JP4155949B2 - 水力発電施設 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電ユニットを用いて貯水域からの放水を利用して発電するための水力発電施設に関する。

従来、ダムを用いた様々な水力発電施設が建設されている。このような水力発電施設では、水車や発電機及び各種の補助的な機器を収容するために、コンクリートや鉄骨構造の発電建屋を地上や地下に建設してきた。また、このような発電所を建設するにあたっては、機器の据え付けやメンテナンス等も考慮して、発電所へのアクセス道路や、トンネル、橋梁塔が建設されていた。例えば、下記特許文献１には、地下式発電所が開示されている。
特開平９−１７７６５４号公報

しかしながら、急峻な地形においては地上に発電所の用地を確保することは、必ずしも容易ではない。このため、地下に空洞を掘削して発電所を建設する場合も多いが、多額の費用が必要である。さらに、アクセス道路やトンネル或いは橋梁の建設が必要となる場合も多く、さらに建設費が増大する。また、ダムの下流に発電所を建設しようとする場合、洪水時にダムからの放流によって発電所が水没するおそれがある。この場合、発電所が水没しないように、発電所を高所に建設することが一般的であるが、そうすると、水力発電に利用できる落差が減少し、得られる発生電力量が低減するという問題もある。

そこで、本発明は、利用できる落差の低下を来すことなく簡易且つ低コストで設置することができる水力発電施設を提供することを目的とする。

本発明に係る水力発電施設は、水密構造を有する筐体の内部に水力発電機を備えた水力発電ユニットを用いて、貯水域からの放水を利用した水力発電を行う水力発電施設であって、貯水域からの放水を貯水域の放水部から、その放水部よりも低い位置に配置された水力発電ユニットの定置部まで導く導水管と、水力発電ユニットを定置部よりも高い位置と定置部との間で昇降させる昇降手段と、筺体の内部に設けられた水車とを備え、水車は、導水管から導かれる放水が流動するケーシングと、ケーシング内で回転して放水の運動エネルギーを水力発電機に伝達するランナとを備えることを特徴とする。

この水力発電施設によれば、昇降手段によって、水力発電ユニットを定置部に配置させ、導水管によって、貯水域から放出された水を放水部を通って定置部に配置された水力発電ユニットに導くことができる。これにより、水力発電ユニットは、貯水域から放水された水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する。ここで、水力発電ユニットの筐体は水密構造を有しているため、水力発電ユニット自体が洪水等で周囲の水位が上昇したことにより水没したとしても、水力発電機は支障なく発電することができる。したがって、水を落下させる落差を十分確保でき、落差の低下を来すこともない。また、水力発電ユニットは、昇降手段によって、定置部から引き上げることができ、その場で保守・点検することができる。このように、ユニット化された水力発電ユニットは扱い易く、水力発電施設を簡易に設置することができ、保守点検も簡易に行うことができる。

また、昇降手段は、貯水域を形成するダムの放流側に設置されたインクラインを備え、水力発電ユニットは、インクラインに移動可能に配置されていると良い。このような構成を採用することにより、水力発電ユニットの昇降を簡易に行うことができる。
また、水力発電ユニット、導水管、及び昇降手段は、貯水域を形成するダムの放流側に設置されており、導水管は、ダムによって貯水域に貯えられた水を水力発電ユニットに導くと良い。このような構成を採用することにより、ダムの放流側の空間を活用することができると共に、ダムの高さを、水の落下高さとして有効に活用することができ、発電させる電力の確保に有効である。

さらに、昇降手段は、ダムの放流側に設置されたインクライン及び巻上機を備え、水力発電ユニットは、インクラインに移動可能に配置されていると共に、水力発電ユニットには、ワイヤーが接続されており、巻上機によるワイヤーの巻取及び巻解により、水力発電ユニットが昇降し、定置部は、インクライン上の最下端部に位置付けられていることが好ましい。このように構成することにより、水力発電ユニットの設置の際には、巻上機によってワイヤーを巻解することにより、最下端部まで水力発電ユニットを降下させて、水力発電ユニットを設置することができる。また、水力発電ユニットのメンテナンスのときには、巻上機によってワイヤーを巻取ることにより、水力発電ユニットを引き上げて、水力発電ユニットを保守・点検することができる。このように、水力発電ユニットの設置、保守・点検を簡易に行うことができる。

