JP2011256734A - 高温部品の寿命診断方法及び診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン高温部品の損傷状況を把握することができ、高温部品の寿命診断が可能な高温部品の寿命診断方法及び診断装置を提供することにある。
【解決手段】コンバインドサイクル発電プラントは、ガスタービン３と、ガスタービンの排ガスを利用する排熱回収ボイラ６と、ガスタービンの運転を制御するプラント制御装置４１とを有する。温度計１０，１１により、ガスタービンの出口側と排熱回収ボイラの入口側の温度を測定する。データベース４２には、ガスタービンの出口側温度と排熱回収ボイラの入口側温度の温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を蓄積している。プラント制御装置４１は、測定されたガスタービンの出口側温度と排熱回収ボイラの入口側温度の温度差の変化により、データベースに予め蓄積された温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を用いて、ガスタービンの経年劣化を予測診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温部品の寿命診断方法に係り、特に、ガスタービンとガスタービンの排ガスを利用した排熱回収ボイラを有するコンバインドサイクル発電プラントに用いるに好適なガスタービン排ガス温度による高温部品の寿命診断方法及び診断装置に関する。

ガスタービンは、１３００℃といった高温にさらされる高温部品の寿命管理が重要であり、この高温部品を定期的に交換することで安定運転の継続及び性能の維持を図っている。

一般に、ガスタービン高温部品の寿命については、ガスタービンの運転時間と起動回数やトリップ回数といった非定常運転を考慮して寿命消費率を計算し、余寿命を評価している。

なお、ガスタービンの出口温度と、これよりも下流の温度を用いて、ガスタービン出口温度の定常偏差を除去するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開塀６−２６４７６１号公報

しかし、実際には同じような運転条件であってもプラントによって高温部品の損傷状況は異なるため、定期的な分解点検時における部品の損傷状況を確認しながら寿命を想定し、交換周期の策定を行っているのが実情である。

また、ガスタービン高温部品が経年劣化することにより、ガスタービン並びにプラントの出力及び効率は低下し、場合によっては規定の出力が出せなくなったり、効率低下により運用に支障が出る場合がある。この高温部品の劣化に起因する性能低下についても、運転データを監視することで性能が低下していることは判るが、運転中は何が原因で性能が低下しているかを把握することは非常に難しく、また運転中に性能回復対策を実施することも容易ではない。

従って、定期的な点検時にガスタービンを分解・点検することで初めて損傷した高温部品が確認でき、その部分を補修・交換することで性能が回復される。

そのため、必要な出力が達成できない場合には、次の定検まで出力未達のまま運転することを余儀なくされるため、運用に支障をきたしてしまうこととなる。

高温部品は長期的なスケジュールを立て各部品の交換周期を決めており、その周期に従って部品を準備し交換・補修を実施するが、場合によっては点検時に部品が予想外に損傷しており急遽交換や補修を実施する場合がある。

そのため、予想外の部品の損傷が見られたことにより、急遽部品を準備することで定検日数が増加したり、あるいは、計画交換としていた部品があまり損傷を受けていなかったという場合もあるため、ガスタービン高温部品の寿命を正確に把握することは重要であるにもかかわらず、実際には非常に困難である。

以上のように、ガスタービンの高温部品の寿命を単純に分解点検時の点検結果から想定するだけでなく、運転中に部品の損傷状況が確認できれば、先の点検計画に反映しやすくなり、長期的な点検計画への反映にも非常に有益になる。

また、急激な損傷が予想された場合には、早急な部品準備と点検を計画できることから、プラント運用への被害を最小限に食い止めることが可能となる。

従って、プラント運転中における高温部品の損傷状況確認は非常に重要である。

本発明の目的は、ガスタービン高温部品の損傷状況を把握することができ、高温部品の寿命診断が可能な高温部品の寿命診断方法及び診断装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスを利用する排熱回収ボイラとを有するコンバインドサイクル発電プラントに用いられ、前記ガスタービンの高温部品の寿命を診断する高温部品の寿命診断方法であって、前記ガスタービンの排ガス温度を、前記ガスタービンの出口側と前記排熱回収ボイラの入口側で測定し、前記ガスタービンの運転を制御するプラント制御装置は、測定されたガスタービンの出口側温度と排熱回収ボイラの入口側温度の温度差の変化により、データベースに予め蓄積された温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を用いて、前記ガスタービンの経年劣化を予測診断するようにしたものである。
かかる方法により、ガスタービン高温部品の損傷状況を把握することができ、高温部品の寿命診断が可能となる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記プラント制御装置は、前記データベースに予め蓄積された温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を用いて、前記ガスタービンの高温部品の交換時期を予測するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記プラント制御装置は、損傷のスピードが予想よりも早く定検までに予想以上の性能低下を与える可能性がある場合には運転モードの変更を促すようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記プラント制御装置は、燃焼温度が一定となるように、圧縮機出口圧力及び排気温度で設定される排気温度制御線を用いて、前記ガスタービンの出口側の排ガス温度が前記排気温度制御線に一致するように制御するようにしたものである。

