(57)【要約】【課題】上流側の水を下流側に至るまでに確実に減圧するとともに、この減圧分に相当する水のエネルギーを効率よく利用する。【解決手段】上流側からの水圧を減圧する第１の水車と、第１の水車の下流側の水圧を減圧する減圧装置と、減圧装置に接続されるバイパス管と、第１の水車の回転数が所定回転数未満であるとき、第１の水車と減圧装置を接続し、第１の水車の回転数が所定回転数以上であるとき、第１の水車とバイパス管を接続する切替装置とを備え、減圧装置又はバイパス管から流出する水は、被冷却機構を冷却するための冷却水として、被冷却機構に供給される水圧減圧装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上流側からの水圧を減圧する第１の水車と、
前記第１の水車の下流側の水圧を減圧する減圧装置と、
前記減圧装置に接続されるバイパス管と、
前記第１の水車の回転数が所定回転数未満であるとき、前記第１の水車と前記減圧装置を接続し、前記第１の水車の回転数が前記所定回転数以上であるとき、前記第１の水車と前記バイパス管を接続する切替装置と、を備え、
前記減圧装置又は前記バイパス管から流出する水は、被冷却機構を冷却するための冷却水として、前記被冷却機構に供給される
ことを特徴とする水圧減圧装置。
【請求項２】
前記切替装置は、前記第１の水車の上流側のバルブが開き、前記第１の水車と前記減圧装置が接続された初期状態から、前記第１の水車の回転数に応じて、前記第１の水車と前記減圧装置、又は、前記第１の水車と前記バイパス管を選択的に切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の水圧減圧装置。
【請求項３】
上流側からの水圧を減圧する第１の水車と、
前記第１の水車の回転に応じて発電する第１の発電機と、
前記第１の発電機の発電量を検出する検出器と、
前記第１の水車の下流側の水圧を減圧する減圧装置と、
前記減圧装置に接続されるバイパス管と、
前記検出器の検出結果に応じて、前記第１の発電機の発電量が所定発電量未満であるとき、前記第１の水車と前記減圧装置を接続し、前記第１の発電機の発電量が前記所定発電量以上であるとき、前記第１の水車と前記バイパス管を接続する切替装置と、を備え、
前記減圧装置又は前記バイパス管から流出する水は、被冷却機構を冷却するための冷却水として、前記被冷却機構に供給される
ことを特徴とする水圧減圧装置。
【請求項４】
前記切替装置は、前記第１の水車の上流側のバルブが開き、前記第１の水車と前記減圧装置が接続された初期状態から、前記第１の発電機の発電量に応じて、前記第１の水車と前記減圧装置、又は、前記第１の水車と前記バイパス管を選択的に切り替える
ことを特徴とする請求項３に記載の水圧減圧装置。
【請求項５】
前記第１の水車は、主水管から分岐する副水管を流れる水の水圧を減圧し、
前記被冷却機構は、前記主水管を流れる水が供給される第２の水車の回転に応じて発電する第２の発電機である
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の水圧減圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水圧減圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、発電機等の大型の可動機構を備えたプラントでは、発熱する可動部分を冷却する設備が必要である。冷却方法としては、例えば、このような発熱箇所に設けられた金属配管に冷却水を流して同箇所を冷却する水冷が有効である。特に、プラントの付近の同プラントよりも高い位置に冷却水の供給源がある場合、この高低差により得られる位置エネルギーを利用すれば、運転コストを殆どかけることなく、供給源（上流側）からプラント（下流側）まで冷却水を導くとともに、発熱箇所に設けられた配管に所定の水圧で冷却水を流すことができる。
【０００３】
但し、前述した高低差が大きいが故にプラントでの冷却水の水圧が高すぎる場合、配管や冷却対象（発熱箇所）等がこの水圧によって損傷する虞がある。そこで、特許文献１では、冷却水の上流側と下流側との間に、冷却用として必要且つ十分な所定水圧となるまで冷却水を減圧するための減圧手段が開示されている。この減圧手段は、具体的には、配管に設けられる例えば弁体等であり、同配管内の開通部分の大きさをこの弁体によって調節することにより、同開通部分を通過する冷却水の摩擦や衝突等による圧力損失を通じて、冷却水を前述した所定水圧まで減圧するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−９７１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した減圧手段による減圧では、折角の高低差により生じた冷却水の位置エネルギーも、下流側の水圧を得るため以外は、前述した摩擦や衝突等による熱エネルギーや振動エネルギー等になってしまうため、このような有効利用の困難な熱エネルギーや振動エネルギー等は無駄に捨てられていた。
