(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力発電所の運転管理を支援する水力発電所の運転管理の支援方法において、
該水力発電所のダムに流れ込む水の流域の地形データ及び少なくとも降水情報を含む気象情報を用いて水輸送の数値シミュレーションを行い、
予めデータベース化した前記ダムに流れ込む水の流量変動と任意の土砂粒径範囲毎の土砂濃度の相関関係と前記水輸送の数値シミュレーションで求められた前記ダムに流れ込む水量とから任意の土砂粒径範囲毎の土砂濃度を演算して前記ダムに流れ込む水の任意の土砂粒径範囲毎の土砂濃度を予測し、
水力発電所の発電運転の停止や再開の判断を支援する水力発電所の運転管理の支援方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電所の運転管理の支援方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所の水車及びポンプ水車の水車運転では、雨量が多く発電所流入水量が多い場合に、流水中の土砂による水車などの摩耗を抑制するために、水車を運転停止することがある。従来、水車運転停止に関して、発電所入口で河川水の濁度や土砂を計測する装置を配置して直接測定し、所員が発電の取水や運転停止や再開を判断していた。
【０００３】
特許文献１（特開２００３−２１３６５９号公報）や特許文献２（特開平１０−68118号公報）に開示の方法は、土砂を測定する装置が必要であり、また、これらの方法では河川水中の土砂条件の変動を実測して初めて対応可能となる技術である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２１３６５９号公報
【特許文献２】特開平１０−６８１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１や特許文献２に開示の方法では、土砂を測定する装置が必要となり、その精度を維持するためのメンテナンスも必要である。また、これらの方法では河川水中の土砂条件の変動を実測して初めて対応する方法であり、電力の需要と供給を考慮した発電所の運用という点で、対応が遅くなる場合も考えられる。しかしながら、水中の土砂や流石などによる損傷の激しい水力発電所では、気象条件による増水や濁水によって水力機器への取水口を閉鎖し、水力機器の損傷を防ぐ必要と、電力の需要による発電の必要があり、水中の土砂や流石の濃度や粒径の予測を行い、取水の停止や再開を適切に判断することが望まれる。つまり、水力機器の保全性と電力需要の観点から、水力機器に入る水の土砂や流石の濃度や粒径の予測を行い、取水の停止や再開を適切に判断支援することが望まれる。
【０００６】
本発明の目的は、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理の支援方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の水力発電所の運転管理の支援方法は、該水力発電所のダムに流れ込む水の流域の地形データ及び少なくとも降水情報を含む気象情報を用いて水輸送の数値シミュレーションを行い、予めデータベース化したダムに流れ込む水の流量変動と任意の土砂粒径範囲毎の土砂濃度の相関関係と水輸送の数値シミュレーションで求められたダムに流れ込む水量とから任意の土砂粒径範囲毎の土砂濃度を演算してダムに流れ込む水の任意の土砂粒径範囲毎の土砂濃度を予測し、水力発電所の発電運転の停止や再開の判断を支援する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理の支援方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施形態では、適切に、水力発電所の水力機器の保全性に係わる状況を予測し、適切な運転管理の支援方法を提供する。
【実施例１】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面を用い具体的に説明する。図１は、本発明の一実施例である水力発電所の発電運転の停止・再開の判断を支援するシステムの概略構成とその動作を示す図である。
【００１８】
