過去問一覧第二種電気主任技術者2022年度 電力・管理調整池式水力発電所の負荷曲線に基づくピーク・オフピーク出力計算
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調整池式水力発電所の負荷曲線に基づくピーク・オフピーク出力計算

水力
第二種電気主任技術者 2022年度 電力・管理 問1

調整池式の水力発電所の運用に関して,次の問に答えよ。

有効貯水量180×103 m3 180\times 10^{3} \ \mathrm {m^{3}} の調整池を有する有効落差60 m 60 \ \mathrm {m} の水力発電所がある。自然流量が20 m3/s 20 \ \mathrm {m^{3} / s} であるとき,図に示す負荷曲線で運転した場合のピーク負荷時の出力[kW] \mathrm {[kW]} 及びオフピーク負荷時の出力[kW] \mathrm {[kW]} を求めよ。ただし,年間を通して毎日同様の運転を繰り返すものとし,調整池は最大限活用し,オフピーク負荷時には越流させないこととする。

なお,水車と発電機の合成効率は,ピーク負荷時出力で85 % 85 \ \mathrm {%} ,オフピーク負荷時出力で80 % 80 \ \mathrm {%} とする。

また,発電機の定格出力はピーク負荷を十分供給できるものとする。

問題図

解説

問題の概要とポイント

調整池をもつ水力発電所において、1日の負荷パターン(負荷曲線)に応じて発電を行う際のピーク負荷時出力およびオフピーク負荷時出力を求める計算問題です。

攻略のための基本事項は以下の2点です。

  • 調整池の水量収支(物質収支):越流させず毎日同一運用を繰り返すため、「オフピーク時に貯めた水量」と「ピーク時に補給した水量」がともに調整池の有効貯水量 180×103 m3180 \times 10^3 \ \mathrm{m^3} に一致します。
  • 水力発電所の発電出力公式: P=9.8QHη[kW]P = 9.8 Q H \eta \quad [\mathrm{kW}] (QQ:使用水量 [m3/s][\mathrm{m^3/s}]、HH:有効落差 [m][\mathrm{m}]、η\eta:合成効率)

ステップ1:負荷曲線からの運転時間の読み取り

与えられた負荷曲線のグラフ(

問題図
)より、各時間帯の継続時間を読み取ります。

  • ピーク負荷時間帯(16時〜22時): Tp=22−16=6 h=6×3 600=21 600 sT_{\mathrm{p}} = 22 - 16 = 6 \ \mathrm{h} = 6 \times 3\ 600 = 21\ 600 \ \mathrm{s}
  • オフピーク負荷時間帯(0時〜16時、および 22時〜24時): To=24−6=18 h=18×3 600=64 800 sT_{\mathrm{o}} = 24 - 6 = 18 \ \mathrm{h} = 18 \times 3\ 600 = 64\ 800 \ \mathrm{s}

ステップ2:各時間帯の使用水量(流量)の導出

自然流量を Q0=20 m3/sQ_0 = 20 \ \mathrm{m^3/s}、有効貯水量を V=180×103 m3V = 180 \times 10^3 \ \mathrm{m^3} とします。「調整池を最大限活用し、オフピーク時には越流させない」ことから、次が成り立ちます。

1. ピーク負荷時の使用水量 QpQ_{\mathrm{p}}

ピーク時は、自然流量 20 m3/s20 \ \mathrm{m^3/s} に加えて、調整池の有効貯水量の全量を 6 時間(21 600 s21\ 600 \ \mathrm{s})で使い切ります。調整池から取り出す追加流量は (Qp−20) [m3/s](Q_{\mathrm{p}} - 20) \ [\mathrm{m^3/s}] であるため、

(Qp−20)×21 600=180×103(Q_{\mathrm{p}} - 20) \times 21\ 600 = 180 \times 10^3 Qp−20=180 00021 600=253≈8.3333 m3/sQ_{\mathrm{p}} - 20 = \frac{180\ 000}{21\ 600} = \frac{25}{3} \approx 8.3333 \ \mathrm{m^3/s} Qp=20+253=853≈28.333 m3/sQ_{\mathrm{p}} = 20 + \frac{25}{3} = \frac{85}{3} \approx 28.333 \ \mathrm{m^3/s}