（５）また、上記目的を達成するために、本発明は、ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスを利用する排熱回収ボイラと、前記ガスタービンの運転を制御するプラント制御装置とを有するコンバインドサイクル発電プラントに用いられ、前記ガスタービンの高温部品の寿命を診断する高温部品の寿命診断装置であって、前記ガスタービンの出口側と前記排熱回収ボイラの入口側の温度を測定する温度測定手段と、前記ガスタービンの出口側温度と前記排熱回収ボイラの入口側温度の温度差と前記高温部品の損傷レベルとの関係を蓄積したデータベースとを備え、前記プラント制御装置は、測定されたガスタービンの出口側温度と排熱回収ボイラの入口側温度の温度差の変化により、データベースに予め蓄積された温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を用いて、前記ガスタービンの経年劣化を予測診断するようにしたものである。
かかる構成により、ガスタービン高温部品の損傷状況を把握することができ、高温部品の寿命診断が可能となる。

本発明によれば、ガスタービン高温部品の損傷状況を把握することができ、高温部品の寿命診断が可能となる。

本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置を用いる１軸コンバインドプラント発電設備のシステム構成図である。 本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置に用いる、ガスタービン排ガス温度Ｔ１，排熱回収ボイラ入口温度Ｔ２，及びその温度差ΔＴの経時的な変化の説明図である。 本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置における診断原理を説明するための排気温度制御線の説明図である。 本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置による診断方法の説明図である。 本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置による診断方法の説明図である。

以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による高温部品の寿命診断装置を用いる１軸コンバインドプラント発電設備のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置を用いる１軸コンバインドプラント発電設備のシステム構成図である。

空気圧縮機１，ガスタービン３，発電機４及び蒸気タービン５は、一軸に連結されている。空気圧縮機１に取り込まれた空気は圧縮され、燃焼器２に供給される。燃焼器２では、供給された燃料が圧縮空気とともに燃焼される。燃焼ガスは、ガスタービン３に供給され、ガスタービン３を駆動する。ガスタービン３の排熱は、排熱回収ボイラ６に取り込まれる。排熱回収ボイラ６は、ガスタービン３の排ガスを導いて排熱を回収し、排熱回収後のガスを大気へ放出する。排熱回収ボイラ６には、給水ポンプ８により水が供給される。供給された水は、排熱により蒸気となり、蒸気タービン５に供給される。蒸気タービン５は、排熱回収ボイラ６を経て供給される蒸気により駆動される。復水器７は、蒸気タービン５からの排気を復水させ、その復水を給水ポンプ８で排熱回収ボイラ６へ給水する。ガスタービン３及び蒸気タービン５で軸を回し、発電機４を駆動している。

ガスタービン出口近傍に設置された温度計１０及び排熱回収ボイラ入口近傍に設置された温度計１１の各々の計測数値は、プラント性能監視装置である演算制御装置４１に取り込まれる。演算制御装置４１には、損傷データが格納されている。

演算制御装置４１は、ベース負荷一定での運転状態において、計測されたガスタービン排ガス温度Ｔ１と排熱回収ボイラ入口温度Ｔ２とから、その温度差ΔＴを継続的に取り込み監視する。

また、演算制御装置４１は、本プラント及び他の色々なプラントの定検時におけるガスタービン高温部品の損傷状況をデータベース４２に蓄積し、継続的に管理する。データベース４２には、例えば、タービン動翼の先端の損傷やシュラウドの損傷量などを数値化しガスタービン排ガス温度と排熱回収ボイラ入口温度との温度差との関係を蓄積している。

次に、図２を用いて、本実施形態による高温部品の寿命診断装置に用いる、ガスタービン排ガス温度Ｔ１，排熱回収ボイラ入口温度Ｔ２，及びその温度差ΔＴの経時的な変化について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置に用いる、ガスタービン排ガス温度Ｔ１，排熱回収ボイラ入口温度Ｔ２，及びその温度差ΔＴの経時的な変化の説明図である。

