(57)【要約】【課題】外部水を発電機や主軸の冷却水として利用し、且つ設備の小型化を図る。【解決手段】水力発電システム１はランナ３と、発電機４と、発電機４をランナ３に連結する主軸７と、主軸７の軸受部１１と、を有する。冷却水供給システム２０は、冷却水を発電機４と軸受部１１に供給する冷却水供給ライン２１ａと、発電機４と軸受部１１から排出された冷却水を冷却水供給ライン２１ａに戻し、冷却水供給ライン２１ａとともに循環経路２１を形成する戻りライン２１ｂと、循環経路２１に設けられた冷却水の冷却手段２９と、外部水を採取し、採取された外部水を冷却水の一部として循環経路２１に導入する外部水採取手段２２と、を有し、冷却手段２２は循環経路２１を流れる冷却水を冷却するヒートポンプ２９ａを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナと、発電機と、前記発電機を前記ランナに連結する主軸と、前記主軸の軸受部と、を有する水力発電システムにおける冷却水供給システムであって、
冷却水を前記発電機と前記軸受部に供給する冷却水供給ラインと、前記発電機と前記軸受部から排出された前記冷却水を冷却水供給ラインに戻し、前記冷却水供給ラインとともに循環経路を形成する戻りラインと、前記循環経路に設けられた前記冷却水の冷却手段と、外部水を採取し、採取された外部水を前記冷却水の一部として前記循環経路に導入する外部水採取手段と、を有し、前記冷却手段は前記循環経路を流れる前記冷却水を冷却するヒートポンプを有する、冷却水供給システム。
【請求項２】
前記水力発電用システムが、前記ランナを収容し前記主軸が貫通するケーシングと、前記ケーシングにおける前記主軸の貫通部を軸封するシール部と、を有する請求項１に記載の冷却水供給システムであって、
前記冷却水供給ラインから分岐し、前記冷却水の一部をシール水として前記シール部に供給するシール水供給ラインを有し、前記外部水採取手段は前記シール水の流量と実質的に同じ流量で外部水を採取し、前記循環経路に導入する、冷却水供給システム。
【請求項３】
前記循環経路に設けられ、前記冷却水中の管閉塞物質を除去する浄化装置を有する、請求項１または２に記載の水力発電用冷却水供給システム。
【請求項４】
前記浄化装置の下流で前記循環経路から分岐し、前記浄化装置の上流で前記外部水採取手段に合流し、前記浄化装置で浄化された冷却水の一部を前記浄化装置の上流側に還流させる還流ラインを有する、請求項３に記載の冷却水供給システム。
【請求項５】
前記浄化装置は前記外部水採取手段で採取された外部水の全量と前記循環経路を循環する前記冷却水の一部を処理する、請求項３または４に記載の冷却水供給システム。
【請求項６】
ランナと、発電機と、前記発電機を前記ランナに連結する主軸と、前記主軸の軸受部と、を有する水力発電システムにおける冷却水供給方法であって、
冷却水を冷却水供給ラインによって前記発電機と前記軸受部に供給することと、
前記発電機と前記軸受部から排出された前記冷却水を、前記冷却水供給ラインとともに循環経路を形成する戻りラインから前記冷却水供給ラインに戻すことによって、前記冷却水を前記循環経路内で循環させることと、
外部水を採取し、採取された外部水を前記冷却水の一部として前記循環経路に導入することと、
前記循環経路に設けられた冷却手段で前記冷却水を冷却することと、を有し、
