JP2016108967A - ポンプ逆転水車型発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実際の落差が定格落差を越える場合にも発電機のオーバーロードを抑制できるポンプ逆転水車型発電装置を提供する。【解決手段】ポンプ逆転水車型発電装置３０は、高圧側と低圧側との間に設けられたポンプ逆転水車１０と、高圧側に接続されたポンプ逆転水車１０の水車入口部１と、低圧側に接続されたポンプ逆転水車１０の水車出口部２とを接続し、流量調整弁３を有するバイパス流路４と、ポンプ逆転水車１０によって駆動される発電機５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプを水車として用いたポンプ逆転水車型発電装置に関する。

水力発電機では、有効落差に沿った運転の場合、流量は落差に対応して増加し、出力は流量に比例する。そのため、実際の落差が定格落差を越える場合には流量も過大になって、軸動力が過大となり、オーバーロードが発生する。

これに対して、大型の水力発電装置では、専用の大型水車を用いて運転を行っている。大型水車では、流量が変化した場合でも可動ガイドベーン・ランナ等を備えているので、その開度を調整して出力を制御でき、オーバーロードを抑制できる。

一方、中型・小型の水力発電装置では、専用の水車ではなく、通常、汎用ポンプを逆回転させて水車とする、いわゆるポンプ逆転水車を使用している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００９−２３５９７３号公報

しかし、このポンプ逆転水車では、汎用ポンプを流用しているため、ガイドベーン・ランナの開度調整ができない。そのため、実際の落差が定格落差を越える場合には発電機のオーバーロードを抑制するための手段がなかった。

本発明の目的は、実際の落差が定格落差を越える場合にも発電機のオーバーロードを抑制できるポンプ逆転水車型発電装置を提供することである。

本発明の第１の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、高圧側と低圧側との間に設けられたポンプ逆転水車と、
前記高圧側に接続された前記ポンプ逆転水車の水車入口部と、前記低圧側に接続された前記ポンプ逆転水車の水車出口部とを接続し、流量調整弁を有するバイパス流路と、
前記ポンプ逆転水車によって駆動される発電機と、
を備える。

上記構成によって、実際の落差が定格落差を越える場合にも、余分の流量をバイパス流路に流すことによって、発電機を一定の軸動力及びトルクで運転でき、オーバーロードを抑制できる。また、水車への過負荷によるダメージ発生を抑制でき、水車の振動及び騒音の発生を抑制できる。これによって信頼性が向上する。

第２の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第１の態様において、前記流量調整弁は、前記高圧側と前記低圧側との落差が所定値を越える場合に開放されるようにしてもよい。

上記構成によって、実際の落差が所定値、例えば、定格落差を越えた場合にバイパス流路へ余分の流量を流すことができる。

第３の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第１又は第２の態様において、前記流量調整弁は、前記高圧側と前記低圧側との落差に応じて機械的に開閉する機械式流量調整弁であってもよい。

第４の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第１又は第２の態様において、前記流量調整弁は、前記高圧側と前記低圧側との落差に応じて電気的に開閉する電気式流量調整弁であってもよい。

第５の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第４の態様において、前記電気式流量調整弁は、前記ポンプ逆転水車の回転数に応じて開閉してもよい。

上記構成によれば、水車出力に直接的に対応するポンプ逆転水車の回転数によって電気式流量調整弁を開閉することによって、より適切に水車出力を調整できる。

第６の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第４の態様において、さらに、前記高圧側及び前記低圧側のそれぞれの圧力を測定する高圧側及び低圧側の２つの圧力センサを備え、
前記流量調整弁は、前記高圧側の圧力センサによる測定値と前記低圧側の圧力センサによる測定値との差である落差に応じて電気的に開閉してもよい。

上記構成によって、実際の落差を高圧側の圧力センサによる測定値と低圧側の圧力センサによる測定値との差によって得ることができる。

第７の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第１から第６のいずれかの態様において、前記バイパス流路は、前記ポンプ逆転水車の前記水車出口部への注水箇所にオリフィスを有してもよい。