図２は、ガスタービン排ガス温度Ｔ１、排熱回収ボイラ入口温度Ｔ２、及びその温度差ΔＴの経時的な変化を示している。

ガスタービン排ガス温度Ｔ１は、季節により変動はあるものの、同じ季節であれば年毎の変化は見られない。これに対して、排熱回収ボイラ入口温度Ｔ２は、季節の変動に加え、時間と共に徐々に低下傾向が見られる。

この時、温度差ΔＴは徐々に大きくなり、定検で高温部品を大幅に交換等した場合には、初期状態に戻る。

次に、図３を用いて、本実施形態による高温部品の寿命診断装置における診断原理について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置における診断原理を説明するための排気温度制御線の説明図である。

図３において、横軸は空気圧縮機の出口圧力を示し、縦軸は燃焼温度を示している。

一般に、ガスタービンは、設計上許容される燃焼温度以下で運転しかつ高効率での運転を行うことを目的に、燃焼温度が一定となるように制御され運転される。しかし、燃焼温度は直接計測できないため、実際には、図３に示す、圧縮機出口圧力及び排気温度で設定される排気温度制御線にて制御される。

ガスタービン出口の排ガス温度は、ガスタービンの運転時間などに伴う経年劣化により温度上昇などの変化が生じる。実運転では、この温度変化が生じてもガスタービンの排気温度をフィードバックして排気温度制御線に一致するように運転することで燃焼温度をコントロールしているため、排気温度制御線から外れることはないが、その分ガスタービンの性能は低下しているため、ガスタービン排ガス温度を正確に捉え、経年劣化を予測する必要がある。

排熱回収ボイラを有するコンバインドサイクル発電プラントにおいては、排ガス温度を排熱回収ボイラ側でも計測している。排熱回収ボイラ出口の温度は、ガスタービン出口から距離が離れていることから、ガスタービン出口と比較するとダクト内で温度が均一化されている。

この時、ガスタービン出口での排ガス温度と排熱回収ボイラ入口での排ガス温度を比較すると、その温度差が経時的に変化する場合が確認されている。これは、上記のようにガスタービン出口の排ガス温度はフィードバックされてあらかじめ決められた値になるように燃料流量を制御しているため、見かけ上ガスタービンの排ガス温度は変化しない。

しかし、実際には、排ガス温度は半径方向に温度分布を持っており、高温部品の損傷等によりその温度分布は変化することから、一定の位置で計測している排ガス温度は同じ燃料消費量でも変化する。

高温部品の損傷等で測定位置での排ガス温度が高くなった場合には、結果として燃料消費量が抑えられてガスタービンの性能が低下することとなる。この時、燃料投入量が減少しているため、排熱回収ボイラへの熱量は低下することから、均一化された排熱回収ボイラ入口の温度は低下することとなる。ここで生じる温度差は、ガスタービン高温部品である動翼先端が高温により減肉したり、ケーシング側のシュラウドと呼ばれる部分が経時的に削られたり高温により減肉したりといった損傷により、翼先端とケーシング側のギャップが増加することによりタービンの仕事量が減少し、排ガスが高温のまま下流へ流されることに起因する。

定検時の分解点検時にこの損傷状況を確認できるため、この温度差と高温部品の損傷状況をデータベース化し関連付けることにより、温度差を把握することで高温部品の損傷状況を予測することができる。

本実施形態では、この温度差に注目し、継続的に計測することにより部品の損傷状況のデータベースと照らし合わせ経年劣化を計算することでガスタービンの高温部品寿命診断を可能としている。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による高温部品の寿命診断装置による診断方法について説明する。
図４及び図５は、本発明の一実施形態による高温部品の寿命診断装置による診断方法の説明図である。

図４は、プラント性能監視装置である演算制御装置４１に備えられているデータベース４２の記憶内容を示している。データベースとしては、温度差と高温部品の損傷レベルを、図４に示すように、分類する。例えば、温度差がΔｔ１以下であれば性能にもあまり影響なく高温部品も継続使用可能とする。温度差がΔｔ１とΔＴ２の間では、性能に影響あるもののまだ軽微であり高温部品も補修により再使用可能とする。温度差がΔＴ２以上であれば、高温部品としても補修が効かず性能にも大きな影響があり早急な交換が必要というように分類する。

図５は、プラント性能監視装置である演算制御装置４１に取り込まれたガスタービン排ガス温度Ｔ１と排熱回収ボイラ入口温度Ｔ２の温度差ΔＴの時間経過を示している。実線は実際に計測された温度差ΔＴを示し、破線は実測値から予測された予測値を示している。

