(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水道用水の送水管路の途中に発電機駆動用のポンプ逆転水車を介設してなる水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法であって、
上記送水管路の二次側圧力が設定値に保持されるようにポンプ逆転水車の回転数を制御して二次圧一定制御を行なうとともに、
その二次圧一定制御による回転数低下に伴い減少する発電出力が予め設定された最小出力設定値よりも低い時は上記ポンプ逆転水車に対する通過水量が最大となるようにポンプ逆転水車の回転を制御する最小回転数制御を行ない、
かつ、二次圧一定制御による回転数上昇に伴い増大する発電出力が予め設定された最大出力設定値よりも高い時は発電出力が最大となるようにポンプ逆転水車の回転数を制御する最大発電出力制御を行なうことを特徴とする水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法。
【請求項２】
上記最小出力設定値は定格出力の５〜１０％に設定され、かつ、最大出力設定値は定格出力の９０〜９５％に設定されている請求項１に記載の水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法に関する。詳しくは、水道用水の送水管路の途中に、該送水管路の残圧により発電を行なうように発電機駆動用のポンプ逆転水車を介設してなる水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的な水道施設は、落差の異なる複数地域の給水施設に水道用水を分配配水するように構成されており、かかる水道施設では、落差の大きい給水施設に対しても落差の小さい給水施設と同等な水量、水圧で送水が行なえるようにするために、送水管路の一次圧力は落差の大きい給水施設への送水量、送水圧を基準にして大きな値に設定されている。そのため、落差の小さい給水施設への送水管路では、その管路途中に圧力調整弁を介在させて減圧することで、所定の送水圧を確保する手段が採られていたが、この場合は送水管路に多くの残圧（エネルギー）を発生し、これを浪費することになる。
【０００３】
このような送水管路の残圧の浪費を避けるために、送水管路の途中に発電機駆動用のポンプ逆転水車を介設し、残圧によりポンプ逆転水車を回転させて発電機を駆動し電力を取り出すように構成した水道施設における残圧回収発電装置が従来より開発されている。
【０００４】
ところが、従来より開発されている一般的な水道施設における残圧回収発電装置では、送水管路の一次側圧力及び流量によってポンプ逆転水車を回転させて発電を行なうといったように、ポンプ逆転水車の回転が一次側圧力及び流量に全面的に依存する非制御式の運転方法が採用されていたに過ぎず、一次側圧力及び流量の変動によっては発電機の容量オーバーを招くとか、水車の回転のために大きな圧力損失を招いて水道施設において最も重要な給水施設への送水量、送水圧が安定しない等といった致命的な難点があり、水道施設における残圧回収発電装置としては実用に供し得ない。
【０００５】
また、上記のような難点を解消するものとして、送水管路におけるポンプ逆転水車の入口側、すなわち、一次側に弁を介設し、この弁の開度調整によりポンプ逆転水車に流入する水圧、水量を制御するようにした水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法も従来、提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとき弁を用いた従来の運転制御方法による場合は、非制御式の運転方法の場合に比べて発電機の容量オーバーの発生防止や給水施設への送水量、送水圧の安定化を図りやすいものの、送水管路の途中に介設した弁の通水抵抗による損失が大きい。そのため、一次側圧力が高い場合では、弁を大きく閉弁させる必要があることからポンプ逆転水車に流入する水圧は非常に低くなり、残圧回収による発電効率を十分に発揮させることができない。また、一次側圧力が大きく低下した時は弁を大きく開弁させるが、この場合でも弁による通水抵抗が非常に大きいために、給水施設への送水量を所定通りに保持することができない。
【０００７】
ところで、残圧回収を図る目的で送水管路の途中にポンプ逆転水車を介設してなる水道施設における残圧回収発電装置としては、一次側圧力の変動及び給水施設側での需要水量の変動にかかわらず、給水施設側への送水量、送水圧を一定に維持することが第一義的に要請される一方、残圧が発生する条件下ではその残圧回収による発電効率を高く発揮させること、及び、一次側圧力が大きく低下変動した場合でも断水を生じることなく給水施設へ必要最低限の送水量を確保することが要求される。しかしながら、上記した従来の水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法は、そのような要請及び要求を満たすことができないものであった。
