JPS6129217B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高炉冷却系の流水落差エネルギ回収方
法及び装置、特に比較的低落差でかつ流量変動の
ある高炉冷却系の冷却水のエネルギを電気エネル
ギとして電源側に回収することのできる電力回収
方法及び装置に関するものである。

各種の産業施設において設備の冷却あるいは浄
化作用のために流水が用いられ、ポンプ等により
汲上げた水を必要な施設場所へ圧送して所望の冷
却その他の作用が行われる。これらの流水利用施
設では汲上げられた水自体が位置エネルギを有し
また圧送水はそれ自体大きな圧力エネルギを有す
る。この種の施設の好適な一例として製鉄所が挙
げられ高層建築物である高炉等の冷却には大量の
流水が用いられまた高炉以外の水滓設備にも大量
の水が用いられている。しかしながら、通常の場
合、これらの流水は冷却あるいは浄化に供された
後に無為に自然落下されてその一部が再び汲上げ
られまたその一部が放流される。従つて、従来に
おいては、これら流水の有する膨大な位置エネル
ギあるいは圧力エネルギが何ら利用されずに捨て
られているというのが実状であつた。

従来より前述した流水を用いて水力発電を行い
前述したエネルギを電気エネルギとして回収する
ことが検討されたが、これら施設における流水は
低落差でありかつ流量変動が大きいので通常の発
電機の利用は全体効率が悪く実用化が困難である
という問題があり、特に通常の同期発電機では前
述した低落差変動流量の流水から採算のとれる電
力回収を行なうことが困難であつた。更に、流水
を一旦貯水池に溜めることによつて安定した発電
作用を行なうことも提案されているが、設備が大
型となりまた流水自体の冷却あるいは浄化作用の
効率が低下するという問題があつた。

本発明は上記従来の課題に鑑みなされたもので
あり、その目的は、簡単な付加機構を設けること
によつて効率よく高炉冷却系の冷却水エネルギを
電気エネルギとして回収し採算のとれる電力回収
方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る方法
は、流水エネルギを水車の回転エネルギに変換
し、前記水車の回転エネルギを誘導電動機の同期
速度を越える過回転により電気エネルギに変換し
て電源側に回収し、前記誘導電動機の回転数が同
期速度より低下すると誘導電動機と電源側との接
続が遮断され、誘導電動機の回転数を制御するた
めに流水に流量制御が行われていることを特徴と
する。

また、本発明に係る装置は流水路に設けられ流
水にて回転される水車と、水車を回転させる流水
硫量を制御する制御弁と、水車に接続された回転
子と電源側に接続可能な固定子とを有する誘導電
動機と、誘導電動機の固定子と電源側との接続を
制御する開閉器と、誘導電動機の回転数が同期速
度以下に低下したときに開閉器を開放させる切替
信号を検出する切替信号検出器と、を含み、流水
エネルギが誘導電動機を発電機領域で回転可能な
エネルギであるときのみ開閉器を閉成して誘導電
動機を誘導発電機として作用させて流水エネルギ
を電気エネルギとして電源側へ回収することを特
徴とする。

以下図面に基づいて本発明に好適な実施例を説
明する。

以下の説明において、高炉冷却系の冷却水は高
炉々体冷却水、高炉付帯設備及び周辺設備に用い
る冷却水又は熱風炉の冷却水を含む。

第１図には製鉄所における高炉冷却用流水路に
本発明に係る流水落差エネルギ回収装置を付設し
た実施例が示され、流水路１０内には高炉冷却後
の流水１２が位置エネルギ及び圧力エネルギを有
した状態で落下している。本発明においては、こ
の流水エネルギを回転エネルギに変換するため
に、流水路１０の一部に水車１４が設けられ、流
水１２にて水車１４が回転駆動されている。そし
て、流水路１０の水車１４から上流側には流水１
２の流量を制御することのできる制御弁１６が設
けられている。そして、前記水車１４には誘導電
動機１８が接続され、更に詳細には、水車１４の
回転軸１４ａに誘導電動機１８の回転子１８ａが
連結され、水車１４の回転エネルギが誘導電動機
１８の電気エネルギに変換される。誘導電動機１
８の固定子は電源側、実施例においては商用周波
数電源２０に開閉器２２を介して電気的に接続さ
れており、開閉器２２の開閉作用によつて誘導電
動機１８と電源２０との接続状態が制御され、誘
導電動機１８はその回転数が同期速度以下の場合
電動機として作用し、また同期速度を越えると発
電機として作用することが理解される。なお、誘
導電動機１８の固定子巻線の結合相順は水車１４
の回転方向と同方向に設定されている。

