JP2004094626A - プラント機器の設計支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラントを構成する機器の故障リスクを考慮し、機器構造および材料を最適に選択して安全性を確保しつつライフサイクルコストを低減するプラント機器の設計支援装置を提供する。
【解決手段】プラント構成機器の設計要求入力手段１と、設計パラメータ設定手段２と、故障確率データベース４と、イベントシミュレーション手段３と、リスクコスト計算手段５と、設計適合判定手段６と、設計パラメータ変更手段７を有し、前記設計適合判定手段が設計要求を満たさないと判定した場合には、前記設計パラメータの変更値を前記イベントシミュレーション手段にフィードバックすることにより、再度イベントシミュレーションを行い、前記設計適合判定手段において設計条件に適合する最適な設計パラメータを選定し、その結果を用いて最適な設計条件を出力する設計指示手段８とをそなえたことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電プラントの蒸気タービンをはじめとするプラント機器において、リスク評価を基に構造を最適にする設計支援装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プラント機器の設計においては、材料の引張強度およびクリープ強度に対し安全率を付して設定した許容応力ベースでの判断に基づく構造決定が行われている。
【０００３】
【非特許文献１】
小林英男著，「リスクベースの工学／技術」材料科学，３７巻，第４号Ｐ．１７１〜Ｐ．１７７（１９８６）．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この設計法では、設計で想定された期間以降の使用可能期間は保証されず、また、期間内でも設計時に想定されない種々の運用上の要因から生じた事象に対して点検または事後補修が必要となる。設計時にこれらの運用上想定される事象を加味して、最適なプラントのライフサイクルコスト管理を実現する設計方法は未だ確立されていない。
【０００５】
さらに、先行プラントの実績を反映し、種々の事象の生起確率を基に最適な構造や材料を選択し、機器の設計に反映する方法は提供されていない。設計時点でリスクをコントロールするリスクコントロール設計の必要性が叫ばれている（例えば、上記非特許文献１）が、プラント機器の実際の設計にリスクコントロールを導入した手法またはシステムは実現されていない。
【０００６】
本発明は上述の点を考慮してなされたもので、プラントを構成する機器の故障リスクを考慮し、機器構造および材料を最適に選択して安全性を確保しつつライフサイクルコストを低減するプラント機器の設計支援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】
上記目的達成のため、本発明では、次のような装置を提供する。
【０００８】
請求項１に対応するプラント機器の設計支援装置は、プラントを構成する機器の設計要求情報の入力を促す設計要求入力手段と、設計要求入力情報を設計パラメータと運用条件に変換する設計パラメータ設定手段と、プラント機器に想定される故障事象イベントツリーと不信頼度関数とを予め対応付けて記憶した故障確率データベースと、設計要求入力手段で得られた設計パラメータ値と想定運用パターンとからプラントの全使用期間にわたる不信頼度関数を予測するイベントシミュレーション手段と、不信頼度に復旧コストを乗じてイベントツリーにしたがってリスクコストを計算するリスクコスト計算手段と、プラント運用による利得と故障による損失および保守管理に要するコストを設計要求と比較し設計条件への適合を判定する設計適合判定手段と、設計要求を満たさないと判定した場合には、設計パラメータを変更する設計パラメータ変更手段を介してイベントシミュレーション手段に設計パラメータ変更値をフィードバックすることにより、再度イベントシミュレーションを行い、設計適合判定手段において設計条件に適合する最適な設計パラメータを選定し、その結果を用いて最適な設計条件を出力する設計指示手段とから構成したことにより、安全性を確保しつつプラント運用利得が設計制約条件の中で最大になるように設計することができる。
【０００９】
請求項２に対応するプラント機器の設計支援装置は、故障確率データベースにおいて、不信頼度関数を設計要項に対応する設計パラメータを用いて関数化したものを予め記憶しておき、機器の運用の障害となる故障事象につきイベントツリーを予め作成して記憶しておくようにしたことから、設計パラメータを種々に変更させながら不信頼度およびリスクコストの最適値を探索することができ、最適値を決定することができる。
【００１０】
請求項３に対応するプラント機器の設計支援装置は、設計パラメータ変更手段における設計パラメータ変更の設定を、予め設計パラメータの変更パターンの組合せ数が最小となるように実験計画法を適用して行うようにしたことから、少ない試行で設計パラメータの最適化を行うことができる。
【００１１】