上記構成によって、注水箇所にオリフィスを設けることで注水量を調整でき、その結果、水車性能を調整できる。

第８の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第１から第７のいずれかの態様において、前記バイパス流路は、前記ポンプ逆転水車の前記水車出口部の水中渦発生領域を注水箇所としてもよい。

上記構成によって、バイパス流路から水中渦の発生領域に注水することによって水中渦２２の発生を抑制でき、その結果、水車の振動及び騒音の発生を抑制できる。

第９の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第１から第８のいずれかの態様において、前記流量調整弁を有する前記バイパス流路は、
前記高圧側と前記低圧側との落差が第１の落差を越える場合に開放される第１の流量調整弁を有する第１のバイパス流路と、
前記高圧側と前記低圧側との落差が第２の落差を越える場合に開放される第２の流量調整弁を有する第２のバイパス流路と、
を含んでもよい。

上記構成によって、異なる２つの仕様点で動作する流量調整弁をそれぞれ有する２つのバイパス流路を設けることによって、仕様の変化についてもバイパス流路の切り替えによって対応できる。

第１０の態様に係るポンプ逆転水車型発電装置は、上記第１から第９のいずれかの態様において、前記高圧側と前記低圧側との間に並列に配置された複数のポンプ逆転水車を有し、前記バイパス流路は、前記高圧側と前記低圧側との間に統括的に設けてもよい。

上記構成によって、複数の水車を用いることによって、大流量での水力発電にも複数の汎用ポンプを用いたポンプ逆転水車型発電装置によって対応できる。

本発明に係るポンプ逆転水車型発電装置によれば、実際の落差が定格落差を越える場合にも、余分の流量をバイパス流路に流すことによって、発電機を一定の軸動力及びトルクで運転でき、オーバーロードを抑制できる。また、水車への過負荷によるダメージ発生を抑制でき、水車の振動及び騒音の発生を抑制できる。これによって信頼性が向上する。

実施の形態１に係るポンプ逆転水車型発電装置の構成を示す概略図である。 ポンプ逆転水車１０の断面構造を示す断面図である。 水車の有効落差と流量との関係、及び、水車効率と流量との関係を示すグラフである。 定格落差Ｈ_０を越える落差の場合に定格流量を超える流量調整ΔＱを示すグラフである。 バイパス流路において、機械式流量調整弁を用いた一例を示す配置図である。 第１の落差（第１の仕様点）で開放される第１の機械式流量調整弁を有する第１のバイパス流路と、第２の落差（第２の仕様点）で開放される第２の機械式流量調整弁を有する第２のバイパス流路と、を有する変形例の配置図である。 実施の形態２に係るポンプ逆転水車型発電装置の構成を示す概略図である。 実施の形態３に係るポンプ逆転水車型発電装置におけるバイパス流路の水車出口部の注水箇所を示す断面図である。 実施の形態４に係るポンプ逆転水車型発電装置における発電機を除く構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態に係るポンプ逆転水車型発電装置について、添付図面を参照しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。

（実施の形態１）＜機械式流量調整弁＞
図１は、実施の形態１に係るポンプ逆転水車型発電装置３０の構成を示す概略図である。このポンプ逆転水車型発電装置３０は、高圧側と低圧側との間に設けられたポンプ逆転水車１０と、高圧側に接続されたポンプ逆転水車１０の水車入口部１と、低圧側に接続されたポンプ逆転水車１０の水車出口部２とを接続し、流量調整弁３を有するバイパス流路４と、ポンプ逆転水車１０によって駆動される発電機５と、を備える。具体的には、流量調整弁３は、高圧側と低圧側との落差に応じて機械的に開閉する機械式流量調整弁である。

