(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水源から取り入れた水を導水路で浄水施設に導水し、浄水施設で水質が改良浄化された水を一次送水管によって配水施設の配水池に送水したのち、この配水池に送水された水を二次送水管によって受水槽に送水し、この受水槽から配水管により給水施設に分配配水するように構成されている水道施設において、前記一次送水管と二次送水管の少なくともいずれか一方にバイパス管路と残圧回収管路の複数の管路が分岐して設けられ、これらバイパス管路と残圧回収管路が前記配水池または前記受水槽に開口しているとともに、前記バイパス管路にはバイパス弁が介設され、前記残圧回収管路には発電機駆動用のポンプ逆転水車が介設されていることを特徴とする水道施設の残圧回収発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水道施設における送水管の残圧により発電を行なうようにした水道施設の残圧回収発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、図５に示すように、水源Ａから取り入れた水を、コンクリート造の開きょや暗きょによってなる導水路Ｂで浄水施設Ｃに導水し、この浄水施設Ｃで水質の改良浄化がなされた水を一次送水管Ｄによって配水施設Ｅの配水槽（配水池）Ｆに送水したのち、二次送水管Ｇによって受水槽Ｈに送水し、この受水槽Ｈから配水管Ｉにより給水施設Ｊに分配配水するように構成された水道施設において、二次送水管Ｇから受水槽Ｈへの送水量は、給水施設Ｊの末端（家庭）での使用水量の変動に応じて制御される。すなわち、図６に示すように、受水槽Ｈに送水を行なう二次送水管Ｇの出口近傍に減勢弁Ｖを介設し、前記給水施設Ｊの末端での使用水量が多いために、二次送水管Ｇの送水量が増える昼間では、減勢弁Ｖの減勢作用を小さく制御して送水量を増やし、逆に給水施設Ｊの末端での使用水量が少ないために、二次送水管Ｇの送水量が減る夜間では、減勢弁Ｖの減勢作用を大きく制御して送水量を減じている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、従来の水道施設では、給水施設Ｊの末端での使用水量の如何を問わず、二次送水管Ｇから該二次送水管Ｇの残圧を回収することなく受水槽Ｈに送水（放水）して、残圧（エネルギー）を浪費している。このことは、二次送水管Ｇから受水槽Ｈへの送水のみならず、水道施設の構造によっては、一次送水管Ｄから配水池Ｆへの送水系にもいえることである。
【０００４】
そこで、本発明は、送水管の残圧を回収して有効に利用することで、エネルギーの浪費を避けることができる水道施設の残圧回収発電装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明に係る水道施設の残圧回収発電装置は、水源から取り入れた水を導水路で浄水施設に導水し、浄水施設で水質が改良浄化された水を一次送水管によって配水施設の配水池に送水したのち、この配水池に送水された水を二次送水管によって受水槽に送水し、この受水槽から配水管により給水施設に分配配水するように構成されている水道施設において、前記一次送水管と二次送水管の少なくともいずれか一方にバイパス管路と残圧回収管路の複数の管路が分岐して設けられ、これらバイパス管路と残圧回収管路が前記配水池または前記受水槽に開口しているとともに、前記バイパス管路にはバイパス弁が介設され、前記残圧回収管路には発電機駆動用のポンプ逆転水車が介設されていることを特徴としている。
【０００６】
本発明によれば、一次送水管と二次送水管の少なくともいずれか一方の残圧によって、残圧回収管路に介設したポンプ逆転水車を運転し、発電機を駆動して電力を取り出し供給することができる。また、バイパス弁の開度調整によってバイパス管路を流れる水量を調整することで、残圧回収管路内でポンプ逆転水車に作用する水量を制御できるので、イニシャルコストを抑えたポンプ逆転水車によって効率よく残圧を回収して発電することができる。
【０００７】
