JPS6147980B2 - - Google Patents

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JPS6147980B2
JPS6147980B2 JP52059214A JP5921477A JPS6147980B2 JP S6147980 B2 JPS6147980 B2 JP S6147980B2 JP 52059214 A JP52059214 A JP 52059214A JP 5921477 A JP5921477 A JP 5921477A JP S6147980 B2 JPS6147980 B2 JP S6147980B2
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JP
Japan
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turbine
pump
point
characteristic
shaped
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JP52059214A
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Hisao Kuwabara
Hiroshi Okumura
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

Landscapes

  • Control Of Water Turbines (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、水車領域においてS字特性を有する
ポンプ水車の案内羽根制御方法に関する。
〔発明の背景〕
一般的に、ポンプ水車、特に高揚程ポンプ水車
のランナーは、ポンプ運転時に高揚程を得る為
に、充分なる遠心ポンプ作用を発揮するべく設計
される。
しかしながら、この設計は、ポンプ水車の水車
運転に悪影響を与える。この設計が採用されるポ
ンプ水車の特性を、所定案内羽根開度の下におけ
る単位落差当り回転数(N1)と単位落差当り流量
(Q1)との関係を表わす特性曲線により示した場
合、この特性曲線は、水車運転領域において、
N1の値の増加に伴つてQ1の値が減少する第1の
部分と、N1の値の減少に伴つてQ1の値が減少す
る第2の部分とを有する。
説明の便宜上、本明細書においては、前記第2
の部分を、S字特性部分と称する。更に、S字特
性部分におけるポンプ水車の特性を、以後、S字
特性と称する。
このS字特性の出る理由は、本来、水車運転時
には、ランナーの外周側から中心に向つて水が流
れているが、ランナーの回転上昇により水に作用
する遠心力が大きくなつて、水の流れが逆転しポ
ンプ流れに切り替ることによるものと考えられ
る。
更に、この状態に近くなるとランナー内での流
れモードが複雑に変化するためであると考えられ
る。S字特性部分における水車運転にあつては、
単位落差当りトルク(T1)もまた、単位落差当り
回転数(N1)の減少に伴い、減少する。
通常は、ポンプ水車の水車運転は、上記第1の
部分において行われる。しかしながら、負荷しや
断又は負荷減少等により、単位落差当りの回転数
(N1)が急激に増加する場合は、ポンプ水車は、
S字特性部分において運転されることになる、S
字特性部分における運転が開始されると、ポンプ
水車の運転点はS字特性部分を一端から他端へと
たどりつつ、まず単位落差当りの流量(Q1)と単
位落差当りの回転数(N1)は減少する。その後、
今度は振子が振返すようにS字特性部分を逆方向
にたどりつつ、Q1とN1は増加する。S字特性部
分におけるこの往復運動は、案内羽根開度が所定
値以上に留まる限りほぼ永続的に継続し、特別な
手段を講じない限り終了しない。この間、単位落
差当りのトルク(T1)も、減少と増加をくり返
す。
ポンプ水車の運転は、S字特性部分を避けて行
われることが望ましい。なぜならば、S字特性部
分における運転は、ポンプ水車本体はもちろん水
圧鉄管やドラフトチユーブにも大きな水圧上昇と
大きな水圧降下を含めて異常な水圧変動をひき起
こし、その結果として強烈なウオーターハンマー
と時には水柱分離を招くからである。上述した負
荷しや断は、例えばポンプ水車に結合される発電
機が、しや断器を開かれた場合やこの発電機とこ
の発電機が連がつている電力系統との間にある変
圧器等の機器に事故が起き発電機がその負荷が失
つた場合などに生ずる。またウオーターハンマー
は、水圧鉄管又はドラフトチユーブの一方、又は
その両方が長い場合には、特に強烈であることに
注意を払う必要がある。
