JP2006029201A - ポンプ水車とその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ水車の発電方向回転の運動エネルギを吸収して停止し、そして揚水方向に回転上昇させ、短時間に発電運転から揚水運転に移行可能とする。
【解決手段】ポンプ水車は、鉄管４の途中に取り付けられた入口弁７と、入口弁とランナ空間との間に取り付けられて流量調節可能な可動ガイドベーン８と、吸出し管９の途中に取り付けられた吸出し管ゲート１０と、鉄管の入口弁と上池との間の位置と、吸出し管の吸出し管ゲートと下カバー３との間の位置とを第１バイパス１１を介して接続する第１バイパス管１２と、鉄管の入口弁と可動ガイドベーンとの間の位置と、吸出し管の吸出し管ゲートと下池の間の位置とを第２バイパス弁１３を介して接続する第２バイパス管１４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はポンプ水車およびその運転方法に係り、特に、短時間に発電運転（水車運転）から揚水運転（ポンプ運転）に切り換えることができるポンプ水車とその運転方法に関する。

近年の電力自由化に伴い、揚水発電所の重要性が見直されつつある。それは電力の売買において、電力の質的価値に目が向けられるようになってきたためである。電力系統を安定に保つためには、急激な負荷変動にどれだけ俊敏に対応できるかで、価格に差がつくようになってきた。当然、俊敏に対応できる方の電力は安定度が高いので高く売れる。ポンプ水車は揚水運転で余分な電力を吸収し、発電運転でその電力を発生できるため、ほぼ定格容量の２倍の電力の調整が可能な便利な施設である。この電力を高品質にし、どれほど多くの利益を生み出せるかは、いかに短時間に揚水運転から発電運転に、あるいは発電運転から揚水運転に移行できるかに掛かっている。

従来は、発電運転から揚水運転移行する場合、図８に示す構成のポンプ水車を図９のタイムチャートに示すように行なっていた。すなわち、切り換え指令に従い、解列後、ガイドベーンを全閉してランナの水中における攪拌抵抗だけで停止する。その後、水面押し下げしてランナ室に空気を充満させ、モータを起動し、定格回転速度で電力系統に並入し、その後ランナ室から排気し、揚水可能な水圧が確立する締切りを経て揚水運転に移行していた。

このため、発電運転状態から揚水運転状態に切り換えるのに、約１５分も掛かっていた。短時間に水車停止するために電気的に制動する方法としては、高速回転領域では回生制動があるが、電力を変換するために大容量のサイリスタ装置が必要である。

また、時間が掛かる水面押し下げを伴うモータ起動を省略でき、揚水方向に短時間に起動方法として、水中起動がある。しかし、これは２台のポンプ水車を逆極性に結線して１台を起動用として発電運転し、その発生した電力で揚水方向水中起動する側を回してやるBack to Back 方式となり、２台以上のポンプ水車が必要である。

なお、揚水運転から発電運転への移行に関する技術としては、特許文献１の技術が知られている。これは、揚水運転から発電運転へクイックチェンジを行なう際に、ポンプ水車の振動、軸振れ、水圧脈動を検出してこの値が規定値よりも小さい場合にガイドベーンを小開度に保持し、規定値よりも大きい場合にはガイドベーンを全閉とするように制御することにより、ポンプ水車の振動、軸振れ、水圧脈動を抑制するものである。

本発明の目的は、発電方向回転の運動エネルギを吸収して停止し、そして揚水方向に回転上昇させ、短時間に発電運転から揚水運転に移行できる、簡便なポンプ水車およびその運転方法を提供することにある。

