JPH04159457A - ポンプ水車の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はポンプ水車の制御方法に係わり、特に揚水運転
から発電運転へ急速にかつ確実に移行させるようにした
フランシス形ポンプ水車の制御方法に関する。

（従来の技術） 揚水発電所において使用されるフランシス形ポンプ水車
は、一般に第５図に示ように構成されていた。

このポンプ水車は、発電電動機１とポンプ水車の主軸２
とが直結され、この主軸２の下端に取付けられたランナ
ー３はランナー室４内に回転自在に収容されている。こ
のランナー室４と、このランナー室４の外周に設けられ
ているスパイラルケ−シング５との間には、多数個のガ
イドベーン６が環状に配列されている。前記スパイラル
ケーシング５と上池（図示せず）とは水圧鉄管７によっ
て連結され、この管路内には、大口弁８が設けられてい
る。更に、ランナー室４の下方には、エルボ形の吸出し
管９が接続されている。

発電電動機１は、並列用遮断器１０及び主変圧器１１を
介して電力系統母線１２に電気的に接続されている。

このように構成されたフランシス形ポンプ水車を備えた
揚水発電所において、電力需要に応じてポンプ水車を揚
水運転から発電運転に移行させる場合、制御装置（図示
せず）からの制御指令によってガイドベーン６の開度は
徐々に減少し、所定の開度に達した時に発電電動機１は
電力系統母線１２より解列され、定格回転速度で運転し
ていたポンプ水車の回転速度は徐々に低下し、発電電動
機１のブレーキ（図示せず）が作用し回転速度が零とな
る。またその間、ガイドベーン６の全閉後、入口弁８の
全閉を行って停止に至る。一般的に、この停止時間は、
約６〜７分間を必要とする。

揚水運転の完全停止を持ち、発電運転の指令により、大
口弁８を全開させ、かつガイドベーン６を発電運転の起
動開度まで開動作させ、回転速度を上昇させて、発電電
動機１を電力系統母線１２に並列用遮断器１０にて並入
して発電運転を可能とする。一般的に、この起動時間は
、３〜４分間を必要とする。

近年、大容量の火力発電所及び原子力発電所の建設に伴
って、尖頭負荷を受は持つ揚水発電所は、その性格上で
きるだけ短時間に起動、停止並びに各運転モードへの切
換えを行なうことが要求される。また、揚水発電所の建
設においても、大容量化及び高落差化が要求され、次々
に建設され運転されており、その責務は大きく、電力系
統からの指令で電力需給バランスに応じて、緊急に発電
運転を行なう必要性がある場合に対応することが、最近
の電力事情からも要求されている。

揚水発電所の主な責務として、揚水運転と発電運転とが
あるが、揚水運転中に電力系統より緊急に発電運転を行
なうことの要求に対し、安全で確実に、かつ緊急に揚水
運転より発電運転に移行することが重要視されている。

従来の一般的な揚水発電所の揚水運転より発電運転への
急速な運転切換時におけるポンプ水車の制御方法の概略
手順を第６図及び第７図を参照して説明する。

急速に揚水運転から発電運転に切換える方法の考え方と
して、発電電動機を電力系統より解列させた後、揚水方
向の回転速度を速やかに反転させ発電方向に移行させる
ため、未だ揚水方向で回転している状態で水圧鉄管から
発電運転方向に流下する水流の作用で速やかに減速させ
、発電運転方向の回転速度に反転させることが考えられ
ている。

このため、大口弁は通常開弁じたままの状態で、揚水運
転より発電運転に移行させることが行われている。

第６図は、この時のブロック図を、第７図は縦軸にポン
プ水車の入出力、ポンプ水車の流量、ポンプ水車の回転
速度、ガイドベーン開度及び入口弁の動作を各々取り、
横軸は共通する所要時間を取り、各々の動作を示したも
のである。

揚水運転中に揚水運転より発電運転への急速切換指令（
揚水−発電切換指令）ａが発せられると（時点１．）、
ガイドベーン閉動作が行われ、この開度は予め設定され
たガイドベーン開度（揚水解列開度）に達する（時点ｔ
２）。すると、この時の開度信号すにより、発電電動機
が電力系統より解列され、入出力の入力が零となる（点
Ａ）。

