JPH02136571A - 水力機械の経済運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複数台の水力機械より構成される系の経済的な
運転方法に係り、特にエネルギ媒体である水の系全体と
しての使用総量を最小にする各水力機械の出力を算出し
、その出力にて運転する方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、複数台の水力機械を有する系を経済運転するさい
、系に要求される総出力に見合う各水力機械の出力、あ
るいは運転する水力機械、あるいはその台数については
、それを計算によって正確に求めることはしていなかっ
た。それは、水力機械の効率特性が数多くの要因によっ
て変化するため、複数台の効率特性を全て考慮し、最も
経済的な運転出力や運転すべき水力機械を選定すること
が極めて難しいこととされてきたことによる。ちなみに
、水力機械の効率特性を変化させる要因としては、静落
差、有効落差、水車出力、使用流量、運転台数２発電機
効率、水路の損失、等がある。

そして、これらの要因は互いに独立ではなく、ある関連
を持っているため、水力機械の効率特性の動きは、交錯
する各要因の影響の結果として生じる複雑なものである
と言える。

また、火力発電所の経済運転などには、「電力系統の運
営」山崎久−著、オーム社、第１８６頁（６，２項電力
系統の経済運用（１）火力発電所の負荷配分）に示され
ているように、増分負荷法が適用されている。しかしな
がら、水力機械の効率特性はこの増分負荷法の原理が適
用出来ないものとなっているため、容易に経済運転出力
を求め得ない現状にある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明にかかわるところの水力機械より構成される系の
一例として、水力発電所をあげ、その詳細を下記する。

水力発電所を構成する主な要素としては、−り池。

水路、複数台の水車、およびそれらに直結される複数台
の水車発電機、放水路、そして下池がある。

上池の水位は、発電所ならびに下池の標高よりも高いと
ころに有り、位置エネルギの形でエネルギ媒体たる水が
蓄えられている。上池と水車との間には水を導く水路が
敷設されており１発電が必要なときには水車のガイドベ
ーンを開口し、水の持つエネルギを動力に変換し水車発
電機にて電力に変換する。水路は、複数台の水車によっ
て発電所が構成される場合には、上池に近い部分では各
水車に共通な比較的太い導水路を用い、水車に向かう途
中に設けた複数の分岐管にて各水車に分配され、さらに
水圧鉄管を経て水車に導かれるように構成されることが
多い。発電所の建設される地点の地形や土木計画との都
合から、この水路の分岐のしかたはさまざまなものがあ
る。例えば、−合口の水車への分岐を水路の上流部分に
て行った後、かなりの長さを残りの水車の共通管路とし
たのち。

２台目の水車への分岐を設けることもある。また。

全台数用に１ケ所にて分岐する構成をとることもある。

ここで、水車の有効落差を考えてみる。共通管路の水路
損失はそこをながれる総水量によって異なる。また１分
岐後の水路損失もそこを流れる水量によって異なる。各
水車の有効落差は、上池と下池の水位差であるところの
静落差から、これらの水路損失の合計を差し引いたもの
であるから、どの水車をどれだけの流量を使って発電す
るかによって、水路損失が異なってくることになる。

水路が複雑であれば、その計算は非常に類推であす、静
落差と各号機の使用水量から各号機の有効落差を簡単に
は計算することが出来ない。また、水車の使用水量それ
自体も、その水車の特性が有効落差をパラメータとして
整理しであるので、度求めた各号機の水量をもとに水路
損失を計算し。

それを１９落差から差し引いて有効落差を計算した後、
再度水車特性を参照して使用水量の正確な値を読みなお
す必要がある。また、場合によっては放水路側の水路も
複雑に分岐して下池に接続されることもあるので、なお
さら有効落差を求めろ−［続きは複雑を極める。水車の
効率特性や、流量特性は水車の出力と有効落差によって
変化するので、有効落差をパラメータとして水車出力を
基準に整理されるのが通常である。特に、本特許に関係
のあるところの水車効率特性は、有効落差を一定どして
みた場合、ある水車出力点において最高助字を示し、そ
れより大きな出力及び、小さな出力において効率はそれ
よりも下がる傾向を持つ。即ち、同じ効率値を二つの出
力点でもつような特性となっている。このような水車効
率特性が、最も経済的な各水車の出力を一義的に算出す
るのを難しくしている一つの原因である。水車には主軸
を介して水車発電機が直接されており、水車の動力を発
電機に伝達している。発電機の効率は、発電機出力と水
車出力の比であり発電機の出力を基準に表現される。し
たがって、水車と発電機を一つの系と見たときの総合効
率は、水車効率と発電機効率の積で表すことができる。

