JP2010127417A - キャビテーション診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体を扱う機器や設備における流体圧力損失部に発生するキャビテーションの診断を行う。
【解決手段】調節弁１の上流側流体圧力Ｐ１の所定期間Ｔ内の変動の大きさｐ１を算出する。調節弁１の下流側流体圧力Ｐ２の所定期間Ｔ内の変動の大きさｐ２を算出する。算出した上流側流体圧力の変動の大きさｐ１と下流側流体圧力の変動の大きさｐ２とを比較し、下流側流体圧力の変動の大きさｐ２が上流側流体圧力の変動の大きさｐ１より大きい場合に調節弁１にキャビテーションが発生したと判断する。
【選択図】 図６

Description

この発明は、調節弁やパイプラインなど流体を扱う機器や設備における流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かを判断するキャビテーション診断装置に関するものである。

従来より、調節弁においては、キャビテーション（流体中の圧力の低下によって気泡の発生と崩壊が生じる現象）により、騒音や振動が発生し、ひどい場合には弁本体や下流側の配管を損傷させてしまうという問題がある。この問題は調節弁だけではなく、パイプラインなど流体を扱う機器や設備に共通する。なお、このキャビテーションが発生するのは流路が絞られた場所であり、調節弁では弁体により可変的に開閉制御される絞り部が該当し、この絞り部は流体の圧力損失が生じるので流体圧力損失部と称される。 したがって、流体を扱う機器や設備においては、キャビテーションの発生をオンラインで常時診断し、早期に対応することで、キャビテーションが発生して重大な損傷を被ることを未然に防止することが望まれている。

このために、例えば特許文献１では、調節弁に、弁開度を検出する開度指示計と振動値を検出する振動加速度計を設けると共に、調節弁の上流側流体圧を検出する圧力計と調節弁の上流側流体圧と下流側流体圧との差圧を弁差圧として計測する差圧計と、圧力計による上流側流体圧と差圧計による弁差圧と飽和水蒸気圧とに基づいてキャビテーション係数を演算するキャビテーション係数演算器とを配置し、キャビテーション係数演算によるキャビテーション係数と振動加速計による振動値ならびに開度指示計による弁開度値とから総合的に評価して運転中の調節弁の機械的劣化の有無を判定するようにしている。

この特許文献１において、キャビテーション係数演算器によって演算されるキャビテーション係数を用いれば、調節弁にキャビテーションが発生したか否かを判断することが可能である。例えば、弁差圧をパラメータとして弁開度毎にキャビテーションの発生の有無を判断するための閾値を定めておき、測定時の弁差圧および弁開度に応じた閾値とキャビテーション係数とを比較し、キャビテーション係数が閾値を超えていた場合に調節弁にキャビテーションが発生したと判断する、というような診断方式を採ることが可能である。以下、この診断方式をキャビテーション係数診断方式と呼ぶ。

特開平６−９４１６０号公報

しかしながら、上述したキャビテーション係数診断方式によると、実験的に弁開度と圧力条件を変えてキャビテーションの発生の有無を判断するための閾値を求め、これをデータテーブルとして作成しておく必要があり、データテーブルの準備に労力を必要とし、診断の精度を要求すればするほど大容量のメモリも必要となる。
また、調節弁の弁形式や特性が変わるとデータテーブルも変えなくてはならず、汎用的にキャビテーションの診断を行うことができない。
また、キャビテーションの状態は水温や水質など流体の状態によっても変化するので、同じ圧力条件でもキャビテーションの状態を再現することが困難であり、高精度でのキャビテーションの診断を妨げる。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、データテーブルを用いることなく、汎用的に、しかも高精度で、キャビテーションの診断を行うことが可能なキャビテーション診断装置を提供することにある。

このような目的を達成するために本発明は、流体を扱う機器や設備における流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かを診断するキャビテーション診断装置において、流体圧力損失部の上流側の流体圧力を検出する上流側流体圧力検出手段と、流体圧力損失部の下流側の流体圧力を検出する下流側流体圧力検出手段と、上流側流体圧力検出手段が検出する上流側の流体圧力の所定期間内の変動の大きさを算出する上流側流体圧力変動算出手段と、下流側流体圧力検出手段が検出する下流側の流体圧力の所定期間内の変動の大きさを算出する下流側流体圧力変動算出手段と、上流側流体圧力変動算出手段が算出した上流側流体圧力の変動の大きさと下流側流体圧力変動算出手段が算出した下流側流体圧力の変動の大きさとを比較し、その比較結果に基づいて流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かを判断するキャビテーション判断手段とを設けたものである。