【０００８】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、一次側圧力及び需要水量の変動にかかわらず給水施設への送水量、送水圧を安定よくほぼ一定に維持しつつ、最大の残圧回収効率を発揮させることができるとともに、一次側圧力の極端な低下時にも給水施設に必要最低限の送水量を確保することができる水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法は、水道用水の送水管路の途中に発電機駆動用のポンプ逆転水車を介設してなる水道施設における残圧回収発電装置の運転制御方法であって、上記送水管路の二次側圧力が設定値に保持されるようにポンプ逆転水車の回転数を制御して二次圧一定制御を行なうとともに、その二次圧一定制御による回転数低下に伴い減少する発電出力が予め設定された最小出力設定値よりも低い時は上記ポンプ逆転水車に対する通過水量が最大となるようにポンプ逆転水車の回転を制御する最小回転数制御を行ない、かつ、二次圧一定制御による回転数上昇に伴い増大する発電出力が予め設定された最大出力設定値よりも高い時は発電出力が最大となるようにポンプ逆転水車の回転数を制御する最大発電出力制御を行なうことを特徴とするものである。
【００１０】
上記のような特徴構成を有する本発明によれば、二次圧一定制御によって一次側圧力の変動及び給水施設側の需要量の変動にかかわらず、給水施設への送水量及び送水圧をほぼ一定に安定よく維持することが可能である。また、二次圧一定制御に伴って発電出力が最小出力設定値よりも低下したときは、ポンプ逆転水車の回転を通過水量が最大となるような最小回転数制御を行なうことによって、ポンプ逆転水車の介設による通水抵抗を最少限に止めて給水施設に必要最低限の送水量を確保し、かつ、二次圧一定制御に伴って発電出力が最大出力設定値よりも上昇したときは、ポンプ逆転水車の回転を発電出力が最大となるような回転数に制御する最大発電出力制御を行なうことによって送水管路の残圧回収による発電能力を最大限に発揮させるといったように、装置全体を常に最適運転することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面にもとづいて説明する。
図１は本発明に係る水道施設における残圧回収発電装置の一例を示す概略構成図であり、水道施設は、図示省略した水源から取り入れ、かつ、浄水施設（図示省略する）で水質が改良浄化された後、送水されてくる水道用水を貯水する配水施設ＡからポンプＰ及び共通配水管Ｂ並びにこの共通配水管Ｂから複数に分岐された送水管Ｃ…を経て複数の給水施設Ｄ…に水道用水を分配配水するように構成されている。かかる水道施設において、上記複数の給水施設Ｄ…のうちで落差が小さくて他の施設に比べて一次送水圧が高くなる給水施設Ｄ１（図面上では１つで示すが、複数であってもよい）への送水管Ｃ１の途中には、図外の発電機駆動用のポンプ逆転水車ＰＴが介設され、このポンプ逆転水車ＰＴの回転により送水管Ｃ１の残圧を回収して発電機を駆動し発電可能に構成されている。
【００１２】
上記ポンプ逆転水車ＰＴとしては、例えば図２に示すような構成を有し、送水管Ｃ１の直管部に直列状に介設することが可能なインライン型ポンプ逆転水車が使用される。このインライン型逆転水車ＰＴは、筒状アウターケーシング１と、断面環状の第１水路２を介してアウターケーシング１の内部に同芯状に配置された筒状の電動機フレーム３と、この電動機フレーム３に収容された電動機４と、電動機フレーム３の軸方向両端部で軸受ボックス５０内の軸受５Ａ及び軸受ボックス５１内の軸受５Ｂによって回転自在に支持されて電動機フレーム３の軸方向一端側から導出され電動機４のロータ４Ａと一体回転するポンプ主軸６と、アウターケーシング１と電動機フレーム３の軸方向一端に取付けられて外周部に断面環状の第１水路２に連通する断面環状の第２水路７が設けられている吐出しケーシング部９と、出口を断面環状の第２水路７に臨ませて吐出しケーシング部９の先端に取付けられているとともに、内部にポンプ主軸６に取り付けられて該ポンプ主軸６と一体に回転する斜流羽根車（ランナ）１０を回転自在に収容したランナケーシング（吸込みベル）１１と、アウターケーシング１と電動機フレーム３の軸方向他端に取り付けられて外周部の入口を断面環状の第１水路２に連通させ、出口を一箇所に合流させた吐出通路１２が設けられている吐出側ケーシング１３とを備えている。
【００１３】
上記吐出しケーシング部９における断面環状の第２水路７の内周部には、ランナケーシング１１側に片寄った位置に大きい中心孔１５Ａを設けた第１隔壁１５が軸方向に直交して設けられ、この第１隔壁１５からランナケーシング１１より離れる方向、つまり、電動機フレーム３に近付く方向に所定の間隔を隔ててポンプ主軸６を回転自在に挿通可能な中心孔１６Ａを設けた第２隔壁１６が軸方向に直交して設けられている。第１隔壁１５の中心孔１５Ａは、ポンプ主軸６を回転自在に挿通可能な中心孔のある環状シールカバー１７がボルト締結によって第１隔壁１５に着脱可能に取り付けられることによって塞がれており、第１隔壁１５、第２隔壁１６、シールカバー１７及び断面環状の第２水路７の内周面で囲まれて構成されたメカニカルシール室１８にはメカニカルシール８が収容されている。また、メカニカルシール室１８の軸方向で電動機フレーム３側に隣接する箇所には中空部１９が設けられ、この中空部１９は、円周方向で所定の間隔を隔てて設けた複数の通路２０を介して大気に開放され、その開口部はカバー２１によって開放可能に閉塞されている。