気象観測装置１は、発電所に流入する河川の源流流域を気象情報観測できるように、１箇所以上、即ち、少なくとも１箇所設置される。気象観測装置１で観測した気象情報は、通信手段２を介して気象情報を管理及び蓄積するサーバー３に送信される。ここで、気象観測装置１は、少なくとも雨量を測定する機能を有するものであって、直接測定方式あるいはレーダー等を用いた間接測定方式を適用することができる。そして、この気象情報には少なくとも降水情報が含まれる。また、気象観測装置１で測定される気象情報は、常時観測されたデータであっても、一定時間間隔の観測データであっても良い。なお、気象観測装置１により観測した気象情報を通信する通信手段２は有線方式であっても無線方式であっても良い。
【００１９】
収集された気象情報は、サーバー３から通信手段４を介して、演算機５に送信される。この通信手段４は有線方式であっても無線方式であっても構わない。また、気象観測装置１とその観測したデータを通信する通信手段２と気象情報を管理及び蓄積するサーバー３は、例えば気象庁や（財）気象業務支援センターや民間の気象情報サービス会社の設備であっても構わない。
【００２０】
演算機５は、水力発電所のダム６に流れ込む水の源流を含む地形データや地質データのデータベースを有している。演算機５では、サーバー３から通信手段４を介して送信される気象情報を受信し、この気象情報と前述の地形データ及び地質データのうち少なくとも地形データとに基づき、ダム６に流れ込む水量と土砂濃度や土砂粒径を演算し、ダム６に流れ込む水量と土砂濃度や土砂粒径を予測し、運転管理する。
【００２１】
次に、図２，図３を用い、具体的な手順を説明する。図２は、ダム６に流れ込む河川水量と河川水中の土砂や流石の濃度や粒径との応答関数の基データとなるデータの一例である。ダム６に流れ込む河川水量とある粒径範囲の土砂濃度との関係は、河川水量の単位時間当りの変化量に関係する応答関数を作成することで予測する。図３は、気象情報入力により本実施例の水力発電所の発電運転の停止・再開の判断までの流れの例を示したフロー図である。
【００２２】
本実施例のシステムでは、水力発電所に流れ込む水の流域の地形データを予め記憶する記憶手段を備えている。この地形データに加えて、地質データを記憶していても良い。また、気象情報としては、気象観測装置１からのリアルタイムで入手可能な降水情報を用いることが望ましい。
【００２３】
そして、本実施例のシステムでは、水力発電所に流れ込む水の流域の地形データと、リアルタイムで入手可能な降水情報に基づき、水力発電所に流れ込む水の流量変動予測値を求める手段（第一の手段）によって、流出解析を行い、流量変動や発電所流入量を予測する。よって、精度の良い情報を速く入手でき、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理方法及びその運転管理システムを提供することができる。
【００２４】
また、本実施例のシステムでは、水力発電所に流れ込む水の流量変動の情報と水中の土砂濃度及び粒径情報との相関関係を予め定められたデータベースを備えている。このデータベースの情報と、求められた流量変動や発電所流入量の予測値に基づき、水中の土砂濃度及び粒径情報を予測する手段（第二の手段）によって、水中の土砂濃度及び粒径情報を予測する。よって、精度の良い情報を速く入手でき、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理方法及びその運転管理システムを提供することができる。
【００２５】
図２は、ダム６に流れ込む河川水量と河川水中の土砂や流石の濃度や粒径との応答関数の基データとなるデータの一例である。つまり、水力発電所に流れ込む水の流量変動の情報と水中の土砂濃度及び粒径情報との相関関係を予め定められたデータベースの基準となるものの一例である。図２は、横軸を経過する時間（ｈ）、縦軸を河川流量，土砂濃度とし、関係を示したものである。黒丸印で太実線は河川流量を示し、四角印で細実線は粒径０〜５０μｍの土砂濃度を示し、三角印で短破線は粒径５０〜１００μｍの土砂濃度を示し、バツ印で長破線は粒径１００〜２００μｍの土砂濃度を示している。このような、流量，土砂濃度，土砂粒径のデータを取得し、蓄積し、夫々の対応関係をデータベース化しておく。種々の条件で補正も可能である。ダム６に流れ込む河川水量と任意の粒径範囲の土砂濃度との関係は、河川水量の単位時間当りの変化量に関係する応答関数を作成することで予測することができる。
【００２６】
本実施例のように、水力発電所に流れ込む水の流域の地形データ及び少なくとも降水情報を含む気象情報に基づき水力発電所の運転管理をするので、土砂情報が予測でき、土砂流入による水力機器の損傷の抑制に対応が可能となる。よって、精度の良い情報を速く入手でき、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理方法及びその運転管理システムを提供することができる。
