(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口弁と、発電電動機に接続されたポンプ水車の流量を調整制御する流量調整装置とを備えたポンプ水車システムにおいて、非常停止時における前記入口弁の閉鎖開始時刻を前記ポンプ水車の運転モードに応じて切替えることを特徴とするポンプ水車の運転制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のポンプ水車の運転制御方法において、前記入口弁の閉鎖開始時刻を前記ポンプ水車の運転モードに応じて切替える際、前記流量調整装置が揚水モードで全閉に至るまでの時間と発電モードで全閉に至るまでの時間との差だけ、発電モード時の前記入口弁の閉鎖開始時刻を遅らせることを特徴とするポンプ水車の運転制御方法。
【請求項３】
入口弁と、発電電動機に接続されたポンプ水車の流量を調整制御する流量調整装置とを備えたポンプ水車システムにおいて、揚水モード非常停止時に、前記ポンプ水車の停止操作を開始すると同時、または所定の時間後に前記入口弁の閉鎖を開始し、発電モード非常停止時には前記揚水非常停止時よりも長い所定時間の後に前記入口弁の閉鎖を開始することを特徴とするポンプ水車の運転制御方法。
【請求項４】
請求項３記載のポンプ水車の運転制御方法において、発電モード非常停止時の前記所定時間は、前記ポンプ水車の停止操作の開始時点での前記流量調整装置の開度によって異なることを特徴とするポンプ水車の運転制御方法。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のポンプ水車の運転制御方法において、前記発電電動機の電源側の遮断または前記発電電動機の電源喪失の状態で停止操作を行なう揚水非常停止時には、前記流量調整装置が正常時の閉鎖完了に要する時間よりも長い時間で前記入口弁の閉鎖を行なうことを特徴とするポンプ水車の運転制御方法。
【請求項６】
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のポンプ水車の運転制御方法において、前記発電電動機の電源側の遮断または前記発電電動機の電源喪失の状態で停止操作を行なう揚水非常停止時には、正常に閉鎖する前記流量調整装置の開口面積に比べて前記入口弁の開口面積が大きくなるように前記入口弁を閉鎖することことを特徴とするポンプ水車の運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入口弁と発電電動機に接続されたポンプ水車の流量を調整制御するガイドベーン等の流量調整装置を備えたポンプ水車の運転制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のポンプ水車において、発電モード非常停止時には図１２（ａ）および揚水モード非常停止時には図１２（ｂ）にそれぞれ破線で示すようなパターンＰ１ａ，Ｐ１ｂでガイドベーンを閉鎖し、また入口弁を図１２（ａ），（ｂ）の実線で示すようなパターンＰ２ａ，Ｐ２ｂで閉鎖している。
【０００３】
また、これら発電モードおよび揚水モード非常停止時には、図１１（ａ），（ｂ）に示すようにいずれもガイドベーンおよび入口弁をほぼ同時に閉鎖を開始している。すなわち、発電モード非常停止は、図１１（ａ）に示すように発電運転中に非常停止指令を受けたことを条件（アンド条件）に、ガイドベーンと入口弁をほぼ同時に閉鎖してポンプ水車を停止させ、また揚水モード非常停止は、図１１（ｂ）に示すように揚水運転中に非常停止指令が出されたことを条件（アンド条件）に、ガイドベーンと入口弁をほぼ同時に閉鎖してポンプ水車を停止させている。
【０００４】
ここで、非常停止時のガイドベーンおよび入口弁の閉鎖方法を説明するに、まず発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖方法について述べる。
【０００５】
ガイドベーンは、ポンプ水車における流量調整装置であり、ポンプ水車の通常の運転では、このガイドベーンの開度を調整することによって、ポンプ水車の回転速度の調整を行なっている。
【０００６】
そして、発電モード非常停止時には、発電機側の遮断器を開くと同時にガイドベーンを急閉鎖し、さらにこれらとともに入口弁の閉鎖を開始する。
【０００７】
ここで、遮断器を開いてポンプ水車に直結された発電電動機の負荷が開放されるとポンプ水車の回転速度が著しく上昇する恐れがある。したがって、発電モード非常停止時にはポンプ水車に流入する水量、すなわち入力されるエネルギーを速く低減させるためにガイドベーンの急閉鎖を行なう必要がある。
【０００８】
しかしながら、このようにしてガイドベーンの急閉鎖を行なうと、それまで上部貯水池から下部貯水池に向けて流動していた水の動圧が大きく低下するため、ポンプ水車及びポンプ水車に接続される鉄管路内部の水圧が上昇し、場合によっては大きな水撃を発生させることになる。
【０００９】
逆にこのような水圧の上昇を抑制するために、ガイドベーンの閉鎖速度を緩やかなものとした場合、以下に述べるような現象が発生することが知られている。
【００１０】
図１０は一定のガイドベーン開度において運転されるポンプ水車の回転速度Ｎとその際の流量Ｑとの関係を、単位落差あたりの回転数Ｎ１（回転速度Ｎを落差Ｈの平方根で除したものである）を横軸に、単位落差あたりの流量Ｑ１（流量Ｑを落差Ｈの平方根で除したものである）を縦軸にとって表した、ポンプ水車の運転特性を示すグラフである。