【００１４】
上記メカニカルシール室１８には、密封潤滑液供給系２２によって清水または液状パラフィンなどの無害潤滑液が密封されて、メカニカルシール８を潤滑するように構成されているとともに、このメカニカルシール室１８は密封潤滑液排出系２６を介して大気に連通している。また、軸受５Ａ，５Ｂには、潤滑油供給系２３によってグリースを供給して潤滑するように構成されている。さらに、軸受ボックス５０及び５１には、ポンプ主軸６の外周に対応する軸シール５Ｃ及び軸シール５Ｃと閉塞板５Ｄが設けられている。なお、図中、２９は導電ケーブル、２８は保護ケーブルを示し、導電ケーブル２９は電動機４に電気的に接続されている。
【００１５】
上記構成のインライン型ポンプ逆転水車ＰＴにおいては、図２の矢印Ｆで示すように、送水管路Ｃ１内を圧送される水道用水が吐出側ケーシング１３の吐出通路１２に流入した後、第１水路２から第２水路７を経てランナケーシング１１内に流入し、ここでランナ１０を逆回転させたのち、送水管路Ｃ１の下流側に送水される。このとき、ランナ１０の回転によって、ポンプ主軸６と電動機４のロータ４Ａとが逆回転され、電動機４に発電機能を与えて発電し電力を取り出すことになる。つまり、送水管路Ｃ１の残圧によりインライン型ポンプ逆転水車ＰＴを回転させることによって、残圧を回収して発電を行なうことができる。
【００１６】
ところで、上記のような発電機駆動用のインライン型ポンプ逆転水車ＰＴを送水管路Ｃ１の途中に介設してなる水道施設における残圧回収発電装置には、次のような運転制御機能を持ったコントローラ３０が設けられている。
【００１７】
図３は上記コントローラ３０による運転制御機能の概要を示すフローチャートであり、送水管路Ｃ１の二次側圧力が、給水施設Ｄ１で必要な送水圧力として予め設定された二次圧力設定値に保持されるように、インライン型ポンプ逆転水車ＰＴの回転数をフィードバック式にインバータ調整してポンプ逆転水車ＰＴの出口圧、つまり、二次圧を一定とする制御を行なう（Ｃ１００）。
【００１８】
すなわち、給水施設Ｄ１での需要量が大きい場合は、上述の二次圧一定制御によりポンプ逆転水車ＰＴの回転数が低下されて該ポンプ逆転水車ＰＴの負荷が小さくなって、送水抵抗による損失が減少し給水施設Ｄ１に所定の水圧、水量での送水を確保することが可能である。このとき、ポンプ逆転水車ＰＴの回転数低下に伴い発電出力は減少するが、ここで、その減少した発電出力と予め設定されている最小出力設定値（これは通常、定格出力の５〜１０％に設定される）とが比較され、発電出力が最小出力設定値よりも低い時は上記ポンプ逆転水車ＰＴに対する通過水量が最大となるようにポンプ逆転水車ＰＴを無拘束回転で運転する最小回転数制御を行なう（Ｃ１０１）。これによって、給水施設Ｄ１での需要量が大きい場合は、ポンプ逆転水車ＰＴの介設による通水抵抗を最少限に止めて給水施設に必要最低限の送水量を確保することが可能である。
【００１９】
一方、給水施設Ｄ１での需要量が小さい場合は、上述の二次圧一定制御によりポンプ逆転水車ＰＴの回転数が上昇されて該ポンプ逆転水車ＰＴの負荷が大きくなって、送水管路Ｃ１に残圧が発生する。ここで、上昇した発電出力と発電機容量に対応して予め設定されている最大出力設定値（これは通常、定格出力の９０〜９５％に設定される）とが比較され、発電出力が最大出力設定値よりも高い時は、発電出力が最大となるように、つまり、発電機の能力一杯の発電出力となるように、上記ポンプ逆転水車ＰＴを最高回転数で運転する最大発電出力制御を行なう（Ｃ１０２）。これによって、給水施設Ｄ１での需要量が小さくて残圧が大きい場合は、その残圧を効率よく回収して発電能力を最大限に発揮させることが可能である。
【００２０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、一次側圧力及び需要水量の変動に対応して二次圧一定制御を行なうと同時に、最小回転数制御及び最大発電出力制御を併行する最適運転制御によって、一次側圧力及び需要水量の変動にかかわらず給水施設への送水量、送水圧を安定よくほぼ一定に維持することができるものでありながら、常に最大の残圧回収効率を発揮させることができるととともに、一次側圧力が極端に低下した場合でも給水施設に必要最低限の送水量を確保することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水道施設における残圧回収発電装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の運転制御方法に適用されるポンプ逆転水車の構造の一例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の運転制御方法による動作概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
Ｃ１  送水管路
Ｄ１  給水施設
ＰＴ  発電機駆動用のポンプ逆転水車
３０  コントローラ
【図１】
0004099319.tif 000002
【図２】
0004099319.tif 000003
【図３】
0004099319.tif 000004