JPS5848108A - 水位調整装置 - 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】 本発明は水力発電所上流に設けられた調整池の水位およ
びサージタンクの水位に応じて水車Ｏガイドベーンな制
御する水力発電ｆランドの水位調整装置に関する。

一般に水路式発電プラントにおいて社、発電所上流の水
は、導水路から調整池に貯えられ、そζから圧力導水路
、サージタンタウ圧力鉄管を介して水車に供給され、水
車発電機を回転したのち、下池へと放水されるが、この
ときの放水量即ち水車流量を調整池水位およびサージタ
ンク水位に応じて調節するため、水位調整装置が設けら
れる。

このような水路式発電グランドにおいて、従来、そのサ
ージタンク水位祉それ程厳書に調整する必要がなかった
ため、水位調整装置も調整池水位を調整することを主眼
に構成され、サージタンク水位の調整については、あ１
１シ考慮が払われていなかった・ とζろが、最近は、水資源の有効利用のため、発電所上
流の水は、単に発電のためばかシでなく農業用水あるい
は飲料水郷多目的に利用され、調整池から長い圧力導水
路を敷設し、サージタンクを田畑や民間近くに設置して
そヒから生活用水を取水することが行なわれるようＫな
ってき良。

このため、従来の水位調整装置をそのまま最近の水路式
発電グランドに適用しようとすると、流量外乱発生時、
サージタンク水位に過度の上昇、下降が生じる結果、サ
ージタンクよシ一時に大食の水が流出したシ、取水がで
きなくなったシし、周囲の生活環境に悪影響を及埋す欠
点があった。

本発明は、圧力導水路が艮く、それ程容積の大きくない
サージタンクを有する水路式発電グランドにおいて、流
量外乱発生時、サージタンク水位を過度に上昇、下降さ
せることなく、安全に運転するヒとができる水位調整装
置を提供することを目的とする・ 以下、本発明を図の１！施例を参照して説−する。

第１１３ａ本発−の−１Ｉ論例に係る水路式発電グラン
ドの概念図を示したもので、ｌは導水路、２は調整池、
３は圧力導水路、４はサージタンク。

器は圧力鉄管、６はガイドベーン、７紘水阜＃８は発電
機、９は下池、１０は水位調整装置（ＷＬＲ）である。

仁の水位調整装置１０は調整池２の水位Ｈ１，サージタ
ンタ４０水位Ｈ，ガイドベーン６の一度すを入力として
、後述するように所定の演算処理を行ない、その出力で
モータ１１を駆動し、ガイドベーン駆動機＄１２を介し
てガイドベーン６の開度を調整するように構成されてい
る。

尚、図におけるＱｌは調整池２への流入量、Ｑｌは調整
池２からの流出量、Ｑｓはサージタンク４からの流出量
即ち水車流量を表わす。また、サージタンク４には、図
示せぬ圧力鉄管を介して更に幾つかの水車発電機も接続
されているが、本実施例ではこれらの水車発電機は水位
調整機能は肴しないものとする。従って、以下の記載に
おいては図示水車発電機を木調号機、図示せぬ水車発電
機を非水調号機と呼んで区別する。

第２図はその水位調整装置１０の内部構成を示すと共に
、それ以外の第１５！ｌにおゆる水路系、水車などの物
理系をプａｙり〆イヤダラムにて示したもので、水位調
整装置１０は加算＠Ａｔｅム１、ゲイン回路°Ｃ１、不
完全微分回路Ｃ１％低域補正回路Ｃｐｓ高域補正回路Ｃ
４％増指令出力回路Ｃ１、滅指令出力回路Ｃｐ、下限検
出回路Ｃ？％上限検出回路ＣＩ％接点Ｓｌｅ！ＩＩよシ
構成されている・尚、図中、Ｈｒｅｆは基準水位、ＨＲ
Ｆｉ後述する水位垂下率、ダ、はガイドベーン開度バイ
アス、ＴＤ祉不完全微分時定数、ｘＤは不完全微分子イ
ン、−はサージタンク上限水位、町はサージタンク下限
水位、Ｓはラグラス演算子を示す・ 一方、水位調整装置１０以外の物理系において、Ｂｏは
そ一夕１１、ガイドベーン駆動機１＄１１２、ガイドベ
ーン６かも成る駆動部の総合伝達関数を表わす。

