JP2004156580A - ガスタービン用高温部品寿命管理方法及びプログラム媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用高温部品の疲労状態を高精度に評価管理することができるガスタービン用高温部品寿命管理方法と、このガスタービン用高温部品寿命管理方法を計算機に行わせるためのプログラム媒体の提供を課題とする。
【解決手段】ガスタービン用高温部品寿命管理方法では、評価対象である高温部品の寿命を、過去の高温部品の、運転時間及び運転サイクルと、疲労状態との相関を求めたフィールドデータに基づいて求めた使用限界線１で区画形成される運用領域３内に設定する方法を採用した。また、プログラム媒体では、このガスタービン用高温部品寿命管理方法を適用したプログラムを備えるものを採用した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン用高温部品寿命管理方法と、このガスタービン用高温部品寿命管理方法に基づいて高温部品の寿命管理を行うプログラムが記憶されたプログラム媒体とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、コンバインドサイクル発電プラントに用いられているガスタービンの高温部品には、運転の極めて初期段階から顕著な損傷が生じている。従来の火力発電プラントでは、亀裂等の欠陥を許容しないのに対し、ガスタービンでは、定期検査の際に欠陥が検出された場合、補修を行うが、ある基準以下の欠陥に対しては補修しないで用いる損傷許容設計の考え方が導入されている。
【０００３】
ガスタービンの点検・補修および部品交換時期は、機種、運転方法、使用燃料だけでなく、大気より吸引した空気を冷却気体に用いていることから、ガスタービンプラントの立地環境によっても大きく変わってくる。したがって、画一的な寿命予測が非常に困難である。
【０００４】
このように、様々な要因に基づいて高温部品の寿命は決定されるが、実際には、これらの全てを取り込んだ寿命予測が困難であるため、従来では、例えば下記数式（１）を用いて評価する方法が採用されている。ここで、ＡＯＨは実際の運転時間（Ａｃｔｕａｌ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｈｏｕｒｓ）、ＥＯＨｅは等価運転時間（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｈｏｕｒｓ）、Ｆは等価運転時間換算係数、（起動回数，エンスト回数）は運転時間を起動回数及びエンスト回数の総和で割算した時間を示している。
【０００５】
ＥＯＨｅ＝ＡＯＨ＋Ｆ×（起動回数，エンスト回数）・・・（１）
【０００６】
そして、この等価運転時間ＥＯＨｅが、設計上の運用リミット時間ＥＯＨｄよりも常に短いという条件（ＥＯＨｅ＜ＥＯＨｄ）を満たすように高温部品を管理することで、高温部品の寿命管理を行っていた。すなわち、ＥＯＨｅがＥＯＨｄ未満の場合には、まだ運用リミット内であると判断して、該当する高温部品の使用を継続し、逆に、ＥＯＨｅがＥＯＨｄ以上になった場合には、運用リミットに達したと判断して該当する高温部品の交換、もしくは補修を行う。
なお、ガスタービン部品の劣化・損傷診断による保守管理方法については、例えば下記特許文献１にも開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２９３０４９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガスタービンの高温部品には、高価な超合金が用いられているにも拘らず、その劣化損傷は顕著であり、寿命が極めて短かい。このため、高価なガスタービン部品の寿命をのばすことが強く望まれている。
また、ガスタービンの点検あるいは補修に要するメンテナンスコストも増額の一途を辿っており、ガスタービンの点検や補習に要するメンテナンスコストを軽減させるために、ガスタービンの保守管理を如何にしたらよいかが問題になっている。
【０００９】
しかしながら、実際の保守管理では、前記等価運転時間換算係数Ｆを用いた数式（１）のような漠然とした評価基準に頼らざるを得ず、該当の高温部品が、どれだけの寿命を費やし、あと、どれだけの寿命を残しているかを実情に合わせて高精度に評価管理することができなかった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ガスタービン用高温部品の疲労状態を高精度に評価管理することができるガスタービン用高温部品寿命管理方法と、このガスタービン用高温部品寿命管理方法を計算機に行わせるためのプログラム媒体の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法は、ガスタービンに備えられている高温部品の寿命を管理する方法であって、評価対象である前記高温部品の寿命を、過去の高温部品の、運転時間及び運転サイクルと、疲労状態との相関を求めたフィールドデータに基づいて求めた使用限界内に設定することを特徴とする。
