JP6139041B1 - ハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構 - Google Patents

ハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構 Download PDF

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Abstract

【課題】水力発電機の入口弁およびガイドベーンの開閉を行う油圧サーボモータを、1つの可逆ピストンポンプで駆動するハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構を提供すること。【解決手段】先ずソレノイド305fを励磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド305gを励磁して油圧回路を開き、可逆ピストンポンプ303で油圧サーボモータ105の開側に送油し、入口弁101を開操作する。入口弁101が全開となると、ソレノイド305gを解磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド305eを励磁して油圧回路を開き、アキュムレータ307の油圧を油圧サーボモータ105の開側にかけて全開を維持する。入口弁101の開操作完了後は入口弁101とガイドベーン104の油圧回路を切り離すことにより、運転時はガイドベーン104の開閉操作のために油圧サーボモータ106への油圧を任意に反転することができる。【選択図】図3

Description

本発明は、ハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構に関し、より詳細には、水力発電機に流入する水量を調整する弁を制御する油圧サーボモータを駆動するハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構。
水力発電所では、発電機と接続された水車への水流は、水車を格納したケーシングの手前に設置された元バブルである入口弁と水車に流れる流量の調整が可能なガイドベーン(流量調整弁)によって制御される。これら入口弁とガイドベーンの操作には、主に油圧サーボモータがそれぞれ利用されている。
図1に、水力発電機用の油圧システムの構成を示す。入口弁101は、停止時は全閉、運転中は全開として運用され、運転中は入口弁101が閉じないよう、常に一定圧力に保たれている油圧タンク114と入口弁用の油圧サーボモータ105の開側とを、ソレノイド115bを介して接続することで、全開状態を維持されている。
一方ガイドベーン104は、入口弁101が開いているときに水車ランナ103に流入する水の流量を調整することができる。ガイドベーン104を操作することで、発電機出力を増減させることができる。電力需要は、系統状況や負荷、連系する発電機など、様々な影響を受け時々刻々と変化しており、発電所の出力は、これに合わせるため、ガイドベーンの開閉操作を絶えず繰り返している。ガイドベーン104の操作も、一般的に入口弁101と同様に油圧サーボモータ106により行われる。
これら入口弁用の油圧サーボモータ105とガイドベーン用の油圧サーボモータ106は、圧油タンク114から調速機120の配圧弁121またはソレノイド115bを介して給油されることで駆動される。圧油装置110では、集油槽111から電動機113で駆動される油圧ポンプ112により加圧された油を圧油タンク114に貯め、常に必要な圧油を供給できるようにしている。
圧油装置110を使用する場合、圧油生成のための空気圧縮機130とガイドベーン操作のため調速機120が必要になる。また、停電等の事故が発生しても水車を安全に停止できるよう最低限必要な操作油を、圧油タンク114に貯めておかなければならず、圧油タンク114、集油槽111に大量の油を必要とする。
各油圧サーボモータ105、106で仕事を終えて圧力を失った油は、集油槽(大気圧)に戻り、圧油ポンプ112で加圧されて再び圧油タンク114に送られ、その後の各油圧サーボモータ105、106への給油に備える。
しかし近年では、メンテナンス性や設備信頼度の向上等を目的に装置の合理化が図られ、補機点数が少なく、装置構成がシンプルであって油圧が高く、使用油量の少ない、保守性に優れたハイブリッドサーボモータが普及・拡大してきている。ハイブリッドサーボモータは、従来の油圧サーボモータに必要だった圧油装置、空気圧縮装置、空気タンク等の補機が不要となり、ハイブリッドサーボモータの配管・シリンダに必要な極少量の油で駆動することができる。