この時、ポンプ水車の流量（揚水量）は、ガイドベーン
開度を徐々に閉動作することにより減少する。

解列後、ガイドベーン開度を揚水解列開度にそのまま保
持する。すると、揚水方向の流量は、揚水方向で回転し
ている状態で水圧鉄管から発電運転方向に流下する水流
で急速に減少し、即ちポンプ水車ポンプブレーキ領域に
入り、点Ｂで発電方向に逆流を開始する。一方、回転速
度は、この水流の作用により、揚水方向に時点ｔ３で逆
転することになる（点Ｃ）。

その後、流量は、発電方向に流れ、また回転速度は発電
方向に回転を上げていき、これによってガイドベーンは
そのまま水車起動開度となり、調速機制御開始時点ｔ４
まで達すると、調速機による制御が開始され、電力系統
母線に並列（時点ｔ５）され発電運転に移行した後、発
電全負荷運転に入る（時点ｔ６）ようなされていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来のポンプ水車の制御方法では、
解列後、揚水運転方向の回転で運転中にランナーに作用
する流量は発電方向に流れ、回転速度は揚水方向で流量
は発電方向となる、いわゆるポンプブレーキ領域（第８
図参照）を通過することになり、ポンプ水車に不安定な
水流が作用し、激しい脈動、軸振れ、水圧脈動が生じ、
ポンプ水車の損傷が発生する問題があり、安全でかつ確
実に揚水運転から発電運転への移行ができなくなる。

揚水運転から発電運転への急速切換方法として、切換時
間は短縮されるが、ルーチン的な切換方法としては問題
があり、この方式で安全かつ確実に実施した例はないの
が現状である。

ところで、フランシス形ポンプ水車では、発電運転（水
車運転）時の回転速度をＮ１運転落差をＨ１流量をＱ１
ポンプ水車のガイドベーン開度をａとした場合、単位落
差回転速度Ｎ／ｆＴと単位落差流量Ｑ／ｆπの関係は、
第８図に示す特性曲線のようになる。

図中、ガイドベーン開度は、ａ　１＜　ａ　２　＜　ａ
　３〈ａ４の相対関係にある。

第８図において、発電運転（水車運転）範囲をＷ１揚水
運転（ポンプ運転）範囲をＰで示す。

回転速度が揚水方向でランナーに作用する流量が発電方
向であるポンプブレーキ領域は、第８図にＫで示す領域
である。この領域Ｋを揚水運転より発電運転に移行する
際に通過する訳で、激しい振動、軸振れ、水圧脈動を伴
い、またガイドベーン開度の大きい程不安要素を増すこ
とになる。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、揚水
運転より発電運転への切換時に、ポンプ水車に激しい脈
動、軸振れ、水圧脈動を伴わず発電運転に速かに移行し
、揚水運転から発電運転への切換を安全でかつ確実に急
速に切換え得るポンプ水車の制御方法を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明に係るポンプ水車の制
御方法は、揚水運転中に揚水運転から切換指令により発
電運転に移行させる際のポンプ水車の制御方法において
、揚水運転状態で発電電動機を電力系統より解列させた
後、ポンプ水車の振動、軸振れ、脈動等の状態を検出し
、この検出値が予め設定した規定値内の場合は、ガイド
ベーンの開度を小開度に保持させ、ポンプ水車の回転速
度を急速に低下させるとともに、ポンプ水車に空気の注
入を行なってポンプ水車の回転速度が発電運転方向に反
転するのを持ち、この反転後ガイドベーンの開度を制御
して発電運転に移行させ、前記ポンプ水車の脈動、軸振
れ、脈動等の状態の検出値が規定値より大きい場合は、
ガイドベーンを全開へ動作させ、ポンプ水車の回転速度
が低下し揚水運転方向で低速となった時にガイドベーン
を開動作制御して発電運転に移行させるようにしたもの
である。