上記請求項１に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、評価対象である高温部品の運転時間及び運転サイクルと、フィールドデータによる使用限界とを対比させることにより、実情の使用限界（すなわち、高温部品が持つ実情の寿命全体）における疲労位置を求めることができる。
【００１２】
請求項２に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法は、請求項１に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法において、前記使用限界と、前記高温部品の運転時間及び運転サイクルのデータとを計算機に取り込み、任意の運転時間における前記高温部品の疲労状態を、前記使用限界に対する位置として求めることでモニタリングすることを特徴とする。
上記請求項２に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、計算機を用いて高温部品の疲労状態／寿命をモニタリングすることにより、寿命管理に要する手間を削減することができるようになる。
【００１３】
請求項３に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法は、請求項１または請求項２に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法において、前記使用限界で区画形成される運用領域内における前記高温部品の疲労状態を軌跡として求め、この軌跡の傾向と、現時点における該高温部品の前記運用領域内の位置とに基づいて、今後の運転時間及び運転サイクルを決定することを特徴とする。
上記請求項３に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、求められている軌跡を、その傾向に沿って、運用領域の縁まで延長させることで、残りの寿命を求めることができる。そして、この残りの寿命を満足する運転時間及び運転サイクルの組み合わせを採用することで、今後の運転方針を決定することができるようになる。
【００１４】
請求項４に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法において、前記過去の部品と前記高温部品との材質が異なる場合に、これらの材質の、同一の材料歪みを得るための疲労サイクルの比に基づいて、前記使用限界を補正することを特徴とする。
上記請求項４に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、フィールドデータに基づいて予め求められている使用限界を、その運転サイクル方向において、疲労サイクルの比に等しい倍率で上げ下げする補正を行うことで、異なる材質を採用した場合の寿命管理をフィールドデータに基づいて行うことができる。
【００１５】
請求項５に記載のプログラム媒体は、ガスタービンに備えられている高温部品の寿命を計算機で管理するためのプログラムを記憶したプログラム媒体であって、前記プログラムが、過去の高温部品の運転時間及び運転サイクルと疲労状態との相関を求めたフィールドデータ、に基づいて設定された前記高温部品の使用限界と、前記高温部品の運転時間及び運転サイクルのデータとを参照し、任意の運転時間における前記高温部品の疲労状態を、前記使用限界で区画形成される運用領域内の位置として求めることを特徴とする。
上記請求項５に記載のプログラム媒体によれば、そのプログラムを取り込んだ計算機が、評価対象である高温部品の運転時間及び運転サイクルと、フィールドデータによる使用限界とを対比させることにより、実情の使用限界（すなわち、高温部品が持つ実情の寿命全体）における疲労位置を求めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガスタービン用高温部品寿命管理方法及びプログラム媒体の一実施形態の説明を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれに限定解釈されるものでないことは勿論である。
なお、本発明で言う「高温部品」とは、ガスタービンの構成部品の中でも、特に高温環境にさらされる部品を指し示すものであり、例えば、タービン動翼やタービン静翼、または、燃焼器部品などが挙げられる。また、本発明で言う「運転サイクル」とは、ガスタービンを運転した際の起動回数と、トリップ回数（エンスト回数）との和を示すものである。これら起動回数及びトリップ回数が多くなるほど、同一の運転時間であっても、高温部品の疲労度が高くなる（すなわち、寿命をより多く費やす）ことになる。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のガスタービン用高温部品寿命管理方法は、横軸が運転時間で縦軸が運転サイクルのグラフ内に、過去の部品のフィールドデータに基づいて設定された使用限界線１（使用限界）と、最大運転時間線２とで区画形成された台形の運用領域３を形成し、この運用領域３内（ハッチング部分）が、評価対象である前記高温部品の運用リミット（寿命）であると設定する管理方法を採用している。