図３は、水車の有効落差（ポンプ逆転水車が動力に変換できる落差）と流量との関係、及び、水車効率と流量との関係の一例を示すグラフである。図４は、定格落差Ｈ_０を越える落差の場合に定格流量を超える流量調整ΔＱを示すグラフである。
このポンプ逆転水車型発電装置３０によれば、流量調整弁３を有するバイパス流路４を設けているので、高圧側と低圧側との落差が定格落差Ｈ_０よりも大きくなった場合にも余分の落差ΔＨに相当する水量ΔＱをバイパス流路４に流すことができ、一定の軸動力とトルクで発電機５を運転できる。
このポンプ逆転水車型発電装置３０では、例えば、図３に示すように水車効率（二点鎖線）の頂点をＡ点として、Ａ点の落差を定格落差Ｈ_０としている。Ａ点の定格落差Ｈ_０までは有効落差（実線）の曲線をたどり、定格落差をΔＨ越えたＢ点の場合には、その余分の落差ΔＨに対応する余分の流量ΔＱをバイパス流路４に流す。この場合、有効落差（実線）の曲線から実有効落差（一点鎖線）の曲線に移って動作可能であることを意味する。なお、流量の増加と共に水車出力（点線）も増加する。つまり、水車出力（点線）は、流量と正の相関を有する。
これによって実有効落差（一点鎖線）上で、Ｂ点と同じ落差を有する点であっても、定格落差であるＡ点と同じ流量で発電機５を運転でき、オーバーロードを抑制できる。また、水車への過負荷によるダメージ発生を抑制でき、水車の振動及び騒音の発生を抑制できる。これによって信頼性が向上する。

以下に、このポンプ逆転水車型発電装置３０を構成する部材について説明する。

＜ポンプ逆転水車＞
図２は、ポンプ逆転水車１０の断面構造を示す断面図である。ポンプ逆転水車１０は、高圧側と低圧側との間に設けられる。なお、高圧側と低圧側とは、それぞれ水圧が高圧側及び低圧側との意味であり、例えば、貯水部が高圧側となり、排水部が低圧側となる。あるいは、高低差に関係なく高圧側及び低圧側を有するインライン型であってもよい。
また、ポンプ逆転水車１０は、汎用ポンプを水車として使用するものであり、例えば、図２に示す横軸ポンプを用いることができる、また、ポンプ逆転水車１０としては、横軸ポンプに限られず、インライン型で動作する軸流ポンプを用いてもよい。

このポンプ逆転水車１０は、例えば、図１に示すように、上部ケーシング１３と下部ケーシング１４とを有するケーシング１２を備える。ケーシング１２内には、吸込口１５に連通する吸込室１６と、主軸１１の軸方向の吸込室１６の両側に位置し、吐出口１７に連通する吐出室１８ａ、１８ｂとを有する。また、ケーシング１２内には、内面１９から内側に延び、吸込室１６と吐出室１８ａ、１８ｂとの間をそれぞれ仕切る一対の隔壁２０ａ、２０ｂが設けられている。
主軸１１には、ランナ２１が設けられており、吸込室１６に導入された水によってランナ２１が回転し、主軸１１を回転させる。主軸１１は、発電機５に接続されており、主軸１１が回転することによって発電する。

＜バイパス流路＞
バイパス流路４は、水車入口部１と水車出口部２とを接続し、流量調整弁３を有する。バイパス流路４の始点である水車入口部１は、例えば、図１に示すように吸込口１５の近傍であってもよく、あるいは、吸込室１６であってもよい。また、バイパス流路４の終点である水車出口部２は、例えば、図１に示すように吐出口１７の近傍であってもよく、あるいは、吐出室１８ａ、１８ｂであってもよい。さらに、バイパス流路４は、水車出口部２への注水箇所にオリフィスを有してもよい。このように注水箇所にオリフィスを設けることで注水量を調整でき、その結果、水車性能を調整できる。
流量調整弁３は、高圧側と低圧側との落差が所定値を越える場合に開放される。また、流量調整弁３は、例えば、図５及び図６に示す、高圧側と低圧側との落差に応じて機械的に開閉する機械式流量調整弁３、３ａ、３ｂ、あるいは、図７に示す電気的に開閉する電気式流量調整弁３ｃであってもよい。さらに、電気式流量調整弁３ｃは、ポンプ逆転水車１０の回転数に応じて開閉するようにしてもよい。ポンプ逆転水車１０の回転数は、間接的な定格落差に比べて水車出力に直接的に対応しており、より適切に水車出力を調整できる。

