JP2005030286A - ペルトン水車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、余水路が省略された４射以上の進退移動可能なニードル弁を有するペルトン水車が１射運転中運転ニードルに故障を生じても軸受に作用する荷重を増加させることなく健全なノズルに切替えて発電運転できるペルトン水車の制御装置を提供することにある。
【解決手段】ペルトン水車は４本以上のノズルをそれぞれニードル弁で開閉する。ノズル運転装置１３はペルトン水車が１本のノズルで運転中に、当該ノズルのニードル弁８が故障すると運転中ノズルに対向配置されている１本のノズルを運転してペルトン水車の運転を継続する。
【選択図】 図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は４本以上のノズルが進退移動自在なニードル弁で開度制御されるペルトン水車の制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ペルトン水車は高落差、小流量の発電所に採用される。発電所は取水口から取水した水を導水路で上水槽に引き込み発電する、いわゆる流れ込み式発電所となる。流れ込み式の水力発電所は、図１及び図２に示されるように構成されている。図１はペルトン水車の概略構成図、図２は流れ込み式水力発電所の上水槽部分の構成図である。
【０００３】
図２において、図示しない取水口から取水された水は導水路１を経て上水槽２に導かれる。上水槽２に蓄えられた水は水圧鉄管４を経て水車に必要水量を供給する。また、河川法第４８条、危害防止のための措置の規定により、万一、水力発電所の故障により発電ができなくなった場合、下流側物件に対し損傷を与えず安全に下流側に水を流すために上水槽２に堰３を設けている。堰３を越えた余水は余水路５で下流側に放流している。
【０００４】
図１はペルトン水車の概略構成図で、６射ペルトン水車の例である。
【０００５】
図２に示す上水槽２に蓄えられた水は水圧鉄管４でペルトン水車に導かれ、ケーシング６を介してノズル７ａ〜７ｆに供給される。ノズル７ａ〜７ｆに対応して設けられるニードル弁８ａ〜８ｆは進退移動自在であり、ノズル７ａ〜７ｆの開度を制御する。ランナ１１はノズル７ａ〜７ｆからのジェット噴流水をバケットに受け回転する。ランナ１１は図示しない発電機と直結されており、ランナ１１の回転により発電する。
【０００６】
デフレクター９ａ〜９ｆはデフレクターサーボ１０が進退移動することで回動し、ノズル７ａ〜７ｆから噴射する水をランナ１１に当らないようにしている。ペルトン水車は高落差の水力発電所に採用される水車の型式であり、ノズル７ａ〜７ｆを急速に全閉にすると水圧鉄管４の内部圧力が急激に上昇し水圧鉄管４が損傷する可能性がある。これを回避するためには水圧鉄管４の強度を挙げる必要があり、経済的に割高となる。デフレクター９ａ〜９ｆは急速に回動され、ランナ１１にノズル７ａ〜７ｆの噴流水が当らないようにし発電を停止させると共に、ノズル７ａ〜７ｆを緩やかに閉動作させ水圧鉄管４の許容圧力以上に水圧が上昇しないようにしている。
【０００７】
一方、近年、土木工事費低減の観点から余水路５を省略する余水路省略ペルトン水車が建設されるようになっている。ペルトン水車はノズル７ａ〜７ｆ及びデフレクター９ａ〜９ｆでランナ１１に与える水量を調整することが可能である。発電を停止させる必要が有る場合は、ノズル７ａ〜７ｆを開いた状態でデフレクター９ａ〜９ｆを回動させランナ１１に噴流水が当らないようにして発電を停止させることができる。また、下流側に水を放流することが設備の増加無しで可能であり、余水路５を省略することが可能となる。
【０００８】
ペルトン水車のノズル７ａ〜７ｆの運転について図３を参照して説明する。図３はノズル７ａ〜７ｆ（ニードル弁８ａ〜８ｆ）の運転と上水槽２の水位の関係を表す図である。図３の横軸はニードル弁ストローク（進退移動距離）、縦軸は上水槽水位を表している。
【０００９】
さて、ノズル７ａ〜７ｆの運転は上水槽２の水位、即ち上水槽２に導水路１を経由して流れ込む流量によりノズル７ａ〜７ｆの運転本数を切替えている。これはニードル弁８ａ〜８ｆ、即ちノズル７ａ〜７ｆが全開側のほうが全閉側に比較し効率が良いことに起因している。即ち、上水槽２への流入量が少ない場合には上水槽水位変化に対するニードル弁ストローク量を大きくして効率の良い位置で極力運転するように制御し、上水槽水位への流入量が多い場合には上水槽水位変化に対するニードル弁ストローク量を小さくする。
