JP2011163128A - 水量調整弁制御装置 - Google Patents

Abstract

【目的】プロペラ水車発電機が急停止または非常停止で系統と切り離された場合および水車発電機を始動する場合において、発電機器および付帯設備に対して安全性を保って主機を停止または始動させることを目的とする。
【解決手段】ガイドベーンが固定されているプロペラ水車に設置される入口弁または出口弁を流水遮断する際に、その閉鎖時間と弁開度との関係を多段的または曲線的に閉鎖する、また、始動時も多段的または曲線的に開く水量調整弁制御装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水力発電所等に設置される発電機等を回転駆動するための水車の水量調整弁（入口弁または出口弁）の制御装置に関する。

水力発電所等に設置される発電用水車には、配管より導入される流水により回転力が与えられる。そして、水車には発電機が接続されており、発電機を回転駆動して発電するように構成されている。
水車の上流側には、水量調整弁が設けられており、主機の故障・異常時や内部点検の際には、水量調整弁を閉めることにより水車への流水を遮断する。また、主機が始動する場合には、水量調整弁を開くことにより水車への流水を行う。
従来の水量調整弁制御装置としては、図１２に示す構成が知られている。図１２は、従来の水量調整弁制御装置のブロック図である。図において、１２は開指令接点、１３は閉指令接点、１４は駆動用モータ制御装置、２は駆動用モータ、１５は水量調整弁、１６は水車である。
開指令接点１２がオン状態にされたときには、開指令信号を生成して駆動用モータ制御装置１４に供給する。駆動用モータ制御装置１４は、開指令信号に基づいて定格速度で駆動用モータ２を正転させ、この駆動用モータ２の駆動力で水量調整弁１５を開いて水車１６に水を供給させる。
また、閉指令接点１３が閉じられたときには、閉指令信号を生成して駆動用モータ制御装置１４に供給する。そして、駆動用モータ制御装置１４は、閉指令信号に基づいて定格速度で駆動用モータ２を逆転させて水量調整弁１５を閉じさせる。

ここで、水量調整弁を全開状態から全閉状態へ移行させる際には、全閉状態になる直前で、水量調整弁上流側の鉄管内の圧力が急激に増加するため、鉄管破損等の事故が発生するという問題が生じてしまうが、これは、以下の理由によるものである。
図１３は、プロペラ水車の流量特性を示す図である。プロペラ水車の流量特性は、図に示すとおり、回転速度が上昇すると流量が増加する。
図１４は、従来の水量調整弁制御装置の水量調整弁の流量特性を示す図である。水量調整弁の流量特性は、図に示すとおり、全開度付近においても流量はあまり変化しない。
従って、水量調整弁を直線的に閉鎖すると、弁を閉鎖しても、当初は水車の流量の影響が大きく、弁を通過する流量が増加して水車上流側では水圧降下、水車下流側では水圧上昇が生じる。弁開度が半分以下まで閉鎖されると、弁の閉鎖特性に影響されて、弁を通過する流量が急激に絞られる。この結果、弁全閉近傍で大きな水圧上昇が生じてしまう。
特に、水車の上流側または下流側の配管が長い系統にガイドベーンが固定されているプロペラ水車を採用した場合などには、配管が長いため、このような水圧上昇を適切に防止することは難しい。
そこで、特許文献１では、開度検出器を用いて入口弁の開度を測定し、入口弁の開度が予め設定された開度に到達するまでは高速で閉じ、設定開度以下となってからは低速で閉じる制御を行うことにより、鉄管内の水圧上昇を所定範囲内に収める構成が開示されている。

特許文献２では、入口弁の開度を検出して動作するリミットスイッチを設け、予め設定した開度において入口弁の閉速度および開速度を切り換える制御を行っている。入口弁を開く過程では、始めは遅くし、ある開度から速くする。閉じる過程では、始めは速くし、ある開度から遅くする。これにより、入口弁の閉操作時および開操作時における鉄管内の水圧上昇を防止する構成が開示されている。

