特開 2024-42950 水力機械およびその運転モード切替方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024042950

(43)【公開日】2024-03-29

(54)【発明の名称】水力機械およびその運転モード切替方法

(51)【国際特許分類】

   F03B 15/04 20060101AFI20240322BHJP

【ＦＩ】

F03B15/04 F

F03B15/04 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022147888

(22)【出願日】2022-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100118474

【弁理士】

【氏名又は名称】寺脇 秀▲徳▼

(74)【代理人】

【識別番号】100141911

【弁理士】

【氏名又は名称】栗原 譲

(72)【発明者】

【氏名】宮武 晃平

(72)【発明者】

【氏名】小山 創

(72)【発明者】

【氏名】中薗 昌彦

(72)【発明者】

【氏名】児島 貴信

(72)【発明者】

【氏名】森戸 のり子

【テーマコード（参考）】

3H073

【Ｆターム（参考）】

3H073AA08

3H073AA26

3H073BB09

3H073BB12

3H073CC05

3H073CC19

3H073CE02

3H073CE04

3H073CE09

(57)【要約】

【課題】運転モードを短時間で切り替えられる水力機械およびその運転モード切替方法を提供することである。
【解決手段】実施形態の水力機械は、鉄管を開閉する入口弁と、ドラフトチューブを開閉するドラフトゲートと、前記ドラフトチューブに設けられるドラフトゲート側路を開閉するドラフトゲート側路弁と、前記入口弁、前記ドラフトゲート、および前記ドラフトゲート側路弁の開閉を制御する制御装置と、を備える水力機械であって、ランナを大気圧空気で空転させる調相運転から通常運転へ運転モードを切り替える場合に、前記制御装置は、前記ドラフトゲート側路弁が開いたと判定した場合に、前記ドラフトゲートを開く制御信号を前記ドラフトゲートに送信し、前記ドラフトゲートが全開したと判定した場合に、ガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信し、前記通常運転を開始するよう制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

上池に接続する鉄管を開閉する入口弁と、
ランナが配置されるランナ室の下方に接続するドラフトチューブを開閉するドラフトゲートと、
前記ドラフトチューブに設けられて前記ドラフトゲートをバイパスするドラフトゲート側路を開閉するドラフトゲート側路弁と、
前記入口弁、前記ドラフトゲート、および前記ドラフトゲート側路弁の開閉を制御する制御装置と、を備える水力機械であって、
前記ランナを大気圧空気で空転させる調相運転から水車運転またはポンプ運転である通常運転へ運転モードを切り替える場合に、前記制御装置は、
前記ドラフトゲート側路弁が開いたことを判定し、
前記ドラフトゲート側路弁が開いたと判定した場合に、前記ドラフトゲートを開く制御信号を前記ドラフトゲートに送信し、
前記ドラフトゲートを開く制御信号の前記送信後、前記ドラフトゲートが全開したと判定した場合に、ガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信し、
前記ガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信後、前記入口弁が全開し、かつ前記ガイドベーンが開いたと判定した場合に前記通常運転を開始するよう制御する水力機械。

【請求項2】

前記水力機械は、前記ドラフトチューブに設けられる給気管を開閉する給気弁と、
前記ドラフトチューブに設けられる排水管を開閉する排水弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、
前記ドラフトゲート側路弁が開いたことを判定する前に、前記ガイドベーン、前記給気弁、および前記排水弁が全閉したことを判定し、
前記ガイドベーン、前記給気弁、および前記排水弁が全閉したことを判定した場合に、前記ドラフトゲート側路弁を開く制御信号を前記ドラフトゲート側路弁に送信する請求項１に記載の水力機械。

【請求項3】

前記制御装置は、前記給気弁および前記排水弁が全閉したことを判定する前に、前記給気弁および前記排水弁を閉じる制御信号を前記給気弁および前記排水弁に送信する請求項２に記載の水力機械。

【請求項4】

前記制御装置は、前記入口弁が開いたことを判定する前に、前記ガイドベーンが全閉したことを判定し、
前記ガイドベーンが全閉したことを判定した場合に、前記入口弁を開く制御信号を前記入口弁に送信する請求項１から３いずれかに記載の水力機械。

