JP2008248787A - 水車の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流量制御ガイドベンを具備しない簡易な構成の水車の運転において、有効落差巾を大きく設定して運転することを可能にする水車の運転方法を提供する。
【解決手段】水車１５へ稼働に必要な有効落差を与える管路１３の途中に水車１５の運転を停止する運転停止水位ｈ２を設定し、水位が運転停止水位以上である間は水車１５の羽根車が定格回転数で回転する通常運転を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、水車の運転方法に関し、管路の途中に流量制御装置を持たない水車を配置し、管路を流れる流量変化に対応して運転を行う技術に係るものである。

従来、この種の技術としては、例えば図５に示すような、水力発電設備がある。これは、ヘッドタンク１に接続されたペンストック（水圧管）２の出口側に水車３を配置し、この水車３をペンストック２から重力降下する水勢力により回転させ、水車３に直結した発電機４を回転駆動して電力を供給するものであり、水車３の上流側に入口弁５を配置し、ヘッドタンク１に水位計６を設け、放流管が排水タンク７に開口している。
特開昭６１−１７５２７１号公報 特開平８−３３８３５５号公報 特開２００３−２１０４３号公報

上述した構成において、水車３はペンストック２によって導かれた水の有する位置のエネルギーを機械的エネルギーに変換し、水車３に接続した発電機を駆動して電気エネルギーに変換する。水車３の羽根車に作用する位置エネルギーは、取水位と放水位の差である総落差から水がペンストック２を流れる間に失う損失落差を差し引いた有効落差である。

ヘッドタンク１へ十分な流入水量があり、その水位を高く維持できる間において、水車３は一定の発電が可能である。しかし、流入水量が減少してヘッドタンク１の水位が減少傾向となる場合には、ペンストック２および水車３を流れる水の流量を入口弁５もしくは水車３のガイドベンによって調整し、ヘッドタンク１の水位の減少を抑制する運転が強いられる。流量変化が大きい場合には、流量調整機能を備えた高価な水車３を設けるか、もしくは水車３の間欠運転で対応する必要がある。しかし、いずれも運転制御が複雑となり、故障を誘引する。ヘッドタンク１には水位計６もしくは流入水量を測定する流量計が必要であり、ヘッドタンク１から水車３および発電機４を設置した発電所までの距離が大きい場合には、信号ケーブル等の設置に費用が嵩む。

流量を抑制する運転を行ってもヘッドタンク１の水位がさらに減少して規定の下限水位（ＬＷＬ）以下となった場合には水車３を停止させる必要がある。すなわち、水車３はヘッドタンク１の水槽内に規定する上限水位（ＨＷＬ）と下限水位（ＬＷＬ）との間で稼働させるので、水車３を運転可能な有効落差巾が小さく、ヘッドタンク１の容量が小さいと頻繁に水車３の運転停止が発生する。また、水車３を停止した場合に、その再起動は手動操作で行なうことが一般的であり、ヘッドタンク１の水位が運転可能な高さに回復しても実際に水車３が起動するまでには時間を要し、運転可能な状態において無駄な時間が発生し、稼働効率が低下する。

本発明は上記した課題を解決するものであり、流量制御ガイドベンを具備しない簡易な構成の水車の運転において、有効落差巾を大きく設定して運転することを可能にする水車の運転方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の水車の運転方法は、水車へ稼働に必要な有効落差を与える管路の途中に水車の運転を停止する運転停止水位を設定し、水位が運転停止水位以上である間は水車の羽根車が定格回転数で回転し、流入量に見合った有効落差で通常運転を行うことを特徴とする。

また、水車の吐出側にサイホンを形成してなり、水車を通過した水が流下する下水槽に下端が開口する放水管と、サイホン頂部に設けた大気開放弁と、水車へ稼働に必要な有効落差を与える管路の水位を検出する水位検出手段とを備え、運転停止水位まで水位が低下したことを検出すると、水車の運転を停止するとともに、前記大気開放弁を開放してサイホンブレイクすることを特徴とする。

また、水車が水車を通過した水が流下する下水槽の放水位よりも下方に設置され、水車へ稼働に必要な有効落差を与える管路の水位を検出する水位検出手段を備え、運転停止水位まで水位が低下したことを検出すると、水車の運転を停止することを特徴とする。

また、水車によって駆動される発電機を備え、前記水位検出手段が水車の上流側に設けた水圧計、または発電機の発電出力の信号であり、前記信号により前記運転水位まで水位が低下したことを検出すると、水車の運転を停止することを特徴とする。