即ち、発電所を構成する水車及び水車発電機からなる各
々の号機毎に、有効落差をパラメータとし、発電機出力
を基準に表現した各号機ごとの互いに異なる効率特性が
付！メされていると考えることが出来る。

発電所には中央電力供給指令所から、その時々に必要な
発電出力を要求されるので、発電所ひいては電力会社と
しては、なるべく経済的となるように各号機の出力配分
を決めて、それによって運転を行いたいという要求が強
まってきている。発電所に要求された総発電出力に必要
な、発電所としての総使用水量は、各号機の総合効率と
、有効落差と、発電機出力とから求められるところの、
各号機の使用水量の総和である。各号機の効率特性は、
建設時期による性能経年劣化の相違、あるいは各号機の
基本仕様の相違、等が原因となって、ある有効落差で見
た効率がまったく同じという場合はまれであり、さらに
水路の構成、あるいは。

各号機の使用水量に依って前述の如く有効落差も各号機
で異なることになる。発電所は、各号機まちまちな効率
特性を持ち、それらが、各号機の運転出力と、その時の
上池、下池の水位差から決まる静落差によって変化する
という条件のもとに置かれていると理解できる。ここで
言う経済的な運転とは、ある要求総発電量力に対して必
要となる総使用水量を、最小にするような各号機の出力
にて運転することをいう。この運転によって、上池に位
置エネルギの形で蓄えられた水の使用Ｊｌ最小に押さえ
ることが出来る。

以上述べてきたような発電所において、実際に経済運転
を実施しようとすると、下記のような問題がある。

たとえば、発電所あるいは複数の水力機械からなる系に
たいする総要求出力にたいして、どの水力機械を運転す
るか、また、いかなる出力で運転すれば最も経済的にな
るかを予め決めておき、それを示す図表に従って運転す
ることを考えてみる。

このようにすれば、発電所に出力指令がきたときに、経
済運転となる各水力機械の運転点を即座に経済運転とな
る各水力機械の出力に移すことが出来ると考えられる。

しかしながら、この方法は下記に示すごとく実用的では
ない。

まず、簡単の為に、有効落差について整理した各号機の
総合効率（水車効率と水車発電機の積）をもとに１発電
所の総要求出力にたいする最も経済的な運転出力を示す
図表を作成する手順を考えてみる。まず、総要求出力が
一台の出力容量よりも小さかった場合である。このばあ
い、最も部分負荷における効率の良い号機（１号機と称
する）を運転すればよいことになる。さらに要求出力が
増えて、１号機よりも効率の良い号機（２号機と称する
）があれば、１号機を停止して２号機を運転する。さら
に、要求出力が大きくなれば水車の効率特性は最大負荷
側にて低下してくるので、別の号機（例えば１号機であ
るとする）を起動し負荷を分担するようにした方が経済
的である。しかし、部分負荷の効率は大きな出力の効率
に比べて良くないので、２号機の負荷を少し下げて、１
号機の比較的効率の高い負荷のところで運転するように
する必要がある。さらに、要求出力が大きくなれば、１
号機と２号機の効率を比較しながら、最も使用総水量の
小さくなる各々の負荷を求める必・要がある。さらに、
要求出力が増えると３台［１を起動する必要がある。

しかしながら、３台以上の水車の効率特性を比較検討し
ながら最も使用総水量の少なくなる運転負荷を決定する
のは極めて難しい作業となる。しかも１以上の説明は各
号機の有効落差がみな等しいとして進めてきた手順であ
り、実際には、各号機の有効落差は各号機の使用水量に
よって全て異なっていることに留意する必要がある。複
雑な水路の損失を考慮に入れて、上記のような手順で各
号機の経済運転出力を求めるには、膨大な時間と手間を
要する。さらに、たとえこれが求められたとしても、以
上に述べた手順はある一つの水位差（静落差）について
のみの結果であり、実際の運転には運転する水位変化範
囲全てに付いて各号機の経済運転出力を決定しておかね
ばならない。