実開平６−４３２６９号公報 特開平１１−８２２７６号公報

しかし、これらの従来の水量調整弁制御装置には以下のような課題があった。
特許文献１では、入口弁の閉じる速度の切り換えを行うのは１回だけである。そのため、水車の上流側または下流側の配管が長い系統にガイドベーンが固定されているプロペラ水車を採用した場合などには、配管が長いため、１回の切り換えだけでは最適な圧力変動抑制が得られず、水圧上昇を適切に収めることが難しい。また、開度検出器を備える必要があるため、全体の構成も複雑になってしまう。
特許文献２においても、入口弁の開閉速度の切り換えは１回だけであるため、同様に配管が長いと水圧上昇を適切に防止することは難しい。この場合、リミットスイッチで開度を検出しているため、複数回の開度検出は困難となる。そのため、切り換えは１回しか行うことができない。また、リミットスイッチを備えることで、全体の構成も複雑になる。
本発明の目的は、上記の課題を解決するべく、配管が長い場合であっても、配管内の水圧上昇を適切に防止することのできる水量調整弁制御装置を提供することである。

前記の目的を達成するために、本発明によれば、水車に流入する水量を調整するための水量調整弁の開閉を駆動制御する水量弁調節機構を備えた水量調整弁制御装置において、前記水量調整弁の開閉時に前記水車に流入する水量の変化を略均一にするため、前記水量調整弁の開度と該水量調整弁を流れる流量との流量特性に基づいて、前記水量調整弁の開度と開閉時間との関係が曲線的または多段折れ線的になるように前記水量弁調節機構の駆動速度の切り換えを行う速度制御回路を備えたことを特徴とする水量調整弁制御装置とする。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記速度制御回路は、前記多段折れ線に応じて予め設定された設定時間をそれぞれ計測する複数のタイマーと、複数の前記タイマーにそれぞれ対応して設けられ、前記設定時間経過ごとに、前記水量弁調節機構の駆動回路に対して挿入または離脱され、前記水量弁調節機構を予め決められた駆動速度に段階的に増速または減速させる回転数制限用抵抗器とから構成されることを特徴とする水量調整弁制御装置とする。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記速度制御回路は、前記水量弁調節機構の駆動速度を連続的に増速または減速させる回転数制御機から構成されることを特徴とする水量調整弁制御装置とする。

また、本発明によれば、上記の構成において、前記水量調整弁は、前記水車の上流側の配管に設けられることを特徴とする水量調整弁制御装置とする。
また、本発明によれば、上記の構成において、前記水量調整弁は、前記水車の下流側の配管に設けられることを特徴とする水量調整弁制御装置とする。

本発明により、配管が長い場合であっても配管内の水圧上昇を適切に抑えることのできる水量調整弁制御装置を提供することができる。

本発明の実施例の水量調整弁の多段開閉制御および曲線開閉制御の閉制御過程における水量調整弁の開度と時間との関係を示す図である。 本発明の実施例の多段開閉制御の回路を示す図である。 本発明の実施例の多段開閉制御の開操作時における水量調整弁の開度と時間との関係を示す図である。 本発明の実施例の多段開閉制御の開操作時における駆動用モータの回転数（回転速度）と時間との関係を示す図である。 本発明の実施例の多段開閉制御の閉操作時における水量調整弁の開度と時間との関係を示す図である。 本発明の実施例の多段開閉制御の閉操作時における駆動用モータの回転数（回転速度）と時間との関係を示す図である。 従来技術に係る水量調整弁の閉鎖制御（２段階）と本発明の他の実施例の多段閉鎖制御（５段階）における配管系統の水圧変化の比較を示す図である。 従来技術に係る水量調整弁の開制御（２段階）と本発明の他の実施例の多段開制御（５段階）における配管系統の水圧変化の比較を示す図である。 本発明の他の実施例の曲線開閉制御の回路を示す図である。 本発明の他の実施例の曲線開閉制御の開操作時における駆動用モータの回転速度と時間との関係を示す図である。 本発明の他の実施例の曲線開閉制御の閉操作時における駆動用モータの回転速度と時間との関係を示す図である。 従来技術による水量調整弁制御装置のブロック図である。 プロペラ水車の流量特性を示す図である。 従来の水量調整弁制御装置の入口弁の流量特性を示す図である。

