(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転速度を制御する速度制御機能を有していない水車と、該水車により回転する空気圧縮機と、前記水車の水入口に設置した流量調節弁と、前記流量調節弁及び前記水車をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設置したバイパス弁と、前記空気圧縮機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記流量調節弁の開度を制御する制御手段とを備え、回転する前記空気圧縮機で圧縮空気を製造する水力コンプレッサ設備において、
前記制御手段は、前記水車または前記圧縮機の各種性能曲線データ、または前記水車をバイパスするバイパス運転のデータに基づく演算を行う演算部を有し、前記水車入口側の圧力及び前記水車の回転速度のみを計測することによって、ダム水位に対応した水力コンプレッサ設備で流通させる水流量または前記空気圧縮機にて圧縮された空気の吐出量を前記演算部によって演算し、該演算した流通させる水流量または空気の吐出量に基づいて前記流通させる水流量または前記空気の吐出量を制御することを特徴とする水力コンプレッサ設備。
【請求項２】
前記水車と前記空気圧縮機の間に遠心クラッチを設置し、前記空気圧縮機の回転速度が許容回転速度以下の場合、該遠心クラッチを切ることを特徴とする請求項１に記載の水力コンプレッサ設備。
【請求項３】
回転速度を制御する速度制御機能を有していない水車と、該水車により回転する空気圧縮機と、前記水車の水入口に設置した流量調節弁と、前記流量調節弁及び前記水車をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設置したバイパス弁と、前記空気圧縮機の回転速度を検出する回転速度検出手段とを備え、回転する前記空気圧縮機で圧縮空気を製造する水力コンプレッサ設備を運転する運転方法であって、
前記水車または前記空気圧縮機の各種性能曲線データ、または前記水車をバイパスするバイパス運転のデータに基づき、前記水車入口側の圧力及び前記水車の回転速度のみを計測することによって、ダム水位に対応した水力コンプレッサ設備で流通させる水流量または前記空気圧縮機にて圧縮された空気の吐出量を演算によって求め、前記流通させる水流量または前記空気の吐出量を制御することを特徴とする水力コンプレッサ設備の運転方法。
【請求項４】
前記水車と前記空気圧縮機の間に遠心クラッチを設置し、前記空気圧縮機の回転速度が許容回転速度以下の場合、該遠心クラッチを切ることを特徴とする請求項３に記載の水力コンプレッサ設備の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガイドベーン等回転速度を制御する速度制御機能を有していない水車を流水により回転するとともに該水車で空気圧縮機を回転させて圧縮空気を製造する水力コンプレッサ設備及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に開示されているように、ガイドベーン等回転速度を制御する速度制御機能を有していない水車を流水により回転するとともに該水車で空気圧縮機を回転させて圧縮空気を製造する水力コンプレッサ設備がある。特許文献１の水力コンプレッサ設備は、ダムから放流される放流水により水車を回転するとともに、当該水車の回転によって空気圧縮機を回転させることで、ダム貯留水の曝気に必要な圧縮空気を製造するようになっている。
【特許文献１】特開２０００−３０３９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記従来の水力コンプレッサ設備においては、下記のような課題がある。
（１）水力コンプレッサ設備を起動させる際、従来技術においては、水車の水入口に設置した流量調節弁（水車入口弁）を標準的な開閉時間で開動作させる場合があるが、この場合、水車の回転速度がオーバーシュートし、空気圧縮機の回転速度が異常上昇して空気圧縮機が冷却能力を越えて発熱することがある。その結果、空気圧縮機内の空気の温度上昇によりロータが瞬時に焼き付き、機器の重大な故障に至るおそれがあるため、設備への適用が難しかった。
