JP4701230B2 - 送水系統発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、送水系統における送水系統発電設備に関する。

水道送水管路や農工業用水管などの送水系統の途中に小形の水車を設置して、送水管路の余剰圧により発電を行うようにした送水系統発電設備がある（例えば、特許文献１参照）。この送水系統発電設備は、本来、発電以外の目的で使用されている水を発電に使用するものであることから、本来の使用目的を優先した通水がなされる。

例えば、水道送水管路の水を使用して発電を行う場合には、水道の送水運用が優先され、水車は水道の送水運用に従属して運転される。水道の送水量の短時間での急変は、水質（汚れ）の低下要因や圧力変動を発生させ、圧力変動の度合いによって管路の損傷の要因となるので、水車は急激な流量変動を発生させてはならないという制約がある。従って、水道施設に設置した水車は、短時間あたりの流量の変化量が少なくなるように運用制御されている。

図５は送水系統発電設備の一例を示す系統図である。既存の送水管路１１の流量調整弁１２に並列に水車送水管路１３が設けられ、その水車送水管路１３に水車１４及び水車始動弁１５が直列に配置され、水車１４には発電機１６が連結されている。このように、送水管路１１から分岐して、送水管路１１に流れている水の一部または全量を水車送水管路１３に通水し発電に利用している。

送水管路１１を流れる水は利水者の需要に応じて変動しており、流量変動を水車１４ですべて調整する場合と、水車１４は段階制御を行い微調整を送水管路１１の流量調整弁１２で行う場合とがある。

水道送水管路では、送水流量の調整は時間をかけて行っている。これは、水質の確保や圧力上昇等により送水管路等の施設が損傷を受けないようにするためである。そのため、水車１４に流れる流量についても同様に時間をかけて調整する必要がある。

ここで、水車１４を停止して発電を停止する場合には、水車１４への通水を停止することになるので、水車送水管路１３に流れていた通水を送水管路１１に切り替えることになる。この場合、送水管路１１に設置された流量調整弁１２の応答にあわせ、水車始動弁１５を徐々に閉鎖させ水車１４の通水を停止する。例えば、水車始動弁１５の閉鎖は、５分から１０分時間をかけて行い、水車１４に通水していた水を送水管路１１側に切り替えている。水車始動弁１５は、水車１４の停止信号が入力されると予め定めた時間で自動的に閉鎖するように動作する。なお、閉鎖時間を水車最大通水量によって定めており、通水量によらず一定としている。
特開２００２−２５７０２６号公報

ところが、送水系統発電設備の場合、送水系統の本来の使用目的を優先した運用がなされるので、水車１４を緊急で停止する必要があった場合でも、送水管路１１の流量調整弁１２の応答速度に合わせて停止しなければならない。送水管路１１の流量調整弁１２の応答性は遅く、その遅い応答性に合わせて水車１４を停止させることになるので、水車１４の停止時間は長くなる。

水車１４が停止する過程において、発電機１６が電力系統から切り離されると、それまで電気に変換されていたエネルギーが水車１４を回転上昇するためのエネルギーとして作用する。そのため、水車１４の停止時間が長くなると、水車１４が高速回転で運転している時間が長くなり、発電機１６の軸受摩耗を引き起こし機器の寿命に大きな影響を与えてしまう。

一方、送水管路１１の流量調整弁１２の応答を早めることができれば水車１４の停止時間を短縮できるが、そうすると、送水系統の本来の使用目的を優先した運用に制限を加えることになるので、流量調整弁１２の応答を早めることはできない。

本発明の目的は、送水系統の運用に制限を加えることなく水車を速やかに停止できる送水系統発電設備を提供することである。

請求項１の発明に係わる送水系統発電設備は、送水系統の送水管路の途中に水車を設け、前記送水管路の余剰圧で水車を駆動して発電を行う送水系統発電設備において、前記送水管路に設置され前記送水管路に送り出す水量を調節する流量調整弁と、前記流量調整弁が設けられた前記送水管路に並列に設置され前記水車及び前記水車を起動停止する水車始動弁が直列に設けられた水車送水管路と、前記水車送水管路に並列に設置されバイパス弁を有した水車バイパス管路と、前記流量調整弁、前記水車始動弁及び前記バイパス弁を開閉操作する弁開閉操作装置とを備え、前記弁開閉操作装置は、前記水車の停止信号が入力されたとき、前記水車始動弁を閉操作し、その水車始動弁の閉操作に対応して前記水車送水管路に流れていた水量を前記水車バイパス管路にバイパスさせるように前記バイパス弁を開操作し、前記水車始動弁が全閉した後に、前記バイパス弁に流れている水量を前記流量調整弁に通水するように前記バイパス弁を徐々に閉操作するとともに、そのバイパス弁の閉操作に対応して流量調整弁が開操作することを特徴とする。