【０００６】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上流側の水を下流側に至るまでに確実に減圧するとともに、この減圧分に相当する水のエネルギーを効率よく利用することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための発明は、上流側からの水圧を減圧する第１の水車と、前記第１の水車の下流側の水圧を減圧する減圧装置と、前記減圧装置に接続されるバイパス管と、前記第１の水車の回転数が所定回転数未満であるとき、前記第１の水車と前記減圧装置を接続し、前記第１の水車の回転数が前記所定回転数以上であるとき、前記第１の水車と前記バイパス管を接続する切替装置とを備え、前記減圧装置又は前記バイパス管から流出する水は、被冷却機構を冷却するための冷却水として、前記被冷却機構に供給される水圧減圧装置である。
【０００８】
この水圧減圧装置によれば、第１の水車の回転数が所定回転数以上であるとき、上流側の水が下流側に対し有している位置エネルギーを第１の水車の回転エネルギーに変換することによって、上流側の水を減圧して被冷却機構を冷却するための冷却水にできる。即ち、上流側の水を被冷却機構の冷却に好適な水圧まで減圧できるとともに、この水の減圧分に相当する位置エネルギーが利用効率の高い回転エネルギーとして得られる。一方、第１の水車の回転数が所定回転数未満であるとき、第１の水車による減圧能力を、減圧装置による減圧能力で補うことによって、上流側の水を減圧して被冷却機構を冷却するための冷却水にできる。即ち、上流側の水を被冷却機構の冷却に好適な水圧まで減圧できるとともに、第１の水車の回転数に応じた回転エネルギーが得られる。以上から、前述した切替装置の切り替えの基準となる所定回転数を、下流側の水を例えば所定水圧に維持し且つ上流側の水が下流側に対し有している位置エネルギーを第１の水車の回転エネルギーに効率よく変換するために最適な回転数に設定することにより、上流側の水を下流側に至るまでに確実に減圧するとともに、この減圧分に相当する水のエネルギーを効率よく利用できる。
【０００９】
また、前記課題を解決するための発明は、上流側からの水圧を減圧する第１の水車と、前記第１の水車の回転に応じて発電する第１の発電機と、前記第１の発電機の発電量を検出する検出器と、前記第１の水車の下流側の水圧を減圧する減圧装置と、前記減圧装置に接続されるバイパス管と、前記検出器の検出結果に応じて、前記第１の発電機の発電量が所定発電量未満であるとき、前記第１の水車と前記減圧装置を接続し、前記第１の発電機の発電量が前記所定発電量以上であるとき、前記第１の水車と前記バイパス管を接続する切替装置とを備え、前記減圧装置又は前記バイパス管から流出する水は、被冷却機構を冷却するための冷却水として、前記被冷却機構に供給される水圧減圧装置である。
【００１０】
この水圧減圧装置によれば、前述した切替装置の切り替えの基準となる所定発電量を、下流側の水を例えば所定水圧に維持し且つ上流側の水が下流側に対し有している位置エネルギーを第１の水車の回転エネルギーを経由して第１の発電機の電気エネルギー（発電量）に効率よく変換するために最適な発電量に設定することにより、上流側の水を下流側に至るまでに確実に減圧するとともに、この減圧分に相当する水のエネルギーを第１の発電機の発電量として効率よく利用できる。
【００１１】
本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、上流側の水を下流側に至るまでに確実に減圧するとともに、この減圧分に相当する水のエネルギーを効率よく利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態にかかる水圧減圧装置及び同水圧減圧装置を備える水力発電装置の構成例を示す模式図である。
【図２】本実施形態にかかる水圧減圧装置の動作を司る構成の一例を示すブロック図である。
【図３】本実施形態にかかる水力発電装置を起動する際の制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本実施形態にかかる第１の発電機の発電量が僅かなときの水圧減圧装置における水流及び水圧の様子を説明する図である。
【図５】第１の発電機の発電量が所定発電量未満のときの水圧減圧装置における水流及び水圧の様子を説明する図である。
【図６】第１の発電機の発電量が所定発電量以上のときの水圧減圧装置における水流及び水圧の様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。  
