入口弁の試験に立ち会ったものの、なぜ開くときと閉じるときで仕組みが違うのかが分からない。閉鎖速度の調整に時間をかける理由も掴めない。
開くときは油圧、閉じるときは重錘。この非対称には理由があります。
入口弁は何をする弁か
入口弁は、水圧管路から水車へ入る水を止めるための弁です。水車のすぐ手前に付いています。
役割は単純で、水車へ水を送るか、遮断するかの2択です。出力の調整はニードルやガイドベーンが受け持つので、入口弁は開けるか閉めるかしかしません。
それでも重要なのは、これが水車へ流れ込む水を止められる最後の砦だからです。点検で水車を空にするときも、異常時に水を止めるときも、この弁が閉まらなければ話が始まりません。
そのため入口弁の動作試験は、無水試験の単体試験でも重要な項目として扱われます。試験工程の全体像は無水試験とはで整理しています。
入口弁は流量を調整する弁ではありません。出力を絞るのはガイドベーンやニードルで、入口弁は水を止めるための弁です。
開は油圧、閉は重錘
入口弁の駆動方式は設備によって異なります。ここでは私が担当した設備を例に見ていきます。
この弁は、開くときと閉じるときで動力源が分かれていました。
開くときは油圧です。電磁弁が動作し、その油圧で弁を押し開けます。油圧は100 bar（10 MPa）でした。
閉じるときは重錘（ウエイト）です。錘の自重だけで閉まります。動力を使いません。
なぜ閉じるほうは重錘なのか
ここがこの弁の設計思想です。電源や油圧を失っても、確実に閉まる必要があるからです。
考えてみてください。停電したとき、油圧ポンプが止まったとき、制御回路が故障したとき。そうした状況こそ、水を止めなければならない場面です。もし閉じる動作にも動力が要るなら、動力を失った瞬間に水を止める手段がなくなります。
重力は止まりません。だから閉じる側だけは、何があっても働く力に任せてあります。
この「異常時に安全な側へ倒れる設計」をフェイルセーフといいます。入口弁にとって安全な側とは、閉まることです。同じ考え方は保護装置の各所に出てきます。
閉鎖速度の調整とウォーターハンマー
閉じる力が重錘の自重なら、速度はどう決まるのか。ここで効いてくるのが油圧回路の絞りです。
弁が閉じるとき、シリンダー内の油は押し出されます。この油の通り道に絞りを入れておけば、油が抜ける速さが制限され、その分だけ弁の動きも遅くなります。絞りの開度を変えて油量を調整することで、開閉速度を狙った値に合わせます。
速く閉めすぎるとどうなるか
答えは水撃作用、いわゆるウォーターハンマーです。
水圧管路の中では、大量の水が勢いよく流れています。この流れを急に止めると、行き場を失った水の運動エネルギーが圧力に変わります。結果として管路内の水圧が跳ね上がり、鉄管や機器を傷めます。
だから閉鎖速度の調整は、単なる「動作確認」ではありません。管路を守るための設定作業です。速く閉めれば異常時に早く水を止められますが、速すぎれば管路を壊します。この折り合いをつけた値が、設計で決められています。
ペルトン水車でニードルをゆっくり閉じ、その間の水をデフレクタで逸らすのも同じ理由です。この仕組みは水車発電機の停止区分の記事で触れています。
閉鎖時間が設計値より短いのは「余裕がある」のではありません。この項目は、速すぎるほうが危険です。
開閉時間測定とリミットスイッチの確認
速度調整が終わったら、確認に移ります。
開閉時間測定
全開から全閉、全閉から全開までにかかる時間を実測します。設計値の範囲に収まっているかを見ます。
この数値は、その場の合否判定だけのものではありません。次回以降の点検で比較する基準になります。同じ弁の閉鎖時間が年々延びていれば、油圧回路の詰まりや機構部の抵抗増加が疑えます。記録として残す意味はここにあります。
リミットスイッチ（近接センサ）の動作確認
入口弁が全開なのか全閉なのかは、リミットスイッチで検出しています。近接センサが使われることが多く、弁の位置が所定の点に達すると信号を出します。
確認するのは、実際に弁が全開・全閉に達したタイミングで信号が出るかどうかです。ここがずれていると、弁は閉まっているのに制御盤上は「閉まっていない」ままになり、シーケンスが次へ進みません。あるいはその逆に、閉まりきっていないのに閉信号が出れば、水が残ったまま次の工程へ進むことになります。
弁そのものが正常に動いても、位置の検出がずれていれば設備としては機能しません。
バイパス弁の役割と試験
入口弁と並んで試験するのがバイパス弁です。
なぜバイパス弁が要るのか
入口弁を閉めた状態では、弁の上流側に水圧がかかり、下流側は空です。この状態で入口弁をいきなり開けようとすると、開きはじめのわずかな隙間に大きな差圧がかかり、水が猛烈な勢いで吹き抜けます。
ここで傷むのがパッキンです。弁が全開になるまでの短い時間、シール面はこの高速の水流にさらされ続けます。これを毎回繰り返せばパッキンは削れ、やがて水漏れにつながります。差圧が大きいぶん、開けるのに余計な力が要るという問題もあります。
そこで先にバイパス弁を開き、細い経路から下流側へ水を回して圧力を釣り合わせます。差圧がなくなってから入口弁を開ければ、水は勢いよく流れず、シール面を痛めずに済みます。開ける順番が決まっているのは、この理由からです。
電動弁としての試験
私が担当した設備のバイパス弁は、24 Vの電動バルブでした。入口弁と違って油圧ではなく、モーターで動きます。
試験項目は開閉時間の測定に加えて、電圧と電流の測定です。
電流を測る理由は、モーターにかかっている負荷が読み取れるからです。機構部に固着や噛み込みがあれば、モーターは余計な力を出そうとして電流が上がります。目で見て動いていても、電流値が普段より高ければ、内部で何かが渋っているということです。
なお、バイパス弁は製品仕様で動作速度が決まっているため、入口弁のような調整項目はありません。仕様どおりに動いているかを確認するだけです。
バイパス弁も、動いたことだけで終わりにせず、動作時の電流値を記録しておきます。
まとめ
入口弁の試験は、水を止める最後の手段が確実に働くかを確かめる作業です。
- 動力を失っても閉まる設計：重錘式はそのための構造。開くときの油圧とは動力源を分けている
- 閉鎖速度の調整：速すぎればウォーターハンマーで管路を傷める。管路を守るための設定
- 開閉時間測定：合否判定であると同時に、次回点検との比較基準になる
- リミットスイッチの確認：弁が動くことと、位置が正しく検出されることは別
- バイパス弁：差圧をなくしてから入口弁を開き、パッキンを守るための弁。電流値に異常が出ないかを見る
仕組みの理由まで押さえておくと、調整で何を守ろうとしているのかが見えてきます。
関連記事：無水試験とは｜水力発電所で水を通す前に行う試験の全体像／水車発電機の停止区分／スピードセンサーの試験方法
ガイドベーンの閉鎖速度は、負荷遮断時の速度上昇と水圧上昇を左右します。その関係は負荷遮断試験とはにまとめました。
閉鎖速度そのものを、水を通す前の無水の段階でどう測り、設計値に入らないときにどう調整するかは、調速機（GOV）の動作試験｜無水で確認する項目とガイドベーン開閉速度の調整にまとめています。
入口弁が全閉するタイミングで水圧が上がることがあります。その原因と対策は故障停止試験とはで解説しています。
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