【００１０】
このことを図３により具体的に説明する。図３において上水槽２への流入水量が少ない場合にニードル弁８は特性ａの線上を上水槽２の水位に応じて開閉動作する。図３の特性ａはニードル弁２本、即ち２射ノズル運転の特性カーブであり、ニードル弁８は上水槽２の水位上昇により全開側に動作する。
【００１１】
上水槽水位が更に上昇しニードル弁８が開動作し特性ａのａ１点に到達すると特性ｂ、即ち４射ノズル運転に移行する運転となる。特性ａで運転していた２射ノズル７はｂ３点まで閉動作し、全閉している４本のノズル７の内の２本が全閉からｂ３位置まで開動作し、４射運転に切替わることを示している。
【００１２】
同様に、更に上水槽水位が上昇し、ニードル弁が特性ｂのｂ１点に到達すると運転している４本のノズル７はｃ１点まで閉動作し、全閉の２本のノズル７がｃ１点まで開動作し、６射ノズル運転に切替わる。
【００１３】
次に６射ノズル運転中に上水槽水位が低下し、６本のノズル７が特性ｃのｃ２点まで閉動作すると、最後に開動作した２本のノズル７は全閉に動作し、残りの４本のノズル７は特性ｂのｂ２点まで開動作する。更に上水槽２の水位が低下し、運転している４本のノズル７が特性ｂのｂ４点まで閉動作すると２番目に運転を開始した２本のノズル７が全閉動作し、残りの２本が特性ａのａ２点まで開動作する。
【００１４】
このようにノズル７を運転するのであるが、運転ニードル切替えの際、開側と閉側のノズル切替点、例えばｃ１点とｃ２点のごとく切替点に一定の開度差を設けている理由は、切替点が同一とするとノズル７が開動作した後直ぐに閉動作する、いわゆるハンチング動作をする可能性が高いことからヒステリシスを与えて制御するために開度差を与えている。
【００１５】
次に、ノズル７を偶数本、即ち２本，４本，６本で運転する理由について図４を用いて説明する。図４はノズル７の運転とランナ１１と図示しない発電機と直結する為の主軸を支える軸受１２に作用する荷重を示した図である。
【００１６】
図４（ａ）は対向配置されている２本のノズル７が運転している状態、図４（ｂ）は１本のノズル７が運転している状態、図４（ｃ）は隣り合う２本のノズルが運転しているときの軸受１２に作用する荷重状態を示している。
【００１７】
図４（ａ）の場合、ノズル７からランナ１１に噴流水が作用することで生じる力はノズル７の開度が同一であれば力の方向が逆で同一の力となるため相殺され、軸受１２に対してはノズルの噴流水による力は作用しない。図４（ｂ）は１本ノズル運転の場合を示すが、ノズル７からランナ１１に噴流水が作用することで生じる力は力の分解により２個の軸受１２に作用する。図４（ｃ）の場合、隣り合う２本のノズル７が運転した場合を示しているが、２本のノズル７により作用する力に挟まれた軸受１２は、力の合成により過大な荷重が加わることになる。
【００１８】
このように、ペルトン水車のノズル７の運転は対向配置されている２本を運転させ、かつ、軸受１２に作用する荷重を相殺させるためにノズルを偶数本で運転するようにしている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、ペルトン水車には極小流量まで運転したいとの要求があり、極小流量まで運転をするため１射ノズル運転を実現する必要性が生じている。この場合、前述の余水路省略ペルトン水車では運転しているノズルに故障が生じてもノズルを全閉に操作することが出来ないために下流側に放流を継続させる必要がある。
【００２０】
また、ペルトン水車は多数のノズルを有しているため、故障ノズルから健全なノズルに切替え、発電運転を継続させることが要求されている。この場合、運転ノズルを規定しないと軸受の許容荷重を大幅に増加させる必要性が生じるため、軸受の受圧面積を増加させることが必要となり、軸受寸法の増加に伴う機器寸法の増加となり、経済的にコスト高となる問題点を有する。
【００２１】
本発明の目的は、余水路が省略された４射以上の進退移動可能なニードル弁を有するペルトン水車が１射運転中運転ニードルに故障を生じても軸受に作用する荷重を増加させることなく健全なノズルに切替えて発電運転できるペルトン水車の制御装置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴とするところは、４本以上のノズルを有するペルトン水車が１本のノズルで運転中に、当該ノズルのニードル弁が故障すると運転中ノズルに対向配置されている１本のノズルを運転してペルトン水車の運転を継続して行うようにしたことにある。
