(57)【要約】【課題】被給水側の末端での圧力を一定化することができる、ポンプ逆転水車型発電設備を提供する。【解決手段】ポンプ逆転水車型発電設備は、少なくとも圧力検出器３０により検出された圧力Ｐ２と、流量検出器３１により検出された流量Ｑとに基づいて、被給水部２１の末端の推定圧力である末端推定圧力Ｐｅｎｄを算出し、この末端推定圧力Ｐｅｎｄが一定となるようにポンプ逆転水車６０の回転数を制御する運転制御部１５を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水部と被給水部とを接続する管路に介設されたポンプ逆転水車と、
前記ポンプ逆転水車の主軸にその回転軸が連結された発電機と、
前記ポンプ逆転水車よりも前記被給水部側の前記管路に設けられた圧力検出手段と、
前記ポンプ逆転水車よりも前記被給水部側の前記管路に設けられた流量検出手段と、
少なくとも前記圧力検出手段により検出された圧力と、前記流量検出手段により検出された流量とに基づいて、前記被給水部末端の推定圧力である末端推定圧力を算出し、この末端推定圧力が一定となるように前記ポンプ逆転水車の回転数を制御する、制御手段と
を備えるポンプ逆転水車型発電設備。
【請求項２】
前記制御手段は、
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なる式に基づいて前記末端推定圧力を算出する、請求項１に記載のポンプ逆転水車型発電設備。
【請求項３】
前記ポンプ逆転水車より前記給水部側の前記管路と、前記ポンプ逆転水車と前記流量検出手段及び前記圧力検出手段との間の前記管路とを接続する、バイパス管路と、
前記ポンプ逆転水車よりも前記給水部側における前記管路と前記バイパス管路の接続部と、前記ポンプ逆転水車との間の前記管路に介設された、常開の仕切弁と、
前記バイパス管路に介設された通常時は全閉の流量制御弁と
をさらに備え、
前記制御手段は、
前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最小流量以下であれば、前記仕切弁を閉弁して前記ポンプ逆転水車を停止させ、かつ前記流量制御弁の開度を前記末端推定圧力が一定となるように制御し、
前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最大流量以上であれば、前記ポンプ逆転水車の回転数を一定とし、前記仕切弁を開弁状態で維持し、かつ前記流量制御弁の開度を前記末端推定圧力が一定となるように制御する、請求項１又は請求項２に記載のポンプ逆転水車型発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小規模水力発電に適したポンプ逆転水車型発電設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、汎用のポンプを発電機の駆動のためにポンプ逆転水車として使用する発電設備が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、特許文献２には、水道の送水管に発電用のポンプ逆転水車を介設し、このポンプ逆転水車の吐出側（二次側）の圧力が一定となるように、ポンプ逆転水車の回転数を制御する発電設備が記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
登録実用新案第２５１７８７８号（第１図）
【特許文献２】
特開２００２−２５７０２６号公報（図３）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献２に記載のもののような二次圧一定制御では、被給水側の末端での圧力が必ずしも安定しない。例えば、水道施設の場合、二次側圧力を一定にしても、被給水側の末端である水道蛇口直前での圧力は、ポンプ逆転水車から被給水側の末端である水道蛇口の直前までの管路における損失により、一定とならない。
【０００５】
そこで、本発明は、被給水側の末端での圧力を一定化することができる、ポンプ逆転水車型発電設備を提供することを課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、給水部と被給水部とを接続する管路に介設されたポンプ逆転水車と、前記ポンプ逆転水車の主軸にその回転軸が連結された発電機と、前記ポンプ逆転水車よりも被給水部側の前記管路に設けられた圧力検出手段と、前記ポンプ逆転水車よりも前記被給水部側の前記管路に設けられた流量検出手段と、少なくとも前記圧力検出手段により検出された圧力と、前記流量検出手段により検出された流量とに基づいて、前記被給水部末端の推定圧力である末端推定圧力を算出し、この末端推定圧力が一定となるように前記ポンプ逆転水車の回転数を制御する、制御手段とを備えるポンプ逆転水車型発電設備を提供する。
【０００７】