Ｂ１５Ｂ雪祉調整池２への流入量鵡１と圧力導水路３の
流量Ｑ嘗との差によシ、積分時定数！□で、調整池２の
水位Ｈ１が変化することを示す調整池２の伝達関数要素
である。

Ｂｓ＊Ｂ４ａ圧力導水路３の流量Ｑ３と水車流量Ｑｓと
の差によシ、積分時定数！□でサージタンク４の水位Ｈ
１が変化する仁とを示すサージタンク４、の伝達関数要
素である。

”ＩｅＢ＠は調整池２の水位Ｈ１とサージタンク４の水
位Ｈ１との差に応じて、ｒインｉ１時定数ｉの１次遅れ
で圧力導水路３の流量Ｑ怠が変化することを示す圧力導
水路３の伝達関数要素であゐ・Ｂマは水車７のガイドベ
ーン６の開度ダに応じて、ｒインＱＢ、時定数丁、の１
次遅れで水車流量Ｑｓが変化する仁とを示す水車７−の
伝達関数要素である・ζζで、ｒインＱ１１は水車定格
流量を示すものとする。

図の構成で、サージタンク水位が変動していない即ち安
定した状態にある場合は、回路Ｃ１＊ＣＩ＊ｃ４ａｃｔ
　ｅｃ・は不動作で、ガイドベーン６は調整池水位Ｈ１
に応じて制御され、第３図に示す関係で水車流量Ｑ３が
調整される。

即ち、調整池水位Ｈ？は加算儀ム重で基準水位Ｈｒｅｆ
と比較され、その偏差出力はｒイン回路Ｃ１で水位垂下
率皿の逆数−が乗算され、加算器Ａ。

Ｒ に加えられる・加算器ム雪ではそれにガイドベーン開ｆ
ｌｓイアス与が加算され、実ベーン開度ツと偏差が算出
される・算出された偏差即ち操作信号はその極性に応じ
て増指令出力回路ｃｓＴｏるい社滅指令出力回路Ｃ・よ
り閉じられている接点Ｂ１あるいは８■を介して総合伝
達関数Ｂ０へ出力され、ガイドベーン開ｌｌマが調節さ
れる。

この結果、調整池水位Ｉｔ、が基準水位Ｈｒ、！にあれ
ば、水車流量Ｑｓ　ｌｄ定格流量Ｑ１とな〉、調整池水
位Ｈ，が基準水位Ｈｒ、ｆよ〉水位垂下率ＨＲだけ低い
水位にあれば、ガイドベーン６紘全閉され、水車流量Ｑ
ｓは０に調節される。

一方、サージタンク４に接続される非水調号機が起動、
停止、出力変化したシ、木調号機を除外から使用とした
直後の麹量外乱発生時に社、サージタンク水位■、は大
幅に変動することとなる・このときの調整池水位町とサ
ージタンク水位Ｈ１との差に基づく調整池２とサージタ
ンク４間の水の中ルとシＯ賊衰を早め、調整池水位Ｈ７
及びサージタンク水位Ｈ，０安定化を計るのが不完全微
分回路Ｃ，の機能である。

即ち、流量外ｔＫよ〉サージタンク水位■、が低下方向
の場合には低下率に比例した負極性の信号を加算器ム■
へ入力してガイドベーン６を閉方向に動作させて、水車
流量Ｑｓ　を減少させてサージタンク水位■、の低下を
抑制し、サージタンク水位Ｈ１を一定化させる０これＫ
よｎ、１１１ｍ池水位Ｈ１も安定化し、後社調整池流入
量Ｑ３の変化即ち調整池水位町の変化に応じて、サージ
タンク水位Ｈ，の安定化を計〉つつ水車流量Ｑｍを調整
できることになる。