請求項２の発明に係わる送水系統発電設備は、送水系統の送水管路の途中に水車を設け、前記送水管路の残圧で水車を駆動して発電を行う送水系統発電設備において、前記送水管路に設置され前記送水管路に送り出す水量を調節する流量調整弁と、前記流量調整弁が設けられた前記送水管路に並列に設置され前記水車及び前記水車を起動停止する水車始動弁が直列に設けられた水車送水管路と、前記水車送水管路に並列に設置されバイパス弁及び待機弁を直列に有した水車バイパス管路と、前記流量調整弁、前記水車始動弁、前記バイパス弁及び前記待機弁を開閉操作する弁開閉操作装置とを備え、前記弁開閉操作装置は、前記水車の運転中は前記待機弁を全閉にしておき、前記バイパス弁の開度を前記水車送水管路に流れている水量に相当する開度に調節しておき、前記水車の停止信号が入力されたときは、前記待機弁を開操作するとともに前記水車始動弁を閉操作し、その水車始動弁の閉操作に対応して前記水車送水管路に流れていた水量を前記水車バイパス管路にバイパスさせるとともに、前記水車始動弁が全閉した後に、前記バイパス弁に流れている水量を前記流量調整弁に通水するように前記待機弁を閉操作するとともに、その待機弁の閉操作に対応し前記流量調整弁を開操作させることを特徴とする。

本発明によれば、水車の停止信号が入力されたとき、水車始動弁を閉操作し、その水車始動弁の閉操作に対応してバイパス弁を開操作し、水車送水管路に流れていた水量を水車バイパス管路にバイパスさせるので、水車送水管路の通水を速やかに遮断できる。これにより、水車を速やかに停止できる。また、水車始動弁が全閉した後に、バイパス弁を閉操作するとともに、そのバイパス弁の閉操作に対応して流量調整弁を開操作させるので、バイパス弁に流れていた水量を送水系統の運用に従って流量調整弁に通水できる。

従って、水車が長時間に亘って回転し続けることがなくなるので、発電機の軸受の延命化が図れるとともに、送水系統発電設備への損傷や水質低下を防止できる。また、水車の停止を独立で制御できることから、既存の送水系統運用に制限を加えることがなく、使用する水車の種類や設置先の運用条件にかかわらず適用できる。

図１は本発明の実施の形態に係わる送水系統発電設備の一例を示す構成図である。図５に示した従来例に対し、水車送水管路１３に並列に水車バイパス管路１７が追加して設けられ、水車バイパス管路１７にはバイパス弁１８が設けられている。そして、弁開閉操作装置１９は、流量調整弁１２、水車始動弁１５及びバイパス弁１８を開閉操作する。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

送水管路に１１設置された流量調整弁１２は、送水管路１１に送り出す水量を調節するものであり、送水管路１１の送水量が短時間で急変しないように、徐々に送水管路１１に送り出す水量を調節する。これにより、水質（汚れ）の低下や圧力変動を防止するようにしている。この送水管路１１に並列に水車送水管路１３が設けられ、この水車送水管路１３には、送水管路１１の残圧により発電を行う水車１４が設置され、その水車に直列に水車１４を流れる水量を調整するための水車始動弁１５が設けられている。

そして、その水車送水管路１３に、さらに並列にバイパス弁１８を有した水車バイパス管路１７が設けられている。水車バイパス管路１７は水車送水管路１３に流れる水量の急激な変動を吸収するために設けられ、水車１４の停止信号が入力され、水車１４を速やかに停止させたときに発生する水量の変動を吸収する。すなわち、水車１４を速やかに停止させたときに、水車送水管路１３に流れる水量の変動を吸収するようにバイパス弁１８の開度を調整し、水車停止前、水車停止中、水車停止後の送水系統の送水管路１１に流れる水量の流量変動を防止する。

弁開閉操作装置１９は、水車停止信号が入力されると、水車始動弁１５を閉操作するとともにバイパス弁１８を開操作し、その水車始動弁１５の閉操作に対応して水車送水管路１３に流れていた水量を水車バイパス管路１７にバイパスさせる。そして、水車始動弁１５が全閉した後に、バイパス弁１８に流れている水量を流量調整弁１２に徐々に通水させる。つまり、バイパス弁１８を閉操作するとともに、そのバイパス弁１８の閉操作に対応して流量調整弁１２を開操作させる。これにより、水車１４を速やかに停止できるとともに、送水系統に圧力変動を生じさせることなく、送水系統の本来の送水運用に従った運用ができる。