請求項４に対応するプラント機器の設計支援装置は、確率論的寿命評価手段を備えて、設計パラメータ設定手段の出力と、統計的材料データベースを基に確率論的寿命評価を行って不信頼度関数を故障確率データベースに付加するようにしたことから、機器部材の寿命を調整してリスクコストをコントロールする設計を行うことができる。
【００１２】
請求項５に対応するプラント機器の設計支援装置は、確率論的寿命評価手段において、寿命評価の対象とする評価項目を機器部材の変形、変位、き裂発生、き裂進展、破壊、損耗、摩耗、腐食、酸化、材料劣化、性能低下またはその喪失、機能低下またはその喪失としたことから、プラント機器の多岐にわたる事象に対するリスクコストをコントロールした設計を行うことができる。
【００１３】
請求項６に対応するプラント機器の設計支援装置は、設計パラメータ設定手段において、設計要求入力情報に基づき構造解析を行う構造解析手段の計算結果を基に設計パラメータを設定するようにし、設計パラメータ変更手段の代わりに構造変更手段を介して変更した構造について再度構造解析手段において構造解析を行い、最適な設計パラメータが得られるまで繰返すようにしたことから、リスクコストをコントロールした最適な構造設計を行うことができる。
【００１４】
請求項７に対応するプラント機器の設計支援装置は、構造変更手段における構造変更条件の設定において、予め設計パラメータの変更パターンの組合せ数が最小となるように実験計画法を適用して行うようにしたことから、少ない試行でリスクコストをコントロールした構造の最適化を行うことができる。
【００１５】
請求項８に対応するプラント機器の設計支援装置は、確率論的寿命評価手段を備え、構造解析手段の出力と統計的材料データベースを基に確率論的寿命評価を行って不信頼度関数を故障確率データベースに付加するようにしたことから、機器部材の構造と寿命を調整してリスクコストをコントロールする設計を行うことができる。
【００１６】
請求項９に対応するプラント機器の設計支援装置は、リスクコスト計算手段によるリスクコストとその事象を未然に防止する予防保全コストとの比較から予防保全実施計画を作成する予防保全計画手段と、予防保全実施にともない不信頼度を変化させて再度リスクコスト計算を行うリスクコスト補正手段と、リスクコスト補正結果と予防保全コストの和と運用による利得を比較して設計要求に対する適合性を判定する設計適合判定手段を具備するようにしたことから、設計時に保守管理計画を作成しながらリスクコストをコントロールする設計を行うことができる。
【００１７】
請求項１０に対応するプラント機器の設計支援装置は、予防保全計画手段において、プラント機器部材の補修、交換、材料改良、構造改良、性能改良、機能改良に対する項目に対して保守管理計画を作成し、保守管理によって影響をうける設計パラメータを変更するようにしたことから、保守管理計画を組込んでリスクコストをコントロールする設計を行うことができる。
【００１８】
請求項１１に対応するプラント機器の設計支援装置は、設計パラメータ設定手段に、統計的材料データベースからの材料選択情報を用い、設計パラメータ変更手段に、材料選択の変更機能を付与したことから、リスクコストをコントロールして材料と構造を最適化した設計を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１の実施例）
図１は、本発明の第１実施例の構成を示している。この第１の実施例は、図１に示すように、設計要求入力手段１、設計パラメータ設定手段２、イベントシミュレーション手段３、故障確率データベース４、リスクコスト計算手段５、設計適合判定手段６、設計パラメータ変更手段７および設計指示手段８により構成されている。
【００２０】
図２は、図１における設計要求入力手段１における、入力すべき種々の設計要求項目を端末上に表示した例であり、この表示によりオペレータに入力を促す。そして、設計要求入力手段１は、端末等の機器により、プラント機器の設計要求情報を入力する。
【００２１】
図３は、図１に示した設計パラメータ設定手段２の機能を示したものである。設計パラメータ設定手段２は、図３に示すように、プラント機器の熱力学、流体力学、材料力学などに基づく基本的な設計理論公式を用いて、設計要求項目を具体的な設計に適用できる各部の温度、応力、効率などの設計パラメータに変換し、イベントシミュレーション手段３に情報を伝送する。
【００２２】
図４は、図１に示した故障確率データベース４の機能を、蒸気タービン・ケーシングの変形の場合を例に取って示したものである。
【００２３】
すなわち、設計しようとするプラント機器の類似先行機種群の運用中に得られたフィールドデータ群から、設計しようとする機器に想定される故障事象を因果関係または時系列関係によってイベントツリーとして整理し記憶しておくとともに、イベントツリーの各個別事象について不信頼度関数を割り当てておく。
【００２４】
不信頼度関数は、異なるプラント機器のデータを用いて統計処理できるように、事象を支配する設計パラメータによって規格化し、信頼性解析を施す。図４の例では、運転時間　ｔ　を該当部材の使用温度Ｔと使用応力σとの関数であるクリープ破断時間ｔｒ　により除して、規格化を施している。ここで、不信頼度は、部材の規格化された寿命の累積確率分布に相当する。
【００２５】