水車運転領域においてS字特性を有するポンプ
水車の特性を、第1図Aおよび第1図Bに示す。
第1図Aにおいては、ポンプ水車の特性が、案内
羽根開度をパラメーターにとり、単位落差当りの
回転数(N1)と単位落差当りの流量(Q1)との関
係として示されている。一方、第1図Bにおいて
は、ポンプ水車の特性が、同じパラメーターによ
り、単位落差当りの回転数(N1)と単位落差当り
のトルク(T1)との関係として示されている。
N1,Q1およびT1は次の式により表現される。
N1=N/√,Q1=Q/√,T1=T/H 上式において、符号N,Q,HおよびTは、そ
れぞれ、ポンプ水車の回転数、流量、有効落差お
よびトルクを示す。
特性曲線1および1′は、所定の比較的大きな
案内羽根開度の下で得られる。特性曲線2および
2′は、それよりも小さな案内羽根開度の下で得
られる。特性曲線3および3′は更にそれよりも
小さい案内羽根開度の下で得られる。
特性曲線1のa―h部分においては、Q1の値
は、N1の減少に伴い減少する。上述の様に、こ
の曲線部分a―hを、本明細書においては、S字
特性部分と称する。同様に、曲線部分b―iは、
特性曲線2のS字特性部分であり、曲線部分c―
jは、特性曲線3のS字特性部分である。一見し
て明らかな様に、特性曲線1のS字特性部分a―
hは、特性曲線2のS字特性部分b―iより長
く、特性曲線2のS字特性部分b―iは、特性曲
線3のS字特性部分c―jよりも長い。このこと
は、案内羽根開度が小さくなるとS字特性部分の
長さが短くなることを意味する。
第1図Aにおけると同様に、第1図Bにおいて
も、曲線部分a′―h′,b′―i′、およびc′―j′は、

れぞれ特性曲線1′,2′および3′のS字特性部
分である。
第1図Bは、第1図Aと密接な関係がある。例
えば、第1図Aの曲線3上のQ1=Q1x,N1=N1x
を満たす点xは、第1図Bの曲線3′上の点X′に
対応している。点x′はT1=T1x′,N1=N1x′(=
1x)を満たす点である。同様に第1図Aにおけ
る点a,b,c,d,e,f,h,iおよびjは
それぞれ第1図Bにおける点a′,b′,c′,d′,
e′,f′,h′,i′およびj′に対応している。
曲線hrは、無負荷流量曲線である。曲線1,
2,3と曲線nrとの交点α,β,γは、それぞれ
1′,2′,3′と直線T1=Oとの交点α′,β′,
γ′に対応している。
次に、特性曲線1と1′を参照しながらポンプ
水車の水車運転(発電運転)について説明を行
う。上述したように特性曲線1と1′に対応する
特性は、案内羽根開度を比較的大きな値にした時
に得られる。通常は、ポンプ水車の水車運転は、
特性曲線1の上部、すなわち、S字特性部分a―
d―hより上部の曲線部分において行われる。し
かしながら、もし例えばポンプ水車に加わつてい
る負荷が突然失われた場合は、ポンプ水車の回転
数(N)が急激に増加するので、N1の値も急激
に増加する。こうして、ポンプ水車は、S字特性
部分において運転され始まる。S字特性部分にお
ける運転の間は、ポンプ水車の回転数(N)の減
少及び有効落差Hの上昇によりN1の値が減少
し、これにつれてQ1の値もまた減少する。Hの
値が一定であると仮定すれば、Q1の値の減少
は、それに対応してポンプ水車流量(Q)が減少
することを意味する。現実には、Hの値、すなわ
ち水圧鉄管に結合するポンプ水車入口とドラフト
チユーブに結合するポンプ水車出口との水頭差
は、流量Qの減少と同時に増加する。このように
して一旦N1の値が減少すると、流量Qが減少
し、流量Qの減少は、ポンプ水車の有効落差Hの
増加をもたらす。この有効落差Hの増加は、更に
N1の減少をもたらし、N1の減少は、更にQ1の減
少をもたらす。このようにして、一且S字特性部
分における運転が始まると、Q1とN1は、S字特
性部分をQ1減少方向、すなわち点aから点hの
方向にたどりつつ、加速度的に、しかも連続的に
減少する。Q1とN1は、正帰還制御回路における
と同様に、加速度的に、しかも連続的に減少する
ことが理解できる。
ポンプ水車の運転点がS字特性部分を点aから
点hの方向にたどり終えると、上記の現象は、負
帰還制御回路におけると同様に次第に緩和されな
がら点hに至り、その後、反転し、やがて点hか
らS字特性部分をQ1増加方向、すなわち点dか
ら点aへたどることになる。S字特性部分を逆方
向にたどるのも矢張り正帰還制御回路と同様の様
式で行われる。
案内羽根開度が一定と仮定すると、ポンプ水車
が一度S字特性部分で運転され始めると、上記の
往復運動は、ほぼ永続的に繰り返される。前で説
明したように、このような運転は望ましいもので
はない。なぜならば、水力発電所各水路系統に異
常な水圧変化をもたらし、強烈なオウオーターハ
ンマーと、時には水柱分離現象とをもたらすから