この発明によれば、流体圧力損失部の上流側の流体圧力の所定期間内の変動の大きさが算出され、流体圧力損失部の下流側の流体圧力の所定期間内の変動の大きさが算出され、この算出された上流側流体圧力の変動の大きさと下流側流体圧力の変動の大きさとの比較結果に基づいて、流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かが判断される。例えば、下流側流体圧力の変動の大きさが上流側流体圧力の変動の大きさより大きい場合に、流体圧力損失部にキャビテーションが発生したと判断する。

本発明において、流体圧力損失部を弁体により可変的に開閉制御される絞り部とすれば、調節弁の上流側の流体圧力の変動の大きさおよび下流側の流体圧力の変動の大きさに基づいて、その調節弁にキャビテーションが発生したか否かが判断される。本発明において、流体圧力損失部は、調節弁の内部の弁体により可変的に開閉制御される絞り部に限られるものではなく、オリフィスなどの可変的に開閉制御される弁体を有さない流路であってもよい。

本発明によれば、流体圧力損失部の上流側流体圧力の変動の大きさと下流側流体圧力の変動の大きさとを比較し、この比較結果に基づいて流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かを判断するようにしたので、キャビテーション係数診断方式で必要としていたようなデータテーブルを不要とし、データテーブルを準備するための労力や大容量のメモリを必要とするなどの問題を解消することができるようになる。また、調節弁の弁形式や特性などの違いに拘わらず、汎用的にキャビテーションの診断を行うことができるようになる。また、水温や水質など流体の状態に拘わらず、高精度にキャビテーションの診断を行うことも可能となる。

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図１はこの発明に係るキャビテーション診断装置を用いた調節弁のキャビテーション診断システムの一実施の形態を示す図である。

同図において、１は流体が流れる管路の途中に設けられた調節弁、２は調節弁１の上流側の流体圧力Ｐ１を検出する上流側流体圧力検出器、３は調節弁１の下流側の流体圧力Ｐ２を検出する下流側流体圧力検出器、４は上流側流体圧力検出器２が検出する上流側流体圧力Ｐ１と下流側流体圧力検出器３が検出する下流側流体圧力Ｐ２とから調節弁１にキャビテーションが発生したか否かを判断するキャビテーション診断装置である。なお、本実施の形態において、キャビテーション診断装置４の構成要素には、上流側流体圧力検出器２および下流側流体圧力検出器３も含まれるものとする。

図２にキャビテーション診断装置４のハードウェア構成の概略を示す。同図において、４−１はＣＰＵ、４−２はＲＡＭ、４−３はＲＯＭ、４−４は記憶装置、４−５，４−６はインターフェイスである。ＣＰＵ４−１は、インターフェイス４−４を介して調節弁１の上流側流体圧力Ｐ１および下流側流体圧力Ｐ２を取り込み、ＲＡＭ４−２にアクセスしながら、ＲＯＭ４−３や記憶装置４−４に格納されているプログラムに従って動作する。

記憶装置４−４には、本実施の形態特有のプログラムとして、調節弁１の上流側流体圧力Ｐ１および下流側流体圧力Ｐ２を利用して調節弁１にキャビテーションが発生したか否かを判断するキャビテーション診断プログラムが格納されている。このキャビテーション診断プログラムは、例えばＣＤ−ＲＯＭなどの記録媒体に記録された状態で提供され、この記録媒体から読み出されて記憶装置４−４にインストールされている。

〔診断原理〕
このキャビテーション診断プログラムにおいて、キャビテーションの発生の有無の判断に用いる診断原理は、次のような実証試験を行った結果から得られたものである。

キャビテーション発生時には、気泡の発生と崩壊に伴って大きな圧力波が生じる。そこで、調節弁の下流側の流体圧力変動に着目し、キャビテーションが発生していない場合と発生している場合の流体圧力変動を比較することでキャビテーションの発生の有無を判断可能であるのではないかと推定し、この推定に対しての実証試験を行った。

試験方法としては、２つの圧力センサを用いて、調節弁の上流側および下流側の流体圧力を測定し、それぞれの流体圧力変動を演算した。図３にその結果を示す。図３において、横軸は上流側の流体圧力と下流側の流体圧力との差圧ΔＰ（ＭＰａ）、縦軸は上流側および下流側の流体圧力の変動を対数化した圧力変動レベル（ＰＦＬ）であり、「●」は上流側流体圧力変動、「○」は下流側流体圧力変動を示す。

図３に示した結果から、ある差圧ΔＰ（この例では、０．３ＭＰａ付近）から上流側のＰＦＬと下流側のＰＦＬの大きさが逆転し、下流側のＰＦＬが上流側のＰＦＬよりも大きくなっていることが分かる。このとき、２点のＰＦＬの大小関係はマイクで測定した音圧レベルで判断するキャビテーションの発生状況と相関があり、キャビテーションの発生状況を定量化しているといえる。このこから、下流側の流体圧力の変動の大きさが上流側の流体圧力の変動の大きさより大きい場合に、調節弁にキャビテーションが発生したと判断できることが分かる。

