JPH0336153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は多段水力機械の運転方法に係り、特に
最高圧段部と最低圧段部に可動ガイドベーンを備
えた多段ポンプ水車の水車運転時における運転方
法に関する。

〔発明の技術的背景と問題点〕

一般に各段部を返り通路によつて直列に連絡し
た多段ポンプ水車においては、可動ガイドベーン
とその操作機構を設けることが構造上困難である
ところから、従来の多段ポンプ水車においては入
口弁によつて流量調整を行なつているのが実情で
ある。

しかして、近時においては高落差地点に揚水発
電所を建設する傾向があり、多段ポンプ水車に対
する需要度が高まつており、それに伴つて各段に
可動ガイドベーンを取付けた場合の水車発電方向
定常運転時における運転方法の確立が要望されて
いる。

定常運転に対し最も容易に想定される制御方法
は各段のガイドベーンの開度を全負荷に対し斉一
に制御する方法であるが、この方法を落差変動が
大きい揚水発電所に適用した場合次のような問題
を生ずる。すなわち、低落差時に軽負荷にて多段
ポンプ水車を運転した場合、各段のガイドベーン
の開度が等しいため、各段の落差分担率が等しく
なり、全段ランナとも最高効率点からはかなり離
れた同じ効率点で運転されることになる。

ところが、最低圧段は他の段に比べて非常に小
さな単段機なみの押込み水頭しか持たないため、
低落差軽負荷の悪条件下ではセンターホワール、
キヤビテーシヨンや吸出し管内の２次流れ等が発
生し、時には非常に大きな振動騒音を生じ運転の
継続が不可能となることが考えられる。この問題
は発電所の位置を下池より十分に深い場所に設置
し押込み水頭を増加させれば問題は解決するが土
木掘削費が膨大なものになるという欠点がある。

また、全負荷領域に対し、最低圧段部の落差分
担率を高め、最低圧段部を高落差側の高効率領域
で運転し、上記問題を解決する方法も考えられる
が、この方法には、最低圧段の振動、騒音があま
り問題とならない約60〜100％の高負荷領域に対
しては最低圧段部の効率上昇分以上に他段での効
率が犠性となつて総合効率の点からは不利になる
欠点がある。

〔発明の目的〕

そこで、本発明の目的は、低落差軽負荷運転下
で振動や騒音を生ずることなく所定の押込み水頭
条件下で高い総合効率を維持しつつ安定した運転
を行なうことができる多段水力機械の運転方法を
提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は、単一主軸
上に複数のランナを備え、最高圧段から最低圧段
に至る各段が一連の返り流路で連結され、少なく
とも最高圧段と最低圧段のランナの入口側には水
口開度を調整可能な可動ガイドベーンを備えた可
逆式多段水力機械において、定常時の水車運転の
際、系統への並列から全負荷の50〜70％の範囲内
に設定された制御切換点までの軽負荷領域は常に
最低圧段可動ガイドベーンの水口開度が他の段の
可動ガイドベーンの水口開度よりも小さくなるよ
うに制御するとともに、前記制御切換点以上の高
負荷領域においては全段の可動ガイドベーンを斉
一に制御するようにしたことを特徴とするもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下本発明による多段水力機械の運転方法の一
実施例を２段ポンプ水車について説明する。

本発明による運転方法を説明するに先だつて先
ず２段ポンプ水車の構造を説明しておく。

第１図は単速度可逆式２段ポンプ水車の構造を
示し、水車主軸１の軸上には高圧段ランナ２と低
圧段ランナ３とが軸方向の距離をおいて固着され
ている。上記高圧段ランナ２は上カバー４および
下カバー５で包囲される一方、低圧段ランナ３は
上カバー６および下カバー７で包囲され高圧段ラ
ンナ室８および低圧段ランナ室９を構成してい
る。また、上記高圧段ランナ室８と低圧段ランナ
室９とは返り流路１０で連絡されている。また、
高圧段ランナ室８の外側には、うず巻ケーシング
１１が配置され、そのうず室１２と上記高圧段ラ
ンナ室８とは連通しており、うず室１２の入口
は、入口弁１３を介して水圧鉄管１４に接続され
ている。

