JP2021132449A - 発電設備の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】現状の設備を大きく変更する必要がなく、冷却配管にピンホールが発生した場合でも、軽微であれば運転を継続させても設備に支障を生じることがなく、また、環境負荷のない自然冷媒を用いることが可能な発電設備の冷却装置を提供する。【解決手段】発電設備の摺動箇所を潤滑する潤滑油を冷却するために潤滑油中に配設された冷却配管２２，３２，４２に冷媒を循環させて潤滑油を冷却するにあたり、冷却配管に冷媒を循環させる冷媒循環サイクル５０を、乾燥空気を用いたヒートポンプサイクルとする。冷媒循環サイクル５０は、圧縮機５１aと膨張機５１ｂとが同軸上に連結された膨張機一体型圧縮機５１を備え、圧縮機５１ａと、圧縮された冷媒を放熱する放熱装置５２と、膨張機５１ｂと、圧力調整弁５３と、前記冷却配管２２，３２，４２と、逆流防止弁５４とを少なくともこの順で配管接続する。【選択図】 図１

Description

本発明は、水車発電機等の発電設備の発熱部分を冷却するための冷却装置に関し、特に、発電設備の摺動部分に供給する潤滑油を油中に配設された冷却配管に冷媒を循環させることによって冷却する冷却装置に関する。

例えば、水車発電機においては、回転部とこれを支える軸受との間の円滑な摺動を確保するために、軸受周囲に軸受油槽を設け、この軸受油槽に貯留されている潤滑油を軸受に常時供給するようにしている。このような回転部と軸受との間には摩擦熱が発生するため、長時間の連続運転においては、軸受油槽の潤滑油の温度が上昇し、潤滑に必要な十分な粘度が得られなくなる虞がある。そこで、潤滑油を冷却するために、従来においては、軸受油槽の潤滑油中に冷却配管を配設し、この冷却配管に冷却水を通流させて潤滑油を冷却するようにしている。そして、冷却配管を通流させた冷却水は、格別な障害が発生しない限り、そのまま河川に放水するようにしている。

しかしながら、長年の使用により、軸受油槽内の冷却水配管の肉厚が薄くなると、配管表面にピンホールが発生する可能性がある。このようなピンホールが冷却水配管に形成されると、軸受油槽中の潤滑油がピンホールを介して配管内の冷却水に流入し、そのまま河川へ流出されて環境汚染を招くことが懸念される。

そこで、冷却水配管にピンホールの発生が認められた場合には、水車発電機を停止し、分解修理してピンホールを無くした上で運転を再開させる必要があるため、運転再開までに多くの時間を要し、また予想外のコストが発生する不都合がある。

このような不都合を回避するために、軸受油槽に冷却配管を配設しない自冷式軸受を採用することも考えられるが、自冷式軸受を採用する場合には軸受油槽を大型化する必要があるため、物理的に不可能な場合が殆どであり、また、自冷式軸受に改修可能な場合でも、主要部品の設計変更や新たな製作が必要となり、多大な費用負担を強いられる不都合がある。
そこで、従来においては、特許文献１に示されるように、冷媒循環サイクル（閉鎖循環冷却系統）を用いて冷却配管に液体冷媒を循環させ、冷却配管に供給する冷媒の経路を水圧鉄管や放水路から独立させてこれらに連通させないようにした冷却装置が提案されている。

特開２０１５−１８０１５１号公報

しかしながら、上述した冷媒循環サイクル（閉鎖循環冷却系統）を用いた冷却装置においては、ピンホールが発生しても油を構外へ流出させないようにすることは可能となるが、冷媒として液体冷媒（水）を用い、この液体冷媒をポンプで循環させているので、ピンホールが発生して冷媒循環サイクル（閉鎖循環冷却系統）内の液体冷媒が潤滑油に漏れ出すと、潤滑油を貯留している軸受油槽の油面が上昇し、異常検知用のセンサが動作して発電機が停止する不都合がある。また、ポンプが停止すると、軸受油槽内の潤滑油がサイクル管路内に逆流する不都合もある。

さらに、液体冷媒（水）が潤滑油中に漏れ出すと、その液体冷媒によって潤滑油が劣化する不都合が懸念されると共に、潤滑油に液体冷媒が混在すると潤滑機能を低下させる不都合も懸念される。