すなわち、計画されている一次送水管または二次送水管の最大圧力と最大流量および最小圧力と最小流量に基づいて、ポンプ逆転水車の仕様を適正に設定して残圧回収管路に介設することで、最大圧力と最大流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車を残圧回収管路に介設した場合に生じるポンプ逆転水車と発電機のイニシャルコスト高および残圧回収効率の低下などの不都合や、一次送水管または二次送水管の最小圧力と最小流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車を残圧回収管路に介設した場合に生じる残圧回収効率の低下の不都合を避けて、イニシャルコストを抑えたポンプ逆転水車によって効率よく残圧を回収して発電することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る水道施設の残圧回収発電装置の一実施の形態を示す構成図であり、水道施設における二次送水管による受水槽への送水系を示している。なお、図５および図６で説明した水道施設と同一部分には、同一符号を付して説明する。
【０００９】
図１において、二次送水管Ｇには、受水槽Ｈの直上流位置においてバイパス管路Ｇ１と残圧回収管路Ｇ２の二つの管路が分岐して設けられ、これらバイパス管路Ｇ１と残圧回収管路Ｇ２は受水槽Ｈに開口している。また、バイパス管路Ｇ１には、電動弁または電磁弁によってなるバイパス弁Ｖ１が介設され、残圧回収管路Ｇ２にはポンプ逆転水車ＰＴが介設されている。さらに、二次送水管Ｇにおけるバイパス管路Ｇ１と残圧回収管路Ｇ２の分岐点よりも上流位置において、管内圧力または管内流量を検知する検知手段３５が設けられ、この検知手段３５によって検知した管内圧力値または管内流量値は制御手段３６に入力され、制御手段３６は、検知手段３５から入力された管内圧力値または管内流量値に基づいてバイパス弁Ｖ１に開度制御信号を出力して、バイパス弁Ｖ１の開度を制御することにより、バイパス管路Ｇ１を流れる水量を調整することで、残圧回収管路Ｇ２内でポンプ逆転水車ＰＴに作用する水量を制御できるようになっている。
【００１０】
ポンプ逆転水車ＰＴとして、たとえば図２に示しているインライン型ポンプ逆転水車ＰＴが使用され、このポンプ逆転水車ＰＴが残圧回収管路Ｇ２の直管部に介設される。すなわち、ポンプ逆転水車ＰＴは、筒状の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の内部に同心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と軸受ボックス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の軸方向一側から導出され電動機４のロータ（回転子）４Ａと同時に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−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−シング部９の先端に取付けられるとともに、内部に主軸６に取付けられて該主軸６と同時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、出口を一か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。したがって、吐出側ケーシング１３における吐出通路１２の出口を残圧回収管路Ｇ２の上流側に接続するとともに、ランナケーシング１１の入口を残圧回収管路Ｇ２の下流側に接続することによって、インライン型ポンプ逆転水車ＰＴとして残圧回収管路Ｇ２に介設されることになる。
【００１１】
吐出しケ−シング部９における断面環状の第２水路の内周部には、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の隔壁１５が軸方向に直交して設けられ、この第１の隔壁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を回転自在に挿通できる小さい中心孔１６Ａを設けた第２の隔壁１６が軸方向に直交して設けられている。
【００１２】
