JP4722711B2 - 排水装置 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電所に用いられる排水装置に係り、特に、複数の発電用水車またはポンプ水車を有する場合に好適な排水装置に関する。

水力発電所は、発電所の上流側からの流れ込みの水によって発電するものであるが、流れ込む水の量は日々の天気の影響を受け、また季節的な変動がある。一方、発電所は、流れ込みの水量に従った発電を行う場合と、電力系統安定化のために電力供給指令に従いその発電量を決めて発電を行う場合があり、後者の場合、発電のために使用する流量は流れ込む流量と一致しない。

このため流れ込む水量と比較して発電に使用する水量が少ない場合、あるいは水車を停止している場合、あるいは電力系統の事故により水車を緊急停止（負荷遮断と称す）した時には、発電所上部の河川，ダムあるいは調整池等の水位が上昇し、これを放っておくと水はこれら設備から溢れ、災害を発生することになる。

そこで、例えば、特開昭５４−１３８９３１号公報や特開２００３−３４３４１３号公報に記載のように、発電所には規定以上に余った水を排水する放水管（バイパス管）や、発電所上部の調整池等から規定以上の水が溢れ出るようにした余水路等の排水装置を設けている。

このように、発電所における余水路や放水管等の排水装置は、発電所上部の水位をコントロールする上で、また維持放流の観点から重要な役割を果たしているが、余水路や放水管等の排水装置の使用不可を生じる場合がある。例えば、台風や地震等の自然災害によりダムや調整池の上部堰堤が破壊され余水路や放水管が機能する標高まで水位を上げることができない場合、例えば老朽化により余水路や放水管等の排水装置の長期間にわたる修理が必要になる場合が上げられる。

これに対して、発電所が複数の発電用水車あるいはポンプ水車で構成されている場合では、１台以上の発電用水車あるいはポンプ水車を排水装置として使用することが考えられる。水車の種類の内ペルトン水車は、ランナが気中にあることから、ランナに当たる水流をデフレクタと称する板でさえぎり、ランナに水が当たらないようにして、下流側に水を放流することが可能である。

特開昭５４−１３８９３１号公報 特開２００３−３４３４１３号公報

しかしながら、ペルトン水車を除く水車およびポンプ水車においては、ランナは水中にあることから、水量を調整するガイドベーンを開いて水を流すとランナは回転し、その回転速度はガイドベーンを開くほど速くなり、定格回転速度以上に回転速度が上昇する。過度の回転上昇は機械を破損するので、ランナが水中にあるタイプの水車（ペルトン水車を除く水車およびポンプ水車）を排水装置として使用する場合は、一般に、ガイドベーンの開度はランナの回転速度が、無負荷の定格回転速度になるところで抑えられている。

この時の流量は、水車が定格にて使用する流量の１／１０程度と小さく、大きな流量制御に対応できないものである。さらに、この無負荷条件で水車をまわすと、通常の回転速度に比べて低いため、効率が低く、ランナ羽根入口部にキャビテーションによる壊食を発生し、ランナが損傷する場合がある。

本発明の目的は、ランナが水中にあるタイプの水車を、排水装置として使用できるとともに、維持放流する上で十分な流量が確保できる排水装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の水中にランナがあるタイプの水車を有し、発電所の取水元となる上部の調整水槽あるいは河川の水を、発電所の排水先となる下部の調整水槽あるいは河川に、排水する発電所に用いられ、前記複数の水車の内、少なくとも１台の前記水車は、ランナを取り外した水車であり、他の水車はランナが取り付けられた水車であり、前記ランナを取り外した水車のランナ室には、前記ランナ室の内部に吸気を導入する吸気口が設けられ、前記ランナを取り外した水車のガイドベーンの開閉を制御する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、ランナが水中にあるタイプの水車を、排水装置として使用できるとともに、維持放流する上で十分な流量が確保できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記発電所に設置の他の水車の運転停止時あるいは負荷遮断発生時に、この水車の停止信号あるいは負荷遮断信号を受けて、ガイドベーンを開くようにしたものである。