また、水力発電施設には、水力発電ユニットの筐体内外を連通する通気管をさらに有し、通気管は、水力発電ユニットを定置部に導いたときに、水没しない位置まで延在していると好適である。このような構成を採用することにより、筐体内の水力発電機が発する熱を、排気管を通じて筐体外に放出することができる。

さらに、通気管には、水力発電機で発電された電力を取り出すための出力端子に接続された電力ケーブルが収容されていると良い。この構成により、通気管を、電力ケーブルを収容する管路としても兼用することができるため、スペース効率が良く、電力ケーブルも保護される。また、通気管によって水密に保護された電力ケーブルによって、水力発電機により発電された電力を、漏電なく水力発電ユニット外に送電することができる。

本発明によれば、利用できる落差の低下を来すことなく簡易且つ低コストで設置することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る水力発電施設の好適な実施形態について詳細に説明する。

[ 水力発電施設の構成 ]
図１は、水力発電施設１の概略図である。図１に示すように、水力発電施設１は、図示しないＶ字谷に建設されたアーチ式ダム２の放流側に設置されている。アーチ式ダム２には、洪水時に開口させて貯水域３の水位を調整するための洪水吐ゲート４が設けており、アーチ式ダム２の放流側において、アーチ式ダム２とＶ字谷の斜面には、フーチング５が数段（図１では４段）にわたって設けられている。この水力発電施設１は、インクライン６、巻上機７、水力発電ユニット８、導水管９、給気管１１、排気管１２等によって構成される。

インクライン６は、フーチング５の最上段５ａから、最低水位Ｌ１よりも幾分上の位置にある後述する定置部１５までの間において、フーチング５に沿って傾斜させて設けられており、フーチング５に立設されたアンカー１３によって支持された４本の後述するレール１６を有している。

巻上機７は、インクライン６の上部に設置され、水力発電ユニット８に接続されたワイヤー１４の巻解及び巻取を行う。

水力発電ユニット８は、落下してきた水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して水力発電を行う装置である。この水力発電ユニット８は、インクライン６のレール１６（参照図２）に沿って移動することができるようになっていて、図１では、インクライン６上の最下端部に位置し、水力発電ユニット８が定常的に配置される定置部１５に設置されている。巻上機７を駆動してワイヤー１４を巻取ったり、巻解したりすることにより、水力発電ユニット８はインクライン６に沿って昇降するようになっている。

導水管９は、アーチ式ダム２によって貯えられた水を落下させて、水力発電ユニット８に供給するための管路であり、Ｌ字状一端部９ａとＬ字状他端部９ｂとを有している。また、アーチ式ダム２には、貯水域３の水を放水するために放水孔（放水部）１０が形成されており、導水管９のＬ字状一端部９ａが放水孔（放水部）１０に接続され、Ｌ字状他端部９ｂは、定置部１５において、水力発電ユニット８に接続されるようになっている。なお、導水管９は、インクライン６の上方においてインクライン６と平行に延在している。