前記冷却水は前記冷却手段のヒートポンプによって冷却される、冷却水供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電システムにおける冷却水供給システム及び冷却水供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水車発電機の発電機、及び発電機とランナを接続する主軸の軸受部は運転中に連続的な冷却が必要であり、そのための冷却水として一般に河川水が利用されている。特許文献１には、河川水を供給する水圧鉄管から分岐した給水管と、給水管に装着された異物分級器と、異物分級器で異物の量が減少した水を貯める選別槽と、を有し、選別槽の出口からオーバーフローした清浄水を水中軸受の潤滑及び冷却に用いる水中軸受の潤滑システムが開示されている。また、特許文献２には、冷却水が循環する循環路と、循環路に設けられた水熱交換器と、水熱交換器を冷却する冷媒熱交換器とを有する、水力発電所用発電機軸受の冷却システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９５５８５号公報
【特許文献２】特開２００８−１０４３５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２に開示された方法は、冷水を用いるため、軸受を効率的に冷却することができる。しかし、循環路内の冷却水は徐々に失われるため補給が必要となる。また、一般に水力発電所では敷地の制約が大きく、設備の小型化が望まれる場合もある。
【０００５】
本発明は、外部水を発電機や主軸の冷却水として利用でき、且つ設備の小型化が可能な冷却水供給システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はランナと、発電機と、発電機をランナに連結する主軸と、主軸の軸受部と、を有する水力発電システムにおける冷却水供給システムに関する。冷却水供給システムは、冷却水を発電機と軸受部に供給する冷却水供給ラインと、発電機と軸受部から排出された冷却水を冷却水供給ラインに戻し、冷却水供給ラインとともに循環経路を形成する戻りラインと、循環経路に設けられた冷却水の冷却手段と、外部水を採取し、採取された外部水を冷却水の一部として循環経路に導入する外部水採取手段と、を有し、冷却手段は循環経路を流れる冷却水を冷却するヒートポンプを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、外部水を発電機や軸受部の冷却水として利用するため、冷却水の補給が容易である。また、ヒートポンプは冷却効果が非常に高いことから、冷却水の流速を下げることができ、設備全体の小型化が可能になる。従って、本発明によれば、外部水を発電機や主軸の冷却水として利用でき、且つ設備の小型化が可能な冷却水供給システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る水力発電システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る水力発電システムについて説明する。図１は、水力発電システムの概略構成を示している。図において、破線は従来の水力発電システムに一般的に設置される部分を示し、実線は本実施形態に特有の部分を示す。後述するように、本発明は既設の水力発電システムの改造に用いることができ、その場合、破線で示す既設の水力発電システムに実線で示すライン及び装置を適宜追加することで、改造工事を行うことができる。なお、図において網掛け部は河川水または冷却水が存在する部位を示している。
【００１０】
水力発電システム１はランナ３と発電機４とを備えた水車発電機２を有している。ランナ３は水圧鉄管６に接続されたケーシング５に収容されている。ランナ３には主軸７が取り付けられており、主軸７はケーシング５を貫通している。主軸７の上端部はカップリング（図示せず）を介して発電機４に連結されている。水圧鉄管６から供給された河川水がランナ３を回転させることによって、発電機４による発電が行われる。水圧鉄管６には水車発電機２のメンテナンス時に河川水の供給を止めるための入口弁８が設けられている。ケーシング５の下端は放水管９に接続されており、ランナ３を回転させた河川水は放水管９を介して河川などに放水される。
【００１１】
