JP2007085210A

JP2007085210A - 水車又はポンプ水車

Info

Publication number: JP2007085210A
Application number: JP2005273050A
Authority: JP
Inventors: Kei Katayama; 慶片山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05

Abstract

【課題】
電極等のオン・オフ式のセンサーを用いても、ドラフトチューブ外部に設置した垂直管部を用いることに起因して生じる可能性がある問題（垂直管部が疲労破壊やセンサ―の誤作動）が少ない水位検出装置を備えた水車又はポンプ水車を提供する。
【解決手段】
主軸１とランナ２の回転部と、ドラフトチューブ３と上カバー７および下カバー６の固定部を備えた水車又はポンプ水車において、調相運転などの水面５の押し下げ運転の際の水位検出装置として、ドラフトチューブ内壁に設置された水位検出センサー４ａ，４ｂ，４ｃを用いる。センサーが水中にあるときの信号をオン及び水面より上にあるときの信号をオフとして、センサーのオン・オフの割合に基づいてドラフトチューブ内の水面の位置を特定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水力発電等に用いられる水車又はポンプ水車に係り、特に、ポンプ運転の起動時、あるいは調相運転時のトルクを減少させるため水面を押し下げて運転する際に水位を検出する装置を備えた水車又はポンプ水車に関する。

水車またはポンプ水車は、ポンプ運転の起動時、あるいは調相運転時のランナの駆動トルクを減少させるため水面を押し下げて運転している。この水面押し下げを実施する場合、水面検出装置を設けて、ある設定された水位になるまで水面を押し下げたり、あるいは水面をある設定水位に制御したりすることが行われている。

この水位制御にあたり、水位の検出は、従来は、特許文献１〜３などに記載されているように、ドラフトチューブの上部と下部を結ぶ管路を設け、この管路の概略垂直な管部に水位検出用のセンサー（電極）を設置することにより行われている。

また、ドラフトチューブ内の水面全体の水位変化を連続的に検出するために、反射波を用いて水面状態を非接触で検出する検出器をランナコーン又はドラフトチューブの壁部に設けた例が特許文献４に記載されている。

また、水位検出に関する技術として、容器内の水位や、水路やダムの水位を測定する分野において、水中に水圧を検知する水位検出用センサーを入れ、水圧の大きさから水深を検出する方法や、水面より上に超音波やレーザーを発するセンサーを設置し、超音波やレーザーが水面で反射することを利用し水位を検出する方法や、水面に浮きを浮かべてその浮きの位置を測定することで水位を検出する方法などがある。

特開平１１−３７０３４号公報特開平９−７２２７０号公報実開昭５８−１４８２８６号特開平９−３２４７３９号公報

調相運転などの水面押し下げ運転時、ドラフトチューブ内の水は旋回し激しく動揺しており、水面も同様に旋回し激しく動揺しているが、特許文献１〜３に記載のような、ドラフトチューブの外に水位検出用センサー（電極）を設ける方式では、水位検出装置の垂直管部内の水位は、管路内の水柱の慣性によって、ドラフトチューブ内の旋回し激しく動揺する水面に比べて安定している。これにより、平均化された水位の検出を行っている。

しかし、激しく動揺するドラフトチューブ内の水がドラフトチューブの振動を引き起こし、このドラフトチューブの振動が垂直管部に伝播して垂直管部も振動する。この時、ドラフトチューブと垂直管部は、大きさも質量も異なるため、異なる振動モードで振動する。これによりドラフトチューブと垂直管部の接続部分で疲労破壊を起こす可能性がある。

また、垂直管部内は長期間水が入っており、垂直管部内の壁面に水中の不純物や藻などが付着する。垂直管部は、細長い構造のため、この付着物の除去が困難となる。この付着物により、水位検出用センサーが検出不能になったり、誤作動したりするなど、信頼性上の問題が生じる可能性がある。

また、容器内の水位や、水路やダムの水位を測定する分野の方法は、水面が安定している状態の水位を検出するのには適しているが、水車またはポンプ水車のドラフトチューブ内のように水面が旋回し激しく動揺している水位の検出にそのまま利用することは困難である。特に、水車またはポンプ水車では、通常運転時のドラフトチューブ内は完全に水が充填され、かつ高速で流れており、また、水面押し下げ運転時のドラフトチューブ内には空気と水が入っている。このような水車およびポンプ水車の運転によりドラフトチューブ内の状態が変化することが、容器内の水位や、水路やダムの水位検出技術を適用できない原因となっている。特許文献４では、非接触の検出器を用いる方法であるが、容器内の水位や、水路やダムの水位を測定する分野の方法をドラフトチューブ内の水位検出に転用するのと同様に、実際に検出するには種々の困難が予想される。