まえ、流量外ＵＫよシ、サージタンク水位Ｈ１が上昇し
た場合も同様な動作が行なわれる。

しかし、仁の不完全微分回路Ｃ雪の不完全微分時定数Ｔ
Ｄ１不完全微分子インＫＤｔ）値拡、微小の流量変化に
よる調整池２とサージタンク４との間の水のヤシとシの
抑制に最適なように設定されている。このため、流量外
電発生時には、水特有の慣性によシ、サージタンク水位
Ｈ，が上下限値Ｈ４ｍＬを大きく逸脱しようとする。こ
れを防止するのが、回路Ｃ８ｅ　Ｃ４＠ｃｙ　、ｃ口の
機能である。

即ち、流量外乱によ〕サージタンク水位Ｈ１が下限水位
ＨＬよ〕低下すれば、直ちに下限検出囲路Ｃ７が動作し
、その接点８凰を開きモーν１１へのベーン開度指令を
ツーνりする。辷れと同時に、低域補正回路Ｃ畠は”Ｉ
−”Ｌ　Ｋ比例したガイドベーン閉信号を出力し加算器
ム３に加える・とのガイドベーン閉信号が滅指令出力回
路Ｃ・、接点８廊を介して峰−夕１１に加わる結果、ガ
イドベーン６は強制的に閉じる方向に動作さぜられる。

これによ〕、サージタンク水位Ｈ１の回復を早めると共
に、サージタンク水位Ｈ，ｔ）過度の低下を防止すると
とができる。

を九、流量外ｔＫよ〕、サージタンク水位Ｈ１が上限水
位Ｈヨな大きく逸脱しようとする場合も同様な動作が行
なわれる′。

次に１以上の水位調整装置１０の動作を第４図のタイム
チャートを参焦−して置体的ＫＩＩＩＪＩする。

図において、時刻ｉ・以前、調整池水位Ｈ１はＨｒ、ｆ
−ＨＲよシ僅か少し高い水位ＫＴｏ！＋、水車流量Ｑｓ
はは埋Ｏの状態にあるものとする。一方、調整池２への
流入量Ｑ１は時刻Ｔ・から図示せぬ上流のｒ−）開操作
等によル、徐々に増加させ°、最終的に２ＸＱ−で増加
゛させえものとする。更に、そＯ途中における時刻Ｔ−
で非水調号機を起動させ、その水車流量Ｑ８が時刻〒４
で定格流量ＱＩＫ達したものとする・ 以上の仮定の下に調整池水位Ｈ１、サージタンク水位Ｈ
１、水車流量Ｑｓの変化を追うと、時刻Ｔ。

以前の状ＩＮにおいてはサージタンク水位Ｒ１は”ｒ＊
ｆ−ＨＲよシ圧力導水路・３の損失分だけ低い水位にあ
る・ 時刻ｉ・〜ＴＩＫかけて、調整池水位Ｈ１が徐々に上昇
するに従うて、木調号機の水車流量Ｑ１は増加させられ
る。すると、特に圧力導水路３０長い場合には、ＩＩＩ
！Ｉ池水位Ｈ７の上昇によるサージタンク４への流入量
Ｑｍよシもサージタンク４かもの流出量ｑｓ−の方が時
間的忙早く変化するため、サージタンク水位Ｈ１は低下
方向となる。この低下方向を抑制するよう不完全微分回
路Ｃ，の出力が変化するが、前述したように過技的なサ
ージタンク水位ＨＩの低下はこの不完全微分回路Ｃ，で
は抑制しきれない、従って、時刻ＴＩからサージタンク
水位１１．Ｆｉ下限水位ＨＬを下まわる仁とになるが、
サージタンク水位Ｈ８が下限水位Ｈ１以下になると、直
ちに下限検出回路Ｃ，が動作し、接点８１を用いてモー
タ１１への増鮨令をプロνりする。これと同時に、低域
補正回路Ｃ１よ、ｊＭ、−−に比例したガイドベーン閉
信号が出力し、この信号が加算器ム１から滅指令出力回
路Ｃ・、接点８雪を介してモー＄１１に加わシ、水車流
量Ｑ３は減少し始める。仁の結果、サージタンク水位Ｈ
１の回復が早まると共に、その間、サージタンク水位Ｈ
１は下限水位ＨＮ、よシ僅か下まわった水位に止まる。

