水力発電関連(電気資格取得支援)…マルバラ企画
京都南禅寺の庭園； | 水車の速度変動率( link)； | 大容量揚水発電ポンプ(link); | |
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（1） 水車の種類とその特性を一覧表にまとめました。
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水車の種類 |
適用落差 |
使用水量 |
比速度(Ns≦) |
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ペルトン水車 |
150-800ｍ |
少水量 |
[4300/(H+195)]+13 |
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フランシス水車 |
50-500ｍ |
中水量 |
[21000/(H+25)]+35 |
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デリヤ水車 |
40-180ｍ |
大水量 |
[20000/(H+20)]+40 |
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カプラン水車 |
20- 80ｍ |
大水量 |
[21000/(H+17)]+35 |
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チュウブラ水車 |
---20ｍ |
中水量 |
600≦Ns≦1000 |
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*効率特性は、フラン |
シス水車以外はフラ |
ットである。 |
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| (２）ペルトン水車は衝動水車で、デフレクタを有し負荷変動にすばやく対応出来るので発電機の速応励磁装置を省略できる利点がある。他は反動水車である。チュウブラ水車は小水力用です。デリヤ水車は、可動翼形の斜流水車であり、カプラン水車は可動翼形のプロペラ水車である。可動翼にすると落差変動による効率低下を軽減でき効率特性がペルトン水車に類似する効果がある。 |
| （３）フランシス水車は最適の負荷運転では効率が最高である。しかし、落差変動や負荷変動による効率低下が大きい欠点を有する。 |
| (4) 水車の比速度Ｎs=N・P0.5/H1.25で表される(N→Pに訂正）。Nは実際の水車の回転速度、Pは水車の出力、Hは適用落差である。この式のＰはノズル又はランナ1個あたりである点に注意を要す。この式より、Ns,P,H,極数が決ればNを求められます。比速度とは、落差1ｍで1ｋｗの出力を得るに必要な相似水車の回転速度と定義され単位はｍ・ｋｗである。反動水車では比速度を大きくするとキャビテ−ションが発生しやすく、電圧変動が大きい。水車を小型に出来る利点がある反面、腐食対策、速応励磁が必要である。（比速度の式でＮが抜けていました） |
| (5) 揚水ポンプの比速度Ｎs＝Ｎ・Q0.5／H0.75になります。Qはポンプの揚水流量（ＫＬ/秒）です。単位はｍ-ＫＬ/秒です。ＫＬ＝立法メ−トルのことです。比速度の式がどの様に導き出されるのかは次回に解説します。自分で算出できればさらに理解が進みます。（比速度の式でQが抜けていました） |
| (6)キャビテ−ション；水には圧力に応じてガスが溶解しています。そのなかでも空気中の酸素が溶解しやすいのです。溶解する量は温度が低い程、圧力が高い程多くなります。従って、圧力が低下しますと小さな気泡が遊離してさまざまな障害を生じます。ウオ−タハンマ−、腐食、水車の損傷などです。反動水車ではとくに比速度が大きい程問題が深刻です。これの対策としてドラフトチュ−ブの高さを過大にしない、流水面を滑らかにする、ランナ−、ケ−シング等の材質をＳＵＳ材などにして耐食性を高めるなどが必要です。 |
| (7)可変速揚水発電；我国の発電及び負荷の様子が大きく変化しています。これを少し考察してみます。先ず、発電ですが、原子力の比率が30％以上に高まっています。大容量火力が増加しています。大容量の水力の建設が少なく、建設期間も長いことです。比率は小さいが風力、太陽光発電などの自然エネルギ−利用の増加が挙げられます。原子力、大容量火力、水力ともに需要地より離れた遠距離発電が普通です。一方負荷の様子は、24時間操業の鉄鋼などの重工業が少なくなり、オフィスビルなどの冷暖房の増加などの変化で昼間の負荷と夜の負荷ではおおきな差があります。負荷率では夜は50％以下にもなります。昼間は、最大設備の不足が懸念される季節、時もあります。このような変化を考えますと、折角の最新鋭の大型設備を有効に利用するのが困難です。加えて、負荷が軽くなりますと周波数が上昇し電圧が上昇するのでこれを下げることが必要となります。原子力では、周波数の調整機能が期待できません。ですから、揚水発電を可変速にして周波数調整機能をもたせ電力の貯蔵も兼ねさせることが今の二−ズに沿っていると思われます。 |
