JP2016009352A - プラントの異常予兆診断装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転データが運転負荷に対して一義的な関係式で関係付けられないプラントの異常事象を正確に把握でき、トラブルを未然に防止することができるプラントの診断方法を提供する。【解決手段】プラントから、第１と第２の可変要因の影響を受けて変動する運転データと第１と第２の可変要因を入力する入力手段と、第２の可変要因が一定値であるという前提での運転データと第１の可変要因の関係を基準特性として、複数の第２の可変要因ごとに準備し記憶する記憶手段と、演算手段とを備え、演算手段は、入力した第２の可変要因の値から記憶手段を参照し、複数の基準特性のうち入力した第２の可変要因の値に近い２つの基準特性から、入力した第２の可変要因の値における基準特性を算出し、算出した基準特性に対して上下限のしきい値を設定し、上下限のしきい値と前記運転データと第１の可変要因の値とから、運転データを評価する。【選択図】図８

Description

本発明は、プラントの運転データに基づいてプラントの異常事象を診断するプラントの異常予兆診断装置及び方法に関する。

従来、発電所や機械設備などのプラントにおいて、プラントの各種運転データに基づいてプラントを監視、診断する方法が種々提案、実用化されている。これらは、プラントの各部位に設置されたセンサによりプラントの運転データを収集し、この運転データに基づいて、プラントの制御室にいる運転員がプラントの各種データを直接監視し、またはこれらの短期から長期に渡るデータを分析することでプラントの監視、診断を実施するものである。

図１にプラント診断装置２１の典型的な一例を示す。この図において１２はプラントが設置される現地１０に備えられたプラント監視装置であり、２１は一般的にはプラント現地１０から遠隔の地（プラント診断拠点）２０に設けられたプラント診断装置である。プラント監視装置１２は、制御コントローラ・データ収集手段１３、データ管理手段１４、オペレーションシステム１５、通信手段１６などで構成されており、要するにプラント設置現場１０に設置された各種のセンサが検知したプラント情報を、送信手段１６、通信回線３０を介してプラント監視装置２１内の受信手段２７に送っている。

プラントの診断装置２１では、プラントの各種センサ１１で測定された複数の運転データに基づいて、プラントの劣化を診断する。このためプラント診断装置２１は、複数の運転データに対して設定されたしきい値を診断データベース（診断ＤＢ）２５内に保持している。そしてプラント診断装置２１の演算手段２２は、受信手段２７から得た複数の運転データと、これらの運転データに対応する診断データベース（診断ＤＢ）２５内のしきい値とをそれぞれ比較して、運転データがしきい値を超える場合にその運転データを異常有りと判定する異常予兆判定手段２３と、異常有りと判定された運転データが２以上存在するとき、異常有りと判定された運転データの組み合わせに基づいて異常が発生した部位を特定する異常部位特定手段２４を備えている。

特許文献１には運転データに対応するしきい値を、運転負荷に対応して変動するように設定しているプラント診断装置が示されている。

特開２０１１−７６３３４号公報

特許文献１によれば、しきい値は運転負荷に応じて可変の値とされており、この一例が図２に示されている。ここでは基準値が運転負荷に対して可変に設定されており、基準値に対して所定の許容範囲を示すしきい値の上下限が範囲として設定されている。従って、運転データの値がその時の運転負荷で定まる上下限しきい値の範囲内であれば正常、範囲外であれば異常とされる。

係る設定手法を採用する場合（つまり図２に示すような運転データが運転負荷に対して一義的な関係式で関係付けられる場合）は、正確な異常予兆判定が可能であるが、運転データが環境条件等により大きく左右されるプラントに対しては運転負荷により運転データに対するしきい値を変動させるだけでは正確な異常予兆判定が出来なくなる。

複数の可変要因の影響を受ける運転データの具体的な事例として、例えばコンバインド発電プラントの場合、運転負荷は、ガスタービン負荷と排熱回収ボイラから発生する蒸気で発電する蒸気タービン負荷の合計である。このうち運転負荷の一方の負荷であるガスタービン負荷は、大気温度（吸気温度）の変化に応じて変化する関係にある。具体的には、大気温度が低くなるとガスタービン効率が向上し、ガスタービン負荷が増加するという関係にある。そしてこの結果、運転負荷のバランスとしてガスタービン負荷が増加すると、蒸気タービン負荷が減少するような動作になる。最終的に合計の運転負荷は、増加したガスタービン負荷と減少した蒸気タービン負荷の和として定まる。