【００２３】
本発明は１本のノズルで運転中に当該ノズルのニードル弁が故障すると運転中ノズルに対向配置されている１本のノズルを運転するようにしているので、軸受に作用する荷重を増加させることなく健全なノズルに切替えて発電運転を継続して行うことができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図５に本発明の一実施例を示す。図５は図１に示すニードル弁８ａを制御する構成を示している。
【００２５】
図５において、ノズル運転装置１３は図２に示す上水槽２の水位（流入水量）に応じてノズル７ａ〜７ｆの運転本数を切替える運転信号をニードル弁制御装置１４に与える。ノズル運転装置１３はノズル７ａ〜７ｆ（ニードル弁８ａ〜８ｆ）に対し共通に設けられている。ニードル弁制御装置１４はノズル運転装置１３からニードル弁８の運転信号を入力するとニードル弁８に制御信号を与え進退移動させる。ノズル運転装置１３の運転信号は運転指令と停止指令の両者を含むものとなる。
【００２６】
ニードル弁８の弁位置信号はニードル弁制御装置１４に帰還され、ニードル弁制御装置１４内部で図示しない閉ループを構成している。ニードル弁制御装置１４はニードル弁８の運転状態で弁位置信号（弁位置帰還信号）が規定範囲を逸脱すると異常と判断する。ニードル弁制御装置１４は異常情報をノズル運転装置１３に与える。異常情報には弁位置信号の異常、ニードル弁制御装置１４の他の故障情報がある。
【００２７】
図６にニードル弁制御装置１４の一例構成を示す。
【００２８】
図７において、弁位置指令部２３の弁目標位置指令と弁位置信号部２９の弁位置帰還信号を図示の極性で加算部２４に加える。制御出力部２８は加算部２４から得られる弁位置偏差に基づく制御信号をニードル弁８に出力して制御する。異常判定部２７は弁位置帰還信号が異常になると切替スイッチ２５をｂ側に切替え、弁全閉指令部２６の全閉指令を制御出力部２８から出力する。
【００２９】
次に動作を説明する。
【００３０】
まず、上述したようにペルトン水車のノズル７は図１のノズル７ａと７ｄ，７ｂと７ｅ，７ｃと７ｆの組合わせで運転される。以下、ノズル７ａと７ｄをＡ群，７ｂと７ｅをＢ群，７ｃと７ｆをＣ群と称する。
【００３１】
いま、Ａ群のノズル７ａが１本で運転中にノズル７ａを制御するニードル弁８ａが故障したとして本発明を説明する。本発明ではノズル７ａが故障するとノズル７ｄを制御することになる。
【００３２】
さて、図５のニードル弁８はニードル弁８ａとなる。ノズル運転装置１３のニードル弁８ａの運転信号はニードル弁制御装置１４入力される。ニードル弁制御装置１４は弁位置指令部２３の弁目標位置指令と弁位置信号部２９の弁位置帰還信号を図示の極性で加算部２４に加える。制御出力部２８は加算部２４から得られる弁位置偏差に基づく制御信号をニードル弁８に出力して制御する。ニードル弁制御装置１４はニードル弁８ａを閉ループ制御する。
【００３３】
このようにしてニードル弁８ａだけの運転状態、即ち１本ノズル運転状態において、ニードル弁８ａの弁位置帰還信号が何らかの要因により故障したとする。ニードル弁制御装置１４は入力された弁位置帰還信号が規定範囲を逸脱すると異常と判断する。
【００３４】
ニードル弁８ａが異常となり対向配置されているニードル弁８ｄの制御動作について図７を参照して説明する。図７は対向配置ニードル弁に対する運転指令を出力するフローチャートである。
【００３５】
ノズル運転装置１３はステップＳ１においてニードル弁制御装置１４からの異常情報によってニードル弁８ａの異常を判定する。異常がない場合にはステップＳ１の判定処理が繰り返し行われる。ステップＳ１でニードル弁故障と判定するとステップＳ２に移りどのニードル弁が故障したかを判断する。ニードル弁８ａはＡ群であり、Ａ群故障と判断する。
【００３６】
ステップＳ２からステップＳ３に移行してＡ群ニードル弁が運転中であるか否かを判定する。これは、停止中のニードル弁が故障した場合は、１本ノズル運転に無関係であり、停止中の場合はステップＳ４で故障ニードル群に対し運転禁止指令を出力する。ステップＳ３で運転群であると判定するとステップＳ６においてステップＳ５で判定している１ノズル運転中のアンド条件が成立するか判定する。以上の処理によるステップＳ６のアンド処理の出力は１ノズル運転中の運転ニードル弁群故障条件となる。
