JP2017182536A - 高温炉設備の保全管理装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】劣化モデルを用いることなく、簡単かつ正確に高温炉設備の余寿命を予測し、高温炉設備の保全管理に役立たせる。【解決手段】高温炉設備１に熱ストレスを与える要素毎にその熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量（高温炉設備１が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値）に換算したポイント値とし、この要素毎のポイント値を高温炉設備１の運転時間を積算期間として積算する。高温炉設備１が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量（Ｘ）とし、高温炉設備１の運転時間を積算期間として積算されたポイント値を蓄積熱ストレス量（Ｚ）とし、寿命熱ストレス量（Ｘ）から蓄積熱ストレス量（Ｚ）を減じた結果から高温炉設備１の余寿命時間（Ｔｒ）を予測する。【選択図】 図１

Description

本発明は、高温炉設備を保全管理する高温炉設備の保全管理装置および方法に関する。

従来より、高温炉設備として燃焼炉や電気炉などが用いられており、この高温炉設備ではバーナによる火炎によって燃焼室内を高温とする。

この高温炉設備において、バーナ筐体等の金属体は、燃焼時には高温となり停止時には低温になり、常に熱ストレスを受ける。このため、高温炉設備では、設備ごとの実績や経験・勘などに基づき、バーナ筐体等の交換を５年、１０年等の交換周期で行っている。

特開平８−２２１４８１号公報 特開２００３−５８２２号公報

しかしながら、従来の方法では、設備ごとの実績や経験・勘などに基づいてバーナ筐体等の交換周期を定めているため、必要のない交換によるコストアップや、寿命が経過しているのにも拘わらず交換しなかったために設備故障などが発生する虞があった。

なお、設備の余寿命を予測して設備の保全管理を行う技術として、例えば特許文献１や特許文献２に示されたような技術がある。

特許文献１では、管理対象の設備にストレスを与える複数の要素について単位時間の要素毎の実データに要素全体に対する各要素が設備に与えるストレスの大きさに応じた重みを乗じて積算し、この積算値に設備の運転時間を乗じた合計を設備がこれまで受けた全ストレスの指標値としている。しかし、この全ストレスの指標値と比較すべき設備の寿命は求めていないので、設備の余寿命は求められない。

特許文献２では、管理対象の設備を構成する部分（部品）毎に余寿命を予測するための劣化モデルを設定しておき、設備が受けるストレスが変化すると、この劣化モデルを修正するようにしている。しかし、この適切な劣化モデルを作成するのが非常に面倒であり、ストレスの変化に応じて劣化モデルを修正しなければならない。

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、劣化モデルを用いることなく、簡単かつ正確に高温炉設備の余寿命を予測し、高温炉設備の保全管理に役立たせることができる高温炉設備の保全管理装置および方法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、高温炉設備（１）が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値を基準熱ストレス量とし、高温炉設備（１）に熱ストレスを与える要素毎にその熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値とし、この要素毎のポイント値を高温炉設備（１）の運転時間を積算期間として積算するポイント値積算部（１０４，２０５）と、高温炉設備（１）が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量とし、高温炉設備（１）の運転時間を積算期間として積算されたポイント値を蓄積熱ストレス量とし、寿命熱ストレス量から蓄積熱ストレス量を減じた結果から高温炉設備（１）の余寿命時間を予測する余寿命時間予測部（１０５，２０６）とを備えることを特徴とする。

本発明において、ポイント値積算部（１０４，２０５）は、高温炉設備（１）に熱ストレスを与える要素毎にその熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量（高温炉設備（１）が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値）に換算したポイント値とし、この要素毎のポイント値を高温炉設備（１）の運転時間を積算期間として積算する。例えば、基準熱ストレス量を１ポイントとし、高温炉設備（１）に熱ストレスを与える要素毎にその熱ストレス量の実値をポイント化し、この要素毎のポイント化された数値を高温炉設備（１）の運転時間を積算期間として積算する。

本発明において、余寿命時間予測部（１０５，２０６）は、高温炉設備（１）が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量とし、高温炉設備（１）の運転時間を積算期間として積算されたポイント値を蓄積熱ストレス量とし、寿命熱ストレス量から蓄積熱ストレス量を減じた結果から高温炉設備（１）の余寿命時間を予測する。例えば、高温炉設備（１）が単位時間に受けた熱ストレス量の平均値をポイント値に換算した値を単位時間当たりの熱ストレス量の平均値とし、この単位時間当たりの熱ストレス量の平均値で寿命熱ストレス量から蓄積熱ストレス量を減じた結果を除した結果を高温炉設備（１）の余寿命時間の予測値とする。