このため特に蒸気タービンの各種運転データが、運転負荷に対して一定の特性になりにくく、大気温度の変化に対するガスタービン負荷増分を吸収するように蒸気タービン負荷が減少する特性となるため、運転負荷と蒸気タービンの各種運転データ基準値は、運転負荷と大気温度の２つのパラメータで決定しないと合わなくなる。この事例では、運転データの値が２種類の可変要因の影響を受け、第１の可変要因が運転負荷であり、第２の可変要因が環境条件としての大気温度である。

図３に運転データ（縦軸）が運転負荷（横軸）に対して一義的な関係式で関係付けられないプラントの、運転負荷と、大気温度、運転データ基準値の関係例を示す。ここでは基準値自体が運転負荷に対応した可変の値であり、かつ大気温度をパラメータとして複数の基準値Ｌ５，Ｌ２５，Ｌ３０，Ｌ３５が設定される必要がある。図示の例では、運転データ基準値が大気温度５℃、２５℃、３０℃、３５℃のように、大気温度毎に設定されている。このように運転データ特性が熱平衡線図（ヒートバランス）により運転負荷に対して、運転データ基準値を関係付けることで表現することが出来る。

このようなプラントに対して運転データ基準値Ｌに対するしきい値上限ＬＵ、しきい値下限ＬＬを設定した例を図４に示す。図４の例では、最も小さい基準値Ｌ５（大気温度が５℃）に対するしきい値下限値ＬＬ５から、最も大きい基準値Ｌ３５（大気温度が３５℃）に対するしきい値上限値ＬＵ３５までの温度範囲内が許容範囲ということになってしまう。

以上、運転データ基準値に運転負荷のみならず、大気温度が大きく影響する場合は、図４に示したように、しきい値上限ＬＵを設定するには、大気温度を加味した運転データ基準値の最大上限側より大きく、しきい値下限ＬＬを設定するには、大気温度を加味した運転データ基準値の基準値下限側より小さく設定するようにし、しきい値上限としきい値下限の幅を広く設定しないと誤った異常を検知してしまうことになる。

このため、運転負荷と大気温度からみて本来は異常と判定する運転データであっても、異常と判定することが出来ずに、未然に防止することができたプラント効率の低下やプラント設備の故障等のトラブル発生を防止することができず、経済的な損失をこうむることが想定される。

以上のことから本発明においては、かかる従来技術の問題に鑑み、運転データが運転負荷に対して一義的な関係式で関係付けられないプラントの異常事象を正確に把握でき、トラブルを未然に防止することができるプラントの異常予兆診断装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るプラントの診断装置は、プラントの運転状況を示す運転データが第１と第２の可変要因の影響を受けて変動する運転データに基づいて、プラントの劣化を診断するプラントの異常予兆診断装置であって、
プラントから運転データと第１と第２の可変要因を入力する入力手段と、第２の可変要因が一定値であるという前提での運転データと第１の可変要因の関係を基準特性として、複数の第２の可変要因ごとに準備し記憶する記憶手段と、演算手段とを備え、
演算手段は、入力した第２の可変要因の値から記憶手段を参照し、複数の基準特性のうち入力した第２の可変要因の値に近い２つの基準特性から、入力した第２の可変要因の値における基準特性を算出し、算出した基準特性に対して上下限のしきい値を設定し、上下限のしきい値と前記運転データと第１の可変要因の値とから、運転データを評価する。

以上記載のように本発明によれば、運転データが環境条件等により大きく左右されるプラントに対して、運転負荷と大気温度等の環境条件を用いて各運転データ基準値に対応するしきい値を可変に設定することで、許容範囲を狭く設定することが可能となり、異常予兆判定の精度向上が可能である。

プラント診断装置の典型的な一例を示す図。 基準値が運転負荷に対して可変に設定されたときのしきい値例を示す図。 運転データが運転負荷に対して一義的に関係付けられないプラントの、運転負荷と、大気温度、運転データ基準値の関係を示す図。 図３のプラントに対して運転データ基準値に対するしきい値上限を設定した例を示す図。 現在大気温度における運転データ基準値を算出した例を示す図。 内挿計算を実施して算出した現在の運転データ基準値の例を示す図。 異常特定部位一覧画面の例を示す図。 系統図表示画面の例を示す図。 関連プラントデータのトレンド表示画面を示す図。 異常発生時作業一覧示画面を示す図。 関連部位一覧表示画面を示す図。 本発明のプラント診断処理方法を説明するフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置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。