主軸７には上から下に向かって、上部軸受１１ａと下部軸受１１ｂと水車軸受１１ｃ（以下、これらをまとめて軸受部１１という）とが設けられている。発電機４と軸受部１１は蛇管１２（コイル状の管）を備えており、蛇管１２に冷却水を通すことによって冷却される（図には発電機４の蛇管１２のみを示す）。水車軸受１１ｃの下方には、ケーシング５の主軸７の貫通部１３を軸封するシール部１４が設けられている。シール部１４は、軸受水槽１５と、軸受水槽１５の主軸７の貫通部１３に設けられた軸封部１６とを有している。軸受水槽１５は後述する冷却水で満たされている。軸受水槽１５の内部には水中軸受１７が収容されており、水中軸受１７は冷却水によって潤滑され冷却される。
【００１２】
水力発電システム１は、水を冷却する冷却ユニット２９と、発電機４と軸受部１１を冷却する冷却水が循環する循環経路２１と、循環経路２１に接続された河川水採取手段２２と、を有している。循環経路２１は冷却水を発電機４と軸受部１１に供給する冷却水供給ライン２１ａと、発電機４と軸受部１１から排出された冷却水を冷却水供給ライン２１ａに戻し、冷却水供給ライン２１ａとともに循環経路２１を形成する戻りライン２１ｂと、から構成されている。冷却水供給ライン２１ａは、河川水採取手段２２の河川水採取ライン２２ｂが戻りライン２１ｂと合流する第１の合流部Ｍ１から発電機４及び軸受部１１まで延びている。戻りライン２１ｂは発電機４及び各軸受１１ａ，１１ｂ，１１ｃから、冷却水を河川に放水する放水ライン２３が分岐する第１の分岐部Ｄ１まで延び、さらに第１の分岐部Ｄ１から第１の合流部Ｍ１まで延びている。戻りライン２１ｂには第１の弁Ｖ１が、放水ライン２３には第２の弁Ｖ２が設けられ、通常は第１の弁Ｖ１が開けられ、第２の弁Ｖ２が閉じられている。何らかの理由により戻りライン２１ｂの第１の分岐部Ｄ１より下流側に冷却水を流せないときは、第１の弁Ｖ１が閉じられ、第２の弁Ｖ２が開かれ、循環経路２１を流れる冷却水が放水ライン２３から系外に放出される。冷却水供給ライン２１ａ及び戻りライン２１ｂは発電機４と各軸受部１１に接続された分岐管２１ｄを有している（図には発電機４の分岐管２１ｄのみを示す）。冷却水供給ライン２１ａの分岐管２１ｄは蛇管１２を含んでいる。冷却水供給ライン２１ａ上には給水ポンプ２４が設けられている。冷却水は冷却水供給ライン２１ａから発電機４及び軸受部１１に供給され、発電機４及び軸受部１１から戻りライン２１ｂに排出され、冷却水供給ライン２１ａに戻される。すなわち、発電機４及び軸受部１１の冷却水は循環経路２１に沿って循環する。
【００１３】
河川水採取手段２２は、放水管９に設けられた河川水の採取部２２ａと、採取部２２ａから第１の合流部Ｍ１まで延びる河川水採取ライン２２ｂと、河川水採取ライン２２ｂ上に設けられた取水ポンプ２２ｃとを有し、採取部２２ａで採取した河川水を循環経路２１に供給する。取水ポンプ２２ｃの出力を制御することによって、河川水採取ライン２２ｂから循環経路２１に導入される河川水の流量を調整することができる。河川水採取手段２２の採取部２２ａは水圧鉄管６に設けられてもよく、河川自体に設けられてもよい。本実施形態では河川水の水源は放水管９であるが、水源は河川水を供給可能な任意のものであってよい。また、水源は河川水に限らず任意の外部水であってよく、河川水採取手段２２はより一般的には外部水採取手段と捉えることができる。
【００１４】
循環経路２１の冷却水供給ライン２１ａから、シール部１４にシール水を供給するためのシール水供給ライン２５が分岐している。軸封部１６にはケーシング５に流入する河川水の水圧が作用する。このため、河川水がケーシング５の軸封部１６から漏れ出すことを防止ないし抑制するため、シール部１４に高圧のシール水が供給される。シール水は軸封部１６から徐々に漏洩してケーシング５に流出し、最終的に河川に放水される。シール水供給ライン２５はシール部１４で失われるシール水を補填するため、シール部１４に冷却水を供給する。すなわち、河川水採取手段２２はシール水の流量と実質的に同じ流量で河川水を採取し、循環経路２１に導入する。