【請求項5】

前記制御装置は、前記ガイドベーンが全閉したことを判定する前に、前記ガイドベーンを閉じる制御信号を前記ガイドベーンに送信する請求項４に記載の水力機械。

【請求項6】

前記水力機械は、プライミング圧力を計測する水圧計をさらに備え、
前記制御装置は、前記ドラフトゲートを開く制御信号の送信後、前記ドラフトゲートが全開し、さらには前記プライミング圧力が所定以上であることを判定した場合に、前記ガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信する請求項１に記載の水力機械。

【請求項7】

上池に接続する鉄管を開閉する入口弁と、ランナが配置されるランナ室の下方に接続するドラフトチューブを開閉するドラフトゲートと、前記ドラフトチューブに設けられて前記ドラフトゲートをバイパスするドラフトゲート側路を開閉するドラフトゲート側路弁と、前記入口弁、前記ドラフトゲート、および前記ドラフトゲート側路弁の開閉を制御する制御装置とを備え、水車運転またはポンプ運転である通常運転および前記ランナを大気圧空気で空転させる調相運転を行う水力機械に関する前記調相運転から前記通常運転への運転モード切替方法であって、
前記ドラフトゲート側路弁が開いたことを前記制御装置が判定した場合に、前記制御装置が前記ドラフトゲートを開く制御信号を前記ドラフトゲートに送信するステップと、
前記制御装置が前記ドラフトゲートを開く制御信号の前記送信するステップの後に前記ドラフトゲートが全開したことを前記制御装置が判定した場合に、前記制御装置がガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信するステップと、
前記制御装置が前記ガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信するステップの後、前記入口弁が全開し、かつ前記ガイドベーンが開いたと判定した場合に前記通常運転を開始するステップと、
を備える水力機械の運転モード切替方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、水力機械およびその運転モード切替方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電力系統の需給調整へのニーズが高まっており、ポンプ水車などの水力機械の運転モードを切り替えて需給調整に対応する方法が知られている。一般的な水力機械の運転モードには、水車運転と、ポンプ運転と、調相運転とがあり、需給調整のために電力系統からの電力を吸収する際には調相運転で水力機械を運転する。高速な需給調整に対応するためには、水力機械の運転モードを水車運転やポンプ運転といった通常時の運転モードから、調相運転に早く切り替える必要がある。

【0003】

一般的な水力機械は、上池に接続する鉄管と、ケーシングと、ランナ室に収容されるランナと、発電機と、下池に接続するドラフトチューブとを備える。水車運転における水力機械は、上池からの水が鉄管とケーシングとを経てランナに流入して、水の仕事によりランナが回転する。ランナの回転によって生じた回転エネルギーは、主軸を介してランナと接続する発電機に伝達され、発電機が回転エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電する。ランナで仕事を終えた水はドラフトチューブを流れ下池へ流出する。ポンプ運転では、系統から発電機に電気エネルギーを供給し、発電運転とは逆方向にランナを回転させ、下池の水を上池に汲み上げる。つまり、水車運転およびポンプ運転では、ランナを収容するランナ室内を水が満たしている。

【0004】

ところで、調相運転においては、ランナのトルクを低減するために、ランナ室内の水を排出してランナを空転させる。したがって、水車運転およびポンプ運転から調相運転に切り替える際は、ランナ室内に空気を給気して水を排水することで、ランナ室内の水面をランナよりも低く下げる必要がある。それとは反対に、調相運転から水車運転およびポンプ運転に切り替える際は、ランナ室内の空気を排気して水で満たす必要がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００７－９２７５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一般的に、水車運転およびポンプ運転から調相運転に切り替える際は、ランナ室内に高圧空気を給気することで排水し、ランナ室内の水面を押し下げていた。したがって、調相運転から水車運転およびポンプ運転に切り替える際には、この高圧空気が急激に膨張しないように、ランナ室内の高圧空気を排気してからランナ室内に水を満たす必要があり、運転モードの切り替えに時間がかかっていた。