（作用） 上記のように構成した本発明によれば、発電電動機が電
力系統より解列した後、発電運転に移行するまでの間に
通過するポンプブレーキの領域におけるポンプ水車の脈
動、軸振れ、脈動等の状態を予め設定された規定値以下
に抑えつつ、揚水状態から発電状態に急速に切換えるこ
とができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図を参照して説
明する。

本実施例においては、第１図に示すブロック図によって
、ポンプ水車の揚水運転から発電運転への切換制御を行
なう。第２図は、この時のポンプ水車の入出力、流量、
回転速度、ガイドベーン開度、大口弁の動作及び吸気弁
の各々の状態を共通する時間に対応させて示したもので
ある。

ポンプ水車の揚水運転中に、揚水−発電切換指令ａが発
せられると（時点ｔ１）、ガイドベーンは閉動作を行な
い、予め設定されたガイドベーン開度が揚水解列開度に
達する（時点ｔ２）。すると、この時の信号すにより発
電電動機が電力系統より解列され、ポンプ水車の入圧力
の入力が零となる（点Ａ）。

ガイドベーン開度は更に閉動作により閉じられ、小開度
（点Ｄ）に制御されて保持される。その間、ポンプ水車
の振動、軸振れ、脈動等の状態の検出が行われ、この検
出値が安全かつ確実にポンプ水車に損傷を与えることが
ない状態に設定した規定値より小さいか否かが判定され
る。

この検出値が規定値より小さく安全で確実に発電運転に
移行できる場合、即ちこの判断がＹＥＳの場合には、ガ
イドベーン開度を前記小開度の状態に保持する同時に、
ポンプ水車に空気を注入するためポンプ水車への給気を
開始しく時点ｔ２）、ある時間を経た時にこの給気を停
止する。

この状態で激しい振動、軸振れ、脈動等を伴うポンプ水
車のポンプブレーキ領域を通過するのであるが、上記の
ようにこれらの検出値は規定値より小さく、シかもこの
時のガイドベーン開度を小開度に保持するとともに、ポ
ンプ水車に給気することによって、更に軽減することが
できる。

ガイドベーン開度を小開度に保持したままで、回転速度
が逆転した時（点Ｄ）、ガイドベーン開度を水車起動に
開動作制御させ（時点ｔ３）、調速機制御開始（時点１
４）を経て発電電動機により電力系統へ並列され（時点
ｔ５）、発電運転から全負荷運転に移行する（時点１６
）。

前記判定で、検出値が規定値より大きい場合は、発電運
転への移行を続行するとポンプ水車に重大なる問題が発
生し、ポンプ水車が損傷することになるので、第２図の
２重線Ｘで示すようにガイドベーン開度を全閉へ動作さ
せる。これにより揚水方向での回転でランナーに作用す
る水流が発電方向である領域でのポンプ水車への影響を
なくし、ポンプ水車を保護するとともに、発電運転への
移行も同時に行なう。

ガイドベーンを全閉したままで、揚水方向の回転速度が
低速となったことを検出した時、ガイドベーンを開動作
させ、水車起動開度まで開動作させる。その後、発電運
転への移行の制御は、前述と同様であるので省略する。

上記実施例に適用される揚水発電所の主要機器の構成を
第３図に示す。

この揚水発電所において、第５図に示す従来の揚水発電
所と異なる点は、給気弁１３、空気タンク１４及び空気
圧縮機１５を備えた空気供給系統１６を有する。この空
気供給系統１６は複数系統を独立させて設けてもよい。

しかして、空気圧縮機１５より空気タンク１４に貯蔵さ
せた圧縮空気を給気弁１３にてポンプ水車に吸出し管９
の上部及びポンプ水車上カバー１７に注入するようにし
た点である。

なお、上記空気のポンプ水車への注入は、上記の一方の
みでも良いことは勿論である。

上記実施例によれば、揚水運転より発電運転への移行す
る際に、過大なる振動、軸振れ、脈動等が発生してこれ
らがポンプ水車へ悪影響を及ぼしてしまうことを防止し
、安全に確実に問題なく移行させることができる。