本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、上カバーと下カバーにはさまれて形成されるランナ空間内にランナが回転自由に収められ、上池から鉄管によって導かれる高圧水のエネルギをランナによって回転エネルギに変え、主軸を介して発電電動機を回転させ発電する発電運転と、前記発電運転とは逆に、前記発電電動機に電気エネルギを供給することによって前記ランナを回転させ、それにより、下池から吸出し管を経て導入された水を、鉄管を経て上池へ揚水する揚水運転と、を運転切換によって切り換えられるように構成されたポンプ水車において、前記鉄管の途中に取り付けられた入口弁と、前記入口弁と前記ランナ空間との間に取り付けられて流量調節可能な可動ガイドベーンと、前記吸出し管の途中に取り付けられた吸出し管ゲートと、前記鉄管の前記入口弁と上池との間の位置と、前記吸出し管の前記吸出し管ゲートと下カバーとの間の位置とを第１バイパス弁を介して接続する第１バイパス管と、前記鉄管の前記入口弁と可動ガイドベーンとの間の位置と、前記吸出し管の前記吸出し管ゲートと下池の間の位置とを第２バイパス弁を介して接続する第２バイパス管と、を有すること、を特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のポンプ水車の運転方法であって、発電運転から揚水運転に切り換える際に、前記発電電動機を解列し、前記ガイドベーンと入口弁および吸出し管ゲートを閉鎖し、次に、ガイドベーンを小開するとともに前記第１バイパス弁および第２バイパス弁を開放することによってランナに発電運転時と逆方向の水流を与えて、ランナを揚水方向定格回転速度まで上昇させ、次に、電力系統に並入させ、前記第１および第２バイパス弁を閉鎖し、前記入口弁および吸出し管ゲートを開放し、ガイドベーンを閉じ、次に、ガイドベーン開操作すること、を特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、上カバーと下カバーにはさまれて形成されるランナ空間内にランナが回転自由に収められ、上池から鉄管によって導かれる高圧水のエネルギをランナによって回転エネルギに変え、主軸を介して発電電動機を回転させ発電する発電運転と、前記発電運転とは逆に、前記発電電動機に電気エネルギを供給することによって前記ランナを回転させ、それにより、下池から吸出し管を経て導入された水を、鉄管を経て上池へ揚水する揚水運転と、を運転切換によって切り換えられるように構成されたポンプ水車において、前記鉄管の途中に取り付けられた入口弁と、前記吸出し管の途中に取り付けられた吸出し管ゲートと、前記入口弁と前記ランナ空間との間に取り付けられて流量調節可能なように回動可能に構成され、しかも９０度以上の角度制御が可能な可動ガイドベーンと、を有すること、を特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のポンプ水車の運転方法であって、発電運転から揚水運転に切り換える際に、前記発電電動機を解列し、前記ガイドベーンと入口弁を閉鎖し、次に、前記ガイドベーンを通常運転時に比し９０度以上大きく回転させ、前記入口弁を小開して、前記ランナの回転方向と逆向きの水流をランナに作用させ、次に、前記ランナが停止した後に入口弁を閉じ、次に、ガイドベーン開度を通常運転時の閉鎖状態にして水面押し下げ動作に移行すること、を特徴とする。

本発明によれば、短時間に発電運転から揚水運転に移行することができる、簡便なポンプ水車とその運転制御方法を提供できる。

以下に、本発明を実施するための最良の実施の形態を図を参照して説明する。ここで、互いに共通または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施の形態］
本発明に係るポンプ水車およびその運転方法の第１の実施の形態について、図１および図２を参照して説明する。図１はこの実施の形態のポンプ水車を示す。ランナ１は、上カバー２と下カバー３にはさまれたランナ空間内に回転自由に収められている。

発電運転時には、上池から鉄管４によって導かれる高圧水を、入口弁７およびガイドベーン８を介してランナ１に導き、この高圧水のエネルギによってランナ１を回転させる。ランナ１の回転によって主軸５が回転し、これによって発電電動機６が回転して発電する。ランナ１を出た水は、吸出し管９を通って下池へ流れる。吸出し管９の途中には、放水路側流水を遮断することができる吸出し管ゲート１０が配置されている。鉄管４からの流水は、入口弁７および可動ガイドベーン８で流量が調節され、ランナ１でほとんどのエネルギを消費する。

揚水運転時には、発電運転時とは逆に、発電電動機６に電気エネルギを供給し、これによってランナ１を回転させる。このときの水の流れは発電運転時と逆になり、下池から上池に向けて揚水が行なわれる。

この実施の形態ではさらに、入口弁７より上流側の鉄管４から吸出し管ゲート１０より上流側の吸出し管９とを連通する第１バイパス管１２が設けられている。また、入口弁７より下流側の鉄管４から吸出し管ゲート１０より下流側の吸出し管９を連通する第２バイパス管１４が設けられている。第１バイパス管１２および第２バイパス管のそれぞれの途中に、第１バイパス弁１１、第２バイパス弁１３が配置されている。

次に、上記のように構成したポンプ水車の運転制御方法について、図２のタイムチャートを参照して説明する。

発電運転から揚水運転への運転切り換え指令が発せられると、それまで発電していた電力をゼロにし、発電電動機６を電力系統からの切り離しすなわち解列をする。解列と同時にガイドベーン８と入口弁７および吸出し管ゲート１０を閉じる。その後、ガイドベーン８を小開するとともに第１バイパス弁１１および第２バイパス弁１３を開き、第１バイパス管１２および第２バイパス管１４を通じてランナ１に発電時とは逆方向の水を流す。これにより、ランナ１を減速、停止させ、さらに揚水回転方向に加速させる。

定格回転速度に達したら、発電電動機６を電力系統に接続すなわち並入し、第１バイパス弁１１および第２バイパス弁１３を閉じ、揚水が可能なプライミング水圧が確立する締切りを経て揚水運転に移行する。