【００１１】
ここで、図１０におけるグラフ第１現象は流量Ｑ、回転数Ｎとも正の水車運転領域となっており、第３現象は流量Ｑ、回転数Ｎとも負であるポンプ運転領域となっている。また、２本の曲線のうち添字Ｙｃが付されたものは、ガイドベーン開度Ｙｃでの運転特性を、添字Ｙｔ０が付されたものはガイドベーン開度Ｙｔ０での運転特性を示す曲線となっており、ここではＹｃ＞Ｙｔ０となっている。
【００１２】
これらの運転特性を詳細に見ると、水車運転領域でガイドベーン開度を一定とした場合、Ｎ１の値が大きくなると、Ｑ１の値が小さくなって行くことが判る。ここから、さらにＮ１が増加するとＱ１が減少を続け、Ｑ１＝０付近に近付くと、今度はＮ１の値も減少に転じる。このようにＱ１の減少とＮ１の減少が同時に起きる領域はＳ字特性部と呼ばれる。このＳ字特性部はガイドベーン開度が小さいほどその長さが短くなるが、Ｓ字特性部でポンプ水車が運転される場合、最悪の場合Ｑが負の状態となり、やはりポンプ水車及びポンプ水車に接続される鉄管路内部に大きな水撃を発生させることになる。
【００１３】
定格回転数Ｎ０の発電モードで運転していたポンプ水車を非常停止させる際に、ガイドベーンを開度ＹｃからＹｔ０まで緩やかに閉鎖した場合、このポンプ水車の運転点は、図１０の破線のようにＳ０→Ｓ１→Ｓ３へと移動するが、ここでポンプ水車の持つＳ字特性部に突入してＳ字特性部を流量が減少する方向に辿り始め、これによってポンプ水車及びポンプ水車に接続される鉄管路内部の水圧を著しく上昇させることになる。
【００１４】
以上述べた問題点を解消するために、発電モード非常停止時には次のようにしてガイドベーンを閉鎖している。すなわち、図１２（ａ）に示すように、発電機側の遮断器を開くと同時に初期開度Ｙｔ０であったガイドベーンが破線のように予め設定された発電用第１制限レート開度Ｙｔ１まで急閉鎖され、これより発電用第１制限レートよりも閉鎖速度が緩やかな予め設定された発電用第２制限レートに自動的に切替えられ、その後はこのレートで閉鎖される。そして、開度Ｙｔ２以下になるとガイドベーンを駆動するガイドベーンサーボモータの全閉端クッションが作動して、閉鎖レートは図示するようにさらに低下する。
【００１５】
これは、発電モード非常停止時にはまず急閉鎖を行ない、Ｓ字特性部の長さが短い運転特性であるガイドベーン開度Ｙｔ１として、その後この急閉鎖によるポンプ水車及びポンプ水車に接続される鉄管路内部の水圧上昇を免れるために緩閉鎖へ移行する。すなわち、このようにしてガイドベーンを閉鎖することで、初期の急閉鎖による圧力上昇と、緩閉鎖時にＳ字特性部に運転点が移行することによる圧力上昇をほぼ等しいレベルとし、安全にガイドベーンを閉鎖している。
【００１６】
次に揚水モード非常停止時のガイドベーン閉鎖方法について述べる。
【００１７】
揚水モード非常停止時についても、ガイドベーンの過度の急閉鎖を行なうことは水圧上昇をもたらす恐れがあり、あまり好ましいことではない。また、揚水モード非常停止時には発電機側の遮断器が開かれることによってポンプ水車の入力がなくなるため、ポンプ水車の回転速度は低下することになるが、過度の急閉鎖を行なうとポンプ水車の回転速度が十分に下がらないため、ガイドベーンの全閉までには適度な時間を要することが望ましい。
【００１８】
しかしながら、ポンプ水車は駆動力を失っているため、ガイドベーンの全閉までの時間が長くなるほどその回転速度は低下し続ける。そして、全閉時間が長くなりすぎると、ポンプ水車の回転が逆転して、ポンプ運転方向の回転から水車運転方向の回転を始める。このような逆転はスラスト軸受にとって極めて過酷で有害である。
【００１９】
また、ポンプ水車の逆転は防止できても、ガイドベーン全閉所要時間が長い場合、逆流が起きることが知られている。このことを図９を用いて説明する。
【００２０】
図９（ａ），（ｂ）は図１０で示したポンプ水車の運転特性を単位落差あたりの回転速度と単位落差あたりの流量の関係を示した図に、揚水モード非常停止時の運転点軌跡を示したものである。ここで、図９（ａ），（ｂ）それぞれにおいて、２本の実線の曲線はガイドベーン開度がＸ０及びＸａであるときのポンプ水車の運転特性を示しており、ここではＸ０＞Ｘａである。そして、図９（ａ）に示した破線は回転速度Ｎ０で運転していたポンプ水車の非常停止時にガイドベーンを急閉鎖させた場合の運転点の軌跡を示しており、図９（ｂ）に示した破線は回転速度Ｎ０で運転していたポンプ水車の非常停止時にガイドベーンを緩やかに閉鎖した場合の運転点軌跡を示している。
【００２１】
ここで、図９（ａ），（ｂ）に示す座標において、第２象限はポンプ水車がポンプ運転の回転方向に回転しているものの水の流れが水車方向へ逆流するポンプブレーキ領域で、この領域では振動や騒音を伴うポンプ水車にとっては悪い運転状態となる。また、ポンプブレーキ領域でのガイドベーン開度が大きいほどその運転状態は悪くなる。さらに、ガイドベーンの閉鎖がゆっくりとなった場合には、図９（ａ），（ｂ）の第１象限の水車運転領域に入り、ポンプ水車は水車方向への回転へ移行することになる。
【００２２】
このようなことから、揚水モード非常停止時についてはガイドベーンを閉鎖している。すなわち、図１２（ｂ）に示すように、発電機側の遮断器を開くと同時に初期開度Ｔｐ０であったガイドベーンが破線のように予め設定された揚水用第１制限レートで開度Ｙｐ１まで急閉鎖され、これより揚水用第１制限レートよりも閉鎖速度が緩やかな予め設定された揚水用第２制限レートに自動的に切替えられ、その後はこのレートで閉鎖される。