以下、図４に示すフローチャートを参照して、記憶装置４−４に格納されたキャビテーション診断プログラムに従ってＣＰＵ４−１が実行する処理動作について説明する。なお、この処理動作は、所定周期で繰り返し実行される。

まず、ＣＰＵ４−１は、キャビテーション診断プログラムに従って、上流側流体圧力検出器２が検出する調節弁１の上流側流体圧力Ｐ１を読み取る（ステップＳ１０１）。また同様にして、下流側流体圧力検出器３が検出する調節弁１の下流側流体圧力Ｐ２を読み取る（ステップＳ１０２）。

そして、それまでに読み取った最新のＮ個の上流側流体圧力Ｐ１より、すなわち所定周期でサンプリングした最新のＮ個の上流側流体圧力Ｐ１より、そのサンプリング数とサンプリング周期とで規定される所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１の変動の大きさｐ１を算出する（ステップＳ１０３）。

同様にして、それまでに読み取った最新のＮ個の下流側流体圧力Ｐ２より、すなわち所定周期でサンプリングした最新のＮ個の下流側流体圧力Ｐ２より、そのサンプリング数とサンプリング周期とで規定される所定期間Ｔ内の下流側流体圧力Ｐ２の変動の大きさｐ２を算出する（ステップＳ１０４）。

図５に所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１のサンプリング例を示す。この例では、所定期間Ｔ内において、上流側流体圧力Ｐ１₁〜Ｐ１₆の６個の上流側流体圧力Ｐ１がサンプリングされている。この場合、ＣＰＵ４−１は、下記（１）式によって、所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１の変動の大きさｐ１を算出する。

なお、この（１）式において、Ｐ１_AVは所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１の平均値（平均流体圧力）、Ｎは所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１のサンプリング数（データ数）である。所定期間Ｔ内の下流側流体圧力Ｐ２の変動の大きさｐ２もこれと同様にして算出する。

次に、ＣＰＵ４−１は、ステップＳ１０３で算出した所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１の変動の大きさｐ１とステップＳ１０４で算出した所定期間Ｔ内の下流側流体圧力Ｐ２の変動の大きさｐ２とを比較する（ステップＳ１０５）。

ここで、下流側流体圧力Ｐ２の変動の大きさｐ２が上流側流体圧力Ｐ１の変動の大きさｐ１より大きかった場合（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、ＣＰＵ４−１は、調節弁１にキャビテーションが発生したと判断し（ステップＳ１０６）、その旨の診断結果を出力する。

これに対し、下流側流体圧力Ｐ２の変動の大きさｐ２が上流側流体圧力Ｐ１の変動の大きさｐ１以下であれば（ステップＳ１０５のＮＯ）、ＣＰＵ４−１は、調節弁１にキャビテーションの発生はないと判断し（ステップＳ１０７）、その旨の診断結果を出力する。

なお、ＣＰＵ４−１が出力するキャビテーションの発生の有無を示す診断結果を図示されていないディスプレイなどに表示したり、スピーカを介して通知してもよい。これにより、調節弁１の運用方法を変えるなどして、調節弁１の長寿命化を図ることが可能となる。

前述の通り、キャビテーションが発生し、気泡が発生崩壊する時には、非常に大きな圧力波が発生する。調節弁においては、その圧力波を持続的に受け、弁本体、弁体もしくは下流側の配管などが損傷するケースが数多く見受けられる。このキャビテーション発生に伴う調節弁の損傷に対し、従来では調節弁をキャビテーションが発生しにく構造のものに変更するか、メンテナンスの頻度を増やすことで対応していた。これに対し、本実施の形態によれば、キャビテーション発生を自動診断して、キャビテーションの発生を早期に検知することができるので、調節弁をキャビテーションが発生しにく構造のものに変更したり、メンテナンスの頻度を増やすことなく、調節弁の長寿命化を図ることが可能となる。

また、本実施の形態によれば、調節弁１の上流側流体圧力の変動の大きさｐ１と下流側流体圧力の変動の大きさｐ２との比較結果に基づいて調節弁１にキャビテーションが発生したか否かを判断することができるので、キャビテーション係数診断方式で必要としていたようなデータテーブルが不要となり、データテーブルを準備するための労力や大容量のメモリを必要とせず、調節弁の開度情報も必要としない。また、調節弁の弁形式や特性などの違いに拘わらず、汎用的にキャビテーションの診断を行うことができる。また、水温や水質など流体の状態に拘わらず、高精度にキャビテーションの診断を行うことも可能となる。

なお、上述した実施の形態では、調節弁１のキャビテーションを診断するようにしたが、可変的に開閉制御される弁体を有さないオリフィスなどの流路中の絞り部であっても、同様の診断原理によってキャビテーションの発生の有無を判断することが可能である。即ち、流体を扱う機器・設備における流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かを判断することが可能である。