本発明の目的は、電極等のオン・オフ式のセンサー（センサーが水中にあるか否かにより異なる信号を出力するセンサー）を用いても、垂直管部を用いることに起因して生じる可能性がある問題が少ない水位検出装置を備えた水車又はポンプ水車を提供することにある。

本発明は、センサーが水中にあるか否かにより異なる信号を出力するセンサーをドラフトチューブの内壁面に設置し、センサーが水中にあるときの信号をオン及び水面より上にあるときの信号をオフとして（又はセンサーが水中にあるときの信号をオフ及び水面より上にあるときの信号をオンとして）、センサーのオン・オフの割合に基づいてドラフトチューブ内の水面の位置を特定する。

本発明によれば、水位検出用センサーをドラフトチューブ内壁に設置することで、従来設けていた垂直管部の設置を不要とし、垂直管部とドラフトチューブとの接続部分の疲労破壊を根本から無くすことができる。また、水車通常運転およびポンプ通常運転中は、ドラフトチューブ内の高速流により、ドラフトチューブ壁面の付着物を除去する効果が期待できるため、付着物に起因して水位検出用センサーが検出不能となったり、誤動作することを抑制することができる。

以下、図面を用いながら本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の一実施例を示す水車又はポンプ水車の主要部の断面図を示す（実施例１）。水車又はポンプ水車は、主軸１とランナ２の回転部と、ドラフトチューブ３，上カバー７および下カバー６の固定部を有する。また、ドラフトチューブ３，上カバー７および下カバー６によりランナ室が形成される。また、図示を省略しているが、ドラフトチューブの外側はコンクリートで覆われており、上カバー７と下カバー６との間にガイドベーンが回動可能に設けられている。このガイドベーンの外周側にステーベーンが配置されている（同様に図示省略）。図中、符号５で示しているのは、回転し動揺する水面である。

ドラフトチューブ内壁には複数の水位検出用センサー４ａ，４ｂ，４ｃが高さ方向に位置を変えて設置されている。これらのセンサーの出力は、信号処理器８に入力され、この信号処理器８では、後述の方法で水位が求められる。また、この信号処理器８は、求められた水位と設定水位とを比較して、設定水位となるように圧縮空気供給装置９からの圧縮空気の量を制御するバルブ１０の開度信号を出力する。圧縮空気はランナ室内に供給されるように、例えば、上カバーとランナの間に供給される。

図１では概念的に水位検出用センサーを３つとしているが、水位検出用センサーの数は必要に応じて選定するものとする。また、水位検出用センサーは、同一の垂直面上に配置する必要はない。また、水位検出用センサーは、電極を用いた方式のものでも、圧力を用いた方式のものでも可能で、センサーが水中にあるか否かで異なる信号を出力し、ＯＮ・ＯＦＦ信号の形態で信号を取り出すことができれば良い。概念的に、水位検出用センサーは、センサーが水中にある状態、すなわちセンサーより水面が上にある状態で水位検出信号がＯＮとなり、センサーが空中にある状態、すなわちセンサーより水面が下にある状態は水位検出信号がＯＦＦとなるようにしている（この逆も可能であるが通常は水中でＯＮ、空中でＯＦＦ）。本実施例では、電極を用いた方式のセンサー（空気中と水中の導電度の差を検知するセンサー）を用いている。空気中と水中の導電度の差を検知するセンサーは、当該センサーが空気中にあるか、水中にあるかを検知するためＯＮ／ＯＦＦの信号を得ることが容易である。また、空気中と水中の導電度の差を検知するセンサーは、電極が発信側と受信側に分かれているタイプのものでも良いし、静電容量式の様に１つの検知部のものでも良い。

ここで、ポンプ運転の起動時や調相運転時は、ドラフトチューブ内の水面は激しく動揺し旋回していることが多い。つまり図１に示すように、水面が傾斜し、さらに旋回している状況である。水面が傾斜し旋回している場合、ドラフトチューブ内壁に設置した水位検出用センサーはＯＮとＯＦＦの信号を交互に出すと考えられ、水面が一定の場合に比べ、安定的な水位の検出が困難になる。そこで、本発明では、次のようにして安定的な水位の検出を可能としている。