【００１５】
循環経路２１には冷却水を冷却する冷却ユニット２９が設けられている。冷却ユニット２９はヒートポンプ２９ａと、循環経路２１の冷却水と熱交換する熱交換器２９ｂと、循環ポンプ２９ｃと、循環タンク２９ｄとから構成され、冷却用循環水２９ｅが循環ポンプ２９ｃによってヒートポンプ２９ａと熱交換器２９ｂとの間を循環する。冷却ユニット２９は発電機４及び軸受部１１から除熱することによって温度が上昇した冷却水を冷却する。冷却ユニット２９は冷却水供給ライン２１ａ上に設けられているが、循環経路２１のいずれかの位置に設けられていればよく、還流ライン２７に設けることもできる。冷却ユニット２９はヒートポンプ２９ａの冷媒を圧縮・膨張させる冷凍サイクルにより冷却用循環水２９ｅを低温に保つことができ、熱交換器２９ｂによって冷却水の冷却前後の温度差を大きくすることができる。換言すれば、低温の冷却水を容易に作ることができる。このため、冷却水の流量を抑制することができ、循環経路２１の小口径化、冷却水流量の低減、浄化装置２６の小型化、設置スペースの削減が可能となる。冷却ユニット２９の特性は冷却水の冷却前後の温度差が最大且つ流量が最小となるように設定されることが望ましい。冷却ユニット２９が冷却水から奪った熱は発電所内の温水負荷（図示せず）の他、発電所外の温水負荷（図示せず）にも利用することができる。発電所内の温水負荷としては給湯、暖房、敷地内の融雪などの用途が挙げられる。発電所外の温水負荷としては給湯、暖房、融雪などの他、農業用水、ビニールハウスの暖房などの用途が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１６】
水力発電システム１は冷却ユニット２９のバイパスライン３０を有している。バイパスライン３０は冷却ユニット２９の上流側の第４の分岐点Ｄ４で循環経路２１から分岐し、冷却ユニット２９の下流側の第４の合流部Ｍ４で循環経路２１に合流する。通常は循環経路２１の第７の弁Ｖ７が開かれ、バイパスライン３０の第８の弁Ｖ８が閉じられているが、第７の弁Ｖ７を閉じ、第８の弁Ｖ８を開くことによって、冷却水が冷却ユニット２９をバイパスする。浄化装置２６のバイパスライン２８と同様、冷却ユニット２９に不具合があった場合などに冷却水をバイパスライン３０に流すことによって、発電機４及び軸受部１１への冷却水の供給と、シール部１４へのシール水の供給を続け、発電を継続することができる。
【００１７】
河川水採取ライン２２上には冷却水の浄化装置２６が設けられている。循環経路２１及びシール水供給ライン２５では、河川水に含まれる異物によって流路の部分閉塞または完全閉塞が発生することがある。この傾向は蛇管１２など、小径で屈曲した配管で特に顕著に発生する。流路の閉塞は冷却水量や冷却効率の低下を招き、発電所の安定運転を困難にする。本願発明者は、この流路の閉塞は主に河川水に含まれるシルトに起因することを見出した。シルトは一旦配管の表面に付着すると水流によって除去されにくい。河川水におけるシルトの含有量は豪雨などによって増加しやすいが、通常時の河川水にもシルトは含まれている。本実施形態の浄化装置２６はシルトを効率的に除去する。これにより配管の閉塞が生じにくくなり、発電機４及び軸受部１１の冷却系統の点検周期の延長、配管内点検や清掃に必要なコストの低減などが可能となる。また、場合によっては、発電所の定期点検期間の短縮とそれに伴う稼働率の向上（発電量の増加）も可能となる。
【００１８】