また、上述した実施の形態では、所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１の変動の大きさｐ１および下流側流体圧力Ｐ２の変動の大きさｐ２をサンプリングされた各流体圧力の平均値を基準として（１）式に基づいて求めるようにしたが、例えば、サンプリングされた各流体圧力の最大値と最小値との差を各流体圧力の変動の大きさとして求めたり、（１）式とは別の式に基づいて求めるなどしてもよい。

参考として、図６に、上述した実施の形態におけるキャビテーション診断装置４の要部の機能ブロック図を示す。キャビテーション診断装置４は、調節弁１の上流側の流体圧力Ｐ１を検出する上流側流体圧力検出器２および調節弁１の下流側の流体圧力Ｐ２を検出する下流側流体圧力検出器３をその構成要素として含むと共に、上流側流体圧力検出器２が検出する上流側流体圧力Ｐ１をサンプリングして所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１の変動の大きさｐ１を算出する上流側流体圧力変動算出部４Ａと、下流側流体圧力検出器３が検出する下流側流体圧力Ｐ３をサンプリングして所定期間Ｔ内の下流側流体圧力Ｐ２の変動の大きさｐ２を算出する下流側流体圧力変動算出部４Ｂと、上流側流体圧力変動算出部４Ａによって算出された上流側流体圧力の変動の大きさｐ１と下流側流体圧力変動算出部４Ｂによって算出された下流側流体圧力の変動の大きさｐ２とを比較し、下流側流体圧力の変動の大きさｐ２が上流側流体圧力の変動の大きさｐ１より大きい場合に調節弁１にキャビテーションが発生したと判断するキャビテーション判断部４Ｃとを備えている。このキャビテーション診断装置４において、上流側流体圧力変動算出部４Ａ、下流側流体圧力変動算出部４Ｂ、キャビテーション判断部４Ｃは、ＣＰＵ４Ａの処理機能として実現される。

本発明に係るキャビテーション診断装置を用いた調節弁のキャビテーション診断システムの一実施の形態を示す図である。 このキャビテーション診断装置のハードウェア構成の概略を示す図である。 調節弁の上流側および下流側の流体圧力を測定結果から得られた上流側の流体圧力と下流側の流体圧力との差圧ΔＰと上流側および下流側の流体圧力の変動を対数化した圧力変動レベル（ＰＦＬ）との関係を示す図である。 キャビテーション診断装置のＣＰＵが実行するキャビテーション診断プログラムに従う処理動作を示すフローチャートである。 所定期間Ｔ内の上流側流体圧力Ｐ１のサンプリング例を示す図である。 このキャビテーション診断装置の要部の機能ブロック図である。

符号の説明

１…調節弁、２…上流側流体圧力検出器、３…下流側流体圧力検出器、４…キャビテーション診断装置、４−１…ＣＰＵ、４−２…ＲＡＭ、４−３…ＲＯＭ、４−４…記憶装置、４−５，４−６…インターフェイス、 ４Ａ…上流側流体圧力変動算出部、４Ｂ…下流側流体圧力変動算出部、４Ｃ…キャビテーション判断部。

Claims (3)

1. 流体を扱う機器や設備における流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かを診断するキャビテーション診断装置において、
   前記流体圧力損失部の上流側の流体圧力を検出する上流側流体圧力検出手段と、
   前記流体圧力損失部の下流側の流体圧力を検出する下流側流体圧力検出手段と、
   前記上流側流体圧力検出手段が検出する上流側の流体圧力の所定期間内の変動の大きさを算出する上流側流体圧力変動算出手段と、
   前記下流側流体圧力検出手段が検出する下流側の流体圧力の前記所定期間内の変動の大きさを算出する下流側流体圧力変動算出手段と、
   前記上流側流体圧力変動算出手段が算出した上流側流体圧力の変動の大きさと前記下流側流体圧力変動算出手段が算出した下流側流体圧力の変動の大きさとを比較し、その比較結果に基づいて前記流体圧力損失部にキャビテーションが発生したか否かを判断するキャビテーション判断手段と
   を備えることを特徴とするキャビテーション診断装置。
2. 請求項１に記載されたキャビテーション診断装置において、
   前記キャビテーション判断手段は、
   前記下流側流体圧力の変動の大きさが前記上流側流体圧力の変動の大きさより大きい場合に前記流体圧力損失部にキャビテーションが発生したと判断する
   ことを特徴とするキャビテーション診断装置。
3. 請求項１又は２に記載されたキャビテーション診断装置において、
   前記流体圧力損失部は、調節弁内部の弁体により可変的に開閉制御される絞り部である
   ことを特徴とするキャビテーション診断装置。

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