第 6 章 結論 安くて質のいい電気を供給するために発電所は出来るだけ低コストで建設する必要がある また, 健全に運用できること, 質を高められる機能を有していることである 揚水機に対しても当然低コスト化が求められ, 高落差 大容量化によるスケールメリットを追求してきた その結果, 偏った要求品質に

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1 第 6 章 結論 安くて質のいい電気を供給するために発電所は出来るだけ低コストで建設する必要がある また, 健全に運用できること, 質を高められる機能を有していることである 揚水機に対しても当然低コスト化が求められ, 高落差 大容量化によるスケールメリットを追求してきた その結果, 偏った要求品質に対して, 個々の高度技術を連携することなく, 単体で開発を追求してしまったことで, いつかの副作用が発生してしまった 超高落差化の副作用で生じたアンシラリーサービスの低下超高落差化に耐えうる構造設計に特化し, また最大出力にこだわったことで, 部分負荷領域での性能が低下してしまった 超高落差機における過渡時の異常現象発生常現象超高落差, 低 Ns 化の影響も受け, 想定していなかった過度時の異常軸スラストが発生した 過去を振り返って調査をすると, これまでにもその傾向があった 長大水路系が及ぼす悪影響建設性の良い地点の減少およびスケールメリット追求による高落差 大容量化により, 水路が長大化し, 水路系の応答遅れによるサージングの拡大や出力応答の遅れが発生すると想定された これら揚水機に発生したコスト低減に伴う問題点は解決が必須で, 解決無くしては, 揚水機の将来は無くなるところであった しかし, 電力自由化が欧米から到来し, 揚水機に明日への可能性を切り開いた 電力自由化に付随するアンシラリーサービスの多くは, 揚水機にその機能が潜在しているものが多く, 技術開発や開発に向けた設計手法の構築によっては高付加価値を引き出し, コスト以上の価値を見いだす電源となりうる まず, 必須条件である超高落差揚水機の課題解決が重要である 超高落差機に発生した異常軸スラストは, 流れ現象により引き起こされる流体力で, ランナ背面流れ, あるいはランナ入口 出口流れのいずれかにおける異常流動が原因と考えられた すなわち, 以下の項目のいずれかが, 上向き軸スラストの原因と考えられる ランナ背面流れの非定常性 ( 急激な回転速度変化に対する速度場形成の時間オクレ ) ランナ入口流れおよび出口流れの特異な挙動 ランナ背面流れの周方向不均一性ランナ背面の非定常性については, 円板が容器内で回転始動し,1 s および 5 s で定常回転に達する場合のセンターコアの周速度比 (: 定常角速度 ), また圧力分布 98

2 を積分した無次元流体力を理論的 実験的に検討した結果から, 円板の時々刻々の回転速度に速やかに追随し, 遅れはほとんどない この回転速度変化と比較すると, ポンプ水車の負荷遮断時の変化はゆっくりしているので, ランナ背面の速度場および圧力場は, 準定常として取り扱いうることが分かる また, 異常軸スラストが発生した葛野川 1 号機と背面形状が類似しているものの, 外側バランス管の配置対策を実施することで, 異常現象が発生しなかった神流川機との比較でもランナ背面の非定常性による原因とは考えられない ランナ入口流れおよび出口流れの特異な挙動という 2 つめの想定要因に対して, 新開発の解析手法により, 考えられる状況を想定した解析を行った結果, ガイドベーン閉鎖に伴うランナ入口に誘起される強い二次流れが原因としか考えられず, ランナ回転速度や入口圧力の急上昇, あるいはランナ出口における異常流動の発生が異常軸スラストの要因になる可能性はない これは, ガイドベーンの閉鎖に伴い, ランナ流れは低流量状態に突入するため, ランナ入口では主流がクラウン側に偏流して, バンド側に逆流を伴う大きなうず領域を形成するため, バンド側の圧力がクラウン側よりも多少高くなると考えられる 3 項目の可能性は, 水車よりも周方向不均一のポンプでの事象も無いことが報告されていることで, この可能性はない 異常軸スラストの解決は, 超高落差技術を定着させ, さらなる発展に向けた 2 つの開発研究とそのアンシラリーサービス向上につながる応用研究へと進展した 1 つめは, スプリッタランナの開発であり, 多翼化により,1 枚あたりの翼負荷は抑えつつ, 総翼負荷を高めることができるランナが完成した 標準翼とスプリッタブレードという 2 種の翼に対して, 如何に翼負荷配分を設定するか, それによってどれだけ多くの総翼負荷をかけつつ,1 枚あたりの翼負荷を下げることでどれだけの効果を得るかが, スプリッタランナの活用方法になる 効果は, 求める水力特性であり, 要求品質である 要求品質を明確にすることでランナの設計方針が決定される 本研究開発は, 電気事業者が電力自由化を向かえる中で, 電源, 電力系統および顧客を一体的に運用することの重要性も明確にしており, 同一設計者の基で, 電力系統と電源を管理できる新たな技術 設計の分野を作り上げた kw 価値の時代 に, スプリッタランナの開発 実用化が行われていれば, スプリッタブレードにも高い翼負荷を要求し, 最大出力のみを追求する従来ながらの方法が取られていたと思われる しかし, kw 価値 + 付加価値の時代 にスプリッタランナは, 要求品質を水力特性に変換できるツールを持つことで, さらに幅広い応用を持つランナとして定着 普及していくことが十分期待できる 99