である。
S字特性部分における運転に伴うこのような悪
影響は、S字特性部分の長さが短くなれば減少す
ることに注目すべきである。例えば、もし案内羽
根開度を小さくして、より短いS字特性部分b―
iを有する特性曲線2に従つてポンプ水車を運転
するならば、S字特性に伴う悪影響は軽減され
る。
S字特性部分におけるポンプ水車の運転は、ポ
ンプ水車のトルクTにも悪影響を与える。S字特
性部分においてN1の値が減少すると、第1図B
に示すように、T1の値が減少する。ここで再び
第1図Aに示にされる特性曲線1上の点aとh
は、第1図Bに示される特性曲線1′上の点a′と
h′にそれぞれ対応することに注意しなければなら
ない。
運転状態がS字特性部分をT1減少方向にたど
つている時は前述のごとく有効落差Hは上昇し続
けdH/dt>0となり、T1の減少は、ポンプ水車トル クTの減少を意味する。更に、ポンプ水車トルク
Tの減少が、ポンプ水車回転数Nの減少をもたら
すことは明白である。ポンプ水車回転数Nが減少
すると、それに対応してN1が減少し、次にT1
更に減少することになる。尚この間に前記したよ
うに有効落差Hが増加しているのでこの加速傾向
は益々強まる。このようにして、ポンプ水車は、
特性曲線1を、Q1減少方向にたどる間、同時に
特性曲線1′を、点a′から点h′へとたどつている
ことになる。そのたどり方は、正帰還制御回路の
場合と同様である。その後、S字特性部分をたど
る方向が逆転すると、特性曲線1′は、点h′から
点a′の方向へと、たどることになる。明らかに、
上述したようなトルク変化は、不利益である。
一般に、負荷はしや断があると、通常は、ポン
プ水車の調速機の作用により、案内羽根は、閉じ
られる。調速機は、実回転数が設定回転数(通常
は発電機の同期回転数)よりも高いときは常に案
内羽根を閉じる方向に操作するが、S字特性を有
するポンプ水車では、タイミングによつては無拘
束にこういう通常の案内羽根閉鎖を許すとS字特
性を助長する恐れがある。
負荷しや断があつたとしても、単位落差当りの
回転数(N1)が第1図Aの点aに至るまでは、ポ
ンプ水車の運転状態はS字特性部分には入つてい
ない。S字特性部分における運転は、負荷しや断
から所定時間経過した後に始まる。負荷しや断か
らS字特性部分に突入するまでの所定時間の間
は、案内羽根は急速に閉じる方が望ましい。なぜ
ならば、この急速な閉め込み操作により、ポンプ
水車の特性は、S字特性部分に起因する悪影響を
緩和させる方法に移行するからである。例えば、
案内羽根を閉じると(すなわち、案内羽根開度の
減少)により、第1図Aの特性曲線1で表わされ
るポンプ水車の特性は、特性曲線2で表わされる
特性に移行する。この移行により、特性曲線2
は、特性曲線1よりも小さなS字特性部分を有し
ているので、それだけ問題となる悪影響が緩和さ
れる。
次に、ポンプ水車が、S字特性部分をQ1減少
方向にたどりつつ運転されている時は、急激な案
内羽根の閉め込みは行うべきではないことに注意
するべきである。なぜならば、急速な閉め込みに
より、Q1とN1が減少し、S字特性の影響がより
強くあらわれるからである。もしも、S字特性部
分を流量減少方向にたどつている時に、上記急速
閉め込みを行うとすれば、S字特性部分の悪影響
は極めて強烈に出現することになる。
ところで、前記したように案内羽根開度が所定
値以上に留る限り一度S字特性部分に突入すると
ほぼ永続的に一定の周期をもつてS字特性部分を
Q1減少方向に辿つた後すぐ増加方向に振返し又
減少方向に辿る。すなわちポンプ水車にとつて案
内羽根を急速に閉め込んではならない機会は、負
荷しや断後の所定時間に限定されるわけではなく
てくり返し出現する。このため、その全ての機会
において、不利益なる異常水圧変化を防がなけれ
ばならない。
第2図の方法は、特公昭49―40902号に開示さ
れている案内羽根閉鎖方法である。この方法で
は、突発的な負荷しや断後、案内羽根はまず最初
に急速に閉め込まれ、次にポンプ水車回転数の増
加に伴い流量が大きく減少する運転領域において
ゆつくりと閉動作され、そして次に急速に閉めら
れる。この方法は、最後の急速な閉め込みの時期
が明確にされているという欠点がある。もしこの
急速な閉め込みが。Q1減少方向にS字特性部分
をたどつている運転状態においてなされるなら
ば、上述した危険な状況が発生する。
更に途中でゆつくりと案内羽根を閉めている間
にもポンプ水車はS字部分をQ1減少方向、増加
方向と交互に辿つている筈だからどの時点で最後
の急速な案内羽根の閉め込みを行うかが重大問題
なのにこれについて何ら規定していない。
上述したように、従来技術では、S字特性を充
分に考慮に入れての案内羽根閉動作時期の決定が