図２は水位検出用センサーの出力信号の説明図である。図１に示す３つのセンサー４ａ，４ｂ，４ｃそれぞれの出力信号を示している。前述のとおり、水面が傾斜し旋回している場合、水位検出用センサーはＯＮとＯＦＦの信号を交互に出すが、センサーの設置高さにより、それぞれＯＮとＯＦＦの時間割合が異なる。センサー４ａの信号はＯＮの時間はＯＦＦの時間より短く、センサー４ａは時折水中に入っている状態を意味する。このため、センサー４ａは平均的水位よりも上にある、すなわち平均的水位はセンサー４ａよりも下にあると判定できる。センサー４ｂの信号はＯＮ信号とＯＦＦ信号が同程度であり、平均的水位はセンサー４ｂの高さにあると判定できる。センサー４ｃはＯＮ信号がＯＦＦ信号よりも長く、平均的水位はセンサー４ｃよりも上にあると判定できる。このように、各センサーのＯＮ・ＯＦＦの割合に基づいて水面の位置を特定する。

また、あらかじめ、各センサーのオン・オフ時間の割合と水位の関係を分析して信号処理器８にテーブル等の形で保存しておき、この関係テーブルと各センサーからの出力とに基づいて水位を求めるようにすれば、センサー設置の場所以外の水位も測定でき、水位変化を連続的に捉えることができる。

また、従来の垂直管部を用いた水位検出用センサーは、垂直管部内の水の慣性により安定化された水位、すなわち平均水位を検出するものであるが、本発明のように、ドラフトチューブ壁面にセンサーを設置することで、平均水位だけでなく、最上位水位や最下位水位を検出することも可能となる。

例えば、水面押し下げ運転では、平均水位よりも水面の最上位の判定が重要となる場合がある。図２ではセンサー４ａよりも上に水面の最上位があるという判定になる。この最上位水位の検出を利用して次のように調相運転も行うことができる。即ち、ランナ室内の水面を高圧空気により押し下げて水車又はポンプ水車を調相運転する方法において、押し下げられた水面の位置をドラフトチューブの内壁面に設置したセンサーにより直接的に検出し、直接的に検出した最上位水位（センサーがオンになった一番高い場所にある水位）に基づき前記ランナ室に吹き込む高圧空気の量を制御する。このように最上位水位を検出して制御を行えば、ドラフトチューブ内の水が旋回によりランナまで巻き上がることを防ぎ、ランナを回すために使われるトルク、つまり損失となるトルクを低減でき、消費電力を低減できる。

また、同じように最下位水位を検出して高圧空気の供給を制御することで、過剰な水面押し下げを防止することができる。これにより、水面押し下げ時に過剰な空気を吹き込む事を抑制することができ、水面押し下げ時に使うコンプレッサー等で消費する電力を節約することが可能となる。このように、従来の垂直管部を用いた水位検出用センサーでは出来なかった水車またはポンプ水車の制御が可能となる。

また、図１及び図２に示す実施例では、３つのセンサーを用い、３つの出力信号に基づき水位を測定するようにしているが、１つのセンサーでもセンサーのＯＮとＯＦＦの信号の時間割合により水位の判定は可能である。即ち、予めオンとオフの時間の割合と水位との関係を分析しておき、この関係を信号処理器８にテーブル等の形で保存し、センサーの出力とテーブルに基づいて水位判定を行うようにしても良い。水面押し下げ運転時において、一般に、空気の押し込みを開始する水位、すなわち上限水位と、空気の押し込みを停止する水位、すなわち下限水位を測定（検出）する必要があるが、従来のドラフトチューブ外に設けた垂直管部により水位測定する方法では、高さ方向に複数の水位検出用センサー設置して水位を検出する必要がある。上記の本発明の実施例によれば、少なくとも１つの水位検出用センサーを使って、センサーの出力信号を処理することにより、上限水位や下限水位などの複数の水位を判定することが可能となる。

図３に本発明の他の実施例を示す（実施例２）。図１の実施例では、同一の高さに一つのセンサーを設置していたが、本実施例では、ドラフトチューブの内壁面の略同一高さ位置で周方向にセンサーを分散して複数個設置している（同一高さの断面に複数個センサーを設置）。図３には概念的に各高さ位置において対象位置に水位検出用センサー４ａ，
４ｂ，４ｃ，４ａ′，４ｂ′，４ｃを設置した状態を示している。

