(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚水管と、
前記揚水管に介設される揚水ポンプと、
前記揚水管に介設される流量調整回路とを構成し、
前記流量調整回路は、
第１充水ラインと、
第２充水ラインとを形成し、
前記第１充水ラインには第１流量調整弁と第１オリフィスが介設され、
前記第２充水ラインには第２流量調整弁と第２オリフィスが介設され、
前記第１流量調整弁の開動作は前記第２流量調整弁の開動作に対して時間的に遅延され、前記第１流量調整弁の開動作に対応して前記揚水ポンプは第１レベルまで揚水し、前記第２流量調整弁の開動作に対応して前記揚水ポンプは第２レベルまで揚水する
揚水システム。
【請求項２】
前記揚水ポンプに並列に接続される圧力調整路を更に構成し、前記圧力調整路は前記第１流量調整弁の開動作と前記第２流量調整弁の開動作とのそれぞれに基づいて前記揚水ポンプの出入口間の圧力を調整する
請求項１の揚水システム。
【請求項３】
前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁とは並列に接続され、前記第１オリフィスは前記第１流量調整弁に直列に接続され、前記第２オリフィスは前記第２流量調整弁に直列に接続される
請求項１の揚水システム。
【請求項４】
前記第１流量調整弁と前記第２流量調整弁とは直列に接続され、前記第１オリフィスは前記第１流量調整弁に並列に接続され、前記第２オリフィスは前記第２流量調整弁に並列に接続される
請求項１の揚水システム。
【請求項５】
前記流量調整回路は、揚水中に常態的に開放される規定流量弁を更に形成し、前記規定流量弁は前記第１流量弁の開放前には開放され、前記規定流量弁は前記第２流量弁の開放前には開放されている
請求項１〜４から選択される１請求項の揚水システム。
【請求項６】
前記揚水ポンプと前記流量調整回路との間に介設される放水弁を更に構成する
請求項１〜４から選択される１請求項の揚水システム。
【請求項７】
前記流量調整回路と前記上池との間に介設される逆止弁を更に構成する
請求項１〜４から選択される１請求項の揚水システム。
【請求項８】
前記揚水管は、ダムの下池と前記ダムの上池とを接続する
請求項１〜７から選択される１請求項の揚水システム。
【請求項９】
ダムの上池と前記ダムの下池とを接続する揚水管と、
前記揚水管に介設される揚水ポンプと、
前記揚水管に介設される流量調整回路とを構成し、
前記流量調整回路は、
第１充水ラインと、
第２充水ラインとを形成し、
前記第１充水ラインには第１流量調整弁と第１オリフィスが介設され、
前記第２充水ラインには第２流量調整弁と第２オリフィスが介設される揚水システムを用いて揚水する揚水方法であり、
前記第１流量調整弁を開放して第１レベルまで揚水する第１ステップと、
前記第２流量調整弁を開放して第２レベルまで揚水する第２ステップとを構成し、
前記第１ステップは、前記揚水ポンプの両端間圧力を調整するステップを形成し、
前記第２ステップは、前記揚水ポンプの両端間圧力を調整するステップを形成する
揚水方法。
【請求項１０】
前記第２流量調整弁の開放は前記第１流量調整弁の全閉の後に実行される
請求項９の揚水方法。
【請求項１１】
前記流量調整回路は揚水中に常態的に開放される規定流量弁を更に形成し、
前記規定流量弁を前記第１流量弁の開放前に開放し、且つ、規定流量弁を前記第２流量弁の開放前に開放するステップを更に構成する
請求項１０の揚水方法。
【請求項１２】
前記第２流量調整弁の開放は前記第１流量調整弁の開放と同時的に実行される
請求項９の揚水方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚水システム、及び、揚水方法に関し、特に、ダムの下池からそれの上池に水を汲み上げる揚水システム、及び、揚水方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