なされていないという共通の欠点を有する。不利
益な異常水圧変動を回避する為に、ポンプ水車の
運転状態がS字特性部分をQ1減少方向にたどつ
ている間は、案内羽根の急速な閉動作を行わない
ようにすることが必要である。また、S字特性部
分をQ1増加方向にたどつている間は、案内羽根
を開動作させるべきではない。
これは運転状態が例えば特性曲線2上の点iか
ら特性曲線1上の点aへと斜めに移動すること
で、矢張り動的に特性曲線の勾配が大きく傾いて
くることを考えれば納得できる。
〔発明の目的〕
本発明は上記欠点を改善しようとしてなされた
もので、負荷しや断時S字特性に起因する上流側
水圧の異常上昇や下降及び下流側水圧の異常低下
による水柱分離を確実に回避することを目的とす
るものである。
〔発明の概要〕
即ち、本発明の特徴とするところは、水車領域
においてN1=N/√(但しNは回転速度、H
は有効落差)の低下にともない水車流量や発生ト
ルクが低下する特性を有するポンプ水車の案内羽
根制御方法において、負荷しや断時案内羽根を閉
鎖し、この閉動作中水車の運転状態が上記特性上
を流量減少方向またはトルク減少方向を辿る領域
において一時的に案内羽根を開動作せしめるよう
にしたポンプ水車の案内羽根制御方法にある。
第1図Aおよび第1図Bから理解できるよう
に、ポンプ水車の運転がS字特性部分においてな
されている時は、∂Q1/∂N1>0および∂Ti/
∂N1>0の関係が満たされている。S字特性部
分がQ1減少方向にたどれている時には、dN1/dt
<0およびdQ1/dt<0の関係が満たされてい
る。ここでtは時間である。dQ1/dt<0の時に
は、Q即ちポンプ水車への流入水量が減少してい
るわけで結果として上流側の水圧鉄管の下端(ポ
ンプ水車端)水圧Pは上昇しdP/dt>0の関係
が成立する。ところで発明者は上記S字特性内で
のポンプ水車の挙動を明らかにし、これに基づい
てS字特性部分が運転されているポンプ水車の検
出方法についてもいくつか便利な方法を発見し
た。即ち、ポンプ水車の運転状態が、S字特性部
分をQ1減少方向にたどつていることの検出は、
例えば回転数検出器、落差検出器、流量検出器と
コンピユータを組合せ次の3つの条件のうち少く
とも1つの条件が満足していることを検出するこ
とによつて行うことができる。
(A) dN1/dt<0とdQ1/dt<0が同時に成立す
る。
(B) dN1/dt<0とdP1/dt>0が同時に成立す
る。
(C) dT1/dt<0とdN1/dt<0が同時に成立す
る。
このポンプ水車S字特性部分をQ1減少方向に
辿つていることの精密な検出のためには、上記条
件AからCまでのどれかの条件が満たされている
ことを検出することは望ましい。しかしながら、
本発明の目的からすれば、条件AからCまでは、
次の条件A′からC′までに置きかえることができ
る。
(A′) dN1/dt<負でゼロ近傍値とdQ1/dt<負で
ゼロ近傍値が同時に成立。
(B′) dN1/dt<負でゼロ近傍値とdP1/dt>正で
ゼロ近傍値が同時に成立。
(C′) dT1/dt<負でゼロ近傍値とdN1/dt<負で
ゼロ近傍値が同時に成立。
ところで今考えているS字特性突入時の運転状
態はS字特性部分をQ1減少方向にたどり始めた
時だからこの時ポンプ水車の有効落差Hは上昇し
始めた時であり(即ちdH/dtの値はゼロに近い正の 値である)、これを考慮すると上記(A′),
(B′),(C′)式のdN1/dtはdN/dtで、dQ1/dtは
dQ/dtで、dT1/dtはdT/dtで各々近似的に置
換してもよい。
即ち となるからである。
上記のような検出方法でポンプ水車ががS字特
性部分を流量減少又はトルク減少方向に辿り始め
たことが判明したら案内羽根の閉操作を止めて逆
に開操作にしてやればよい。かくして第1図のよ
うなS字特性部分の特性曲線の勾配が少なくとも
過度に傾くことがない。したがつてS字特性に起
因する上流側水圧の異常上昇や下降、及び下流側
水圧の異常低下による水柱分離などの下具合を軽
減または回避できる。
〔発明の実施例〕
本発明は、発明者が前述の条件式(A′)(B′)
(C′)の簡略化に加えて、経験から負荷遮断後一
度回転数が上昇した後、下降に転じた時のdN/
dt<0さえ検出すれば、少くともS字特性突入の
タイミングを検出することができることを発見し
たことに基づく発明である。
以下本発明の一実施例を第3図を用いて説明す
る。
点Aから点Bはある水車出力を発生している定
常運転状態の案内羽根開度を示し、点Bにて負荷
しや断が発生したら点Bから点Fにて示す開閉を
行つて案内羽根を閉鎖する。
まず点Bから点Cまでは、案内羽根の急閉鎮を
示し、点Cで急閉鎮から緩閉鎮に移行する。ここ
までは公知の技術である。即ち、C点はB点から