第１の隔壁１５の中心孔１５Ａは、ポンプ主軸６を回転自在に挿通できる中心孔のある環状のシールカバー１７がボルト締結によって第１の隔壁１５に着脱可能に取付けられることによって塞がれており、第１の隔壁１５、第２の隔壁１６、シールカバー１７および断面環状の第２水路の内周面で囲まれたメカニカルシール収容室１８を構成し、このメカニカルシール収容室１８にメカニカルシール８を収容している。また、メカニカルシール収容室１８の軸方向の電動機フレーム３側に隣接して中空部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（図示例では二つの通路２０が示されている）を介して外部（大気）に開放され、それぞれの外側開口部はカバ−２１によって開放可能に閉じられている。
【００１３】
メカニカルシール収容室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の密封潤滑液が供給されて、メカニカルシール８を密封潤滑する。この密封潤滑液供給系２２は、一方の通路２０の外側開口部を閉じている一方のカバ−２１に取付けられて、常時はプラグ２７により閉じられている注液口２２Ａと、この注液口２２Ａとメカニカルシール収容室１８とを結ぶ注液管２２Ｂとを備えている。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を行なうようになっている。軸受５Ａにグリースを供給する潤滑油供給系２３は、前記一方のカバ−２１に取付けられたグリースニップル２３Ａと、このグリースニップル２３Ａと軸受５Ａとを結ぶグリース供給管２３Ｂとを備え、軸受５Ｂにグリースを供給する潤滑油供給系２３は、導電ケーブル挿入孔２４を塞ぐ蓋２５に取付けられたグリースニップル２３Ａと、このグリースニップル２３Ａと軸受５Ｂとを結ぶグリース供給管２３Ｂとを備えている。なお、軸受ボックス５０には、ポンプ主軸６の外周に対応する軸シール５Ｃ，５Ｃが設けられ、これら軸シール５Ｃ，５Ｃによってグリースが中空部１９および電動機フレーム３の内部に漏れ出すのを防止している。また、軸受ボックス５１には、軸シール５Ｃと閉塞板５Ｄが設けられ、これら軸シール５Ｃと閉塞板５Ｄによってグリースが電動機フレーム３の内部および吐出側ケーシング１３の内部に洩れ出すのを防止している。
【００１４】
一方、メカニカルシール収容室１８は、密封潤滑液排出系２６を介して外部に連通している。この密封潤滑液排出系２６は、他方の通路２０の外側開口部を閉じている他方のカバ−２１に取付けられて、常時はプラグ２７により閉じられている排液口２６Ａと、この排液口２６Ａとメカニカルシール収容室１８とを結ぶ排液管２６Ｂとを備えている。なお、密封潤滑液供給系２２によりメカニカルシール収容室１８に密封潤滑液を初めて供給する場合には、密封潤滑液排出系２６を開放して排気系として活用してもよいし、独立した排気系を別途設けてもよい。これにより、メカニカルシール収容室１８を空気から密封潤滑液に置換することができる。また、他方のカバ−２１にはドレン孔２８を設けて、中空部１９を外部（大気）に開放している。また、他方のカバ−２１にはドレン孔２８を設けて、中空部１９を外部（大気）に開放している。図中、２９は導電ケーブル、３０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】
したがって、矢印Ｆで示すように、残圧回収管路Ｇ２内を圧送される水道水は、吐出側ケーシング１３の吐出通路１２に流入し、断面環状の第１水路２から断面環状の第２水路７を経てランナケーシング１１に流入し、ここでランナ１０を逆回転させたのち流下して受水槽Ｈに送水される。ランナ１０の逆回転によって、ポンプ主軸６と電動機４のロータ（回転子）４Ａを逆回転させ、電動機４に発電機能を与えて発電して電力を供給することができる。つまり、二次送水管Ｇの残圧を回収して有効に利用することで、エネルギーの浪費を避けることができる。
【００１６】
また、メカニカルシール収容室１８には、一旦、プラグ２７を除去した密封潤滑液供給系２２の注液口２２Ａから清水または液状パラフィンなどの無害の密封潤滑液を供給して、メカニカルシール８を密封潤滑することができるので、この密封潤滑液によって発電用水、つまり水道水が汚染されることはない。すなわち、メカニカルシール８の密封潤滑液による発電用水の汚染を避けることができる。さらに、メカニカルシール収容室１８から中空部１９に洩れ出た密封潤滑液や発電用水は、他方側の通路２０およびドレン孔２８を通って外部に排出されることになるので、中空部１９に洩れ出た密封潤滑液や発電用水が電動機フレーム３内に侵入するのを確実に防止して、発電機４に電気的に不都合な事態が発生するのを回避することができる。このため、残圧回収管路Ｇ２にポンプ逆転水車ＰＴを介設しても高い信頼性を有するインライン型ポンプ逆転水車ＰＴとして発電に使用することができる。なお、潤滑油供給系２３によって軸受５Ａ，５Ｂにグリースを供給して潤滑できるように構成してあるので、耐連続運転性能を向上させて信頼性を高めることができる。