ここで、本発明に用いられる誘導電動機の速度
（スリツプＳ）とトルク（Ｔ）、電力（Ｗ）特性を
第２図を参照しながら説明する。

一般に、誘導電動機が負荷を負つて運転してい
る時に負荷を次第に減ずると滑りＳも減少し速度
は同期速度ｎ_sに近づき、理想的な無負荷状態で
は滑りＳが零となり同期速度ｎ_sにて回転する。
そして、電動機軸に機械力を加えて今までと同方
向に同期速度より速く回転させる過回転時には回
転子導体の磁束を切る方向も反対となり、回転子
巻線に誘起する起電力は電動機の場合と反対方向
になる。従つて、回転子電流も反対向に流れるの
で、トルクも電動領域と反対となり回転に逆らう
トルクを生じるようになる。以上のように、誘導
電動機に機械力を加え、電動機と同じ回転方向に
同期速度より速く回す場合には、この電動機は機
械力をとつて電力を出すように働くすなわち誘導
電動機として作用し、前記機械力として流水１２
にる水車１４の回転を利用すれば、流水エネルギ
を電源２０側に電気エネルギとして回収すること
が可能となる。この時の誘導電動機の回転は同期
速度以下で回ろうとする逆トルクと同期速度以上
で回そうとする水車１４側の発生するトルクとが
平衡する点には安定し、電動機１８は誘導発電機
として運転を継続することになる。

今、流水路１０に流水１２が無い状態で、開閉
器２２を閉成すると、誘導電動機１８は電動機と
してその極性で定まる同期速度ｎ_sに対し水車１
４側の無負荷トルクに応じた滑りＳにて回転し、
第２図において、電動機発生トルクＴと水車１４
の無負荷トルクＴ_lとの交点が運転点となり、こ
の時の速度がｎ_nそしてトルク及び使用電力がＴ
_n，Ｗ_nとなる。

次に流水路１０へ流水１２を導き落下させ水車
１４を無負荷トルクＴ_n以上のトルクで回転させ
ると、この時の誘導電動機１８の回転速度はｎ_G
となり、前述した誘導発電機として作用する発電
機領域が得られる。この時の運転点は流水１２に
より回転される水車１４のトルク曲線Ｔ_l′とトル
クＴとの交点により定まり、回転速度はｎ_Gに、
そしてこの時の逆発生トルクはＴ_G更に回生電力
はＷ_Gとなり、この電力Ｗ_Gが電源２０へ回収され
ることとなる。

以上のようにして、本発明によれば、汎用の誘
導電動機１８を用いて低落差及び流量変動のある
流水からも小さな原動力で電力を回収することが
可能となり、従来一般に用いられる同期発電機を
利用する方式と比較して、同期速度以外の速度で
も運転が可能となり同期外れの現象がなく安定な
電力回収を行うことができ、また始動同期運転が
簡単で、かつ励磁機を必要としない等特徴を有
し、採算のとれる簡単な電力回収を行うことが可
能となる。

もちろん、本発明においても流水エネルギを用
いて誘導電動機１８は同期速度以上の速度で回転
されなければならず、この速度が同期速度以下に
低下すると電動機としての作用によつて本発明の
方式は電源２０から無用な電力を取込むこととな
るので、流水エネルギが所定値以上にある時のみ
誘導電動機１８と電源２０とを電気的に接続しな
ければならない。このために、前述した開閉器２
２の正確な開閉制御を行わなければならない。ま
た、実際の使用状態において、発電機領域中の選
択された所定の回転速度領域にて電動機１８を回
転することが本発明において好適であり、理論上
最大電力を回収可能な速度ｎ_Mが電力回収には最
も効率がよいが、この速度ｎ_M近辺では水車１４
のトルクＴ_l′と電動機１８の発生トルクＴとの平
衡点が２点以上となり運転が不安定となる欠点が
あり、また水車１４の逸走が生じ極端な場合発電
機１８が制動領域に突入する虞れがあり、実際上
の安定な運転は速度ｎ_Mよりαで示される若干低
い速度ｎ_k以下の速度範囲で制御することが好適
である。