図2に、従来の水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す。このハイブリッドサーボシステム220は、従来の圧油装置110による操作方式と大きく異なり、油圧サーボモータ106内の油を電動機224で駆動する可逆ピストンポンプ223により操作し、開側から閉側へ、または閉側から開側へ圧油を供給している。これにより、圧油装置110、調速機120、空気圧縮機130等の補機や大量の操作油を省略しつつ、油圧サーボモータ106の開閉操作を可能にしている。
また、油圧サーボモータ205は単動型とし、入口弁201の開操作のみを行う。入口弁201は閉操作を行うための閉鎖機構を備え、図2では閉鎖機構として重錘を用いている。
特開平9−303301号公報
しかし、従来のハイブリッドサーボシステム220では、ガイドベーン104の開操作と閉操作とを切り替えるためには、その都度可逆ピストンポンプ223の回転方向を変える必要がある。可逆ピストンポンプ223の回転方向を変えると油圧サーボモータ106のシリンダ内の開側の圧力と閉側の圧力は反転し、またその制御速度によって油圧・油量も大きく変化する。
従って、ガイドベーン操作にハイブリッドサーボシステム220を適用すると操作圧力を頻繁に入れ替えることになるため、運転中は常に全開状態を維持する必要がある入口弁201の油圧サーボモータ205の開側に、ガイドベーン用のハイブリッドサーボシステム220から一定以上の油圧を安定して供給し続けることができない。そのため、入口弁専用の圧油装置210等の操作機構をハイブリッドサーボシステム220とは別に設けるなどの対策が必要になるという課題があった。圧油装置210は、集油槽211、電動機212で駆動する圧油ポンプ213、油圧サーボモータ205から圧油を集油槽211に戻すための油圧回路を開閉するソレノイド214、仕切弁215、逆止弁216等からなる。
これは、補機点数を増やし、システムを複雑化させることとなり、設備を合理化し、コスト競争力ある水力発電所を目指す上で、経済性・保守性を悪くし、また設備信頼度を低下させる要因となっていた。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、水力発電機の入口弁およびガイドベーンの開閉を行う油圧サーボモータを、1つの可逆ピストンポンプで駆動するハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明は、水力発電機の入口弁およびガイドベーンの開閉を行う油圧サーボモータを、可逆ピストンポンプで駆動するハイブリッドサーボシステムであって、前記入口弁の開閉を行う第1の油圧サーボモータと、前記ガイドベーンの開閉を行う第2の油圧サーボモータと、一定の油圧が蓄圧された第1のアキュムレータと、前記第1の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を開けるときは、前記第2の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を閉じ、前記第2の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を開けるときは、前記第1の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を閉じ、かつ前記第1の油圧サーボモータの開側と前記第1のアキュムレータとを接続する油圧回路を開けるソレノイドを含む油圧回路と、を備え、前記油圧回路の全ての前記ソレノイドが解磁されたとき、前記第1のアキュムレータと前記第2の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路が開くことを特徴とする。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のハイブリッドサーボシステムにおいて、前記第1の油圧サーボモータは、開側のみが前記可逆ピストンポンプに接続された単動型シリンダを備え、前記入口弁は、閉鎖機構を有し、前記第1の油圧サーボモータの開側の圧油を抜く油圧回路が開けられることにより、前記閉鎖機構によって閉じられることを特徴とする。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載のハイブリッドサーボシステムにおいて、前記第1の油圧サーボモータは、開側と閉側とが前記可逆ピストンポンプを介して接続された複動型シリンダを備えたことを特徴とする。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載のハイブリッドサーボシステムにおいて、前記油圧回路の全ての前記ソレノイドが解磁されたとき、前記第1のアキュムレータと前記第1の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路が開くことを特徴とする。