本発明では、図１の演算手段２２に以下の処理を追加する。演算手段２２は、異常予兆判定手段２３を備えている。また、演算手段２２には、複数の運転データに対応したしきい値がそれぞれ設定されている。例えば、図３に示すように、運転データ基準値が、運転負荷と大気温度により変動する場合は、運転負荷および大気温度に対応して複数設定された（図３の例では４つ）運転データ基準値曲線Ｌ５，Ｌ２０，Ｌ３０，Ｌ３５を備えている。

かつ本発明では、予め作成し、準備された基準温度（５度、２０度、３０度、３５度）での運転データ基準値曲線Ｌ５，Ｌ２０，Ｌ３０，Ｌ３５を、実際の大気温度を用いて補完する。具体的には、準備した運転データ基準値曲線Ｌ５，Ｌ２０，Ｌ３０，Ｌ３５の中から、現在の大気温度にもっとも近い運転データ基準値曲線と２番目に近い運転データ基準値曲線を選択する。例えば現在の大気温度が３１度であったとすると、現在の大気温度である３１度にもっとも近い運転データ基準値曲線としてＬ３０を選択し、２番目に近い運転データ基準値曲線としてＬ３５を選択する。

そのうえで、Ｌ３０とＬ３５の特性から、３１度の現在温度での特性Ｌ３１を内挿計算により求め、現在の大気温度、運転負荷に対する運転データ基準値を算出する。図５に現在大気温度における運転データ基準値を算出した例を示す。現在の大気温度が３１℃の場合は、現在の大気温度に最も近い運転データ基準値（大気温度：３０℃）の曲線Ｌ３０と、２番目に近い運転データ基準値（大気温度：３５℃）の曲線Ｌ３１を選択して、現在の大気温度３１℃により、内挿計算を実施して現在の運転データ基準値Ｌ３１を算出する。

内挿計算を実施して算出した現在の運転データ基準値Ｌ３１の例を図６に示す。この特性Ｌ３１は現在温度に位置づけられた運転データと運転負荷の関係を示しており、運転データは唯一運転負荷のみを可変要因とする値として把握されている。従って、この温度状態での運転負荷に対する運転データの基準値が正しく反映されていることから、運転データ基準値に対してしきい値判定用許容偏差により、しきい値上限、しきい値下限を厳しく（狭い範囲で）設定することができる。図６の基準値Ｌ３１に対する許容偏差は例えば１％であり、上限ＬＵ３１，下限ＬＬ３１は許容誤差の観点から運転負荷ごとに定めることができる。なお、運転負荷ごとの偏差値は、いずれの負荷帯でも一定としてもよく、１％の許容偏差を反映した形にしてもよい。

運転データ基準値が環境条件等により大きく左右されるプラントに対して運転データのみに対応してしきい値を設定した場合は、しきい値上下限の許容偏差の幅を広げて設定して運用する以外に方法がなかったが、このように運転負荷と大気温度によってしきい値を可変する異常予兆判定手段２３を備えることで、しきい値の許容偏差幅を可能な限り狭めることが可能となり、正確な異常予兆判定が可能となる。

異常予兆判定手段２３は、受信手段２７で受信した運転データと、この運転データ、大気温度に対応したしきい値とを比較し、運転データがしきい値を超える場合にはこの運転データが異常有りと判定する。

図１において、異常部位特定手段２４は、異常予兆判定手段２３において異常有りと判定された運転データが２以上存在するとき、異常有りと判定された運転データの組み合わせに基づいて異常が発生した部位を特定する。

