JP5134227B2 - 水力機械の冷却水系統 - Google Patents

Description

本発明は、水車やポンプ水車などの水力機械に係り、詳しくは、水力機械に備えられた機器にドラフトチューブ内の水を冷却水として供給する水力機械の冷却水系統に関する。

水車又はポンプ水車等の水力機械を備えた水力発電システムは、例えば上池から水圧管を通って到達する圧力水によって水力機械のランナを回転させ、これによって発電機を駆動させ発電する。水力機械のランナ回転に用いられエネルギーを失った圧力水は、水力機械の出口側に接続されたドラフトチューブ（吸出し管）及びその下流側の放水流路を通って下池へ流れる。この水力発電システムには、冷却水を必要とする機器（詳細には、例えばランナシール部、主軸封水装置、水車軸受、スラスト軸受、主要変圧器、空気冷却器、発電機軸受、及び液体抵抗器等）が備えられており、その機器に例えばドラフトチューブ内の水を冷却水として供給する冷却水系統を設けている。従来、冷却水系統の一例として、ドラフトチューブにおける下方位置に、冷却水を取水する取水口を設け、ドラフトチューブにおける取水口の下流側かつ上方位置に、前述した機器で使用された冷却水を排水する排水口を設けた構造が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特公平１−２５８９４号公報（第１頁、第１図）

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
例えば発電運転のように水力機械を水中運転させる場合は、水力機械から大量の水が放水されるので、ドラフトチューブ内の温度がほとんど上昇せず、ドラフトチューブの取水口から取水する冷却水の温度も機器の冷却に必要な適正温度となる。ところが、例えば調相運転などのように水力機械を空中運転させる（詳細には、水力機械のランナ室内に圧縮空気を入れた状態で回す）場合は、水力機械から放水される流れがないため、排水口からの使用済みの冷却水（すなわち比較的暖かい水）がドラフトチューブ内に滞留し、次第にドラフトチューブ内の水温が上昇する。そして、ついにはドラフトチューブ内の水温すなわち機器に供給する冷却水の温度が適正温度を上回り、機器保護のために水力機械が運転できない事態となるため、水力機械の空中運転を長時間に亘って行うことが困難であった。

本発明の目的は、冷却水の温度上昇を抑え、水力機械の空中運転を長時間に亘り行うことができる水力機械の冷却水系統を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、水車又はポンプ水車の出口側に接続したエルボ式のドラフトチューブを備えた水力機械の冷却水系統において、前記ドラフトチューブにおける最下方位置に設けられ、機器に供給する冷却水を取水する取水口と、前記ドラフトチューブと下池との間に接続され、流路全体が前記ドラフトチューブから前記下池まで上り勾配となるように設けられた放水流路と、前記放水流路の流路断面における最上方位置に設けられ、前記機器で使用された冷却水を前記放水流路に排水する排水口とを備える。

本発明によれば、冷却水の温度上昇を抑え、水力機械の空中運転を長時間に亘り行うことができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は、本発明の水力機械の冷却水系統の一実施形態が適用された水力発電システムの概略構造を表す図である。なお、図１はポンプ水車が空中運転した状態を表し、図２はポンプ水車が水中運転した状態を表す。

図１及び図２において、この水力発電システムは、例えば立軸フランシス形のポンプ水車１と、上池（図示せず）からの圧力水をポンプ水車１に導入する水圧管２と、この水圧管２に設けられた入口弁３と、ポンプ水車１の出口側に接続されたエルボ式のドラフトチューブ（呼出し管）４と、このドラフトチューブ４の下流側に接続された放水流路５（例えばコンクリート等で形成された流路）及び下池６とを備えている。

ポンプ水車１は、詳細は図示しないが、例えば渦巻き形のケーシングと、このケーシングに内包されたランナと、ケーシングのランナ外周側に設けられたガイドベーンと、ランナ室に圧縮空気を供給可能な空気系統とを備えている。そして、例えば発電運転する場合は、入口弁３及びポンプ水車１のガイドベーンを開放して圧力水によりランナを回転させ、これによって発電機（図示せず）を駆動させ発電する。そして、ポンプ水車１のランナ回転に用いられエネルギーを失った圧力水は、ドラフトチューブ４及び放水流路５を通って下池６へ流れるようになっている（図２参照）。一方、例えば調相運転する場合は、入口弁３及びポンプ水車１のガイドベーンを全閉するとともに、空気系統からの圧縮空気をランナ室に供給することにより、水面をランナより下方側（図１中下側）に押し下げ、ランナを空中回転させるようになっている。

また、水力発電システムには、冷却水を必要とする機器７（図では代表して１つのみ図示するが、例えばランナシール部、主軸封水装置、水車軸受、スラスト軸受、主要変圧器、空気冷却器、及び発電機軸受など）が備えられており、その機器７にドラフトチューブ４内の水を冷却水として供給する冷却水系統８が設けられている。以下、本実施形態の冷却水系統８について説明する。