この方法によれば、発電時とは逆方向の水流が発電方向の回転エネルギを消失させ、さらに揚水方向の回転エネルギを与えることが可能で、水面押し下げによるモータ起動を省略できるから、短時間（たとえば６〜７分）で発電運転から揚水運転に移行することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明に係るポンプ水車およびその運転方法の第２の実施の形態について、図３ないし図５を参照して説明する。図３はこの実施の形態のポンプ水車を示す。この実施の形態では、制御角度を通常運転時に比し、９０度以上大きく制御可能なガイドベーン８ａを設けている。これはランナへ流入させる水流の方向を大幅に変更できるものである。なお、図３で、実線は通常の発電運転時（発電運転時）のガイドベーン８ａを示し、破線は制動時のガイドベーン８ａを示す。

次に、上記のように構成したポンプ水車の運転制御方法の例について、図４のタイムチャートを参照して説明する。運転切り換え指令が発せられると、それまで発電していた電力をゼロにし、発電電動機６を電力系統から解列をする。解列と同時に入口弁７を全閉し、ガイドベーン８ａの角度を−α方向（図３参照）に大きく回転制御し、図５の破線矢印に示すようにランナ１に回転方向と逆向きの水流を作用させる。

発電電動機が停止したら、入口弁７を閉鎖し、ガイドベーン８ａを通常運転時の閉鎖角度にし、水面押し下げ動作に入り、通常の揚水起動を行なう。一方、ガイドベーン８ａが通常運転時の閉鎖角度に達したら、入口弁７は全開する。なお、図５で、実線の矢印は通常の発電運転時（発電運転時）の水流を示し、破線の矢印は制動時の水流を示す。

この方法によれば、ランナ１に発電回転方向と逆向きの水流を作用させることにより、発電電動機６を減速停止させることができるから、短時間（たとえば１０〜１１分）で発電運転から揚水運転に移行することができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明に係るポンプ水車およびその運転方法の第３の実施の形態について、図６および図７を参照して説明する。この実施の形態は第２の実施の形態の変形例である。図６は第３の実施の形態のポンプ水車を示す。この実施の形態では、制御角度を通常運転時に比し、９０度以上大きく制御可能なガイドベーン８ａを設けたうえ、ランナ１に加えて発電方向とは逆向きのトルクを発生するように設計された補助水車１５を設ける。

補助水車１５は、封水部１６を経て、吸出し管９の外に引き出した補助軸１７を介してランナ１と直結している。入口弁７より上池側の鉄管４と吸出し管９とが連通され、補助水車１５に流水を導く補助流路１８には補助水車１５の上流側および下流側にそれぞれ入口補助弁１９および出口補助弁２０が設けられている。

図７のタイムチャートは、上記構成の水車ポンプの運転方法の例を示す。運転切り換え指令が発せられると、それまで発電していた電力をゼロにし、発電電動機６を電力系統から解列する。解列と同時に入口補助弁１９および出口補助弁２０を開き、補助水車１５に通水するとともに、入口弁７を閉動作する。入口弁７が全閉したら、ガイドベーン８ａの角度を−α方向（図３参照）に大きく回転制御させ、その後、入口弁７を小開してランナ１に回転方向と逆向きの水流を作用させる。

発電電動機６が停止点に達した時点で、入口弁７を閉鎖した後、ガイドベーン８ａを通常運転時の閉鎖角度に保ちつつ入口弁７を全開にする。一方、発電電動機６が補助水車１５によって揚水方向に加速され定格速度になったら、並入し、締切りを経て、揚水運転に移行する。並入したら、補助弁１９および補助弁２０を閉じる。

この方法によれば、ランナ１に発電回転方向と逆向きの水流を作用させることにより、発電電動機６を減速停止させることができ、且つ、補助水車１５によって揚水方向定格回転速度まで加速するので、水面押し下げによるモータ起動が省略できるから、短時間（たとえば８〜９分）で発電運転から揚水運転に移行することができる。

本発明の第１の実施形態のポンプ水車を示す模式的立断面図。 図１のポンプ水車の運転方法を示すタイムチャート。 本発明の第２の実施形態のポンプ水車の要部を示す模式的部分平断面図。 図３のポンプ水車の運転方法を示すタイムチャート。 図３のポンプ水車の動作を説明するための模式的部分平断面図。 本発明の第３の実施形態のポンプ水車を示す模式的立断面図。 図６のポンプ水車の運転方法を示すタイムチャート。 従来のポンプ水車を示す模式的立断面図。 従来のポンプ水車の運転方法を示すタイムチャート。

符号の説明

１…ランナ、２…上カバー、３…下カバー、４…鉄管、５…主軸、６…発電電動機、７…入口弁、８、８ａ…ガイドベーン、９…吸出し管、１０…吸出し管ゲート、１１…第１バイパス弁、１２…第１バイパス管、１３…第２バイパス弁、１４…第２バイパス管、１５…補助水車、１６…封水部、１７…補助軸、１８…補助流路、１９…入口補助弁、２０…出口補助弁。