本発明のポンプ逆転水車型発電設備では、制御手段は、被給水部末端の推定圧力である末端推定圧力を算出し、この末端推定圧力が一定となるように前記ポンプ逆転水車の回転数を制御する。従って、被給水側の末端での水圧の定圧化と余剰エネルギの有効利用の両方を実現することができる。また、汎用のポンプを流用したものであるポンプ逆転水車で発電機を駆動することに加え、ポンプ逆転水車とは別個に流量制御弁等のポンプ逆転水車よりも下流側の圧力を一定にするための手段を管路に設ける必要がない。従って、設備の構成が簡便でコストも低減することができる。
【０００８】
具体的には、前記制御手段は、
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なる式に基づいて前記末端推定圧力を算出する。
【０００９】
前記ポンプ逆転水車より前記給水部側の前記管路と、前記ポンプ逆転水車と前記流量検出手段及び前記圧力検出手段との間の前記管路とを接続する、バイパス管路と、前記ポンプ逆転水車よりも前記給水部側における前記管路と前記バイパス管路の接続部と、前記ポンプ逆転水車との間の前記管路に介設された、常開の仕切弁と、前記バイパス管路に介設された通常時は全閉の流量制御弁とをさらに備え、前記制御手段は、前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最小流量以下であれば、前記仕切弁を閉弁して前記ポンプ逆転水車を停止させ、かつ前記流量制御弁の開度を前記末端推定圧力が一定となるように制御し、前記流量検出手段により検出された流量が予め定められた回転数制御可能な最大流量以上であれば、前記ポンプ逆転水車の回転数を一定とし、前記仕切弁を開弁状態で維持し、かつ前記流量制御弁の開度を前記末端推定圧力が一定となるように制御することが好ましい。
【００１０】
かかる構成により、より広い流量範囲で末端推定圧力を一定化することができる。すなわち、ポンプ逆転水車の回転数制御可能な最小流量以下及び最大流量以上の流量範囲では、バイパス管路に設けた流量制御弁の開度を制御することで末端推定圧力が一定に維持される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１実施形態にかかるポンプ逆転水車型発電設備を示している。このポンプ逆転水車型発電設備は、配水槽（給水部）２０と、例えばその末端が水道蛇口である被給水部２１とを接続する送水管（管路）２５に設けられている。送水管２５にはポンプ逆転水車６０が介設されている。ポンプ逆転水車６０よりも被給水部２１側の送水管２５には、ポンプ逆転水車６０の吐出側の圧力（二次圧力Ｐ２）を検出するための圧力検出器３０が設けられている。また、ポンプ逆転水車６０よりも被給水部側２１の送水管２５には、流量検出器３１が設けられている。
【００１３】
このポンプ逆転水車型発電設備は、バイパス管路２３を備えている。このバイパス管路２３は、ポンプ逆転水車６０より配水槽２０側の送水管２５と、ポンプ逆転水車６０と流量検出器３１び圧力検出器３０との間の送水管２５とを接続する。バイパス管路２３には、通常時は全閉であって電気的に開度を調節可能な流量制御弁２７が設けられている。
【００１４】
ポンプ逆転水車６０よりも配水槽２０側では、送水管２５とバイパス管路２３の接続部とポンプ逆転水車６０との間には、常開であって開閉を電気的に制御可能な第１の仕切弁２８Ａか゛設けられている。また、ポンプ逆転水車６０よりも被給水部２１側では、送水管２５とバイパス管路２３の接続部とポンプ逆転水車６０との間に、常開であって手動の第２の仕切弁２８Ｂが設けられている。
【００１５】
本実施形態では、汎用の横軸軸流ポンプをポンプ逆転水車６０として使用している。送水管２５の一部を構成するアウターケーシング６１内には、インナーケーシング６２が配置されている。インナーケーシング６２には先端にプロペラ６３を備えるプロペラ軸６４が支持されている。プロペラ軸６４は、鉛直方向に延びる主軸６６に傘歯歯車機構６５を介して接続されている。アウターケーシング６１上方には、発電機７０が配置されている。
【００１６】
発電機７０の回転軸７１は鉛直方向に延び、その下端がカップリング７２を介してポンプ逆転水車６０の主軸６６に連結されている。また、発電機７０は、回転軸７１に固定された回転子７３と、ケーシング７４に固定された固定子７５とを備えている。回転子７３には磁界発生用の永久磁石（図示せず。）が取り付けられている。一方、固定子７５には電力出力線８０に電気的に接続された出力発生用の巻線（図示せず。）が巻回されている。
【００１７】
上述のように本実施形態では、ポンプ逆転水車６０として、横軸軸流ポンプを使用している。横軸軸流ポンプは比速度Ｎｓが大きく、例えば遠心形の渦巻ポンプのように比速度Ｎｓの小さいポンプと比較すると、流量及び回転数が同じ場合には揚程が小さくなる。
【００１８】
