JP2006083758A - 水車発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で低コストに水車装置を設けることができる水車発電システムを提供する。
【解決手段】 送水管路１３に水車装置１５を介設する水車発電システムであって、水車装置１５の一次側と二次側を連通して水車装置１５と並列にバイパス管路１６を設け、バイパス管路１６に二次圧力を所定値に制御する減圧弁１７を設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、水車発電システムに関し、上水道や工業用水等の導水・送水・配水管路等において余剰圧力を利用して発電を行うとともに、管路の圧力を制御する技術に係るものである。

従来、図１０に示すように、上水道や工業用水システムにおいては上位の配水槽１又はポンプから送水管路２を通して下位の各配水槽３に水を供給し、配水槽３に貯留した水を配水管４にて下流の需要家５に供給している（ただし、配水槽３を経由せず直接供給している場合もある）。

送水管路２には減圧弁（二次圧一定弁）６および末端弁７を設けている。ここでは配水槽３の上流側に配置した弁装置を末端弁７と呼称するが、配水槽３と需要家５の間の管路に減圧弁６を設ける構成では需要家５の上流側に配置した弁装置８が末端弁となる。

上記した従来の上水道システム１では、要所において減圧弁６で適切な圧力に減圧している。この減圧は減圧弁６以降の下流配管の圧力を下げ、管路から漏水することを防止するために行っている。この減圧の余剰圧力は有効に利用されておらず、流水の持つ位置エネルギーが無駄に消費されている。

このため、送水管路における減圧による余剰圧力を利用した水力発電の導入が検討されている。本発明に係る先行技術文献としては、以下のものがある。
特開２００３−２７８６３３公報 特開２００３−５６４４３公報 特開２０００−３５２３６９公報 特開昭５７−１７０２４号公報

しかし、図９に示すように、送水管路２において減圧弁（二次圧一定弁）６に代えて発電用の水車装置９を配置する場合に、単純に水車装置９だけを設置すると需要量の増減に伴い水車を流れる流量が変化し、有効落差が変動するため水車装置９の運転効率が下がる。

また、需要家５における消費水量が減って必要な箇所で末端弁７を閉じる方向に操作すると、水車装置の二次圧力が大きくなって末端弁７の制御圧力（締め切り圧力）が大きくなり、配管の圧力が上昇し、漏水の原因となる。

このため、流量制御手段を持たない水車装置９は上流側および下流側にバルブ１０ａ、１０ｂを配置し、バルブ１０ａ、１０ｂの開度操作によって流量を制御する必要がある。この場合に、水車装置の二次圧力が下流側のバルブ１０ｂの開度操作で制御されることになる。

したがって、水車装置９を設ける場合に水車装置の二次圧力を下げるために、水車設置点で流量に対応して圧力を制御する必要がある。しかし、圧力信号で弁開閉操作を行うためには、制御が複雑になることに加え、流量調整用の特殊な弁が必要となり、コスト高となる。

本発明は上記した課題を解決するものであり、簡易な構成で低コストに水車装置を設けることができる水車発電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の本発明の水車発電システムは、送水管路に水車装置を介設する水車発電システムであって、水車装置の一次側と二次側を連通して水車装置と並列にバイパス管路を設け、バイパス管路に二次圧力を所定値に制御する圧力制御手段を設けたものである。

請求項２に記載の本発明の水車発電システムは、圧力制御手段が機械的に二次圧力を制御する減圧弁であることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明の水車発電システムは、二次圧力を所定値に制御する減圧弁を有する既設送水管路において、減圧弁の一次側と二次側を連通して減圧弁と並列にバイパス管路を設け、バイパス管路に水車装置を介設したものである。

請求項４に記載の本発明の水車発電システムの運転制御方法は、送水管路に水車装置を介設した水車発電システムにおいて、水車装置と並列のバイパス管路に設けた圧力制御手段により二次圧力を所定値に制御するものである。

本発明によれば、需要水量の変動に伴って送水管路を流れる流量が変動するのに際して、水車装置と並列に設置した圧力制御手段によって二次圧力を所定値に制御することで、管路の末端弁の制御圧力および漏水の原因となる管路圧力の上昇を抑制でき、水車装置に作用する有効落差の変動を少なくして水車装置の運転効率を高く維持することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。はじめに、本発明において、「送水管路」の文言はいわゆる上水道や工業用水、河川水等における導水管路、送水管路、配水管路を含む広義の意味で使用するものであり、以下に本発明を適用する実施の形態を配水槽から需要家に至る送水管路を例に説明するが、本発明は上位の配水槽から下位の配水槽へ至る送水管路等の他の管路においても適用できる。

図３〜図５において、配水槽１１から需要家１２に至る送水管路１３には、需要家１２の上流側に末端弁１４を配置し、末端弁１４の上流側の所定位置に水車装置１５を介設しており、水車装置１５はそれ自体に発電機を含むものであっても良く、発電機を管路の外部に配置するものであっても良い。