【００２３】
これは、揚水モード非常停止時にもまず急閉鎖を行ない、ポンプ水車の運転点がポンプブレーキ領域に入らないようにし、その後緩閉鎖へ移動してポンプ水車の回転を十分に下げた後にガイドベーンが完全に閉鎖するように制御している。すなわち、このように揚水モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンは、ガイドベーン閉鎖完了時のポンプ水車の回転を十分に低下させ、かつ逆流に至らず、あるいは仮に逆流が生じる場合でも逆流量を最小限に抑えてポンプ水車が逆転に至らないようにするものである。
【００２４】
このようにして、発電モード、揚水モードそれぞれの非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンが決定されているが、図１２（ａ），（ｂ）からもわかるように発電モード非常停止時のガイドベーン全閉所用時間は揚水モード全閉所用時間よりも長くなっている。
【００２５】
次に入口弁の閉鎖パターンについて述べる。
【００２６】
入口弁は、ポンプ水車の上部貯水池側に接続される鉄管路中に設けられており、主にガイドベーンのバックアップとポンプ水車の保守点検作業時に止水するために設けられている。このため、通常ポンプ水車の運転開始時にはガイドベーンよりも先に開き、運転停止時にはガイドベーンよりも後に閉まるようになっている。
【００２７】
そして、非常停止時の入口弁は図１２（ａ），（ｂ）に実線で示すように、ガイドベーンとほぼ同時に閉鎖を開始し、入口弁に作用する水圧の違いにより現実的には多少の差異が生じるが、その閉鎖速度は発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時のいずれにおいても等しくなるように決定されている。入口弁のこの閉鎖速度は、非常停止時のガイドベーンの閉鎖が上述した閉鎖パターンによって正常に行なわれたときに、入口弁が実質的に流量絞り作用を持たないような速度に決定されている。これは、ポンプ水車の本来の流量調節装置はガイドベーンであり、上述のように非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンがポンプ水車にて発生する回転速度上昇や水圧変動などに対してできるだけ機器損耗に影響を与えないように決定されたものであるため、非常停止時であってもガイドベーンによる流量調整を優先させるためである。
【００２８】
従って、非常停止時の入口弁の閉鎖方法は、ガイドベーンとほぼ同時に閉鎖を開始するとともに、入口弁の全閉所用時間がガイドベーンの全閉所用時間よりも長くなるか、あるいはガイドベーンが正常に閉鎖する場合の水路内におけるガイドベーン部の開口面積より入口弁部の開口面積が常に大きくなるように閉鎖している。ここで、上述のようにガイドベーンの全閉所用時間は、発電モード非常停止時の方が揚水モード非常停止時よりも長くなるため、従来の入口弁閉鎖パターンは発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時とも同一の閉鎖速度で、かつ入口弁の全閉所用時間が発電モード非常停止時のガイドベーン全閉所用時間よりも長い時間を要して閉鎖されるものとなっていた。
【００２９】
しかし、上述した従来の入口弁の閉鎖パターンでは、次のような課題がある。
【００３０】
入口弁にはその重要な機能として、ガイドベーンのバックアップ機能を有しているため、ガイドベーンが故障してまったく閉められなくなり、さらにこれと同時にポンプ水車を非常停止する場合などには、入口弁がガイドベーンに変わる役割を果たすことを期待される。しかしながら、上述したように入口弁については発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時のどちらであっても、その閉鎖開始時刻や閉鎖速度を同一にしている。すなわち、入口弁に関してはその閉鎖パターンが運転モードによらず同一で、その閉鎖速度は発電モード非常停止時のガイドベーン全閉所要時間によって決定されるため、特に揚水モード非常停止時にガイドベーンの故障が起きた場合などにあっては、逆流や、この逆流が長時間継続することによって引き起こされるポンプ水車の逆回転を免れることができない。
【００３１】
また、最近では発電モード非常停止時のガイドベーンの閉鎖方法について次のような閉鎖パターンも提案されている。この発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖方法は、図１２（ａ）に示した発電用第１制限レートでの急閉鎖による水撃作用で発生する圧力上昇や、これに伴ってサージタンクの水位が所定水位よりの上昇を防止することを目的としており、図７にこれらの提案に基づく発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンを示した。
【００３２】
このうち、図７（ａ）は、発電モード非常停止時にガイドベーンを発電モード第１制限レートで閉鎖する途中や閉鎖の後に、予め定められた時間だけガイドベーン開度を保持する閉鎖パターンである。また、図７（ｂ）は発電モード第２制限レートで閉鎖する途中で予め定められた時間だけそのガイドベーン開度を保持する閉鎖パターンである。さらに、図７（ｃ）はガイドベーンの閉鎖途上で一時的にガイドベーンが開動作するような閉鎖パターンである。