図１及び図２を参照しつつ、本実施形態にかかる水圧減圧装置１０の構成例について説明する。図１は、本実施形態にかかる水圧減圧装置１０及び同水圧減圧装置１０を備える水力発電装置１の構成例を示す模式図であり、図２は、この水圧減圧装置１０の動作を司る構成の一例を示すブロック図である。
【００１５】
水圧減圧装置１０は、一般に、高低差による水の位置エネルギーを利用して上流側の水を下流側へ送水する送水管路を有する装置に適用されるが、本実施形態では、水力発電装置１に適用する場合について説明する。この水力発電装置１は、同水力発電装置１よりも高い位置にある不図示の貯水槽から導いた水のエネルギーを利用して発電する。具体的には、水力発電装置１は、貯水槽から水を導く水圧鉄管６（主水管）と、水圧鉄管６に設けられ貯水槽と第２の水車２を格納するケーシング３との間を接続又は遮断する水圧鉄管入口弁７と、第２の水車２と接続された第２の発電機５（被冷却機構）と、水圧鉄管６から分岐された副水管１０１に設けられ水圧鉄管６と水圧減圧装置１０との間を接続又は遮断する副水管入口弁９（バルブ）と、以下述べる水圧減圧装置１０と、第２の水車２を回転させた後の水を排出するためのドラフトチューブ４とを備えている。尚、前述した第２の発電機５は、発電するための発電機コイル（不図示）及びロータ（不図示）と、このロータと第２の水車２とを接続する主軸５ａと、この主軸５ａを回転可能に軸支する軸受け部（不図示）と、軸受け部や発電機コイル等の被冷却箇所に冷却水を導く冷却水配管１０５とを備えている。この冷却水配管１０５は、上流側は、副水管１０４を介して水圧減圧装置１０に接続され、下流側では、排水管１０６を介してドラフトチューブ４に接続されており、この排水管１０６には冷却水の流量を測定する流量計１１が設けられている。更に、前述した副水管１０１における水圧鉄管６と副水管入口弁９との間には、水圧鉄管６と副水管入口弁９との間の逆流を防止する逆止弁８が設けられている。
【００１６】
水圧減圧装置１０は、副水管入口弁９と冷却水配管１０５との間に介設され、副水管１０１における同水圧減圧装置１０よりも上流側の水圧を冷却水として適切な所定水圧まで減圧する。具体的には、水圧減圧装置１０は、第１の水車１１０と、第１の発電機１１１と、検出器１１２と、減圧装置１１５と、バイパス管１０３と、切替弁（切替装置）１１４と、制御部（切替装置）２０（図２）とを備え、水に含まれる塵等を除去するためのストレーナ１１３を更に備えている。
【００１７】
第１の水車１１０は、副水管１０１に設けられた例えばマイクロ水車であり、副水管１０１を副水管入口弁９の側から流れる水の水圧により回転し、この回転によって同水圧を減圧する。  
第１の発電機１１１は、第１の水車１１０に接続されたロータ（不図示）と、発電機コイル（不図示）とを備え、第１の水車１１０の回転に伴って、発電機コイルに対しロータが回転することによって発電する。尚、第１の発電機１１１は、第１の水車１１０の内部に設けられていてもよい。
【００１８】
検出器１１２は、例えば電圧計であり、第１の発電機１１１の発電量を検出する。  
切替弁１１４は、副水管１０１から副水管１０２及びバイパス管１０３が分岐する分岐点に設けられた例えば三方弁であり、副水管１０１と、副水管１０２又はバイパス管１０３の何れか一方のみとを選択的に接続する。  
減圧装置１１５は、副水管１０２に設けられた例えば自動減圧弁であり、副水管１０２を切替弁１１４の側から流れる水の水圧を所定水圧に減圧する。
【００１９】
バイパス管１０３は、副水管１０１から流れる水を、減圧装置１１５の下流側にバイパスする管であり、具体的には、減圧装置１１５が設けられた副水管１０２から切替弁１１４によって分岐した後、同副水管１０２に合流して副水管１０４となっている。尚、この副水管１０４は、前述したように、冷却水配管１０５に接続されている。
【００２０】
制御部２０は、図２に例示されるように、前述した、検出器１１２と、副水管入口弁９と、切替弁１１４と、水圧鉄管入口弁７と、流量計１１とを統括制御するものである。ここで、副水管入口弁９、切替弁１１４、及び水圧鉄管入口弁７は、例えば電磁弁等である。  
この制御部２０は、不図示のＣＰＵ及びメモリを備え、同メモリに格納された所定のプログラムに基づいて、後述する水圧減圧装置１０の動作にかかる処理を実行する。
【００２１】
図３乃至図６を参照しつつ、前述した構成を備えた水圧減圧装置１０の動作例について説明する。図３は、水力発電装置１を起動する際の制御部２０の処理手順を示すフローチャートである。図４は、第１の発電機１１１の発電量が僅かなときの水圧減圧装置１０における水流及び水圧の様子を説明する図である。図５は、第１の発電機１１１の発電量が所定発電量未満のときの水圧減圧装置１０における水流及び水圧の様子を説明する図である。図６は、第１の発電機１１１の発電量が所定発電量以上のときの水圧減圧装置１０における水流及び水圧の様子を説明する図である。
