(57)【要約】【課題】流量と落差を有する水配管に設置する水力発電設備の水車を設置する水配管の流量と落差の変化があっても、水車の効率が最大となる最適回転速度に調整できる水力発電設備を構成する。【解決手段】水車と発電機が直結された状態の回転速度を、水車が設置された水配管の流量の変化と、放水部の水位をから求めた落差の変化に応じて、水車の効率が最高効率となる最適回転数になるように、水車と直結された発電機は交流電圧励磁方式とし、発電機の励磁電圧の励磁周波数を流量の変化と水位計が検出した水位から求めた落差の変化に応じて水車の効率が最高効率となる最適回転速度になるように、発電機回転子の励磁電圧の励磁周波数を制御して励磁する構成とした。【選択図】        図１
2004180378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水設備の落差と流量が得られる水配管に設置された水車と、該水車に直結された発電機と、上記水配管の流量を検出する流量計と、放水側水位を検出する水位計と、上記流量計が検出した流量と上記水位計が検出した水位から求めた落差に応じて、上記水車を最適回転速度に制御する回転速度制御手段とからなり、上記発電機は、回転子が交流電圧で励磁され、商用周波交流電圧で出力する構成であり、上記回転速度制御手段は、上記流量と落差に対応して上記水車が最高効率となる最適回転速度を演算し、該最適回転速度における上記発電機回転子の磁界の回転速度が、出力される商用周波交流電圧に対応する同期速度となるように発電機回転子励磁電圧の励磁周波数を演算する可変速制御装置と、励磁電源を上記発電機回転子励磁電圧の励磁周波数の交流電圧に変換して上記発電機回転子を励磁する可変速変換器とで構成されていることを特徴とする水力発電設備。
【請求項２】
水設備の落差と流量が得られる水配管に設置された水車と、該水車に直結された発電機と、上記水車が設置された水配管と並列に配管され、上記水車が設置された水配管の流量を調整するバイパス流量調整バルブを有するバイパス管と、上記水配管の流量を検出する流量計と、放水側水位を検出する水位計と、設定された流量及び落差に対応して水車が最高効率となる最適回転速度に制御する回転速度制御手段と、上記水車が設置された水配管の流量を最適流量に制御する流量制御装置とからなり、上記発電機は、回転子が交流電圧で励磁され、商用周波交流電圧で出力する構成であり、上記回転速度制御手段は、上記最適回転速度で回転する発電機回転子励磁電圧の励磁周波数を演算する機能と、上記水配管の流量と落差の変化に対応して、水車が上記最適回転速度において最高効率となる水車設置部分の最適流量を演算する機能とを備えた回転制御装置と、励磁電源を水車及び発電機が上記最適回転速度で回転する励磁周波数に変換して上記発電機回転子を励磁する励磁電圧変換器とで構成され、上記流量制御装置は、水車設置部分の流量が上記最適流量になるように、上記バイパス流量調整バルブの開度を調整して上記バイパス管に分流させる制御を行う構成としたことを特徴とする水力発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、火力発電所または原子力発電所の冷却水配管や上水道などの水設備の配管等において、流量と落差がある流水配管に設置される水力発電設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
火力または原子力等の汽力発電所の循環水設備、工場における給排配水設備、上下水道の給水設備等の自然流下している水設備の流量と落差がある配管部分に水力発電設備を設置して発電することにより、従来捨てられていたエネルギを有効に利用することができるようになる。このような水力発電設備は、まだ実用されている例は少ないが、例えば「非特許文献１」にマイクロ水車の水力発電設備の概要が紹介されている。
汽力発電所の循環水設備、上下水道の給水設備等の配管に設置する水力発電設備は、極力設置スペースを小さくし、機器のコストを低くすることが必要なために水車は調速装置を持たない構成であり、発電機は水車の上に取り付けられたいわゆるパッケージ型に構成されたものが多く使用される。
【０００３】
これらの水力発電設備は、設置する場所が汽力発電所の循環水設備の放水管、水道設備の給排水管などの途中に設置されるものであり、この部分に設置された水力発電設備は点検・故障等により停止することがあり、この場合にも通水できる状態を確保するために水車を設置する部分にはバイパス管が並列に設けられている。
【０００４】
また、水力発電設備はシンプルにするために水車には調速装置は設けられていないが、調速装置がないと回転速度の制御ができないので、非特許文献１の図５に示されたように周波数調整を電気的に行う方式が採られている。具体的には発電機は交流電圧で励磁し、励磁周波数を調整することにより回転速度を制御する構成が採用されている。水車は流量、落差が変化すると効率が低下し、常時高効率で運転することはできないが、従来は無駄に捨てられていたエネルギーを有効に利用できるようになるというものである。