また、アーチ式ダム２の放流側において、設計洪水水位Ｌ３よりもやや高い位置にあるフーチング５上には、機械室１７が設置され、この機械室１７から定置部１５までの間にわたって、給気管１１及び排気管１２が設けられている。給気管１１及び排気管１２は、本発明における通気管であって、後述する筐体１９の内外を連通していて、筐体１９内の換気を行って水力発電ユニット８内に発生した熱を大気中へ逃がすための管路である。給気管１１及び排気管１２は、それぞれ一端側が水力発電ユニット８に接続され、他端側が、水力発電ユニット８を定置部１５に導いたときに、設計洪水水位Ｌ３よりも高く水没しない位置まで延在している。機械室１７における給気管１１の給気口には、水力発電ユニット８に向けて空気を供給するためのブロア（図示しない）と、その空気内の埃等を取り除くためのフィルタ（図示しない）が取り付けられている。そして、機械室１７内のブロアを駆動させることによって、給気管１１を通じて、水力発電ユニット８内に外気が供給され、水力発電ユニット８内の空気が排気管１２を通じて外部に排気されるようになっている。また、排気管１２には、ケーブル１８が保護されるように収容されている。このように、排気管１２は、ケーブル１８を収容するための管路としての役割を兼ね備えているため、スペース効率も良い。ケーブル１８は、電力を送電するための電力ケーブルや、水力発電機２２のＯＮ／ＯＦＦ信号、電圧制御信号を伝送するための制御ケーブルを含む。なお、ケーブル１８は、このような電力ケーブルや制御ケーブルが束ねられたものであってもよく、多芯線であってもよい。そして、機械室１７内には、水力発電ユニット８から送電される電力を、ケーブル１８（参照図２）を介して受けて変圧する変圧器や遮断器等が設置されていると共に、水力発電機２２のＯＮ／ＯＦＦ信号、電圧制御信号を出力するコントローラーが設置されている。このコントローラーにより、水力発電機２２を制御、監視することができる。なお、この機械室１７は、換気に適した塔状の建物、例えば換気塔であることが好ましい。

図２は、水力発電ユニット８の断面図であり、図３は、図２に示すIII−III線に沿う断面図である。図２及び図３に示すように、水力発電ユニット８は、水密構造の筐体１９を有し、この筐体１９の内部に、フランシス水車２１と水力発電機２２とが備えられている。また、筐体１９は、ローラー２３を備える台車２４に固定されている。台車２４は、インクライン６に沿った傾斜をもって配置され、ローラー２３が取り付けられた可動部２４ａと、定置部１５における平面部６ａに略平行に張り出した張出部２４ｂとを有する。そして、台車２４は、定置部１５におけるインクライン６の平面部６ａに張出部２４ｂが当接するようにして、安定的に載置されるようになっている。

フランシス水車２１は、渦巻型ケーシング２６を有していて、その流入側２６ａは、導水管９に向いており、Ｌ字状の継ぎ管２７によって、導水管９に着脱自在に接続されている。なお、渦巻型ケーシング２６と継ぎ管２７とはそれぞれのフランジ部２６ｃ，２７ａでボルト締めにより強固に連結されている。同様に、継ぎ管２７と導水管９も、それぞれのフランジ部２７ｂ，９ｃでパッキンＰを介してボルト締めにより連結されている。継ぎ管２７は、筐体１９に対して挿通されて水密に固定されている。

また、渦巻型ケーシング２６の流出側２６ｂには、円錐状の流出管２８が接続されており、さらに、流出管２８には、フランシス水車２１を通って発電に寄与した水を外部へ排出するドラフトチューブ（吸出し管）２９が接続されている。このドラフトチューブ２９は、インクライン６に対して略平行に延在し、開口部２９ａから水を排出するようになっている。なお、流出管２８は、筐体１９に対して挿通されて水密に固定されている。

このような渦巻型ケーシング２６は、筐体１９内に設置された支持部材３１により固定されている。

フランシス水車２１は、渦巻型ケーシング２６内に、回転軸３２を中心に回転するランナ３３と、導水管９から流入してきた水をランナ３３の周囲からランナ３３に向けて案内する案内羽根３４を有している。

回転軸３２は、一対の軸受３６，３７により回転可能に保持されており、水力発電機２２は、これら軸受３６，３７の間に設置されている。また、水力発電機２２、及び軸受３６，３７は、筐体１９内の下内面１９ａに設置された台座３８上に固定されている。

排気管１２は、筐体１９に対して挿通されて水密に固定されていて、その内側に、電力を機械室１７に送電するためのケーブル１８が収容され、筐体１９内において、水力発電機２２の出力端子３９に電気的に接続されている。なお、図示しないが、排気管１２は、筐体１９付近に必要に応じて互いに接続し及び切り離すためのフランジ部（図示しない）が形成されている。