上記の構成において、運転停止水位は、水車の近傍における管路の途中に圧力計もしくはフロースイッチを設け、その検出値と管路中の水位との関係において運転停止水位に見合う検出値となったことを検出したときに水車の運転を停止する。あるいは水車で駆動する発電機の発電出力値を測定し、発電出力値と管路中の水位との関係において運転停止水位に見合う発電出力値に低下したことを検出したときに水車の運転を停止する。よって、ヘッドタンクに水位計や流量計を設ける必要がなく、その信号を発電所まで送信するための信号ケーブル等が不要となる。

本発明によれば、羽根車が定格回転数で回転する通常運転時において、羽根車を通過する流量は羽根車に作用する有効落差の変動に伴って変動し、有効落差が大きいほどに流量が多く、有効落差が小さいほどに流量が少なくなり、水車に作用する有効落差と流入水量が自動的にバランスする。

したがって、従来のように管路の上端が接続するヘッドタンク内に運転停止水位（下限水位）を設けずとも、管路の途中に運転停止水位を設定して水車の運転を行うことが可能である。また、水位の変動に応じて流入水量を調整する必要がないので、流量制御機能を備えた水車を必要とせず、発電機等を駆動するシステムを簡易な構成で構築することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１において、上水槽１１と下水槽１２および上水槽１１と下水槽１２との間に配置する管路（ペンストック）１３とからなる系は、ダム等の水源から浄水場に至る導水管、および浄水場から配水場に至る配水管、ならびに配水場から需要家に至る送水管とすることが可能である。本実施の形態において、水車発電装置１４は管路１３における下水槽１２の上流近傍位置に設けている。一般的に導水管および配水管は一本管路で管路長が長く分岐がない。

水車発電装置１４は水車１５と水車１５によって駆動する発電機１６からなり、水車１５の吸込側に管路１３が接続している。水車発電装置１４はケーシングの内部にインライン型水車と発電機を一体に備えた構成とすることも可能であり、インライン型以外の他のポンプ逆転水車を採用することも可能である。

水車発電装置１４の上流側の管路１３には入口弁１７を設けており、入口弁１７の上流側に圧力計１８を設けている。圧力計１８はフロースイッチとすることも可能である。
水車発電装置１４の吐出口側に接続した放流管１９はサイホンを形成して下端が下水槽１２に開口しており、サイホン頂部２０を水車１５のランナ位置より高く設定している。サイホン頂部２０には電磁弁２１を備えた開放口２２を設けている。

水車１５に作用する総落差ｈ１は、上水槽１１の取水位から下水槽１２の放水位までの水頭であり、管路１３の途中に水車１５の運転を停止する運転停止水位ｈ２を設定している。運転停止水位ｈ２は水車１５を稼働するのに必要な有効落差を与える範囲において設定する。

管路１３内の流速は適宜に設定するが、水車１５の故障による運転停止時や流入水量が異常に低下する場合において、管路１３内を水位の低下を抑制し、その低下を遅らせるためには、管路１３内の流速を低く設定することが有効である。しかし、経済的性を犠牲にすることになる。

このため、以下の一般的な決定方式で計画する。
・イニシャルコストと発電量（流速が速いと損失量が多くなる）とから最も経済的な流速とする。
・水車の入口弁の閉鎖や水車無拘束時の圧力上昇を計算して、その圧力の大きさにより適切な流速を選定する。
・配管に砂が溜まらない流速以上で計画する。

以下、上記した構成における作用を説明する。水車発電装置１４の水車１５は管路１３によって導かれた水の有する位置のエネルギーを機械的エネルギーに変換し、水車１５に接続した発電機１６を駆動して電気エネルギーに変換する。水車１５の羽根車に作用する位置エネルギーは、上水槽１１における取水位と放水位の差である総落差ｈ１から水が管路１３を流れる間に失う損失落差ｈ３を差し引いた有効落差ｈ４である。

上水槽１１へ十分な流入水量があり、その水位を高く維持できる間において、水車発電装置１４は水車１５の羽根車が定格回転数で回転する通常運転時において一定の発電が可能である。

水車１５の羽根車が定格回転数で回転する通常運転時において、羽根車を通過する流量は羽根車に作用する有効落差の変動に伴って変動し、有効落差が大きいほどに流量が多く、有効落差が小さいほどに流量が少なくなり、図２に示すように、総落差ｈ１が運転停止水位ｈ２に近づくに従って水車１５に作用する有効落差と流入水量が自動的にバランスする。