一定時間経つた時点でもよく、又案内羽根が一定
開度まで閉まつた時点でもよい。
点Bから点Cを経て点Dに至るまでの経過はS
字特性の大きさを少しでも小さくすするための案
内羽根のプロセスを示す。点Dに至りここでS字
領域へ突入すると回転速度が最大値に達し、
dN/dtの符号が正から負に反転したことによつ
て検出する。即ち、S字領域に突入する時点とい
うのは回転速度が最大値に達する時点と略一致す
るという発明者の発見に基づく。かくして、水車
の運転点がS字特性を流量減少方向またはトルク
減少方向に辿るようになつたら、案内羽根を点D
から点Eに向けて強制的に開動作し、運転点が流
量減少方向またはトルク減少方向を辿つている間
は開動作を持続する。
しかる後、点Eについては前記条件式A′及び
式によりdQ/dtが負から正に転ずる点であること より、決めてもよいが第1図によればこの点即ち
h,i,j点はQ1=0即ちQ=0に近いという
事実に基づき流量検出器で水車流量が零付近であ
ることを検出してもよい。即ち、この水車流量零
付近が点Eであり、点Eから点Fに向けて案内羽
根を急閉鎖させる。
このような案内羽根の制御により従来の点B,
点C,点D,点E′,点F′の閉動作と比較し、水
車上流側鉄管水圧の異常上昇や下降と下流側吸出
管水圧の異常下降を大きく低減することができ
る。
〔発明の効果〕
本発明によれば、負荷しや断時S字特性に起因
する上流側水圧の異常上昇や下降、下流側水圧の
異常低下による水柱分離等の不具合を軽減又は回
避し、これらの水路やポンプ水車自身の設計条件
を緩和し経済設計を可能にできる。
【図面の簡単な説明】
第1図A及び第1図Bはポンプ水車特有のS字
特性の説明図、第2図は従来の負荷しや断時の案
内羽根制御方法を示す線図、第3図は本発明の案
内羽根制御方法を示す線図である。 N……回転速度、H……有効落差、Q……水車
流量、T……水車トルク、N1……単位落差当り
の回転速度、Q1……単位落差当りの水車流量、
T1……単位落差当りの水車トルク。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 水車領域においてN1(単位落差当りの回転
    数)=N/√(但しNは回転数、Hは有効落
    差)の低下にともないQ1(単位落差当りの流
    量)=Q/√〔但しQは水車流量やT1=T/H
    (Tは水車の発生トルク)〕が低下するS字特性を
    有するポンプ水車の案内羽根制御方法において、 負荷しや断時に、案内羽根を閉鎮し、この閉動
    作中水車の運転状態が上記S字特性で流量減少方
    向またはトルク減少方向を辿る領域において一時
    的に案内羽根を開動作させるようにしたことを特
    徴とするポンプ水車の案内羽根制御方法。
JP5921477A 1977-05-20 1977-05-20 Control of guide vanes of pump water wheel Granted JPS53143842A (en)

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JP5921477A JPS53143842A (en) 1977-05-20 1977-05-20 Control of guide vanes of pump water wheel
US06/183,374 US4382745A (en) 1977-05-20 1980-09-02 Method of controlling wicket gates of a pump-turbine

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JP5921477A JPS53143842A (en) 1977-05-20 1977-05-20 Control of guide vanes of pump water wheel

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JPS54145827A (en) * 1978-04-13 1979-11-14 Hitachi Ltd Pump water wheel control
CN100386515C (zh) * 1999-10-29 2008-05-07 株式会社日立制作所 水泵水轮机及其控制方法和使其停止的方法
US6336322B1 (en) 1999-11-09 2002-01-08 Hitachi, Ltd. Method of controlling a pump turbine

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