ドラフトチューブ４における最下方位置には、機器７に供給する冷却水を取水する取水口９が設けられ、放水流路５における上方位置には、機器７で使用された冷却水を放水流路５に排水する排水口１０が設けられている。そして、ドラフトチューブ４の取水口９から給水配管系統１１（詳細には、例えば異物除去用のスクリーンやポンプ等（図示せず）が設けられた配管系統）を介し機器７に冷却水が供給され、機器７で使用された冷却水が排水配管系統１２を介し排水口１０から放水流路５に排水されるようになっている。

以上のように構成された本実施形態においては、例えば調相運転などのようにポンプ水車１を空中運転させる場合、ポンプ水車１から放水される流れがないものの、ドラフトチューブ４の取水口９から機器７に供給する冷却水が取水され、機器７で使用された冷却水が排水口１０から放水流路５に排水される。このとき、排水口１０から排水される使用済みの冷却水は比較的暖かいので、放水流路５内に対流が生じる。放水流路５は下流側に向かって上り勾配に設けるので、排水口１０からの暖かい水は放水流路５の上側領域を下流側（すなわち、下池６側）に向かって流れ、冷たい水は放水流路５の下側領域を上流側（すなわち、ドラフトチューブ４側）に向かって流れる（図１参照）。これにより、排水口１０からの暖かい水がドラフトチューブ４内に流入するのを抑えることができる。したがって、ドラフトチューブ４内の水温上昇すなわち冷却水の温度上昇を抑えることができ、ポンプ水車１の空中運転を長時間に亘り行うことができる。

次に、本実施形態におけるポンプ水車１の空中運転時のドラフトチューブ４内の温度上昇について説明する。図３は、ポンプ水車１の中心から排水口１０までの距離Ｌとポンプ水車１のライナ出口径Ｄとの比Ｌ／Ｄと、ポンプ水車１の空中運転の所定時間経過後のドラフトチューブ４内の温度上昇幅ΔＴとの関係を表す特性図である。なお、図３は、ポンプ水車１のランナ出口径Ｄ＝２ｍとした場合の解析結果から得たものである。

この図３において、ポンプ水車１の中心から排水口１０までの距離Ｌとポンプ水車１のライナ出口径Ｄとの比Ｌ／Ｄの増加（言い換えれば、ポンプ水車１の中心から排水口１０までの距離Ｌの増加）に従って、ドラフトチューブ４内の温度上昇幅ΔＴが減少するようになっている。ここで、例えばポンプ水車１のランナ出口径Ｄ＝２ｍとした場合、ドラフトチューブ４の大きさにより決まる放水流路５までの最短距離Ｌminは２０ｍ程度であり、ドラフトチューブ４より下流側の放水流路５に排水口１０を設ければ、比Ｌ／Ｄ≧１０となる。そして、比Ｌ／Ｄ≧１０とすれば、所定時間経過後のドラフトチューブ４内の温度上昇幅ΔＴを２０℃以下に抑えることができる。特に、比Ｌ／Ｄ≧２５とすれば、ドラフトチューブ４内の温度上昇幅ΔＴの低減効果をより効果的に得ることができる。一方、比Ｌ／Ｄの増加、すなわちポンプ水車１の中心から排水口１０までの距離Ｌの増加に従って、排水配管系統１２の設備コストが増加するため、比Ｌ／Ｄ≦４０とすることが好ましい。

なお、以上においては、ポンプ水車１はフランシス形を例にとって説明したが、これに限られず、例えばプロペラ形のポンプ水車又は水車などでもよいことは言うまでもない。

本発明の水力機械の冷却水系統の一実施形態が適用された水力発電システムの要部構成を表す図であり、ポンプ水車が空中運転した状態を表す。 本発明の水力機械の冷却水系統の一実施形態が適用された水力発電システムの要部構成を表す図であり、ポンプ水車が水中運転した状態を表す。 ポンプ水車の中心から排水口までの距離Ｌとポンプ水車のライナ出口径Ｄとの比Ｌ／Ｄと、ポンプ水車の空中運転の所定時間経過後のドラフトチューブ内の温度上昇幅ΔＴとの関係を表す特性図である。

符号の説明

１ ポンプ水車
４ ドラフトチューブ
５ 放水流路
７ 機器
８ 冷却水系統
９ 取水口
１０ 排水口

Claims (1)

1. 水車又はポンプ水車の出口側に接続したエルボ式のドラフトチューブを備えた水力機械の冷却水系統において、
   前記ドラフトチューブにおける最下方位置に設けられ、機器に供給する冷却水を取水する取水口と、
   前記ドラフトチューブと下池との間に接続され、流路全体が前記ドラフトチューブから前記下池まで上り勾配となるように設けられた放水流路と、
   前記放水流路の流路断面における最上方位置に設けられ、前記機器で使用された冷却水を前記放水流路に排水する排水口とを備えたことを特徴とする水力機械の冷却水系統。

Images