このため、上水槽１１への流入水量が減少し、水車１５に有効落差を与える水位が管路１３の途中にまで低下しても水車発電装置１４を通常運転することができる。したがって、従来のように、ヘッドタンク内に運転停止水位（下限水位）を設けずとも、管路１３の途中に運転停止水位ｈ２を設定して水車１５の運転を行うことが可能である。

運転時は管路１３の途中の圧力計１８で水圧を測定し、この水圧が運転停止水位ｈ２に見合う値に達した時に、入口弁１７を閉鎖して水車１５の運転を停止するとともに、電磁弁２１を開放してサイホンをブレイクする。

管路１３における流量が短時間に減少する場合には、入口弁１７の閉鎖操作の遅れによって水車１５が空運転となる恐れがあるが、本実施の形態では、放流管１９のサイホン頂部２０を水車１５のランナ位置より高く設定しているので、電磁弁２１の開放によりサイホンをブレイクすることで、水車１５の内部に満水状態で水を確保することができ、空運転を防止することができる。

運転停止水位ｈ２は、水車１５の近傍における管路１３の途中にフロースイッチを設けて検出することも可能である。あるいは水車１５で駆動する発電機１６の発電出力値を測定し、発電出力値と管路中の水位との関係において運転停止水位ｈ２に見合う発電出力値に低下したことを検出したときに、上述した操作を行って水車１５の運転を停止することも可能である。

よって、本実施の形態では、水位の変動に応じて流入水量を調整する必要がないので、流量制御機能を備えた水車を必要とせず、上水槽１１に水位計や流量計を設ける必要がないので、その信号を発電所まで送信するための信号ケーブル等が不要なり、発電システムを簡易な構成で構築することができ、建設費を低減することができる。また、管路１３の途中に運転停止水位ｈ２を設定するので、上水槽１１の容量を小さくすることが可能であり、場合によっては上水槽１１を省略した構成とすることも可能である。

図３に示すように、水車１５は下水槽１２の放水位より下方に設置する構成とすることも可能であり、あるいは図４に示すように、水車１５は下水槽１２の放水位下の水中に没して設置する構成とすることも可能である。

あるいは図５に示すように、水車１５は下水槽１２の上部に設置し、サイホン部を設けない構成とすることも可能である。

本発明の実施の形態における水車の運転方法を示す模式図 総落差（有効落差）と水車の流量との関係を示すグラフ図 本発明の他の実施の形態における水車の運転方法を示す模式図 本発明の他の実施の形態における水車の運転方法を示す模式図 本発明の他の実施の形態における水車の運転方法を示す模式図 従来の水車発電装置の構成を示す模式図

符号の説明

１１ 上水槽
１２ 下水槽
１３ 管路（ペンストック）
１４ 水車発電装置
１５ 水車
１６ 発電機
１７ 入口弁
１８ 圧力計
１９ 放流管
２０ サイホン頂部
２１ 電磁弁

Claims (4)

1. 水車へ稼働に必要な有効落差を与える管路の途中に水車の運転を停止する運転停止水位を設定し、水位が運転停止水位以上である間は水車の羽根車が定格回転数で回転し、流入量に見合った有効落差で通常運転を行うことを特徴とする水車の運転方法。
2. 水車の吐出側にサイホンを形成してなり、水車を通過した水が流下する下水槽に下端が開口する放水管と、サイホン頂部に設けた大気開放弁と、水車へ稼働に必要な有効落差を与える管路の水位を検出する水位検出手段とを備え、運転停止水位まで水位が低下したことを検出すると、水車の運転を停止するとともに、前記大気開放弁を開放してサイホンブレイクすることを特徴とする請求項１に記載の水車の運転方法。
3. 水車が水車を通過した水が流下する下水槽の放水位よりも下方に設置され、水車へ稼働に必要な有効落差を与える管路の水位を検出する水位検出手段を備え、運転停止水位まで水位が低下したことを検出すると、水車の運転を停止することを特徴とする請求項１に記載の水車の運転方法。
4. 水車によって駆動される発電機を備え、前記水位検出手段が水車の上流側に設けた水圧計またはフロースイッチまたは発電機の発電出力の信号であり、前記信号により前記運転水位まで水位が低下したことを検出すると、水車の運転を停止することを特徴とする請求項２または３に記載の水車の運転方法。

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