【００１８】
使用限界線１は、評価対象と同一形状／同一寸法を有する過去の高温部品の、運転時間及び運転サイクルと、疲労状態との相関を求めたものである。その具体的な例を、図２を参照して説明する。
【００１９】
他のガスタービンで用いられた過去の高温部品に関する疲労状況は、すでにたくさんのデータが蓄えられているため、これらのデータを図２に示すように、運転時間と運転サイクルとのグラフ上にプロットし、それらのうち、略同一の疲労状態を有するものを選んで線を引くことにより、疲労度の傾向を取得することができる。すなわち、同図の場合では、タービン翼に発生する亀裂の成長傾向として、５ｍｍ、２０ｍｍ、６０ｍｍ、１００ｍｍの４本の線が求められている。そして、これら各線のうち、設計上許容される亀裂長さの最大に近いもの（例えば１００ｍｍの線）を選ぶことにより、前記使用限界線１が決定される。
最大運転時間線２は、法規などにより設定される限界線であり、例えば１６０００時間などの時間限界が割り当てられる。
【００２０】
そして、これら使用限界線１及び最大運転時間線２を、図示されない計算機に取り込んで図１に示した同一のグラフ上にまとめることで、前記運用領域３が区画形成される。
さらに、同計算機に、評価対象の高温部品の運転時間及び運転サイクルのデータを連続的に取り込んでプロットしていくことにより、図１に示すように、現時点（もしくは、任意の運転時間）における前記高温部品の疲労状態を、前記運用領域３内における位置として求めることで、モニタリングすることが可能となる。すなわち、運用領域３内における前記各プロットを連続的に結んでいくことで、高温部品の疲労状態の傾向を、軌跡４として求めることができる。
【００２１】
そして、この軌跡４の傾向（例えば傾き）と、現時点における、運用領域３内の位置とを同一グラフ上にまとめることで、今後の運転時間及び運転サイクルを決定することも可能となる。すなわち、例えば図１の点ａが、現時点における疲労状態であるとし、そのままの傾向を保って運転する場合、使用限界線１上の点ｂに達するまでに許容される運転時間△ｔと運転サイクル△ｃが、グラフ上から予測される。そこで、運転時間△ｔと運転サイクル△ｃ内でかつ、今後のガスタービンの運転上の都合に適した運転時間と運転サイクルの組み合わせを選定することで、高温部品の運用予測を高精度に行うことが可能となる。
しかも、その評価結果は、従来のような単純な数値ではなく、運用領域３における位置（すなわち、その高温部品が持つ寿命全体における疲労位置）として求めることができるので、視覚的に寿命を評価管理することも可能となる。
【００２２】
なお、以上説明のガスタービン用高温部品寿命管理方法を、計算機で管理するためのプログラム（すなわち、過去の高温部品のフィールドデータに基づいて設定された使用限界線１を求めて図１を作成し、さらに、評価対象の高温部品の運転時間及び運転サイクルのデータを、図１上にプロットすることで、現時点または任意の運転時間における疲労状態を、使用限界線１で区画される運用領域３内における位置として求めるプログラム）を記憶するプログラム媒体としては、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなどが例示されるが、これらに限らず、その他のメディアを用いて良いことは勿論である。
【００２３】
なお、上記管理方法は、評価対象の高温部品とフィールドデータの高温部品とが、同一材質の場合について適用されるものであるが、図３及び図４に説明する方法を適用することにより、両者の材質が異なる場合についても本発明を応用することが可能である。
すなわち、評価対象の高温部品の材質を、コバルト基合金（Ｃｏ基合金）からニッケル基合金（Ｎｉ基合金）に変更する場合、材料データそのものの性質は一般的に知られているので、ます、図３に示すように、同一の材料歪みεを得るための疲労サイクル（熱疲労などを繰り返し与える際の繰り返し回数）の比を一般的な材料データから求める。
【００２４】
そして、コバルト基合金に対するニッケル基合金の疲労サイクルの比が、例えば１０倍であると求められた場合、図４に示すように、前記使用限界線１を、その運転サイクルの方向（縦軸方向）に１０倍に上げる補正を行う。このような補正により、ニッケル基合金の高温部品を用いた場合の新たな使用限界線１Ａで区画された運用領域３Ａが、求められる。後は、評価対象である、ニッケル基合金製の高温部品の運転軌跡を、前記軌跡４と同様に運用領域３Ａ内に描いていくことで、その運用リミットまでの寿命を管理することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、実際の運転で用いられた過去の高温部品のフィールドデータに基づいて、評価対象の高温部品の疲労状態を求めることができるので、ガスタービン用高温部品の疲労状態／寿命を高精度に評価管理することが可能となる。しかも、その評価結果は、従来のような単純な数値ではなく、使用限界内における位置（すなわち、その高温部品が持つ寿命全体における疲労位置）として求めることができるので、視覚的に寿命を評価管理することも可能となっている。