もう一つの経済運転を行う方法として、「火力発電所の
負荷配分Ｊ　（電力系統の運営、山崎久−著、オーム社
、第１８６頁）に記載ある増分負荷法を水力機械に適用
することを考えてみる。この方法は、並列運転されてい
る各機器の増分率が等しい場合に、その入力が最も少な
いと言う原理を用いたものである。増分率というのは、
出力をわずか変化させるときに、入力（水力機械では流
量に相当する）が変化する割合である。この原理を用い
れば、比較的容易に経済運転を算出することが出来、実
用的である。

しかし、この原理は、次の条件が満たされたときに成り
立つものである。（１）全ての機が並列運転されている
こと。（２）入力−出力曲線が連続的に増加しているこ
と。（３）入力−出力曲線より算出された増分曲線は、
出力増大に伴って減少してはならない。ところが、水力
機械の増分率は、出力増大に伴って、出力の大きなとこ
ろで減少し、条件（３）を満たさない。よって、ここに
示した増分負荷法は水力機械には適用出来ないことにな
る。

本発明の目的は、複数の水力機械を効率的に運転できる
水力機械の経済運転方法。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の水力機械の経済運転方法は、上池と下池との間
に複数の水路を連通し、上記複数の水路に水車発電機を
設置した発電所において、各水力機械の効率特性を複数
に離散化した離散点のみを組合せて流量を求め、各水力
機械の流量の総和が最小となる各水力機械の出力で運転
することにある。

〔作用〕

この結果、各効率特性の離散化した離散点のみを組合せ
て計算するようにして、組合数を少なくして、演算回数
を減少し、時々刻々変化する使用要求総出力に対応した
演算が早く出来るので、すぐに使用総水量の少ない各水
力機械の出力にて経済的に運転することができるように
なった。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図ないし第３図により説明
する。

配管より成る共通水路１の一端は上池２に、他端は４本
の配管である分岐水路３Ａないし３Ｄに連通している。

各分岐水路３Ａ〜３Ｄは下池４に連通していると共に、
水車発電機５Ａ〜５Ｄを配設している。上池２の水は各
水路を介して下池４に流れる時の流量をＱ１〜Ｑ４とす
る。第１号ないし第４号水車発電機５Ａ〜５Ｄは水車６
と発電機７とから構成されている。水車効率特性と発電
機効率特性とを掛は合せた各号機の総合効率特性は、第
２図に示されている。

第２図は縦軸に効率η（％）を、横軸に出力Ｐ（ＭＷ）
を表わしている。第２図の上部から下部に行くに従い順
次示された第１号機５Ａから第４号機５Ｄの水車発電機
の効率特性図は、互いに異なっている。各効率特性図は
模型水力機械の実験結果を実物に換算した値を使用した
ものであるが。

実機で求めた効率特性図を使用してもよいことは勿論で
ある。この効率特性図は７個に分割して所謂離散化した
状態を示し、離散点１，２・・・・・７の個所のみしか
後述する計算に使用しない。尚、Ｌは離散化間隔帳であ
る。離散点０は水車発電機５が運転しない場合も考慮し
て設定したものである。

これらの効率特性図は第１図の演算部８の図示していな
い記憶部に格納されている。演算部８の出力は制御、１
９を介して各水車発電機５Ａ〜５Ｄに入力されている。

厳密に云えば上述の出力は水車のガイド−ベーン（図示
せず）に入力されて、ガイドベーンを開閉して、流量Ｑ
１〜Ｑ４を制御して、少ない流量で運転する所謂経済運
転を行うことになる。