図２は、水車停止前から水車停止完了までの流量調整弁１２、水車始動弁１５及びバイパス弁１８の動きの説明図であり、図２（ａ）は水車運転時、図２（ｂ）は水車停止制御時、図２（ｃ）は水車停止後制御時、図２（ｄ）は水車停止制御完了時の流量調整弁１２、水車始動弁１５及びバイパス弁１８の動きを示している。なお、各弁の表記について、黒の塗り潰しは全閉、白抜きは全開、斜線は全閉から全開までのいずれかの中間開度、左片方斜線は閉操作開始した状態をそれぞれ示している。また、図２では発電機１６及び弁開閉操作装置１９の図示を省略している。

図２（ａ）に示すように、水車運転時においては、水車始動弁１５は全開、流量調整弁１２及びバイパス弁１８は全閉である。送水量の分担は、通常の水車運転時においては水車始動弁１５で送水量の全量を負担し、流量調整弁１２及びバイパス弁１８の負担はともに零である。

次に、水車停止信号が入力されると水車停止制御が開始される。図２（ｂ）に示すように、水車停止制御では、流量調節弁１２は全閉のままであり、水車始動弁１５は全開から全閉になるように動作を開始し、バイパス弁１８は水車通水量に応じた開度まで水車始動弁１５の動作にあわせ全閉から開操作を開始する。送水量の分担は、流量調節弁１２は零、水車始動弁１５は徐々に減少し、バイパス弁１８は水車通水量の減少にあわせ増加する。そして、水車始動弁１５が全閉となると水車が停止する。この状態での送水量の分担は、流量調節弁１２及び水車始動弁１５は零、バイパス弁１８は水車運転時の水車始動弁１５の通水量となる。

次に、水車停止後において、バイパス弁１８に流れている通水を流量調整弁１２に切り替える水車停止後制御が開始される。図２（ｃ）に示すように、水車始動弁１５は全閉、流量調節弁１２は零から徐々に開き、バイパス弁１８は流量調節弁１２の通水量の増加ににあわせ減少する。送水量の分担は、流量調節弁１２は徐々に増加し、水車始動弁１５は零、バイパス弁１８は流量調整弁１２の増加にあわせて徐々に減少する。そして、図２（ｄ）に示すように、バイパス弁１８が全閉となると水車停止制御は完了となる。

図３は水車停止前から水車停止完了までにおける流量調整弁１２、水車始動弁１５及びバイパス弁１８の開度のグラフである。水車停止前の時点ｔ１以前においては、流量調整弁１２及びバイパス弁１８は全閉、水車始動弁１５は全開であり、水車運転をしている。そして、時点ｔ１で水車停止信号が入力されると、弁開閉操作装置１９は、流量調節弁１２を全閉のままとし、水車始動弁１５を全開から全閉になるように閉操作し、バイパス弁１８を水車始動弁１５の動作にあわせ全閉から開操作する。これにより、水車始動弁１５に流れていた通水量の一部がバイパス弁１８に流れ水車通水量が減少する。そして時点ｔ１で発電機１６が電力系統から解列すると電力系統から同期が外れ、高回転状態になっていた水車１４及び発電機１６は水車通水量の減少により水車１４の回転数は減速する。

そして、時点ｔ３で水車始動弁１５が全閉となると水車が停止し、バイパス弁１８は全開（設定開度）となる。時点ｔ３から所定の待機時間Ｔの経過後の時点ｔ４で、バイパス弁１８に流れている通水を流量調整弁１２に切り替える水車停止後制御を開始する。時点ｔ４から流量調節弁１２を徐々に開くとともに、バイパス弁１８を流量調節弁１２の増加にあわせ閉じていく。流量調節弁１２の開操作は送水系統の本来の運用に従って行われる。そして、時点ｔ５で流量調整弁１２が通水量に応じた開度通水量に応じた開度となるとバイパス弁１８が全閉となり水車停止制御は完了となる。

このように、水車停止信号が弁開閉操作装置１９に入力されると、水車始動弁１５を全開から全閉に操作し、バイパス弁１８を全閉から開に操作し、水車通水量を水車始動弁１５からバイパス弁１８に切り替える。バイパス弁１８の開動作速度は、水車始動弁１５の開度変化により減少した通水量を流せる開度になるように追従させる。従って、水車送水管路の通水を速やかに遮断したとしても、送水系統に送水量の急激な変化や圧力変動を与えることがないので、水車を速やかに停止できる。

