JP2008210390A - 既設設備機器の余寿命を推定する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 下水処理施設、上水処理施設、清掃焼却施設、の機器の余寿命は、使用年数、運転時間、運転員の五感情報、使用年数、運転時間、法定耐用年数、より設備管理者が判定しているので、余寿命判定が非理論的であった。又、日常点検時、定期点検時に各種データを収集しているがそれらのデータを理論的に有効利用していない。
【解決手段】 日常点検時、定期点検時に収集している維持管理データである、電流値、電圧値、磨耗量、絶縁抵抗値、調整量、振動量の値と経過年数の相関関係より近似式を作成することにより余寿命を理論的に計算出できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、下水処理施設、上水処理施設、清掃焼却施設、の機器において、過去の維持管理情報により既設設備機器の余寿命（調査時点より機器が使用できる限界に達する期間）を推定する解析方法に関するする技術である。

一般的な機器（ポンプ、電動機、送風機、コンベヤー、等）の余寿命年数を理論的に推定する技術として診断機器が、各種開発されている（「設備管理技術辞典」株式会社 産業技術サービスセンター 等、参照）。それらは、機器より発生する各種値を計測し余寿命を推定する。各種値の一例として、電流値の場合は機器回路の異常電流値を測定し判定する。振動量の場合は振動の波形や加速度より判定する。又、騒音計の場合は異常騒音を測定する。その他にも各種開発されている。しかし、これらの技術は余寿命を理論的に推定する為、機器の性能確認に必要な性能測定機器（電流計、圧力計、流量計、回転数計、等）の他に、診断機器の設置が必要になる。
従来、下水処理施設、上水処理施設、清掃焼却施設、の既設機器には、前記で開発された余寿命年数を推定する為の診断機器は設置されていない。しかし、機器の性能を把握する為に必要な項目を測定する性能測定機器は設置されている。
機器の性能を把握する為に必要な項目の一例として、ポンプ類の場合は、流量、圧力、電動機の電流・電圧、水位、回転数、等の性能測定機器であり、送風機類の場合は、流量、圧力、電動機の電流・電圧、回転数、等の性能測定機器である。
これら機器の維持管理をする時、機器の性能を確認するために必要な項目については、「水道施設維持管理指針」日本水道協会、「下水道施設維持管理指針」日本下水道協会、「下水道維持管理の手引き」（財）全国建設研修センター、「廃棄物処理施設保守・点検の手引き」（財）日本環境センター、等に記載されている。
従来、機器の余寿命年数は、維持管理に必要な項目として測定された性能測定機器の値や、機器の取り扱い説明書、等の項目を設備管理者が記載した日常点検報告書や定期点検時の維持管理報告書、運転員の五感情報、使用年数、運転時間、使用年数、運転時間、法定耐用年数、維持管理費用、等により設備管理者が経験を加味し感覚的に推定している。
尚、機器の更新時期の決定方法については、「下水設備の傷み度合いを考慮した更新手法に関する研究」第４３回下水道研究発表会講演集、日本下水道協会や「水道施設更新指針」日本水道協会に記されているが、それらの決定方法も維持管理費用、使用年数、運転時間と法定耐用年数、等の関係により余寿命年数を推定する方法であり、各機器の性能について理論的に解析した方法ではない。
尚、機器の使用限界値の基準として、変圧器、遮断機、動力盤、の絶縁抵抗値、及び、コンデンサ、蓄電池類、の電圧値については（ＪＥＳＣ）日本電気技術基準規格委員会規格、（ＪＩＳ）日本工業規格、（ＪＥＣ）電気学会電気規格調査会標準規格、（ＪＥＭ）日本電気工業会標準規格、その他「電気設備技術基準」通商産業省令、「電気設備診断・更新技術に関する調査報告」電気学会技術報告、がある。振動量の測定方法、使用限界については「ＪＩＳ Ｂ ０９０６」がある。
これらの基準は使用限界を示した値であり、余寿命年数を理論的に解析する方法は示していない。

