JPH07224751A

JPH07224751A - 揚水発電装置の調相運転方法及びその調相運転制御装置

Info

Publication number: JPH07224751A
Application number: JP6016079A
Authority: JP
Inventors: 正博 ▲吉▼田; Masahiro Yoshida; Masami Harano; 正実原野
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-02-10
Filing date: 1994-02-10
Publication date: 1995-08-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は揚水運転又は発電運転からラン
ナを空中回転運転させる調相運転への切替時間を早くし
た揚水発電装置の調相運転方法及びその調相運転制御装
置を提供することにある。【構成】本発明の揚水発電装置の調相運転方法は、ラン
ナを有するランナ室上流側にガイドベーン及び入口弁を
有し、ランナがランナ室内で水中回転している状態で、
ガイドベーン及び入口弁を閉じた後、ランナ室に設けた
給気路より空気をランナ室に送入し、水位を押し下げて
空転運転をすることにある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に、フランシス型ポ
ンプ水車を停止することなく揚水運転状態または発電運
転状態からランナを空転運転させる待機運転または調相
運転への運転切替えを行う揚水発電装置の調相運転方法
及びその調相運転制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特公昭60−42357 号公報の明細書第３頁
コラム５の第２９行目から同コラム６の第１２行目に記
載された水車又はポンプ水車の運転方法によれば、水車
もしくはポンプ水車のように同期発電機に直結される水
力機械においては、電力系統の力率が低下した場合、こ
れを改善するために調相運転が行われる。

【０００３】調相運転指令と共に、入口弁が開放され、
ケーシング内の圧力を高め、続いてガイドベーンを開放
し、ケーシング内の高圧水がランナを回転させる。ラン
ナ及びランナに直結されている回転電機例えば発電機が
定格電力に達すると、電力系統に並入される。

【０００４】並入されると、ガイドベーンの開度を全閉
し給気弁を開放してランナ室内に圧縮空気を送り込ん
で、ランナ室の水面を押し下げると共に、入口弁を閉じ
始め、ランナを空中回転させる所謂調相運転が行われ
る。

【０００５】調相運転において、ランナ外周部のプライ
ミング圧力が入口弁を全閉するまで十分に低下しない現
象があり、この現象はランナの回転による遠心力でのラ
ンナ外周部の圧力がケーシング内の静水圧よりも高いこ
とにより、ランナ外周部のガイドベーン内側に滞留して
いる水に混入している気泡が、ガイドベーン全閉時のガ
イドベーン相互の間隙を通りケーシング側へ漏れること
が原因で、ランナ内の水の空気への置換が遅れるためで
ある。

【０００６】一方、入口弁が全閉すると、ガイドベーン
の外周側から入口弁間の空間が一個の閉鎖容器となり、
ケーシング内の圧力とランナ外周部のプライミング圧力
と同一圧力まで昇圧されるので、空気がガイドベーン相
互の間隙を通りケーシング側へ漏れるのが減少して、ラ
ンナ内の水の空気への置換が促進され、ランナ外周部の
プライミング圧力低下が急速に進行する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】他方、ポンプ水車の高
落差及び大容量化に伴い、ランナ外周部の圧力とケーシ
ング内の静水圧との差が増大し、かつランナの呑み口幅
の寸法が増大することより、ガイドベーン相互の間隙の
総面積が増大し、揚水運転または発電運転状態から調相
運転への切替え時、ランナ室内の水面押し下げ時のガイ
ドベーン相互の間隙を通り、ケーシング側への漏れ空気
量が増大して、一緒に水面押し下げ中の水を吸い上げ
て、ランナを空気中で運転させる調相運転への切替時間
に多大な時間を必要とする。

【０００８】従って、本発明の目的は、揚水運転又は発
電運転からランナを空中回転運転させる調相運転への切
替時間を早くした揚水発電装置の調相運転方法及びその
調相運転制御装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の揚水発電装置の
調相運転方法は、ランナを有するランナ室上流側にガイ
ドベーン及び入口弁を有し、ランナがランナ室内で水中
回転している状態で、ガイドベーン及び入口弁を閉じた
後、ランナ室に設けた給気路より空気をランナ室に送入
し、水位を押し下げて空転運転をすることにある。