【００３３】
発電モード非常停止時にこれらのガイドベーン閉鎖パターンによってガイドベーンを閉鎖することで、ポンプ水車およびポンプ水車に接続される鉄管路内部の水圧上昇をさらに低減することが可能となる。
【００３４】
しかしながら、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したガイドベーン閉鎖パターンでは、ガイドベーンの急閉鎖、緩閉鎖の際の閉鎖速度は発電用第１制限レート、発電用第２制限レートとしているため、ガイドベーン全閉所要時間はガイドベーン開度を保持する時間もしくは開動作させる時間分だけ、図１２に示した発電モード非常停止時のガイドベーン全閉所要時間よりも長くかかることになる。
【００３５】
そして、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンに基づいて決定された入口弁の閉鎖速度は、図１２に示した入口弁閉鎖速度よりも遅くなり、入口弁の全閉所要時間も長くなる。入口弁閉鎖パターンは発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時にかかわらず同一であるため、上述のように揚水モード非常停止時にガイドベーン故障が起きた場合などに、逆流や逆回転といったポンプ水車にとって悪い運転状態がより長く続くことになる。
【００３６】
以上の理由により、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンをポンプ水車においては採用することはできなかった。
【００３７】
次に、上述した揚水モード非常停止時にガイドベーン故障が発生した場合などにポンプ水車において逆流や逆回転が起きることによって生じるもう一つの問題を説明する。
【００３８】
図８は複数台のポンプ水車が設置された揚水発電所の水路の構成例を示す系統図である。図８において、１は上部貯水池で、発電モードのときはこの上部貯水池１より導水管２および導水管７を通して水が流れ、分岐部６よりさらに上部分岐管８を経て発電電動機１１に直結されたポンプ水車１０に流入し、ポンプ水車１０を駆動させる。ポンプ水車１０で仕事を終えた水は下部分岐管１２から分岐部１３、導水管１５を経て下部貯水池１６に至る経路を辿る。
【００３９】
ここで、図示しないが上部分岐管８と下部分岐管１２の間に夫々１台ずつ発電電動機１１およびポンプ水車が設けられているものとする。また、揚水モードの時には、発電電動機１１に電力が入力されることによってポンプ水車１０が駆動され、これによって発電モードとまったく逆の経路で水が流れる。
【００４０】
このような構成の揚水発電所の水路において、ガイドベーンはポンプ水車１０内部に設けられており、入口弁は導水管７内の分岐部６直近に設けられている。また、導水管２の途中には上部サージタンク３が設けられており、導水管１５の途中には下部サージタンク１４が設けられている。
【００４１】
ここで、これらのサージタンク３およびサージタンク１４はその上部が大気開放されており、ポンプ水車の停止時にガイドベーンや入口弁が閉鎖され、水流が遮断されて上昇した水圧を開放するために設けられている。
【００４２】
すなわち、上部サージタンク３内の水面レベルは上部貯水池１の水面レベルとほぼ等しく、発電モードでの運転停止時などの水流遮断の際に上部サージタンク３の水位が上昇することによってサージタンク３よりも上部貯水池側の導水管に過大な水圧が作用することを防いでいる。
【００４３】
また、同様に下部サージタンク１４の水面レベルは下部貯水池の水面レベルとほぼ等しく、揚水モードでの運転停止時などの水流遮断時に下部サージタンク１４の水位が上昇することによって下部サージタンク１４よりも下部貯水池側の導水管１５に過大な水圧が作用することを防止している。
【００４４】
上部サージタンク３および下部サージタンク１４の水位は、揚水発電所の水路の長さによって決まる固有周期内に水路を流れる流量変化によって発生する水撃圧力の総和で定まる。すなわち、水路内の流量変化が大きいほどサージタンク３およびサージタンク１４の水位の変動も大きくなる。
【００４５】
従って、サージタンク３およびサージタンク１４については、想定しうる最大の水位上昇を許容する容量としなければならない。
【００４６】
揚水発電所で想定できる最も大きな流量変化が発生するのは、揚水モードでの非常停止時であるため、この場合の流量変化と下部サージタンク１４の水位について以下に示す。
【００４７】
揚水モードにおいて、水路には流量Ｑ０の水がポンプ方向に流れるが、揚水モード非常停止により水流が遮断されて流量が０となる図９（ａ）のような場合には、流量の変化量はＱ０（＝Ｑ０−０）となる。
【００４８】
一方、図９（ｂ）のようにガイドベーンを緩慢に閉めた場合には、Ｑｂという水車方向の水の流れが生じることから、この間の流量変化はＱ０＋Ｑｂ（＝Ｑ０−（−Ｑｂ））となり、図９（ａ）の場合と比べて流量変化が大きくなることで水撃圧力の総和も大きくなり、この結果下部サージタンクの水位は上昇することになる。
【００４９】
一般に下部サージタンクの容量は、揚水非常停止時にガイドベーンが故障したケースを想定して決定されるため、逆流の発生が大きくなるほどサージタンクとしては大きな容量をもった設備が必要になる。
【００５０】