サージタンク水位Ｈ１が時刻ＴＩ、で下限水位Ｈ１壕で
回復すると、低域補正回路Ｃｓの出力は０とな〕、その
時の木調号機の水車流量Ｑ３は丁１時刻のものと同じに
なる。その後、時刻Ｔ、において、調整池水位Ｈ？が基
準水位Ｈｒｅｆ近くまで上昇したとき、非水調号機が起
動し、水車流量Ｑ８を流し始めるが、サージタンク水位
Ｈ，は水特有、の慣性によシ、上昇を継続し、やがて時
刻ＴＩでサージタンク水位Ｈ１がＨＬ＋αまで回復する
と、下限検出回路、Ｃ！が不動作と一＆如、再び接点Ｓ
１が閉じて、第３図に示したように、調整池水位Ｈ？に
基づく水車流量となるよう木調号機流量Ｑｓが調整され
る・一方、非水調号様流量Ｑ！が増加し、時刻丁番で定
格流量Ｑ、に達するころに杜、水特有の慣性によシ再び
サージタンク水位Ｈ１が減少し始め、時刻７番で再び下
限水位九以下となる・しかし、このときにも水位調整装
置１０は時刻７１〜丁１の場合と同様に動作し、非水調
号様流量Ｑｘの急激な変化にも拘わらず、低域補正回路
Ｃｓによる積極的なガイドベーン閉制御によシ、サージ
タンク水位Ｈ１の過度の低下を防ぐと共にサージタンク
水位Ｈ。

の許容値内への回復を早める。

このようにして、時刻Ｔ、から従来よシ短い時間経過し
九時刻Ｔ＆において、サージタンク水位Ｈ１は下限水位
Ｈ１以上となシ低域補正回路Ｃ＄出力は０となる一方、
時刻Ｔ＠までは下限検出回路Ｃ１が動作して水車流量Ｑ
１を一定に保ち、サージタンク水位Ｈ１のキ昇を促す・
やがて、サージタンク水位Ｈ１がＨＬ＋αまで回復する
時刻Ｔｓ、において、下限検出回路Ｃ，は不動作となシ
、上述同様、水車流量Ｑ＄は定格流量Ｑ、に向って増加
し、時刻ＴｖＫて水車流量Ｑｓｔｊ定格流量Ｑ、に達す
る・時ｊｌ　Ｔ　ｖ以降は、調整池２への流量Ｑ１は２
Ｑ。

水調号帳の水車流量Ｑｓｓ非水非水様号機車流量Ｑｘ共
ＱＢ、調整池水位Ｈ１はＨｒ＠ｆｓサージタンク水位Ｈ
，水位置２Ｑ、に基づく損失落差分だけ、調整池水位町
よ〕低いとζろで安定することになる・以上は、サージ
タンク水位Ｈ１が低下方向の場合について説明したが、
上昇方向の場合も同様にして、高域補正回路Ｃ４ｏ動作
によシ、サージタンク水位■、が上限水位ＨＭ以上にな
ると、Ｉｆ、−ＨＩＫ比−するガイドベーン開指令を制
御モー月１へ、サージタンク水位Ｈ１の過度の上昇を防
止すると共にサージタンク水位Ｈ１の回復を早める。

従って、流量外乱発生時、サージタンクＨ，は上下限水
位を大きく逸脱することがなく、その逸脱量を最小限に
抑える仁とができると共に、制限値内へＯ復帰時間を大
幅に短縮することができるようｋなる・ この結果、サージタンク周辺の生活区域に生活用水を最
適状態に供給することができ、水資源なよ如一層有効に
活用する仁とが可能となる。