【００２２】
尚、図４乃至図６の夫々に例示される白抜きの矢印は、水圧減圧装置１０の上流側から下流側における各地点の水の進行方向を同矢印の方向によって表わすとともに、水圧の大小の傾向を同矢印の太さによって表わしている。また、図４乃至図６の夫々に例示される第１の水車１１０の回転を表わす太字の矢印は、その長さによって、夫々の第１の水車１１０の回転数の大小の傾向を表わしている。更に、図４乃至図６の夫々に例示される水圧を表わす折れ線は、水圧減圧装置１０の各箇所における水圧の相対的な傾向を理解するためのものである。
【００２３】
先ず、初期状態として、副水管入口弁９が閉状態であって水圧鉄管６と水圧減圧装置１０との間を遮断しており、切替弁１１４が第１の水車１１０と減圧装置１１５とを接続しており、水圧鉄管入口弁７が閉状態であって貯水槽とケーシング３との間を遮断しているものとする。つまり、水力発電装置１は停止状態となっている。
【００２４】
図３に例示されるように、水力発電装置１を起動する場合、制御部２０は、副水管入口弁９を開放する（Ｓ１００）。この状態では、図４の白抜きの矢印で示されるように、水は第１の水車１１０及び減圧装置１１５を流れる。但し、副水管入口弁９が開放された直後の過渡状態では、第１の水車１１０の回転の開始に伴って、第１の発電機１１１が発電を開始するとともに、同第１の水車１１０の下流側の水圧が減圧され始めたばかりであるため、第１の水車１１０による水の減圧量は僅かである。そこで、減圧装置１１５が、第１の水車１１０からの水を減圧して、副水管１０４に流出させる。つまり、図４の水圧を表わす折れ線に示されるように、貯水槽と第２の水車２との高低差に対応する第１水圧は、例えば減圧装置１１５に至るまで維持された後、減圧装置１１５によって所定水圧（＝（第１水圧）−ΔＰ（目標減圧値））まで減圧される。尚、この所定水圧とは、冷却水配管１０５や第２の発電機５の被冷却箇所等に損傷を及ぼすことなく、同被冷却箇所を効率的に冷却可能な水圧を意味する。以上から、水圧減圧装置１０は、上流側の水を下流側に至るまでに確実に減圧して冷却水とすることができる。
【００２５】
図３に例示されるように、制御部２０は、検出器１１２によって検出された第１の発電機１１１の発電量が所定発電量に達しているか否かを判断する（Ｓ１０１）。尚、この所定発電量とは、副水管１０４側の水を前述した所定水圧に維持しつつ第１の水車１１０の回転を前述した過渡状態から後述する定常状態へ切り替えるための基準となる発電量である。
【００２６】
第１の発電機１１１の発電量が所定発電量未満であると判別した場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）、制御部２０は、ステップ１０１の処理を再度実行する。ここで、例えば、第１の発電機１１１の発電量が所定発電量に達する直前の状態では、図５の白抜きの矢印で示されるように、水は第１の水車１１０及び減圧装置１１５を流れ、これは前述した図４の場合と同じである。但し、図５の場合には、前述した図４の場合と比べて第１の水車１１０の回転数がより大きくなることによって、第１の水車１１０の上流側の第１水圧は、同第１の水車１１０の下流側の第２水圧まで減圧された後、減圧装置１１５によって所定水圧まで減圧される。
【００２７】
第１の発電機１１１の発電量が所定発電量以上であると判別した場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、制御部２０は、切替弁１１４の方向を切り替え、第１の水車１１０とバイパス管１０３とを接続する（Ｓ１０２）。この状態では、図６の白抜きの矢印で示されるように、水は第１の水車１１０を流れるが、減圧装置１１５には流れない。また、第１の水車１１０は、所定発電量に対応する回転数で回転する定常状態にあるため、同第１の水車１１０のみによって、その上流側の第１水圧は、その下流側の所定水圧まで減圧される。
【００２８】
つまり、前述したステップＳ１０１：Ｙｅｓにおいて、第１の水車１１０の回転数が所定電力量に対応する所定回転数以上であるとき、目標減圧値ΔＰに相当する位置エネルギーを第１の水車１１０の回転エネルギーを経由して電気エネルギー（第１の発電機１１１の発電量）に変換することによって、上流側の第１水圧の水を下流側で所定水圧の冷却水にできる。即ち、上流側の水を所定水圧まで減圧できるとともにΔＰに相当する位置エネルギーが第１の発電機１１１の発電量として得られる。一方、前述したステップＳ１０１：Ｎｏにおいて、第１の水車１１０の回転数が所定電力量に対応する所定回転数未満であるとき、第１の水車１１０による減圧能力を減圧装置１１５による減圧能力で補うことによって、上流側の第１水圧の水を下流側で所定水圧の冷却水にできる。即ち、上流側の水を所定水圧まで減圧できるとともに第１の水車１１０の回転数に応じた電気エネルギーが発電機１１１の発電量として得られる。以上から、前述した切替弁１１４の切り替えの基準となる所定発電量を、下流側で所定水圧を維持し且つΔＰに相当する位置エネルギーを第１の水車１１０の回転エネルギーを経由して第１の発電機１１１の電気エネルギー（発電量）に効率よく変換するために最適な発電量に設定することにより、上流側の水を下流側に至るまでに確実に減圧するとともに、この減圧分に相当する水のエネルギーを第１の発電機１１１の発電量として効率よく利用できる。