【００２６】
また、請求項２に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、計算機を用いて高温部品の疲労状態／寿命をモニタリングすることにより、寿命管理に要する手間を削減することが可能となる。
【００２７】
また、請求項３に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、今後の運転時間及び運転サイクルを、従来の数式を用いた方法よりも的確に決定することが可能となる。
【００２８】
また、請求項４に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法によれば、同一の高温部品で異なる材質を採用した場合の寿命管理を、フィールドデータに基づいて行うことが可能となる。
【００２９】
本発明の請求項５に記載のプログラム媒体によれば、実際の運転で用いられた過去の高温部品のフィールドデータに基づいて、評価対象の高温部品の疲労状態を求めることができるので、高温部品の疲労状態／寿命を高精度に評価管理することが可能となる。しかも、その評価結果は、従来のような単純な数値ではなく、使用限界内における位置（すなわち、その高温部品が持つ寿命全体における疲労位置）として求めることができるので、視覚的に寿命を評価管理することも可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスタービン用高温部品寿命管理方法を説明するためのグラフであって、横軸が運転時間、縦軸が運転サイクルを示している。
【図２】同ガスタービン用高温部品寿命管理方法に用いられる、過去の高温部品のフィールドデータを示すグラフであって、横軸が運転時間、縦軸が運転サイクルを示している。
【図３】同ガスタービン用高温部品寿命管理方法を、異なる材質の同一高温部品に適用する場合を説明するためのグラフであって、横軸が疲労サイクル、縦軸が材料歪みを示している。
【図４】同ガスタービン用高温部品寿命管理方法を、異なる材質の同一高温部品に適用した場合の説明の続きを示すグラフであって、横軸が運転時間、縦軸が運転サイクルを示している。
【符号の説明】
１・・・使用限界線（使用限界）
３・・・運用領域
４・・・軌跡

Claims (5)

1. ガスタービンに備えられている高温部品の寿命を管理する方法であって、
   評価対象である前記高温部品の寿命を、
   過去の高温部品の、運転時間及び運転サイクルと、疲労状態との相関を求めたフィールドデータに基づいて求めた使用限界内に設定する
   ことを特徴とするガスタービン用高温部品寿命管理方法。
2. 請求項１に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法において、
   前記使用限界と、前記高温部品の運転時間及び運転サイクルのデータとを計算機に取り込み、
   任意の運転時間における前記高温部品の疲労状態を、前記使用限界に対する位置として求めることでモニタリングする
   ことを特徴とするガスタービン用高温部品寿命管理方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法において、
   前記使用限界で区画形成される運用領域内における前記高温部品の疲労状態を軌跡として求め、この軌跡の傾向と、現時点における該高温部品の前記運用領域内の位置とに基づいて、今後の運転時間及び運転サイクルを決定する
   ことを特徴とするガスタービン用高温部品寿命管理方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のガスタービン用高温部品寿命管理方法において、
   前記過去の部品と前記高温部品との材質が異なる場合に、これらの材質の、同一の材料歪みを得るための疲労サイクルの比に基づいて、前記使用限界を補正する
   ことを特徴とするガスタービン用高温部品寿命管理方法。
5. ガスタービンに備えられている高温部品の寿命を計算機で管理するためのプログラムを記憶したプログラム媒体であって、
   前記プログラムは、
   過去の高温部品の運転時間及び運転サイクルと疲労状態との相関を求めたフィールドデータ、に基づいて設定された前記高温部品の使用限界と、前記高温部品の運転時間及び運転サイクルのデータとを参照し、
   任意の運転時間における前記高温部品の疲労状態を、前記使用限界で区画形成される運用領域内の位置として求める
   ことを特徴とするプログラム媒体。

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