したがって、ピンホールが形成されていると認められた場合には、そのまま運転を継続させることができず、発電設備を止めて冷却水配管を修理し、また、潤滑油が冷媒の流出に起因して劣化していると認められた場合には、潤滑油の全交換が必要となる。
さらに、現状の設備をできるだけ流用するためには、低圧側の圧力を十分に低くする必要があり、また、環境負荷が懸念される冷媒（フロン等の人工冷媒やＣＯ_２等）を用いることなく、環境負荷のない自然冷媒を用いた冷却装置を構築することが望ましい。

本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、現状の設備を大きく変更する必要がなく、また、冷却配管にピンホールが発生した場合でも、軽微であれば運転を継続させても設備に支障を生じることがなく、さらに、環境負荷のない自然冷媒を用いることが可能な発電設備の冷却装置を提供することを主たる課題としている。

上記課題を達成するために、本発明に係る発電設備の冷却装置は、発電設備の摺動箇所を潤滑する潤滑油を冷却するために潤滑油中に配設された冷却配管に冷媒を循環させる冷媒循環サイクルを備えた発電設備の冷却装置であって、
前記冷媒を乾燥空気とし、前記冷媒循環サイクルは、前記冷媒を圧縮する圧縮機、及び、前記冷媒を膨張させる膨張機が同軸上に連結された膨張機一体型圧縮機を備え、前記圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を放熱する放熱装置と、前記放熱装置を通過した冷媒を膨張させる前記膨張機と、冷媒圧力を所定の圧力範囲に調節する圧力調整弁と、前記圧力調整弁で圧力調整された冷媒を供給する前記冷却配管と、前記冷却配管の下流側に設けられた逆流防止弁と、を少なくともこの順で配管接続して構成したことを特徴としている。

したがって、冷媒循環サイクルをヒートポンプサイクルとするに当たり、圧縮機と膨張機とを一体化した膨張機一体型圧縮機を用い、冷媒として乾燥空気を用いるようにしたので、冷媒を所望の圧力に加圧することが可能となり、冷媒圧力を適切に調節することで、軸受油槽の潤滑油中に配設される冷却配管にピンホールが発生した場合においても、潤滑油が冷却配管内に浸入する不都合がなくなる。また、圧縮機を停止させても、冷媒の加圧された状態は維持されるので、ピンホールを介して潤滑油が逆流する不都合もない。

また、冷媒として乾燥空気を用いているので、冷媒循環サイクル内の冷媒がピンホールを介して軸受油槽の潤滑油中に漏れ出した場合も、環境に影響を与えることは全くなく、また、漏れ出した冷媒は、潤滑油を通り抜けて油面から大気へ放出されるので、潤滑油面を上昇させて異常検知される不都合はなく、また、潤滑油を劣化させたり、潤滑油中に混在して潤滑性能を低下させたりする不都合もなくなる。

さらに、圧力調整弁にて冷却配管に供給させる冷媒の圧力を冷却配管に負担が少ない圧力に設定することが可能となるので、既存の冷却配管をそのまま用いることができ、現状の設備を大きく変更する必要がない。
さらにまた、冷却配管の下流側に逆流防止弁を設けたので、膨張機一体型圧縮機に逆止弁の機能を具備しない場合でも、膨張機一体型圧縮機が停止した際に高圧冷媒が冷却配管に逆流する不都合を回避することが可能となる。

なお、前記膨張機一体側圧縮機を、モータと、前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて前記冷媒を圧縮する前記圧縮機と、前記モータの前記出力軸に接続され、前記冷媒を膨張させてその際に発生する膨張エネルギーを前記出力軸の動力として回収するように構成された前記膨張機と、を備えて構成し、圧縮機と膨張機をターボ型とすることで、膨張機で発生する膨張エネルギーを圧縮機の補助動力として使用することができ、エネルギー効率を高めて冷媒として乾燥空気を用いた場合でも十分な冷却能力を得ることが可能となる。

以上の構成は、特に、発電設備として発電機の下方に水車を設け、これら発電機と水車とが主軸に回転可能に支持された水車発電機である場合には、潤滑油中に配設される前記冷却配管を、前記発電機の上部に設けられた上部軸受の潤滑油中に配設される第１冷却配管と、前記発電機の下部に設けられた下部軸受の潤滑油中に配設される第２冷却配管と、前記水車の上部に設けられた水車軸受の潤滑油中に配設される第３冷却配管と、によって構成するとよい。