図５は、図１に示したイベントシミュレーション手段３の機能を示したものである。このイベントシミュレーション手段３は、図５に示すように、設計パラメータ設定手段２から得られる温度Ｔや応力σなどの設計パラメータと、故障確率データベース４のイベントツリーおよび不信頼度関数を用い、不信頼度関数に設計パラメータを適用して設計対象機器の起動回数または運転時間に対する不信頼度関数を求め、かつ設計要求項目として入力された運転予想パターンに対応した不信頼度関数データに変換する。
【００２６】
図６は、図１に示したリスクコスト計算手段５の機能を示したものである。このリスクコスト計算手段５は、図６に示すように、イベントシミュレーション手段３から得られた不信頼度に復旧コストを乗じてイベントツリーに沿って足し合せ、リスクコストを計算する。
【００２７】
図７は、設計適合判定手段６の機能を示したものである。設計適合判定手段６は、図７に示すように、得られた総リスクコストおよび運用によって得られる運転利得を比較する。
【００２８】
そして、所望の利得およびリスクコストが全運転期間にわたって適合しない場合は、設計パラメータ変更手段７において、実験計画法を用いて設計パラメータを設計範囲の中で変更し、再度、イベントシミュレーション手段３に戻る、という計算動作を設計要求に適合するまで繰返す。
【００２９】
そして、設計要求に適合し、最もリスクコストが低くて利得が高いと判定された場合の設計パラメータを選択し、その結果を設計指示手段８から設計パラメータ値とともに出力する。
【００３０】
以上のように、第１の実施例においては、設計しようとするプラント機器の使用期間中に生起する事象を考慮し、制約条件の下でリスクコストを最小にして利得を最大にするリスクコントロール設計を行うことができる。
【００３１】
（第２の実施例）
図８は、本発明の第２実施例の構成を示している。この第２の実施例は、設計パラメータ設定手段２の出力と、統計的材料データベース９から得られる寿命の確率分布を不信頼度関数に変換し、故障確率データベース４に付加する確率論的寿命評価手段１０を具備している点に特徴を有する。
【００３２】
図９は、この確率論的寿命評価手段１０の動作特性を示したものである。この確率論的寿命評価手段１０は、図９にクリープの例で示すように、材料のクリープデータベースとして、応力σと硬さＨＶとの比とラーソンミラーパラメータＰ（＝（Ｔ＋２７３．１５）（Ｃ＋ｌｏｇｔｒ），Ｔ：温度（℃），Ｃ：定数，ｔｒ：クリープ破断時間）に対してプロットし、その最適３近似線からのデータのバラツキを統計分布で表わし、この分布から得られる寿命の累積確率分布を不信頼度関数として、故障確率データベース４に付加する。以下、第１実施例と同様の手順に従う。
【００３３】
以上のように、第２の実施例においては、実機のフィールドデータベース以外にも、設計時に想定される現象の寿命評価に基づいてリスクコストを計算することができ、一層安全でリスクを的確にコントロールできる設計を行うことができる。
【００３４】
（第３の実施例）
図１０は、本発明の第３実施例の構成を示している。この第３の実施例は、設計要求入力情報としての、ＣＡＤによる形状情報などに基づき、有限要素法などの手法による構造解析を行う構造解析手段１１を備え、構造解析によって得られる機器部材の温度・応力などの計算結果を基に、設計パラメータを設計パラメータ設定手段２において設定する点に特徴を有する。
【００３５】
設計適合判定手段６によって設計パラメータが適合しない場合には、設計パラメータ変更手段７の代わりに、構造変更手段１２を介して実験計画法に基づき変更した構造について、再度、構造解析手段１１において構造解析を行い、これを最適な設計パラメータが得られるまで繰返す。
【００３６】
以上のように、第３の実施例においては、構造解析を行いながら運用利得とリスクコストをコントロールした最適構造を設計することができる。
【００３７】
（第４の実施例）
図１１は、本発明の第４実施例の構成を示している。この第４の実施例は、第３の実施例に対して、確率論的寿命評価手段１０を組合せ、故障確率データベース４に不信頼度関数を提供するように構成されている。
【００３８】
以上のように、第４の実施例においては、設計時に想定される現象の寿命評価に基づいて、リスクコストをコントロールした最適構造を設計することができる。
【００３９】
（第５の実施例）
図１２は、本発明の第５実施例の構成を示すもので、予防保全計画手段１３を設けた点に特徴を有するものである。
【００４０】
図１３は、この第５の実施例の機能を示したものである。この第５の実施例では、予防保全計画手段１３において、図１３に示すように、リスクコスト計算手段５によって計算された総リスクコストとその事象を未然に防止する予防保全コストとの和を計算し、その最小値に相当する時点を予防保全実施時期と設定している。
【００４１】
図１４は、図１２におけるリスクコスト補正手段１４の機能を示したものである。リスクコスト補正手段１４は、予防保全の実施に伴い、リスクコストも変化することから、図１４に示すように総リスクコストを補正する。この場合、対象とする部分の予防保全を実施しても、プラントの経時変化要素を加味してリスクレベルは次第に上昇していくことを織り込んでいる。
