JP2019050669A - プラントおよびプラントの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の固定子の異常を早期に検出する。【解決手段】実施形態におけるプラントは、駆動機と、界磁コイルを含む回転子および固定子を有し、前記駆動機に駆動されるとともに電力系統に接続可能に設けられる回転電機と、前記回転電機が前記電力系統から切り離されて電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態に前記界磁コイルを界磁する界磁制御手段と、前記定格電圧無電流状態の前記駆動機の出力値および前記回転電機の回転数の少なくともいずれかに基づいて、前記固定子の異常の有無を判定する判定手段と、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、プラントおよびプラントの運転方法に関する。

一般に、発電機において、固定子の異常、例えば、固定子の積層鉄心の異常（層間の短絡による短絡ループ形成）または固定子の電機子コイルの異常（素線間の短絡による短絡ループ形成）が生じた場合、ループ電流による発熱により電気損失が増加したり過熱が発生したりすることで、固定子の損傷が拡大する場合がある。

発電機固定子の積層鉄心の異常、または発電機固定子の電機子コイルの異常を検出する従来の方法として、外観検査またはEL-CID(Electromagnetic Core Imperfection Detector)等があるが、異常を検出できるタイミングが発電機の製造時および定期点検時に限定され、発電機の起動・停止時ないし運転期間中の異常の早期検出は困難である。
また、発電機の運転期間中では、上記のループ電流によって発生する過熱温度を、発電機固定子の積層鉄心端または電機子コイルに設置される温度計によって検知できる可能性はある。しかし、温度計が設置される限られた範囲でしか異常を検出できない。

特開２００８−２４５４１２号公報 特開平１１−１６０１７１号公報 特開平５−１９５７２０号公報 特開平７−２７４５７３号公報

これまで、発電機の起動・停止時では、発電機固定子の積層鉄心および発電機固定子の電機子コイルの異常を早期に検出する最適な方法はなく、発電機の運転中に損傷が拡大し、電機子コイルの地絡事故などが発生するまで検出できない課題があった。

本発明が解決しようとする課題は、回転電機の固定子の異常を早期に検出することが可能なプラントおよびプラントの運転方法を提供することである。

実施形態におけるプラントは、駆動機と、界磁コイルを含む回転子および固定子を有し、前記駆動機に駆動されるとともに電力系統に接続可能に設けられる回転電機と、前記回転電機が前記電力系統から切り離されて電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態に前記界磁コイルを界磁する界磁制御手段と、前記定格電圧無電流状態の前記駆動機の出力値および前記回転電機の回転数の少なくともいずれかに基づいて、前記固定子の異常の有無を判定する判定手段と、を有する。

実施形態におけるプラントの運転方法は、界磁コイルを含む回転子および固定子を有し電力系統に接続可能に設けられた回転電機を駆動機により一定の回転数となるように駆動する駆動ステップと、前記回転電機が前記電力系統から切り離されて電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態に前記界磁コイルを界磁する界磁ステップと、前記定格電圧無電流状態の前記駆動機の出力値および前記回転電機の回転数の少なくともいずれかに基づいて、前記固定子の異常の有無を判定する判定ステップとを備える。

本発明によれば、回転電機の固定子の異常を早期に検出することができる。

第１の実施形態におけるプラントの構成を模式的に示す図。 第１の実施形態における判定手段の機能構成例を示すブロック図。 第１の実施形態における判定手段による動作の手順の一例を示すフローチャート。 第２の実施形態における判定手段の機能構成例を示すブロック図。 第２の実施形態における判定手段による動作の手順の一例を示すフローチャート。 第３の実施形態におけるプラントの構成を模式的に示す図。 第３の実施形態における判定手段の機能構成例を示すブロック図。 第３の実施形態における判定手段による動作の手順の一例を示すフローチャート。