余剰電力を貯蔵する発電システムとして、揚水発電が知られている。揚水発電所には、揚水ポンプが付属している。ポンプの運転には、安定性が求められる（後掲特許文献１）。ポンプの運転には、最小流量の制御が求められる（後掲特許文献２）。ポンプ流量を電動弁とポンプ回転数と制御することは、知られている（後掲特許文献３）。複数の圧力調整弁で吐出圧力を切り替えることは、知られている（後掲特許文献４）。
【０００３】
このような制御の他に、揚水発電所の鉄管を初めて充水する際には、運転領域（揚程）が広いことが求められる。更に、低効率運転領域の長時間充水の回避が求められる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０５−２６３７８３号
【特許文献２】
特開平０７−２０８３４６号
【特許文献３】
特開２００１−２２４４９号
【特許文献４】
特開２００１−１１６００９号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、運転領域（揚程）が広い揚水システム、及び、揚水方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、運転領域が広く、且つ、充水時間を短縮する揚水システム、及び、揚水方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、更に、運転中の安全性と信頼性が高い揚水システム、及び、揚水方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００７】
本発明による揚水システムは、揚水管（３）と、揚水管（１０）に介設される揚水ポンプ（１）と、揚水管（１０）に介設される流量調整回路（１１又は１１’）とから構成されている。流量調整回路（１１）は、第１充水ライン（１６）と、第２充水ライン（１７）とから形成されている。第１充水ライン（１６）には第１流量調整弁（２２，２２’）と第１オリフィス（２３，２３’）が介設されている。第２充水ライン（１７）には第２流量調整弁（２４，２４’）と第２オリフィス（２５，２５’）が介設されている。第１流量調整弁（２２，２２’）の開動作は第２流量調整弁（２４，２４’）の開動作に対して時間的に遅延され、第１流量調整弁（２２，２２’）の開動作に対応して揚水ポンプ（１）は第１レベルまで揚水し、第２流量調整弁（２４，２４’）の開動作に対応して揚水ポンプ（１）は第２レベルまで揚水する。
【０００８】
本発明による、第１充水で汲み上げられる水の勢いをそのままに利用して、第１充水で第１レベルまで汲み上げられる水を第２充水で第２レベルまで汲み上げることができる。第１充水と第２充水では、ともにポンプを最高効率付近で運転することができ、且つ、第１充水と第２充水では、ともに運転領域の範囲を拡大することができる。
【０００９】
揚水ポンプに並列に接続される圧力調整路（１３）が更に追加されている。圧力調整路（１３）は第１流量調整弁（２２，２２’）の開動作と第２流量調整弁（２４，２４’）の開動作とのそれぞれに基づいて揚水ポンプの出入口間の圧力を調整する。このような積極的圧力調整は、動作範囲を効率的に拡大し、且つ、汲み上げの嵩上げの足し加えを実現する。
【００１０】
第１流量調整弁（２２）と第２流量調整弁（２４）とは並列に接続され、第１オリフィス（２３）は第１流量調整弁（２２）に直列に接続される。第２オリフィス（２５）は第２流量調整弁（２４）に直列に接続される。このように並列化される流量調整弁の個数の増加は任意である。第１流量調整弁（２２’）と第２流量調整弁（２４’）とは直列に接続され、第１オリフィス（２３’）は第１流量調整弁（２２’）に並列に接続され、第２オリフィス（２５’）は第２流量調整弁（２４’）に並列に接続される。このような直列化は、最高効率点に近づけてポンプを運転することができる。
