JP2001303969A - ガスタービン内部機器の監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】運転中のガスタービン内部機器の高温腐食や高
温酸化状況、動・静翼の遮熱コーティングの状態等を連
続的に監視することのできるガスタービン内部機器の監
視装置を提供する。 【解決手段】運転中のガスタービン内部機器の高温部に
取り付けられガスタービン内部機器と同様あるいは近似
の酸化腐食を受ける監視センサ１と、ガスタービンの外
部に設置されリード線２を介して前記監視センサに接続
された計測装置３とを備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガスタービン内部機
器の監視装置に係り、発電所等において運転中のガスタ
ービンの内部機器の構造部材の高温腐食や高温酸化状
態、燃焼器及び動・静翼遮熱コーティング層の健全性等
を計測し監視するガスタービン内部機器の監視装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】発電用ガスタービンは近年、排熱回収ボ
イラ及び蒸気タービンと組み合わせた高効率コンバイン
ド発電プラントの主要機器として使われている。ガスタ
ービンは圧縮機、タービン、燃焼器、タービン翼を主要
素として軸受やケーシング等から構成されるが、ガスタ
ービンの熱効率を向上させる最大の要因は入口ガス温度
の上昇にあるため、その取扱い温度は年々上昇しつつあ
る。

【０００３】このような状況に対応して、新合金材料の
開発が進められているが、ガスタービンの動・静翼、遮
熱コーティング翼、燃焼器等の機器は高温燃焼ガスに直
接曝されるので、高温腐食や高温酸化など機器が受ける
損傷は防ぐことができない。

【０００４】高温腐食や高温酸化の発生に対して、従来
の技術としては、定期的にプラントの運転を停止し、点
検調査及び部品交換を行っているが、運転中の腐食状況
は把握することができず、従来の調査結果や経験から推
測するしかない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の点検調査におい
ては、ガスタービン内部機器の高温腐食や高温酸化、動
・静翼の遮熱コーティングの状態等を連続的に監視する
装置あるいは方法がなく、従来の経験から推測してプラ
ントの安全管理や寿命診断を行っているが、不十分であ
る。特に最近の火力プラントガスタービンの損傷は、高
温腐食や高温酸化によるものが多く、プラントの安全管
理や寿命診断に対する関心が高まっている。

【０００６】本発明はこのような問題を解決するために
なされたものであり、運転中のガスタービン内部機器の
高温腐食や高温酸化状況、動・静翼の遮熱コーティング
の状態等を連続的に監視することのできるガスタービン
内部機器の監視装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、運転
中のガスタービン内部機器の高温部に取り付けられガス
タービン内部機器と同様あるいは近似の酸化腐食を受け
る監視センサと、ガスタービンの外部に設置されリード
線を介して前記監視センサに接続された計測装置とを備
えた構成とする。

【０００８】本発明によれば、直接かつ連続的に運転中
のガスタービン内部機器の酸化腐食状態を監視すること
ができ、ガスタービン内部機器の損傷状況を事前に把握
し、プラントの安全運転を確保することに有効である。

【０００９】請求項２の発明は、監視センサは、高温燃
焼ガスに表面を曝されて耐高温絶縁体中に埋設されたガ
スタービン内部機器の構造材料からなる被検体を備え、
計測装置は、前記被検体の表面に平行の方向の電気抵抗
を測定する構成とする。

【００１０】本発明によれば、監視センサを用いること
によって、ガスタービン内部構造部材の高温腐食や高温
酸化状況、燃焼器及び動・静翼遮熱コーティング層の健
全性等を評価することができる。

【００１１】本発明によれば、ガスタービン構造部材が
被検体として用いられ、高温中で酸化し、結晶構造が変
化する。ガスタービン動・静翼の場合、Ｎｉ，Ｃｒ，Ａ
ｌ，Ｍｎ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｆｅ等の元素を含む合金が
使われることが多く、高温環境中で上記元素は以下のよ
うに酸化される。 Ｎｉ＋Ｏ →ＮｉＯ Ｃｒ＋Ｏ →Ｃｒ₂Ｏ₃ Ａｌ＋Ｏ →Ａｌ₂Ｏ₃ ｘＭｎ＋ｙＯ →Ｍｎ_xＯ_y Ｔｉ＋Ｏ →ＴｉＯ₂ Ｗ＋Ｏ →ＷＯ₃ Ｍｏ＋Ｏ → ＭｏＯ₃ Ｆｅ＋Ｏ →Ｆｅ₂Ｏ₃