さらにまた、高圧段ランナ２の外周には水口開
度を変えられる可動ガイドベーン１５が設けられ
る一方、低圧段ランナ３の外周にも水口開度が変
えられる可動ガイドベーン１６がそれぞれ円形翼
列状に配置されている。これらの可動ガイドベー
ン１５および１６は図示を省略した操作機構に連
結されており、制御装置を介して後述するように
定常運転される。

上記のように構成された単速度可逆式２段ポン
プ水車を水車運転させる場合、入口弁１３を開口
した状態で水圧鉄管１４からこれに接続されたう
ず巻ケーシング１１に水が流入し、この水流は高
圧段部の可動ガイドベーン１５、高圧段ランナ２
を通過し、返り流路１０を経てさらに低圧段部の
可動ガイドベーン１６、低圧段ランナ３を流通
し、図示しない放水路に接続された吸出し管１７
に流通する。一方、水車と同じ回転速度で反対の
方向にランナを回転するポンプ運転時の場合に
は、低圧段ランナ３によつて揚水された水流は前
記した水車運転時の場合と逆の流路を経て吸出し
管１７から水圧鉄管１４へ流通していく。

このように各段部を返り流路によつて直列に連
絡した単速度可逆式多段ポンプ水車の総合水力特
性は各段部における単速度可逆式単段ポンプ水車
としての水力特性を合成することにより与えられ
る。したがつて、単速度可逆式多段ポンプ水車の
水力特性上の問題を検討するにあたつては、先ず
単速度可逆式単段ポンプ水車の水力特性上の問題
を的確に把握しておく必要がある。

一般に、単速度可逆式単段ポンプ水車におい
て、ポンプ水車の回転速度をＮ（rpm）、水車の有
効落差をHt（ｍ）、効率をηt、またポンプの全揚
程をHp（ｍ）、効率をηpとして、単位回転速度
Ｎ／√、Ｎ／√に対する各ガイドベーン開
度の効率曲線の包絡線を水車とポンプの各々につ
いて例示すると第２図のようになる。すなわち、
第２図に示すように、水車とポンプの最高効率点
を与える単位回転速度Ｎ／√とＮ／√は
合致せず必らずＮ／√の方が大きくなり、こ
れは可逆ポンプ水車においては避けることができ
ない水力特性上の問題点の一つである。このた
め、揚水発電所の基準運転水位において、通常行
なわれているようにポンプが最高効率もしくはそ
の近傍で運転を行なえるようにポンプ水車の運転
条件を定めた場合、第２図に示される水力特性関
係の制約を受けて、水車は最高効率より離れた高
単位回転速度状態のもとに換言すれば最高効率状
態相当運転落差Htoより低落差側の水力性能が低
い領域に基準運転状態を選定せざるを得ないこと
になる。

第３図はある運転落差Ｈの状態下における水車
出力Ｐと可動ガイドベーンの開度ａとの関係を示
したもので、このうち開度a₀は各段のガイドベー
ンを斉一に制御する場合の最適開度である。ま
た、開度a₁は最低圧段以外のガイドベーンの開度
を示す一方、a₂は最低圧段の可動ガイドベーン１
６の開度を示している。この図において、出力Ｐ
＝０のときのガイドベーンの開度はそれぞれ無負
荷開度を示している。

しかして、本発明によれば、出力Ｐが50〜70％
の範囲内に制御切換点Ａが設定され、この制御切
換点Ａ以下の場合には、高圧段可動ガイドベーン
１５は出力特性曲線Ｂに沿つて開閉制御され、低
圧段可動ガイドベーン１６は出力特性曲線Ｃに沿
つて開閉制御される。そして、制御切換点Ａ以上
の場合には、全段の可動ガイドベーン１５，１６
は出力特性曲線Ｄに沿つて斉一に制御される。

第４図は運転落差Ｈと無負荷開度a′との関係を
示したもので、運転落差が低いとき程最低圧段ガ
イドベーン１６の無負荷開度a₂′と他の段のガイ
ドベーンの無負荷開度a₁′との開度差△ａが大き
くなるように設定されている。したがつて、落差
に応じて第３図における△ａの値が設定される。