【００１１】
流量調整回路（１１）には、揚水中に常態的に開放される規定流量弁（１９）が追加される。規定流量弁（１９）は第１流量弁（２２）の開放前には開放され、規定流量弁（１９）は第２流量弁（２４）の開放前には開放されている。規定流量弁（１９）はポンプの締切運転を防止することができる。揚水ポンプ（１）と流量調整回路（１１）との間に介設される放水弁（１４）が追加される。放水弁（１４）は、試運転時のポンプを保護する。流量調整回路（１１）と上池との間に逆止弁（１２）が追加される。逆止弁は、複数の揚水工程を円滑に連鎖させることができる。本発明による揚水システムは、ダムの揚水に用いられて特に有益であるが、揚水一般に利用され得る。
【００１２】
本発明による揚水方法は、既述の揚水システムを用いていて、第１流量調整弁を開放して第１レベルまで揚水する第１ステップと、第２流量調整弁を開放して第２レベルまで揚水する第２ステップとから構成されている。第１ステップは、揚水ポンプ（１）の両端間圧力を調整するステップを備えている。第２ステップは、揚水ポンプ（１）の両端間圧力を調整するステップを備えている。第２流量調整弁の開放は第１流量調整弁の全閉の後に実行される。規定流量弁を第１流量弁の開放前に開放し、且つ、規定流量弁を第２流量弁の開放前に開放することは安全のために有効である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による揚水システムは、蛇尾側ダムの揚水発電所が適用対象に選ばれ、図１に示されるアーチ断面に現れる水路構造に充水ポンプ１が設けられている。その水路は、揚水管１０により形成されている。その水路は、上池側水平部分２と、落差形成部分３と、発電側水平部分４と、下池側緩傾斜部分５とから形成されている。充水ポンプ１は、発電側水平部分４と下池側緩傾斜部分５との間に介設されている。充水ポンプ１の発電時上流側に水車６が配置されている。水車６の発電時上流側に発電時入口弁７が配置されている。上池側水平部分２の発電時下流側に上位サージタンク３’が上池側水平部分２に接続して配置され、下池側緩傾斜部分５の発電時上流側に下位サージタンク５’が下池側緩傾斜部分５に接続して配置されている。落差形成部分３の落差は、３１０ｍより大きい。
【００１４】
図２は、本発明による揚水システムの実施の形態を示している。上池（ダムアーチ上側水面）と下池（ダムアーチ下側水面）との間に介設される水車６と並列に、揚水回路８が設けられている。揚水回路８は、揚水時に全開され発電運転時に全閉される揚水時全開弁９と、既述の充水ポンプ１と、流量調整並列弁回路１１と、逆止弁１２とから構成されている。水車６と揚水回路８とは、下池と発電時入口弁７との間に並列に介設されている。充水ポンプ１の両側の圧力差は、圧力調整器１３により調整され、３段階に設定され得る。流量調整並列弁回路１１と充水ポンプ１との間には、試運転時の安全のために放水する放水弁１４が介設されている。
【００１５】