（３）上記（２）において、好ましくは、前記制御手段は、前記発電所に設置の他の水車の運転停止時あるいは負荷遮断発生時に、発電所の取水元となる上部の調整水槽あるいは河川の水位変化を抑制するようにガイドベーンの開度を制御するようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、発電用の前記水車が上部の調整水槽あるいは河川の水位を調整する運転の時に使用するガイドベーン開度信号を用いて、ガイドベーンの開度を制御するようにしたものである。

（５）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記発電所の取水元の水位と予め設定された前記発電所の取水元の保持水位との偏差と、水位垂下率とを用いて、前記ランナを取り外した水車のガイドベーンの開度を制御するようにしたものである。

本発明によれば、ランナが水中にあるタイプの水車を、排水装置として使用できるとともに、維持放流する上で十分な流量が確保できるものとなる。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態による排水装置の構成について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態による排水装置を適用した水力発電所システムの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による排水装置を適用した水力発電所システムの構成を示すシステム構成図である。図２は、本発明の一実施形態による排水装置として用いる水車の構成を示す断面図である。

図１に示すように、水槽３には、導水路１から水が導入される。水槽３の水位は、水位検出器２によって検出される。水槽３から水車へは、鉄管４により、圧力水が供給される。なお、図示する例では、ケーシング７と、ランナ８と、発電機６とからなる第１の水車と、ケーシング１２と、ランナ１３と、発電機１１とからなる第２の水車の２個の水車が設置されている。これらの水車は、ペルトン水車を除く水車およびポンプ水車などのランナが水中にあるタイプの水車である。なお、ここでは、ランナが水中にあるタイプの水車を２個の示しているが、２個以上の複数個あるものとする。そして、図２に示すように、ケーシング１２の内側に流量を調整するガイドベーン１５が備えられ、さらに、その内側のランナ室２１にランナ１３が備えられている。

鉄管４と水車の間には、鉄管４から水車への水流を止水することのできる入口弁５，１０が設けられている。制御装置２０，２０Ａは、ケーシング７，１２内部に配置されるガイドベーンの開度を制御する。鉄管４からケーシング７，１２に供給された水は、河川９に排水される。

さらに、鉄管４と河川９の間には、途中に流量制御弁１６を備えた放水管（バイパス管）１７が排水装置として設けられている。なお、放水管１７の代わりに、水槽３からオーバーフローする水を河川９に排水するための余水路１８が設けられていることもある。

通常の状態では、放水管１７若しくは余水路１８を用いて、水槽３に規定以上に余った水を河川９に排水している。

それに対して、破線で示す放水管１７や、一点鎖線で示す余水路１８等の排水装置が使用不可となった場合，例えば、台風や地震等の自然災害によりダムや調整池の上部堰堤が破壊され余水路１７や放水管１８が機能する標高まで水位を上げることができない場合、例えば老朽化により余水路や放水管等の排水装置の長期間にわたる修理が必要になる場合、本実施形態では、ケーシング７と、ランナ８と、発電機６とからなる第１の水車は、通常通りに発電用水車として用いる。

一方、ケーシング１２と、ランナ１３と、発電機１１とからなる第２の水車においては、破線で示すランナ１３を取り外し、排水装置として用いる。すなわち、ランナ１３を取り外すことで、排水量を増加でき、しかも、発電用水車を排水装置として用いた場合のランナの損傷も防止できるものである。

そして、制御装置２０は、発電量を変更するため、ガイドベーン開度を制御するために用いられる。制御装置２０Ａは、排水量を変更するため、ガイドベーン開度を制御するために用いられる。

次に、図３を用いて、本発明の一実施形態による排水装置の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による排水装置の構成を示すブロック図である。

排水装置は、ガイドリング１４によって保持されたガイドベーン１５と、ガイドベーン１４を回動して、ガイドベーン開度を変更するためのサーボモータ２３と、サーボモータ２３の駆動を制御する排水制御装置２０Ａから構成されている。

次に、図４を用いて、本発明の一実施形態による排水装置に用いる制御装置の構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による排水装置に用いる制御装置の構成を示すブロック図である。