【００１２】また、金属酸化物は以下のような複合酸化
物の形で存在することも考えられる。 ＮｉＣｒ₂Ｏ₄，ＮｉＡｌ₂Ｏ₄，ＭｎＣｒ₂Ｏ₄，ＮｉＴｉ
Ｏ₃等 金属より金属酸化物の方が電気抵抗が大きく、被検体表
面に生成した酸化物皮膜が厚くなると、被検体の金属断
面積が減少し、金属酸化物断面積が増加し、被検体全体
の電気抵抗が増大する。また、高温腐食や酸化物皮膜の
剥離によって被検体は減肉し、断面積の縮小によって電
気抵抗が大きくなる。したがって、被検体にリード線を
接続して、外部に設置した計測装置と電気回路を作り、
電流を流すことによって、被検体の電気抵抗を連続的に
監視することができ、高温腐食や高温酸化の進行状況を
判断することができる。

【００１３】このように請求項２の発明によれば、監視
センサに監視対象となるガスタービン内部機器の材料か
らなる被検体を埋め込み、その電気抵抗の変化から高温
腐食や高温酸化の進行状態を外部で監視・計測し、その
結果からガスタービン内部機器の損傷状況をオンライン
で把握することができる。

【００１４】請求項３の発明は、監視センサは、耐高温
絶縁体中に埋設された温度センサと、ガスタービン内部
機器の遮熱コーティング層と同じ材質からなり前記温度
センサの表面を覆って高温燃焼ガスに曝される遮熱コー
ティング層とを備え、計測装置は前記温度センサによっ
て検出される温度を計測する構成とする。

【００１５】本発明によれば、監視センサが温度センサ
を有し、その温度センサの先端部は監視センサ表面から
露出している。さらに温度センサ先端部にはガスタービ
ン燃焼器、動・静翼遮熱コーティング層と同じように遮
熱コーティング層を設け、ガスタービン内部機器と同じ
ように高温流れガスに曝される。

【００１６】温度センサ先端部に付着している遮熱コー
ティング層は運転時間とともに薄くなり、剥離すると、
コーティング層の遮熱保護性が低下し、遮熱コーティン
グ層の下に伝達した温度が上昇し、温度センサはその変
化を感知することができる。

【００１７】このように請求項３の発明によれば、ガス
タービン燃焼器、動・静翼の遮熱コーティング層の減り
具合を遮熱コーティング層を設けた温度センサによって
感知し、外部に設置した計測・解析装置によって遮熱コ
ーティング層の健全性を評価することができる。

【００１８】ここで、監視センサの基材は耐高温、耐エ
ロージョン・コロージョン性及び絶縁性の良いセラミッ
クス材料等を使用する。また、温度センサは耐高温、ほ
とんど酸化しない材料、合金、セラミックス系材料、例
えば白金系材料、合金等を使用する。また、リード線は
耐高温、導電率の良い金、白金、銀あるいはそれらの合
金を使用するものとする。

【００１９】このようにすると、監視センサ中に被検体
と温度センサをともに設けた場合にも相互に絶縁され、
電気的な干渉をなくすことができる。また、監視センサ
は耐高温、耐エロージョン・コロージョン性の良い材料
を使用することによって、高温環境中及び高速燃焼ガス
流れ中で長期間使用することができる。

【００２０】請求項４の発明は、ガスタービンの静翼内
部に監視センサの設置孔を設け、この設置孔にタービン
ガスを導入するガス導入孔を静翼腹側に設け、排出孔を
静翼の背側に設け、監視センサの表面がタービンガスに
曝されるように設置した構成とする。

【００２１】本発明によれば、ガスタービンの静翼内部
に監視センサを設置することによって、より接近した稼
働環境中で動・静翼部の高温腐食や高温酸化、動・静翼
遮熱コーティング層の健全性を評価し、高精度の寿命評
価を行うことができる。

【００２２】請求項５の発明は、ケーシングの内側に貫
通孔を設け、監視センサを前記貫通孔に装着した構成と
する。この発明によれば、ガスタービン動・静翼部位の
ケーシング部に監視センサの設置部位を設け、より接近
した稼働環境中で動・静翼の高温腐食や高温酸化、動・
静翼遮熱コーティング層の健全性を計測し監視すること
ができる。

【００２３】請求項６の発明は、監視センサは燃焼器内
部または燃焼器燃焼ガスの出口側に設置した構成とす
る。この発明によれば、リード線を介して外部で、ガス
タービン燃焼器内面や出口の高温腐食や高温酸化の状況
及び遮熱コーティング層の健全性をオンラインで監視し
計測することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
〜図９を参照して説明する。本実施の形態のガスタービ
ン内部機器の監視装置は、図１に示すように、ガスター
ビンの内部に設けた監視センサ１と、この監視センサ１
とリード線２によって接続されガスタービンの外部に設
けた計測装置３及び解析装置４によって構成される。