【０００４】
（２）ダムの水位が低下し、空気圧縮機の回転速度が許容回転速度範囲外になった場合、スクリューロータの周速低下により空気の再圧縮（吐出側から吸込側に空気が移動し再圧縮状態となる）が行われる。その結果、空気圧縮機内の空気の温度上昇等によりロータが瞬時に焼き付き、機器の重大な故障に至るおそれがある。
【０００５】
（３）停電発生時には、空気圧縮機の４ポート電磁弁が消磁して、アンローダ弁が閉じると同時に放気弁が解放し、空気圧縮機は無負荷状態での運転となる。そうすると、空気圧縮機の回転速度が異常上昇して、空気圧縮機がその冷却能力を越えて発熱することがある。その結果、空気圧縮機内の空気の温度上昇によりロータが瞬時に焼き付き、機器の重大な故障に至るおそれがある。
【０００６】
（４）水力コンプレッサ設備での放流量を測定するため、電磁流量計または超音波流量計などの流量計を設置することがある。その場合、流量計による流量の測定精度を確保するためには、流量計の上流側及び下流側の流路に所定の必要距離を確保しなければならない。その結果、流路の全長が増加することで、水力コンプレッサ設備を設置するための建屋スペースが大きくなり、設備の建設コストが嵩むことになる。また、電磁流量計または超音波流量計を設置すると、校正などのメンテナンスが定期的に必要となるため、その分、設備の維持管理の手間が増え、その費用が嵩むことになる。
【０００７】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、空気圧縮機の回転速度の許容範囲を超える運転状態を抑制して故障など不具合の発生を効果的に防止でき、また、設備の設置コスト及び維持管理コストを抑えることができる水力コンプレッサ設備及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため本発明は、回転速度を制御する速度制御機能を有していない水車と、該水車により回転する空気圧縮機と、水車の水入口に設置した流量調節弁と、流量調節弁及び水車をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設置したバイパス弁と、空気圧縮機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、流量調節弁の開度を制御する制御手段とを備え、回転する空気圧縮機で圧縮空気を製造する水力コンプレッサ設備において、制御手段は、水車または圧縮機の各種性能曲線データ、または水車をバイパスするバイパス運転のデータに基づく演算を行う演算部を有し、水車入口側の圧力及び水車の回転速度のみを計測することによって、ダム水位に対応した水力コンプレッサ設備で流通させる水流量または空気圧縮機にて圧縮された空気の吐出量を演算部によって演算し、該演算した流通させる水流量または空気の吐出量に基づいて流通させる水流量または空気の吐出量を制御することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、水車または圧縮機の各種性能曲線データ、または水車をバイパスするバイパス運転のデータに基づく演算を行う演算部を有し、水車入口側の圧力及び水車の回転速度のみを計測することによって、ダム水位に対応した水力コンプレッサ設備で流通させる水流量または空気圧縮機にて圧縮された空気の吐出量を演算部によって演算し、該演算した流通させる水流量または空気の吐出量に基づいて流通させる水流量または空気の吐出量を制御するので、水力コンプレッサ設備の放流量を測定するための流量計を省略することが可能となる。これにより、従来必要であった流量計の前後における流路の必要距離を確保せずに済むため、水力コンプレッサ設備を設置する建屋をコンパクト化でき、建設コストの縮減を図ることができる。また、流量計を省略することで、流量計のメンテナンスが不要になることから、水力コンプレッサ設備の維持管理に要する手間の軽減、及び維持管理費の低減も同時に図ることができる。