図５は、バイパス流路４において、機械式流量調整弁３を用いた一例を示す配置図である。図５では、バイパス流路４は、機械式流量調整弁３への経路と開閉弁６ａへの経路との２つの経路を有する。さらに、機械式流量調整弁３への経路には機械式流量調整弁３の前後に開閉弁６ｂ、６ｃを有する。通常、開閉弁６ａは閉止され、開閉弁６ｂ、６ｃを開放して、機械式流量調整弁３を使用可能にしておく。一方、開閉弁６ａを開放し、開閉弁６ｂ、６ｃを閉止して、機械式流量調整弁３を保守点検、あるいは交換することができる。なお、複数の開閉弁６ａ、６ｂ、６ｃを自動開閉弁として、外部から制御できるようにしてもよい。

図６は、第１の落差（第１の仕様点）で開放される第１の機械式流量調整弁３ａを有する第１のバイパス流路と、第２の落差（第２の仕様点）で開放される第２の機械式流量調整弁３ｂを有する第２のバイパス流路と、を有する変形例の配置図である。図６では、図５の場合と対比すると、さらに第２の落差（第２の仕様点）で開放される第２の機械式流量調整弁３ｂを有する第２のバイパス流路を設けている点で相違する。このように、異なる２つの仕様点で動作する機械式流量調整弁３ａ、３ｂをそれぞれ有する２つのバイパス流路を設けることによって、仕様の変化についてもバイパス流路の切り替えによって対応できる。

＜発電機＞
発電機５は、ポンプ逆転水車１０の主軸１１に接続され、主軸１１の回転によって発電する。発電機５は、通常使用されるものであれば用いることができる。

（実施の形態２）
図７は、実施の形態２に係るポンプ逆転水車型発電装置３０ａの構成を示す概略図である。このポンプ逆転水車型発電装置３０ａは、実施の形態１に係るポンプ逆転水車型発電装置と対比すると、バイパス流路４内に流量調整弁として電気的に開閉する電気式流量調整弁３ｃを用いている点で相違する。さらに、このポンプ逆転水車型発電装置３０ａは、バイパス流路４の水車入口部１の圧力Ｐ１を測定する圧力センサ７ａと、水車出口部２の圧力Ｐ２を測定する圧力センサ７ｂとを備え、電気式流量調整弁３ｃは、圧力センサ７ａによって測定した圧力Ｐ１と圧力センサ７ｂによって測定した圧力Ｐ２との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）（落差）に応じて電気的に開閉する。ここでは、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）を落差としている。なお、図７では、圧力センサ７ａ、７ｂからの出力を直接に電気式流量調整弁３ｃに入力して、開閉を制御するように示したが、これに限られず、別に電気式流量調整弁３ｃの開閉を制御する制御部を設けてもよい。
これによって、実際の落差が定格落差を越える場合にも、余分の流量をバイパス流路４に流すことによって、発電機を一定の軸動力及びトルクで運転でき、オーバーロードを抑制できる。また、水車への過負荷によるダメージ発生を抑制でき、水車の振動及び騒音の発生を抑制できる。これによって信頼性が向上する。

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３に係るポンプ逆転水車型発電装置におけるバイパス流路の水車出口部２の注水箇所を示す断面図である。このポンプ逆転水車型発電装置では、実施の形態１及び２に係るポンプ逆転水車型発電装置と対比すると、バイパス流路の水車出口部２から、水中渦２２の発生領域に注水している点で相違する。
ポンプ逆転水車１０では、ランナ２１から吐出室１８ａ、１８ｂに入った箇所の水中に水中渦２２を生じる場合があり、その結果、振動及び騒音を発生することがある。
このポンプ逆転水車型発電装置では、上述の効果に加えて、さらにバイパス流路から水中渦２２の発生領域に注水することによって水中渦２２の発生を抑制でき、その結果、水車の振動及び騒音の発生を抑制できる。