なお、上記説明では、一例として、発明の構成要素に対応する図面上の構成要素を、括弧を付した参照符号によって示している。

本発明によれば、高温炉設備が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値を基準熱ストレス量とし、高温炉設備に熱ストレスを与える要素毎にその熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値とし、この要素毎のポイント値を高温炉設備の運転時間を積算期間として積算し、高温炉設備が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量とし、高温炉設備の運転時間を積算期間として積算されたポイント値を蓄積熱ストレス量とし、寿命熱ストレス量から蓄積熱ストレス量を減じた結果から高温炉設備の余寿命時間を予測するようにしたので、劣化モデルを用いることなく、簡単かつ正確に高温炉設備の余寿命を予測し、高温炉設備の保全管理に役立たせることができるようになる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る高温炉設備の保全管理装置を用いたシステムの構成図である。 図２は、燃焼室内の温度の変化と合わせて単位時間毎の要素毎のポイント値の合計値の変化例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る高温炉設備の保全管理装置を用いたシステムの構成図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

〔実施の形態１〕
図１は本発明の実施の形態１に係る高温炉設備の保全管理装置を用いたシステムの構成図である。

図１において、１は管理対象とされる高温炉設備であり、バーナ２による火炎によって燃焼室３内を高温とする。例えば、燃焼室３内を５００℃以上とする。バーナ２への燃料の供給路４にはバルブ５が設けられており、このバルブ５の開度θを調整することによってバーナ２からの火炎の強さが変化する。高温炉設備１には、燃焼室３内の温度をｔｒとして検出する温度センサ６が設けられている。７はバーナ筐体（金属体）である。

このシステムには、本発明の実施の形態１に係る高温炉設備の保全管理装置（以下、単に保全管理装置と呼ぶ。）１００が設けられている。また、この保全管理装置１００での処理結果を画面上に表示する装置として表示装置８が設けられている。

保全管理装置１００は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、温度勾配熱ストレスポイント値算出部１０１と、温度状態熱ストレスポイント値算出部１０２と、燃焼状態熱ストレスポイント値算出部１０３と、ポイント値積算部１０４と、余寿命時間予測部１０５とを備えている。

以下、保全管理装置１００における各部の機能について、関連する各部の動作を交えながら説明する。なお、この実施の形態１では、高温炉設備１に熱ストレスを与える要素を温度勾配、温度状態、燃焼状態の３つとしている。また、高温炉設備１が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値を基準熱ストレス量とし、この基準熱ストレス量を１ポイントとしている。この例では、５００℃で１分間（単位時間）の熱ストレス量を１ポイント（基準熱ストレス量）とする。

温度勾配熱ストレスポイント値算出部１０１は、温度センサ６が検出する燃焼室３内の温度ｔｒを入力とし、単位時間毎に、下記（１）式により、高温炉設備１が受ける温度勾配の熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値Ｐａを算出する。
Ｐａ＝ｆ（｜Ｔ（ｔ０）−Ｔ（ｔ１）｜） ・・・・（１）

なお、上記（１）式において、Ｔ（ｔ０）は前回の温度状態の熱ストレス量の実値、Ｔ（ｔ１）は今回の温度状態の熱ストレス量の実値を示す。このポイント値Ｐａは高温炉設備１が受ける温度勾配の熱ストレス量の実値をポイント化したものであり、温度勾配が急勾配となればポイント値Ｐａが大きくなる(急勾配→数値大)。

温度状態熱ストレスポイント値算出部１０２は、温度センサ６が検出する燃焼室３内の温度ｔｒを入力とし、単位時間毎に、下記（２）式により、高温炉設備１が受ける温度状態の熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値Ｐｔを算出する。
Ｐｔ＝ｆ（Ｔ（ｔ１）） ・・・・(２)

なお、上記（２）式において、Ｔ（ｔ１）は今回の温度状態の熱ストレス量の実値を示す。このポイント値Ｐｔは高温炉設備１が受ける温度状態の熱ストレス量の実値をポイント化したものであり、高温となるほどポイント値Ｐｔが大きくなる(高温→数値大)。

燃焼状態熱ストレスポイント値算出部１０３は、バルブ５の開度θを入力とし、単位時間毎に、下記（３）式により、高温炉設備１が受ける燃焼状態の熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値Ｐｓを算出する。
Ｐｓ＝ｆ（Ｓ（ｔ１）） ・・・・(３)