以下に前述した各制御を行うための本発明の実
施例を第１図により説明する。

電力回収制御を行うために、実施例においては
制御装置２４が設けられ、該制御装置２４には操
作者による運転指令信号が供給される操作盤２６
が接続されている。制御装置２４の出力は前記制
御弁１６及び開閉器２２へ供給され、流水１２の
流量を制御弁１６の開度により制御し、また開閉
器２２を開閉制御して電動機１８と電源２０との
接続を制御する。そして本発明においては、電動
機１８の回転数が同期速度以下に低下したことを
検出して前記開閉器２２を開放させる切替信号を
検出する切替信号検出器が設けられ、実施例にお
ける切替信号検出器は電力潮流方向検出器２８か
ら成り、電動機１８が電動機領域にあるかあるい
は発電機領域にあるかを直接検出してこの検出信
号により制御装置２４を介して開閉器２２の開閉
制御が行われる。すなわち、電動機１８の回転数
が同期速度以下である場合には電源２０から電動
機１８へ駆動電流が供給され、一方、電動機１８
の回転数が同期速度以上であると、電動機１８か
ら回生電力が電源２０へ回収されるので、電動機
１８と電源２０との接続線の潮流方向を検出する
ことによつて切替信号を検出することができる。
実施例における電力潮流方向検出器２８は計器用
変圧器３０及び計器用変流器３２を含み、この電
圧及び電流値にて電力計あるいは電力量計を作動
させ、これら計器の針あるいは円盤の回転方向を
検出することにより潮流方向を検出することが可
能となる。もちろん、本発明において、電力潮流
方向検出器２８は、前記電力値及び電流値を波形
整形して両波形間の位相差にて電力潮流方向を識
別することも可能である。以上のようにして、電
力潮流方向検出器２８からの切替信号によつて制
御装置２４は開閉器２２を開閉制御して電動機１
８を発電機領域でのみ作動させることが可能とな
る。なお、制御装置２４にはタイマ回路を設け、
電力潮流方向が一定の設定時間以上継続した時に
切替信号を出力する構成とし、同期速度近傍にお
ける微妙なハンチングを除去することが好適であ
る。

また、実施例においては、流水路１０内の流水
１２流量を検出するために、圧力スイツチ３４が
設けられ、制御装置２４へ流量信号として供給さ
れ、また電動機１８の回転速度がタコジエネレー
タ等から成る速度検出器３６によつて検出され制
御装置２４へ供給される。

本発明の好適な実施例は以上の構成から成り、
以下にそのエネルギ回収作用を詳細に説明する。

開閉器２２が開放状態において操作盤２６に運
転指令が入力されると、圧力スイツチ３４からの
圧力信号によつて制御装置２４は流水１２の流量
あるいは圧力情報を取込む。運転開始時におい
て、制御弁１６は全閉状態となつており、前記運
転指令とともに制御装置２４は制御弁１６を徐々
に開制御する。この時の開制御速度は水車１４の
回転速度上昇に遅れの生じない速度以下に抑制さ
れている。制御弁１６の開動作に伴い、水車１４
及び電動機１８の回転子が回転を開始し、その回
転速度が同期速度ｎ_s以下に設定された起動速度
ｎ_lに達すると制御装置２４は開閉器２２に投入
指令を与え、開閉器２２の閉成によつて電動機１
８は電気的に電源２０と接続される。前記起動速
度ｎ_lは水車１４から与えられる機械力によつて
電動機１８が発電機領域に入り得る速度であり、
電動機１８の固定子巻線が開放されている状態で
は、この速度ｎ_lは同期速度ｎ_sより低いが、開閉
器２２の閉成によつて電源２０から電動機１８へ
固定子電流が供給されると、直ちに電動機１８の
回転速度は同期速度ｎ_s以上となり、電動機１８
は誘導発電機としての作用を開始し流水エネルギ
を電気エネルギとして電源２０側へ回収すること
ができる。前記起動速度ｎ_lは実験的に定めら
れ、この起動速度ｎ_lに対応する基準設定電圧と
速度検出器３６からの検出信号とを制御装置２４
により比較演算して開閉器２２の閉成制御信号が
出力される。