【０００５】
【非特許文献１】
電気学会雑誌  １２１巻  ２号（２００１年）Ｐ１１９〜Ｐ１２２、（３．マイクロ水車、図３、図５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、汽力発電所の循環水設備、上下水道の給排水設備等に設置する水力発電設備は、極力設置スペースを小さくし、機器のコストを低くするために水車は、流量調整機能や調速装置を持たない構成であり、回転速度は外部の発電機励磁回路の周波数を調整することにより行う方法が採られ、水車は流量と落差に任せた運転となり、流量・落差の変化がある場合には水車の効率も変化して、常時高効率での運転ができないという問題点があった。
【０００７】
この発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、流量および落差が変化した場合にも水車の効率が低下しない水力発電設備を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る水力発電設備は、水設備の落差と流量が得られる水配管に設置した水車とこの水車に直結された発電機と、水配管の流量を検出する流量計と、放水側水位を検出する水位計と、流量計が検出した流量と水位計が検出した水位から求めた落差に応じて水車の効率が最高効率となる最適回転速度に制御する回転速度制御手段とからなり、発電機は、回転子が交流電圧で励磁され、商用周波交流電圧で出力する構成とし、回転速度制御手段は、流量と落差に対応した水車が最高効率となる最適回転速度を演算し、最適回転速度における発電機の回転子磁界の回転速度が、出力される商用周波交流電圧に対応する同期速度となる発電機回転子の励磁周波数を演算する可変速制御装置と、励磁電源を発電機回転子励磁電圧の励磁周波数の交流電圧に変換して発電機回転子を励磁する可変速変換器とで構成したものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は実施の形態１の水力発電設備のブロック図である。この図１は、火力発電所または原子力発電所等の汽力発電所で継続的でかつ安定流量が確保できる循環水設備の水配管に水力発電設備を適用した場合の構成を示すものである。
【００１０】
この構成は、取水口３から取水するポンプ２、吸水管４、復水器１、水配管５を経由して、水車１１の部分とバイパスバルブ７を備えたバイパス管６は並列配置として放水管８に接続し、放水口９から海中に放水する配管ルートで構成されている。バイパス管６は水力発電設備の点検時や故障時に通水できるように設けられているものである。
【００１１】
汽力発電所における復水器１の循環水は、流量Ｑが安定的に確保でき、ほぼ一定の落差Ｈを有しているものであり、この部分に水力発電設備を設置すると次式に示す電力Ｐが発電できる。
Ｐ＝９．８×Ｑ×Ｈ×η（η：発電効率）
【００１２】
水車１１は小形軽量で設置スペースを小さくし、発電機１２は水車１１と直結され、水車１１と一体輸送が可能なように構成されている。水配管５に流量計１３を設けて流量Ｑを検出し、放水管８の放水口９側の水位を水位計１４で検出し、この検出した水位と復水器１の出口側の位置との差が発電に寄与する落差Ｈとなる。
【００１３】
水車１１に調速装置がないので、発電機１２は交流励磁方式とし、励磁電圧の周波数を調整することにより、回転速度が水車１１と発電機１２とが一体で制御できる。回転速度は、流量計１３により検出した流量Ｑと、水位計１４が検出した水位と復水器１の出口側の位置との差の落差Ｈの条件において、回転速度制御手段１５により、水車１１の効率が最高効率となる最適回転速度に制御される。回転速度制御手段１５は、流量Ｑと落差Ｈにおける水車１１の最適回転速度と、その回転速度となる発電機１２の回転子の励磁電圧の励磁周波数を演算する可変速制御装置１６と、可変速制御装置１６が演算した励磁周波数に基づいて、電源電圧を励磁周波数の交流電圧に変換し、発電機１２の回転子を励磁する可変速変換器１７とで構成されている。
【００１４】
起動・停止等の運転制御は制御装置１８で制御され、発電機の出力は回路設備１９を介して負荷に接続される。
【００１５】
水車１１は設置される部分の流量Ｑと落差Ｈにおいて効率が最高効率となる最適回転速度で運転されるように製作されており、回転速度が一定であって、流量Ｑ、落差Ｈに変化があると水車１１の効率は低下する。流量Ｑと落差Ｈに対応して最高効率となる最適回転速度がある。実際の汽力発電所の復水器１に循環する水配管の放出口８の海面は、潮の干満により変化して水車１１の回転力に寄与する落差Ｈが変化する。流量Ｑ、落差Ｈの変化がある場合には、変化に対応した最適回転速度に制御すれば最高効率を維持した運転が可能となる。
【００１６】
水車１１の回転速度の具体的な制御方法は、可変速制御装置１６に予め水車１１の流量Ｑと落差Ｈの変化に対応する水車１１が最高効率となる最適回転速度の関係を記憶しておき、検出された流量Ｑおよび落差Ｈに対応して最適回転速度を求め、求めた最適回転速度になる発電機１２の回転子を励磁する励磁電圧の励磁周波数を演算し、励磁電源を励磁周波数の交流電圧に可変速変換器１７において変換し、発電機１２の回転子を励磁することにより、水車１１が流量Ｑと落差Ｈの変化に対応して最高効率になる最適回転速度に制御することができる。