【００２７】
また、水力発電所のダムに流れ込む水の流域の地形データ、少なくとも降水情報を含む気象情報、及び該水力発電所に流れ込む水の流量と土砂情報との相関データに基づき、水力発電所の運転及び停止の管理をするので、精度良く土砂情報が予測でき、適切に土砂流入による水力機器の損傷の抑制に対応が可能となる。よって、精度の良い情報を速く入手でき、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理方法及びその運転管理システムを提供することができる。
【００２８】
また、少なくとも降水情報を含む気象情報及び水力発電所に流れ込む水の流量と土砂情報との相関データに基づき、水力発電所の運転及び停止の管理をするので、容易に精度良く土砂情報が予測でき、適切に水力機器損傷の抑制を考慮した水力発電所の運転及び停止の管理が可能となる。よって、精度の良い情報を速く入手でき、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理方法及びその運転管理システムを提供することができる。
【００２９】
更に、水力発電所に流れ込む水の流域の地形データと、リアルタイムで入手可能な降水情報に基づき、水力発電所に流れ込む水の流量変動予測値を求め、水力発電所に流れ込む水の流量変動の情報と水中の土砂濃度及び粒径情報との相関関係を予め定められたデータベース及び第一の手段で求められた流量変動予測値に基づき、水中の土砂濃度及び粒径情報を予測するので、容易に精度良く土砂情報である土砂濃度及び粒径が予測でき、適切に水力機器損傷の抑制を考慮し、精度の良い情報を速く入手でき、水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理方法及びその運転管理システムを提供することができる。
【００３０】
そして、具体的には、演算機５で種々の計算がなされる。演算機５には、ダム周辺の地形データの記憶手段が備えられ、少なくとも気象情報が入力される。そして、演算機５では、気象観測装置１で得られた気象情報やその位置データと、予め入手してあるダムに流れ込む水の源流を含む地形データや地質データとを用いて、水と土砂輸送の数値シミュレーションを行い、ダム６に流れ込む水量と土砂濃度や土砂粒径を演算し、予測する。
【００３１】
気象観測装置１で得られた気象情報とその位置データは、演算機５で、そのまま利用しても良いし、演算機５で、欠測点補間や３点重み補間等を行い、水と土砂輸送の数値シミュレーションの入力データとしても良い。
【００３２】
次に、具体的な計算手段及び計算方法について説明する。
【００３３】
ここで、水輸送の数値シミュレーションとしては、例えば、流出モデルとして
Kinematic Waveモデル（等価粗度法），貯留関数法などの物理モデルを用いた降雨流出計算を用いてダム６に流れ込む水量およびその単位当りの時間変化量を予測する。
【００３４】
Kinematic Waveモデルは、一定勾配の急斜面上の流れを表現するため、次の数１，数２を用いて表現される。
【００３５】
【数１】
0004649876.tif 000002
【００３６】
【数２】
0004649876.tif 000003
ここで、ｔ：時間，ｘ：斜面上流からの距離，ｈ：水深，ｑ：斜面単位幅流量，ｒe ：有効雨量，Ｌ：斜面長，α，ｍ：流れの形態で決まる定数である。
【００３７】
貯留関数法は、次の数３，数４を用いて表現される。
【００３８】
【数３】
0004649876.tif 000004
【００３９】
【数４】
0004649876.tif 000005
ここで、ｔ：時間，ｓ：貯留高，ｒe：有効雨量強度，ｑ：直接流出高，ｆ(ｑ)：関数である。
【００４０】
土砂輸送の数値シミュレーションとしては、掃流砂の流砂量式と浮遊砂の流砂量式を用いる。掃流砂の流砂量式としては、例えば、芦田・道上の式，Bagnold の式などがある。芦田・道上の式は、次の数５を用いて表現される。
【００４１】
【数５】
0004649876.tif 000006
ここで、ｑB*：掃流砂量，τ* ：無次元掃流力，τ*c：無次元限界掃流力である。
【００４２】
Bagnold の式は、次の数６を用いて表現される。
【００４３】
【数６】
0004649876.tif 000007
ここで、ｅb ：エネルギー・仕事の効率，φd ：定数，μR ：砂流の動摩擦係数、τ* ：無次元掃流力，τ*c：無次元限界掃流力である。
【００４４】
浮遊砂の流砂量式としては、例えば、Lane・Kalinskeの式などがあり、この流砂量式の基準面における浮遊砂濃度を補足するために、芦田・岡部・藤田の式などがある。