発明が解決しようとする課題

機器の余寿命年数を理論的に推定する方法は前記文献に示す如く各種有るが、実施する場合、新たに診断機器を機器に設置する必要があり、新たな設備費用が発生するので予算獲得が困難な場合は実施が困難である。
従って、機器の余寿命は設備管理者が感覚的に判定し、機器の性能が保持している状態で新品と交換する場合、交換前に機器が破損する場合と、施設全体で見ると非経済的である。機器の性能低下を把握する事に関しては非理論的である。又、過去の維持管理情報を有効利用していない。

課題を解決するための手段

上記の課題を解決する為、本発明は、日常点検時、定期点検時に機器の性能を把握する為に必要な項目とし、性能測定機器により測定された値を有効利用し、機器の性能低下量を解析し、機器の余寿命年数を理論的に推定する方法である。
日常的に維持管理し機器の性能を把握する為に必要な項目とし、性能測定機器にて測定している項目を下記のごとく解析することにより機器の余寿命年数を理論的に解析し推定することができる。
＜運転中における性能測定機器で測定された値を解析する方法。＞
運転中に性能測定機器で測定している値を下記のごとく整理する事により各機器の性能低下量を理論的に解析し余寿命が計算できる。
１）遠心ポンプ類の場合、
劣化すると、遠心ポンプ本体のインペラが摩耗し性能が低下するので、性能曲線は、図１の点線となる。尚、図１の実線は工場試験時の性能曲線または、設置当初の性能曲線を示す。図１において
Ｐ１＝工場試運転時又は、設置当初のポンプ締め切り圧力
Ｐ２＝現在のポンプ締め切り圧力
を示す。以上より締め切り圧力の低下割合（Ｘ１）は下記の（１）式で計算できる。

工場試験時または設置当初と現在の性能低下割合（Ｘ１）の関係より、劣化したポンプ性能曲線（図１の点線）が推定できる。
遠心ポンプ軸動力は（２）式で計算できる。

電動機動力は（３）式で計算できる。

ポンプ締め切り圧力の測定が困難な場合、ポンプ軸動力と電動機動力は一致するので、（２）式、（３）式の関係より、初期（工場試験時または設置当初）の運転時電流値（Ａ１）と現在の運転時電流値（Ａ２）を比較し劣化度（Ｘ２）が（４）式で計算できる。

しかし、実際に測定した現在の運転時電流値（Ａ０）は運転条件が初期の運転時電流測値（Ａ１）の条件と異なる場合が多い。特に、全揚提、回転数、が異なる場合が多い。従って、実際に測定した現在の運転時電流値（Ａ０）を初期の運転時電流値（Ａ１）の測定条件と一致させた現在の運転時電流値（Ａ２）に補正する必要がある。
実際に測定した現在の運転時電流値（Ａ０）を初期の運転時電流値（Ａ１）と同一運転条件における現在の運転時電流値（Ａ２）は、下記の方法で補正を行う。
（１）全揚提の補正
Ｈ１ ： 初期の運転時電流測値（Ａ１）の条件時の全揚提
Ｈ０ ： 実際に測定した現在の運転時電流値（Ａ０）の全揚提
以上の場合下記の式で現在の運転時電流値（Ａ２）を補正し求める。

（２）回転数の補正
回転数と電流値の関係を、試運転時情報又は実際に設置された現在の機器で回転数と電流値の関係を求める。一例を図２に示す。図２の近似式２より
電流値は近似式２＝ｆ（Ｎ） となる
Ｎ１ ： 初期の運転時電流測値（Ａ１）の条件時の回転数
従って回転数Ｎ１の電流値＝ｆ（Ｎ１）
Ｎ０ ： 実際に測定した現在の運転時電流値（Ａ０）の回転数：Ｎ０
従って回転数Ｎ０の電流値＝ｆ（Ｎ０）
以上の場合下記の式で現在の運転時電流値（Ａ２）を補正し求める。