また、第５図は本発明を実施するための制御ブ
ロツク線図を示したものであつて、水位差検出信
号２１を使つてある運転状態下での落差の大きさ
を検出すると共に出力検出装置２２を使つてその
ときの出力値を検出する。両装置２１，２２から
の出力信号は演算装置としての例えばコンピユー
タ２３に入力され、前記第３図に示した出力特性
曲線を満足するガイドベーンの開度ａが演算さ
れ、ガイドベーン制御装置２４を介してそれぞれ
の可動ガイドベーンに対して開度指令信号が与え
られる。

このように本発明の上記実施例によれば、各段
部のランナ羽根の外径が同一で水力的に相似に構
成された可逆式多段ポンプ水車の軽負荷領域にお
いて、最低圧段の可動ガイドベーンの開度が常に
他の段の可動ガイドベーンの開度よりも小さく制
御されるから、最低圧段の落差分担率が増加し、
単位回転数が小さく最高効率に近い安定領域で運
転される。一方、他の段部は逆に単位回転数が大
きく効率の低い低落差側の運転となるが最低圧段
に比べて非常に大きい押込み水頭下の好条件で運
転されるので最低圧段に生じるような問題は発生
しない。

本発明においては、低落差低出力になるほど開
度差を大きくとつて最低圧段のランナを高効率運
転して振動騒音を防止すると共に、高落差高出力
側では総合効率の一番高い斉一制御に近づけさら
に最低圧段の振動騒音が運転に支障なくなる60〜
100％では完全な斉一開度制御を行なうことが可
能となる。

なお、第６図は本発明の他の実施例を示したも
のであつて、制御切換点Ａ以下の出力領域におい
ては最低圧段可動ガイドベーン開度と他の段の可
動ガイドベーンとの開度の差△ａが一定となるよ
うに制御したものである。この際の開度差△ａお
よび偏差は第４図に示したように運転落差Ｈに基
いて設定される。この例によれば、出力増加に伴
い運転条件が改善されて行くにも係らず制御切換
点Ａまでは斉一制御開度線に近づかないため、総
合効率の点では前記実施例よりも劣るが、実際の
制御ソフトを組む際は制御が簡単になる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば可逆式多段ポンプ水車の軽負荷領域において、
最低圧段の可動ガイドベーンの開度が常に他の段
の可動ガイドベーンの開度よりも小さく制御した
から、高い総合効率を維持しつつ全運転領域にお
いて振動騒音を伴わない安定した運転を行うこと
ができ、その結果、安定した運転が可能な領域を
大幅に拡大することができる。

なお、上記実施例は本発明を２段ポンプ水車に
対して適用した例を示したが、これに限らず多段
ポンプ水車に適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による運転方法を適用する２段
ポンプ水車の構造を示した略示断面図、第２図は
ポンプ水車におけるポンプと水車の水力特性を示
した説明図、第３図は本発明による運転方法の基
礎となる水車出力とガイドベーン開度との関係を
示した線図、第４図は落差と無負荷開度との関係
を示した説明図、第５図は本発明による制御方法
を示したブロツク線図、第６図は本発明の他の実
施例による水車出力とガイドベーン開度との関係
を示した線図である。 ２……高圧段ランナ、３……低圧段ランナ、８
……高圧段ランナ室、９……低圧段ランナ室、１
０……返り流路、１５……高圧段可動ガイドベー
ン、１６……低圧段可動ガイドベーン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 単一主軸上に複数のランナを備え、最高圧段
   から最低圧段に至る各段が一連の反り流路で連結
   され、少なくとも最高圧段と最低圧段のランナの
   入口側には水口開度を調整可能な可動ガイドベー
   ンを備えた可逆式多段水力機械において、定常時
   の水車運転の際、系統への並列から全負荷の50〜
   70％の範囲内に設定された制御切換点までの軽負
   荷領域は常に最低圧段可動ガイドベーンの水口開
   度が他の段の可動ガイドベーンの水口開度よりも
   小さくなるように制御するとともに、前記制御切
   換点以上の高負荷領域においては全段の可動ガイ
   ドベーンを斉一に制御するようにしたことを特徴
   とする多段水力機械の運転方法。