【００２５】監視センサ１は耐高温絶縁体５の中に埋設
された被検体６と、温度センサ７、この温度センサ７の
表面を覆う遮熱コーティング層８及び被検体６と温度セ
ンサ７に接続されたリード線２によって構成される。

【００２６】監視センサ１は直径10mmあるいは10mm以上
の円柱の形状を持つ。監視センサ１の基材は耐高温、耐
エロージョン・コロージョン性及び絶縁性の良いセラミ
ックス材料等を使用する。温度センサ7は耐高温、ほと
んど酸化しない材料、合金、セラミックス系材料、例え
ば白金系材料、合金等を使用する。表面に遮熱コーティ
ング層８を施した温度センサ７を平行して監視センサ１
中に埋め込む。また、リード線２は耐高温で導電性の良
い金、白金、銀あるいはそれらの合金を使用する。

【００２７】以上のような構成の監視センサ１によって
ガスタービン内部機器の高温腐食と高温酸化を計測し監
視する作用を次に説明する。すなわち、図２に示すよう
に、高温雰囲気中の被検体６の表面は酸化され、ガスタ
ービン運転時間の累積とともにその酸化物皮膜９が厚く
なる。金属より金属酸化物の方が電気抵抗が大きいの
で、被検体６表面に生成した酸化物皮膜９が厚くなる
と、被検体６の金属の断面積が減少し、金属酸化物の断
面積が増加し、被検体６全体の電気抵抗が増大する。し
たがって、被検体６とリード線２、及びリード線２を介
して外部に設置した計測装置３とで電気回路を作り、電
流を流すことによって、被検体６の電気抵抗を連続的に
計測する。こうしてガスタービン高温機器の酸化を監視
することができる。

【００２８】図３に、被検体６の酸化物皮膜９の成長と
電気抵抗との関係を示す。図３に示すように、ガスター
ビン外部に設置した計測装置３で測定した被検体６の電
気抵抗がある限界値に達すると、酸化物皮膜の厚さが限
界厚さに達しガスタービン内部機器の使用寿命であると
判断することができる。

【００２９】次に温度センサ７について説明する。すな
わち、図４に示すように、ガスタービンの燃焼器や動・
静翼の遮熱コーティング層の健全性を監視するために、
監視センサ１の耐高温絶縁体５に埋設した温度センサ７
の先端の表面にガスタービンの燃焼器や動・静翼の遮熱
コーティング層と同じ遮熱コーティング層８を設ける。
この遮熱コーティング層８は運転時間とともに薄くな
り、遮熱保護性が低下することにより、遮熱コーティン
グ層８の下の温度センサ７に伝達する温度が上昇する。
温度センサ７でそれを測定し、外部に設置した計測装置
３と解析装置４によって遮熱コーティング層８の低減量
を算出し、ガスタービン内部機器の遮熱コーティング層
の寿命を推定する。

【００３０】遮熱コーティング層８の厚さと遮熱コーテ
ィング層８の下の温度センサ７に伝達する温度との関係
は図５のようになる。すなわち、図５に示すように、遮
熱コーティング層８が運転時間の累積とともに薄くな
り、剥離すると、遮熱コーティング層８の下の温度セン
サ７に伝達する温度がある限界温度を超え、これによっ
てガスタービン内部機器の使用寿命と判断する。

【００３１】次に、監視センサ１の設置部位について説
明する。すなわち図６に示すように、ガスタービンの静
翼10、ケーシング20及び燃焼器30に設置し、燃焼器及び
動・静翼の高温腐食や高温酸化と遮熱コーティング層の
健全性を監視する。

【００３２】図７は、ガスタービンの静翼10における監
視センサ１の設置部位を示す図である。すなわち、ガス
タービンの静翼10の内部に空気冷却孔11がある場合に
は、その空気冷却孔11に監視センサ１を挿入する。ま
た、静翼腹側に流入するタービンガスを空気冷却孔11内
に導入するガス導入孔12、並びにこのガス導入孔12から
入ったタービンガスを排出するために、静翼の背側にガ
ス排出孔13を設ける。こうして監視センサ１の表面がタ
ービンガスに曝されるようにする。

【００３３】静翼10の内部に空気冷却孔がない場合に
は、ガスタービンの静翼内部に監視センサ設置孔を設
け、この監視センサ設置孔にタービンガスを導入する導
入孔と排出する排出孔を設け、監視センサ１の表面がタ
ービンガスに曝されるようにする。