なお、上記（３）式において、Ｓ（ｔ１）は今回の燃焼状態の熱ストレス量の実値を示す。このポイント値Ｐｓは高温炉設備１が受ける燃焼状態の熱ストレス量の実値をポイント化したものであり、高燃焼となるほどポイント値Ｐｓが大きくなる(高燃焼中→数値大、低燃焼中→数値中、停止中→数値小)。

ポイント値積算部１０４は、温度勾配熱ストレスポイント値算出部１０１からのポイント値Ｐａ、温度状態熱ストレスポイント値算出部１０２からのポイント値Ｐｔおよび燃焼状態熱ストレスポイント値算出部１０３からのポイント値Ｐｓを要素毎のポイント値として入力し、この要素毎のポイント値を高温炉設備１の運転時間Ｔを積算期間として積算する。

すなわち、ポイント値積算部１０４は、高温炉設備１のこれまでの運転時間Ｔを積算期間とし、この積算期間中のポイント値Ｐａの合計値ΣＰａ、ポイント値Ｐｔの合計値ΣＰｔ、ポイント値Ｐｔの合計値ΣＰｓを求め、この合計値ΣＰａとΣＰｔとΣＰｓとの和をポイント値の積算値Ｚ(Ｚ＝ΣＰａ＋ΣＰｔ＋ΣＰｓ)とする。

図２に燃焼室３内の温度ｔｒの変化と合わせて単位時間毎の要素毎のポイント値の合計値（Ｐａ＋Ｐｔ＋Ｐｓ）の変化例を示す。図２中、Ｔｓは単位時間であり、この単位時間Ｔｓ毎にポイント値ＰａとＰｔとＰｓとの合計値が変化している。ポイント値積算部１０４が算出する積算値Ｚは、この単位時間Ｔｓ毎のポイント値ＰａとＰｔとＰｓとの合計値を高温炉設備１の運転時間Ｔを積算期間として積算したものである。

余寿命時間予測部１０５は、高温炉設備１が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量Ｘとし、ポイント値積算部１０４が算出したポイント値の積算値Ｚ（高温炉設備１の運転時間Ｔを積算期間として積算されたポイント値）を蓄積熱ストレス量とし、寿命熱ストレス量Ｘから蓄積熱ストレス量Ｚを減じた結果から高温炉設備１の余寿命時間を予測する。

より詳細に述べると、余寿命時間予測部１０５は、高温炉設備１が単位時間に受けた熱ストレス量の平均値をポイント値に換算した値を単位時間当たりの熱ストレス量の平均値Ｍとし、この単位時間当たりの熱ストレス量の平均値Ｍで寿命熱ストレス量Ｘから蓄積熱ストレス量Ｚを減じた結果を除した結果を高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒ(Ｔｒ＝(Ｘ−Ｚ)／Ｍ)とする。

なお、余寿命時間予測部１０５で使用される寿命熱ストレス量Ｘは、高温炉設備１の運転実績や試験データをもとに基準熱ストレス量に換算したポイント値として予め定められたものである。保全管理装置１００には、この寿命熱ストレス量Ｘが設定されており、この設定されている寿命熱ストレス量Ｘを読み出して余寿命時間予測部１０５が使用する。また、積算期間とされる高温炉設備１の運転時間Ｔは、高温炉設備１のこれまでの運転時間として計時される時間であり、この計時される運転時間Ｔがポイント値積算部１０４に与えられる。また、余寿命時間予測部１０５で求められた高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒは表示装置８に出力され、表示装置８の画面上に表示される。

このようにして、実施の形態１では、保全管理装置１００において、劣化モデルを用いることなく、簡単かつ正確に、高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒが求められる。また、この保全管理装置１００で求められた高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒを表示装置８の画面上に表示することにより、高温炉設備１の保全管理に役立たせることができる。すなわち、高温炉設備１の余寿命が数値的に可視化されるので、保全予測を立て、設備の安全運転・予算の確保などに利用することができる。また、必要のない交換によるコストアップや、寿命が経過しているのにも拘わらず交換しなかったために設備故障などが発生するなどの虞もなくなり、低コスト化が実現され、設備の安全運転にもつながる。

なお、この実施の形態１では、高温炉設備１に熱ストレスを与える要素を温度勾配、温度状態、燃焼状態の３つとしたが、例えば温度勾配のみとするようにしてもよい。また、バーナ発停回数、稼働時間、運転時間などを高温炉設備１の熱ストレス量に影響を与える要素として考慮するようにしてもよい。例えば、設備稼働時間による加速係数を定め、稼働時間が長い炉は熱ストレス量を大とするなどの方法が考えられる。