【００１０】
また、本発明は、上記水力コンプレッサ設備において、水車と前記空気圧縮機の間に遠心クラッチを設置し、前記空気圧縮機の回転速度が許容回転速度以下の場合、該遠心クラッチを切ることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、遠心クラッチを切ることで空気圧縮機の許容回転数以下（低回転）での連続運転を防止でき、空気圧縮機の許容範囲を越える低速運転を防止できる。
【００１６】
また、本発明は、回転速度を制御する速度制御機能を有していない水車と、該水車により回転する空気圧縮機と、水車の水入口に設置した流量調節弁と、流量調節弁及び水車をバイパスするバイパス流路と、該バイパス流路に設置したバイパス弁と、空気圧縮機の回転速度を検出する回転速度検出手段とを備え、回転する空気圧縮機で圧縮空気を製造する水力コンプレッサ設備を運転する運転方法であって、水車または空気圧縮機の各種性能曲線データ、または水車をバイパスするバイパス運転のデータに基づき、水車入口側の圧力及び水車の回転速度のみを計測することによって、ダム水位に対応した水力コンプレッサ設備で流通させる水流量または空気圧縮機にて圧縮された空気の吐出量を演算によって求め、流通させる水流量または空気の吐出量を制御することを特徴とする。
【００１７】
この水力コンプレッサ設備の運転方法によれば、水力コンプレッサ設備で放流する水流量や圧縮空気の吐出量を演算によって求め、流通させる水流量または空気の吐出量を制御するので、水力コンプレッサ設備の放流量を測定するための流量計を省略することが可能となる。これにより、従来必要であった流量計の前後における流路の必要距離を確保せずに済むため、水力コンプレッサ設備を設置する建屋をコンパクト化でき、建設コストの縮減を図ることができる。また、流量計を省略することで、流量計のメンテナンスが不要になることから、水力コンプレッサ設備の維持管理に要する手間の軽減、及び維持管理費の低減も同時に図ることができる。
【００２２】
また、本発明は、上記水力コンプレッサ設備の運転方法において、水車と空気圧縮機の間に遠心クラッチを設置し、空気圧縮機の回転速度が許容回転速度以下の場合、該遠心クラッチを切ることを特徴とする。
【００２３】
この水力コンプレッサ設備の運転方法によれば、遠心クラッチを切ることで空気圧縮機の許容回転数以下（低回転）での連続運転を防止でき、空気圧縮機の許容範囲を越える低速運転を防止できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の水力コンプレッサ設備及びその運転方法によれば、放流する水流量または空気圧縮機にて圧縮された空気の吐出量を演算によって求めるので、流量計を省略することができ、設備の設置コスト及び維持管理コストを低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、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。図１は、本発明の一実施形態にかかる水力コンプレッサ設備のシステム構成例を示す図である。同図に示す水力コンプレッサ設備１０は、水車１及び容積式の空気圧縮機３を備えて構成されている。水車１の水入口５の手前には、流量調節弁（以下、「水車入口弁」という）１１が設置されている。また、水車入口弁１１と水車１の間には、水車１の１次側（上流側）圧力を測定する圧力計２４が設置されている。
【００２６】
水車１の回転軸と空気圧縮機３の回転軸とはカップリング２２で連結されている。カップリング２２には、空気圧縮機３の回転速度を検出する回転計（回転速度検出手段）２３が設置されている。回転計２３には、光電式回転計が好適に用いられる。光電式回転計は、詳細な図示は省略するが、空気圧縮機３の回転軸に取り付けた反射体に投光部から光を照射し、該反射体で反射する光を受光部で受光することで回転軸の回転速度を検出するように構成されている。
【００２７】