次に、水車発電機５Ａ〜５Ｄの経済運転方法を第１図な
いし第３図により説明する。

今、中央指令室より使用要求総出力Ｐ（以後単に出力Ｐ
と記載する）が演算部８に入力される。

仮に出力Ｐを２０　（ＭＷ）と仮定すると、演算部８で
は組合計算部１１に示す如く、第２図の離散点０，１．
２・・・・・・を使用して、Ｐ＝２０　（ＭＷ）になる
組合せを計算する。たとえば、 Ｅ＝：Ｅｔ＋Ｅｚ＋Ｅ３＋Ｅａ ＝６＋４＋６＋４＝２０　（ＭＷ） Ｆ＝Ｆｔ＋ＦＺ＋Ｆ３＋Ｆａ ＝５＋５＋５＋５＝２０　（ＭＷ） Ｇ：Ｇ１＋０２＋０３＋０４ ＝　Ｏ＋　７　＋　６　＋　７　＝　２０　（ＭＷ）上
述の如く各効率特性曲線の離散点を組合せた組合計算が
終了すると、各流量計算部１２で各論′＃、Ｑ　ｔ　”
　Ｑ　ａの値を求める。たとえばＱ工＝　ｆ　ｔ（Ｈｔ
ｙ　ＰＥＩ） ここで、ｆｌは効率特性、Ｈｌは有効落差、Ｐ　ＩＥＩ
−Ｅ４は上述のＥの離散点における出力値（６゜４．６
．４）である。上述のＱｌの関数は、次の式で表すこと
ができる。

Ｑ１＝ＰＨ１／９．８Ｈｚη　　　　　　　　・・・（
１）ここで、ηは各離散点Ｅ　１−　Ｅ　ａに於ける効
率である。

（１）式に上述の各値を代入することになるが、有効落
差Ｈ１は不明なので、上池２と下池３とに設けた水位計
によりΔ１！Ｉ定した静落１．Ｈｓの値を演算部８に入
力し、この静落差Ｈｓを有効落差Ｈ１に代入し、流量Ｑ
１の値を計算して有効落差Ｈｚを求める。有効落差Ｈ１
は、次の式で求めることができる。

Ｈ１：　Ｈｓ　　’ｆ　ｏ　（Ｑ　ｔ　＋　Ｑ　２　＋
　Ｑ　３＋　Ｑ　４　）　２−γＩＱＩｚ　　　　　　
　　　　　　・・・（２）ここで、γ０およびγ１は共
通水路１および分岐水路３Ａの損失関数、Ｑ１＋・・・
・・・＋Ｑ４およびＱｌは共通水路１および分岐水路３
Ａの落差損失である。

そして、上述で求めた有効落差Ｈ１は、再び上記（１）
に代入して、流量Ｑ１を求めた後、このＱｌを再び上述
（２）に代入後、有効落差ｔＩ　１を求め、有効落差Ｈ
１を上記（１）に代入後、流、ＦｋｔＱ　１を求める。

Ｑｌについては、上述の演算を数回繰す返し行なって同
じ値が出て来れば、収束判定で収束されたものとして、
総使用流量ＱＥに入力して、分岐管配３Ａの流量Ｑｌを
計算するが、不一致の時には更に上述の演算を再び行う
。その後、Ｌ述のフローチャートに従って、分岐水路３
Ｂ〜３Ｄの流量Ｑ２〜Ｑ３を演算部８で計算し、総使用
流量Ｑ　Ｅ　＝　Ｑ　ｔ　＋　Ｑ　２　＋　Ｑ　ａ　＋
　Ｑ　４の和を求める。更に、他の組合の総使用流量Ｑ
Ｆ、Ｑａ・・・・・・を上述と同様な方法で求めること
により、各号機の総使用流量を比較して、最も少ない流
量たとえばＱＦとなる組合せを選択すれば、それが最も
流量の少ない経済的な出力分担で運転する。

このように、本発明の経済運転方法によれば、各効率特
性図をある間隔幅りをもって離散化した離散点のみを組
合せて計算するようにして、組合数を少なくして、演算
部８での計算回数を減らし。