請求項5に記載の発明は、請求項3に記載のハイブリッドサーボシステムにおいて、一定の油圧が蓄圧された第2のアキュムレータをさらに備え、前記油圧回路の全ての前記ソレノイドが解磁されたとき、前記第1のアキュムレータと前記第2の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路とは切り離された、前記第2のアキュムレータと前記第1の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路が開くことを特徴とする。
請求項6に記載の発明は、水車操作機構であて、請求項1から5のいずれか一項に記載のハイブリッドサーボシステムを備えたことを特徴とする。
本発明は、水力発電機の入口弁およびガイドベーンの開閉を行う油圧サーボモータを、1つの可逆ピストンポンプで駆動することが可能であり、圧油を生成するための装置の数を減らすことができる。これにより発電所の設備信頼度が向上するとともに、補機点数が減ることで保守コストを低減できる。
従来の水力発電機用の油圧システムの構成を示す図である。 従来の水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す図である。 本発明の実施形態1に係る水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す図である。 本発明の実施形態2に係る水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す図である。 本発明の実施形態3に係る水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す図である。
操作圧力の頻繁な入れ替えが必要なガイドベーン操作にハイブリッドサーボモータを使用するハイブリッドサーボシステムにおいて、常時一定方向に油圧を必要とする入口弁用の油圧サーボモータに対して、安定した油圧を供給する方法を実現する。
一般的な水力発電所の各発電機の運転制御では、以下の操作が行われる。
・始動時:入口弁開操作→全開確認→ガイドベーン操作
・運転時:入口弁全開維持(油圧の消費なし)+ガイドベーン開閉操作
・停止時:ガイドベーン閉操作→全閉確認→入口弁閉操作
このように、発電機の始動・運転・停止のいずれにおいても、入口弁とガイドベーンを同時に操作することがない。本願発明のハイブリッドサーボシステムは、この操作上の特性に最適化することにより、既存の可逆ピストンポンプを使ったハイブリッドサーボモータに僅かな設備を追加するだけで、運転中に常時開トルクを必要とする入口弁操作と、頻繁に操作圧力が入れ替わるガイドベーン操作の両立を実現させるものである。
従来、ハイブリッドサーボシステムには、ガイドベーン非常閉鎖用のアキュムレータを設置するオプションの採用が可能であった。このアキュムレータは、所定の量の油と窒素等の気体が充填されているもので、電源喪失時やハイブリッドサーボシステム故障時であってもアキュムレータに蓄圧された油圧を用いて、ガイドベーンの閉操作を可能とするものであり、非常時のバックアップシステムの一種である。
本発明では、このアキュムレータに蓄圧された油圧を活用して運転中の入口弁全開維持のための一定圧力以上の油圧を確保し、始動時の入口弁開操作、停止時の入口弁閉操作および操作圧力が絶えず反転するガイドベーン操作を1つのハイブリッドサーボモータで運転・制御する。これにより、従来必要であった入口弁専用の油圧装置等の操作機構を完全に省略できる。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
(実施形態1)
図3に、本発明の実施形態1に係る水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す。本発明のハイブリッドサーボシステム300は、水車が格納されたケーシング102の手前に入口弁201と、ケーシング102に格納された水車ランナ103を囲むように設置された流量調整用のガイドベーン104との開閉操作を行うことができる。電動機304で可逆ピストンポンプ303を駆動して単動型シリンダを備えた油圧サーボモータ205および複動型シリンダを備えた油圧サーボモータ106に圧油を供給することで、入口弁201の開操作、およびガイドリング107を介したガイドベーン104の開閉操作を行うことができる。入口弁201の閉操作は閉鎖機構によって行う。閉鎖機構としては、重錘やばね等を用いることができる。図3に示す入口弁201は、閉鎖機構として重錘を用いるものである。