図７にプラントの異常部位を特定した際のプラント診断装置の画面出力の例を示す。図７ａは、異常特定部位一覧画面の例であり、これが基準画面となって、以降の画面を選択表示している。図７ａの異常特定部位一覧画面では、異常部位と発生時刻を表示し、併せて系統図、トレンド、作業一覧、関連部位を選択可能である。図７ｂは系統図表示画面例、図７ｃは関連プラントデータのトレンド表示画面例、図７ｄは異常発生時作業一覧示画面例、図７ｅは関連部位一覧表示画面例である。なお図７ａの異常特定部位一覧からはプラント系統のどの部位が異常となったのかを色替え（正常：緑、異常：赤）で表示する画面、異常判定前後の異常判定に使用したプラントデータのトレンドをグラフ表示する画面、異常発生時に必要となる作業を表示する画面、異常発生した部位と関連のある部位の情報を表示する画面への遷移を可能とすることもできる。

出力手段２６では、異常部位特定手段２４で異常有りと特定した部位をプラント診断装置２１のモニタ画面２９に異常と特定した部位の一覧などを図７の事例のように表示し、かつプラント性能に関わる重要部位及び異常が人的被害を及ぼす可能性がある重要部位については音声出力装置２８で異常発生音声を出力する。このような出力手段を有することで運転員に対する迅速な通知と異常発生時の分析・復旧作業をサポートすることが可能となる。

次に、図８を参照して、本発明の実施形態に係るプラント診断処理方法を説明する。図８の処理フローの最初の処理ステップＳ１では、プラント現地１０において、各種センサ１１で計測された運転データを制御コントローラ・データ収集手段１３にて収集する。一例として、排熱回収ボイラ本体の蒸気流量、蒸気温度、蒸気圧力、排熱回収ボイラ出口ガス温度、ガスタービン本体の燃料流量、吸込空気温度、吸込空気流量、ガスタービン出口ガス温度、排ガス温度、蒸気タービンの主蒸気流量、主蒸気圧力、主蒸気温度、低温再熱蒸気流量、低温再熱蒸気圧力、低温再熱蒸気温度、高温再熱蒸気流量、高温再熱蒸気圧力、高温再熱蒸気温度、低圧主蒸気流量、低圧主蒸気圧力、低圧主蒸気温度、などを有する火力発電プラントの異常や長期劣化を診断する場合は、それぞれの機器に設置されたセンサ１１により計測された運転データを制御コントローラ・データ収集手段１３にて収集する。

図１の制御コントローラ・データ収集手段１３では、これらの運転データをデータ管理手段１４に格納するとともに、オペレーションシステム１５を介して運転員に提示する。また、制御コントローラ・データ収集手段１３は、プラント診断装置２１でプラントの異常診断に必要とされる複数の運転データを選択し、送信手段１６により送信する。プラント診断拠点２０では、プラント診断装置２１の受信手段２７にて、送信手段１６で送信された複数の運転データを、通信回線３０を介して受信し、演算手段２２に入力する（処理ステップＳ２）。

処理ステップＳ３では、予め作成準備された複数の運転基準値Ｌ５，Ｌ２９，Ｌ３０，Ｌ３５の中から、現在の大気温度に応じて最も温度が近い２つの運転データ基準値を算出する。先の事例では図５のＬ３０とＬ３５を選択する。さらに運転データ基準値Ｌ３０とＬ３５の内挿計算により、現在温度での運転データ基準値Ｌ３１を作成する。ここまでの処理を反映した図が図５である。

処理ステップＳ４では、現在温度での運転データ基準値Ｌ３１に対して、しきい値判定用許容偏差を適用し、しきい値上限ＬＵ３１、しきい値下限ＬＬ３１を設定する。ここまでの処理を反映した図が図６である。

処理ステップＳ５では、演算手段２２の異常予兆判定手段２３にて、複数の運転データと、これらの運転データと大気温度に対応したしきい値とをそれぞれ比較し、処理ステップＳ６において運転データがしきい値を超えるか否かを判断し、しきい値を超える運転データを異常有りと判定する。

異常有りと判定された運転データが存在しないとき、又はその運転データが２未満であるときは、診断ＤＢ２５に、異常予兆無しの診断情報を格納し（処理ステップＳ７）、出力手段２６により診断情報を出力する（処理ステップＳ８）。

異常有りと判定された運転データが２以上存在するとき、異常有りと判定されたデータの組み合わせに基づいて異常部位を特定する（処理ステップＳ９）。そして、診断ＤＢ２５に、異常部位とその状況を含む診断情報を格納し（処理ステップＳ１０）、出力手段２６により診断情報を出力する（処理ステップＳ１１）。