【００３７】
一方、ステップＳ１でニードル弁故障と判定するとステップＳ２〜ステップＳ６の１ノズル運転中運転ニードル弁群故障判定と並列処理されるステップＳ７の故障原因判定処理を実行する。ステップＳ７の故障原因判定では、故障したニードル弁８ａを閉鎖することが可能か、閉鎖することが出来ないかを判定する。ニードル弁を閉鎖できない故障には、ニードル弁制御装置１４自身の故障、又はニードル弁８ａの機械的な故障等がある。また、ニードル弁を閉鎖可能な故障はニードル弁位置帰還信号の異常がある。
【００３８】
ニードル弁位置帰還信号異常の場合はニードル弁制御装置１４の異常判定部２７で弁位置帰還信号の異常を判定し切替スイッチ２５をｂ側に閉路する。全閉指令部２６の全閉指令信号が出力制御部２８から出力され故障ニードル弁を全閉に制御する。一方、ニードル弁制御装置１４の故障、ニードル弁８ａの機械的な故障などの位置帰還信号異常以外の場合は、ニードル弁を駆動できないことから全閉制御することは不可能である。
【００３９】
図７に戻り、ステップＳ７で閉鎖不可能と判断した場合にはステップＳ８に移りステップＳ６の１ノズル運転中運転ニードル弁群故障条件とアンドを取り、成立すればステップＳ９で運転ニードル弁に対し運転ニードル弁運転禁止指令を出力する。ニードル弁８ａの運転信号を停止指令としてニードル弁８ａを現状開度保持とする。同時に、ステップＳ１１のオア条件処理を経てステップＳ１２に移行して対向配置されているニードル弁８ｄに対し運転指令を出力しノズル７ｄを開口させる。
【００４０】
この場合、図４（ａ）の状態でノズルの位置の相違により軸受１２に作用する荷重は完全には相殺されないが、いずれにしろ故障ノズルによる荷重と逆方向荷重として作用するため、１ノズル運転時軸受に作用する最大荷重以下となり、軸受に対し問題を与えることはない。
【００４１】
ステップＳ７における故障原因判定で閉鎖可能と判定すると、閉鎖不可能な場合と同様にステップＳ１０でステップＳ６の１ノズル運転中運転ニードル弁群故障条件とアンドを取り、条件が成立すればステップＳ１３で運転ニードル弁に対し全閉停止指令を出力すると同時にステップＳ１２で対向配置ニードル弁に対し運転指令を出力する。この場合も前述の説明のごとく軸受荷重は１ノズル運転時軸受に作用する最大荷重以下となり、軸受に対し問題を与えることはない。
【００４２】
ステップＳ７の故障原因判定で閉鎖可能と判断した場合、ノズル７ａを全閉停止操作すると同時に健全なニードル群であるＢ群又はＣ群ニードル弁の１本を開動作することも考えられる。しかし、この場合、過渡的に４（ｃ）の状態、すなわち故障ノズルが全閉動作し、隣り合う健全ノズルが開動作している間は１ノズル運転時軸受に作用する最大荷重を越える可能性があるため採用することはできない。
【００４３】
次に、１ノズルから２ノズルへの切替動作を図８に示すフローチャートで説明する。
【００４４】
ステップＳ１５において１ノズルから２ノズルへの切替条件、即ち図９に示す上水槽水位とニードル弁ストロークの関係の特性ｄのｄ１点に運転ニードル弁ストロークが到達すれば１ノズルから２ノズル切替条件が成立する。ステップＳ１５で１ノズルから２ノズル切替条件が不成立の場合には繰り返しステップＳ１５の処理を行い１→２射切替え条件を監視する。
【００４５】
ステップＳ１５で１ノズルから２ノズル切替条件成立と判定するとステップＳ１６に移り運転ニードル群故障判定を実施する。運転ニードル群故障判定は図７で説明した内容と同一である。ステップＳ１６で運転ニードル群故障無しと判定するとステップＳ２０において２ノズル運転に支障ないと判断できるため運転ニードル群２本運転指令を出力し、２ノズル運転に移行する。
【００４６】
一方、ステップＳ１６で運転ニードル群故障有りと判定すると、ステップＳ１９において運転ニードル弁に対して全閉停止指令を出力する。同時に、ステップＳ１７において故障ニードル群に対し運転禁止指令を出力して以後運転できない状態とし、更にステップＳ１８で次群ニードル、すなわちＢ群又はＣ群ニードル弁２本に対し運転指令を出力し２ノズル運転に移行させる。
【００４７】