入口弁201を開操作するには、ソレノイド305b、305cを解磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド305gを励磁して油圧回路を開き、集油槽301からシャトル弁302を介して可逆ピストンポンプ303で油圧サーボモータ205の開側に送油する。
ガイドベーン104を開閉操作するには、ソレノイド305b、305cを励磁して油圧回路を開き、ソレノイド305dを励磁して油圧回路を閉じ、可逆ピストンポンプ303を開方向または閉方向に回転させることにより、油圧サーボモータ106の閉側から開側にまたは開側から閉側に送油する。油圧サーボモータ106と可逆ピストンポンプ303とを接続する油圧回路内の油量は、集油槽301との間でシャトル弁302を介して調整する。
尚、油圧回路については、NO(Normal Open、常時開)のソレノイド305a、305d、305fとNC(Normal Close、常時閉)のソレノイド305b、305c、305e、305g、および逆止弁306を図3のように配置することで、通常時の操作に加え、操作電源が断となった場合であっても、自動的に確実に入口弁201およびガイドベーン104を閉鎖することが可能としている。
次に、各操作時の動作について説明する。尚、ソレノイド305a、305dは、電源故障時以外は常に励磁し油圧回路を閉じておく。
始動時は、先ずソレノイド305fを励磁して油圧回路を閉じ、次にソレノイド305gを励磁して油圧回路を開き、可逆ピストンポンプ303を開方向に回転させて油圧サーボモータ205の開側に送油し、入口弁201を開操作する。この時、ソレノイド305eは解磁して油圧回路は閉じたままとする。入口弁201が全開となると、ソレノイド305gを解磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド305eを励磁して油圧回路を開き、アキュムレータ307の油圧を油圧サーボモータ205の開側にかけて全開を維持する。このようにすることで入口弁201の開操作完了後は入口弁201とガイドベーン104の油圧回路を切り離すことができる。
運転時は、入口弁201とガイドベーン104の油圧回路を切り離した後なので、ガイドベーン104のためだけにハイブリッドサーボシステムを自由に運転することができ、ガイドベーン104の開閉操作のために油圧サーボモータ106への油圧を任意に反転することができる。
停止時は、ガイドベーン104の閉操作完了後に、ソレノイド305fを解磁して油圧回路を開き、油圧サーボモータ205の開側の圧油を集油槽301へ戻すことで入口弁201を閉鎖機構にて閉操作する。
電源故障等が発生した場合などの異常時は、全てのソレノイド305a〜305gの励磁が解け、図3の状態となる。これは、アキュムレータ307の圧油を油圧サーボモータ106閉側に送油してガイドベーン104を閉操作し、油圧サーボモータ205の開側の圧油を集油槽301へ戻すことで入口弁201を閉鎖機構によって閉操作する油圧回路が自然と構成されるようになっており、電源が無くなっても安全に水車を停止できる。
(実施形態2)
図4に、本発明の実施形態2に係る水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す。本実施形態は、図3に示す実施形態1の構成に対し、図4のようにNOのソレノイド405h、NCのソレノイド405i、を追加し、閉鎖機構によって閉操作する入口弁201および単動型シリンダを備えた油圧サーボモータ205を閉鎖機構無しの入力弁101および複動型シリンダを備えた油圧サーボモータ105に置き換えたものである。また、可逆ピストンポンプ403およびアキュムレータ407aを、ソレノイド405iおよびソレノイド405hを介して、それぞれ油圧サーボモータ105の閉側に接続する油圧回路を備えている。集油槽401、シャトル弁402、可逆ピストンポンプ403、電動機404、ソレノイド405a〜405g、逆止弁406a、アキュムレータ407a、それらを接続する油圧回路、および油圧サーボモータ105、106を接続する油圧回路の構成は実施形態1と同じである。
始動時は、ソレノイド405eを解磁し、ソレノイド405f、405hを励磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド405g、405iを励磁して油圧回路を開き、可逆ピストンポンプ403を開方向に回転させて油圧サーボモータ105の開側に送油し、入口弁101を開操作する。入口弁101が全開となると、ソレノイド405g、405iを解磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド405eを励磁して油圧回路を開き、アキュムレータ407aの油圧を油圧サーボモータ105の開側にかけて全開を維持する。