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、運転モードを短時間で切り替えられる水力機械およびその運転モード切替方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、実施形態の水力機械は、上池に接続する鉄管を開閉する入口弁と、ランナが配置されるランナ室の下方に接続するドラフトチューブを開閉するドラフトゲートと、前記ドラフトチューブに設けられて前記ドラフトゲートをバイパスするドラフトゲート側路を開閉するドラフトゲート側路弁と、前記入口弁、前記ドラフトゲート、および前記ドラフトゲート側路弁の開閉を制御する制御装置と、を備える水力機械であって、前記ランナを大気圧空気で空転させる調相運転から水車運転またはポンプ運転である通常運転へ運転モードを切り替える場合に、前記制御装置は、前記ドラフトゲート側路弁が開いたことを判定し、前記ドラフトゲート側路弁が開いたと判定した場合に、前記ドラフトゲートを開く制御信号を前記ドラフトゲートに送信し、前記ドラフトゲートを開く制御信号の前記送信後、前記ドラフトゲートが全開したと判定した場合に、ガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信し、前記ガイドベーンを開く制御信号を前記ガイドベーンに送信後、前記入口弁が全開し、かつ前記ガイドベーンが開いたと判定した場合に前記通常運転を開始するよう制御する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る水力機械の構成を示す断面図。

【図2】第１実施形態に係る水力機械のガイドベーンが全閉状態の場合の運転モード切替の処理例を示すフローチャート。

【図3】第１実施形態に係る水力機械のガイドベーンが開状態の場合の運転モード切替の処理例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（第１実施形態）
第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る水力機械の子午面断面図である。ここでは、水力機械としてフランシス水車を一例に説明する。フランシス水車１は、鉄管１０と、入口弁１２と、ケーシング１４と、ガイドベーン１６と、上カバー１８と、下カバー２０と、ランナ２２と、主軸２４と、発電機２６と、ドラフトチューブ２８と、制御装置４０と、を備える。なお、以降の説明において発電機２６側を回転軸線Ｃ上方向、ドラフトチューブ２８側を回転軸線Ｃ下方向とする。

【0011】

鉄管１０は、その内部を水が流れる流路であり、上池（図示省略）と後述するケーシング１４とを接続する。鉄管１０は、閉状態となることで上池側とケーシング１４側との間の水の流れを止める入口弁１２を備える。

【0012】

ケーシング１４は、後述するランナ２２の外周側に渦巻き状に設けられる。また、ケーシング１４の内周側には、回転軸線Ｃに対する周方向（以下、周方向と呼称する）に所定の間隔をあけて複数配置されるステーベーン（図示省略）が設けられる。ステーベーンは、ケーシング１４から流出する水をガイドベーン１６に導くためのものである。上池から鉄管１０を通過してケーシング１４に流入した水は、ケーシング１４を通過した後、ステーベーンおよび後述のガイドベーン１６を順次通過してランナ２２に供給される。なお、ケーシング１４は通常、巻き始め（上池側）から巻き終わり（ランナ２２側）にかけてその断面直径が徐々に小さくなるように形成されている。

【0013】

ガイドベーン１６は、ステーベーンの内周側かつランナ２２の外周側に、周方向に所定の間隔をあけて複数配置される。ガイドベーン１６は、各々が回転可能であり、その開度を制御することにより、隣り合うガイドベーン１６の間に形成される流路の流路面積を変化させることができる。したがって、ガイドベーン１６はその開度を制御することにより、水車内を流れる水の水量を調整することができる。

【0014】

上カバー１８と下カバー２０とは、上カバー１８が回転軸線Ｃ上方向から、下カバー２０が回転軸線Ｃ下方向から互いに対向するように、ケーシング１４の内周側に設けられる。上カバー１８と下カバー２０とは、ステーベーン、ガイドベーン１６、および後述のランナ２２を上下から挟むように収容する。

【0015】

ランナ室２１は、ケーシング１４と後述のドラフトチューブ２４とに接続される。ランナ室２１は、上カバー１８と下カバー２０とがガイドベーン１６よりも内周側に形成する空間であり、その内部にランナ２２を収容する。ランナ室２１には、ランナ室２１内のプライミング圧力を測定する水圧計２１ａが設けられる。測定したプライミング圧力の値は、後述する制御装置４０に送信する。

【0016】

ランナ２２は、回転軸線Ｃを中心として回転可能にランナ室２１に配置され、主軸２４を介して発電機２６と連結している。主軸２４は、ランナ２２の回転軸であり、発電機２６が連結されている。水車運転においては、ランナ２２の回転エネルギーが主軸２４を介して発電機２６に伝達されると、発電機２６が発電する。

【0017】

なお、発電機２６は、電動機としての機能も備え、電力が供給されることによりランナ２２を回転駆動するように構成されても良い。この場合には、後述するドラフトチューブ２８を介して下池（図示省略）の水を吸い上げて上池に放出させることができ、フランシス水車１をポンプ水車としてポンプ運転することが可能になる。