時々刻々変わる使用要求総出力Ｐに対応した使用流量の
少ない各水車発電機５Ａ〜５Ｄの出力分担で経済的に運
転できるようになった。

一方、水力機械は、水力的な原因で発生する機械的な振
動やキャビテーション等によって運転出力範囲を制限す
ることがある。また、その制限を落差毎に変えることも
ある。こうした場合には、離散化する出力点を選ぶ際、
上記運転制限外の出力点を離散点とすれば良い。これら
運転制限のある出力は経済運転の候補から除外されるこ
とになる。離散化を過度に細かくすると、必要な組合せ
の数が増え、計算時間が長くなる。反対に、離散化が粗
すぎると計算時間は短くなるものの、要求総出力と経済
運転出力の総和との間に大きなずれを生ずる。そこで、
ある程度粗い離散化間隔幅りによって各水力機械の経済
運転出力を求め、その後第４図に示すように、離散化間
隔幅内乙に複数のしより格段に細かい離散化間隔幅Ｑ１
を選べば、精度の良い経済運転出力値を求めることがで
きる。

更に、水力機械の効率特性は、経年変化によって劣化し
てくる。この場合、指標流量計を用いて効率の変化をモ
ニタし、その効率特性を用いて一ヒ記経済運転をするこ
ともできる。すなわち、指標流量計にて測定した流量と
水車発電機の出力からの運転中の効率とがわかる。

これが、経年変化などにより第４図のＯ印で示す効率特
性曲線からＸ印のものに変化する。この時はＸ印の効率
特性曲線を用い上述のフローチャート図に従って計算を
実行すれば、現在における真の経済運転が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数の水力機械から構成される発電所
あるいは、ひとまとまりとして運用される系に要求され
た総出力に見合う出力を、最も経済的に得るための各水
力機械の出力を容易に算出することが出来る。水路構成
が複雑であっても。

各水力機械の流量からその水路損失を正しく考慮に入れ
て、最も経済的な出力を算出することが可能である。

また、運転出力に制限などが有るときにも、これを考慮
に入れて経済的な運転出力を算出することが出来る。さ
らに、指標流量計にて効率特性の経年変化を監視し、そ
れをもとに本発明になる経済運転出力を見出しその出力
にて運転すれば、常に最新の特性による精度の高い経済
運転が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である水力発電所の概略構成図
、第２図は水車効率特性、と水車発電機の効率特性を考
慮した水力機械の総合効率特性図、第３図は第１図に使
用した演算部のフローチャート図、第４図は本発明の他
の実施例として示した効率特性図である。 １・・・共通水路、２・・・上池、３Ａ〜３Ｄ・・・分
岐水路、４・・・下池、５Ａ〜５Ｄ・・・水車発電機、
９・・・演算部、Ｑｚ〜Ｑ４・・・流量、Ｈ１〜Ｈ４・
・・有効落差、Ｈｓ・・・静第１図 第２図 １−・・共通水路 ２・−上池 ３Ａ〜３Ｄ−・−分岐水路 ４・・下池 ５八〜５Ｉ）−水車発電機 ８　演算部 Ｑ１〜Ｑ４　流量 Ｈ１〜Ｈ４・・・荷動落差 Ｈｓ・静落差

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、上池と下池との間に複数の水路を連通し、上記複数
   の水路に水力機械を設置した発電所において、各水力機
   械の効率特性を複数に離散化した離散点のみを組合せて
   流量を求め、各水力機械の流量の総和が最小となる各水
   力機械の出力で運転することを特徴とする水力機械の経
   済運転方法。 ２、各水力機械の出力の総和が全台数に要求される総使
   用出力を満足し、かつ各水力機械の使用総流量が最小と
   なるような各水力機械の出力にて運転することを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の水力機械の経済運転方
   法。 ３、一端を上池に連通した水路の他端に複数の分岐水路
   を接続し、各分岐管路を下池に連通し、各分岐水路に水
   力機械を設置することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第２項記載の水力機械の経済運転方法。 ４、各水力機械の効率特性を複数に離散化した第１離散
   化間隔と、第１離散化間隔の一部内に複数の第２離散化
   間隔を設定して流量を求めることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第３項記載の水力機械の経済運転方
   法。 ５、各水力機械の効率特性として水車またはポンプ水車
   の模型水力試験結果の実物換算特性を使用することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項記載の水力
   機械の経済運転方法。 ６、各水力機械の効率特性として水力機械に取付けた指
   標流量計から算出された効率特性を用いることを特徴と
   した特許請求の範囲第１項ないし第３項記載の水力機械
   の経済運転方法。