(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランナ室の下端部に接続された吸出し管内に高圧空気を注入し、その吸出し管内に自由水面を作りランナを気中で空転運転し得るようにしたポンプ水車において、上記吸出し管に、その吸出し管内に高圧空気を注入する高圧空気注入管とともに吸出し管内の高圧空気を排出する高圧空気排気管を接続するとともに、上記吸出し管内の自由水面レベルに設定された高圧空気注入停止点よりさらに下方水位位置に自由水面下限点を設定し、吸出し管内の水位が上記自由水面下限点以下になったとき、上記高圧空気排気管に設けられている排気弁を開くようにしたことを特徴とする、ポンプ水車。
【請求項２】
吸出し管には、自由水面下限点の水位を検出する水位センサが設けられ、その水位センサによる検出信号によって高圧空気排気管に設けられている排気弁が開方向に制御されることを特徴とする、請求項１記載のポンプ水車。
【請求項３】
吸出し管にはその吸出し管内の圧力を検出するための圧力センサが設けられ、その圧力センサによる検出信号によって高圧空気排気管に設けられている排気弁が開方向に制御されることを特徴とする、請求項１記載のポンプ水車。
【請求項４】
吸出し管には、高圧空気注入停止点よりさらに下方の所定水位を検出する水位センサが設けられるとともに、自由水面下限点の水位に対応する吸出し管内の圧力を検出する圧力センサが設けられ、上記圧力センサによる検出信号によって高圧空気排気管に設けられている排気弁が開方向に制御されるとともに、上記水位センサによる検出信号によって排気弁が閉鎖されることを特徴とする、請求項１記載のポンプ水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸出し管内に高圧空気を注入してその高圧空気により吸出し管内に自由水面を作り、ランナを空転運転し得るようにしたポンプ水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のポンプ水車などの水力機械は経済性を指向して高落差化しており、このような高落差の水力機械の吸出し高さ或は押込み深さは、キャビテーション防止等の観点から相対的に高くなっており、その結果吸出し管内の水圧力は高いものになっている。
【０００３】
ところで、このようなポンプ水車においては、電力系統の安定化や電力需要の変化に迅速に対応するため、ポンプ水車のランナを長時間にわたって空転させる調相運転が行われることが多い。
【０００４】
図４は、上記調相運転について説明するためのポンプ水車を模式的に示す縦断面図である。
【０００５】
図４において、符号１はポンプ水車のランナ室であって、そのランナ室１内には主軸２の下端に設けられたランナ３が回転可能に配設されている。上記ランナ室１の外周にはスパイラルケーシング４が設けられており、そのランナ室１とスパイラルケーシング４とを連通する流路にガイドベーン５が周方向に配列されている。そして、上記ランナ室１の下端部に吸出し管６が連設されている。
【０００６】
上記吸出し管６には高圧空気注入管７が接続されるとともに、水面レベル検出用の水位検出管８が接続され、その水位検出管８には吸出し管６内に設定された上下２つの水面レベル９ａ，９ｂに対応する水位センサ１０ａ，１０ｂが取り付けられている。
【０００７】
ところで、このようなポンプ水車では、調相運転時に電力負荷を軽減するため、ガイドベーン５を全閉した後、吸出し管６内へ高圧空気注入管７を介して高圧空気を注入してランナ室１内の水を吸出し管６内に排水し、水面９をランナ３の下端部３ａよりも所定距離だけ押し下げ、ランナ３を高圧空気中で回転させることにより駆動トルクの軽減を図っている。
【０００８】
ところが、このような調相運転時にあっては、ランナ３と水面との間の空間の空気は、ランナ３の回転による遠心風圧の作用によって回転方向にかき回され、図４に示すように、水面９には大きな波立ちや揺動が発生する。特に吸出し管６内の圧力が高い場合には顕著となる。
【０００９】
このような状態では、水面９の下に空気が巻き込まれ水中に多量の気泡が浮遊することとなり、そのうち一部分は常時吸出し管６のエルボ部６ａを介して吸出し管６の下流側に向って漏れ出し、結果的に吸出し管６内の水面９が徐々に上昇する。そして、水面９が設定された水面レベル９ａに達したら、水位センサ１０ａがこれを検出して高圧空気注入管７の制御弁７ａを作動させて高圧空気を吸出し管６内に導入し水面９を押し下げる。水面９が設定された水面レベル９ｂまで下降したら、水位センサ１０ｂがこれを検出して高圧空気の供給を停止する。このようにして、水面９はランナ３の下端部３ａより常に所定距離だけ押し下げられた状態に保持され、長時間の調相運転では上記操作が繰り返される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような調相運転を行うポンプ水車Ｐ1 が、図５に示すように、他のポンプ水車Ｐ2 と同じ水圧鉄管１１と放水管路１２を共有した発電所の場合には、当該ポンプ水車の調相運転中に他のポンプ水車に負荷遮断が起ったときに、負荷遮断とほぼ同時に放水管路１２の圧力が短時間であるが低下する。そしてこの水圧低下に応じて、前記ランナ３と吸出し管６内の水面９との間の空間に充填されていた高圧空気が膨張し、水圧と空気圧がバランスするまで水面９が急激に低下することがある。