【0018】

ドラフトチューブ２８は、ランナ室２１と下池とを接続し、その内部を水が流れる流路である。ドラフトチューブ２８は、給気管３０と、排水管３２と、ドラフトゲート３４と、ドラフトゲート側路３６とを備える。

【0019】

給気管３０は、ドラフトチューブ２８に大気圧空気を供給する流路であり、閉状態で給気管３０のドラフトチューブ２８側と大気側との間の空気の流れを止める給気弁３０ａを備える。排水管３２は、ドラフトチューブ２８内の水を下池に排水するための流路であり、閉状態で排水管３２のドラフトチューブ２８側と下池側との間の水の流れを止める排水弁３２ａを備える。ドラフトゲート３４は、閉状態でドラフトチューブ２８の上池側と下池側との間の水の流れを止めるゲートである。ドラフトゲート側路３６は、ドラフトゲート３４をバイパスしてドラフトチューブ２８の上池側と下池側とを接続する流路であり、閉状態でドラフトゲート側路３６の上池側と下池側との間の水の流れを止めるドラフトゲート側路弁３６ａを備える。なお、ドラフトゲート３４は例えばドラフト弁などの弁でも良く、閉状態でドラフトチューブ２８の上池側と下池側との間の水流を止められる構成であれば良い。

【0020】

制御装置４０は、入口弁１２と、ガイドベーン１６と、給気弁３０ａと、排水弁３２ａと、ドラフトゲート３４と、ドラフトゲート側路弁３６ａとの開閉を制御する装置であり、制御信号を駆動装置（図示省略）に送信し、駆動装置はその信号に従ってこれら機器を開閉駆動する。また、制御装置４０は、入口弁１２と、ガイドベーン１６と、給気弁３０ａと、排水弁３２ａと、ドラフトゲート３４と、ドラフトゲート側路弁３６ａとにそれぞれ設けられてこれらの開閉を検出する開度検出装置（図示省略）に接続している。制御装置４０は、この開度検出装置から送られる開度検出信号に基づいて、これら機器の開閉状態を判定することができる。

【0021】

このようなフランシス水車１における水の流れを説明する。このとき、入口弁１２、ガイドベーン１６、およびドラフトゲート３４は開状態であり、給気弁３０ａ、排水弁３２ａ、およびドラフトゲート側路弁３６ａは全閉状態である。水車運転の場合は、まず、上池からの水が鉄管１０、入口弁１２、ケーシング１４、ステーベーン、およびガイドベーン１６を順次通過してランナ２２に供給される。この水の仕事を受けてランナ２２が回転すると、その回転エネルギーが回転軸２４を介して発電機２６に伝達されて発電する。ランナ２２で仕事をした後の水は、ドラフトチューブ２８を流れ下池（図示省略）に供給される。一方でポンプ運転の場合は、水車運転時とは逆に、発電機２６に供給された電気エネルギーによってランナ２２が回転する。このランナ２２の回転によって、下池の水をドラフトチューブ２８、ランナ２２、ガイドベーン１６、ステーベーン、ケーシング１４、入口弁１２、および鉄管１０を順次通過させて上池に供給する。

【0022】

以降の説明では、上述のような水車運転およびポンプ運転を総称して通常運転とする。この通常運転の際には、ランナ室２１内は水で満たされている。

【0023】

一方で調相運転の場合には、ランナ２２のトルクを低減するために、ランナ室２１内の水を排水してランナ２２を空転させる。このとき、入口弁１２、ガイドベーン１６、ドラフトゲート３４、給気弁３０ａ、排水弁３２ａ、およびドラフトゲート側路弁３６ａは閉状態である。したがって、通常運転と調相運転との間で運転モードを切り替える場合には、ランナ室２１内の水の給水・排水や、各種弁の開閉制御をする必要がある。

【0024】

次に、フランシス水車１の運転モードを通常運転から調相運転に切り替える場合の制御について一例を説明する。通常運転時には、入口弁１２を全開とし、ガイドベーン１６を運転状況に応じた開度とした状態でフランシス水車１を運転している。このとき、給気弁３０ａ、排水弁３２ａ、およびドラフトゲート側路弁３６ａは全閉であり、ドラフトゲート３４は全開である。