従って、揚水発電所の経済性はもとより、揚水発電所のサージタンクが一般に山間部に設置されることから、自然環境面への影響としてもサージタンクの小容量化が望まれている。
【００５１】
【発明が解決しようとする課題】
これを解決する方策の一つとして、国際公開番号ＷＯ９８／０３７９２公報に示されるようなポンプ水車の運転モードにより入口弁の閉鎖速度を切替える方法、すなわち揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖速度を発電モード非常停止時よりも速くするという方法がある。
【００５２】
そして、この方法では揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖速度を発電モード非常停止時の入口弁閉鎖速度よりも大きくすることができるため、発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖方法として、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した閉鎖パターンを採用できるという利点もある。
【００５３】
しかしながら、この運転モードに応じて入口弁の閉鎖速度を変える方法には次のような問題がある。
【００５４】
従来、入口弁は油圧により駆動されるサーボモータにより開閉され、この開閉の動作はサーボモータ用配圧弁を開側と閉側に切り替えることで行われていた。これは、上述のように、入口弁はガイドベーンが故障などにより閉められなくなった際のバックアップの役割を有するものであるため、機械的に複雑な構成とせずにシステムとしての信頼性を確保するためである。
【００５５】
逆に、このことによって図１２（ａ），（ｂ）に示したように、従来の入口弁においては発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時の別なく同一の閉鎖速度によって入口弁が閉鎖される構成となっている。
【００５６】
しかしながら、国際公開番号ＷＯ９８／０３７９２公報に記載されたポンプ水車の運転モードにより入口弁の閉鎖速度を切り替える方法では、入口弁の開閉動作を行う機械的な構成に運転モードにより入口弁の閉鎖速度を選択切り替えするための機構を要することになり、機構的に複雑な構成とせざるを得ない。そしてこのことは、従来より考慮されていた、簡素な構成によりバックアップ機能を持たせ、システムとしての信頼性を高めることと相反する。
【００５７】
さらに、発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖方法として、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した閉鎖パターンを採用した場合について図６を用いて説明する。
【００５８】
図６において、直線ｐ１は揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖パターン、ｐ２は発電モード非常停止時の入口弁閉鎖パターン、ｐ３は揚水モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターン、ｐ４は発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンの一例として示した図７（ｃ）の閉鎖パターンである。
【００５９】
図６に示すように、発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖方法として、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した閉鎖パターンを採用した場合には、運転モードによる入口弁閉鎖速度調整範囲を非常に大きく取らなければならず、複雑な機構となるのはもちろん、非常に精密な入口弁閉鎖速度調整装置を必要とする。つまりこれでは、バックアップ機能を備えるためにシステムとしての信頼性を損ねていることになる。
【００６０】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、揚水発電所の経済性はもとより、自然環境への影響も緩和でき、しかもフェールセーフ装置としての信頼性の低下を防ぐことができるポンプ水車の運転制御方法を提供することを目的とする。
【００６１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような方法によりポンプ水車を運転制御するものである。
【００６２】
請求項１に対応する発明は、入口弁と、発電電動機に接続されたポンプ水車の流量を調整制御する流量調整装置とを備えたポンプ水車システムにおいて、非常停止時における前記入口弁の閉鎖開始時刻を前記ポンプ水車の運転モードに応じて切替える。
【００６３】
請求項２に対応する発明は、請求項１に対応する発明のポンプ水車の運転制御方法において、前記入口弁の閉鎖開始時刻を前記ポンプ水車の運転モードに応じて切替える際、前記流量調整装置が揚水モードで全閉に至るまでの時間と発電モードで全閉に至るまでの時間との差だけ、発電モード時の前記入口弁の閉鎖開始時刻を遅らせる。
【００６４】
請求項３に対応する発明は、入口弁と、発電電動機に接続されたポンプ水車の流量を調整制御する流量調整装置とを備えたポンプ水車システムにおいて、揚水モード非常停止時に、前記ポンプ水車の停止操作を開始すると同時、または所定の時間後に前記入口弁の閉鎖を開始し、発電モード非常停止時には前記揚水非常停止時よりも長い所定時間の後に前記入口弁の閉鎖を開始する。