ここで、前記第１冷却配管、前記第２冷却配管、及び前記第３冷却配管は、前記圧縮機および前記放熱装置に対して並列的に接続された並設通路上に設けられ、前記並設通路のそれぞれには、冷媒流量を調節する流量調整弁を設けるとよい。
このような構成においては、水車発電機の上部軸受、下部軸受、及び水車軸受のそれぞれに供給する潤滑油を冷却するための冷却配管（第１冷却配管、第２冷却配管、第３冷却配管）に供給する冷媒量を、並設通路の管径を調節することによって大まかに調節することができ、また、それぞれの並設通路に設けられた流量調整弁によって各冷却配管に供給する冷媒量を微調整することが可能となり、それぞれの軸受に応じて必要となる冷却能力が得られるように調整することが可能となる。

また、前記圧力調整弁は、前記冷媒循環サイクルの前記膨張機の下流側で各並設通路に冷媒を分流させる部位より上流側に配設されるようにしても、それぞれの前記並設通路上に配設されるようにしてもよい。
前者の構成によれば、冷却配管に供給される冷媒の圧力は、共通の圧力調整弁により一括管理されるが、後者の構成によれば、冷却配管毎に調節可能となる。

ここで、気体冷媒を充填するための冷媒充填弁は、冷媒循環サイクルの前記圧力調整弁の下流側に設けるようにするとよい。
このように冷媒充填弁を圧力調整弁の下流側とすることで、圧力調整弁の下流側の低圧ラインにおいて冷媒を充填することが可能となるので、充填がし易くなり、また、安全に作業を行うことが可能となる。

さらに、前記発電機として、回転軸に固定された回転子と、この回転子の周囲に設けられた固定子と、この固定子の周囲に設けられ、前記回転子及び前記固定子を循環する空気を冷却する空気冷却器とを備える場合に、圧力調整弁で圧力調整された冷媒を空気冷却器にも循環されるようにしてもよい。
空気冷却器は、潤滑油中に設けられるわけではないので、液冷媒（水）を供給しても前述したような不都合は生じない。このため、空気冷却器には液冷媒を供給するようにしてもよいが、ヒートポンプサイクルとは別に空気冷却器に液冷媒を供給する経路を個別に設ける場合には、構造が複雑になる不都合がある。そこで、空気冷却器にもヒートポンプサイクルの気体冷媒（乾燥空気）を循環させる構成とすることで、構造の簡素化を図ることが可能となる。

以上述べたように、本発明に係る発電設備の冷却装置によれば、摺動箇所を潤滑する潤滑油を冷却するために潤滑油中に配設された冷却配管に冷媒を循環させる冷媒循環サイクルを利用する場合において、冷媒を乾燥空気とし、ターボ型の膨張機一体型圧縮機を用いたヒートポンプサイクルを用いたので、膨張機より下流側の低圧ラインの圧力を十分に抑えつつ十分な冷却能力を確保することが可能となり、既存の設備を大きく変更せずにそのまま利用することが可能となる。また、冷媒として乾燥空気を用いているので、軸受油槽中の冷却配管にピンホールが発生した場合でも、軽微であれば運転を継続させても環境や設備に支障が生じることはなく、修理に伴う予想外のコストの発生をできるだけ抑えることが可能となる。

すなわち、軸受油槽の潤滑油中に配設される冷却配管にピンホールが発生した場合においても、冷媒は乾燥空気を用いて所望の圧力に調節可能であるので、潤滑油が冷却配管に浸入する不都合を回避することが可能となる。

また、冷媒として乾燥空気を用いているので、冷媒循環サイクル内の冷媒がピンホールを介して潤滑油中に漏れ出した場合でも、潤滑油に混ざり合うことなく大気中に放出されるだけであるので、潤滑油を劣化させたり、潤滑油に冷媒が混在して潤滑性能を低下させたりする等の不都合を回避することが可能となる。

図１は、発電設備が水車発電機である場合の冷却装置を示す全体構成図であり、冷媒循環サイクルの圧力調整弁を並設通路の分岐部より上流側に配置した例を示す。 図２は、本発明に係る水車発電機の各軸受と軸受油槽に収容された冷却配管の構成例を示す断面図である。 図３は、制御部による充填冷媒の減少を通知する動作例を示すフローチャートである。 図４は、発電設備が水車発電機である場合の冷却装置を示す全体構成図であり、冷媒循環サイクルの圧力調整弁を各並設通路上に配置した例を示す。 図５は、発電設備が水車発電機である場合の冷却装置を示す全体構成図であり、発電機の空気冷却器にも圧力調整弁によって圧力調整された冷媒を供給する例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
図１において、発電設備として水力発電設備の例が示されている。