【００１０】更に、本発明の調相運転方法を適用するに
は、ポンプ水車の諸元は、ランナの呑み口幅寸法をＢ
(ｍ)，ランナ外周直径をＤ(ｍ)，ランナの回転速度をＮ
(rpm),ガイドベーン枚数をＺ（枚）としたとき、ガイド
ベーン相互の間隙を通りケーシング側への漏れ空気量の
増大が著しくなるＢ×Ｚ×(π×Ｄ×Ｎ／６０)²／(２×
ｇ）の値が７×１０⁴以上の揚水発電装置に適用すれ
ば、更に効果がある。ここに、πは円周率を、ｇは重力
加速度を示す。

【００１１】

【作用】この結果、本発明ではガイドベーン及び入口弁
が共に全閉または全閉近傍にて水面押し下げ用の給気が
開始され、ケーシング内の圧力とランナ外周部のプライ
ミング圧力とが同一圧力となり、空気のガイドベーン相
互の間隙を通りケーシング側への漏れるのが著しく減少
し、ランナ内の水の空気への置換が促進され、ランナ外
周部のプライミング圧力の低下が急速に進行し、水面押
し下げ用の給気開始後短時間で水面押し下げが完了する
ので、ランナを空気中で運転させる調相運転への切替時
間を早く出来るようになった。

【００１２】また、ケーシング側への漏気は、ガイドベ
ーン全閉時のガイドベーン相互の接触面での間隙を通じ
て漏れるものであるので、この間隙の総面積を減少する
ことによっても漏気量を低減することが可能である。間
隙の総面積は、ランナの呑み口幅寸法をＢ(ｍ)及びガイ
ドベーン枚数をＺ(枚)とすると、Ｂ×Ｚで示されること
となる。ガイドベーン全閉時のランナ外周部のプライミ
ング水圧とケーシングの静水圧の差は、近似的にランナ
周速の２剰に比例するとできるので、ランナ外周直径を
Ｄ(ｍ)及びランナの回転速度をＮ(rpm)とすると、(π×
Ｄ×Ｎ／６０)²／(２×ｇ)に比例するものである。従っ
て、この間隙の総面積と差圧の積であるＢ×Ｚ×(π×
Ｄ×Ｎ／６０)²／(２×ｇ)の値が７×１０⁴以上の範囲
で、ガイドベーン全閉時のガイドベーン相互の接触面で
の間隙を通じてケーシング側への漏気が大きくなるの
で、フランシス型ポンプ水車に適用した場合、特に効果
が大きい。

【００１３】

【実施例】以下、図１から図４を参照して本発明の実施
例を説明する。

【００１４】主軸１は上部側に図示していない回転電機
例えば発電機兼電動機である発電電動機を装着し、主軸
の下部フランジに遠心型ランナ２をボルトにて接続し軸
回りに回転する。遠心型ランナ２とランナ２の高圧側に
円形翼列状に配置されスピンドル回りにガイドベーン３
を回動可能に取り付け、ガイドベーン３は上カバー４お
よび下カバー５に回動可能に支持し、上カバー４および
下カバー５は上下で互いに平行に向き合い、ガイドベー
ン３の外周側に円形翼列状に配置されるステーベーン６
とステーベーン６に２枚のフランジからなる上下スピー
ドリング７Ａ，７Ｂを溶接接合している。

【００１５】ケーシング８はステーベーン６の外側には
渦巻状に配置され、上下スピードリング７Ａ，７Ｂに断
面両端が溶接接合されている。ケーシング８の渦巻上流
側に鉄管９を設け、入口弁１０は鉄管９とケーシング８
とを接続する。入り口弁１０が全閉時に鉄管９内圧力と
ケーシング８内圧力を均圧化するために、鉄管９とケー
シング８に配管１１Ａを接続し、側弁１１は配管１１Ａ
に接続されている。

【００１６】上部吸出し管１３はランナ２下側に下向き
に広がる円錐形状であり、水位検出器１２は上部吸出し
管１３に取り付けられ、上部吸出し管１３の下側に接続
された下部吸出し管１４は出口が水平方向に屈曲されて
いる。