ダム放流水などの水流は、水車入口弁１１で流量が調節されて、水入口５から水車１に流入する。この流入した水で水車１は回転し、水は水出口６から放出される。水車１の回転によって空気圧縮機３は駆動される。これにより、空気圧縮機３の空気吸込口７から吸い込まれた空気は圧縮され、圧縮空気吐出口８から吐出される。
【００２８】
水車入口弁１１は、停電時にバネの力で自動的に閉鎖する機能（スプリングリターン式）を有するものである。なお、図示は省略するが懸垂式、スプリングリターン式、直流電源方式のいずれを用いても良い。
【００２９】
図１に戻り、水力コンプレッサ設備１０には制御盤２５が設置されている。制御盤２５は、回転計２３で計測された空気圧縮機３の回転速度に基づいて、水車入口弁１１の開度を制御する機能を備えている。また、制御盤２５は、水車１及び空気圧縮機３の各種性能曲線データに基づく演算機能が組み込まれた演算部２６を有している。演算部２６は、各種性能曲線データを格納したハードウェアのほか、上記の演算機能を実現可能なソフトウェアであってもよい。演算部２６による具体的な演算の手順については後述する。
【００３０】
さらに、この水力コンプレッサ設備１０では、水車１と空気圧縮機３との間の回転軸に遠心クラッチ２１を設置している。そして、空気圧縮機３の許容範囲を越える低速運転を防止する対策として、水車１が所定速度以下の低速で運転されるときに遠心クラッチ２１を切ることで、水車１の回転を空気圧縮機３に伝達しないようにすることができる。
【００３１】
図２は、図１に示す水力コンプレッサ設備１０を備えたダム設備３０のシステム構成例を示す図である。このダム設備３０は、ダム３１からの放流水を流通させる水流路３２を備え、該水流路３２に水力コンプレッサ設備１０を設置している。水流路３２は分岐部３２ａで分岐しており、分岐した各流路にそれぞれ水力コンプレッサ設備１０が設置されている。また、分岐部３２ａからはさらにバイパス流路３３が分岐しており、バイパス流路３３は、各水力コンプレッサ設備１０の下流側に合流している。合流部３２ｂの下流側の流路には、流量計Ｑが設置されている。
【００３２】
バイパス流路３３には、バイパス弁３４が設置されている。バイパス弁３４は、通常時は閉じられており、電源の遮断により自動的に開くように構成された弁で、後述するように、停電の際に自動的に開いてバイパス流路３３を解放するようになっている。このバイパス流路３３及びバイパス弁３４は、停電時に水車入口弁１１をバイパスしてダム３１の放流水を流し、水力コンプレッサ設備１０の下流側の河川維持流量を確保するために用いられる。なお、バイパス流路３３及びバイパス弁３４は、不要であれば設置を省略することも可能である。
【００３３】
次に、上記構成の水力コンプレッサ設備１０における水車入口弁１１の開度の制御手順について説明する。
（１）本実施形態の水力コンプレッサ設備１０では、水車入口弁１１を開ける際、その開度を経過時間に対して段階的に変化させる制御（ステップ開度制御）を行う。図３は、このような制御の一例を示す図で、水車入口弁１１を開く際の経過時間と水車１の回転速度との関係を示すグラフである。同図に示すように、水車入口弁１１の開度を初期開度ｎ１から経過時間に対して直線的に増加させる動作を所定時間行った後、休止時間（安定タイマ）ｔ１を設ける。休止時間ｔ１の間は弁開度を一定に保つ。休止時間ｔ１が経過した後、弁開度を初期開度ｎ２から経過時間に対して直線的に増加させる動作を所定時間行った後、次の休止時間ｔ２を設ける。以降、弁開度を経過時間に対して直線的に増加させるステップと弁開度を一定に保つステップとを交互に行うことで、水車入口弁１１の開度を段階的に増加させてゆく。水車１あるいは空気圧縮機３の回転速度が許容回転速度（図３のグラフに示す斜線範囲内の回転速度）の範囲に入るまで水車入口弁１１の開度を増加させる。
【００３４】