給気管１１は、継ぎ管４１を介して、筐体１９に接続されている。すなわち、給気管１１と継ぎ管４１とは、それぞれのフランジ部１１ａ，４１ａでパッキンＰを介してボルト締めされて固定されており、継ぎ管４１は、筐体１９に対して挿通されて水密に固定されている。また、筐体１９内の継ぎ管４１が接続されている部分には、ブロア４２が取り付けられている。このブロア４２を駆動させることにより、給気管１１を通って空気が水力発電機２２に供給されて、水力発電機２２を冷却するようになっている。そして、水力発電機２２によって温められた水力発電ユニット８内の空気は、排気管１２を通って、機械室１７に導かれ、機械室１７において排出される。このとき、ケーブル１８から発せられる熱も、排気管１２内の空気の流れによって逃がされるので、ケーブル１８も冷却される。

なお、筐体１９の下内面１９ａには、排水ポンプ４３が配置されている。この排水ポンプ４３は、フランシス水車２１の回転軸３２と渦巻型ケーシング２６との間の隙間からのわずかな漏水を外部に排出するために設けられている。

[ 水力発電施設の設置方法 ]
次に、上記のような水力発電施設１の設置方法について説明する。

まず、傾斜しているフーチング５に、複数のアンカー１３を打ち込んで立設させ、それらのアンカー１３に支持させるように、インクライン６を設置する。このとき、４本のレール１６が設置される。さらに、インクライン６の上部に、巻上機７を設置する。

続いて、インクライン６の上部に、水力発電ユニット８を載置する。このとき、水力発電ユニット８のローラー２３が、インクライン６のレール１６に乗るように、水力発電ユニット８を載置する。さらに、巻上機７のワイヤー１４を水力発電ユニット８に接続し、巻上機７を駆動させてワイヤー１４を巻解させ、ワイヤー１４の送出しを行う。そして、水力発電ユニット８における台車２４の張出部２４ｂが、定置部１５におけるインクライン６の平面部６ａに到達するまで、水力発電ユニット８を、インクライン６上で降下させる。

水力発電ユニット８が、定置部１５の平面部６ａに到達したら、アーチ式ダム２に形成された放水孔（放水部）１０に、導水管９のＬ字状一端部９ａを接続する。なお、導水管９は、インクライン６の上方においてインクライン６と平行に延在させておく。その上で、定置部１５において、導水管９のＬ字状他端部９ｂを継ぎ管２７に連結し、水力発電ユニット８における渦巻型ケーシング２６の流入側２６ａに連通させる。勿論、導水管９をアーチ式ダム２に接続する際は、アーチ式ダム２内の貯水水位は十分下げておく。

さらに、給気管１１の一端を、水力発電ユニット８の継ぎ管４１に接続させて、給気管１１を筐体１９内に連通させる。また、給気管１１の他端は、機械室１７に配置させる。

また、排気管１２の一端を水力発電ユニット８に接続させて、筐体１９内に連通させると共に、他端を機械室１７に配置させる。また、排気管１２内にケーブル１８を挿通させ、そのケーブル１８の一端を水力発電機２２の出力端子３９に電気的に接続する。これにより、水力発電機２２により発電された電力が、ケーブル１８によって、機械室１７に送電されるようになる。

このように、本実施形態における水力発電施設１は、アーチ式ダム２の放流側における傾斜にインクライン６を設置し、そのインクライン６上に水力発電ユニット８を配置して、設けられる。しかし、従来の地下式発電所を建設するためには必要であったアクセス道路や、トンネル、橋梁等は、水力発電施設１の設置には、特に必要とされない。そのため、開発コストが低減されると共に、工期も短くて済む。また、従来の発電所では建設できなかった急峻な地形にも、水力発電施設１であれば設置することができる。さらに、水を落下させる落差を十分確保できる。なお、インクライン６、導水管９、給気管１１、排気管１２の設置の順序は、上記の順序に限らなくとも良い。