【００１１】
しかし、水位検出管８に取り付けられている水位センサ１０ａ，１０ｂは、吸出し管６内の前述の如き水面の動きに対処するため水面９ａ，９ｂに対応して設けられているので、上記水面の急激な低下には対処できない等の問題がある。
【００１２】
すなわち、水面９が水面レベル９ｂを越えて大幅に低下した場合には、水面上の空間内の高圧空気が一気に吸出し管６の下流側６ｂに向って漏出し、この結果吸出し管６のエルボ６ａ内へ吸出し管６の下流側から水が急激に流入し、水面が急上昇する。このとき、図６に示すように流入水の一部が、流入時の勢いとさらに吸出し管６内の空気の旋回流の作用によってランナ３まで達することがあり、気中で空転運転しているランナ３に、空気に比べて密度が大きい水が衝突することにより軸入力の変動や振動が発生し、安定した調相運転にとって好ましくない影響を及ぼす。
【００１３】
本発明は、このような点に鑑み、放水管路を共有するポンプ水車のうち一台が調相運転中に他方のポンプ水車に負荷遮断が発生したようなときでも、調相運転中のポンプ水車の押し下げ水面レベルを適性範囲内に制御することができるポンプ水車を得ることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ランナ室の下端部に接続された吸出し管内に高圧空気を注入し、その吸出し管内に自由水面を作りランナを気中で空転運転し得るようにしたポンプ水車において、上記吸出し管に、その吸出し管内に高圧空気を注入する高圧空気注入管とともに吸出し管内の高圧空気を排出する高圧空気排気管を接続するとともに、上記吸出し管内の自由水面レベルに設定された高圧空気注入停止点よりさらに下方水位位置に自由水面下限点を設定し、吸出し管内の水位が上記自由水面下限点以下になったとき、上記高圧空気排気管に設けられている排気弁を開くようにしたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、図中図４と同一部分には同一符号を付しその詳細な説明を省略する。
【００１６】
図１において、吸出し管６には制御弁７ａを有する高圧空気注入管７とともに、吸出し管６内の高圧空気を排出する排気弁１３ａを有する高圧空気排気管１３が接続されている。また水面レベル検出用の水位検出管８には、ランナ側に近いレベルの高圧空気を再注入する水面レベル９ａ用、それより下方の高圧空気注入を停止する水面レベル９ｂ用、及びそれよりさらに下方の高圧空気を排気する水面レベル９ｃ用の３個の水位センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられ、吸出し管６内の押し下げ水面レベルを段階的に検出するようにしてある。そして、吸出し管６内の水面が水面レベル９ｃになり、それが水位センサ１０ｃによって検出されると排気弁１３ａが開かれるようにしてある。しかして、このようなポンプ水車においてランナ３を気中で空転運転させるいわゆる調相運転を行う場合には、ガイドベーン５を全閉した後、高圧空気注入管７によって吸出し管６内に高圧空気を供給して、ランナ室１内の水を吸出し管６内に排水して水面９をランナ３の下端部３ａよりも所定距離だけ押し下げる。この場合、通常は効率的な高圧空気の供給を行うため、吸出し管６内の水面に対して水面レベル６ａ及び水面レベル６ｂが設定される。すなわち、最初に水面押し下げを行うとき、または調相運転に入ってから漏気による補給気を行い、給気を停止する水面レベルとして水面レベル６ｂが設定され、漏気により水面レベルが上昇し、ランナに近付き過ぎないように補給気する水面レベルとして水面レベル６ａが設定される。
【００１７】
ところで、上記水面レベル６ｂに対応する水位センサ１０ｂは、吸出し管６内の水面が水面レベル６ｂを上から下方向へ通過した時に高圧空気の注入を停止するために用いられている。したがって、実際の押し下げ水面が水面レベル６ｂの下方にある場合、どの程度下方なのかは不明である。調相運転を単独のポンプ水車で行う通常の場合、これでも特に問題は生じない。なぜなら、水面レベル６ａ及び６ｂは、図２の押し下げ水面と漏気量及び軸入力との関係を模式的に表した線図に示すように、軸入力及び漏気量が両方共より少なくなるような範囲であって、かつランナ下端部３ａにより近いレベルに設定されている。このため、漏気量が急増し始める水面レベルＬC （図２）に対しては十分な余裕がある。
【００１８】
しかしながら、前述のように一条の管路で連結されている複数のポンプ水車が、同時に調相運転と通常の発電運転を行うことが考えられる場合には、調相運転を行うポンプ水車の吸出し管６内の押し下げ水面レベルの変化は、通常の発電運転を行うポンプ水車に負荷遮断が起った場合、非常に大きくなることが予想される。この場合、図２に示した水面レベルＬc さえも越えて水面レベルが低下することが考えられ、多量の高圧空気が吸出し管６の下流側へ漏気すると同時に吸出し管６の下流側から水がエルボ側６ａへ急激に流れ込み水面が乱れる可能性がある。
【００１９】