水力発電設備１は、水車２と、送水管としての水圧鉄管３と、水圧鉄管３に設けられ、水車２に導く水を開閉する入口弁４と、水車直下に設けられた吸出し管５と、水車２の上方に配置された発電機１０と、水車２から発電機１０にかけて設けられた水車発電機主軸６と、この水車発電機主軸６を支持する各種軸受（上部軸受２０、下部軸受３０、水車軸受４０）と、発電機１０に設けられた空気冷却器１５と、冷媒循環サイクル５０と、を有して構成されている。

水圧鉄管３は、貯水池から落差を利用して水車２に水を導く送水管であり、水車２に接続されて貯水池からの水を前記入口弁４を介して供給するようになっている。水車２は、水圧鉄管３を介して流入される流水が通過するときの反動で回転するようになっている。そして、水車２を通過した水は、吸出し管５を介して放水路に放流される。

発電機１０は、水車発電機主軸６に接続された回転子１１と、この回転子１１の周囲に設けられた固定子１２と、回転子１１に設けられて該回転子１１と一体をなして回転する冷却ファン１３と、固定子の周囲に設けられた空気冷却器１５とを有して構成されている。回転子１１の回転により、固定子１２のコイルに起電力を発生させると共に、冷却ファン１３を回転させて発電機周囲の空気を回転子１１、固定子１２、及び空気冷却器１５を通過させて循環させるようにしている。
発電機１０の回転子１１と水車２は、水車発電機主軸６により同軸上に固定されている。

水車発電機主軸６は、図２にも示されるように、発電機１０の上方において該発電機１０や水車２を吊下げるように支持するスラスト軸受としての上部軸受２０と、発電機１０の下方において支持するラジアル軸受としての下部軸受３０と、下部軸受３０より下方であって水車２の上方に設けられたラジアル軸受としての水車軸受４０とにより回転自在に支持されている。

上部軸受２０、下部軸受３０、及び水車軸受４０は、それぞれに対応する軸受油槽（上部軸受油槽２１、下部軸受油槽３１、水車軸受油槽４１）が周囲に設けられている。それぞれの軸受油槽２１，３１，４１には潤滑油が貯留されており、この潤滑油が上部軸受２０、下部軸受３０、及び水車軸受４０に常時供給されるようになっている。

それぞれの軸受油槽２１，３１，４１には、水車発電機主軸６の回転による上部軸受２０、下部軸受３０、及び水車軸受４０との間の摩擦熱によって潤滑油の温度が上昇するのを抑制するための冷却配管（第１の冷却配管２２、第２の冷却配管３２、第３の冷却配管４２）が配設されている。これら冷却配管２２，３２，４２は、軸受油槽２１，３１，４１の全周に亘って潤滑油中に浸された状態で設けられ、例えば、多数の管路を上下方向及び径方向に並設して構成されている。

発電機１０に設けられる空気冷却器１５は、発電機１０の固定子１２の周囲に間隔を空けて複数設けられ、冷却ファン１３の回転により回転子１１および固定子１２を通過させて循環させる空気を冷却するようになっている。

冷媒循環サイクル５０は、冷媒として乾燥空気を用いたヒートポンプサイクルであり、前記上部軸受油槽２１に配設される第1の冷却配管２２、下部軸受油槽３１に配設けされる第2の冷却配管３２、水車軸受油槽４１に配設される第3の冷却配管４２に冷媒を循環させることで各軸受油槽の潤滑油を冷却するようにしている。

冷媒循環サイクルは、冷媒を圧縮する圧縮機５１ａと、圧縮された冷媒を水圧鉄管３を流れる水と熱交換して放熱させる放熱装置５２と、放熱装置５２で放熱された冷媒を減圧膨張させる膨張機５１ｂと、この膨張機５１ｂで減圧膨張された冷媒を所定の圧力範囲に調節する圧力調整弁５３と、この圧力調整弁５３で圧力調整された冷媒を各軸受油槽２１，３１，４１に貯留された潤滑油と熱交換させる前記冷却配管２２，３２，４２と、冷却配管の下流側に設けられた逆流防止弁５４と、を少なくともこの順で配管接続して構成されている。