流量調整並列弁回路１１は、ミニフローライン１５と、第１充水ライン１６と、第２充水ライン１７と、第３充水ライン１８とから形成されている。ミニフローライン１５と第１充水ライン１６と第２充水ライン１７と第３充水ライン１８とは、充水ポンプ１と発電時入口弁７（又は、上池）との間で、互いに並列関係で接続している。ミニフローライン１５には、ミニフロー弁１９とミニフロー流量計測用オリフィス２１とにより形成されている。第１充水ライン１６には、第１流量規定弁２２と第１流量計測用オリフィス２３とにより形成されている。第２充水ライン１７には、第２流量規定弁２４と第２流量計測用オリフィス２５とにより形成されている。第３充水ライン１８には、第３流量規定弁２６と第３流量計測用オリフィス２７とにより形成されている。第１流量規定弁２２の揚程は、ミニフロー弁１９の揚程に同じである。流体力学では、揚程である落差距離はその落差に起因する流体速度に対応する。今の場合、揚水管である発電時落下誘導管は同一物体であり、その誘導管の断面積は一定値に規定されているので、流体速度は流量に対応する。自然落下では、初速が零であれば、流量Ｑと落差距離（揚程）Ｈの関係は、Ｑ＝Ｋ√（Ｈ）で表される。流体抵抗のような物理的ノイズが無視されれば、弁から吐出される水の流量（速度に比例）Ｑが定められれば、揚水管の中で落差Ｈの揚水が可能である。ミニフロー流量計測用オリフィス２１と第１流量計測用オリフィス２３と第２流量計測用オリフィス２５と第３流量計測用オリフィス２７とによりそれぞれに４つの流量が計測され、その計測流量に基づいて規定されるミニ流量Ｑ０と第１流量Ｑ２と第３流量Ｑ３が、ミニフロー弁１９の開度と第１流量規定弁２２の開度と第２流量規定弁２４の開度と第３流量規定弁２６の開度のそれぞれの制御により調整される。後述されるように、それらの開度は移行過程を除いて、全開と全閉のいずれかである。
【００１６】
図３〜図５は、充水プロセスのステップフローを示している。図３に示されるように、初期ステップＳ０では、第１流量規定弁２２と第２流量規定弁２４と第３流量規定弁２６の開度はそれぞれに全閉であるが、ミニフロー弁１９の開度は手動で全開に設定される。その手動は、ミニフロー弁１９の点検のために重要である。このような複数弁の全閉全開信号とモータインタロック信号とに基づいて、ステップＳ１で、充水ポンプ１が起動される。ステップＳ１の動作と同時的に動作するステップＳ２では、充水ポンプ１の両端間の差圧は、第１規定力差（例示：５０ｋｇ以上／単位面積）に調整される。第１規定圧力差と充水ポンプ１の出力とに基づいて、充水ポンプ１を通る水の水量は１０立方ｍ／ｍｉｎに設定的に規定される。この規定水量は、設計点水量（９立方ｍ／ｍｉｎ）の１１０％に設定されている。
【００１７】
そのように圧力差が調整された後に規定時間（例示：３秒）が経過すれば、ミニフロー弁１９に水が流れ込むミニフロー運転が始まり（ステップＳ３）、そのミニフロー運転と同時的に、第１流量規定弁２２の開度が全開に設定される（ステップＳ４）とともに、充水ポンプ１の両端間の差圧は、第２規定圧力差（例示：６９ｋｇ以上／単位面積）に調整される（ステップＳ５）。この第２規定力差は、ミニフロー弁１９のミニフローを最大流量に設定する。ステップＳ５の後に３秒が経過した時点で、ミニフロー弁１９と第１流量規定弁２２の全開に対応する揚程に充水される（ステップＳ６）。このような第１充水の揚程は、１６５ｍに相当する。その第１充水が完了して、第１流量規定弁２２の開度はステップＳ７で全閉に設定される。ステップＳ７に続くステップＳ８で、上池側水平部分２の開度は全閉から全開に移行する。充水ポンプ１の両端間の差圧は、再度に調整され既述の第２規定圧力差に等しい第３規定圧力差（例示：既述の６９ｋｇ以上／単位面積）に再調整される（ステップＳ９）。第３規定圧力差に再設定されて３秒が経過すれば、第２流量規定弁２４の全開に基づく第２充水（ステップＳ１０）による揚程の増加分は約１４５ｍであり、第１充水と第２充水とに基づく揚程は、既述の３１０ｍである。ミニフロー弁１９の全開に基づく揚程分が３１０ｍに足し加えられていて、落差形成部分３の落差分に相当する揚程が得られている。ステップＳ１０に続くステップＳ１１で、第２流量規定弁２４の開度は全閉に再設定される。第３流量規定弁２６の全開に基づいて、ステップＳ１３で、第３充水が行われる。この第３充水により、落差形成部分３の最上端から上池の基準面（上池側水平部分２の開口部位の最低ライン）まで水面が押し上げられる。第３充水の対応する揚程の増加分は、約５０ｍである。この５０ｍは、上池の貯水量の増減が見込まれて設定されている値である。ステップＳ１４で、充水ポンプ１の両端間の差圧は、再再度に調整され既述の第３規定圧力差に等しい第４規定圧力差（例示：既述の６９ｋｇ以上／単位面積）に再再調整される。