この場合、故障ニードルが全閉可能な場合は３本ノズル、全閉不可能な故障の場合は４本ノズル運転に過渡的に状態変化することになるが、健全なニードル群２本は同時に開動作を開始するため、ほぼ同一にストロークするため図４（ａ）の状態となり軸受に作用する力は相殺され、結果的に１ノズル運転時の軸受最大を超えることはない。
【００４８】
このようにしてペルトン水車のノズルを制御するのであるが、１本のノズルで運転中に当該ノズルのニードル弁が故障すると運転中ノズルに対向配置されている１本のノズルを運転するようにしているので、軸受に作用する荷重を増加させることなく健全なノズルに切替えて発電運転を継続して行うことができる。
【００４９】
なお、以上説明した実施例から把握できる請求項に記載した以外の技術思想（発明）について記載すると下記のようになる。
【００５０】
【発明１】４本以上の進退移動自在なニードル弁と、前記ニードル弁の進退移動で開閉される４本以上のノズルと、前記ノズルからのジェット噴流水をバケットに受けるランナと、上水槽への流入水量に応じて自動的に前記ニードル弁の運転本数を切替える制御装置を有する水車発電機において、前記上水槽への流入水量が増加し２本のニードル弁で運転することが必要となった場合で、前記運転ニードル弁と対向するニードル弁が故障していた場合、運転ニードル弁を全閉停止させ、運転ニードル弁と対向しない他のニードル弁２本を運転させる。
【００５１】
【発明２】４本以上の進退移動自在なニードル弁と、前記ニードル弁の進退移動で開閉される４本以上のノズルと、前記ノズルからのジェット噴流水をバケットに受けるランナと、上水槽への流入水量に応じて自動的に前記ニードル弁の運転本数を切替える制御装置を有する水車発電機において、２本以上で前記ニードル弁が運転中、前記上水槽への流入水量が減少し、１本ニードル弁で運転することが必要となった場合に、故障ニードル弁と対向するニードル弁へ運転指令を与えない。
【００５２】
【発明の効果】
本発明は１本のノズルで運転中に当該ノズルのニードル弁が故障すると運転中ノズルに対向配置されている１本のノズルを運転するようにしているので、軸受に作用する荷重を増加させることなく健全なノズルに切替えて発電運転を継続して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ペルトン水車の一例構成図である。
【図２】従来の上水槽の構成図である。
【図３】従来のノズル切替説明図である。
【図４】軸受に作用する力の説明図である。
【図５】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図６】ニードル弁制御装置の一例構成図である。
【図７】本発明の動作説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の動作説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明によるノズル切替説明図である。
【符号の説明】
１…導水路、２…上水槽、３…堰、４…水圧鉄管、５…余水路、６…ケーシング、７ａ〜７ｆ…ノズル、８ａ〜８ｆ…ニードル弁、９ａ〜９ｆ…デフレクター、１０…デフレクターサーボ、１１…ランナ、１２…軸受、１３…ノズル運転装置、１４…ニードル弁制御装置。

Claims (3)

1. ４本以上の進退移動自在なニードル弁と、前記ニードル弁に対応して設けられ、前記ニードル弁の進退移動によって開閉されるノズルと、前記ノズルからのジェット噴流水をバケットに受けるランナとを有するペルトン水車において、上水槽への流入水量に応じて前記ノズルの運転本数を切替えるノズル運転装置と、前記ノズル運転装置で定めた運転ノズルのニードル弁を制御するニードル弁制御装置とを備え、前記ノズル運転装置は１本のノズルで運転中に当該ノズルのニードル弁が故障すると前記運転中ノズルに対向配置されている１本のノズルを運転して前記ペルトン水車の運転を継続して行うようにしたことを特徴とするペルトン水車の制御装置。
2. 請求項１記載において、前記ノズル運転装置は１本のノズルで運転中に当該ノズルのニードル弁の故障が閉鎖可能か不可能かを判断し、閉鎖不可能なとき前記運転中ノズルを故障発生時の開度で運転することを特徴とするペルトン水車の制御装置。
3. 請求項１記載において、前期ノズル運転装置は１本のノズルで運転中に当該ノズルのニードル弁の故障が閉鎖可能か不可能かを判断し、閉鎖可能なとき前記運転中ノズルを全閉にすることを特徴とするペルトン水車の制御装置。

Images