圧縮機５１ａは、膨張機５１ｂを同軸上に連結して一体化させた膨張機一体型圧縮機５１であり、例えば、特開２０１５−９４２５９号公報に示されるように、それ自体周知のものである。この膨張機一体型圧縮機５１は、モータ５１ｃと、モータ５１ｃの出力軸の一端側に接続され、モータ５１ｃによって駆動されて冷媒を圧縮する圧縮機５１ａと、モータ５１ｃの出力軸の他端側に接続され、冷媒を膨張させてその際に発生する膨張エネルギーを出力軸の動力として回収する膨張機５１ｂと、を有して構成されている。この膨張機一体型圧縮機５１の圧縮機５１ａの吐出口は放熱装置５２の流入部に接続されている。

放熱装置５２は、水圧鉄管３の表面に沿うように配管を接触固定させたもので、その形態については各種構成を採用することが可能であり、特開２０１５−１８０１５１号に示された構成を採用するとよい。そして、放熱装置５２の流出部は、膨張機一体型圧縮機５１の膨張機５１ｂの流入部に接続され、放熱装置５２で冷却された低温高圧の冷媒が膨張機５１ｂに供給されて減圧膨張される。

膨張機５１ｂで減圧膨張された冷媒は、圧力調整弁５３に供給され、ここで、冷却配管２２，３２，４２に供給される冷媒を予め決められた所定の圧力になるように設定する。この例では、既存の冷却配管を流用するため、冷媒圧力（Ｐ_Ｌ）を冷却配管の耐久性等を考慮して１．５［ｋgｆ/cm²］（０．１４７［ＭＰa］）以下となるように設定し、また、冷却配管２２，３２，４２にピンホールが形成されても、軸受油槽の潤滑油が配管内に流入しないように１．０［ｋgｆ/cm²］（０．０９８［ＭＰa］）以下とならないように設定する（１．０［ｋgｆ/cm²］≦Ｐ_Ｌ≦１．５［ｋgｆ/cm²］）（０．０９８［ＭＰa］≦Ｐ_Ｌ≦０．１４７［ＭＰa］）。

圧力調整弁５３の流出側は、往路用主管１００が接続され、この往路用主管１００の途中に冷媒を充填するための冷媒充填弁５５が配置されている。

往路用主管１００の冷媒充填弁５５の下流側は、分岐部Ａによって上流側分岐管１０１ａと上流側分岐管１０２ａとに分岐し、上流側分岐管１０１ａは上部軸受油槽１２に収容された冷却配管２２に接続され、上流側分岐管１０２ａは、下部軸受油槽３１に収容された冷却配管３２に接続されている。また、往路用主管１００の冷媒充填弁５５の下流側は、分岐部Ｂによって上流側分岐管１０３ａが分岐され、この上流側分岐管１０３ａは、水車軸受油槽４１に収容された冷却配管４２に接続されている。

そして、第1の冷却配管２２の出口側は下流側分岐管１０１ｂに接続され、第２の冷却配管３２の出口側は下流側分岐管１０２ｂに接続され、第３の冷却配管４２の出口側は下流側分岐管１０３ｂに接続され、これら下流側分岐管１０１ｂ，１０２ｂ，１０３ｂは合流部Ｃ，Ｄにて合流されて復路用主管１０４を介して圧縮機５１ａの吸入口に接続されている。
前記逆流防止弁５４は、復路用主管１０４の合流部Dより下流側に配設されて、膨張機一体型圧縮機５１が停止した際に、圧縮機５１ａから逆流する高圧冷媒が各冷却配管２２，３２，４２へ逆流することを阻止するようにしている。

前記上流側分岐管１０１ａと下流側分岐管１０１ｂによって第１冷却配管２２が配置された並設通路１０１が構成され、上流側分岐管１０２ａと下流側分岐管１０２ｂによって第２冷却配管３２が配置された並設通路１０２が構成され、上流側分岐管１０３ａと下流側分岐管１０３ｂによって第３冷却配管４２が配置された並設通路１０３が構成され、これら並設通路１０１，１０２，１０３は、膨張機一体型圧縮機５１および放熱装置５２、さらにこの例では、圧力調整弁５３、逆流防止弁５４、及び冷媒充填弁５５に対して並列的に接続されている。