【００１７】
さらに、二点鎖線で示すように、密封潤滑液貯留タンク３１を外部に設置し、この密封潤滑液貯留タンク３１と、プラグ２７を除去した密封潤滑液供給系２２の注液口２２Ａとを一次供給管３２で結んでおけば、経時的にメカニカルシール８がシール劣化して、密封潤滑液や発電用水が中空部１９へ過剰に洩れ出した場合には、密封潤滑液貯留タンク３１内の密封潤滑液のレベル（液位）が急激に低下することになるので、この状態を確認してメカニカルシール８の点検を行なうことができる。また、ドレン孔２８を閉塞することによって、中空部１９を外部（大気）から遮断しておき、中空部１９に洩れ出た密封潤滑液や発電用水を浸水検知器（図示省略）によって検知するように構成してもよい。
【００１８】
なお、前記電動機４の機種は任意であり、同期電動機、誘導電動機あるいは磁石内蔵形電動機などが使用され、ポンプ逆転水車として使用した場合には、同期発電機、誘導発電機あるいは磁石内蔵形発電機として機能する。
【００１９】
また、発電用水をほぼ円錐状に流すことで、斜流羽根車１０を回転させる斜流形水中ポンプをインライン型ポンプ逆転水車ＰＴとして発電に使用している構造で説明しているが、発電用水をほぼ円筒状に流すことで、軸流羽根車を回転させる軸流形水中ポンプあるいはうず巻状に形成した吐出しケ−シング部９によってある程度の旋回が与えられた発電用水でランナ１０を回転させる片吸込うず巻ポンプ、両吸込うず巻ポンプなどを選択して、インライン型ポンプ逆転水車ＰＴとして発電に使用してもよい。
【００２０】
一方、二次送水管Ｇにおけるバイパス管路Ｇ１と残圧回収管路Ｇ２の分岐点よりも上流位置に検知手段３５が設けられ、この検知手段３５から入力された管内圧力値または管内流量値に基づいてバイパス弁Ｖ１に開度制御信号を出力して、バイパス弁Ｖ１の開度を制御することにより、バイパス管路Ｇ１を流れる水量を調整することで、残圧回収管路Ｇ２内でポンプ逆転水車ＰＴに作用する水量を制御できるようになっているので、イニシャルコストを抑えたポンプ逆転水車ＰＴによって効率よく残圧を回収して発電することができる。
【００２１】
すなわち、二次送水管Ｇの最大圧力と最大流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車ＰＴを残圧回収管路Ｇ２に介設すると、ポンプ逆転水車ＰＴのイニシャルコストが高くなるとともに、ポンプ逆転水車ＰＴの稼働率が低くなって、残圧回収効率が悪くなる不都合を生じる。また、二次送水管Ｇの最小圧力と最小流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車ＰＴを残圧回収管路Ｇに介設すると、ポンプ逆転水車ＰＴのイニシャルコストが安くなるとともに、ポンプ逆転水車ＰＴの稼働率が高くなるものの、残圧の回収が十分になされないので、結果として残圧回収効率が悪くなる不都合を生じる。したがって、計画されている二次送水管Ｇの最大圧力と最大流量および最小圧力と最小流量に基づいて、ポンプ逆転水車ＰＴの仕様を適正に設定して残圧回収管路Ｇ１に介設することで、最大圧力と最大流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車ＰＴを残圧回収管路Ｇ１に介設した場合に生じるポンプ逆転水車ＰＴのイニシャルコスト高および残圧回収効率の低下などの不都合や、二次送水管Ｇの最小圧力と最小流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車ＰＴを残圧回収管路Ｇ１に介設した場合に生じる残圧回収効率の低下などの不都合を避けて、イニシャルコストを抑えたポンプ逆転水車ＰＴによって効率よく残圧を回収して発電することができる。
【００２２】