以上の如く、実際に測定した現在の運転時電流値（Ａ０）より初期の運転条件と同一な現在の運転時電流値（Ａ２）を補正して求めることができる。
以上より、遠心ポンプが劣化するとポンプ締め切り圧力が低下し、ポンプ駆動用電動機の電流値が低下するので、ポンプ劣化度（Ｘ２）は日常点検データである電流値を使用し下記の（５）式で計算できる。

経過年数毎のポンプ劣化度（Ｘ２）を計算し、経過年数とポンプ劣化度（Ｘ２）の関係より図３を作成する。尚、図３の×印は経過年数毎の計算したポンプ劣化度（Ｘ２）をプロットした値である。図３より、経過年数とポンプ劣化度（Ｘ２）の関係より近似式−Ａ（数式）を作成し、近似式−Ａと限界劣化度（０．８５とした場合）との交点における経過年数（Ｂ＝２９年）を求める。現時点の経過年数（Ａ＝２１年）より
余寿命＝２９年−２１年＝８年 となる。尚、図３の補足資料として図４を示す。
図４は近似式−Ａを標準偏差量値±Ｒだけ位相をずらした近似式−Ａ−１と近似式−Ａ−２を作成する。この２式が限界劣化度（０．８５とした場合）との交点より経過年数を求める。Ｃ＝２７年、Ｄ＝３１年が求められる。従って現時点の経過年数＝１９年だから、
近似式−Ａ−１より、余寿命＝２７年−２１年＝６年、
近似式−Ａ−２より 余寿命＝３１年−２１年＝１０年
以上の如く計算式により余寿命が計算できる。即ち、近似式−Ａは平均値であり、近似式−Ａより得られた余寿命の範囲は６年〜１０年と推定できる。この様に近似式−Ａより推定できる類似近似式を求め確立を加味した余寿命が計算できる。
以上は遠心ポンプにおける日常点検時、定期点検時に性能測定機器で測定した値により性能低下量を理論的に解析し余寿命を計算した場合を示した。
尚、遠心力を利用したターボブロワーにおいても同様な解析が可能である。
２）容積型送風機（ルーツブロワー）の場合
ルーツブロワーの場合、維持管理時、機器の性能を把握する為に必要な項目とし、性能測定機器で測定している項目は、流量、圧力、電動機の電流・電圧、回転数、等である。ルーツブロワーは劣化するとケーシングとローター間のギャップが拡大する事になる。従ってルーツブロワーの場合は、劣化量を電流値の変化で解析することは困難である。しかし、ギャップが拡大することは、吐出圧力が低下することになる。
以上より、ルーツブロワーの劣化度（Ｘ３）は日常点検データである吐出圧力を使用し下記の（６）式で計算できる。

経過年数毎のルーツブロワー劣化度（Ｘ３）を計算し、経過年数と劣化度（Ｘ３）の関係より図５を作成する。尚、図５の×印は経過年数毎の計算したルーツブロワー劣化度（Ｘ３）をプロットした値である。図５より、経過年数とルーツブロワー劣化度（Ｘ３）の関係より近似式−３（数式）を作成し、近似式−３と限界劣化度（必要送風機圧力＝５．４ｍＡｑとした場合）との交点における経過年数（Ｂ＝２９年）を求める。現時点の経過年数（Ａ＝２１年）より
余寿命＝２９年−２１年＝８年 となる。
尚、回転数制御を実施している場合は、回転数と吐出圧力の関係を求め補正する。又、ルーツブロワーの場合は吸込圧力の影響も受けるが、測定計器の精度が悪く解析不可能の場合もある。
３）スネークポンプの場合
スネークポンプのようにローターとケーシングが直接接触している機器の場合を示す。この場合、機器の性能を把握する測定項目は送泥量、圧力、電動機の電流・電圧、回転数、等を性能測定機器で測定している。これらの維持管理情報のうち劣化量を電流値、吐出圧力で解析することは困難である。しかし、ケーシングが磨耗すると、ローター１回転当りの吐出量が減少する。
以上より、スネークポンプの劣化度（Ｘ４）は日常点検データよりローター１回転当りの送泥量を計算し下記の（７）式で計算できる。