これと同時に、発電プラントにおいては、上下限水位を
サージタンクの許容限界近くまで広げて設定する仁とが
でき、′上下眼幅１ｆ、−Ｈ，の値を大きくとることが
できるようになる。仁の結果、給電上必要と３ろ水車発
電機の起動、停止を急速にしかも高ｂｓ度で繰シ返すこ
とが可能となる。また・他号機の出力変動幅を大きくシ
、起動、停止＃１度を多くとることができ、系統運用に
も大きく買献することができる・更に社、サージタンク
水位Ｈ。

の過度の上昇、下降が防止できる結果、上下限幅を大き
くしたにも拘わらず、溢水、渇水の危険つまシキャビテ
ーシ璽ン勢による土木、水車発電機岬の破壊のおそれも
たく、発電プラントを安全に運用することができるよう
Ｋｆｉる。

尚、上記実施例における低域補正回路Ｃ１％高域補正回
路Ｃ４はまとめて１つの不感帯回路で奥現する仁ともで
きる。また、低域補正回路Ｃ−１高域補正回路Ｃ４を省
略し、下限検出回路Ｃ！、上限検出回路Ｃ・のＯＮ出力
で一定の閉信号パイアス、開信号バイアスを加算器Ａ層
に加えるようにしても東い。

以上のように本発ＷＲＫよれば、流量外乱発生時１サー
ジタンクの水位を過度に上昇、下降させるヒとなく、水
資源の有効利用を計〕、水路式発電ブラントを安全に運
転することのできる水位調整装置が得られる・

【図面の簡単な説明】

第１図は本発−の一実施例に係る水路式発電プラン）０
概愈構成図、第２図はその制御系のプ四Ｖりメイヤダラ
ム図、第３図はその調整池の水位管理図、第４図はその
動作を説明するためのタイムチャートである・ １−導水管、２・−調整池、３・・・圧力導水路、４−
・サージタンク、５−圧力鉄管、６−・・ガイドベーン
、７・−水車、８・−発電機、９・・・下池、１０・・
・水位調整装置、１１・・・制御モータ、１２−・・ガ
イドベーン駆動機構、ＡｌｔＡＩ””加算器、ＢＩ・−
輪金伝達関数、Ｂ、、ｌ１ｌ−・調整池の伝達関数要素
、！１ｌｓＢ４・・・サージタンクの伝達関数要素、ｌ
ｌｓ伝達関数要素、ｃ、−ｙイン１路、Ｃ，−・・不完
全微分回路、Ｃ■・・・低域補正回路、Ｃ４−高域補正
（ロ）路、Ｃ＠・−増指令出力回路、Ｃ・・・・滅指令
出力回路、Ｃ！・−下限検出回路、Ｃ１−上限検出回路
、Ｓ・・・ラプラス演算子、８１ｅ８諺”・・接点、Ｑ
Ｂ　＝流入量、Ｑ諺−・流出量、Ｑｓ　　ａ　Ｑｚ”・
水車流量、Ｈｌ・・・調整池水位、Ｈ，−・・サージタ
ンク水位、！・・・ガイドベーン開度、マ、・−ガイド
ベーン開度バイアス、町、ｆ・・・基準水位、ＨＲ−・
・水位垂下率、Ｔ、・−不完全像。 分時定数％　ＫＤ−不完全微分子イン、ＨＩ−サージタ
ンク上限水位、ＨＬ・・・サージタンク下限水位％　”
ｍ？・・・積分時定数、Ｑ、−Ｐイン（水車定格流量）
。 Ｔｏ〜’ｒ、−・・時刻。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 調整池の水位と、その調整池から水車に至る関Ｏ水系路
   に般社られえサージタンクの水位に応じて水車のガイド
   ベーン開度を制御する水力発電グランドの水位調整装置
   において、上記サージタンクの水位が１隈水位を魅えた
   とき、ガイドベーン閉指令をブーツタする一方ガイドベ
   ーン開指令を出力する回路手段と、上記サージタンクの
   水位が下限水位を下まわり九とき、ガイドベーン閉指令
   をｆ口Ｖりする一方ガイドベーン閉指令を出力する１路
   手段とを備えて成ることを特徴とする水位調整装置・