【００１７】ガイドベーン３と上カバー４と下カバー５
と上部吸出し管１３とで囲まれるランナ室１５は、上カ
バー４に空気供給配管２０Ａを設けている。空気供給配
管２０Ａは空気を供給してランナ室１５内の水面を水位
検出器１２位置まで押し下げると共に、２０AD２自動弁
１６を設け、空気供給配管２０Ａの空気を制御する。２
０AD１自動弁１７を有する空気供給配管１７Ａは上部吸
出し管１３に接続すると共に、空気供給配管２０Ａと同
様にランナ室１５に空気を供給する働きをする。

【００１８】ランナ２と下カバー５とで囲まれる側圧室
１８と上部吸出し管１３または下部吸出し管１４との間
に設けた排水配管１９Ａは、２０DG１自動弁１９により
側圧室内部の水を吸出し管１３に排出する。またランナ
２外周とガイドベーン３との中間部と上部吸出し管１３
または下部吸出し管１４との間に設けた排水配管20Ａ
は、ランナ２及びガイドベーン３内の水を２０DG２自動
弁２０により吸出し管１３に排出する。

【００１９】揚水運転においては、発電電動機により主
軸１を介してランナ２が運転されている状態にて、入口
弁１０及びガイドベーン３は開かれ、水が下池より下部
吸出し管１４及び上部吸出し管１３を通してランナ２に
流入する。ランナ２に流入した水は、ランナ２の回転に
よる遠心力で昇圧されて、それぞれガイドベーン３及び
ステーベーン６間の流路を通り、ケーシング８へ流入す
る。ケーシング８へ流入した水は、入口弁１０及び鉄管
９を介して、上池に揚水される。また発電運転の場合に
は、上述の流れる方向は逆になり、且つ水の持つ動力が
ランナ２にて回転エネルギに変換されて主軸１を介して
発電電動機に伝達される。

【００２０】他方、同期発電機に直結される水力機械に
おいては、電力系統の力率が低下した場合、これを改善
するためにランナ室１５の水面を押し下げ、ランナ２を
空中空転させる所謂調相運転が行われる。また揚水運転
又は発電運転に即応できるように待機運転が行われる。

【００２１】次に、ポンプ水車を停止することなく揚水
運転又は発電運転から調相運転に切替える場合を図１乃
至図６により説明する。

【００２２】ポンプ水車を運転状態で、ガイドベーン３
が閉鎖を開始すると同時に、遅延タイマＴ１がカウント
を開始する。遅延タイマＴ１はガイドベーン３が閉鎖時
間の中央に回動して来たら、入口弁１０に閉鎖開始指令
を与え、入口弁１０の閉鎖を開始する。そして、ガイド
ベーン３が全閉鎖後、入口弁１０はガイドベーン３より
遅れて全閉鎖後、入口弁１０が閉鎖されて、水位が下が
り、回転中のランナ２が空気中に露呈した位置で、水位
計１２の水位計水位検出器３３D５の水位検出信号とに
より、自動弁１６，１７，１９，２０が開動作をする。
ガイドベーン３を全閉鎖後に入口弁１０を閉鎖すること
により、流水遮断を防止する。

【００２３】自動弁１６，１７により空気供給配管１６
Ａ，１７Ａよりランナ室１５内に圧縮空気を供給して、
水位を水位計水位検出器３３D５の位置に維持した状態
で回転中のランナ２は調相運転に移行する。つまり調相
運転への移行が完了する。他の自動弁１９，２０により
水を上部吸出し管１３または下部吸出し管１４に排出す
る。

【００２４】また側弁１１を閉鎖する場合は、入口弁１
０が全閉鎖前の入口弁小開検出信号２１mb検出後に遅延
タイマＴ２がカウントを開始する。遅延タイマＴ２は入
口弁全閉検出信号２１lbを検出すると、遅延タイマＴ２
は側弁１１の閉鎖を開始し、その後、全閉鎖する。つま
り遅延タイマＴ２は入口弁１０が全閉する前に側弁１１
が閉鎖するのを防止すればよいから、入口弁１０の全閉
と同時に、入口弁１０の閉鎖を開始する。その後は上記
入口弁１０が全閉鎖後と同じ動作をする。また入口弁全
閉検出信号２１lb後に遅延タイマＴ３を開始し側弁１１
を閉鎖してもよい。