上記のように弁開度を段階的に変化させる制御を行うことで、水車入口弁１１を開ける際、水入口５から水車１に流入する水流量が急激に増加することを防止できる。したがって、水車入口弁１１に特殊な構造の弁を使用せずとも、水車１の回転速度の許容範囲を越える上昇を回避することができ、空気圧縮機３内の空気の温度上昇によるロータの焼き付きなど不具合の発生を防止できる。また、このような制御を行うことにより、水車入口弁１１の開動作に伴う水撃を抑制する効果も望める。
【００３５】
（２）本実施形態の水力コンプレッサ設備１０では、回転計２３により検出した空気圧縮機３の回転速度に応じて水車入口弁１１の開度調整を行い、空気圧縮機３の回転速度を許容回転速度の範囲内に収める制御を行う。図４は、この制御の手順を示すフローである。水車入口弁１１の開動作が完了して水車１及び空気圧縮機３の運転が定常状態になったら、これらの回転速度を許容回転速度の範囲内に収める必要がある。
【００３６】
そこで、水車１及び空気圧縮機３の運転が定常状態になった後、回転計２３で空気圧縮機３の回転速度を計測する（ステップＳＴ１）。計測した回転速度が許容回転速度以下になっているか否かを判断し（ステップＳＴ２）、許容回転速度以下になっている場合、水車入口弁１１の開指令を出す（ステップＳＴ３）。水車入口弁１１の開指令を出したら、所定時間が経過するまで水車入口弁１１の開動作（経過時間に対して開度を直線的に増加させる動作）を継続して、水車入口弁１１を徐々に開いてゆく（ステップＳＴ４）。所定時間が経過したら、水車入口弁１１の開動作を停止する（ステップＳＴ５）。その後、休止時間の経過を待つ（ステップＳＴ６）。休止時間が経過するまでは、弁開度を一定に保っておく。休止時間の経過後、再度、回転計２３による空気圧縮機３の回転速度の計測（ステップＳＴ２）を行う。
【００３７】
一方、ステップＳＴ２において計測した水車回転速度が許容回転速度以上になっている場合、水車入口弁１１の閉指令を出す（ステップＳＴ７）。水車入口弁１１の閉指令を出したら、所定時間が経過するまでは水車入口弁１１の閉動作（経過時間に対して開度を直線的に減少させる動作）を継続して、水車入口弁１１を徐々に閉じてゆく（ステップＳＴ８）。所定時間が経過したら、水車入口弁１１の閉動作を停止する（ステップＳＴ９）。その後、休止時間の経過を待つ（ステップＳＴ１０）。休止時間が経過するまでは、弁開度を一定に保っておく。休止時間の経過後、再度、回転計２３による空気圧縮機３の回転速度の計測を行う。
【００３８】
さらに、上記のような制御を行う以外にも、水車１と空気圧縮機３との間に設置した遠心クラッチ２１により空気圧縮機３の回転速度の低下を防止して、空気圧縮機３の許容範囲を越える低速運転を防止することも可能である。
【００３９】
（３）本実施形態の水力コンプレッサ設備１０では、停電発生時には、水車入口弁１１によって電源の遮断（停電）が検知され、ゼンマイバネが巻き戻されることで、水車入口弁１１の閉動作が即座に開始される。これにより、水車１の回転が停止し、水車１による空気圧縮機３の回転が停止する。したがって、空気圧縮機３の無負荷状態での運転による回転速度の異常上昇を防止できる。また、水車入口弁１１として懸垂式の緊急遮断弁を設置している場合でも、停電の際に水車入口弁１１の閉動作を即座に開始することができるので、同様の対処が可能となる。さらに、水車入口弁１１として、水力コンプレッサ設備１０で生成した圧縮空気をあらかじめ貯蔵タンクに貯え、その圧縮空気で作動する緊急遮断弁を設置している場合でも、同様の対処が可能となる。
【００４０】
さらに、上記のバイパス流路３３及びバイパス弁３４を設けている場合には、停電発生時には、水車入口弁１１が閉じられると同時にバイパス弁３４が開かれる。これにより、空気圧縮機３を保護するために水車入口弁１１を閉鎖しても、水力コンプレッサ設備１０の下流側にダム３１の放流水を送ることができ、水力コンプレッサ設備１０の下流側における河川維持流量を確保することが可能となる。なお、バイパス弁３４の構造を変更して、電源の遮断の際に弁が瞬時に開かず所定の時間をかけて徐々に開くようにすれば、バイパス弁３４の開動作に伴う水撃を抑制する効果が望める。
【００４１】