実施の形態を以下の実施例で説明する。以下の説明で従来の構造と同一部位には同一の符号を付した。

図１は、本発明の実施例の水量調整弁の多段開閉制御および曲線開閉制御の閉制御過程における水量調整弁の開度と時間との関係を示す図である。図では、破線が多段閉鎖制御であり、実線が曲線閉鎖制御を示している。
図に示すとおり、多段閉鎖制御および曲線閉鎖制御の閉制御においては、水車負荷遮断時に水量調整弁を急激に閉鎖し、それから徐々にゆっくり閉鎖している。
これにより、長い配管系統を有する場合であっても、流量全体の変化を略均一に減少させることができ、配管系統の破損等を防ぐことができる。
以下、多段開閉制御および曲線開閉制御の構成について、具体的に説明する。
図２は、本発明の実施例の多段開閉制御の回路を示す図である。１は始動用開閉器、２は駆動用モータ、３は正回転（開方向）開閉器、４は逆回転（閉方向）開閉器、５ａ〜ｃは正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス、６ａ〜ｃは逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス、７ａ〜ｃは正回転（開方向）制御用タイマー、８ａ〜ｃは逆回転（閉方向）制御用タイマーである。
開操作では、始動用開閉器１が水量調整弁の開指令信号を受けると、開指令信号を生成して正回転（開方向）開閉器３を動作させる。最初は、正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス５ａ〜ｃが、駆動用モータ２と直列に接続されているため、予め決められた最低回転速度で駆動用モータ２が制御される。

その後、正回転（開方向）制御用タイマー７ａ〜ｃのそれぞれに設定された時間が経過するごとに、正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス５ａ〜ｃが、順次、短絡される。これにより、駆動用モータ２を予め決められた回転速度ごとに段階的に増速することができる。
最終的に、正回転（開方向）制御用タイマー７ｃの設定時間が経過すると、正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス５ｃが短絡されて、予め決められた最高回転速度（定格回転速度）で水量調整弁は全開される。
このように、正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス５ａ〜ｃおよび正回転（開方向）制御用タイマー７ａ〜ｃを用いることにより、予め決定された設定値に基づいて、経過時間ごとに階段状（多段的）に駆動用モータ２の回転数を増速する制御を行うことができる。
閉操作では、始動用開閉器１が水量調整弁の閉指令信号を受けると、閉指令信号を生成して逆回転（閉方向）開閉器４を動作させる。最初は、逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス６ａ〜ｃが、駆動用モータ２と直列に接続されているため、予め決められた最高回転速度で駆動用モータ２が制御される。

その後、逆回転（閉方向）制御用タイマー８ａ〜ｃのそれぞれに設定された時間が経過するごとに、逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス６ａ〜ｃが、順次、短絡される。これにより、駆動用モータ２を予め決められた回転速度ごとに段階的に減速することができる。
最終的に、逆回転（閉方向）制御用タイマー８ｃの設定時間が経過すると、逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス６ｃが短絡されて、予め決められた最低回転速度（定格回転速度）で水量調整弁は全閉される。
このように、逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス６ａ〜ｃおよび逆回転（閉方向）制御用タイマー８ａ〜ｃを用いることにより、予め決定された設定値に基づいて、経過時間ごとに階段状（多段的）に駆動用モータ２の回転数を減速する制御を行うことができる。
これにより、長い配管系統を有する場合であっても、水量調整弁を段階的に閉じて行く制御を行うことにより、水量調整弁の閉鎖特性を踏まえて流量全体の変化を均一に減少させることができ、配管系統の破損等を防ぐことができる。
従って、プロペラ水車発電機が急停止または非常停止で系統と切り離された場合および水車発電機を始動する場合においても、発電機器および付帯設備に対して安全性を保って主機を停止または始動させることができる。