【0025】

通常運転から調相運転への切替指令が管理者から制御装置４０へ入力されると、まずガイドベーン１６を全閉し、ガイドベーン１６が全閉した後に入口弁１２とドラフトゲート３４とを全閉する制御信号を制御装置４０が出力する。入口弁１２とドラフトゲート３４とは、制御信号にしたがって駆動装置により同時に閉方向に駆動され始め、まずドラフトゲート３４が先に全閉する。入口弁１２が全閉する前、かつドラフトゲート３４が全閉した後、給気弁３０ａと排水弁３２ａとを全開する制御信号を制御装置が出力する。給気弁３０ａと排水弁３２ａとは、制御信号にしたがって駆動装置により同時に開方向に駆動されて全開する。給気弁３０ａと排水弁３２ａとが開いた後、給気管３０からドラフトチューブ２８に大気圧空気が給気され、この給気に伴ってドラフトチューブ２８内の水が排水管３２から排水される。これら給気および排水によって、ランナ室２１内を満たしていた水の水面が、ドラフトチューブ２８の所定の高さまで下がる。また、入口弁１２は、給気弁３０ａと排水弁３２ａとが全開した後に全閉が完了する。このとき、ドラフトチューブ２８に設けられる水面計（図示省略）によって、ドラフトチューブ２８内の水面高さを計測しても良い。水面が所定の高さまで下がると、給気弁３０ａおよび排水弁３２ａを全閉し、ランナ２０を回転させて調相運転を開始する。

【0026】

なお、調相運転中には、ドラフトチューブ２８内の水の水面揺動によってランナ室２１内に水が浸入したり、ランナ２２を冷却する冷却水をランナ２２に供給したりする場合がある。この水は、回転するランナ２２によってガイドベーン１６側に滞留する可能性がある。したがって、調相運転中にガイドベーン１６を開けることでこの水を排水しても良い。

【0027】

また、上述のように、調相運転中にドラフトチューブ２８内の水面が上昇した場合は、給気管３０および排水管３２を全開し、給気と排水をすることでこの水面を押し下げても良い。

【0028】

次に、調相運転から通常運転に運転モードを切り替える場合の制御について図２および３を参照して説明する。調相運転では、上述のように、ガイドベーン１６が全閉状態の場合と開状態の場合とがあるので、それぞれの場合について説明する。ここで、調相運転から通常運転に切り替える指令が入力される時点では、入口弁１２およびドラフトゲート３４は全閉とし、給気弁３０ａおよび排水弁３２ａは全開とした状態で調相運転を行っているものとする。

【0029】

（ガイドベーン１６が全閉状態の場合（図２））

【0030】

まず、管理者が、制御装置４０に調相運転から通常運転への切替指令を入力する（Ｓ１００）。

【0031】

次に、制御装置４０は、入口弁１２を全開する制御信号と、給気弁３０ａおよび排水弁３２ａを全閉する制御信号とを同時に駆動装置に出力し、入口弁１２を開き、給気弁３０ａおよび排水弁３２ａを開じる（ステップＳ１０２）。なお、入口弁１２を開き始める制御と、給気弁３０ａおよび排水弁３２ａを閉じ始める制御とは同時でなくても良いが、より早く運転モードを切り替えるために同時であることが好ましい。また、あらかじめ給気弁３０ａおよび排水弁３２ａが全閉状態の場合は、これらを閉じる制御を省略しても良い。

【0032】

次に、制御装置４０は、給気弁３０ａおよび排水弁３２ａの開度検出装置（図示省略）からそれぞれ開度検出信号を受信して、給気弁３０ａおよび排水弁３２ａが共に全閉したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。給気弁３０ａおよび排水弁３２ａが共に全閉していると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、制御装置４０は、ドラフトゲート側路弁３６ａを全開する制御信号を駆動装置に出力してドラフトゲート側路弁３６ａを開く（ステップＳ１０６）。一方、制御装置４０が給気弁３０ａおよび排水弁３２ａが全閉していないと判定した場合（ステップＳ１０４のＮＯ）は、再度ステップＳ１０４に戻り、制御装置４０が給気弁３０ａおよび排水弁３２ａの全閉を判定する。

【0033】

ステップＳ１０６の後に、制御装置４０は、ドラフトゲート側路弁３６ａの開度検出装置（図示省略）から開度検出信号を受信して、ドラフトゲート側路弁３６ａが開いたか否かを判定する（ステップＳ１０８）。ドラフトゲート側路弁３６ａが開いていると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ１０８のＹＥＳ）、制御装置４０は、ドラフトゲート３４を全開する制御信号を駆動装置に出力してドラフトゲート３４を開く（ステップＳ１１０）。ドラフトゲート側路弁３６ａが開いていないと制御装置４０が判定した場合（ステップＳ１０８のＮＯ）は、再度ステップＳ１０８に戻り、制御装置４０がドラフトゲート側路弁３６ａの開きを判定する。