【００４２】
図１５は、図１２における設計適合判定手段６の機能を示したものである。設計適合判定手段６は、上記のように補正したリスクコストに基づき、図１５に示すように運用利得が得られる限界での保守管理計画を選定する。
【００４３】
そして、この限界運用時期が設計全使用期間や得られる運用利得が要求を満たさない場合には、設計パラメータ変更手段７において、再度設計パラメータを変更して最適値が得られるまで繰返す。
【００４４】
以上のように、第５の実施例においては、設計時に保守管理計画を織り込んで、要求される利得および許容できるリスクコストをコントロールした最適な設計ができる。
【００４５】
（第６の実施例）
図１６は、本発明の第６実施例の構成を示すものである。この第６の実施例では、材料変更に関する設計適合判定を行う点に特徴がある。
【００４６】
すなわち、設計要求入力手段１の情報から、材料選択手段１５において許容応力などの条件を満たす材料の中からコストの低い順に材料を選定し、また、統計的材料データベース９の中から該当材料の設計に必要な材料特性および寿命の確率分布を選択し、不信頼度関数を設定して故障確率データベース９に付加し、イベントシミュレーション手段３以下の処理に適用する。
【００４７】
そして、設計適合判定手段６において適合しないと判定した場合、設計パラメータ変更手段７に加えて、材料変更手段１６において材料変更も併せて行う。
【００４８】
以上のように、第６の実施例においては、設計パラメータに加えて材料選択も変更できることから、一層幅広い選択肢の下でリスクコストをコントロールした設計が可能となる。
【００４９】
なお、これまでの実施例で説明した設計要求に対する入力項目は、ネットワーク等により、外部のＣＡＤデータを伝送させる構成としてもよい。この場合、入力作業の省力化、入力項目の多様化を図ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明は、上述のように、プラント機器の設計時に、プラント運用後のリスクコストを予め予測し、運用による利得や保守管理コストも併せて考慮するようにしたため、リスクコストをコントロールしかつ運用利得を高く設定する設計を自動的に行うことができ、一層安全で運用経済効果の高いプラント機器を容易に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における構成を示すブロック線図。
【図２】本発明の第１の実施例における設計要求の入力例を示す説明図。
【図３】本発明の第１の実施例における設計パラメータの設定例を示す説明図。
【図４】本発明の第１の実施例における故障確率データベースの内容例を示す説明図。
【図５】本発明の第１の実施例におけるイベントシミュレーション例を示す説明図。
【図６】本発明の第１の実施例におけるリスクコスト計算の例を示す説明図。
【図７】本発明の第１の実施例における設計適合判定のための設計期間設定の例を示す説明図。
【図８】本発明の第２の実施例における構成を示すブロック線図。
【図９】本発明の第２の実施例における確率論的寿命評価の例を示す説明図。
【図１０】本発明の第３の実施例における構成を示すブロック線図。
【図１１】本発明の第４の実施例における構成を示すブロック線図。
【図１２】本発明の第５の実施例における構成を示すブロック線図。
【図１３】本発明の第５の実施例における予防保全計画の例を示す説明図。
【図１４】本発明の第５の実施例におけるリスク補正の例を示す説明図。
【図１５】本発明の第５の実施例における設計適合判定の例を示す説明図。
【図１６】本発明の第６の実施例における構成を示すブロック線図。
【符号の説明】
１　設計要求入力手段
２　設計パラメータ設定手段
３　イベントシミュレーション手段
４　故障確率データベース
５　リスクコスト計算手段
６　設計適合判定手段
７　設計パラメータ変更手段
８　設計指示手段
９　統計的材料データベース
１０　確率論的寿命評価手段
１１　構造解析手段
１２　構造変更手段
１３　予防保全計画手段
１４　リスクコスト補正手段
１５　材料選択手段
１６　材料変更手段

Claims (11)

1. プラントを構成する機器の設計要求情報を入力する設計要求入力手段と、
   前記設計要求入力手段により入力された設計要求情報を設計パラメータおよび運用条件に変換する設計パラメータ設定手段と、
   前記機器に想定される故障事象イベントツリーと不信頼度関数とを予め対応付けて記憶した故障確率データベースと、
   前記設計要求入力手段で得られた設計パラメータ値および想定運用パターンに対応して故障確率データベースから前記プラントの全使用期間にわたる予想運用パターンに対する不信頼度関数を予測するイベントシミュレーション手段と、
   前記不信頼度関数に復旧コストを乗じてイベントツリーにしたがってリスクコストを計算するリスクコスト計算手段と、
   前記プラントの運用による利得、および故障による損失、ならびに保守管理に要するコストを、設計要求と比較して適合するか否かの判定を行う設計適合判定手段と、