前記実施の形態では、インライン型ポンプ逆転水車ＰＴを残圧回収管路Ｇ１に介設した構成で説明しているが、たとえば、図３に示すような、片吸込うず巻ポンプ５０におけるうず巻ケーシング５１の吐出口５１Ａに残圧回収管路Ｇ１の上流側を接続し、うず巻ケーシング５１の吸込口５１Ｂに残圧回収管路Ｇ１の下流側を接続するとともに、うず巻ケーシング５１に回転自在に収容されているランナ（図示省略）を同時回転可能に取付けたポンプ主軸５３には、軸受５４Ａやカップリング５４Ｂなどの動力伝達手段５４を介して、発電機５５の入力回転軸５５Ａを連結することにより、片吸込うず巻ポンプ５０を非インライン型ポンプ逆転水車ＰＴとして残圧回収管路Ｇ１に介設してもよい。非インライン型ポンプ逆転水車ＰＴとしては、前記片吸込うず巻ポンプ５０の他に軸流形立軸ポンプ、斜流形立軸ポンプ、両吸込うず巻ポンプ、多段うず巻ポンプなどの他の機種を挙げることができる。特に、非インライン型ポンプ逆転水車ＰＴを使用すると、その介設位置を前述の残圧回収管路Ｇ１の直管部のみならず、図４（ア）、（イ）に示す残圧回収管路Ｇ１の曲管部に設定することが可能になる。
【００２３】
さらに、前記実施の形態では、水道施設における受水槽Ｈに送水する二次送水管Ｇの残圧を回収して発電する残圧回収発電装置として説明しているが、本発明は、前記実施の形態にのみ限定されるものではなく、水道施設における配水槽（配水池）Ｆに送水する一次送水管Ｄの残圧を回収して発電する残圧回収発電装置としても適用可能である。すなわち、一次送水管Ｄにおける配水槽（配水池）Ｆの直上流位置においてバイパス管路と残圧回収管路の二つの管路を分岐して設け、これらバイパス管路と残圧回収管路を配水槽（配水池）Ｆに開口するとともに、バイパス管路にバイパス弁Ｖ１を介設し、残圧回収管路にインライン型または非インライン型ポンプ逆転水車を介設すればよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る水道施設の残圧回収発電装置は構成されているので、以下のような格別の効果を奏する。
【００２５】
すなわち、一次送水管と二次送水管の少なくともいずれか一方の残圧によって、残圧回収管路に介設したポンプ逆転水車を運転し、発電機を駆動して電力を取り出し供給することができる。つまり、送水管の残圧を回収して有効に利用することで、エネルギーの浪費を避けることができる。また、バイパス弁の開度調整によってバイパス管路を流れる水量を調整することで、残圧回収管路内でポンプ逆転水車に作用する水量を制御できるので、計画されている一次送水管または二次送水管の最大圧力と最大流量および最小圧力と最小流量に基づいて、ポンプ逆転水車の仕様を適正に設定して残圧回収管路に介設することで、最大圧力と最大流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車を残圧回収管路に介設した場合に生じるポンプ逆転水車と発電機のイニシャルコスト高および残圧回収効率の低下などの不都合や、一次送水管または二次送水管の最小圧力と最小流量を基準にした仕様のポンプ逆転水車を残圧回収管路に介設した場合に生じる残圧回収効率の低下の不都合を避けて、イニシャルコストを抑えたポンプ逆転水車によって効率よく残圧を回収して発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明に適用されるポンプ逆転水車の一実施の形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明に適用される他のポンプ逆転水車の一例を示す概略構成図である。
【図４】ポンプ逆転水車介設位置の変形例を示す説明図である。
【図５】水道施設の概略系統図である。
【図６】受水槽と二次送水管の関係を示す概略構成図である。
【符号の説明】
４  電動機（発電機）
Ａ  水源
Ｂ  導水路
Ｃ  浄水施設
Ｄ  一次送水管
Ｅ  配水施設
Ｆ  配水槽（配水池）
Ｇ  二次送水管
Ｇ１  バイパス管路
Ｇ２  残圧回収管路
Ｈ  受水槽
Ｉ  配水管
Ｊ  給水施設
ＰＴ  ポンプ逆転水車
Ｖ１  バイパス弁
【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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