【0034】

ステップＳ１１０の後に、制御装置４０は、ドラフトゲート３４の開度検出装置（図示省略）から開度検出信号を受信して、ドラフトゲート３４が全開したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。ドラフトゲート３４が全開していると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ１１２のＹＥＳ）、制御装置４０は、ガイドベーン１６を所定の開度まで開く制御信号を駆動装置に出力してガイドベーン１６を開く（ステップＳ１１４）。ドラフトゲート３４が全開していないと制御装置４０が判定した場合（ステップＳ１１２のＮＯ）は再度ステップＳ１１２に戻り、制御装置４０がドラフトゲート３４の開きを判定する。

【0035】

ステップＳ１１４でガイドベーン１６を所定の開度まで開いた後には、入口弁１２およびガイドベーン１６の開度検出装置（図示省略）から開度検出信号を受信して、入口弁１２が全開し、かつガイドベーン１６が所定の開度まで開いたか否かを判定する（ステップＳ１１５）。入口弁１２が全開し、かつガイドベーン１６が所定の開度まで開いていると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ１１５のＹＥＳ）、制御装置４０が出力する指令にしたがって水車運転またはポンプ運転の通常運転を開始する（ステップＳ１１６）。入口弁１２が全開していない、またはガイドベーン１６が所定の開度まで開いていないと制御装置４０が判定した場合（ステップＳ１１５のＮＯ）、再度ステップＳ１１５に戻り、制御装置４０が入口弁１２およびガイドベーン１６の開度を判定する。

【0036】

（ガイドベーン１６が開状態の場合（図３））

【0037】

まず、管理者が、制御装置４０に調相運転から通常運転への切替指令を入力する（ステップＳ２００）。

【0038】

次に、制御装置４０は、ガイドベーン１６、給気弁３０ａ、および排水弁３２ａを全閉する制御信号を同時に駆動装置に出力してガイドベーン１６、給気弁３０ａ、および排水弁３２ａを閉じる（ステップＳ２０２）。なお、ガイドベーン１６、給気弁３０ａ、および排水弁３２ａを閉じ始める制御は同時でなくても良いが、より早く運転モードを切り替えるために同時であることが好ましい。また、あらかじめ給気弁３０ａおよび排水弁３２ａが全閉状態の場合は、これらを閉じる制御を省略して良い。

【0039】

次に、制御装置４０は、ガイドベーン１６の開度検出装置（図示省略）から開度検出信号を受信して、ガイドベーン１６が全閉したか否かを判定する（ステップＳ２０４ａ）。ガイドベーン１６が全閉していると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２０４ａのＹＥＳ）、制御装置４０は、入口弁１２を全開する制御信号を駆動装置に出力して入口弁１２を開く（ステップＳ２０６ａ）。ガイドベーン１６が全閉していない場合（ステップＳ２０４ａのＮＯ）は再度ステップＳ２０４ａに戻り、制御装置４０がガイドベーン１６の全閉を判定する。

【0040】

また、ステップＳ２０４ａと同時に、制御装置４０は、ガイドベーン１６、給気弁３０ａ、および排水弁３２ａの開度検出装置（図示省略）からそれぞれ開度検出信号を受信して、ガイドベーン１６、給気弁３０ａ、および排水弁３２ａが共に全閉したか否かを判定する（ステップＳ２０４ｂ）。ガイドベーン１６、給気弁３０ａ、および排水弁３２ａが共に全閉していると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２０４ｂのＹＥＳ）、制御装置４０は、ドラフトゲート側路弁３６ａを全開する制御信号を駆動装置に出力してドラフトゲート側路弁３６ａを開く（ステップＳ２０６ｂ）。一方、ガイドベーン１６、給気弁３０ａ、または排水弁３２ａが全閉していないと制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２０４ｂのＮＯ）は再度ステップＳ２０４ｂに戻り、制御装置４０がガイドベーン１６、給気弁３０ａ、および排水弁３２ａの全閉を判定する。