（ 8）水車発電機とタ−ビン発電機の特性比較の一覧表を作成しました。
概略のまとめです。
（9）水車の出力式について；
概略のまとめです。
（10）河川流量、流況曲線について；
概略のまとめです。
（11）フランシス水車について；
概略のまとめです。
| （12）揚水AFC （周波数調整）の原理について解説； 発電電動機の2次側回転子にサイクロコンバ−タで低周波の交流電圧を供給することで回転子の固定子に対する相対的な磁界の回転速度を同期に調整するものです。揚水動力は回転速度の3乗に比例するので僅かな回転速度の変化で大きな揚水動力の変更（負荷変動）を可能にします。回転数を10％増加させますと、計算では1.33倍の揚水動力が必要になります。回転数を低下させればその反対になります。要は回転子の機械的な回転速度がどうであれ回転子に外部より供給する電圧周波数の変更で同期速度を保つことが出来ることを利用します。回転子は円筒形で三相の巻線を分布巻にしてしています。脱調の心配もなく系統の安定度向上にも貢献します。この様な利点がありますので今後も一層重要視されると考えます。（直流の励磁電流を低周波の交流励磁電流にするのがポイントです） |
（13）発電機の無負荷飽和曲線、三相短絡曲線、短絡比について
求め方、定義などの解説
| （18) 小水力発電 について |
| 小水力発電が増加傾向にありますがこれについて考察します。 （理由）大規模な水力開発地点が少くなり、補償問題、環境保護、建設期間の長期化などクリア−しなければならない課題が多く建設コストが大きい。一方、地球環境温暖化対策から、再生エネルギ−が求められています。また、エネルギ−価格の上昇も要因です。小水力開発の補助金制度も後押ししています。 （開発の課題）ポイントは、安全性と建設コストを安価にする、メンテナンスフリ−な高効率機器の採用です。この為には岩盤掘削機を含め機器の標準化簡素化が必要です。発電機は自己制御性がある誘導発電機が適しています。水車は低落差用のバルブ水車などが適しています。 |
| （19) 揚水発電 について； |
| 揚水発電所の特徴 (1）大容量の火力発電、原子力発電は基底用で起動、停止の損失、影響が大きいので事故時などの止むをえないとき以外は連続運転です。このため、夜間の余剰電力を利用して揚水し、昼間の発電に利用されます。また、豊水期には貯水池の余剰の水量を利用して発電します。 (2) 始動時間が5分程度であり、容易に負荷変動に対応できます。 (3) 火力発電の始動停止回数を少なくできます。低効率火力発電の代替もできます。（効率、始動、停止の容易さより） (4）揚水ＡＦＣ（周波数調整）を利用できるので、系統の安定化に有利です。 |
| （20）揚水発電所の総合効率 について； |
| 揚水発電所の各種効率について (1)揚水動力（入力）Pm＝9.8Qp・Hp・ηp〔KW〕 Qp, Hp, ηp :揚水流量（t/sec),揚程（m),揚水ポンプ効率 (2)揚水発電（出力）Pg＝9.8Qg・Hg・ηg〔KW〕 Qg, Hg, ηg: 水車流量（t/sec),有効落差（m),発電効率（水車、発電機含む） (3)揚水、発電の総合効率ηt =(Hg/Hp)・ηp・ηg (4)貯水量W〔t〕＝Qp・Tp=Qg・Tg Tp,Tg:揚水時間(sec)、発電時間(sec) |
| (21)水車発電機の負荷遮断試験について； |
| 負荷遮断試験について |
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誤った理解をご指摘頂きましたので訂正（赤） (１)負荷遮断とは何なのか；事故、その他の原因で急に負荷が無くなったときに、水車発電機がどの様な影響を受けるかを検討する必要があります。水車発電機、その他の設備に損傷が出ないよう安全に無負荷運転に移行することの確認が必要です。 (2)急な負荷遮断でどの様な影響が生じるのだろうか？水車のガイドべ−ンが閉鎖され水車入力が遮断される。 この時間的変化の間で水車、水圧管その他に機械的、水圧的な力が作用します。この力に対して安全に安定化できるか確認する試験が必要です。 (3)負荷遮断試験は、これを確認する試験です。(1/4)負荷試験、(1/2)負荷試験、全負荷試験のように段階的にします。試験の影響を事前に検討する必要があります。 |
| (22)揚水発電所でのポンプ入力遮断試験 |
| (23)水力発電所の設計手順（H.19電験一種電力問題） |
| (24)ベルヌーイの定理と水力発電への応用 |