また、発電運転への移行も所要時間として、約３〜４分
間で確実に実施でき、その要求に答えることができる。

なお、本実施例において使用されるポンプ水車への空気
の注入（給気）のための空気タンク１４、空気圧縮機１
５等の装置は、通常揚水発電所には設置されており、そ
れらを利用することも可能である。

電力系統上より、緊急時に発電運転の指令で急速に揚水
運転から発電運転への移行の要求に対処するため、揚水
−発電切換指令が発せられた後、ガイドベーン開度を除
々に閉動作により減少させた後、発電電動機を電力系統
より解列させる制御方法に変え、切換時間を短縮する目
的で、揚水−発電切換指令で、揚水運転の入力を全入力
遮断を行ない、発電電動機を解列ようにすることもでき
る。これによれば、ガイドベーンは速やかに閉動作され
、予め設定したした小開度に保持され、回転速度の発電
運転方向に反転され（切り換えられ）、発電運転に移行
されることになる。

フランシス形ポンプ水車の全入力遮断は、電力系統より
の全入力を瞬時に遮断するものであり、電力系統への外
乱はあるも、緊急時での発電運転への指令となる状況か
らして対応せざる事態である。ポンプ水車自体、全入力
遮断において、振動、軸振れ等の問題も少なく、制御上
も特に問題はない。

全入力遮断の場合の実施例を第４図に示す。

第４図に示す実施例が第１図に示す実施例と異なる点は
、揚水−発電切換指令が発せられた時に、全入力遮断を
行ない、発電電動機を電力系統より解列し、ガイドベー
ンを閉動作し、ガイドベーン開度（小開度）まで動作さ
せるようにした点にある。

その後の移行の方法は、前述した通りであるので、説明
を省略する。

〔発明の効果〕

本発明は上記のような構成であるので、揚水運転より発
電運転への移行する際に通過するポンプ水車のポンプブ
レーキ領域での過大なる振動、軸振れ、脈動等の発生を
防止して、安全かつ確実に、揚水運転から発電運転に緊
急にかつ安定的に移行させることができる等の効果を奏
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るポンプ水車の制御方法の一実施例
を示すブロック図、第２図は第１図に対応する各状態の
タイムチャート、第３図はポンプ水車の主要部の概略構
成図、第４図は本発明の他の実施例を示すブロック図、
第５図は従来例のポンプ水車の主要部を示す第３図相当
図、第６図は従来のポンプ水車の制御方法を示す第１図
相当図、第７図は第６図に対応する各状態のタイムチャ
ート、第８図はフランシス形ポンプ水車の特性曲線を示
すグラフである。 １・・・発電電動機、３・・・ランナー、４・・・ラン
ナー室、６・・・ガイドベーン、１０・・・並列用遮断
器、１２・・・電力系統母線、１３・・・給気弁、１４
・・・空気タンク、１５・・・空気圧縮機、１６・・・
空気供給系統。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久苓ｌ　図 塾４図 −ｎ間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　揚水運転中に揚水運転から切換指令により発電運転に
   移行させる際のポンプ水車の制御方法において、揚水運
   転状態で発電電動機を電力系統より解列させた後、ポン
   プ水車の振動、軸振れ、脈動等の状態を検出し、この検
   出値が予め設定した規定値内の場合は、ガイドベーンの
   開度を小開度に保持させ、ポンプ水車の回転速度を急速
   に低下させるとともに、ポンプ水車に空気の注入を行な
   ってポンプ水車の回転速度が発電運転方向に反転するの
   を持ち、この反転後ガイドベーンの開度を制御して発電
   運転に移行させ、前記ポンプ水車の脈動、軸振れ、脈動
   等の状態の検出値が規定値より大きい場合は、ガイドベ
   ーンを全閉へ動作させ、ポンプ水車の回転速度が低下し
   揚水運転方向で低速となった時にガイドベーンを開動作
   制御して発電運転に移行させることを特徴とするポンプ
   水車の制御方法。