また、開操作および閉操作のいずれにおいても、設定された時間の経過により、予め定められた回転速度に制御することで水量調整弁を段階的に閉じているため、開度検出器やリミットスイッチなど水量調整弁の開度を検出するための装置を備える必要はない。
そのため、多段開閉制御のためにタイマーやインピーダンスを数設置した場合であっても、水量調整弁制御装置の全体の構成を簡易にすることができる。
図３は、本発明の実施例の多段開閉制御の開操作時における水量調整弁の開度と時間との関係を示す図である
正回転（開方向）制御用タイマー７ａ〜ｃのそれぞれに設定された時間が経過するごとに、正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス５ａ〜ｃが、順次、短絡され、駆動用モータ２の回転数を階段状（多段的）に増速制御できることにより、図に示すとおり、水量調整弁を階段状（多段的）に開くことができる。
図４は、本発明の実施例の多段開閉制御の開操作時における駆動用モータの回転数（回転速度）と時間との関係を示す図である。
正回転（開方向）制御用タイマー７ａ〜ｃのそれぞれに設定された時間が経過するごとに、正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス５ａ〜ｃが、順次、短絡されることにより、駆動用モータ２の回転数は、図に示すとおり、設定時間の経過ごとに階段状（多段的）に増速制御される。

図５は、本発明の実施例の多段開閉制御の閉操作時における水量調整弁の開度と時間との関係を示す図である。
逆回転（閉方向）制御用タイマー８ａ〜ｃのそれぞれに設定された時間が経過するごとに、逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス６ａ〜ｃが、順次、短絡され、駆動用モータ２の回転数を階段状（多段的）に減速制御できることにより、図に示すとおり、水量調整弁を階段状（多段的）に閉じることができる。
図６は、本発明の実施例の多段開閉制御の閉操作時における駆動用モータの回転数（回転速度）と時間との関係を示す図である。
逆回転（閉方向）制御用タイマー８ａ〜ｃのそれぞれに設定された時間が経過するごとに、逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス６ａ〜ｃが、順次、短絡されることにより、駆動用モータ２の回転数は、図に示すとおり、設定時間の経過ごとに階段状（多段的）に減速制御される。
なお、本実施例は、４段での制御例であるが、回転数制限用インピーダンスおよび制御用タイマーを増減することにより、任意の多段特性を容易に実現することができる。
図７は、従来技術に係る水量調整弁の閉鎖制御（２段階）と本発明の他の実施例の多段閉鎖制御（５段階）における配管系統の水圧変化の比較を示す図である。

従来技術の閉鎖制御（２段階）を行った場合には、直線的に水量調整弁を閉じることになるため、全閉までの間に、水圧が急激に上昇する時間帯が見られる。
それに対し、本発明の実施例の多段閉鎖制御（５段階）を行った場合には、そのような急激な水圧変動は発生せず、水圧の変化は緩やかであることが示されている。
このように、本発明の実施例の多段閉鎖制御（５段階）により、配管系統の異常な水圧変動の発生を抑制することができる。
図８は、従来技術に係る水量調整弁の開制御（２段階）と本発明の他の実施例の多段開制御（５段階）における配管系統の水圧変化の比較を示す図である。
従来方法の開制御（２段階）を行った場合には、直線的に水量調整弁を開くことになるため、開き始めてからすぐに水圧降下が生じている。
それに対し、本発明の実施例の多段開制御（５段階）を行った場合には、そのような急激な水圧変動は発生せず、水圧の変化は緩やかであることが示されている。
このように、本発明の実施例の多段開制御（５段階）により、配管系統の異常な水圧変動の発生を抑制することができる。
図９は、本発明の他の実施例の曲線開閉制御の回路を示す図である。９は正回転（開方向）指令、１０は逆回転（閉方向）指令、１１は回転数制御機である。