例えば、上記したコンバインド発電プラントの場合、タービン主蒸気流量、温度、圧力などの運転データは、ガスタービン排熱により回収したエネルギーから発生させた蒸気により蒸気タービンを回転させ発電機出力を得るが、流量、温度、圧力のバランスがくずれた場合に、異常部位が排熱回収ボイラのある特定部位に発生したと診断し、この診断情報を出力する。なお、診断に用いられる運転データは、プラント内に配置された異なる２以上の装置又は設備（例えば、ボイラ本体と水系統装置など）から得られる運転データであってもよい。火力発電プラントを診断対象とした場合、複数の運転データを用いて診断することにより、例えばプラント全体の発電効率、ボイラ効率、タービン効率、又は排煙処理効率等の性能を診断することができる。

コンバインド発電プラントの場合、夏は冬に比べるとガスタービン入口の大気温度が高くなり、それに伴いガスタービン出口の排ガス温度が高くなる。ガスタービン出口排ガス温度には規制があるため、負荷が取れなくなってしまう。本発明は、コンバインド発電プラントの特徴としてガスタービン出力と蒸気タービン出力の合計が電気出力になるという関係が、大気温度によりバランスが大きく変化するという点についてフレキシビリテイを持たせた異常検知方法である。

このように本実施形態によれば、大気温度と運転負荷により運転データ基準値を作成することで、しきい値をより精度の良い値にすることができ、許容偏差を小さくすることが可能となり、正確な異常予兆判定が可能となるため、技術者の熟練度に関わらず定量的でより正確な異常予兆判定が可能である。

１０：プラント現地
１１：各種センサ
１２：プラント監視装置
１３：制御コントローラ・データ収集手段
１４：データ管理手段
１５：オペレーションシステム
１６：送信手段
２０：プラント診断拠点
２１：プラント診断装置
２２：演算手段
２３：異常予兆判定手段
２４：異常部位特定手段
２５：診断データベース（診断ＤＢ）
２６：出力手段
２７：受信手段
２８：音声出力装置

Claims (4)

1. プラントの運転状況を示す運転データが第１と第２の可変要因の影響を受けて変動する運転データに基づいて、前記プラントの劣化を診断するプラントの異常予兆診断装置であって、
   前記プラントから前記運転データと第１と第２の可変要因を入力する入力手段と、第２の可変要因が一定値であるという前提での前記運転データと第１の可変要因の関係を基準特性として、複数の第２の可変要因ごとに準備し記憶する記憶手段と、演算手段とを備え、
   演算手段は、入力した第２の可変要因の値から前記記憶手段を参照し、前記複数の基準特性のうち前記入力した第２の可変要因の値に近い２つの基準特性から、前記入力した第２の可変要因の値における基準特性を算出し、算出した基準特性に対して上下限のしきい値を設定し、上下限のしきい値と前記運転データと第１の可変要因の値とから、運転データを評価するプラントの異常予兆診断装置。
2. 請求項１記載のプラントの異常予兆診断装置であって、
   前記プラントはガスタービンとガスタービン排ガスにより駆動される蒸気タービンを備えたコンバインド発電プラントであって、
   第１の可変要因は運転負荷であり、第２の可変要因は大気温度であることを特徴とするプラントの異常予兆診断装置。
3. プラントの運転状況を示す運転データが第１と第２の可変要因の影響を受けて変動する運転データに基づいて、前記プラントの劣化を診断するプラントの異常予兆診断方法であって、
   前記プラントから前記運転データと第１と第２の可変要因を入力し、第２の可変要因が一定値であるという前提での前記運転データと第１の可変要因の関係を基準特性として、複数の第２の可変要因ごとに準備し、第２の可変要因の値に近い２つの基準特性から、入力した第２の可変要因の値における基準特性を算出し、算出した基準特性に対して上下限のしきい値を設定し、上下限のしきい値と前記運転データと第１の可変要因の値とから、運転データを評価することを特徴とするプラントの異常予兆診断方法。
4. 請求項３記載のプラントの異常予兆診断方法であって、
   前記プラントはガスタービンとガスタービン排ガスにより駆動される蒸気タービンを備えたコンバインド発電プラントであって、
   第１の可変要因は運転負荷であり、第２の可変要因は大気温度であることを特徴とするプラントの異常予兆診断方法。

Images