経過年数毎のスネークポンプ劣化度（Ｘ４）を計算し、経過年数と劣化度（Ｘ４）の関係より図６を作成する。尚、図６の×印は経過年数毎の計算したスネークポンプ劣化度（Ｘ４）をプロットした値である。図６より、経過年数とスネークポンプ劣化度（Ｘ４）の関係より近似式−４（数式）を作成し、近似式−４と限界劣化度（必要１回転当り送泥量＝０．００７ｍ３／ｈ／ｒｐｍとした場合）との交点における経過年数（Ｂ＝２９年）を求める。
４）その他
以下同様に各機器の劣化特性を検討し機器の性能を把握為、性能測定機器で測定している維持管理項目を利用して余寿命を理論的に解析できる。以下の説明は近似式の作成までの手法を示す。
遠心脱水機が劣化すると刃先が摩耗し回転トルクが減少する。遠心脱水機の軸動力は（８）式で計算できる。
軸動力（ｋｗ）＝０．９７３×Ｔ×Ｎ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（８）
Ｔ：回転トルク（ｋｇｍ） Ｎ：回転数（ｒｐｍ）
電動機の軸動力は（３）式となる。遠心脱水機が劣化し回転トルクが低下すると遠心脱水機駆動用電動機の電流値が低下する事になる。
劣化すると電流値が増加する機器として水平ベルトコンベヤがある。
水平ベルトコンベヤの動力は下記の（９）式で計算される。

Ｑ：搬送量（ｔ／時） Ｖ：速度（ｍ／ｍｉｎ） ｆ：抵抗係数
（９）式に於いて、水平ベルトコンベヤが劣化するとローラーの回転抵抗が増加するので抵抗係数（ｆ）が増加しベルトコンベヤの軸動力が増加する。電動機の軸動力は（３）式となるので、水平ベルトコンベヤが劣化すると抵抗係数（ｆ）が増加し、水平ベルトコンベヤを駆動する電動機の電流値は増加する。
送排風機類の場合は劣化するとファンに付着した付着物量が増加する。また、軸受けが劣化し回転抵抗が増加するのでファンの回転トルクが増加し軸動力が増加するので駆動する電動機の軸動力が増加する。従って、（１０）式より送排風機類の軸動力が増加すると送排風機を駆動する電動機の電流値が増加する。
この様に機器が劣化すると機器を駆動する電動機の電流値が増加する機器の劣化度（Ｘ５）は下記の（１０）式で計算できる。

以上の如く、運転中に性能測定機器で測定している値と経過年数に機器の劣化度との相関関係より近似式を作成し、作成した近似式より理論的に余寿命年数を計算する事が可能となる。
＜停止中における性能測定機器で測定された値を解析する方法。＞
定期点検時、機器は停止するので、各種のデータを測定する事が可能となる。測定項目には法律で定められた項目もある。それらの測定値を下記の如く有効利用し理論的に機器の余寿命年数を計算する事が可能となる。
チェーンを使用している機器は、チェーンの摩耗量を定期点検時に計測できる。測定方法や使用限界値は取り扱い説明書に記載されている。経過年数とチェーンの摩耗量の関係を整理すると図８の如くなる。図８の×印は定期点検時に測定した摩耗量をプロットした値である。尚、図８の如くなる傾向は「プラスチェック製汚泥かき寄せ機の維持管理と再利用について」第３５回下水道研究発表会講演集 日本下水道協会 より明らかであるが、チェーンの摩耗量の増加傾向は砂分量や水質により異なるので設置場所により異なる傾向を示す。
図８に於いて、プロットした値より近似式−Ｂを作成する。別途インプットした使用限界摩耗量（４．５ｍｍ）と近似式−Ｂの交点を計算することにより余寿命（６．５年）が計算できる。その他に摩耗量より劣化程度が計算できる機器として焼却炉本体がある。焼却炉本体は劣化すると、レンガの摩耗量、レンガのせり出し量、クラックの目地開き量より焼却炉本体、の劣化度が計算できる。
変圧器、遮断器、動力盤、は劣化すると絶縁抵抗値が低下する。絶縁抵抗値は定期点検時に計測できる。既設の変圧器、遮断器、動力盤の経過年数と絶縁抵抗