【００２５】以後は、ランナ室１５内の空気が、ポンプ
水車の外部へ漏れ出ることによる水位上昇を水位計１２
の水位計水位検出器３３D４の水位検出信号により検出
し、自動弁１６を開して、ランナ室１５内に空気を補給
して、水位を押し下げ、水位計水位検出器３３D５の水
位検出信号により、自動弁１６を再度閉することで、調
相運転状態を安定的に継続する。

【００２６】調相運転から揚水運転又は発電運転に切替
える場合ガイドベーン３及び入口弁１０に制御部から開
放指令が入力されると、ガイドベーン３及び入口弁１０
が開放を開始し、水がランナ室１５内に供給させ始め
て、水位が上昇し水位計水位検出器３３D４に達すと、
この水位検出信号により自動弁１６，１７，１９，２０
を閉方向にして閉じると共に、空気を排気する。調相運
転から揚水運転又は発電運転への移行が完了する。

【００２７】このように、本発明ではガイドベーン３及
び入口弁１０が共に全閉または全閉近傍にて水面押し下
げ用の給気が開始され、ケーシング内の圧力とランナ外
周部のプライミング圧力とが同一圧力となり、空気のガ
イドベーン相互の間隙を通りケーシング側への漏れるの
が著しく減少し、ランナ室１５内の水の空気への置換が
促進され、ランナ外周部のプライミング圧力の低下が急
速に進行し、水面押し下げ用の給気開始後短時間で水面
押し下げが完了するので、ランナ２を空気中で運転させ
る調相運転への切替時間を早く出来るようになった。

【００２８】また遅延タイマＴ１を使用して、ガイドベ
ーン３の閉鎖を入口弁１０の閉鎖を早くしたので、流水
遮断を防止出来るようになった。この点については遅延
タイマＴ２，Ｔ３も同様である。

【００２９】図４及び図６は、本発明の他の実施例に係
わるポンプ水車の揚水または発電運転からの調相運転へ
の切替え方法を示す動作特性図及び切替え制御方法のブ
ロック図を示す。図４及び図６は図１，図２を参照しな
がら説明する。

【００３０】揚水または発電運転からの調相運転への運
転切替え指令を受けた後に、ガイドベーン３を閉鎖し、
ガイドベーン全閉検出信号７４lbの検出信号により入口
弁１０を閉し、入口弁小開検出信号２１mbまたは入口弁
全閉検出信号２１lbの検出後のタイマ設定時間経過後
に、２０AD２自動弁１６と２０AD１自動弁１７と２０DG
２自動弁２０とを全開として、ランナ室１５内の水面を
押し下げし、上部吸出し管１３に設けた水位計１２の水
位計水位検出器３３D５の水位検出信号により、２０AD
１自動弁１７及び２０AD２自動弁１６を閉した後、側圧
室１８内の水を上部吸出し管１３または下部吸出し管１
４に排出するために、下カバー５に設けた２０DG１自動
弁１９を開放することで調相運転への移行が完了する。
尚、側弁１１は、入口弁全閉検出信号２１lbの検出信号
にて閉する。以後は、第一実施例に同じである。

【００３１】更に、他の実施例を説明する。

【００３２】ガイドベーン３及び入口弁１０の開鎖位置
と開放位置に第１スイッチと第２スイッチとを設け、こ
れらのスイッチの開閉信号は図示していない制御部に入
力されて、制御部より各自動弁１７〜１９の開閉を指示
する。また制御部は各スイッチの動作時間に相当する開
閉時間を予めマイクロコンピュータの記憶演算部に入力
し、開閉時間経過後に各自動弁の開閉を制御して、各ス
イッチを省略してもよい。