図４は本発明の実施の形態に係わる送水系統発電設備の他の一例を示す構成図である。この一例は、図１に示した一例に対し、水車バイパス管路１７にバイパス弁１８に直列に待機弁２０を追加し、水車運転時は待機弁２０を全閉にしておき、バイパス弁１８を常時水車通水量と同様の開度に調整しながら水車始動弁１５の閉動作と同時に、速やかに待機弁２０を開くようにしたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図４に示すように、水車バイパス管路１７にはバイパス弁１８に直列に待機弁２０が設けられている。弁開閉操作装置１９は、水車停止信号が入力されたとき、待機弁２０を開操作するとともに水車始動弁１５を閉操作する。そのとき、バイパス弁１８の開度は水車送水管１３に流れている水量に相当する開度に調整されているので、水車始動弁１５を速やかに閉操作したとしても、今まで水車送水管路１３に流れていた水車通水量を水車バイパス管路１７に速やかに流すことができる。従って、水車送水管路１３に流れていた水量を水車バイパス管路１７に速やかにバイパスできるので、水車の停止を速やかに行うことができる。

本発明の実施の形態によれば、水車停止過程で発生する流量変動を水車バイパス管路１７で吸収し、水車停止操作による流量変動を抑制できるので、速やかに水車を停止することが可能となり、発電機の寿命を延ばすことができる。また、設置先に対する改造費用の負担や送水系統の運用変更が不要となる。

本発明の実施の形態に係わる送水系統発電設備の一例を示す構成図。 本発明の実施の形態での水車停止前から水車停止完了までの流量調整弁、水車始動弁及びバイパス弁の動きの説明図。 本発明の実施の形態での水車停止前から水車停止完了までにおける流量調整弁、水車始動弁及びバイパス弁の開度のグラフ。 本発明の実施の形態に係わる送水系統発電設備の他の一例を示す構成図。 従来の送水系統発電設備の一例を示す系統図。

符号の説明

１１…送水管路、１２…流量調節弁、１３…水車送水管路、１４…水車、１５…水車始動弁、１６…発電機、１７…水車バイパス管路、１８…バイパス弁、１９…弁開閉操作装置、２０…待機弁

Claims (2)

1. 送水系統の送水管路の途中に水車を設け、前記送水管路の余剰圧で水車を駆動して発電を行う送水系統発電設備において、前記送水管路に設置され前記送水管路に送り出す水量を調節する流量調整弁と、前記流量調整弁が設けられた前記送水管路に並列に設置され前記水車及び前記水車を起動停止する水車始動弁が直列に設けられた水車送水管路と、前記水車送水管路に並列に設置されバイパス弁を有した水車バイパス管路と、前記流量調整弁、前記水車始動弁及び前記バイパス弁を開閉操作する弁開閉操作装置とを備え、前記弁開閉操作装置は、前記水車の停止信号が入力されたとき、前記水車始動弁を閉操作し、その水車始動弁の閉操作に対応して前記水車送水管路に流れていた水量を前記水車バイパス管路にバイパスさせるように前記バイパス弁を開操作し、前記水車始動弁が全閉した後に、前記バイパス弁に流れている水量を前記流量調整弁に通水するように前記バイパス弁を徐々に閉操作するとともに、そのバイパス弁の閉操作に対応して流量調整弁が開操作することを特徴とする送水系統発電設備。
2. 送水系統の送水管路の途中に水車を設け、前記送水管路の余剰圧で水車を駆動して発電を行う送水系統発電設備において、前記送水管路に設置され前記送水管路に送り出す水量を調節する流量調整弁と、前記流量調整弁が設けられた前記送水管路に並列に設置され前記水車及び前記水車を起動停止する水車始動弁が直列に設けられた水車送水管路と、前記水車送水管路に並列に設置されバイパス弁及び待機弁を直列に有した水車バイパス管路と、前記流量調整弁、前記水車始動弁、前記バイパス弁及び前記待機弁を開閉操作する弁開閉操作装置とを備え、前記弁開閉操作装置は、前記水車の運転中は前記待機弁を全閉にしておき、前記バイパス弁の開度を前記水車送水管路に流れている水量に相当する開度に調節しておき、前記水車の停止信号が入力されたときは、前記待機弁を開操作するとともに前記水車始動弁を閉操作し、その水車始動弁の閉操作に対応して前記水車送水管路に流れていた水量を前記水車バイパス管路にバイパスさせるとともに、前記水車始動弁が全閉した後に、前記バイパス弁に流れている水量を前記流量調整弁に通水するように前記待機弁を閉操作するとともに、その待機弁の閉操作に対応し前記流量調整弁を開操作させることを特徴とする送水系統発電設備。

Images