本実施例でも、図１及び図２に記載の実施例の水位判定と同様な方法により水位判定を行っている。但し、本実施例では、同一高さに複数のセンサーを設置しているので、複数のセンサーの判定を確認することで、センサーの誤動作などによる誤検出を防止することができる。また、複数のセンサーの一つが検出不能となった場合でも、他のセンサーが作動することで、水位検出は不能とならずに継続して行うことができる。これにより水位検出の信頼性が向上する。

さらに、同一高さの断面に複数個センサーを備えることで、同一高さの断面のセンサーが同時に水位を検出する場合、水位はこの断面よりも上にあることを示すという判定も可能となる。このように水位検出の方法が多様になり、信頼性の向上に効果がある。

次に他の実施例を説明する（実施例３）。上述の図１〜図３に記載の実施例におけるセンサーの出力信号には、水位検出信号に加え、高周波のノイズあるいはセンサー自身やドラフトチューブの振動が乗っている場合が考えられる。このような場合、センサーの出力信号をそのまま水位検出の判定に使うより、出力信号の周波数を分解し、有意な信号を取り出す処理をしたほうが、水位検出の信頼性が向上する。一般に、水車又はポンプ水車のドラフトチューブ内における水の旋回速度は、ランナ回転速度の影響によるため、数Ｈｚから数十Ｈｚ程度と低周波である。これに対し、ノイズあるいはセンサー自身やドラフトチューブの振動は数ｋＨｚ程度と高周波である。本実施例では、信号処理器８において、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）やフィルターを用いて周波数を分解し、水位判定を行うようにしている。

次に他の実施例を説明する（実施例４）。上述の図１〜図３に記載の実施例では、センサーとして電極を用いて、オンとオフの信号を出力するセンサーを用いたが、センサーとしては、水中にあるか否かにより異なる信号を出力するセンサーを用いることができる。そして、センサーが水中にあるときの信号をオン（又はオフ）及び水面より上にあるときの信号をオフ（又はオン）として処理して用いれば良い。即ち、以下の信号処理機能を信号処理器８に備えることで利用可能となる。

例えば、圧力を検知するセンサーは圧力に応じた信号を出力するため、そのままの出力信号では、ＯＮ／ＯＦＦの信号は得られない。このようなセンサーを水位検出用センサーとして用いた場合、センサーの出力信号は図２のようなステップ型の波形ではなく、正弦曲線のような連続し周期的な曲線の波形となると考えられる。ここで、圧力を検知するセンサーの場合は、水と空気の比重の差により、水圧が作用している時は高い値を、空気圧が作用している時は低い値を示す（出力信号の値の大きさにより当該圧力センサーの位置における水位を検出することも可能である。）。この連続し周期的な曲線の出力信号に対し、例えば、しきい値を設け、そのしきい値を超えた場合はスイッチをＯＮにし、それ以外の場合はスイッチをＯＦＦにする、となるように信号処理を行う。このような信号処理を行うことにより、図２のようなステップ型の波形を得られ、上述の実施例と同様な水位判定を行うことができる。

尚、圧力センサーは水車又はポンプ水車で頻繁に用いられるセンサーの一つであり、入手や取り扱いが容易である。また、圧力センサーの中でも、圧力検知部が平なタイプのものがあり、このタイプの圧力センサーは後述の実施例のようにドラフトチューブの壁面に凹凸をつけることなく設置できるので好適である。

次に他の実施例を説明する（実施例５）。本実施例は、ドラフトチューブ壁面へのセンサーの取り付け方に工夫を施したものである。即ち、センサーをドラフトチューブ内壁面に平に設置、すなわち、フラッシュマウント（埋め込み型）の状態に設置するものである。このようにすることにより以下のメリットが生じる。

第一に、水位検出用センサーがドラフトチューブ壁面から突き出ないこと、すなわちフラッシュマウントにすることで、通常運転時の水の流れを妨げることがない。これにより、水車およびポンプ水車の水車運転時の発生電力を損なうことや、ポンプ水車のポンプ運転時の消費電力を余分に消費することを防ぐ。

第二に、一般に、流水内ある突起物はカルマン渦の発生を促し、突起物に振動が生じる原因となる。水位検出用センサー自身の振動は、センサーの出力信号にノイズを生じる原因となり、水位検出信頼性の低下を招く。また、振動はセンサー取り付け部に疲労破壊を招く原因となる。フラッシュマウントにすることで、水位検出用センサー自身の振動を防止することができる。

第三に、流れてくるゴミ等の付着を防止できる。センサーにゴミ等が付着することは、検出信号の信頼性を低下させるが、突起物がないことによりゴミ等の付着を抑制することができる。