【００３３】ランナ室１５に設けた空気供給配管２０Ａ
の空気供給及び排気を２０AD２自動弁１６で制御し、ラ
ンナ室１５及びランナ室上流側に設けたガイドベーン３
と入口弁１０が閉鎖時に第１スイッチからの閉鎖信号に
より自動弁１６を開放して空気をランナ室内に供給し、
ランナ室内に供給された空気でランナの水位を押し下げ
たランナ２が空気中の空中位置で露呈する。自動弁１
６，１７を閉じる時には、ガイドベーン３と入口弁１０
が開放を開始すると第２スイッチからの開放信号により
自動弁１６を切替えて空気をランナ室内より外部に排気
する。これらの制御は図示していない制御部で行う。ま
た制御部はランナ２が空気中に露呈した空中位置で水位
計水位検出器３３D５の水位検出信号により自動弁１
６，１７を閉じたり、水位が水位計水位検出器３３D ４
に上昇した時には自動弁１６，１７を開放して、常に水
位を水位計水位検出器３３D４に維持する。

【００３４】更に、本発明の調相運転制御方法は下記の
条件を満足するフランシス型ポンプ水車に適用できる。
即ち、ケーシング側への漏気は、ガイドベーン全閉時の
ガイドベーン相互の接触面での間隙を通じて漏れるもの
であるので、この間隙の総面積を減少することによって
も漏気量を低減することが可能である。間隙の総面積
は、ランナの呑み口幅寸法をＢ(ｍ)及びガイドベーン枚
数をＺ(枚)とすると、Ｂ×Ｚで示されることとなる。ま
た、ガイドベーン全閉時のランナ外周部のプライミング
水圧とケーシングの静水圧の差は、近似的にランナ周速
の２剰に比例するとできるので、ランナ外周直径をＤ
(ｍ)及びランナの回転速度をＮ(rpm) とすると、(π×
Ｄ×Ｎ／６０)²／(２×ｇ) に比例するものとできる。
ここに、πは円周率を、ｇは重力加速度を示す。

【００３５】従って、この間隙の総面積と差圧の積であ
るＢ×Ｚ×(π×Ｄ×Ｎ／６０)²／(２×ｇ)の値が７×
１０⁴以上の範囲で、ガイドベーン全閉時のガイドベー
ン相互の接触面での間隙を通じてのケーシング側への漏
気が大きくなるので、本発明をこのようなポンプ水車に
適用した場合が特に効果が大きい。

【００３６】このように、上記数値をフランシス型ポン
プ水車の調相運転方法に適用すると調相運転への切替時
間を早く出来ると共に、フランシス型ポンプ水車を設計
する際に、予め上記数値７×１０⁴以上であるか否かを
計算できるので、実験することなく、本発明の調相運転
方法を適用すれば良か否か予めわかり、設計が容易に出
来る利点がある。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、揚水または発電運転か
らの調相運転への切替えにおいて、ガイドベーン全閉時
間隙を通りランナ室からケーシング側への漏気を低減出
来るので、揚水運転又は発電運転からランナを空中回転
運転させる調相運転への切替時間を早くできる。また上
述の数値７×１０⁴以上であるか否かを計算できるの
で、実験することなく、本発明の調相運転方法を適用す
れば良か否か予めわかり、設計が容易に出来る利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２で使用した本発明の実施例に係わるポンプ
水車のランナ室廻りを示す詳細断面図である。