〔実施の形態２〕
図３は本発明の実施の形態２に係る高温炉設備の保全管理装置を用いたシステムの構成図である。同図において、図１と同一符号は図１を参照して説明した構成要素と同一或いは同等構成要素を示し、その説明は省略する。

このシステムには、本発明の実施の形態２に係る高温炉設備の保全管理装置（以下、単に保全管理装置と呼ぶ。）２００が設けられている。なお、この実施の形態２の保全管理装置２００は、炉内温度が一定等モデルが単純化できる高温炉設備１に用いる。

保全管理装置２００は、プロセッサや記憶装置からなるハードウェアと、これらのハードウェアと協働して各種機能を実現させるプログラムとによって実現され、燃焼状態判断部２０１と、停止中時間積算部２０２と、高燃焼中時間積算部２０３と、低燃焼中時間積算部２０４と、ポイント値積算部２０５と、余寿命時間予測部２０６とを備えている。

以下、保全管理装置２００における各部の機能について、関連する各部の動作を交えながら説明する。なお、この実施の形態２では、高温炉設備１に熱ストレスを与える要素を停止中、高燃焼中、低燃焼中の３つとしている。また、高温炉設備１が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値を基準熱ストレス量とし、この基準熱ストレス量を１ポイントとする。この点は実施の形態１と同じである。

燃焼状態判断部２０１は、温度センサ６が検出する燃焼室３内の温度ｔｒおよびバルブ５の開度θを入力とし、高温炉設備１の燃焼状態を判断する。例えば、単位時間毎に、「停止中」，「高燃焼中」，「低燃焼中」の３つに分けて、高温炉設備１の燃焼状態を判断する。

この燃焼状態判断部２０１での判断結果は、「停止中」が停止中時間積算部２０２へ送られ、「高燃焼中」が高燃焼中時間積算部２０３へ送られ、「低燃焼中」が低燃焼中時間積算部２０４へ送られる。

停止中時間積算部２０２は、燃焼状態判断部２０１から「停止中」の判断結果が入力される毎に、その「停止中」の判断結果の１回の入力を１単位時間として積算し、その積算値（単位時間の積算値）を停止中積算時間として出力する。

高燃焼中時間積算部２０３は、燃焼状態判断部２０１から「高燃焼中」の判断結果が入力される毎に、その「高燃焼中」の判断結果の１回の入力を１単位時間として積算し、その積算値（単位時間の積算値）を高燃焼中積算時間として出力する。

低燃焼中時間積算部２０４は、燃焼状態判断部２０１から「低燃焼中」の判断結果が入力される毎に、その「低燃焼中」の判断結果の１回の入力を１単位時間として積算し、その積算値（単位時間の積算値）を低燃焼中積算時間として出力する。

ポイント値積算部２０５は、停止中時間積算部２０２からの停止中積算時間、高燃焼中時間積算部２０３からの高燃焼中積算時間、低燃焼中時間積算部２０４からの低燃焼中積算時間を入力とし、停止中積算時間に予め定められた係数αを乗じることによって停止中の熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値としてＰ停止（Ｐ停止＝α×〔停止中積算時間〕）を、高燃焼中積算時間に予め定められた係数β（β＞α）を乗じることによって高燃焼中の熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値としてＰ高（Ｐ高＝β×〔高燃焼中積算時間〕）を、低燃焼中積算時間に予め定められた係数γ（β＞γ＞α）を乗じることによって低燃焼中の熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値としてＰ低（Ｐ低＝γ×〔低燃焼中積算時間〕）を求め、この求めたＰ停止とＰ高とＰ低との和をポイント値の積算値Ｚ（Ｚ＝Ｐ停止＋Ｐ高＋Ｐ低）とする。

このポイント値積算部２０５で求められるポイント値の積算値Ｚは、高温炉設備１が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値を基準熱ストレス量とし、高温炉設備１に熱ストレスを与える要素（停止中、高燃焼中、低燃焼中）毎にその熱ストレス量の実値を基準熱ストレス量に換算したポイント値とし、この要素毎のポイント値を高温炉設備１の運転時間Ｔ（Ｔ＝停止中積算時間＋高燃焼中積算時間＋低燃焼中積算時間）を積算期間として積算した値に他ならない。