したがって、圧縮機５１ａで圧縮された高温高圧の冷媒は、放熱装置５２で水圧鉄管３内を流れる水と熱交換して冷却されて低温高圧の冷媒となり、膨張機５１ｂで膨張された後に圧力調整弁５３で所望の圧力の低温冷媒となり、各冷却配管２２，３２，４２で各軸受油槽２１，３１，４１の潤滑油との間で熱交換して吸熱することで高温低圧の冷媒となり、逆流防防止弁５４を介して圧縮機５１ａに戻されることになる。

なお、空気冷却器１５は、その配管表面にピンホールが形成された場合でも、油中に放出されるわけではないので、従来と同様、例えば、吸出し管５の出口（放水路）から取水ポンプ５６などで取水した水を供給し、空気冷却器１５を通過した空気と熱交換した水を吸出し管５の出口（放水路）へ放水するようにしてもよい。

以上の冷媒循環サイクル５０において、圧縮機５１ａの吐出口または圧縮機５１ａと放熱装置５２との間の配管には、高温高圧冷媒の圧力を検出する圧力センサP1が設けられ、放熱装置５２と膨張機５１ｂとの間の配管には、低温高圧冷媒の圧力を検出する圧力センサP2が設けられ、圧力調整弁５３の下流側の往路用主管１００には、低温低圧冷媒の圧力を検出する圧力センサP3が設けられ、圧縮機５１ａの吸入口または各冷却配管の下流側となる復路用主管１０４には、高温低圧冷媒の圧力を検出する圧力センサP4が設けられている。

また、上部軸受油槽２１には、上部軸受２０の温度、又は、上部軸受油槽２１の潤滑油の温度を検出する温度センサT1が設けられ、下部軸受油槽３１には、下部軸受３０の温度、又は、下部軸受油槽３１の潤滑油の温度を検出する温度センサT2が設けられ、水車軸受油槽４１には、水車軸受４０の温度、又は、水車軸受油槽４１の潤滑油の温度を検出する温度センサT3が設けられている。

これら圧力センサ（P1〜P4)と温度センサ（T1〜T3）は、制御部６０に接続され、各センサで検知された圧力データ及び温度データは、制御部６０に取り込まれ、適宜処理されて冷媒を補充するための目安や、圧力調整弁５３の圧力調節を行うための目安等に利用される。

以上の構成において、潤滑油を冷却するために各軸受油槽２１，３１，４１に収容された冷却配管２２，３２，４２が長年の使用により肉薄となり、配管表面にピンホールが発生した場合を想定すると、冷却配管２２，３２，４２を循環する冷媒は、乾燥空気であり、圧力調整弁５３により減圧されているとはいえ、大気圧以上に加圧された状態となっており、膨張機一体型圧縮機５１を停止させても加圧された状態は維持されるので、ピンホールから冷媒（空気）が潤滑油中に漏れ出すことはあっても、冷却配管内に潤滑油が侵入することは無い。このため、圧縮機５１ａが液圧縮したり、油量減少によって潤滑性能が低下したりする不都合は生じない。

また、ピンホールを介して冷媒が軸受油槽中の潤滑油に流出しても、冷媒は乾燥空気を用いているので、油中に留まることなく油面から大気中に放出されるだけであり、潤滑油面が上昇して異常検知される不都合はなく、また、潤滑油を劣化させたり潤滑油中に混在して潤滑性能を低下させたりする不都合はない。このため、ピンホールが形成された場合に直ちに冷媒循環サイクルを停止させなければならない事態は生じない。
冷媒漏れによりサイクル内の冷媒量が減少する可能性はあるが、サイクル各所の冷媒圧力や軸受等の温度の変化をみることで、サイクル内の冷媒量の減少を把握することが可能であり、潤滑油の冷却能力に支障がない程度であれば冷却装置を敢えて停止させる必要はなく、したがって、修理に伴う予想外のコストの発生を抑えることが可能となる。

作業者は、定期巡視時に、冷媒循環サイクルの高温高圧側、低温高圧側、低温低圧側、高温低圧側のそれぞれの冷媒圧力を測定して経過監視すると共に、各軸受等の温度を測定して経過監視することで、サイクル内の冷媒圧力の低下傾向が認められ、また、軸受温度の上昇傾向が認められた場合に、冷媒が減少していると考えられるため、冷媒充填弁５５を介して冷媒を補充する。
この際、冷媒充填弁５５は、圧力調整弁５３の下流側の低圧経路上に設けられているので、充填作業がし易く、また、安全に充填することが可能となる。

