《電力・管理》〈水力〉[H28:問1]水力発電の部分負荷運転における水車効率の向上策に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

水力発電所の部分負荷運転時における水車効率の向上策に関して，次の問に答えよ。

(1)　ペルトン水車の運用方法による部分負荷運転時の水車効率の向上策について説明せよ。

(2)　クロスフロー水車について，部分負荷運転時の水車効率を向上させる目的で設置する設備の特徴とともにその運用方法を説明せよ。

(3)　カプラン水車や斜流水車の運用方法による部分負荷運転時の水車効率の向上策について説明せよ。

【ワンポイント解説】

各水車の特性や構造を理解していることを前提として出題されています。主な水車の構造は理解しておくようにしましょう。

1.ペルトン水車
　ペルトン水車は下図に示すように主にノズル，ニードル，ランナ等から構成され，ノズルから水を噴射し，ランナを回転させます。水量は主にニードルで調整します。水車の分類としては衝動水車となります。

出典：長野県ＨＰ

2.クロスフロー水車
　クロスフロー水車もペルトン水車と同様衝動水車の一種であり，下図の左側から流入した水がランナに当たって回転します。流量はガイドベーンでコントロールします。

出典：長野県ＨＰ

3.カプラン水車
　カプラン水車は反動水車に分類され，衝動水車とは構造が異なります。カプラン水車は下図のような構造であり，ガイドベーンとランナの羽根の開度で出力を調整します。

出典：長野県ＨＰ

【解答】

(1)ペルトン水車の運用方法による部分負荷運転時の水車効率の向上策
(ポイント)
・ペルトン水車は，ニードルにより流量を変化させるが，噴射水の方向が変わらないので，軽負荷になっても大きく効率は低下しない。
・ニードルの絞り損失が大きくなる場合は，噴射ノズル数を減らす。
(試験センター解答例)
ペルトン水車では，ノズルの使用射数を減らす又はニードルを絞ることで，流速を維持し，部分負荷での効率を高めている。

(2)クロスフロー水車について，部分負荷運転時の水車効率を向上させる目的で設置する設備の特徴とともにその運用方法
(ポイント)
・クロスフロー水車はガイドベーンで流量を調整する。
・ガイドベーンを２枚で使用する時は，1/3幅，2/3幅の小，大のガイドベーンで構成し，負荷により使用するガイドベーンの大きさと枚数を変化させる。
(試験センター解答例)
クロスフロー水車では，ガイドベーンを二枚として，流量の減少に合わせて，二枚，一枚のみ使用と変更していくことにより，流量に応じた部分負荷での効率を高めている。また，ガイドベーンを大小の二分割構成で設置し，大小両方，大のみ，小のみ使用と変更していくことにより，流量に応じた部分負荷での効率を高めている。

(3)カプラン水車や斜流水車の運用方法による部分負荷運転時の水車効率の向上策
(ポイント)
・カプラン水車や斜流水車は，フランシス水車と異なり，ガイドベーンと合わせ，ランナベーンの開度を調整することができる。
・フランシス水車に比べると最高効率は低いが，部分負荷効率が高くなる。
(試験センター解答例)
カプラン水車や斜流水車では，ガイドベーンと連動してランナベーンの開度を調整することで，部分負荷での効率を高めている。