偏差演算手段Ｄ１は、水槽３に設置された水位検出器２からの水位信号と、予め設定された水槽３の保持水位の偏差を演算する。偏差演算手段Ｄ２は、その偏差と水位垂下率を介し帰還されたガイドベーン１５の開度を比較演算する。比例演算手段ＣＰは、偏差演算手段Ｄ２の出力に対して、制御要素であるＫｐ（比例要素）により比例演算値を算出し、積分演算手段ＣＩは、偏差演算手段Ｄ２の出力に対して、Ｋｉ／Ｓ（積分要素）により積分演算値を算出し、両者の演算値は、和演算手段Ａ１により加算され、ガイドベーン１５の制御目標値が決定される。偏差演算手段Ｄ３は、和演算手段Ａ１の出力である制御目標値と、現状のガイドベーン開度の偏差量を、ガイドベーン制御増幅器ＡＰを介して、ガイドベーン１５の開度を変更するサーボモータ２３に出力することにより、ガイドベーンを制御目標値に制御する。これにより、水槽３の水位を一定に保持する制御が可能である。

なお、リミッタ手段Ｌ１は、排水装置から放流する河川側に放流制限（単位時間当たりの変化率など）がある場合、その制限を満足する為にガイドベーンの動作速度に制限を与えると時に用いるリミッタである。

また、制御要素（Ｋｐ，Ｋｉ／Ｓ）は、水槽３の水位変化が遅い場合は、単にＫｐ（比例要素）だけの制御あるいはガイドベーンを一定速度で操作するようにしてもよいものである。

通常の運転時には、制御装置２０は、発電運転中は導水路１からの水槽３に流入する水量に応じた水量が発電運転用水車に流され、水槽３の水位が一定に保たれるように運転されている。また、発電運転中、排水装置の入口弁１０は全開に保持され、排水装置のガイドベーン１５が全閉に保持された状態で、水車運転制御装置２０にて水車に流入する水量を調整している。

ここで、発電運転中の水車に故障が発生すると水車が停止されるが、導水路１の長さは数ｋｍであることが一般的であり、水槽３に流入する流水を即座に遮断することが不可能であるので、発電運転を行っていた水車が停止動作をすると、直ちに制御装置２０のガイドベーン１５と入口弁５が閉動作し全閉となり水流を遮断するので、水槽３の水位が上昇するので、水位上昇が大きくなると水槽３から水が溢れ出ることになる。

本実施形態においては、水槽３の水位を水位検出器２にて検出し、水位の上昇に応じて、図４に示した排水制御装置２０Ａのガイドベーン１５を開操作することにより、発電運用水車が停止したことによる余水を放流し水槽３の水位の異常上昇を防止することが可能となるものである。

ここで、図５を用いて、本発明の一実施形態による排水装置に用いる水位垂下率について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による排水装置に用いる水位垂下率の説明図である。

図５において、縦軸は水槽３の水位を示し、横軸はガイドベーン１５の開度を示している。図中の実線で示す水位垂下率は、発電用水車が停止した際に発生する余水による水槽３の水位の上昇を抑制することのできる排水装置のガイドベーン５の開度を示している。

排水制御装置２０Ａは、発電運転用水車が停止動作した信号を受けて、図４に示す水位垂下率の特性に応じガイドベーン１５を開操作することで、発電運転を行っていた水車が停止することによる余水量を放流することができ、水槽の水位に異常水位上昇が発生することを防止できる。

排水装置の復帰、すなわち排水制御装置のガイドベーン１５が全閉に保持される条件は、図４に示す水位垂下率の特性に応じてガイドベーン１５が制御され全閉した時点で復帰したこととなる。

ここで、図６を用いて、本発明の一実施形態による排水装置に用いる水車の構成について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による排水装置に用いる水車の構成を示す断面図である。

本実施形態では、排水装置として用いるためにランナ１３を取り外したランナ室２１に対して、吸気口２２を設けている。ランナ１３がある状態では、ランナ室２１に導入された水のエネルギは、ランナ１３で吸収されるが、排水装置として用いるためにランナ１３を取り外した場合、ランナ室２１に導入された水のエネルギは失われないため、ランナ室２１の内部に渦が発生する。この渦によって水車及びポンプ水車が振動することになる。そこで、この振動を低減するために、ランナ室２１の上部に吸気口２２を設けて、ランナ室２１の内部に空気を導入することで、整流化して、渦を押さえるようにしている。吸気口２２からの吸気は、渦の発生により生じる負圧を利用した自然吸気としている。