【００４５】
Lane・Kalinskeの式は、次の数７，数８を用いて表現される。
【００４６】
【数７】
0004649876.tif 000008
【００４７】
【数８】
0004649876.tif 000009
ここで、ｑs ：単位幅・単位時間当りの浮遊砂量，ｑ：単位幅流量，Ｃａ：基準面（ｚ＝ａ）における浮遊砂濃度，ａ：流路床から浮遊砂濃度の基準面までの高さ、κ：Karman定数，ｗ0：沈降速度，ｈ：水深，ｕ*：摩擦速度、φ＝ｖ／ｕ*(ｖ：断面平均流速) ，η＝ｚ／ｈ（ｚ：流路床からの距離）である。
【００４８】
芦田・岡部・藤田の浮遊砂の基準面濃度式は、次の数９を用いて表現される。
【００４９】
【数９】
0004649876.tif 000010
なお、ｗ0 ：沈降速度，ｕ* ：摩擦速度，ｙ：横断方向の距離，ν：動粘性係数である。
【００５０】
掃流砂，浮遊砂のそれぞれの輸送計算は、これらいずれかの式を用いるか、地形条件，地質条件，降水条件などによって最適な評価式を使い分けたり、または組み合わせることによって求めることができ、掃流砂と浮遊砂の和から全流砂量を求めることができる。
【００５１】
水輸送の数値シミュレーション結果と土砂輸送の数値シミュレーションとをあわせることにより、河川水中の土砂や流石の濃度や粒径を予測し、発電所における水車運転の停止や再開、あるいは発電所取水の停止や再開を適切に判断することが可能となる。
【００５２】
また、他の実施例として、河川水中の土砂や流石の濃度や粒径を予測するために、気象観測装置１で得られ、通信手段２により気象情報を管理及び蓄積するサーバー３に集約され、通信手段４により、演算機５に送られた気象データと、ダムに流れ込む水の源流を含む地形データとから、演算機５で、前述の水輸送の数値シミュレーションを用いてダム６に流れ込む水量の変化量を予想する。演算機５では、予め用意されたダム６に流れ込む水量の単位時間あたりの変化量と河川水中の土砂や流石の濃度や粒径との応答関数を用いることにより、河川水中の土砂や流石の濃度や粒径を予測し、発電所取水の停止や再開を適切に判断することが可能となる。
【００５３】
以上のように、本実施例では、水力発電所の水力機器に入る流水中の土砂情報である土砂濃度・粒径を直接測定することなく、土砂濃度・粒径を直接測定する装置及びそのメンテナンスが無くとも、河川上流における気象情報から流水中の土砂濃度・粒径を事前予測することが可能となり、経済性に優れ、応答性良く、雨天増水時の水力発電所の取水停止や再開を早い段階で適切に判断することが可能となる効果がある。つまり、速く正確に土砂情報を予測し、メンテナンス性の悪い設備を必要とすることなく、簡易なシステムで容易に、保全性に優れた水力発電所の管理を達成できる。なお、速く正確に土砂情報を予測できるので、電力需要を加味し、運転計画を立案できる。
【００５４】
また、本実施例によれば、河川上流における気象情報から流水中の土砂濃度・粒径を事前予測することにより、雨天増水時の発電所取水の停止や再開を電力需要との関係から計画的に判断することが可能となる効果がある。
【００５５】
また、本実施例によれば、河川上流における気象情報から流水中の土砂濃度・粒径を事前予測することにより、発電量と土砂による摩耗量の最適な運転を実施することが可能となる効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
水力発電所の水力機器の保全性を向上する水力発電所の運転管理の支援方法に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態にかかる水力発電所の発電運転の停止・再開の判断を支援するシステムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態にかかるダム６に流れ込む河川水量と河川水中の土砂や流石の濃度や粒径の時間変化を示す図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる水力発電所の発電運転の停止・再開の判断を支援するシステムのフロー図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…気象観測装置、２，４…通信手段、３…気象情報を管理及び蓄積するサーバー、５…演算機、６…ダム、７…取水口、８…発電所。
【図１】
0004649876.tif 000011
【図２】
0004649876.tif 000012
【図３】
0004649876.tif 000013