【0041】

ステップＳ２０６ｂの後に、制御装置４０は、ドラフトゲート側路弁３６ａの開度検出装置（図示省略）から開度検出信号を受信して、ドラフトゲート側路弁３６ａが開いたか否かを判定する（ステップＳ２０８）。ドラフトゲート側路弁３６ａが開いていると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２０８のＹＥＳ）、制御装置４０は、ドラフトゲート３４を全開する制御信号を駆動装置に出力してドラフトゲート３４を開く（ステップＳ２１０）。一方、ドラフトゲート側路弁３６ａが開いていないと制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２０８のＮＯ）は、再度ステップＳ２０８に戻り、制御装置４０がドラフトゲート側路弁３６ａの開きを判定する。

【0042】

ステップＳ２０８ｂの後に、制御装置４０は、ドラフトゲート３４の開度検出装置（図示省略）から開度検出信号を受信して、ドラフトゲート３４が全開したか否かを判定する（ステップＳ２１２）。ドラフトゲート３４が全開していると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２１２のＹＥＳ）、制御装置４０は、ガイドベーン１６を所定の開度まで開く制御信号を駆動装置に出力してガイドベーン１６を開く（ステップＳ２１４）。一方、ドラフトゲート３４が全開していないと制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２１２のＮＯ）は、再度ステップＳ２１２に戻り、制御装置４０がドラフトゲート３４の開きを判定する。

【0043】

ステップＳ２１４でガイドベーン１６を所定の開度まで開いた後には、入口弁１２およびガイドベーン１６の開度検出装置（図示省略）から開度検出信号を受信して、入口弁１２が全開し、かつガイドベーン１６が所定の開度まで開いたか否かを判定する（ステップＳ２１５）。入口弁１２が全開し、かつガイドベーン１６が所定の開度まで開いていると制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２１５のＹＥＳ）、制御装置４０が出力する指令にしたがって水車運転またはポンプ運転の通常運転を開始する（ステップS２１６）。入口弁１２が全開していない、またはガイドベーン１６が所定の開度まで開いていないと制御装置４０が判定した場合（ステップＳ２１５のＮＯ）、再度ステップＳ２１５に戻り、制御装置４０が入口弁１２およびガイドベーン１６の開度を判定する。

【0044】

なお、ステップＳ１１２およびステップＳ２１２において、ドラフトゲート３４が全開したか否かの判定に加えて、水圧計２１ａが測定するプライミング圧力が所定よりも大きいか否かを制御装置４０が判定する構成としても良い。この構成では、ドラフトゲート３４が全開し、かつプライミング圧力が所定よりも大きいと制御装置４０が判定した場合にはステップＳ１１２およびステップＳ２１２のＹＥＳに進み、それ以外の場合はＮＯに進む。

【0045】

なお、上述した制御のうち同時に行うステップや制御は、必ずしも同時でなくても良いが、より早く運転モードを切り替えるために同時であることが好ましい。

【0046】

このような調相運転から通常運転への切り替えでは、ランナ室２１内の空気が大気圧であり、ランナ室２１内と上池または下池との圧力差に起因して上池または下池でこの空気が急激に膨張する危険性がないため、この空気を排気せずに上池または下池へ導くことができる。また、ランナ室２１内の空気を排気せずに上池または下池へ導く場合は、ドラフトゲート３４の上池側の圧力が下池側よりも高くなるので、ドラフトゲート３４を開くための駆動力が増大する。しかし、フランシス水車１がドラフトゲート側路３６およびドラフトゲート側路弁３６ａを備え、ドラフトゲート３４を開く前にドラフトゲート側路弁３６ａを開くことで、ドラフトゲート３４の上池側と下池側との圧力差を小さくすることができるので、ドラフトゲート３４を開くための駆動力を低減できる。したがって、ランナ室２１内の大気圧空気を排気する過程を省略し、ランナ室２１に大気圧の空気が残った状態で通常運転を開始できるので、調相運転から通常運転へと運転モードをより短時間で切り替えることができる。その結果、フランシス水車１を効率的に運用することができる。

【0047】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0048】

１…フランシス水車、１０…鉄管、１２…入口弁、１４…ケーシング、１６…ガイドベーン、１８…上カバー、２０…下カバー、２１…ランナ室、２１ａ…水圧計、２２…ランナ、２４…主軸、２６…発電機、２８…ドラフトチューブ、３０…給気管、３０ａ…給気弁、３２…排水管、３２ａ…排水弁、３４…ドラフトゲート、３６…ドラフトゲート側路、３６ａ…ドラフトゲート側路弁、４０…制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】