縁抵抗値をプロットした値である。低下する傾向は使用された絶縁材、使用場所

コンデンサが劣化すると絶縁抵抗値は低下し逆起電力も低下する。蓄電池類が劣化すると電解液の比重が低下し電圧が低下するので充電電圧と充電電流が高くなる。この様に劣化が促進すると、定期点検時に測定した電圧が低下する機器と上昇する機器があり低下する機器の劣化度（Ｘ６）は下記の（９）式で上昇する機器の劣化度（Ｘ７）は（１０）式で計算できる。

Ｖ１：初期運転時の電圧 Ｖ２：現在の電圧
（９）式で計算した値と経過年数の関係を図１０に示す。図１０の×印は定期点検時に測定した電圧より劣化度（Ｘ６）を計算した値である。図１０に於いて、近似式−Ｅと限界劣化度（０．１）の交点を計算することにより余寿命（５年）が計算できる。
保護継電器、工業計器類はスパン補正（測定範囲巾）を調整器で調整している。調整器の調整量概念を図１１に示す。図１１に於いて、スイッチ−１をＯＮ、スイッチ−２をＯＦＦ、とし模擬信号により指示計の目盛りを読み、スイッチ−１をＯＦＦ、スイッチ−２をＯＮ、とし模擬信号との差を調整器の調整レバーにより調整、この時のレバー移動量が調節量となる。調整量が増加し、１００％に成った時が使用限界となる。

点検時に測定した調整量をプロットした値である。同プロット値より近似式を作

近似式−Ｇ、電磁式の場合は△印であり近似式−Ｈの傾向を示す。図１２に於いて、静電容量式の場合の余寿命年数を近似式−Ｆ、より計算すると、調整量が１００％になる余寿命は９年となる。
機器の回転軸は軸受けの劣化により振動量（変位、速度、加速度）が増加する。機器の振動量は定期点検時に機器が運転している状態で計測している。経過年数と振動量の関係を整理すると図１３の如くなる。尚、図１３は振動量を加速度とした場合を示す。図１３に於いて、×印は定期点検時に測定値をプロットした。
図１３に於いて、プロットした値×印より近似式−Ｉを作成する。別途インプットした使用限界加速度（６．０Ｇ）と近似式−Ｉの交点を計算することにより余寿命（８．５年）が計算できる。
以上示した如く、定期点検時に機器が停止した時に測定した電圧、摩耗量、絶縁抵抗、調整量、の値と機器の経過年数より近似式を作成し、作成した近似式を使用し、使用限界値をインプットする事により余寿命年数が計算できる。又、定期点検時に機器が運転した状態で測定した振動量の値と経過年数より近似式を作成し、作成した近似式より余寿命年数が同様に計算できる。
以上の手順を図７に示す。