[ 水力発電施設の運転 ]
次に、水力発電施設１の運転について説明する。

水力発電施設１を運転させるときは、アーチ式ダム２から導水管９を通じて、アーチ式ダム２内に貯えられた水を放出することによって放水を行う。この場合、下流の河川環境の維持を目的とした維持放流を活用し、放水孔（放水部）１０に達した水を水力発電に用いることができる。放水孔（放水部）１０から放出された水は、導水管９内を落下して、放水孔（放水部）１０よりも低い位置にある水力発電ユニット８のフランシス水車２１における渦巻型ケーシング２６内に流される。そして、水は、案内羽根３４によってランナ３３に案内され、このランナ３３を回転させる。さらに、その水は流出管２８を通ってドラフトチューブ２９から外に放出される。このようにして、ランナ３３が回転することにより、回転軸３２が回転するため、水力発電機２２は、回転軸３２の回転運動を電力に変換し、出力端子３９に出力する。出力端子３９に出力された電力は、ケーブル１８によって機械室１７へ送電される。機械室１７では、変圧器等により、送電された電力が変電される。そして、変電された電力は、機械室１７から図示しない他の電力施設へ送電される。

なお、水力発電施設１を運転する際中は、水力発電機２２を冷却するため、給気管１１の給気口に設置されたブロアやブロア４２を駆動させて、給気管１１を通じて筐体１９内に空気を供給し、水力発電機２２が発する熱を排気管１２を通じて大気中に放出する。このときケーブル１８も冷却される。これにより、筐体１９内の温度上昇を抑制することができ、水力発電機２２の正常な運転を維持することができる。

ここで、水力発電施設１は、アーチ式ダム２の放流側における空間を利用しており、導水管９を通って、水が落下するときの高低差を十分大きくとることができるようになっている。そのため、落下した水に十分な運動エネルギーを付与することができるので、発電させる電力の確保に有効である。また、水力発電ユニット８は、水密に形成されている筐体１９の内部に水力発電機２２が備えられているため、たとえ水没することがあっても、水力発電機２２が濡れて発電に支障を来すこともない。つまり、アーチ式ダム２の洪水吐ゲート４から水を放水させて、水位が放水位Ｌ２の位置まで上昇し、また、その水位が洪水時に想定される設計洪水水位Ｌ３にまで上昇することによって、水力発電ユニット８が水没することになっても、水力発電機２２は、支障なく発電することができる。なお、機械室１７は、設計洪水水位Ｌ３よりも高い位置に建てられているため、水没するようなことはない。

[ 水力発電施設のメンテナンス ]
次に、水力発電施設１のメンテナンスについて説明する。水力発電施設１のメンテナンスは、アーチ式ダム２の放流側の水位が最低水位Ｌ１のときに行われる。

先ず、水力発電ユニット８について、導水管９、給気管１１、及び排気管１２から、各フランジ部２６ｃ，２７ａ，２７ｂ，９ｃ，４１ａ，１１ａ等のボルト締めを解除する取り外し作業を行う。そして、巻上機７を駆動させて、ワイヤー１４の巻取を行い、インクライン６に沿って水力発電ユニット８を引き上げる。そして、水力発電ユニット８がインクライン６の上部に到達すると、水力発電ユニット８をその場で或いは別の場所に移動させて、水力発電ユニット８の保守・点検を行うことができる。また、導水管９、給気管１１、排気管１２や、インクライン６についても、保守・点検を行う。

このように、水力発電施設１のメンテナンスの際、上述の取り外し作業を行えば、あとは、巻上機７の巻取によって、水力発電ユニット８を定置部１５からインクライン６に沿って引き上げることができるので、水力発電ユニット８は保守・点検を簡単に行える。従来の発電所であれば、メンテナンスにあたっては、現場の道路で通行止めを行い、大型クレーン等の大型機械を現場に配備したうえで、作業を行う必要があった。しかし、水力発電施設１においては、メンテナンスも極めて簡易に行うことができるし、わざわざ最下端部（定置部）１５まで多数の作業員が降りて保守作業を行う必要もない。よって、メンテナンスコストの低減やメンテナンス期間の短縮を図ることができ、しかもメンテナンス作業の安全性を高めることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。

例えば、上記実施形態において、導水管９は、アーチ式ダム２に形成された放水孔（放水部）１０に接続されていたが、これに限らず、サイホン構造の導水管であってもよい。また、導水管９は、インクライン６に沿うように配置されていたが、これに限らず、例えば鉛直に延在するように配置してもよい。