図４は、高比速度のポンプ（例えば軸流ポンプや斜流ポンプ）及び低比速度のポンプ（例えば遠心形の渦巻ポンプ）をポンプ逆転水車として使用した場合の流量と有効落差の関係を示している。図４において、一点鎖線が高比速度のポンプを示し、実線が低比速度のポンプを示している。また、二点鎖線は無拘束の場合を示している。なお、図４においてＲ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４は回転数の例（Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４）を示している。図４の一点鎖線から明らかなように、高比速度のポンプである横軸軸流ポンプをポンプ逆転水車６０として使用している本実施形態では、有効落差が一定であれば、回転数が上昇すると流量が増大し、回転数が低下すると流量が減少する。なお、図４の実線から明らかなように、ポンプ逆転水車６０として低比速度のポンプを使用する場合、有効落差が一定であれば、回転数が低下すると流量が増大し、回転数が上昇すると流量が減少する。
【００１９】
制御盤１０は、電力出力線８０から図示しない負荷側に供給される電力の周波数調整等を行うための電力回路１１を備えている。
【００２０】
また、制御盤１０は、後に詳述するように圧力検出器３０により検出された圧力と、流量検出器３１により検出された流量とに基づいて、発電機７０の回転数（発電機７０に連結されたポンプ逆転水車６０の回転数に比例する。）を制御する、運転制御部（制御手段）１５を備えている。運転制御部１５が発電機７０の回転数を制御する方法には、発電機７０の形式等により種々の態様があるが、本実施形態では固定子７５が備える出力発生用の巻線に供給する電流の周波数ｆを調節することで、回転数を制御している。永久磁石に代えて磁界発生用の巻線を回転子７３に設ける場合には、この巻線に供給する電流の周波数ｆを調節することで、回転数を制御している。運転制御部１５は、仕切弁２８Ａの開閉及び流量制御弁２７の開度の制御も行う。
【００２１】
さらに、制御盤１０は、発電機７０の回転数制御の基準となる末端推定圧力の設定値Ｐｓｅｔを記憶する記憶部１６を備えている。末端推定圧力は、単なるポンプ逆転水車６０の吐出口側（二次側）の圧力ではなく、ポンプ逆転水車６０から被給水部２１の末端（例えば水道蛇口）の直前に至るまでの送水管２５を含む管路の損失による圧力降下を考慮した推定圧力である。末端推定圧力は、例えば下記の式（１）で表される。
【００２２】
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記憶部１６に記憶されている設定値Ｐｓｅｔは発電機７０の回転数制御の目標となる末端推定圧力である。
【００２３】
また、記憶部１６は、後述する発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数制御が可能な最大流量Ｑｍａｘ及び最小流量Ｑｍｉｎを記憶している。
【００２４】
この発電設備では、汎用の横軸軸流ポンプを発電機駆動用のポンプ逆転水車６０として使用している。また、送水管２５にはポンプ逆転水車６０とは別個に流量制御弁等の圧力を調節するための手段を必要がない。これらの点で構成が簡便で、低コストで製造することができる。
【００２５】
次に、このポンプ逆転水車型発電設備の動作を説明する。まず、流量検出器３１の検出流量Ｑが運転制御部１５に入力される。図２を参照すると、運転制御部１５は、検出流量Ｑと最大流量Ｑｍａｘ及び最小流量Ｑｍｉｎを比較する（ステップＳ２−１）。最大流量Ｑｍａｘは流量がそれ以上となると発電機７０の回転数制御が不可能となる流量である。また、最小流量Ｑｍｉｎは流量がそれ以下となるとポンプ逆転水車６０のプロペラ軸６４を回転させるのには動力が必要となる流量（ポンプとしての運転が必要となる流量）である。
【００２６】
ステップＳ２−１において、検出流量Ｑが最小流量Ｑｍｉｎよりも大きく、最大流量Ｑｍａｘ未満である場合には、発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数制御を行う（ステップＳ２−２）。
【００２７】
ステップＳ２−２の処理の詳細について図３を参照すると、まず、運転制御部１５は圧力検出器３０の検出圧力Ｐ２と、流量検出器３１の検出流量Ｑとから、前述の式（１）に基づいて、末端推定圧力Ｐｅｎｄを算出する（ステップＳ３−１）。次に、この算出した末端推定圧力Ｐｅｎｄを記憶部１６に記憶されたＰｓｅｔと比較する（ステップＳ３−２）。
【００２８】
ステップＳ３−２において、末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔ未満であれば、運転制御部１５は発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を上昇させる（ステップＳ３−３）。その結果、送水管２５を通って被給水部２１に供給される水の流量が増加し（ステップＳ３−４）、末端圧力（二次側圧力）が増加する。
【００２９】