【００１８】
ステップＳ１４に続くステップＳ１５で、第４規定圧力差に再再設定されて７０秒が経過すれば、充水ポンプ１の開度は全閉に設定される。ステップＳ１５に続いて、ミニフロー弁１９の開度はマニュアル操作により全閉に設定されるとともに、ステップＳ１７でマニュアル操作により、第３流量規定弁２６の開度が全閉に設定される。ステップＳ１４に続いて、充水ポンプ１の全閉に時間的に先立って、第３流量規定弁２６の全閉はマニュアル操作により可能である（ステップＳ１８）。
【００１９】
ステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３、ステップＳ４、ステップＳ５、ステップＳ６、ステップＳ７、ステップＳ８、ステップＳ９、ステップＳ１０、ステップＳ１１、ステップＳ１２、ステップＳ１４、ステップＳ１５、ステップＳ１６は、自動化が可能であり、且つ、ステップＳ１〜Ｓ１６は自動化されることが好ましい。ミニフロー弁１９のミニフロー量検知ミスによるポンプ締切り運転とその焼付きのような事故の発生の回避の点で、充水ポンプ１の運転中には、ミニフローライン１５は常態的にアクティブであることが好ましい。ミニフローライン１５の存在は、流量可変時のショックを緩和することができる点で更に好ましい。放水弁１４は、正規充水運転に先立つポンプ単体試運転の際に有効に利用される。
【００２０】
図４は、既述の揚水プロセスの揚程を示している。図４で、横軸は流量調整並列弁回路１１の下流側端の流量Ｑを示し、縦軸は揚程を示している。ステップＳ１０で第２充水が行われ第２流量規定弁２４が全閉されたときの揚程は、ロスがなければ３１０ｍである。第２流量Ｑ２が約１１立方ｍ／ｍｉｎであるときの管路抵抗ΔＨは、約１５ｍである。第２充水による揚程は、約３２５ｍに達している。この３２５ｍは、ミニフロー弁１９による初期充水分は含まれていない。
【００２１】
ミニフロー弁１９による初期充水分に対応する揚程分と第３充水分に対応する揚程分とが３２５ｍに足し加えられる。第３流量規定弁２６の吐出流量は約１１立方ｍ／ｍｉｎから約７立方ｍ／ｍｉｎまで規定時間範囲で徐々に減量される。第３流量規定弁２６の吐出流量が約７立方ｍ／ｍｉｎになった時点で、点Ｒと点Ｓとの間の曲線で示されるように、第３充水による揚程が定まり、第３充水による揚程は管路抵抗が差引かれて４７５ｍに到達している。点Ｓは、第３流量規定弁２６による充水が終了して第３流量規定弁２６が全閉される時点に対応している。第３充水の有効流量Ｑ３は、約１１立方ｍ／ｍｉｎと７立方ｍ／ｍｉｎの間の平均値である約９立方ｍ／ｍｉｎである。この９立方ｍ／ｍｉｎは、充水ポンプ１の最高効率点として設計されている設計値である。徐々に流量が変化するが、最高効率点近傍の運転が行われている。ステップＳ１２とステップＳ１４の間のステップＳ１３のうちの部分ステップＳ１９である充水完了手続区間では、ミニフロー弁１９のミニマム流量（最低補償流量）は、７立方ｍ／ｍｉｎから０立方ｍ／ｍｉｎに連続的に低下する。そのミニマム流量が約２立方ｍ／ｍｉｎになった時に、ミニフロー弁１９単独の流量−揚程曲線３１と流量減少過程の流量−揚程曲線３２との交点Ｔで、全充水プロセスが完了する。流量−揚程曲線３３は、第３充水開始時のミニフロー流量計測用オリフィス２１のオリフィス系抵抗の存在を示している。全揚程は、約５２５ｍである。
【００２２】