3 次に, L Q G 制御とフィート フォワート 回路という独立した 2 つの制御系を持つアドバンストガバナの開発により, 出力の高速応答と水路系の安定という 2 つの相反する要求品質の両立を実現した これまで, プラントのモデル化が難しく, 制御誤差による収束しにくいシステムのため, 採用実績が乏しかった現代制御理論に基づく制御方式であったが, 解析およびモデルでの検証が高精度であったことで, 前例のない大型制御対象への採用となった また, 制御目的に忠実に応答することも確認でき, 安定性重視 ( サージング抑制 ) から応答性に重みを集中すれば, さらなる高速応答も可能である さらに, 電力系統からの要求品質変更が発生すれば, 水力発電所プラント総合解析システムによる解析で制御変数の重み付けを調整し, 全く異なる制御応答に変更も出来る 電力自由化が拡大していく中で,IPP や PPS の参入により, アンシラリーサービスは, 今後いろいろな形で変化していくと思われるが, 幅広いシステム調整能力を持つアドバンストガバナは, それら変化に追従し, 的確なアンシラリーサービスを提供できるであろう スプリッタランナおよびアドバンストガバナの開発とその応用研究をアンシラリーサービスを視野に入れて進めたことで, 本設計手法を効果的に利用できるようになった 1 次流れ計算による翼形状計算システムでは, 多翼化の要素を計算システムに組み込むことで, 揚程特性を羽根枚数とランナ外径で, 水車性能を入口角度を寝かせて, 不足する揚程を羽根枚数で補い, 揚程確保と水車効率向上を同時実現出来るなど, 変数の追加により要求品質から求める水車特性作成への道のりが短縮できた また, 水力発電所プラント総合解析システムでは, 負荷遮断結果の解析 ( 電力系統モデル不要 ) を始め, 系統モデルが必要な負荷急増試験の解析や小規模電力系統におけるガバナ定数の妥当性評価など, 電力系統を含めた多面にわたる解析が実現できる さらに, 水力発電所の実運用に近い形態となる解析システムの完成で, 設計段階に限らず, 既設の揚水機の評価や要求品質変更に伴う仕様の変更等が可能となった 100

4 最後に供給義務を課せられ, 守られてきた電力会社は, 電力自由化と言う翼を受けて, 大きく旅立つ時を迎えた これまで評価を受けにくかった揚水発電所が持つ多くの付加価値機能 技術が電力自由化により, その力を発揮しつつある 原子力を基盤とし長期の安定供給 ( 燃料の供給, 契約面 ) が見込める L N G で安定的な電力と電力量を供給し, そして揚水は, 多彩な能力を発揮して電力の品質を維持し続ける, このベストな組み合わせに進化を加え続けることで国内の電力供給事業の発電プラント技術は, 維持されるであろう また, 出力調整を行っている石炭火力の代替として揚水の開発が急ピッチで進められている中国等, 発展を続ける東南アジア諸国からの揚水技術受け入れ要望は高まる一方である かっては, 揚水技術の輸入国であった日本は, 技術開発と建設 運営実績で欧米よりも遙かに高い技術を持ち, 輸出国へと転換した 東京電力 4 0 年の揚水開発の歴史に加わって約 2 5 年, これまでに 超高落差ポンプ水車ランナの開発 可変速揚水発電システムの開発 スプリッタランナの開発 アドバンストガバナの開発等の頂点に立つ技術開発に携わってきたが, これを集大成とするユーザ技術の必要性を強く感じていた ユーザ技術とは何か, 何をすればいいのかを考えると, 各々に高い技術を発揮している大学関係者や電力産業界の技術者が得意としていない分野である技術と技術の隙間を埋める技術,( これをハイドロエレクトロニクスと位置づけるとする ) 卓越したハイドロエレクトロニクスを修得し, 開拓することが非常に重要である 大型プラント ( プロジェクト ) になればなるほど, 技術の隙間は広がり, 専門技術者間の技術整合は薄れ, 後工程での再コストの発生などプロジェクトの継続に支障を来しかねない課題の発生も危惧される 互いの技術を理解し, 互いに技術提案をすることで隙間のない一体感のあるプロジェクトを形成できる 著者は, 電気事業者の一員として, これまで携わった技術開発を知識ベースとして, それらを応用し, 隙間を埋める設計手法を開発することで, より高いアンシラリーサービスを顧客に提供することできると考えている 電気事業者の強みは, 当然運営実績である 現場では実機による検証試験を常時行っているに等しい状況にある また, 個別の高度技術の検証ではなく, 商用の複合技術の総合検証である 高まる要求品質に十分満足できる素材を持つ揚水技術が確立する中で, それらを 101

5 的確に高レベルで引き出す技術を確立することが, 今後の進路を見定める上で非常 に重要な KeyPoint となる 本研究が成果を発揮するには, 電力事業に従事する技術者の技術レベルを常に高 く保たたなければならず, 企業として教育スキームの充実が必須である 今後も継 続して研究開発を続けつつ, 後継の育成にも努めていきたい 最後に, 葛野川 1 号機での異常現象発生から異常現象解明の研究完了まで, さら には浅く広い本研究に対する研究者のあり方等のご指導いただいた指導教官の横 浜国立大学黒川教授, 研究に際し技術データをご提供いただいた東芝 ( 株 ) 松本貴 與志様, 三菱重工業 ( 株 ) 宮川和芳様, 本論文の根幹を形成している 2 つの論文の 共著者の方々および本研究の特徴の一つである全研究の検証を行った神流川発電 所におけるデータの収集 分析にご協力いただいた東京電力 ( 株 ) 神流川水力建設 所の発電設備総責任者である森島章様に対して, 厚く御礼を申し上げます 102

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