（実施の形態４）
図９は、実施の形態４に係るポンプ逆転水車型発電装置における発電機を除く構成を示す概略図である。このポンプ逆転水車型発電装置は、実施の形態１から３に係るポンプ逆転水車型発電装置と対比すると、高圧側と低圧側との間に、複数のポンプ逆転水車１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｎを並列に配置し、高圧側と低圧側との間に統括的なバイパス流路４を設けている点で相違する。
このポンプ逆転水車型発電装置によれば、複数の水車１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｎを用いることによって、大流量での水力発電にも複数の汎用ポンプをポンプ逆転水車として用いたポンプ逆転水車型発電装置によって対応できる。なお、各水車への流路に開閉弁を設けることによって全体の流量に応じて稼働させる水車を選択することもできる。また、複数の水車１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｎの合計流量が定格落差での定格流量を超える場合に、余分の流量を統括的なバイパス流路４に流すことによって、発電機を一定の軸動力及びトルクで運転でき、オーバーロードを抑制できる。また、各水車への過負荷によるダメージ発生を抑制でき、水車の振動及び騒音の発生を抑制できる。これによって信頼性が向上する。

本発明に係るポンプ逆転水車型発電装置によれば、実際の落差が定格落差を越える場合にも、余分の流量をバイパス流路に流すことによって、発電機を一定の軸動力及びトルクで運転でき、オーバーロードを抑制できる。そこで、小型・中型の水力発電装置として有用である。

１ 水車入口部
２ 水車出口部
３、３ａ、３ｂ 流量調整弁（機械式流量調整弁）
３ｃ 電気式流量調整弁
４ バイパス流路
５ 発電機
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 開閉弁
７ａ、７ｂ 圧力センサ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｃ ポンプ逆転水車
１１ 主軸
１２ ケーシング
１３ 上部ケーシング
１４ 下部ケーシング
１５ 吸込口
１６ 吸込室
１７ 吐出口
１８ａ、１８ｂ 吐出室
１９ 内面
２０ａ、２０ｂ 隔壁
２１ ランナ
２２ 水中渦
３０、３０ａ ポンプ逆転水車型発電装置

Claims (10)

1. 高圧側と低圧側との間に設けられたポンプ逆転水車と、
   前記高圧側に接続された前記ポンプ逆転水車の水車入口部と、前記低圧側に接続された前記ポンプ逆転水車の水車出口部とを接続し、流量調整弁を有するバイパス流路と、
   前記ポンプ逆転水車によって駆動される発電機と、
   を備える、ポンプ逆転水車型発電装置。
2. 前記流量調整弁は、前記高圧側と前記低圧側との落差が所定値を越える場合に開放される、請求項１に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
3. 前記流量調整弁は、前記高圧側と前記低圧側との落差に応じて機械的に開閉する機械式流量調整弁である、請求項１又は２に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
4. 前記流量調整弁は、前記高圧側と前記低圧側との落差に応じて電気的に開閉する電気式流量調整弁である、請求項１又は２に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
5. 前記電気式流量調整弁は、前記ポンプ逆転水車の回転数に応じて開閉する、請求項４に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
6. さらに、前記高圧側及び前記低圧側のそれぞれの圧力を測定する高圧側及び低圧側の２つの圧力センサを備え、
   前記流量調整弁は、前記高圧側の圧力センサによる測定値と前記低圧側の圧力センサによる測定値との差である落差に応じて電気的に開閉する、請求項４に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
7. 前記バイパス流路は、前記ポンプ逆転水車の前記水車出口部への注水箇所にオリフィスを有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
8. 前記バイパス流路は、前記ポンプ逆転水車の前記水車出口部の水中渦発生領域を注水箇所とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
9. 前記流量調整弁を有する前記バイパス流路は、
   前記高圧側と前記低圧側との落差が第１の落差を越える場合に開放される第１の流量調整弁を有する第１のバイパス流路と、
   前記高圧側と前記低圧側との落差が第２の落差を越える場合に開放される第２の流量調整弁を有する第２のバイパス流路と、
   を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載のポンプ逆転水車型発電装置。
10. 前記高圧側と前記低圧側との間に並列に配置された複数のポンプ逆転水車を有し、前記バイパス流路は、前記高圧側と前記低圧側との間に統括的に設けられた、請求項１から９のいずれか一項に記載のポンプ逆転水車型発電装置。

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