なお、図４，図５に示した例では、水槽３の水位に応じて、ガイドベーン１５の開度を制御しているが、水車を通常の発電用若しくはポンプ用として用いる場合に、上部の水槽３の水位を調整する運転の時に使用するガイドベーン開度信号を、排水装置のガイドベーン開度入力信号として使用することもできる。この方法では、水位を検出して、検出された水位が規定以下となるようにフィードバック制御するのとを異なり、ガイドベーン信号を用いて、フィードフォワード的制御となるため、水槽の水位を速やかに規定以下にすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ランナが水中にあるタイプの水車（ペルトン水車を除く水車およびポンプ水車）において、ランナを取り外すことにより、ランナの回転速度上昇による回転体の強度，ランナに発生するキャビテーション壊食を考えなくてもよいので、ガイドベーンの開度を大きくすることができ、大きな流量を流すことができる。

また、この時のガイドベーン開度に対する流量の特性は、ランナがある場合と異なるがその特性を予め制御装置に与えることにより、従来のガイドベーンに関する信号をそのまま使用できる。

以上のようにして、複数台の発電用水車またはポンプ水車の運転号機が普通停止あるいは事故による緊急停止時において、上部水槽の水位が水槽から溢れような異常水位上昇あるいは河川水位の急激な水位上昇を抑制することが可能であり、安全な排水装置を提供することができる。したがって、複数台の水車あるいはポンプ水車を有する発電所において、災害など緊急事態時においても、水槽の水位を一定に保持することが可能であるので、発電運転が可能となる。

本発明の一実施形態による排水装置を適用した水力発電所システムの構成を示すシステム構成図である。 本発明の一実施形態による排水装置として用いる水車の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態による排水装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による排水装置に用いる制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による排水装置に用いる水位垂下率の説明図である。 本発明の一実施形態による排水装置に用いる水車の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…水槽に水を導入する導水路
２…水位検出器
３…水槽
４…鉄管
５，１０…入口弁
６，１１…発電機
７，１２…ケーシング
８，１３…ランナ
９…河川
１４…ガイドリング
１５…ガイドベーン
２０，２０Ａ…制御装置
２３…サーボモータ

Claims (5)

1. 複数の水中にランナがあるタイプの水車を有し、
   発電所の取水元となる上部の調整水槽あるいは河川の水を、発電所の排水先となる下部の調整水槽あるいは河川に、排水する発電所に用いられ、
   前記複数の水車の内、少なくとも１台の前記水車は、ランナを取り外した水車であり、他の水車はランナが取り付けられた水車であり、前記ランナを取り外した水車のランナ室には、前記ランナ室の内部に吸気を導入する吸気口が設けられ、
   前記ランナを取り外した水車のガイドベーンの開閉を制御する制御手段を備えたことを特徴とする排水装置。
2. 請求項１記載の排水装置において、
   前記制御手段は、前記発電所に設置の他の水車の運転停止時あるいは負荷遮断発生時に、この水車の停止信号あるいは負荷遮断信号を受けて、ガイドベーンを開くことを特徴とする排水装置。
3. 請求項２記載の排水装置において、
   前記制御手段は、前記発電所に設置の他の水車の運転停止時あるいは負荷遮断発生時に、発電所の取水元となる上部の調整水槽あるいは河川の水位変化を抑制するようにガイドベーンの開度を制御することを特徴とする排水装置。
4. 請求項１に記載の排水装置において、
   前記制御手段は、発電用の前記水車が上部の調整水槽あるいは河川の水位を調整する運転の時に使用するガイドベーン開度信号を用いて、ガイドベーンの開度を制御することを特徴とする排水装置。
5. 請求項１に記載の排水装置において、
   前記制御手段は、前記発電所の取水元の水位と予め設定された前記発電所の取水元の保持水位との偏差と、水位垂下率とを用いて、前記ランナを取り外した水車のガイドベーンの開度を制御することを特徴とする排水装置。

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