   設計パラメータを変更する設計パラメータ変更手段を有し、前記設計適合判定手段が設計要求を満たさないと判定した場合には、前記設計パラメータの変更値を前記イベントシミュレーション手段にフィードバックすることにより、再度イベントシミュレーションを行い、前記設計適合判定手段において設計条件に適合する最適な設計パラメータを選定し、その結果を用いて最適な設計条件を出力する設計指示手段と
   をそなえたことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
2. 請求項１記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記故障確率データベースは、不信頼度関数を設計要項に対応する設計パラメータを用いて関数化したものを予め記憶しておき、前記機器の運用の障害となる故障事象につきイベントツリーを予め作成して記憶しておくようにしたことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
3. 請求項１記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記設計パラメータ変更手段における設計パラメータ変更の設定は、予め設計パラメータの変更パターンの組合せ数が最小となるように実験計画法を適用して行うようにしたことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
4. 請求項１記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記設計パラメータ設定手段の出力と、統計的材料データベースを基に確率論的寿命評価を行って不信頼度関数を故障確率データベースに付加する確率論的寿命評価手段を具備したことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
5. 請求項４記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記確率論的寿命評価手段は、寿命評価の対象とする評価項目を機器部材の変形、変位、き裂発生、き裂進展、破壊、損耗、摩耗、腐食、酸化、材料劣化、性能低下またはその喪失、機能低下またはその喪失とすることを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
6. 請求項１記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記設計パラメータ設定手段は、設計要求入力情報に基づき構造解析を行う構造解析手段の計算結果を基に設計パラメータを設定するようにし、設計パラメータ変更手段の代わりに構造変更手段を介して変更した構造について再度構造解析手段において構造解析を行い、最適な設計パラメータが得られるまで繰返すようにしたことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
7. 請求項５に記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記構造変更手段における構造変更条件の設定は、予め設計パラメータの変更パターンの組合せ数が最小となるように実験計画法を適用して行うことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
8. 請求項１記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記構造解析手段の出力と、統計的材料データベースを基に確率論的寿命評価を行って不信頼度関数を故障確率データベースに付加する確率論的寿命評価手段を具備することを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
9. 請求項１記載のプラント機器の設計支援装置において、
   前記リスクコスト計算手段によるリスクコストとその事象を未然に防止する予防保全コストの比較から予防保全実施計画を作成する予防保全計画手段と、予防保全実施にともない不信頼度を変化させて再度リスクコスト計算を行うリスクコスト補正手段と、リスクコスト補正結果と予防保全コストの和と運用による利得を比較して設計要求に対する適合性を判定する設計適合判定手段を具備することを特徴とする、請求項１に記載のプラント機器の設計支援装置。
10. 請求項８記載のプラント機器の設計支援装置において、
    前記予防保全計画手段は、プラント機器部材の補修、交換、材料改良、構造改良、性能改良、機能改良に対する項目に対して設保守管理計画を作成し、保守管理によって影響を受ける設計パラメータを変更することを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。
11. 請求項１記載のプラント機器の設計支援装置において、
    前記設計パラメータ設定手段に、統計的材料データベースからの材料選択情報を用い、前記設計パラメータ変更手段に、材料選択の変更機能を付与したことを特徴とする、プラント機器の設計支援装置。

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