なお、上述した冷却システムにおいて、ある程度自動化することも可能である。例えば、制御部６０において、例えば、図３に示されるように、圧力センサＰ１〜Ｐ４から取り込んだ圧力データ、及び、温度センサＴ１〜Ｔ３から取り込んだ温度データに基づき（ステップ２１０）、サイクル各所の冷媒圧力が減少傾向にあるか、また、各軸受又は軸受油槽の潤滑油の温度が上昇傾向にあるかを判定し（ステップ２２０，２３０）、サイクル各所の圧力が減少傾向にあり、且つ、各軸受又は軸受油槽の潤滑油の温度が上昇傾向にあると判定された場合には、サイクル内の冷媒が補充を必要とする程度に減少していると判定し、通知するとよい（制御モニターに警告表示したり、アラーム音を発生させたりするとよい：ステップ２４０）。

なお、各冷却配管への冷媒量の調整は、予め並設通路（分岐管）の管径を調節することで決められており、特に発熱量が多い上部軸受２０（スラスト軸受）に対応する冷却配管２２に供給する冷媒を多くするよう、並設通路１０１の管径を他の並設通路１０２．１０３より大きくするように設定されているが、各並設通路に流量調整弁１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃを設け（図中、破線で示す）、この流量調整弁１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃによって各冷却配管２２，３２，４２に流れる冷媒の流量を微調整するようにしてもよい。

また、冷却配管２２，３２，４２に供給する冷媒の圧力調節は、水車発電機１に冷媒循環サイクル５０を組み付ける際に予め調整されるが、圧力調整弁５３の下流側の冷媒圧力をモニタリングし（前記Ｐ３をモニタリングし）、所定の圧力範囲（１．０［ｋgｆ/cm²］≦Ｐ_Ｌ≦１．５［ｋgｆ/cm²］）（０．０９８［ＭＰa］≦Ｐ_Ｌ≦０．１４７［ＭＰa］）となるように圧力調整弁５３の開度を自動調節することも可能である。

以上の構成においては、圧力調整弁５３を往路用主管１００に設け、圧力調整弁で圧力が調整された冷媒を各並設通路１０１，１０２，１０３に供給するものであったが、このような構成においては、各並設通路に供給される冷媒の圧力および温度はどの並設通路でも同じとなるので、各軸受で発生する熱量のばらつきは冷却配管２２，３２，４２に供給する冷媒量の調節で対応することになる。すなわち、並設通路（分岐管）の管径を予め調節するか、各並設通路に流量調整弁１０１ｃ，１０２ｃ，１０３ｃを設けて各並設通路の流量調整を行うことになる。このため、各冷却配管に供給する冷媒の圧力や温度を個別に調整することができない分、制御範囲が限られるものであった。

そこで、図４に示されるように、並設通路毎に圧力調整弁５３ａ，５３ｂ，５３ｃを設け、並設通路毎に冷媒圧力を調節することで冷却能力を調節するようにしてもよい。このような構成においては、並設通路毎の冷却能力をそれぞれの圧力調整弁５３ａ，５３ｂ，５３ｃによって調節することが可能となるので、図１で示される構成よりもきめ細かな温度制御が可能になると共に制御範囲を広げることが可能となる。
なお、冷媒充填弁５５は、いずれかの並設通路上の圧力調整弁より下流側に設けるとよい（図においては、並設通路１０３の圧力調整弁５３ｃより下流側に設けられている）。

また、上述の構成においては、発電機１０の空気冷却器１５による空気の冷却を空気冷却器１５に水を通流させて冷却するようにしたが、ヒートポンプサイクルを用いる本構成においては、図５に示されるように，冷媒循環サイクル５０に空気冷却器１５を配置した並設通路１０５を設け、気体冷媒を空気冷却器１５に設けるようにしてもよい。すなわち、往路側主管路１００に分岐部Ｅを介して上流側分岐管１０５ａを接続し、この上流側分岐管１０５ａを空気冷却器１５の流入部に接続し、空気冷却器１５の流出部に下流側分岐管１０５ｂを接続し、この下流側分岐管１０５ｂを合流部Ｆを介して復路用主管１０４に合流させ、上流側分岐管１０５ａに設けられた圧力調整弁５３ｄによって圧力調整された気体冷媒を空気冷却器１５にも供給するようにしてもよい。
このような構成においては、空気冷却器１５に水を供給するための設備が不要となり、同じヒートポンプサイクルを用いて発電機１０の冷却用空気も冷却することが可能となるため、発電設備の冷却装置を簡素化することが可能となる。