停止時は、ガイドベーン104の閉操作完了後に、ソレノイド405eを解磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド405g、405iを励磁して油圧回路を開き、可逆ピストンポンプ403を閉方向に回転させて油圧サーボモータ105の開側の圧油を閉側に送油し、入口弁101を閉操作する。入口弁101が全閉となると、ソレノイド405g、405iを解磁して油圧回路を閉じ、ソレノイド405hを解磁して油圧回路を開き、アキュムレータ407aの油圧を油圧サーボモータ105の閉側にかけて全閉を維持する。
このように本発明では、閉鎖機構無しの入口弁101に対しても入口弁専用の油圧装置を省略でき、本実施形態でも、電源喪失時にはアキュムレータ407aにより入口弁101およびガイドベーン104を閉操作して安全に停止することができる。
尚、ソレノイド405h、逆止弁406a、アキュムレータ407aは、電源喪失時の入力弁非常閉鎖用に必要な構成であるので、通常時に可逆ピストンポンプ403によって閉鎖機構無しの入口弁101の閉操作を行う場合には、ソレノイド405i、およびソレノイド405iを介して可逆ピストンポンプ403と油圧サーボモータ105の閉側とを接続する油圧回路があれば良い。
(実施形態3)
図5に、本発明の実施形態3に係る水力発電機用のハイブリッドサーボシステムの構成を示す。本実施形態は、図3に示す実施形態1の構成に対し、図5のようにNOのソレノイド405h、NCのソレノイド405i、逆止弁406b、アキュムレータ407bを追加し、閉鎖機構によって閉操作する入口弁201および単動型シリンダを備えた油圧サーボモータ205を閉鎖機構無しの入力弁101および複動型シリンダを備えた油圧サーボモータ105に置き換えたものである。また、可逆ピストンポンプ403およびアキュムレータ407bを、ソレノイド405iおよびソレノイド405hを介して、それぞれ油圧サーボモータ105の閉側に接続する油圧回路を備えている。さらに、アキュムレータ407bと油圧サーボモータ105の開側をNCのソレノイド405eで接続する油圧回路を備えている。集油槽401、シャトル弁402、可逆ピストンポンプ403、電動機404、ソレノイド405a〜405g、逆止弁406a、アキュムレータ407a、それらを接続する油圧回路、および油圧サーボモータ106、105を接続する油圧回路の構成は実施形態1と同じである。また、始動時、停止時の入口弁101の開閉操作は、実施形態2と同じである。
このように本発明では、閉鎖機構無しの入口弁101に対しても入口弁専用の油圧装置を省略でき、本実施形態でも、電源喪失時にはアキュムレータ407a、407bによりガイドベーン104、入口弁101をそれぞれ閉操作して安全に停止することができる。また本実施形態では、アキュムレータ407aと油圧サーボモータ106の閉側とを接続する油圧回路と、アキュムレータ407bと油圧サーボモータ105の閉側とを接続する油圧回路とは切り離されているため、一方の油圧回路を構成する油圧配管が破断するなどした場合にも、他方の油圧回路はその影響を受けずにガイドベーン104または入口弁101を閉操作することができる。
尚、ソレノイド405h、逆止弁406b、アキュムレータ407bは、電源喪失時の入口弁非常閉鎖用に必要な構成であるので、可逆ピストンポンプ403によって閉鎖機構無しの入口弁101の開閉操作を行う場合には、ソレノイド405i、およびソレノイド405iを介して可逆ピストンポンプ403と油圧サーボモータ105の閉側とを接続する油圧回路があれば良い。また、運転中に入口弁101を全開状態で維持する場合には、ソレノイド405eを介して、アキュムレータ407bと油圧サーボモータ105の開側とを接続すれば良い。
本発明は、発電所を構成する補機の一部が省略でき、よりシンプルな装置にてハイブリッドサーボシステムおよび水車操作機構を構成できるため、発電所の設備信頼度が向上するとともに、補機点数が減ることで保守コストを低減できる。
一般的に水力発電所の入口弁は、発電所の最下層部に位置しており、ここに専用の油圧装置を設けることは、漏油リスクを拡大することに繋がっていたが、これを省略できることから、本発明によって発電所全体として環境に悪影響を与える要因の1つを完全に取り除くことができる。