以上のようにして、発電機領域での電力回収作
用を継続しながら、制御弁１６は回転速度が前述
したｎ_kに達するまで開動作を続ける。そして、
制御弁１６の開度増加あるいは流水１２の流量増
加によつて電動機１８の回転速度がｎ_k以上とな
ると、制御装置２４はこの時の速度検出器３６の
出力と速度ｎ_kに対応する設定電圧とを比較演算
して、制御弁１６に閉作動指令を与え、回転速度
がｎ_k以下となるまで、この閉動作が継続され
る。なお、この速度ｎ_kにおける制御弁１６の開
閉動作時にハンチング作用が生じることを防止す
るために速度ｎ_kの前後にｎ_k1，ｎ_k2なるヒスリシ
ス領域を設けることが好適である。

以上にようにして、本発明の方式によれば、電
動機１８の速度がｎ_sからｎ_kの範囲において電力
の回収を行うことができ、特に流水１２の流量が
充分にある時には電動機１８をほぼｎ_kなる速度
にて回転させ、効率のよい電力回収を行うことが
可能となる。

前記電力回収状態において、流水１２のエネル
ギ減少例えば流量あるいは圧力減少によつて制御
弁１６を全開としても発電機領域の維持が不可能
となる場合には、電力潮流方向検出器２８から制
御装置２４へ切替信号が供給され、開閉器２２が
開放され、電動機１８を電動機領域で作動させ無
用な電力を電源２０から取込むことが防止され
る。

以上のようにして、本発明においては流水エネ
ルギが誘導電動機を発電機領域で回転可能なエネ
ルギである時のみ開閉器２２を閉成して誘導電動
機１８を誘導発電機として作用させ流水エネルギ
を電気エネルギとして電源２０側へ回収すること
が可能となる。

なお、実施例においては、操作盤２６に停止指
令が入力されると開閉器２２は直ちに開放されま
た制御弁１６は全閉状態まで閉動作される。

前述した実施例においては、電動機１８の発生
トルクＴが同期速度ｎ_sの近傍にて急激に変化す
るため、水車１４の発生トルクＴ_l′が減少した時
に電動機１８が発電機領域と電動機領域間をハン
チングするという問題がある。そこで、発明にお
いては、巻線形の誘導電動機１８を用い、発電機
領域にて速度が同期速度ｎ_sに近づいた場合、電
動機１８の二次抵抗３８の抵抗値を増加するよう
に制御することが好適であり、制御装置２４から
破線で示される制御信号により二次抵抗３８を増
加させ第２図の電動機発生トルクＴを破線で示さ
れるT′とし、水車トルクがＴ_l″に低下した場合に
おいても同期速度ｎ_sより速い安定した運転点に
回転速度を移すことが可能となる。この実施例に
よれば、水車１４の回転エネルギが低下した場合
においても安定な電力回収を行うことが可能とな
る。前記抵抗制御は速度検出器３６の検出信号に
基づいて制御装置２４が行うことができる。

なお、本発明においては、前述したごとく発電
機として巻線型誘導電動機を用い、更にこの電動
機は二次抵抗を有し冷却水の流量変動に対応でき
るとともに回収トルクと回収電力は前記二次抵抗
を変化させて電動機のすべりＳを可変として運転
の安定性を保持して前述した各実施例において
は、誘導電動機１８の同期速度ｎ_sが一定である
ために、流水１２のエネルギ変動によつて電力回
収がしばしば中断される場合が生じるが、同期速
度ｎ_s自体を電動機１８の実回転速度より低い値
に制御すれば流水エネルギ変動に拘らず常に電力
回生を行うことが可能となり、水車１４及び電動
機１８を高効率にて運転することが可能となる。
第１図にはこのための破線で示される同期速度可
変回路４０が電動機１８に接続され、第３図にそ
の一例が示されている。第３図に示される同期速
度可変回路４０は周知の可変電圧可変周波数イン
バータ装置からなり、電源２０から電動機１８へ
供給される電圧及び周波数（ｖ／＝一定）を制
御して電動機１８の同期速度ｎ_sを変化させるこ
とができる。すなわち、第３図において、電動機
１８の回転速度を速度検出器３６にて検出し、こ
の検出信号によつて速度設定を行い、これに基づ
く電圧と周波数を定めれば極めて高精度に同期速
度を実回転速度以下に制御することが可能とな
る。