このような圧力調整揚オリフィスライン１６，１７，１８の並列的複数化による３段階積上げ型揚水は、最も負荷が大きい運転期間の第３充水の第３流量Ｑを最高効率点近傍で運転することができ、且つ、下池側の水を最高速で揚水管に充填することができる。充水ポンプ１の両端間の圧力調整は、充水ポンプ１の両端間の圧力を検知して電気信号を出力し、充水ポンプ１を駆動する電動モータのパワー出力を連続的に又は段階的に切り換える圧力検知スイッチ（図示されず）により、揚水工程を自動化することができる。
【００２３】
図５は、本発明による揚水システムの実施の他の形態を示している。実施の本形態の揚水回路８には、実施の既述の形態の流量調整並列弁回路１１に代えられて、流量調整直列弁回路１１’が設けられている。流量調整直列弁回路１１’は、第１流量規定弁２２’と第２流量規定弁２４’と第３流量規定弁２６’との直列接続で構成されている。第１流量規定弁２２’と第２流量規定弁２４’と第３流量規定弁２６’とには、それぞれに並列に、第１流量計測用オリフィス２３’と第２流量計測用オリフィス２５’と第３流量計測用オリフィス２７’とが個別的に接続されている。このような直列接続では、実施の既述の形態のミニフローライン１５は不要である。
【００２４】
図６に示されるように、第１流量規定弁２２’が全開されて第１流量Ｑ１は、８立方ｍ／ｍｉｎに初期設定され１０立方ｍ／ｍｉｎまで連続的に増加される。次に、その第１流量Ｑ１は、１０立方ｍ／ｍｉｎから８立方ｍ／ｍｉｎまで連続的に減少される。このような第１充水で、揚程は第１レベルＨ１に到達する。次に、第２流量規定弁２４’が更に全開されて第２流量Ｑ２は、８立方ｍ／ｍｉｎに初期設定され１０立方ｍ／ｍｉｎまで連続的に増加され、次に、その第２流量Ｑ２は、１０立方ｍ／ｍｉｎから８立方ｍ／ｍｉｎまで連続的に減少される。このような第２充水で、加算揚程は第２レベルＨ２に到達する。次に、第３流量規定弁２６が更に全開されて第３流量Ｑ３は、８立方ｍ／ｍｉｎに初期設定され１０立方ｍ／ｍｉｎまで連続的に増加され、次に、その第３流量Ｑ３は、１０立方ｍ／ｍｉｎから８立方ｍ／ｍｉｎまで連続的に減少され、更に、０立方ｍ／ｍｉｎまで連続的に減少される。このような第３充水で、加算揚程は第３レベルＨ３に到達する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明による揚水システム、及び、揚水方法は、運転領域を拡大することができる。その結果、充水時間を短縮することができる。更に、運転中の安全性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による揚水システムの適用対象を示すダムの断面図である。
【図２】図２は、本発明による揚水システムの実施の形態を示す揚水回路図である。
【図３】図３は、本発明による揚水システムの実施の形態を示す動作フロー図である。
【図４】図４は、揚水経過を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明による揚水システムの実施の他の形態を示す揚水回路図である。
【図６】図６は、他の揚水経過を示すグラフである。
【符号の説明】
１１…流量調整回路
１２…逆止弁
１３…圧力調整路
１４…放水弁
１９…規定流量弁
２２，２２’…第１流量調整弁
２３，２３’…第１オリフィス
２４，２４’…第２流量調整弁
２５，２５’…第２オリフィス
【図１】
0003691035.tif 000002
【図２】
0003691035.tif 000003
【図３】
0003691035.tif 000004
【図４】
0003691035.tif 000005
【図５】
0003691035.tif 000006
【図６】
0003691035.tif 000007