また、上記実施形態では、インクライン６は、傾斜するように、フーチング５に設置されていたが、これに限らず、例えば、アーチ式ダム２に設置してもよい。

さらに、図示はしないが、上記実施形態において、フランシス水車２１の案内羽根３４の角度を変えるために用いる油圧パイプを、機械室１７から排気管１２を通して、フランシス水車２１に接続しても良い。

また、上記実施形態では、水力発電ユニット８にフランシス水車２１が採用されていたが、これに限らず、他の水車、例えば、カプラン水車や斜流水車等であってもよい。

また、上記実施形態では、水力発電ユニット８内のブロア４２と給気管１１の給気口に取り付けられたブロアとの２つのブロアを設けたが、双方のブロアを設けなくても良く、例えば、いずれか一方だけを設けても良い。また、水力発電機２２やケーブル１８を冷却するための送風方向は、上記実施形態における方向と逆の方向であっても良く、この場合、ブロア４２等の向きを逆にする。

また、上記実施形態では、４本のレール１６がインクライン６に設けられていたが、インクライン６に設けるレール１６の本数は、インクライン６の幅に応じて適宜変えても良い。

さらに、水力発電ユニット８を定常的に水没させて運転させる場合等であって、周囲の水によって、水力発電機２２を冷却することができる場合は、給気管１１やブロア４２は特に必要ない。この場合、水力発電ユニット８の筐体１９は、内部に冷却フィンを有していると良い。

本発明に係る水力発電施設の一実施形態を示す概略図である。 図１に示す水力発電ユニットの断面図である。 図２に示すIII−III線に沿う断面図である。

符号の説明

１…水力発電施設、２…アーチ式ダム、３…貯水域、６…インクライン、７…巻上機、８…水力発電ユニット、９…導水管、１０…放水孔（放水部）、１１…給気管、１２…排気管、１４…ワイヤー、１５…定置部、１８…ケーブル、１９…筐体、２１…フランシス水車、２２…水力発電機、２６…渦巻型ケーシング、３２…回転軸。

Claims (6)

1. 水密構造を有する筐体の内部に水力発電機を備えた水力発電ユニットを用いて、貯水域からの放水を利用した水力発電を行う水力発電施設であって、
   前記貯水域からの放水を前記貯水域の放水部から、該放水部よりも低い位置に配置された前記水力発電ユニットの定置部まで導く導水管と、
   前記水力発電ユニットを前記定置部よりも高い位置と前記定置部との間で昇降させる昇降手段と、
   前記筺体の内部に設けられた水車とを備え、
   前記水車は、前記導水管から導かれる前記放水が流動するケーシングと、前記ケーシング内で回転して前記放水の運動エネルギーを前記水力発電機に伝達するランナとを備えることを特徴とする水力発電施設。
2. 前記昇降手段は、前記貯水域を形成するダムの放流側に設置されたインクラインを備え、
   前記水力発電ユニットは、前記インクラインに移動可能に配置されていることを特徴とする請求項１記載の水力発電施設。
3. 前記水力発電ユニット、前記導水管、及び前記昇降手段は、前記貯水域を形成するダムの放流側に設置されており、
   前記導水管は、前記ダムによって前記貯水域に貯えられた水を前記水力発電ユニットに導くことを特徴とする請求項１記載の水力発電施設。
4. 前記昇降手段は、前記ダムの放流側に設置されたインクライン及び巻上機を備え、
   前記水力発電ユニットは、前記インクラインに移動可能に配置されていると共に、前記水力発電ユニットには、ワイヤーが接続されており、
   前記巻上機による前記ワイヤーの巻取及び巻解により、前記水力発電ユニットが昇降し、
   前記定置部は、前記インクラインの最下端部に位置付けられていることを特徴とする請求項３記載の水力発電施設。
5. 前記水力発電ユニットの前記筐体内外を連通する通気管をさらに有し、
   前記通気管は、前記水力発電ユニットを前記定置部に導いたときに、水没しない位置まで延在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水力発電施設。
6. 前記通気管には、前記水力発電機で発電された電力を取り出すための出力端子に接続された電力ケーブルが収容されていることを特徴とする請求項５記載の水力発電施設。

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