演算制御装置４１は、対象プラントの温度差ΔＴを時々刻々監視し、データベース４２の温度差と比較する。そして、例えば、時間ｔ１において、温度差がΔＴ１になると、性能に影響あるもののまだ軽微であり高温部品も補修により再使用可能であるので、補修が必要と判断する。また、これまでの温度差の実測値から、点線のように温度差の変化を推測し、時間ｔ２に温度差ΔＴ２となると予測できる場合には、その前に補修が必要と判断できる。また、時間ｔ１よりも前の時点で予測することで、時間ｔ１以降で時間ｔ２となる前に補修が必要であると判断する。このように、傾向を確認することで、次回定検時までの損傷状況が予測できる。

これにより、場合によっては計画より早めの交換が必要となる部品があれば事前に準備ができることにより、定検時の損傷が見つかってから対応するような工程遅延を回避することができる。

また、損傷のスピードが予想よりも早く定検までに予想以上の性能低下を与える可能性があることがわかった場合には点検時期を早めたり、運転負荷を下げる等運転モードを変えて、高温部品に負担の少ない運転を実施すること等の対応を事前に取ることで本体の損傷が他の部分に広がることを防ぐことができる。そのために、演算制御装置４１は、運転モードを変えることを促すようにしている。コンバインドサイクル発電プラントとして、ガスタービンを単機で運転している場合には、運転モードを変える例としては、そのガスタービンの運転負荷を下げる例があるが、例えば、複数台のガスタービンを並列運転している際には、性能低下の可能性があるガスタービンの運転負荷を下げると共に、他のガスタービンの運転負荷を上げることで、全体としての負荷が同じとなるように運転モードを変えるようにすることもできる。

また、顧客と長期的なメンテナンスサービス契約を結んでいて管理者が本データを監視している場合には事前に損傷を予測することができるため、顧客に交換部品の推奨や定検の前倒しを提案できる。

なお、以上の説明した実施形態に記載されている発電設備の種類や形態、型式、構成や組み合わせ、設備の容量等は、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎないものである。

１…圧縮機
２…燃焼器
３…ガスタービン
４…発電機
５…蒸気タービン
６…排熱回収ボイラ
７…復水器
８…給水ポンプ
１０，１１…温度計
４１…プラント制御装置
４２…データベース

Claims (5)

1. ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスを利用する排熱回収ボイラとを有するコンバインドサイクル発電プラントに用いられ、
   前記ガスタービンの高温部品の寿命を診断する高温部品の寿命診断方法であって、
   前記ガスタービンの排ガス温度を、前記ガスタービンの出口側と前記排熱回収ボイラの入口側で測定し、
   前記ガスタービンの運転を制御するプラント制御装置は、測定されたガスタービンの出口側温度と排熱回収ボイラの入口側温度の温度差の変化により、データベースに予め蓄積された温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を用いて、前記ガスタービンの経年劣化を予測診断することを特徴とする高温部品の寿命診断方法。
2. 請求項１記載の高温部品の寿命診断方法において、
   前記プラント制御装置は、前記データベースに予め蓄積された温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を用いて、前記ガスタービンの高温部品の交換時期を予測することを特徴とする高温部品の寿命診断方法。
3. 請求項１記載の高温部品の寿命診断方法において、
   前記プラント制御装置は、損傷のスピードが予想よりも早く定検までに予想以上の性能低下を与える可能性がある場合には運転モードの変更を促すことを特徴とする高温部品の寿命診断方法。
4. 請求項１記載の高温部品の寿命診断方法において、
   前記プラント制御装置は、燃焼温度が一定となるように、圧縮機出口圧力及び排気温度で設定される排気温度制御線を用いて、前記ガスタービンの出口側の排ガス温度が前記排気温度制御線に一致するように制御することを特徴とする高温部品の寿命診断方法。
5. ガスタービンと、該ガスタービンの排ガスを利用する排熱回収ボイラと、前記ガスタービンの運転を制御するプラント制御装置とを有するコンバインドサイクル発電プラントに用いられ、
   前記ガスタービンの高温部品の寿命を診断する高温部品の寿命診断装置であって、
   前記ガスタービンの出口側と前記排熱回収ボイラの入口側の温度を測定する温度測定手段と、
   前記ガスタービンの出口側温度と前記排熱回収ボイラの入口側温度の温度差と前記高温部品の損傷レベルとの関係を蓄積したデータベースとを備え、
   前記プラント制御装置は、測定されたガスタービンの出口側温度と排熱回収ボイラの入口側温度の温度差の変化により、データベースに予め蓄積された温度差と高温部品の損傷レベルとの関係を用いて、前記ガスタービンの経年劣化を予測診断することを特徴とする高温部品の寿命診断装置。

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