送水管路１３には水車装置１５の一次側と二次側を連通するバイパス管路１６を水車装置１５と並列に設けており、バイパス管路１６に二次圧力を所定値に制御する圧力制御手段ととして減圧弁１７を設けている。水車装置１５の上流側、下流側にはそれぞれ開閉弁１８、１９を配置し、減圧弁１７の上流側、下流側にはそれぞれ開閉弁２０、２１を配置している。本実施の形態では、送水管路１３に水車装置１５を設け、送水管路１３と並列なバイパス管路１６に減圧弁１７を設ける構成としたが、減圧弁が設けられた既設の送水管路に並列なバイパス管路を設け、このバイパス管路に水車装置を設けることでも同様の構成となる。

図８に上記の減圧弁１７の一例を示す。減圧弁１７は二次圧力を所定値に制御する圧力制御手段の一つであり、ここではパイロット弁３１を有する減圧弁１７の構造図を示す。
この減圧弁１７は、パイロット弁３１のパイロットばね力と二次圧力のバランスにより、機械的に減圧弁１７の二次圧力を一定に保つことができるようになっている。

本発明においては、上記のような機械的な制御弁を用いることが望ましい。このことにより高価な制御機器を用いることなく簡易な構成で低コストに水車発電装置を設けることができるようになる。また、圧力制御手段は上記形態の減圧弁１７に限定されるものではない。

上述した構成において、水車装置１５および減圧弁１７には一次圧力Ｐ１（例えば６０ｍ水柱）が作用し、二次圧力Ｐ２（例えば２０ｍ水柱）が作用し、送水管路１３を流れる需要水量Ｑは水車装置１５を流れる放流水量ＱＴと減圧弁１７を流れる調整流量ＱＶとの和となる。

図１において、本発明の基本的な作用を説明する。図１に示すように、送水管路１３を流れる需要水量Ｑは、需要家１２における消費量の増減によって変化し、夜間においては最小の需要水量Ｑとなり、朝夕の時間帯において需要水量のピークが存在する。本実施の形態では、需要水量Ｑが少なくなる夜間においては水車装置１５の運転を停止し、需要水量Ｑが所定値（ここでは０．３ｍ^３／ｓ）以上である時に水車装置１５を運転することとする（ただし、水車の運転を継続させることも可能である）。

水車装置１５を運転する時間帯において需要水量Ｑは一定値（ここでは０．３ｍ^３／ｓ）以上の範囲（ここでは０．３〜０．６ｍ^３／ｓ）で変動する。水車装置１５は需要水量Ｑの変動にかかわらず所定の流量で運転し、ここでは０．３ｍ^３／ｓを設定放流水量ＱＴとして運転する。

送水管路１３を流れる需要水量Ｑは水車装置１５を流れる設定放流水量ＱＴと減圧弁１７を流れる調整流量ＱＶとの和となる。実運転において水車装置１５を流れる実放流水量は一点鎖線で示すように多少の変動を伴うが、その変動幅は僅かであり、水車装置１５の放流水量は実質的に一定で設定放流水量ＱＴであると見なすことができ、需要水量Ｑの変動は減圧弁１７を流れる調整流量ＱＶにおいて吸収する。

図２に示すように、水車装置１５を運転する設定放流水量ＱＴ（ここでは０．３ｍ^３／ｓ）は水車の効率を示す曲線Ｃ１において最大効率点Ｍ１に一致するものであり、この設定放流水量ＱＴを確保するために必要な設定有効落差は水車Ｑ−Ｈ曲線Ｃ２において４０ｍ水柱となる。本実施の形態では水車装置１５および減圧弁１７には一次圧力Ｐ１として６０ｍ水柱が作用するので、二次圧力Ｐ２が２０ｍ水柱となる。この二次圧力Ｐ２：２０ｍ水柱を減圧弁１７における設定圧力Ｐｓとする。

需要家１２における需要水量Ｑが減少、つまり末端弁１４の開度が小さくなると、送水管路１３を流れる流量（＝需要水量Ｑ）が減少し、末端弁１４の上流側の圧力、つまり水車装置１５および減圧弁１７の二次圧力が上昇する。このとき、水車装置１５および減圧弁１７の一次圧力も上昇するが、その値は配管流速の減少に伴う配管損失の減少分に相当するものである。

一次圧力が上昇する一方で二次圧力がそれ以上に上昇するため、その結果として水車装置１５に作用する有効落差は、図２に示すように、ΔＨ１だけ減少し、放流水量がΔＱＴ１だけ減少する。

