一旦９０％以下まで所定の
速度Ｖ₁で閉方向に制御し、次に上記サーボストローク
またはガイドベーン開度を１０％以上だけ上記速度Ｖ₁
以下の速度Ｖ₂で開方向に制御し、さらに上記速度Ｖ₂
以下の速度Ｖ₃で全閉または全閉付近の開度まで上記サ
ーボストロークまたはガイドベーン開度を閉方向に制御
することを特徴とする、請求項１記載の水車のガイドベ
ーン制御方法。
【請求項５】発電運転中に負荷遮断等で主機を緊急停止
するような場合に、ガイドベーンを一旦閉方向に制御し
た後に、ガイドベーンを開方向と閉方向に交互に２回以
上継続させて制御し、その後再び全閉または全閉付近の
開度まで上記ガイドベーンを閉方向に制御することを特
徴とする、請求項１記載の水車のガイドベーン制御方
法。
【請求項６】ガイドベーンを一旦閉方向に所定開度まで
制御した後に、所定時間だけその開度に保持し、その後
ガイドベーンを開方向に制御することを特徴とする、請
求項１記載の水車のガイドベーン制御方法。
【請求項７】ガイドベーンを一旦閉方向に所定開度まで
制御した後に開方向に制御し、所定時間だけその開度を
保持し、その後ガイドベーンを再び全閉または全閉付近
まで閉方向に制御することを特徴とする、請求項１記載
の水車のガイドベーン制御方法。