なお、前述した同期速度可変回路４０は可変電
圧可変周波数インバータ装置以外に極数変換装置
あるいは二次励磁装置等によつて行うことも可能
である。

更に、前述した各実施例においては、流水１２
の流出方向を一定としているが、流水利用施設例
えば製鉄所内の各種施設に対して流水を圧送する
場合、流水路１０内にて水の逆流が生じる場合が
あり、例えば圧送ポンプの停止時に流水路内の残
留水に戻り現象が生じる場合がある。前述した各
実施例においては、この逆流水に対しては水車１
４を空転させていたが、本発明において、第１図
に破線で示される逆転用開閉器４２を付設するこ
とにより、残留水の逆流時には電動機１８の結合
相順を逆向とするように接続して電動機１８の回
転方向を反転させれば、この逆流時における流水
エネルギをも電源２０側へ回収することが可能と
なる。

以上説明したように、本発明によれば、高炉冷
却系における流水の有するエネルギを高効率で電
力回収することができ、特に低落差及び流量変動
の激しい流水に対しても採算のとれる電力回収方
式を提供することが可能となり、製鉄所その他に
おける省エネルギに極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る高炉冷却系の冷却水の落
差エネルギ回収装置の好適な実施例を示すブロツ
ク図、第２図は第１図における誘導電動機の特性
図、第３図は本発明の他の実施例を示す要部ブロ
ツク図である。 １０……流水路、１２……流水、１４……水
車、１６……制御弁、１８……誘導電動機、２０
……商用周波数電源、２２……開閉器、２８……
電力潮流方向検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高炉を冷却する冷却水の流水落差エネルギを
   水車の回転エネルギに変換し、前記水車回転駆動
   中に順次流水量を増加して水車回転速度を上昇制
   御し、前記水車に接続されている誘動電動機の回
   転速度が同期速度以下に設定された起動速度に達
   したときに電動機に電源を接続して誘導電動機を
   発電機として用い、前記水車に供給される流水量
   を誘導電動機から最大電力を回収可能な速度とな
   るように増加制御し、過回転により流水落差エネ
   ルギを電源側に電気エネルギとして回収し、前記
   誘導電動機の回転速度が同期速度が同期速度より
   低下すると一定時限後誘導電動機と電源との接続
   を遮断し、流水落差エネルギを水車及び誘導電動
   機にて電気エネルギに変換して回収することを特
   徴とする高炉冷却系の流水落差エネルギ回収方
   法。 ２ 高炉を冷却する冷却水の流水路に設けられ流
   水落差エネルギにて回転駆動される水車と、前記
   水車に供給される冷却水の流量を制御し水車の回
   転速度を可変する制御弁と、前記水車に接続され
   二次抵抗を可変としてすべり制御される回転子と
   電源に接続可能な固定子とを有する巻線型誘導電
   動機と、前記誘導電動機の固定子と電源との接続
   を開閉制御する開閉器と、前記誘導電動機が電力
   潮流方向を検出して電動機領域となつてから一定
   時限後に前記開閉器を開放する切替信号を出力す
   る切替信号検出器と、を含み、誘導電動機の二次
   抵抗を調節してすべり制御を行い、流水落差エネ
   ルギが大きいときには誘導電動機と電源とを開閉
   器により接続して誘導電動機を発電機として作用
   させて流水落差エネルギを電気エネルギとして電
   源へ回収し、流水落差エネルギが小さいときには
   開閉器を開放して誘導電動機と電源とを遮断する
   ことを特徴とする高炉冷却系の流水落差エネルギ
   回収装置。