次に他の実施例を説明する（実施例６）。本実施例は、センサーをドラフトチューブ内壁面に設置するにあたり、センサーのメンテナンス性の向上を図るものである。一般的に、水車又はポンプ水車のドラフトチューブ外周はコンクリート等の土木・建築用材で覆われている。ここで、水位検出用センサーの配線は、センサーの検出信号を信号処理器に取り込むためにドラフトチューブ外側へ引きだす必要があり、土木・建築用材部分を通すことになる。水位検出用センサーが故障した場合、この水位検出用センサーの配線を土木・建築用材部分に埋設してあると、ドラフトチューブ外側から水位検出用センサーの交換が出来なくなってしまう。ここで、ドラフトチューブ外側の土木・建築用材部分に、水位検出用センサーのメンテナンス用の穴（図１における符号１１）をあけることで、ドラフトチューブ外側から水位検出センサーのメンテナンスを可能にしている。また、水車又はポンプ水車のドラフトチューブの中には、通常、水が入っているので、水位検出用センサーのメンテナンスを内側から行うよりも外側から行ったほうが時間や作業が少なくて済むという効果もある。

本発明における水位検出用センサーの実装形態の一例を示す水車又はポンプ水車の主要部の断面図。本発明の水位検出用センサーによる出力信号の説明図。本発明における水位検出用センサーの実装形態の他の例を示す水車又はポンプ水車の主要部の断面図（１）及び各高さにおけるＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ断面図（２）。

符号の説明

１…主軸、２…ランナ、３…ドラフトチューブ、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ′，４ｂ′，４ｃ′…水位検出用センサー、５…水面、６…下カバー、７…上カバー、８…信号処理器。

Claims

ランナと、前記ランナを収容するランナ室を形成する上カバー、該上カバーに対向して設けられた下カバー及び該下カバーの下方に設けられたドラフトチューブとを有し、
前記ドラフトチューブの内壁面に設置され、水中にあるか否かにより異なる信号を出力するセンサーと、前記センサーが水中にあるときの信号をオン又はオフ及び水面より上にあるときの信号をオフ又はオンとして、前記センサーのオン・オフの割合に基づいて前記水面の位置を特定する手段とを有する水車又はポンプ水車。
請求項１において、前記センサーは、前記ドラフトチューブの内壁面に高さ方向に複数設置され、前記水面の位置を特定する手段は、前記各センサーのオン・オフの割合に基づいて前記水面の位置を特定する水車又はポンプ水車。
請求項１又は２において、前記ドラフトチューブの内壁面の略同一高さ位置に前記センサーを周方向に分散して複数設置した水車又はポンプ水車。
請求項１又は２において、前記センサーの出力信号から高周波のノイズ又はセンサー自身若しくはドラフトチューブの振動成分を除去する手段を設けた水車又はポンプ水車。
請求項１又は２において、前記センサーとして、圧力を検知するセンサーを用いた水車又はポンプ水車。
請求項１又は２において、前記センサーとして、空気中と水中の導電度の差を検知するセンサーを用いた水車又はポンプ水車。
請求項１又は２において、前記センサーは、前記ドラフトチューブ内壁面に埋め込まれている水車又はポンプ水車。
請求項１又は２において、前記ドラフトチューブ外周のコンクリート等の土木・建築用材部分に、前記センサーの配線用またはメンテナンス用の穴を設けた水車又はポンプ水車。
水車又はポンプ水車のランナ室内の水面を押し下げて運転する際に押し下げられた水面の位置を検出する方法において、センサーが水中にあるか否かにより異なる信号を出力するセンサーをドラフトチューブの内壁面に高さ方向に複数設置し、前記センサーが水中にあるときの信号をオン又はオフ及び水面より上にあるときの信号をオフ又はオンとして、各センサーのオン・オフの割合に基づいて前記水面の位置を特定する水車又はポンプ水車のランナ室の水位検出方法。
請求項９において、前記センサーの出力信号が所定のしきい値より大きいか否かでオン・オフを判定する水車又はポンプ水車のランナ室の水位検出方法。
水車又はポンプ水車のランナ室内の水面を高圧空気により押し下げて水車又はポンプ水車を調相運転する方法において、押し下げられた水面の位置をドラフトチューブの内壁面に設置したセンサーにより直接的に検出し、直接的に検出した最上位水位に基づき前記ランナ室に吹き込む高圧空気の量を制御する水車又はポンプ水車の調相運転方法。