【００６５】
請求項４に対応する発明は、請求項３に対応する発明のポンプ水車の運転制御方法において、発電モード非常停止時の前記所定時間は、前記ポンプ水車の停止操作の開始時点での前記流量調整装置の開度によって異なる。
【００６６】
請求項５に対応する発明は、請求項２乃至請求項４のいずれかに対応する発明のポンプ水車の運転制御方法において、前記発電電動機の電源側の遮断または前記発電電動機の電源喪失の状態で停止操作を行なう揚水非常停止時には、前記流量調整装置が正常時に閉鎖完了に要する時間よりも長い時間で前記入口弁の閉鎖を行なう。
【００６７】
請求項６に対応する発明は、請求項２乃至請求項４のいずれかに対応する発明のポンプ水車の運転制御方法において、前記発電電動機の電源側の遮断または前記発電電動機の電源喪失の状態で停止操作を行なう揚水非常停止時には、正常に閉鎖する前記流量調整装置の開口面積にくらべて前記入口弁の開口面積が大きくなるように前記入口弁の閉鎖を行なう。
【００６８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００６９】
図１は本発明によるポンプ水車の運転制御方法の実施の形態を説明するための図である。図１（ａ）は発電モード非常停止時、図１（ｂ）は揚水モード非常停止時で、破線Ｐ１１ａ，１１ｂはガイドベーンの閉鎖パターン、実線Ｐ１２ａ，１２ｂは入口弁の閉鎖パターンをそれぞれ示す。
【００７０】
図１（ａ），（ｂ）において、ガイドベーン閉鎖パターンＰ１１ａ，１１ｂは発電モード非常停止時及び揚水モード非常停止時共に、従来技術と同様である。
【００７１】
また、入口弁閉鎖パターンＰ１２ａ，１２ｂは揚水モード非常停止時及び揚水モード非常停止時ともに、ガイドベーンが閉鎖するよりも長い時間で入口弁を閉鎖するようにしているが、発電モード非常停止時には、入口弁の閉鎖開始時刻を変えて閉鎖するもので、図１（ａ）ではガイドベーンの閉鎖開始よりＴ１時間後に入口弁の閉鎖を開始するようにしている。
【００７２】
これにより、入口弁はガイドベーンが閉鎖するよりも長い時間で閉鎖することになり、ガイドベーンの正常時には入口弁が実質的な流量調整として機能することがないようにしている。また、入口弁の閉鎖速度は、発電モード非常停止時及び揚水モード非常停止時ともに同じ速度になっている。
【００７３】
そして、本実施の形態においては、図１（ａ）に示した発電モード非常停止時にはガイドベーンの閉鎖が開始された後、時間Ｔ１が経過した時点で入口弁が閉鎖開始するように入口弁閉鎖開始時刻を定め、図１（ｂ）に示した揚水モード非常停止時には入口弁閉鎖開始時刻をガイドベーンの閉鎖開始時刻としている。
【００７４】
ここで、図１（ａ），（ｂ）に示した発電モード非常停止時および揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖速度は、どちらも等しくなるように定めている。
【００７５】
この入口弁閉鎖速度は、入口弁全閉所要時間が揚水モード非常停止時のガイドベーン全閉所要時間よりも長くなるような閉鎖速度か、あるいはガイドベーンが正常に閉鎖する場合の水路内におけるガイドベーン部の開口面積より入口弁部の開口面積が常に大きくなるような閉鎖速度であり、かつ揚水モード非常停止時にガイドベーンが閉鎖不能となった場合に入口弁の閉鎖までにポンプ水車において逆流あるいは逆回転が起きない閉鎖速度に設定されている。
【００７６】
これにより、発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時のどちらにおいても入口弁はガイドベーンが閉鎖するよりも長い時間で閉鎖するか、あるいはガイドベーンが正常に閉鎖する場合の水路内におけるガイドベーン部の開口面積より入口弁部の開口面積が常に大きくなるように閉鎖することになる。
【００７７】
すなわち、非常停止時にガイドベーンが正常に作動し図１（ａ），（ｂ）に示したガイドベーン閉鎖パターンｐ１１ａ，ｐ１１ｂによって閉鎖される場合には入口弁が実質的な流量調整装置として働くことはなく、本来の流量調整機構であるガイドベーンによって水流の遮断が行われる。
【００７８】
そして、揚水モード非常停止時にガイドベーンが故障して全く閉じられなくなった場合には、本来ガイドベーンが閉鎖を開始するはずであった時刻に入口弁が閉鎖を開始し、上述のようにポンプ水車において逆流または逆回転が起こる前に入口弁の閉鎖を完了させることができる。このため、揚水モード非常停止時に逆流またはポンプ水車の逆回転が起きないため、揚水発電所の水路途中に設けられる下部サージタンクの水位が著しく上昇することを防止できる。
【００７９】
さらに、入口弁閉鎖速度については、発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時ともに同じ速度としているため、入口弁の駆動装置を複雑化させる必要がなく、入口弁およびその駆動装置を簡素な構造とでき、ガイドベーンのバックアップ機能を十分に持たせることができる。
【００８０】
ここで、上述の発電モード非常停止時に入口弁が閉鎖開始するまでの時間Ｔ１の定め方の例を図２を用いて説明する。
【００８１】