ところが、本発明においては、吸出し管６内の水面９が水面レベル６ｃまで降下すると、水位検出管８に取り付けられた水位センサ１０ｃによってそれが検出され、高圧空気排気管１３の排気弁１３ａが開けられ、吸出し管６内の高圧空気の一部が外部に急に排気される。したがって降下していた水面は逆に上昇に転じ、次いで水面９が水面レベル９ｂに達したら高圧空気排気管１３の排気弁１３ａが閉じられる。このようにして水面９は、規定押し下げ水面レベルの水面レベル９ａと９ｂ間に収められる。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施の形態を示す図であり、吸出し管６には排気弁１３ａを有する高圧空気排気管１３が接続されるとともに吸出し管６内の圧力を検出する圧力センサ１４が設けられている。その他は図４に示すものと同一である。そこで、上記吸出し管６に取り付けられた圧力センサ１４の調相運転中の圧力−電気信号は、基本的には放水管路が繋がった下池のダム水位と他のポンプ水車の運転状態に支配され、吸出し管６内の水面９のレベルには関係なく、したがって一定値を示すか、または時間的に緩やかな変化を行うにすぎない。しかし、他のポンプ水車に負荷遮断が起きた場合は、通常運転とは異なり数秒から数十秒という短時間の間に放水管路の圧力が変化する。そして、この圧力変化は調相運転を行っているポンプ水車の吸出し管６に伝わり、水面９が急激に変化することとなる。
【００２１】
ここで、問題になるのは前述したように負荷遮断時の圧力低下の影響である。したがって、調相運転を行うポンプ水車の圧力センサ１４の信号の時間当たりの圧力低下率をモニターしておき、これが予定された値、例えば５mHg ／秒という値を超えた場合には負荷遮断が起きたということで、高圧空気排気管１３の排気弁１３ａが開けられ、吸出し管６内の空気が排出され、吸出し管６内の水面の異常低下が防止される。
【００２２】
また、上記実施の形態においては、第３の水面レベル９ｃを検出する水位センサ１０ｃ及び圧力センサ１４のいずれか一方を設けたものを示したが、その両者を設け両方を用いて他のポンプ水車の負荷遮断に対処して吸出し管６内の水面９の異常低下を防止するようにしてもよい。
【００２３】
すなわち、負荷遮断に伴う吸出し管６内の圧力低下を水圧センサ１４で検出したら高圧空気排気管１３の排気弁１３ａを開けて吸出し管６内の空気を排気するとともに、排気に伴なって水面９が上昇し水面レベル９ｃが水位センサ１０ｃによって検出されたときに上記排気弁１３ａを閉じるようにしてもよい。
【００２４】
この場合、第１及び第２の実施の形態のように吸出し管６内の水面が水面レベル９ｂに達したとき高圧空気排気管１３の排気弁１３ａを閉じるのに比べて、吸出し管６内の空間の容積が大きくなり、負荷遮断から一定時間経過後の水圧回復に伴なって水面９が上昇する場合、同一水面レベルでの上記水面上の空間の空気圧力が大きくなるため、水面の上昇速度が遅くなる。したがって、水面９が水位センサ１０ａで検出される水面レベル９ａに達し、高圧空気注入管７から高圧空気を吸出し管６内に注入する時点における水面の上方へのオーバーシュートが小さくなり、軸入力の増加を低減でき、より安定した制御が可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては吸出し管に高圧空気排気管を接続し、吸出し管内の水面が高圧空気流入停止点より下がった場合に上記高圧空気排出管に設けられている排気弁を開くようにしたので、調相運転を行っているポンプ水車と通常の発電運転を行っているポンプ水車が管路で繋っているものにおいて、発電運転を行っているポンプ水車に負荷遮断等が起った場合に調相運転を行っているポンプ水車の吸出し管内の水面が所定水面以下になろうとすると、高圧空気排気管を介して吸出し管内の高圧空気が排出され、吸出し管内の押し下げ水面の異常低下が防止される。したがって、調相運転を行っているポンプ水車に急激な漏気に伴う軸入力変動や振動の発生が防止され、安定した調相運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のポンプ水車の概略構成を示す縦断面図。
【図２】空転運転時の押し下げ水面レベルと漏気量及び軸入力との関係を示す図。
【図３】本発明のポンプ水車の他の実施の形態を示す縦断面図。
【図４】従来のポンプ水車の概略構成を示す縦断面図。
【図５】管路を共有する複数のポンプ水車を有する発電所を模式的に示す図。
【図６】空転運転を行っているポンプ水車の吸出し管内の水圧が異常低下した場合における吸出し管内の状態を示す図。
【符号の説明】
１  ランナ室
２  主軸
３  ランナ
４  スパイラルケーシング
５  ガイドベーン
６  吸出し管
７  高圧空気注入管
８  水位検出管
９ａ、９ｂ、９ｃ  水面レベル
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  水位センサ
１３  高圧空気排気管
１３ａ  排気弁
１４  圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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