さらに、ヒートポンプ２９ａは冷却効果が非常に高いことから、上述のように循環経路２１の配管口径を小さくすることができ、冷却水の流速を下げることもできる。このため、配管の小口径化や冷却水ポンプの小型化が可能になる。しかし、配管口径が小さくなったり、冷却水の流速が下がることにより、冷却水中の砂や砂利、配管腐食による錆、スケール成分（カルシウム、シリカ等）、イオン成分（鉄、マンガン等）、微生物（スライム等）、その他の管閉塞物質が配管内に堆積しやすくなる。また、冷却水の温度低下により水の粘性が上がるため（例えば２５℃から１０℃に低下するとき、粘性は約１．４倍増加する）、シルトのような水分を多く含む粘性質土の粘性も上がることになり、管閉塞を発生させやすくなる可能性がある。従って、ヒートポンプ２９ａを備えた冷却ユニット２９を用いる場合、循環経路２１上に管閉塞物質を除去する浄化装置２６を備えることは、管閉塞の発生を抑制する上で極めて効果的である。
【００１９】
循環経路２１と河川水採取ライン２２には還流ライン２７が接続されている。還流ライン２７は浄化装置２６の下流側に位置する第２の分岐点Ｄ２で循環経路２１から分岐し、浄化装置２６の上流側の第２の合流部Ｍ２で河川水採取ライン２２に合流する。還流ライン２７は、浄化装置２６で浄化された冷却水の一部を浄化装置２６の上流側に還流させる。循環経路２１の第２の分岐点Ｄ２の下流には第３の弁Ｖ３が、還流ライン２７には第４の弁Ｖ４が設けられており、第３の弁Ｖ３と第４の弁Ｖ４の開度を適切に設定することにより循環経路２１を流れる冷却水の所定の割合を還流ライン２７に流すことができる。
【００２０】
循環経路２１と河川水採取手段２２（河川水採取ライン２２ｂ）と還流ライン２７における冷却水ないし河川水の流量は以下の通りである。まず、第２の分岐部Ｄ２の下流側における冷却水供給ライン２１ａの流量はＱ１＋Ｑ２である。ここで、Ｑ１は発電機４及び軸受部１１の冷却水の流量であり、Ｑ２はシール部１４に供給されるシール水の流量である。前述のようにシール水はケーシング５に流出し回収されないため、戻りライン２１ｂの流量はＱ１となる。本実施形態では放水ライン２３から放水される冷却水はゼロであるので、第１の分岐部Ｄ１の下流側でも戻りライン２１ｂの流量はＱ１となる。河川水採取手段２２からは河川水が流量Ｑ２で採取され、これによってシール部１４で失われたシール水の流量Ｑ２が補填される。還流ライン２７の流量Ｑ３はＱ３＜Ｑ１を満たす範囲で適宜設定することができる。すなわち、冷却水は浄化装置２６で繰り返し処理されることによって高い清浄度となっているため、その都度全量を浄化装置２６で処理する必要はない。しかし、循環経路２１を循環中に鉄クラッドなどの含有量が徐々に増加することがあるため、冷却水の一部が浄化装置２６で処理される。浄化装置２６には循環経路２１から還流ライン２７に取り出された冷却水と河川水採取手段２２で採取された河川水とが流入する。従って、浄化装置２６における流量はＱ２＋Ｑ３となる。浄化装置２６は河川水採取手段２２に設置されているため、河川水採取手段２２で採取された河川水の全量が浄化装置２６で処理される。浄化装置２６で処理された冷却水と河川水は、第１の合流部Ｍ１で、戻りライン２１ｂを流れる冷却水と合流するため、第１の合流部Ｍ１と第２の分岐部Ｄ２との間における循環経路２１の流量はＱ１＋Ｑ２＋Ｑ３となる。そして、第２の分岐部Ｄ２で冷却水の一部（流量Ｑ３）が還流ライン２７に取り出されるため、第２の分岐部Ｄ２の下流側における冷却水供給ライン２１ａの流量はＱ１＋Ｑ２となる。
【００２１】
このように、循環経路２１を流れる冷却水の一部は還流ライン２７を通って浄化装置２６で浄化され、残りが冷却水供給ライン２１ａから発電機４、軸受部１１及びシール部１４に供給される。これによって、循環経路２１を循環する冷却水の水質を常に良好に維持することができる。また、発電機４及び軸受部１１の冷却水は実質的に循環経路２１から失われることはなく、河川水採取手段２２からの河川水の補給はシール水のロス分に限られるため、河川水の取水量も従来と比べて削減できる。冷却水の量は水力発電所の出力に依存するが、中には数１００トン／時オーダーの流量を必要とする場合もあり、従来の一過性（取水した冷却水を再循環しないでそのまま放出する方式）の冷却方式と比べて取水量を大幅に削減することができる。河川水の採取部２２ａを水圧鉄管６に設置した場合は、発電に使用できる河川水の流量が一過性の場合より増えるため、発電量の増加も可能となる。