Claims (6)

1. 上カバーと下カバーにはさまれて形成されるランナ空間内にランナが回転自由に収められ、上池から鉄管によって導かれる高圧水のエネルギをランナによって回転エネルギに変え、主軸を介して発電電動機を回転させ発電する発電運転と、前記発電運転とは逆に、前記発電電動機に電気エネルギを供給することによって前記ランナを回転させ、それにより、下池から吸出し管を経て導入された水を、鉄管を経て上池へ揚水する揚水運転と、を運転切換によって切り換えられるように構成されたポンプ水車において、
   前記鉄管の途中に取り付けられた入口弁と、
   前記入口弁と前記ランナ空間との間に取り付けられて流量調節可能な可動ガイドベーンと、
   前記吸出し管の途中に取り付けられた吸出し管ゲートと、
   前記鉄管の前記入口弁と上池との間の位置と、前記吸出し管の前記吸出し管ゲートと下カバーとの間の位置とを第１バイパス弁を介して接続する第１バイパス管と、
   前記鉄管の前記入口弁と可動ガイドベーンとの間の位置と、前記吸出し管の前記吸出し管ゲートと下池の間の位置とを第２バイパス弁を介して接続する第２バイパス管と、
   を有すること、を特徴とするポンプ水車。
2. 請求項１に記載のポンプ水車の運転方法であって、
   発電運転から揚水運転に切り換える際に、
   前記発電電動機を解列し、前記ガイドベーンと入口弁および吸出し管ゲートを閉鎖し、
   次に、ガイドベーンを小開するとともに前記第１バイパス弁および第２バイパス弁を開放することによってランナに発電運転時と逆方向の水流を与えて、ランナを揚水方向定格回転速度まで上昇させ、
   次に、電力系統に並入させ、前記第１および第２バイパス弁を閉鎖し、前記入口弁および吸出し管ゲートを開放し、ガイドベーンを閉じ、
   次に、ガイドベーン開操作すること、
   を特徴とするポンプ水車の運転方法。
3. 上カバーと下カバーにはさまれて形成されるランナ空間内にランナが回転自由に収められ、上池から鉄管によって導かれる高圧水のエネルギをランナによって回転エネルギに変え、主軸を介して発電電動機を回転させ発電する発電運転と、前記発電運転とは逆に、前記発電電動機に電気エネルギを供給することによって前記ランナを回転させ、それにより、下池から吸出し管を経て導入された水を、鉄管を経て上池へ揚水する揚水運転と、を運転切換によって切り換えられるように構成されたポンプ水車において、
   前記鉄管の途中に取り付けられた入口弁と、
   前記吸出し管の途中に取り付けられた吸出し管ゲートと、
   前記入口弁と前記ランナ空間との間に取り付けられて流量調節可能なように回動可能に構成され、しかも９０度以上の角度制御が可能な可動ガイドベーンと、
   を有すること、を特徴とするポンプ水車。
4. 請求項３に記載のポンプ水車の運転方法であって、
   発電運転から揚水運転に切り換える際に、
   前記発電電動機を解列し、前記ガイドベーンと入口弁を閉鎖し、
   次に、前記ガイドベーンを通常運転時に比し９０度以上大きく回転させ、前記入口弁を小開して、前記ランナの回転方向と逆向きの水流をランナに作用させ、
   次に、前記ランナが停止した後に入口弁を閉じ、
   次に、ガイドベーン開度を通常運転時の閉鎖状態にして水面押し下げ動作に移行すること、
   を特徴とするポンプ水車の運転方法。
5. 請求項３に記載のポンプ水車において、前記ランナの発電時の回転方向と逆向きのトルクを発生する補助水車を前記ランナに直結して設けたこと、を特徴とするポンプ水車。
6. 請求項５に記載のポンプ水車の運転方法であって、
   発電運転から揚水運転に切り換える際に、
   前記発電電動機を解列し、前記ガイドベーンと入口弁を閉鎖し、
   次に、前記ガイドベーンを通常運転時に比し９０度以上大きく回転させ、前記入口弁を小開して、前記ランナの回転方向と逆向きの水流をランナに作用させ、前記補助水車に鉄管から通水し、
   次に、前記ランナが停止した後に入口弁を閉じ、
   次に、ガイドベーン開度を通常運転時の閉鎖状態にし、
   次に、この状態で入口弁を全開させる一方、発電電動機を揚水方向定格回転速度まで回転上昇させ、
   次に、電力系統に並入させ、前記補助水車の流路の通水を停止し、揚水運転に移行すること、
   を特徴とするポンプ水車の運転方法。
   
   

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