発明の実施形態

次に本発明の実施形態について説明する。
機器の余寿命計算の実施フローチャートを図７に示す。尚、劣化度（Ｘ２）を計算する為の電流値は、日常的に運転中の維持管理項目であり、電圧、摩耗量、絶縁抵抗値、調整量、振動量の値は定期点検時の測定値である。
ステップ−１
劣化度（Ｘ）を計算する為に最適な機器に対し劣化度（Ｘ）を計算する為の対称となる維持管理項目（電流値、電圧値、摩耗量、絶縁抵抗値、調整量、振動量）を選定する。
電流値の低下により余寿命年数を計算できる機器は遠心ポンプ類、遠心脱水機類、がある。電流値の増加により余寿命を計算できる機器はベルトコンベヤ類、送排風機類、等がある。
摩耗量により余寿命を計算できる機器は、チェーンを使用したコンベヤ、汚泥掻寄機、沈砂掻上機、等、又焼却炉本体、等、がある。
電圧の低下により余寿命を計算できる機器は、コンデンサ、蓄電池、等がある。
絶縁抵抗値の低下により余寿命を計算できる機器は、変圧器、遮断機、動力盤、コンデンサ、電動機、等がある。
調整量の増加により余寿命を計算できる機器は、保護継電器、工業計器がある。
その他、振動量により軸受けの劣化を計算できる機器として、回転機器類がある。
以上の方法により余寿命を計算する対象となる維持管理項目を選定する。
又、近似式の類型は、指数、対数、累乗、多項、線形、より選定される。
ステップ−２
ステップ−１の維持管理項目も値を経過年数毎にインプットする。又、使用限界値をインプットする。同値により経過年数と劣化度の関係を図３，図４、図５、図６，図８、図９、図１０、図１２、図１３、の如くグラフ化し近似式を作成する。
図３の場合、経過年数が１７年目迄に維持管理項目より劣化度（Ｘ２）が計算される。限界劣化度０．８５を入力すると近似式−Ａより余寿命が計算される。この状態でアウトプットすると図３が表示され目視で余寿命を確認する事が出来る。又、得られた近似式−Ａより計算され余寿命は８年となる。即ち、合計使用年数＝２１年＋８年＝２９年 となる。
同様に図８の場合は限界摩耗量を０．４５ｍｍとすると経過年数１７年目において余寿命は６．５年と計算できる。
図９の場合、限界絶縁抵抗値を０．１ＭΩとすると近似式−Ｄより計算した余寿命は４．５年となる。
図１０の場合は限界劣化度を＝０．１とすると近似式−Ｅより余寿命は５年と計算できる。
図１２の場合、工業計器の型式より近似式−Ｆを選定すると、調整量が１００％となり使用限界となるのは経過年数１７年目より残り余寿命は９年と計算できる。
図１３の場合は限界加速度＝６Ｇとすると近似式−Ｉより余寿命は８．５年と計算できる。
ステップ−３
近似式と維持管理項目（電流、電圧、摩耗量、絶縁抵抗値、調節量、振動量）の値、使用限界値より計算された限界劣化度より余寿命年数を計算する。尚、この時、偏差値が大きくなり信頼性が低下する場合は、計算条件を変更し余寿命計算値の精度を上げる。
以上の手順を図７のフローチャートに示す。

発明の効果

本発明により、機器の余寿命年数を、維持管理データを有効利用することにより新たな設備費用を発生させず、理論的に計算することが出来る。
又、個々の機器が設置された場所の維持管理データを使用し近似式を作成するので機器の設置条件（水質、砂分量、温度、ガス成分、絶縁材料、設置場所、等）を加味した近似式が作成できる。

ポンプ性能低下の例 電動機回転数と電流値の関係 遠心ポンプの経過年数と劣化度の関係 遠心ポンプの経渦年数と劣化度の関係（偏差値を加味した場合） ルーツブロワーの経過年数と劣化度の関係 スネークポンプの経過年数と劣化度の関係 作業フローチャート 摩耗量と余寿命の関係 絶縁抵抗値の低下と余寿命の関係 電圧の低下による劣化度と余寿命の関係 調整器概念図 調整量と余寿命の関係 振動量（加速度）と余寿命の関係

Claims (3)

1. 本発明は、下水処理施設、上水処理施設、清掃焼却施設、の機器において、機器の余寿命を、機器の維持管理業務において機器の性能確認に必要な項目として機器の運転中に性能測定機器により測定された値が経過年数により変化する傾向を数式化し、作成した数式により機器の余寿命を計算する方法。
2. 請求項１で作成する数式を機器の運転条件が同一な状態で変化傾向を比較する為、機器の運転中に性能測定機器により測定された値を、運転条件を加味し、運転条件が同一となる様に補正し計算式を作成する。作成した数式により機器の余寿命を計算する方法
3. 請求項１で作成する数式を、機器の停止中に性能測定機器により測定された値が経過年数により変化する傾向を数式化し、作成した数式により機器の余寿命を計算する方法。

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