図１０は、本発明の他の実施例の曲線開閉制御の開操作時における駆動用モータの回転速度と時間との関係を示す図である。
図１１は、本発明の他の実施例の曲線開閉制御の閉操作時における駆動用モータの回転速度と時間との関係を示す図である。
開操作では、始動用開閉器１が水量調整弁の開指令信号を受けると、回転数制御機１１を通して、あらかじめ決められた内部の設定値に基づいて、駆動用モータ２が動作する。
そして、正回転（開方向）指令９が与えられると、その時点からの経過時間に応じて、図１０に示されるような設定値曲線に従って、回転数制御機１１により、駆動用モータ２が連続的に増速制御される。
閉操作では、同様に駆動用モータ２が動作した後、逆回転（閉方向）指令１０が与えられると、その時点からの経過時間に応じて、図１１に示されるような設定値曲線に従って、回転数制御機１１により、駆動用モータ２が連続的に減速制御される。
回転数制御機１１としては、駆動用モータ２の回転数を連続的に制御することが可能なインバータを使用する。インバータは、内部に設定値を記憶できるものが一般的である。
これにより、長い配管系統を有する場合であっても、水量調整弁を曲線的に連続して開閉制御を行うことにより、水量調整弁の閉鎖特性を踏まえて流量全体の変化を均一に減少させることができ、配管系統の破損等を防ぐことができる。

また、開操作および閉操作のいずれにおいても、設定された時間の経過により、水量調整弁を曲線的に連続して開閉制御しているため、開度検出器やリミットスイッチなど水量調整弁の開度を検出する装置を備える必要がない。そのため、水量調整弁制御装置の全体の構成を簡易にすることができる。

１ 始動用開閉器
２ 駆動用モータ
３ 正回転（開方向）開閉器
４ 逆回転（閉方向）開閉器
５ａ〜ｃ 正回転（開方向）回転数制限用インピーダンス
６ａ〜ｃ 逆回転（閉方向）回転数制限用インピーダンス
７ａ〜ｃ 正回転（開方向）制御用タイマー
８ａ〜ｃ 逆回転（閉方向）制御用タイマー
９ 正回転（開方向）指令
１０ 逆回転（閉方向）指令
１１ 回転数制御機
１２ 開指令接点
１３ 閉指令接点
１４ 駆動用モータ制御装置
１５ 水量調整弁
１６ 水車

Claims (5)

1. 水車に流入する水量を調整するための水量調整弁の開閉を駆動制御する水量弁調節機構を備えた水量調整弁制御装置において、
   前記水量調整弁の開閉時に前記水車に流入する水量の変化を略均一にするため、前記水量調整弁の開度と該水量調整弁を流れる流量との流量特性に基づいて、前記水量調整弁の開度と開閉時間との関係が曲線的または多段折れ線的になるように前記水量弁調節機構の駆動速度の切り換えを行う速度制御回路を備えたことを特徴とする水量調整弁制御装置。
2. 請求項１に記載の水量調整弁制御装置において、
   前記速度制御回路は、
   前記多段折れ線に応じて予め設定された設定時間をそれぞれ計測する複数のタイマーと、
   複数の前記タイマーにそれぞれ対応して設けられ、前記設定時間経過ごとに、前記水量弁調節機構の駆動回路に対して挿入または離脱され、前記水量弁調節機構を予め決められた駆動速度に段階的に増速または減速させる回転数制限用抵抗器とから構成されることを特徴とする水量調整弁制御装置。
3. 請求項１に記載の水量調整弁制御装置において、
   前記速度制御回路は、
   前記水量弁調節機構の駆動速度を連続的に増速または減速させる回転数制御機から構成されることを特徴とする水量調整弁制御装置。
4. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の水量調整弁制御装置において、
   前記水量調整弁は、前記水車の上流側の配管に設けられることを特徴とする水量調整弁制御装置。
5. 請求項１ないし３の何れか１項に記載の水量調整弁制御装置において、
   前記水量調整弁は、前記水車の下流側の配管に設けられることを特徴とする水量調整弁制御装置。