図２は図１（ａ），（ｂ）に示した発電モード非常停止時、揚水モード非常停止時のガイドベーンおよび入口弁の閉鎖パターンを改めて図示したものである。図２（ａ）は発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンｐ１１ａおよび、揚水モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンｐ１１ｂを示しており、図２（ｂ）は発電モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンｐ１２ａおよび、揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンｐ１２ｂを示している。
【００８２】
図２（ａ）に示したように、発電モード非常停止時には、揚水モード非常停止時よりもガイドベーン全閉までの時間が長くなるが、ここで発電モード非常停止時のガイドベーン全閉所要時間と揚水モード非常停止時のガイドベーン全閉所要時間の差をＴｄとする。
【００８３】
図２（ｂ）に示したように、揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンｐ１２ｂと発電モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンｐ１２ａでは、その閉鎖速度は揚水モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンに基づいて決定された等しい閉鎖速度となっている。
【００８４】
そこで、この例では発電モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンｐ１２ａにおいて、非常停止時に入口弁が閉鎖開始するまでの時間Ｔ１をＴ１＝Ｔｄとなるように設定している。
【００８５】
このようにＴ１の値を定めることで、非常停止時にガイドベーンが正常に作動し図２（ａ）に示したガイドベーン閉鎖パターンｐ１１ａ，ｐ１１ｂによって閉鎖される場合には入口弁が実質的な流量調整装置として働くことはなく、本来の流量調整機構であるガイドベーンによって水流の遮断が行われる。
【００８６】
上記発電モード非常停止時に入口弁の閉鎖を開始するまでの時間Ｔ１は、一定とする他に可変設定することも可能である。
【００８７】
図３は入口弁の閉鎖を開始するまでの時間Ｔ１を可変設定する場合の実施例を示す図である。図３の実線Ｐ２１は関数方式の場合であり、非常停止指令を受けた時のガイドベーン開度により、時間Ｔ１を関数化したもので、開度が大きいほど時間Ｔ１が長く、開度が小さくなると時間Ｔ１を短く設定している。
【００８８】
ここで、開度Ｙｔ４以下では所定時間を零としているが、これは非常停止によって閉鎖するガイドベーンの開度が小さいために、この段階から入口弁の閉鎖を開始してもガイドベーンが正常に閉鎖するよりも長い時間となる、あるいは正常に閉鎖ガイドベーンの開口面積に比べて入口弁の開口面積が大きくなる開度に相当するためである。
【００８９】
図３の破線Ｐ２２はステップ方式の場合であり、非常停止指令を受けた時のガイドベーンの開度により、Ｙｔ３以上とＹｔ３からＹｔ４の間さらにＹｔ４以下という範囲内で時間Ｔ１を一定に設定するものである。この場合にも、発電モード非常停止時に入口弁を閉鎖開始するまでの時間Ｔ１は、非常停止指令を受けた時のガイドベーン開度が大きいと時間Ｔ１を長く、開度が小さいと時間Ｔ１を短くする。
【００９０】
図４は発電モード非常停止時のガイドベーンの急閉鎖による水撃作用で発生する圧力上昇や、これに伴うサージタンク水位の過度の上昇を防ぐことを目的とする図７に示した発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖方法を本実施の形態において採用した場合を、図７（ｃ）に示したガイドベーン閉鎖パターンを例にとって示したものである。
【００９１】
図４において、ｐ３１は揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンであり、ｐ３２は発電モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンである。また、ｐ３３は揚水モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンであり、ｐ３４は図７（ｃ）に示した発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンである。
【００９２】
図４に示したように、図７（ｃ）に示したようなガイドベーン全閉所要時間が長い発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンを採用したとしても、本実施の形態においては、発電モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンｐ３２において、入口弁を閉鎖開始するまでの時間Ｔ１を長く取ればよく、揚水モード非常停止時の入口弁閉鎖パターンはまったく変更する必要がないので、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したようなガイドベーン閉鎖パターンを発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンとして採用することが可能となる。
【００９３】