【００３４】ケーシング20における監視センサ１の設置
は図８に示すようにする。すなわち、ガスタービンのケ
ーシング内側21等の部位の１ヶ所あるいは数ヶ所に貫通
孔22を設け、監視センサ１をそれらの貫通孔22に挿入
し、タービンガスの流れを乱さないように、かつ監視セ
ンサ１表面がケーシング内側21と一致するように設置す
る。また、固定密閉部23によって監視センサ１を固定し
て密閉し、監視センサ１から得る信号をリード線２を介
して外部に設置した計測装置３へ取り込む。

【００３５】燃焼器30における監視センサ１の設置は図
９に示すようにする。すなわち、燃焼器30のインピンジ
メントスリープ31及びトランジショウピース本体32の壁
または燃焼器出口33に１ヶ所あるいは数ヶ所の貫通孔34
を設け、監視センサ１をそれらの貫通孔34に挿入し、タ
ービンガスの流れを乱さないように、かつ監視センサ１
表面が燃焼器内面35と一致するように設置する。また、
固定密閉部36によって監視センサ１を固定して密閉し、
監視センサ１から得る信号をリード線２を介して外部に
設置した計測装置３へ取り込む。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、ガスタービンの静翼、
ケーシングあるいは燃焼器に監視センサを取り付け、ガ
スタービン内部機器の酸化や腐食の状況を外部で計測し
て解析し、運転中のガスタービン内部機器の寿命をオン
ラインで連続的に評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のガスタービン内部機器の
監視装置の構成を示す図。

【図２】本発明の実施の形態における被検体の作用を説
明する図。

【図３】被検体酸化物皮膜の成長と電気抵抗との関係を
示す図。

【図４】本発明の実施の形態における温度センサの作用
を説明する図。

【図５】遮熱コーティング層の減肉深さと温度センサに
伝達する温度との関係を示す図。

【図６】ガスタービンにおける監視センサの設置部位を
示す図。

【図７】静翼における監視センサの設置部位を示す図。

【図８】ケーシングにおける監視センサの設置部位を示
す図。

【図９】燃焼器における監視センサの設置部位を示す
図。

【符号の説明】

１…監視センサ、２…リード線、３…計測装置、４…解
析装置、５…耐高温絶縁体、６…被検体、７…温度セン
サ、８…遮熱コーティング層、９…酸化物皮膜、10…静
翼、11…空気冷却孔、12…ガス導入孔、13…ガス排出
孔、20…ケーシング、21…ケーシング内側、22…貫通
孔、23…固定密閉部、30…燃焼器、31…インピンジメン
トスリープ、32…トランジションピース本体、33…燃焼
器出口、34…貫通孔、35…燃焼器内面、36…固定密閉
部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 晃則 東京都府中市東芝町１番地 株式会社東芝 府中事業所内 (72)発明者 藤山 一成 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 木村 和成 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 運転中のガスタービン内部機器の高温部
   に取り付けられガスタービン内部機器と同様あるいは近
   似の酸化腐食を受ける監視センサと、ガスタービンの外
   部に設置されリード線を介して前記監視センサに接続さ
   れた計測装置とを備えたことを特徴とするガスタービン
   内部機器の監視装置。
2. 【請求項２】 監視センサは、高温燃焼ガスに表面を曝
   されて耐高温絶縁体中に埋設されたガスタービン内部機
   器の構造材料からなる被検体を備え、計測装置は、前記
   被検体の表面に平行の方向の電気抵抗を測定することを
   特徴とする請求項１記載のガスタービン内部機器の監視
   装置。
3. 【請求項３】 監視センサは、耐高温絶縁体中に埋設さ
   れた温度センサと、ガスタービン内部機器の遮熱コーテ
   ィング層と同じ材質からなり前記温度センサの表面を覆
   って高温燃焼ガスに曝される遮熱コーティング層とを備
   え、計測装置は前記温度センサによって検出される温度
   を計測することを特徴とする請求項１記載のガスタービ
   ン内部機器の監視装置。
4. 【請求項４】 ガスタービンの静翼内部に監視センサの
   設置孔を設け、この設置孔にタービンガスを導入するガ
   ス導入孔を静翼腹側に設け、排出孔を静翼の背側に設
   け、監視センサの表面がタービンガスに曝されるように
   設置したことを特徴とする請求項１記載のガスタービン
   内部機器の監視装置。
5. 【請求項５】 ケーシングの内側に貫通孔を設け、監視
   センサを前記貫通孔に装着したことを特徴とする請求項
   １記載のガスタービン内部機器の監視装置。
6. 【請求項６】 監視センサは燃焼器内部または燃焼器燃
   焼ガスの出口側に設置したことを特徴とする請求項１記
   載のガスタービン内部機器の監視装置。