【００２２】
水力発電システム１は浄化装置２６のバイパスライン２８を有している。バイパスライン２８は浄化装置２６の上流かつ第２の合流部Ｍ２の下流に位置する第３の分岐点Ｄ３で河川水採取ライン２２ｂから分岐し、第１の合流部Ｍ１の上流かつ浄化装置２６の下流に位置する第３の合流部Ｍ３で河川水採取ライン２２ｂに合流する。通常は河川水採取ライン２２ｂの第５の弁Ｖ５が開かれ、バイパスライン２８の第６の弁Ｖ６が閉じられているが、第５の弁Ｖ５を閉じ、第６の弁Ｖ６を開くことによって、冷却水が浄化装置２６をバイパスする。浄化装置２６に不具合があった場合などに冷却水をバイパスライン２８に流すことによって、発電機４及び軸受部１１への冷却水の供給と、シール部１４へのシール水の供給を続け、それによって発電を続けることができる。河川水採取ライン２２ｂの第２の合流部Ｍ２と浄化装置２６との間を流れる水の一部は浄化装置２６によって既に浄化されているため、浄化装置２６が一時的に稼動しなくても、暫くの間はある程度の清浄度の冷却水を発電機４、軸受部１１及びシール部１４に供給することができる。従って、浄化装置２６が一時的に停止した際にも発電を続けることができる。
【００２３】
以上の説明から明らかな通り、冷却水の循環経路２１と、河川水採取手段２２と、シール水供給ライン２５と、河川水採取手段２２上に設けられた冷却水の浄化装置２６と、浄化装置２６のバイパスライン２８と、還流ライン２７と、冷却ユニット２９と、冷却ユニット２９のバイパスライン３０は水力発電システムにおける冷却水供給システム２０を構成する。本実施形態の冷却水供給システム２０は既設の水力発電システムに冷却水の循環経路２１と、河川水採取ライン２２（河川水採取ライン２２ｂ上）に設けられた冷却水の浄化装置２６と、浄化装置２６のバイパスライン２８と、還流ライン２７と、冷却ユニット２９と、冷却ユニット２９のバイパスライン３０とを追加することによっても実現することができる。この際、冷却水供給ライン２１ａと戻りライン２１ｂのうち第１の分岐部Ｄ１までの部分は通常、既設の水力発電システムに設置されているため、第１の分岐部Ｄ１を冷却水供給ライン２１ａと河川水採取ライン２２との接続点（第１の合流部Ｍ１）に接続する戻りライン２１ｂの一部を設けるだけで循環経路２１を実現することができる。
【００２４】
浄化装置２６と冷却ユニット２９は循環経路２１から取り外し可能に設置することができる。一般に水力発電所は立地上の制約から平坦な土地が少なく、点検や補修工事の際に資機材の設置場所を確保するのが困難なことがある。浄化装置２６と冷却ユニット２９を取り外し可能とすることで、資機材の設置場所の確保が容易となることがある。
【符号の説明】
【００２５】
１  水力発電システム
３  ランナ
４  発電機
５  ケーシング
７  主軸
９  放水管（河川水の水源）
１１  軸受部
１４  シール部
２０  冷却水供給システム
２１  循環経路
２１ａ  冷却水供給ライン
２１ｂ  戻りライン
２２  河川水採取手段（外部水採取手段）
２３  放水ライン
２４  給水ポンプ
２５  シール水供給ライン
２６  浄化装置
２７  還流ライン
２８  浄化装置のバイパスライン
２９  冷却ユニット（冷却手段）
２９ａ  ヒートポンプ
３０  冷却ユニットのバイパスライン
【図１】
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