一方、減圧弁１７は二次圧力の上昇によって閉作動し、二次圧力が設定圧力Ｐｓにまで減少した時点で停止する。この減圧弁１７の作用によって二次圧力が設定圧力Ｐｓに復帰することで、水車装置１５に作用する有効落差が設定有効落差に復帰し、放流水量の減少量ΔＱＴ１が解消され、設定放水量ＱＴに復帰する。ただし、厳密には一次圧力の上昇分Δｈ１に見合って有効落差は増加しており、この有効落差の増加分に見合って放流水量は増加する。その値ΔＱＴ１−２である。

次に、需要家１２における需要水量Ｑの増加にともなって末端弁１４の開度が大きくなると、送水管路１３を流れる流量（＝需要水量Ｑ）が増加し、末端弁１４の上流側の圧力、つまり水車装置１５および減圧弁１７の二次圧力が低下する。このとき、水車装置１５および減圧弁１７の一次圧力も低下するが、その値は配管流速の増加に伴う配管損失の増加分に相当するものである。

一次圧力が減少する一方で二次圧力がそれよりも大きく減少するため、その結果として水車装置１５に作用する有効落差は、図２に示すように、ΔＨ２だけ増加し、放流水量がΔＱＴ２だけ増加する。

一方、減圧弁１７は二次圧力の低下によって開作動し、二次圧力が設定圧力Ｐｓにまで上昇した時点で停止する。この減圧弁１７の作用によって二次圧力が設定圧力Ｐｓに復帰することで、水車装置１５に作用する有効落差が設定有効落差に復帰し、放流水量の増加量ΔＱＴ２が解消され、設定放水量ＱＴに復帰する。ただし、厳密には一次圧力の減少分Δｈ２に見合って有効落差は減少しており、この有効落差の減少分に見合って放流水量は減少する。その値はΔＱＴ２−２である。

上述の作用を従来の構成との比較において説明する。図６に示すように、送水管路１３に水車装置１５だけを設けた場合には、水車装置１５を運転する時間帯において需要水量が最大水量０．６ｍ^３／ｓである時の動水勾配（２）と、需要水量が最小水量０．３ｍ^３／ｓである時の動水勾配（１）との間で、二次圧力の変動幅は大きく、二次圧力の減少によって水車装置１５の有効落差は小さくなる。

一方、図７に示すように、送水管路１３に水車装置１５および減圧弁１７を並列に設ける場合には、水車装置１５を運転する時間帯において需要水量が最大水量０．６ｍ^３／ｓである時の動水勾配（２）と、需要水量が最小水量０．３ｍ^３／ｓである時の動水勾配（１）との間で、二次圧力の変動はなく、水車装置１５の有効落差は実質的に水車上流側の配管損失分の変化はあるが略設定有効落差に維持され、放流水量も略設定放流水量に維持される。

この場合に、最小需要水量時の放流水量ＱＴ１と最大需要水量時の放流水量ＱＴ２との間には多少の差が存在し、その値は配水槽１１から水車装置１５までの送水管路長Ｌ１における配管流速の減少に伴う配管損失Δｈの減少分に相当するものであり、僅かであるので、変動分は減圧弁１７で調整され、全体水量は要求水量となる。

また、末端弁１４の制御圧力（締め切り圧力）の変動幅も小さく、流量Ｑが少ない場合でも末端弁１４の制御圧力（締め切り圧力）の上昇を低くおさえることができ、漏水のおそれが低くなる。

本発明の実施の形態における需要水量の変動を示すグラフ図 同実施の形態における水車の有効落差と放流水量の変化を示すグラフ図 同実施の形態における管路の構成を示す模式図 同実施の形態における水車装置と減圧弁の流量を示す説明図 同実施の形態における水車装置と減圧弁の圧力を示す説明図 従来の構成における動水勾配を示す模式図 本発明の実施の形態における動水勾配を示す模式図 減圧弁の構造図 従来の構成における動水勾配を示す模式図 従来の構成における動水勾配を示す模式図

符号の説明

１１ 配水槽
１２ 需要家
１３ 送水管路
１４ 末端弁
１５ 水車装置
１６ バイパス管路
１７ 減圧弁
１８、１９、２０、２１ 開閉弁

Claims (4)

1. 送水管路に水車装置を介設する水車発電システムであって、水車装置の一次側と二次側を連通して水車装置と並列にバイパス管路を設け、バイパス管路に二次圧力を所定値に制御する圧力制御手段を設けたことを特徴とする水車発電システム。
2. 圧力制御手段が機械的に二次圧力を制御する減圧弁であることを特徴とする請求項１に記載の水車発電システム。
3. 二次圧力を所定値に制御する減圧弁を有する既設送水管路において、減圧弁の一次側と二次側を連通して減圧弁と並列にバイパス管路を設け、バイパス管路に水車装置を介設したことを特徴とする水車発電システム。
4. 送水管路に水車装置を介設した水車発電システムにおいて、水車装置と並列のバイパス管路に設けた圧力制御手段により二次圧力を所定値に制御することを特徴とする水車発電システムの運転制御方法。

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