図５は本発明によるポンプ水車運転制御システムのフロー図である。
【００９４】
図５において、いまポンプ水車の非常停止指令が出されると、まずステップＳＴ１にてポンプ水車の運転モードが発電モードか揚水モードかを判定する。
【００９５】
運転モードが揚水モードである場合には、ステップＳＴ２およびステップＳＴ３へと進み、揚水モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンにてガイドベーンを閉鎖するように指令が出力されるとともに入口弁の閉鎖指令も出力され、これらの指令により、ガイドベーンおよび入口弁が閉鎖動作をする。
【００９６】
また、運転モードが発電モードである場合には、ステップＳＴ４へと進み、発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンにてガイドベーンを閉鎖するように指令が出される。そしてさらにステップＳＴ５へ進みステップＳＴ４から時間Ｔ１が経過したかを判定する。そして、ステップＳＴ５にて時間Ｔ１が経過したことが判定されると、次にステップＳＴ６へと進み入口弁の閉鎖指令を出力し、これらのステップを経てガイドベーンおよび入口弁が閉鎖される。
【００９７】
このように上述した実施の形態によるポンプ水車の運転制御方法よれば、次のような効果を得ることができる。
【００９８】
（１）揚水非常停止時にガイドベーンが故障した場合でも、入口弁がバックアップとして機能し、下部サージタンクの容量が過大になることを抑制することができる。この結果、揚水発電所の経済性はもとより、自然環境面への影響も緩和することができる。
【００９９】
（２）運転モードに応じて入口弁の閉鎖速度を切替えるための複雑な機構あるいは著しい精密性を必要としないことから、フェールセーフ装置としての信頼性の低下を防ぐことができる。
【０１００】
（３）入口弁の閉鎖開始時刻を運転モードによって切替えることによって、万一流量調整装置に異常が発生したときでも、入口弁でその時の運転モードに応じたフェールセーフを達成することができる。
【０１０１】
（４）揚水非常停止時にガイドベーンが正常時に閉鎖するより長い時間で入口弁を閉鎖したり、あるいはガイドベーンの開口面積より刻々の入口弁の開口面積が大きくなるように入口弁を閉鎖すれば、ガイドベーン正常時に入口弁が実質的な流量調整として機能する可能性を排除、軽減しながらガイドベーンの異常に際してはフェールセーフとしての機能を持たせることができる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、揚水発電所の経済性はもとより、自然環境への影響も緩和でき、しかもフェールセーフ装置としての信頼性の低下を防ぐことができるポンプ水車の運転制御方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるポンプ水車の運転制御方法の第１の実施の形態を説明するための図で、（ａ）は発電モード非常停止時の閉鎖パターン図、（ｂ）は揚水モード非常停止時の閉鎖パターン図。
【図２】本発明による入口弁閉鎖開始時刻の実施例を示し、（ａ）はガイドベーン閉鎖パターン図、（ｂ）は入口弁閉鎖パターン図。
【図３】本発明による発電モード非常停止時に入口弁を閉鎖開始するまでの所定時間を可変する方法を示すパターン図。
【図４】本発明による入口弁の閉鎖方法を説明するための図。
【図５】本発明によるポンプ水車運転制御方法を説明するためのフロー図。
【図６】最近提案されている発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンに対する従来技術を説明するための図、
【図７】（ａ）〜（ｃ）は最近提案されている発電モード非常停止時のガイドベーン閉鎖パターンを示す図。
【図８】揚水発電所の全体を示す概略系統図。
【図９】（ａ），（ｂ）は揚水モード非常停止時の運転点軌跡をポンプ水車のＮ１−Ｑ１完全特性上に示した図。
【図１０】発電モード非常停止時の水車運転点軌跡をポンプポンプ水車のＮ１−Ｑ１完全特性上に示した図。
【図１１】（ａ）は従来方法を実施するための発電モード非常停止の場合の機能ブロック図、（ｂ）は揚水モード非常停止の場合の機能ブロック図。
【図１２】従来のポンプ水車の運転制御方法を説明するための図で、（ａ）は発電モード非常停止時の閉鎖パターンを示す図、（ｂ）は揚水モード非常停止時の閉鎖パターンを示す図。
【符号の説明】
Ｐ１１，Ｐ２１…ガイドベーンの閉鎖パターン
Ｐ１２，Ｐ２２…入口弁の閉鎖パターン
１…上部貯水池
２，７，８，１５…導水管
６，１３…分岐管
１０…ポンプ水車
１１…発電電動機
１２水出管
１４…下部サージタンク
１６…下部貯水池
【図１】
0003825626.tif 000002
【図２】
0003825626.tif 000003
【図３】
0003825626.tif 000004
【図４】
0003825626.tif 000005
【図５】
0003825626.tif 000006
【図６】
0003825626.tif 000007
【図７】
0003825626.tif 000008
【図８】
0003825626.tif 000009
【図９】
0003825626.tif 000010
【図１０】
0003825626.tif 000011
【図１１】
0003825626.tif 000012
【図１２】
0003825626.tif 000013