【図２】本発明の実施例に係わるポンプ水車の全体を示
す概略図である。

【図３】図１，図２で使用した本発明の実施例に係わる
ポンプ水車の揚水または発電運転からの調相運転への切
替える調相運転制御方法のブロック図である。

【図４】図１，図２で使用した本発明の実施例に係わる
ポンプ水車の揚水または発電運転からの調相運転への切
替える調相運転制御方法のブロック図である。

【図５】図１，図２，図３で使用した本発明の実施例に
係わるポンプ水車の揚水または発電運転からの調相運転
への切替える調相運転制御方法の動作特性図である。

【図６】図１，図２，図４で使用した本発明の実施例に
係わるポンプ水車の揚水または発電運転からの調相運転
への切替える調相運転制御方法の動作特性図である。

【符号の説明】

１…主軸、２…ランナ、３…ガイドベーン、４…上カバ
ー、５…下カバー、１０…入口弁、１１…側弁、１２…
水位計、１３…上部吸出し管、１４…下部吸出し管、１
５…ランナ室、１６，１７，１８，１９…自動弁、１６
Ａ，１７Ａ…空気供給配管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ランナを有するランナ室上流側にガイドベ
ーン及び入口弁を有し、ランナがランナ室内で水中回転
している状態で、ガイドベーン及び入口弁を閉鎖後、ラ
ンナ室に設けた空気供給配管より空気をランナ室に送入
し、水位を押し下げて空中運転をすることを特徴とする
揚水発電装置の調相運転方法。
【請求項２】ランナを有するランナ室上流側のガイドベ
ーンと入口弁または側弁とが全閉または全閉近傍となっ
た後に、ランナ室に設けた空気供給配管の自動弁とラン
ナ室下流側の上部吸出し管に設けられた空気供給配管の
自動弁とランナ室に設けられた排水配管の自動弁とを全
開して揚水運転状態又は発電運転状態からランナを空中
運転状態に切替えを行うことを特徴とする請求項１記載
の揚水発電装置の調相運転方法。
【請求項３】揚水運転状態又は発電運転状態からランナ
を空中運転させる運転状態への切替え指令入力を受けた
後に、ランナを有するランナ室上流側のガイドベーンに
閉指令を出力し、且つガイドベーンが全閉または全閉近
傍となったことを検出装置により検出した検出信号と、
入口弁に閉指令を出力し、且つ入口弁が全閉となったこ
とを検出装置で検出した検出信号と、側弁に閉指令を出
力し、且つ入口弁または側弁が全閉または全閉近傍とな
ったことを検出装置により検出した検出信号と、を制御
部に入力後、制御部から上記空気供給配管の自動弁とラ
ンナ室下流側の上部吸出し管に設けられた空気供給配管
の自動弁とランナ室に設けられた排水配管の自動弁に開
指令を上記検出信号より一定時間遅延させた後に出力す
ることを特徴とする請求項１記載の揚水発電装置の調相
運転方法。
【請求項４】揚水運転状態又は発電運転状態からランナ
を空中回転運転させる運転状態への切替え指令入力を受
けた後に、ガイドベーンに閉指令を出力し、ガイドベー
ンの閉指令より一定時間タイマにより遅延させ入口弁に
閉指令を出力し、入口弁が全閉となった検出信号を入力
して側弁を閉する閉指令と、ガイドベーンと入口弁また
は側弁が全閉または全閉近傍となった全閉信号を制御部
に入力し、制御部は上カバーに設けられた空気供給配管
の自動弁と上部吸出し管に設けられた空気供給配管の自
動弁とカバーに設けられた排水配管の自動弁への開指令
を、閉信号より一定時間タイマにより遅延させた後に出
力することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の揚
水発電装置の調相運転制御装置。
【請求項５】ランナ室に設けた空気供給配管の空気供給
及び排気を制御する自動弁と、ランナ室及びランナ室上
流側に設けたガイドベーンと入口弁が閉鎖時に自動弁を
開放して空気をランナ室内に供給指令をすると共に、ガ
イドベーンと入口弁が全開時に自動弁を開放させて空気
をランナ室内より外部に排気指令をするスイツチと、ス
イツチからの制御指令に応じて空気供給配管よりランナ
室に供給された空気でランナの水位を押し下げた空中位
置で自動弁を閉じると共に、水位を押し上げ空転位置で
無くなると自動弁を開放して水位を維持する水位検出器
とを制御する制御部を設けたことを特徴とする揚水発電
装置の調相運転制御装置。
【請求項６】ランナを有するランナ室上流側にガイドベ
ーン及び入口弁を有し、ランナがランナ室内で水中回転
している状態で、ガイドベーン及び入口弁を閉鎖後、ラ
ンナ室に設けた空気供給配管より空気をランナ室に送入
し、水位を押し下げて空中運転をする調相運転方法を、
ランナの呑み口幅寸法をＢ(ｍ)，ランナ外周直径をＤ
(ｍ)，ランナの回転速度をＮ(rpm) 、ガイドベーン枚数
をＺ(枚)としたとき、Ｂ×Ｚ×(π×Ｄ×Ｎ／６０)²／
(２×ｇ)の値が７×１０⁴以上であるフランシス型ポン
プ水車に、使用することを特徴とする揚水発電装置の調
相運転方法。ここに、πは円周率を、ｇは重力加速度を
示す。