【００２９】
次に、制御部２０は、流量計１１によって測定された冷却水配管１０５内の冷却水の流量が所定流量に達しているか否かを判断する（Ｓ１０３）。尚、所定流量とは、第２の発電機５の被冷却箇所を冷却するために必要な冷却水の流量である。  
冷却水配管１０５内の冷却水の流量が所定流量未満であると判別した場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）、制御部２０は、ステップ１０３の処理を再度実行する。
【００３０】
冷却水配管１０５内の冷却水の流量が所定流量以上であると判別した場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）、制御部２０は、水圧鉄管入口弁７を開放する。これによって、冷却水が第２の発電機５の被冷却箇所を冷却している状態で、第２の水車２を回転させて第２の発電機５を起動するため、被冷却箇所の発熱を抑制しつつ水力発電装置１の運転を開始できる。  
このような水力発電装置１では、水圧減圧装置１０を備えることによって、第２の発電機５の発電量に加えて更に第１の発電機１１１の発電量が得られるため、同水力発電装置１を管理する発電所の運用コストを低減することができる。
【００３１】
尚、前述した水圧減圧装置１０は、例えば第１の水車１１０の回転数が故障等により低下した場合等であっても、同低下に応じて第１の発電機１１１の発電量が所定発電量未満になったと判別すると、切替弁１１４を切り替えて、第１の水車１１０の低下した減圧能力を、減圧装置１１５の減圧能力で補うことによって、冷却水配管１０５への冷却水を確実に減圧するようになっていてもよい。
【００３２】
また、前述した実施形態では、水圧減圧装置１０は、第１の発電機１１１及び検出器１１２を備え、検出器１１２によって検出された第１の発電機１１１の発電量に応じて、切替弁１１４の切り替え制御を行なうものであった。但し、これに限定されるものではなく、例えば、第１の水車１１０の回転数を検出するためのパルスエンコーダやカウンタ等の検出器を備え、同検出器によって検出された第１の水車１１０の回転数に応じて、切替弁１１４の切り替え制御を行なうものであってもよい。
【００３３】
更に、前述した実施形態では、第１の水車１１０の回転は、減圧に加えて、発電に用いられるものであったが、これに限定されるものではなく、この回転エネルギーを電気エネルギー以外に変換してもよい。
【００３４】
前述した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されるとともに、本発明にはその等価物も含まれる。
【００３５】
前述した実施形態では、水圧減圧装置１０は水力発電装置１に適用されることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、冷却を必要とする可動機構を備えたプラントや、上水道や工業用水などの導水、送水、配水管路を備える装置等に適用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  水力発電装置        ２  第２の水車        ３  ケーシング
４  ドラフトチューブ    ５  第２の発電機      ６  水圧鉄管
７  水圧鉄管入口弁      ８  逆止弁            ９  副水管入口弁
１０  水圧減圧装置      １１  流量計          ２０  制御部
１０１、１０２、１０４  副水管                １０３  バイパス管
１０５  冷却水配管      １０６  排水管        １１０  第１の水車
１１１  第１の発電機    １１２  検出器        １１３  ストレーナ
１１４  切替弁          １１５  減圧装置
【図１】
2011089476.tif 000003
【図２】
2011089476.tif 000004
【図３】
2011089476.tif 000005
【図４】
2011089476.tif 000006
【図５】
2011089476.tif 000007
【図６】
2011089476.tif 000008