余寿命時間予測部２０６は、高温炉設備１が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量Ｘとし、ポイント値積算部２０５が算出したポイント値の積算値Ｚ（高温炉設備１の運転時間Ｔを積算期間として積算されたポイント値）を蓄積熱ストレス量とし、寿命熱ストレス量Ｘから蓄積熱ストレス量Ｚを減じた結果から高温炉設備１の余寿命時間を予測する。

より詳細に述べると、余寿命時間予測部２０６は、高温炉設備１が単位時間に受けた熱ストレス量の平均値をポイント値に換算した値を単位時間当たりの熱ストレス量の平均値Ｍとし、この単位時間当たりの熱ストレス量の平均値Ｍで寿命熱ストレス量Ｘから蓄積熱ストレス量Ｚを減じた結果を除した結果を高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒ(Ｔｒ＝(Ｘ−Ｚ)／Ｍ)とする。余寿命時間予測部２０６で求められた高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒは表示装置８に出力され、表示装置８の画面上に表示される。

このようにして、実施の形態２でも、保全管理装置２００において、劣化モデルを用いることなく、簡単かつ正確に、高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒが求められる。また、この保全管理装置２００で求められた高温炉設備１の余寿命時間の予測値Ｔｒを表示装置８の画面上に表示することにより、高温炉設備１の保全管理に役立たせることができる。

〔実施の形態の拡張〕
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明の技術思想の範囲内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。また、各実施の形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１…高温炉設備、１００…高温炉設備の保全管理装置）、１０１…温度勾配熱ストレスポイント値算出部、１０２…温度状態熱ストレスポイント値算出部、１０３…燃焼状態熱ストレスポイント値算出部、１０４…ポイント値積算部、１０５…余寿命時間予測部、２００…高温炉設備の保全管理装置、２０１…燃焼状態判断部、２０２…停止中時間積算部、２０３…高燃焼中時間積算部、２０４…低燃焼中時間積算部、２０５…ポイント値積算部、２０６…余寿命時間予測部。

Claims (5)

1. 高温炉設備が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値を基準熱ストレス量とし、前記高温炉設備に熱ストレスを与える要素毎にその熱ストレス量の実値を前記基準熱ストレス量に換算したポイント値とし、この要素毎のポイント値を前記高温炉設備の運転時間を積算期間として積算するポイント値積算部と、
   前記高温炉設備が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を前記基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量とし、前記高温炉設備の運転時間を積算期間として積算されたポイント値を蓄積熱ストレス量とし、前記寿命熱ストレス量から前記蓄積熱ストレス量を減じた結果から前記高温炉設備の余寿命時間を予測する余寿命時間予測部と
   を備えることを特徴とする高温炉設備の保全管理装置。
2. 請求項１に記載された高温炉設備の保全管理装置において、
   前記高温炉設備に熱ストレスを与える要素は、
   温度勾配、温度状態、燃焼状態である
   ことを特徴とする高温炉設備の保全管理装置。
3. 請求項１に記載された高温炉設備の保全管理装置において、
   前記高温炉設備に熱ストレスを与える要素は、
   停止中、高燃焼中、低燃焼中である
   ことを特徴とする高温炉設備の保全管理装置。
4. 請求項１に記載された高温炉設備の保全管理装置において、
   前記余寿命時間予測部は、
   前記高温炉設備が単位時間に受けた熱ストレス量の平均値をポイント値に換算した値を単位時間当たりの熱ストレス量の平均値とし、この単位時間当たりの熱ストレス量の平均値で前記寿命熱ストレス量から前記蓄積熱ストレス量を減じた結果を除した結果を前記高温炉設備の余寿命時間の予測値とする
   ことを特徴とする高温炉設備の保全管理装置。
5. 高温炉設備が受ける単位時間当たりの熱ストレス量の基準値を基準熱ストレス量とし、前記高温炉設備に熱ストレスを与える要素毎にその熱ストレス量の実値を前記基準熱ストレス量に換算したポイント値とし、この要素毎のポイント値を前記高温炉設備の運転時間を積算期間として積算するポイント値積算ステップと、
   前記高温炉設備が正常に運転可能な熱ストレス量の限界値を前記基準熱ストレス量に換算したポイント値を寿命熱ストレス量とし、前記高温炉設備の運転時間を積算期間として積算されたポイント値を蓄積熱ストレス量とし、前記寿命熱ストレス量から前記蓄積熱ストレス量を減じた結果から前記高温炉設備の余寿命時間を予測する余寿命時間予測ステップと
   を備えることを特徴とする高温炉設備の保全管理方法。

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