（４）本実施形態の水力コンプレッサ設備１０では、制御盤２５の演算部２６に組み込まれた水車１や空気圧縮機３の各種性能曲線データに基づく演算機能を利用することで、水力コンプレッサ設備１０の放流量及び空気圧縮機３の吐出空気量を実際に測定しなくても、演算によって簡易に求めることができる。図５は、水車１及び空気圧縮機３の各種性能曲線の一例を示す図であり、（ａ）は、ダム放流水の有効落差と流量の関係、（ｂ）は、水車１及び空気圧縮機３の回収動力と流量の関係、（ｃ）は、空気圧縮機３の吐出空気量と回収動力の関係を示すグラフである。なお、（ａ）のグラフでは、水車１が１台のときと２台のときの特性曲線、及びバイパス運転の特性曲線、及び水車一台の運転とバイパス運転を合わせた場合の特性曲線をそれぞれ示している。また、水車１が１台のときの特性曲線には、水車１の回転数が規定回転数（Ｎ）に対して８０％、９０％、１００％、１１０％の回転数である場合の特性曲線を記載している。ここでは、圧力計２４で測定した圧力Ｐ1（水車１の１次側圧力）≒有効落差として、各グラフに基づいて、Ｐ1（有効落差）→Ｑ1（放流量）→Ｌ1（回収動力）→Ｑc（空気圧縮機３の吐出空気量）の順でこれらの値を算出することができる。これにより、水力コンプレッサ設備１０での放流量、及び曝気に利用している空気圧縮機３の吐出空気量を演算にて求めることができる。
【００４２】
このように水力コンプレッサ設備１０での放流量、及び曝気に利用している空気圧縮機３の吐出空気量を演算にて求めることができるので、放流量を測定するための流量計を省略することが可能となる。したがって、従来必要であった流量計の設置に伴う該流量計の前後の流路における助走距離を確保する必要がなくなるため、その分、流路を短くすることができる。したがって、水力コンプレッサ設備１０の建屋の大幅なコンパクト化を図ることができ、建設コストを縮減することができる。また、流量計を省略することで、流量計のメンテナンスが不要になることから、水力コンプレッサ設備１０の維持管理に要する手間の軽減、及び維持管理費の低減も同時に図ることができる。
【００４３】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、上記の実施形態では、水力コンプレッサ設備１をダム設備３０に用い、水車１をダム３１からの放流水で回転させる例を示したが、水車１を回転させる水流はこれに限定されるものではなく、本発明の水力コンプレッサ設備及びその運転方法は、水車を回転させる水流として、ダム放流水のほか、河川の流水、農業用水の放流水、工業用水の放流水、海流など各種の水流を用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる水力コンプレッサ設備のシステム構成例を示す図である。
【図２】水力コンプレッサ設備を備えたダム設備のシステム構成例を示す図である。
【図３】水車入口弁の開度を経過時間に対して段階的に変化させる制御の例を示す図である。
【図４】回転計により検出した空気圧縮機の回転速度に応じて水車入口弁の開度調整を行う制御の手順を示すフローである。
【図５】水車及び空気圧縮機の各種性能曲線の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１      水車
３      空気圧縮機
５      水入口
６      水出口
７      空気吸込口
８      圧縮空気吐出口
１０    水力コンプレッサ設備
１１    水車入口弁（流量調節弁）
２１    遠心クラッチ
２２    カップリング
２３    回転計（回転速度検出手段）
２４    圧力計
２５    制御盤（制御手段）
２６    演算部
３０    ダム設備
３１    ダム
３２    水流路
３２ａ  分岐部
３３    バイパス流路
３４    バイパス弁
【図１】
0005072538.tif 000002
【図２】
0005072538.tif 000003
【図３】
0005072538.tif 000004
【図４】
0005072538.tif 000005
【図５】
0005072538.tif 000006