【００１７】
このように制御することにより、汽力発電所における、復水器１の循環水の出口と放出口９の間に保有するエネルギを効率よく回収することができる。
【００１８】
上記の構成は、汽力発電所における復水器１に循環した循環水の海中への放水部分に水力発電設備を設置した場合について説明したが、同様の構成を安定した流量Ｑと落差Ｈが得られる場合の例えば水処理設備の給排水管などにも適用できることはいうまでもない。
【００１９】
実施の形態２．
図２は実施の形態２の水力発電設備のブロック図である。実施の形態２は、水車の回転速度を一定とし、水車の効率を最大効率に維持するために、水流をバイパス管に分流させて水車設置部分の流量が最適流量になるように制御する実施の形態である。
【００２０】
実施の形態２の水力発電設備は、図１の構成とほぼ同一であるが、回転速度は設定された流量および落差に対応して水車が最高効率になる最適回転速度に固定した制御となり、水配管の水車を設置する部分に並列にバイパス管を設け、流量Ｑ、落差Ｈの変化に対して水車に流す流量Ｑを最適流量Ｑａに制御するものである。図２の構成は、取水口３、循環ポンプ２、給水管４、復水器１、水配管５の復水器１の出口部分、放水管８、放水口９、水車１１、発電機１２、流量計１３、水位計１４、水車１１および発電機１２を制御する制御装置１８、発電機１２の出力を負荷に供給する回路設備１９は実施の形態１の図１の構成と同一である。
【００２１】
配管ルートは、復水器１の循環水の出口の水配管５から水車１１を設置する水配管２１とバイパス管２２に分岐して並列に配管し、バイパス管２２にはバイパス流量調整バルブ２３を設け、放水管８でまとめて放水するように構成している。流量計１３は水配管５の部分に設置している。
【００２２】
発電機１２は水車１１に直結して設置し、その回転速度を制御する回転速度制御手段２５は、回転制御装置２６と励磁電圧変換器２７とで構成し、回転制御装置２６は水車１１に対して安定的に得られる流量Ｑａと落差Ｈａの条件で最高効率が得られる最適回転速度に制御するものであり、発電機１２の励磁電圧の励磁周波数を出力する機能と、流量計１３が検出した流量Ｑの変化と、水位計１４が検出した水位から求めた落差Ｈの変化に対応し、水車１１が上記の最適回転速度とした一定の状態で最高効率が得られる最適流量Ｑｏを演算し、流量計１３が検出した流量Ｑから最適流量Ｑｏを差し引いた流量差をバイパス流量Ｑｂの制御信号として流量制御装置２８に出力する機能を備えた構成であり、励磁電圧変換器２７は、回転制御装置２６から励磁電圧の励磁周波数に対応し、励磁電源を励磁周波数の交流電圧に変換し、発電機１２の回転子を励磁する構成である。
【００２３】
流量制御装置２８は、回転制御装置２６からのバイパス流量Ｑｂの制御信号に基づいてバイパス流量調節バルブ２３の開度を制御して水配管２１の流量が最適流量Ｑｏになるように制御する。
【００２４】
このように水車１１と発電機１２の回転速度を一定にし、水車１１の部分の流量を最適流量Ｑｏに制御する構成にすると、回転速度制御手段２５の回転制御装置２６および励磁電圧変換器２７の構成が単純化されて、コストメリットが得られ、流量Ｑおよび落差Ｈの変化が大きな場合にも高効率で安定的にエネルギの回収ができる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明に係る水力発電設備は、水車と発電機が直結された状態の回転速度を水車が設置された水配管の流量変化と、放水部の水位から求めた落差の変化に応じて、水車の効率が最高効率となる最適回転速度になるように制御する構成としたことにより、水力発電設備として常時最高効率で運転され、流量と落差が得られる水配管部分が保有するエネルギを効率よく回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の水力発電設備の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態２の水力発電設備の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  復水器、２  循環水ポンプ、３  取水口、４  給水管、５  水配管、
６  バイパス管、７  バイパスバルブ、８  放水管、９  放水口、１１  水車、
１２  発電機、１３  流量計、１４  水位計、１５  回転速度制御手段、
１６  可変速制御装置、１７  可変速変換器、１８  制御装置、
１９  回路設備、２１  水配管、２２  バイパス管、
２３  バイパス流量調節バルブ、２５  回転速度制御手段、
２６  回路制御装置、２７  励磁電圧変換器、２８  流量制御手段。
【図１】
2004180378.tif 000003
【図２】
2004180378.tif 000004