本発明のハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構は、メンテナンスフリーで物理的に故障が発生しにくいアキュムレータと、広く市場に普及している汎用品であって安価に短納期で入手可能なソレノイドと逆止弁のみで構成することができ、複雑な制御回路や操作盤等を必要としないことから、故障発生時の復旧時間を非常に短くできる。
また、一般的に水力発電所の所内は狭く、機器配置に苦慮している場所も多く存在するが、本発明のハイブリッドサーボシステムおよびそれを備えた水車操作機構を採用することで、所内のメンテナンススペースまたは機器据付スペースを確保できることも大きなメリットである。
101、201 入口弁
102 ケーシング
103 水車ランナ
104 ガイドベーン
105、106、205 油圧サーボモータ
107 ガイドリング
110 圧油装置
111、211、221 集油槽
112、213 油圧ポンプ
113、212、224 電動機
114 圧油タンク
115、214、225 ソレノイド
120 調速機
121 配圧弁
130 空気圧縮装置
131 空気タンク
132 空気圧縮機
133 ソレノイド
210 入口弁操作機構
215 仕切弁
216 逆止弁
220 ガイドベーン用ハイブリッドサーボシステム
223 可逆ピストンポンプ
300、400 ハイブリッドサーボシステム
301、401 集油槽
302、402 シャトル弁
303、403 可逆ピストンポンプ
304、404 電動機
305、405 ソレノイド
306、406 逆止弁
307、407 アキュムレータ

Claims (6)

  1. 水力発電機の入口弁およびガイドベーンの開閉を行う油圧サーボモータを、可逆ピストンポンプで駆動するハイブリッドサーボシステムであって、
    前記入口弁の開閉を行う第1の油圧サーボモータと、
    前記ガイドベーンの開閉を行う第2の油圧サーボモータと、
    一定の油圧が蓄圧された第1のアキュムレータと、
    前記第1の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を開けるときは、前記第2の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を閉じ、前記第2の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を開けるときは、前記第1の油圧サーボモータと前記可逆ピストンポンプとを接続する油圧回路を閉じ、かつ前記第1の油圧サーボモータの開側と前記第1のアキュムレータとを接続する油圧回路を開けるソレノイドを含む油圧回路と、
    を備え、前記油圧回路の全ての前記ソレノイドが解磁されたとき、前記第1のアキュムレータと前記第2の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路が開くことを特徴とするハイブリッドサーボシステム。
  2. 前記第1の油圧サーボモータは、開側のみが前記可逆ピストンポンプに接続された単動型シリンダを備え、
    前記入口弁は、閉鎖機構を有し、前記第1の油圧サーボモータの開側の圧油を抜く油圧回路が開けられることにより、前記閉鎖機構によって閉じられることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドサーボシステム。
  3. 前記第1の油圧サーボモータは、開側と閉側とが前記可逆ピストンポンプを介して接続された複動型シリンダを備えたことを特徴とする請求項1に記載のハイブリッドサーボシステム。
  4. 前記油圧回路の全ての前記ソレノイドが解磁されたとき、前記第1のアキュムレータと前記第1の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路が開くことを特徴とする請求項3に記載のハイブリッドサーボシステム。
  5. 一定の油圧が蓄圧された第2のアキュムレータをさらに備え、
    前記油圧回路の全ての前記ソレノイドが解磁されたとき、前記第1のアキュムレータと前記第2の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路とは切り離された、前記第2のアキュムレータと前記第1の油圧サーボモータの閉側とを接続する油圧回路が開くことを特徴とする請求項3に記載のハイブリッドサーボシステム。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載のハイブリッドサーボシステムを備えたことを特徴とする水車操作機構。
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