なお、以上の例では、水力発電設備の軸受を潤滑する潤滑油を冷却するために、潤滑油中に配設された冷却配管に気体冷媒を供給する場合について説明したが、潤滑油中に配設された冷却配管に冷媒を循環させる他の冷却装置においても、同様の構成を採用することが可能である。

１ 水力発電設備
２ 水車
６ 水車発電機主軸
１０ 発電機
２０ 上部軸受
２１ 上部軸受油槽
２２ 第１の冷却配管
３０ 下部軸受
３１ 下部軸受油槽
３２ 第２の冷却配管
４０ 水車軸受
４１ 水車軸受油槽
４２ 第３の冷却配管
５０ 冷媒循環サイクル
５１ 膨張機一体型圧縮機
５１ａ 圧縮機
５１ｂ 膨張機
５２ 放熱装置
５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄ 圧力調整弁
５４ 逆流防止弁
５５ 冷媒充填弁
１００ 往路用主管
１０１，１０２，１０３，１０５ 並設通路
１０４ 復路用主管

Claims (7)

1. 発電設備の摺動箇所を潤滑する潤滑油を冷却するために潤滑油中に配設された冷却配管に冷媒を循環させる冷媒循環サイクルを備えた発電設備の冷却装置であって、
   前記冷媒を乾燥空気とし、
   前記冷媒循環サイクルは、前記冷媒を圧縮する圧縮機、及び、前記冷媒を膨張させる膨張機が同軸上に連結された膨張機一体型圧縮機を備え、
   前記圧縮機と、この圧縮機で圧縮された冷媒を放熱する放熱装置と、前記放熱装置を通過した冷媒を膨張させる前記膨張機と、冷媒圧力を所定の圧力範囲に調節する圧力調整弁と、前記圧力調整弁で圧力調整された冷媒を供給する前記冷却配管と、前記冷却配管の下流側に設けられた逆流防止弁と、を少なくともこの順で配管接続して構成した
   ことを特徴とする発電設備の冷却装置。
2. 前記膨張機一体型圧縮機は、
   モータと、
   前記モータの出力軸に接続され、前記モータによって駆動されて前記冷媒を圧縮する前記圧縮機と、
   前記モータの前記出力軸に接続され、前記冷媒を膨張させてその際に発生する膨張エネルギーを前記出力軸の動力として回収する前記膨張機と、
   を具備することを特徴とする請求項１記載の発電設備の冷却装置。
3. 前記発電設備は、発電機の下方に水車を設け、これら前記発電機と前記水車が主軸によって回転可能に支持された水車発電機であり、
   潤滑油中に配設される前記冷却配管は、
   前記発電機の上方において前記主軸を回転自在に支持する上部軸受に供給する潤滑油中に配設される第１冷却配管と、前記発電機の下方において前記主軸を回転自在に支持する下部軸受に供給する潤滑油中に配設される第２冷却配管と、前記下部軸受より下方であって前記水車の上方に設けられた水車軸受に供給する潤滑油中に配設される第３冷却配管と、を有することを特徴とする請求項１又は２記載の発電設備の冷却装置。
4. 前記第１冷却配管、前記第２冷却配管、及び前記第３冷却配管は、前記圧縮機および前記放熱装置に対して並列的に接続された並設通路上に設けられ、
   前記並設通路のそれぞれには、冷媒流量を調節する流量調整弁が設けられることを特徴とする請求項３記載の発電設備の冷却装置。
5. 前記圧力調整弁は、前記冷媒循環サイクルの前記膨張機の下流側で前記並設通路に冷媒を分流させる部位より上流側に配設されるか、それぞれの前記並設通路上に配設されることを特徴とする請求項４記載の発電設備の冷却装置。
6. 前記冷媒循環サイクルの前記圧力調整弁の下流側に冷媒充填弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発電設備の冷却装置。
7. 前記発電機は、回転軸に固定された回転子と、この回転子の周囲に設けられた固定子と、この固定子の周囲に設けられ、前記回転子及び前記固定子を循環する空気を冷却する空気冷却器とを備え、前記圧力調整弁で圧力調整された冷媒は、前記空気冷却器にも循環されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の発電設備の冷却装置。
   

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