2. オフピーク負荷時の使用水量 QoQ_{\mathrm{o}}

オフピーク時は、自然流量 20 m3/s20 \ \mathrm{m^3/s} の一部を発電に使い、余剰分を 18 時間(64 800 s64\ 800 \ \mathrm{s})かけて調整池に蓄えます。貯水に回る流量は (20−Qo) [m3/s](20 - Q_{\mathrm{o}}) \ [\mathrm{m^3/s}] であるため、

(20−Qo)×64 800=180×103(20 - Q_{\mathrm{o}}) \times 64\ 800 = 180 \times 10^3 20−Qo=180 00064 800=259≈2.7778 m3/s20 - Q_{\mathrm{o}} = \frac{180\ 000}{64\ 800} = \frac{25}{9} \approx 2.7778 \ \mathrm{m^3/s} Qo=20−259=1559≈17.222 m3/sQ_{\mathrm{o}} = 20 - \frac{25}{9} = \frac{155}{9} \approx 17.222 \ \mathrm{m^3/s}

【確認:1日の水量収支】
1日の自然流入量:20×24×3 600=1 728 000 m320 \times 24 \times 3\ 600 = 1\ 728\ 000 \ \mathrm{m^3}
1日の発電使用総量:853×21 600+1559×64 800=612 000+1 116 000=1 728 000 m3\frac{85}{3} \times 21\ 600 + \frac{155}{9} \times 64\ 800 = 612\ 000 + 1\ 116\ 000 = 1\ 728\ 000 \ \mathrm{m^3}
自然流入量と使用総量が完全に一致しており、余剰や不足なく運用できていることが分かります。

ステップ3:各時間帯の発電出力の計算

有効落差 H=60 mH = 60 \ \mathrm{m}、各効率はピーク時 ηp=0.85\eta_{\mathrm{p}} = 0.85、オフピーク時 ηo=0.80\eta_{\mathrm{o}} = 0.80 です。

1. ピーク負荷時の出力 PpP_{\mathrm{p}}

Pp=9.8 Qp H ηp=9.8×853×60×0.85=9.8×85×20×0.85=14 161 kW≈14 200 kW(1.42×104 kW)\begin{aligned} P_{\mathrm{p}} &= 9.8 \, Q_{\mathrm{p}} \, H \, \eta_{\mathrm{p}} \\[5pt] &= 9.8 \times \frac{85}{3} \times 60 \times 0.85 \\[5pt] &= 9.8 \times 85 \times 20 \times 0.85 \\[5pt] &= 14\ 161 \ \mathrm{kW} \approx 14\ 200 \ \mathrm{kW} \quad (1.42 \times 10^4 \ \mathrm{kW}) \end{aligned}

2. オフピーク負荷時の出力 PoP_{\mathrm{o}}

Po=9.8 Qo H ηo=9.8×1559×60×0.80=9.8×155×20×0.803=24 3043≈8 101.3 kW≈8 100 kW(8.10×103 kW)\begin{aligned} P_{\mathrm{o}} &= 9.8 \, Q_{\mathrm{o}} \, H \, \eta_{\mathrm{o}} \\[5pt] &= 9.8 \times \frac{155}{9} \times 60 \times 0.80 \\[5pt] &= \frac{9.8 \times 155 \times 20 \times 0.80}{3} \\[5pt] &= \frac{24\ 304}{3} \approx 8\ 101.3 \ \mathrm{kW} \approx 8\ 100 \ \mathrm{kW} \quad (8.10 \times 10^3 \ \mathrm{kW}) \end{aligned}

結論

求める発電所の出力は以下の通りです。

ピーク負荷時の出力:約 14 200 kW14\ 200 \ \mathrm{kW} (14 161 kW14\ 161 \ \mathrm{kW})
オフピーク負荷時の出力:約 8 100 kW8\ 100 \ \mathrm{kW} (8 101.3 kW8\ 101.3 \ \mathrm{kW})