一方、ステップＳ３−２において、末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔ以上であれば、運転制御部１５は発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を低下させる（ステップＳ３−６）。その結果、送水管２５を通って被給水部２１に供給される水の流量が減少し（ステップＳ３−７）、末端圧力（二次側圧力）が低下する（ステップＳ３−８）。
【００３０】
このように運転制御部１５は、被給水部２１の末端の推定圧力である末端推定圧力Ｐｅｎｄを算出し、この末端推定圧力Ｐｅｎｄが一定となるように発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を制御する。従って、被給水２１側の末端での水圧の定圧化と余剰エネルギの有効利用の両方を実現することができる。
【００３１】
なお、ポンプ逆転水車６０が低比速度のポンプを使用するものである場合、
末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔ未満であれば、発電機７０（ポンプ逆転水車６０）の回転数を低下させ、末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔ以上であれば、発電機７０の回転数を上昇させればよい。
【００３２】
図２のステップＳ２−１において検出流量Ｑが記憶部１６に記憶された最小流量Ｑｍｉｎ以下であれば、ステップＳ２−３において運転制御部１５は仕切弁２８Ａを閉弁する一方、流量制御弁２７を開弁し、末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔに近付くように、流量制御弁２７の開度を調節する（ステップＳ２−３）。具体的には、上記式（１）に基づいて算出した末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔより高ければ流量制御弁２７の開度を小さくする。逆に、末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔより低ければ流量制御弁２７の開度を大きくする。
【００３３】
一方、図２のステップＳ２−１において検出流量Ｑが記憶部１６に記憶された最大流量Ｑｍａｘ以上であれば、ステップＳ２−４において運転制御部１５は発電機７０の回転数制御を停止して、回転数を一定とする。また、仕切弁２８Ａ，２８Ｂを開弁状態で維持する一方、流量制御弁２７を開弁し、末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔに近付くように、流量制御弁２７の開度を調節する。具体的には、上記式（１）に基づいて算出した末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔより高ければ流量制御弁２７の開度を小さくする。逆に、末端推定圧力Ｐｅｎｄが設定値Ｐｓｅｔより低ければ流量制御弁２７の開度を大きくする。
【００３４】
このように発電機７０の回転数制御が不可能となる流量範囲では、バイパス管路２３に設けた流量制御弁２７の開度を調節することで、より広い流量範囲で末端推定圧力を一定化することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のポンプ逆転水車型発電設備では、末端推定圧力が一定となるように、制御手段がポンプ逆転水車の回転数を制御するので、簡便かつ低コストの構成で、被給水側の定圧化と余剰エネルギの有効利用の両方を実現することができる。また、バイパス管路、仕切弁、流量制御弁をさらに設けることで、より広範な流量範囲で被給水側の定圧化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるポンプ逆転水車型発電装置を示す、概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるポンプ逆転水車型発電装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図３】図２のステップＳ２−２の動作の詳細を説明するためのフローチャートである。
【図４】ポンプ逆転水車の流量と有効落差の関係を示す線図である。
【符号の説明】
１０  制御盤
１１  電力回路
１２  周波数検出器
１５  運転制御部
１６  記憶部
２０  配水槽
２１  被給水部
２３  バイパス流路
２５  送水管
３０  圧力検出器
３１  流量検出器
６０  ポンプ逆転水車
６１  アウターケーシング
６２  インナーケーシング
６３  プロペラ
６４  プロペラ軸
６５  傘歯歯車機構
６６  主軸
７０  発電機
７１  回転軸
７２  カップリング
７３  回転子
７４  ケーシング
７５  固定子
８０  電力出力線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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