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
以下では発電プラント（単に、プラントと称することがある）の発電機固定子の異常の検出に適用する例について説明するが、電動機固定子を含む各種プラントの回転電機の固定子の異常の検出にも適用できる。
発電プラントの発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常が発生した場合、異常により生じるループ電流により過熱が発生し、発電機固定子の損失が正常時より増加する。
そこで、本発明の実施形態では発電機回転子の駆動機（例えば蒸気タービン）の出力、または発電機回転子の回転数の時間降下率を監視することで、上記の損失の増加を検出する。発電機回転子は、界磁コイルを有し、駆動機により駆動される。各実施形態のプラントは、駆動機と、駆動機により駆動されるとともに電力系統に接続可能に設けられた回転電機と、回転電機の回転子の界磁コイルの界磁状態を制御する界磁制御手段と、回転電機の固定子の異常の有無を判定する判定手段と、を備える。界磁制御手段は、界磁コイルを、回転電機が電力系統から切り離されて電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態となるように界磁することができるように構成される。また、判定手段は、定格電圧無電流状態での駆動機の出力または回転電機（駆動機）の回転数に基づいて固定子の異常の有無を判定できるように構成される。

発電機が電力系統と電気的に接続され、この発電機の電気出力が定格電圧かつ定格電流である時では、発電機固定子の異常による損失は、発電機の電気出力と比較して相対的に小さいため、駆動機の出力の変化から損失を検出することは困難である。
駆動機が発電機回転子を定格回転数で駆動するとき、この駆動機は発電機固定子の正常時の出力に加え、発電機固定子の異常により発生する損失分も出力する必要がある。このため、発電機回転子の回転数が定格回転数で一定となるように駆動する際、発電機固定子に異常がある場合には駆動機の出力が正常時より増加する。
そこで、後述する第１および第２の実施形態では、発電機が電力系統と切り離され、発電機の電気出力が定格電圧かつ無電流となる定格電圧無電流状態の場合について、この駆動機の出力に基づいて、発電機固定子の異常によって生じる損失の増加を検出することについて説明する。

また、定格回転数で回転する発電機回転子の駆動を停止した状態で発電機回転子を界磁し続ける際に発電機固定子の損失が発生すると、発電機回転子の回転数の時間降下率は、発電機回転子の正常時と比較して高くなる。
そこで、後述する第３の実施形態では、発電機が電力系統と切り離されて発電機回転子の駆動機による駆動を停止した状態で、発電機回転子の界磁を一定時間継続することで定格電圧無電流状態とした時の発電機回転子の回転数の時間降下率に基づいて、発電機固定子の異常によって生じる損失の増加を検出することについて説明する。

上記の各実施形態により、損傷が拡大する前に発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルの異常を早期に検出することが可能となる。

（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態におけるプラントの構成を模式的に示す図である。
図１に示すように、第１の実施形態におけるプラントは、蒸気タービンなどの駆動機１、発電機２、界磁制御手段３、判定手段４を有する。
発電機２は、界磁コイルを含む回転子および固定子を有し、駆動機１に駆動されるとともに電力系統に接続可能に設けられる。
界磁制御手段３は、発電機２が電力系統から切り離されて電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態に界磁コイルを界磁する。
判定手段４は、定格電圧無電流状態の駆動機１の出力値に基づいて、固定子の異常の有無を判定する。

図２は、第１の実施形態における判定手段の機能構成例を示すブロック図である。
図２に示すように、第１の実施形態における判定手段４は、入力部（蒸気タービン入力（圧力Ｐ１））４１、入力部（蒸気タービン入力（温度Ｔ））４２、入力部（蒸気タービン入力（蒸気流量（単位時間に流れる流量）Ｑ））４３、入力部（復水器真空度Ｐ２）４４、演算装置４５、比較器４７、記憶装置（蒸気タービン出力正常値）４８、警報出力部４９を備える。

入力部４１〜４４は、駆動機１の各種のパラメータの計測結果をそれぞれ入力する。詳しくは、入力部４１は、図示しない圧力センサにより計測する、蒸気タービンの圧力の計測結果を入力する。入力部４２は、図示しない温度センサにより計測する、蒸気タービンの温度の計測結果を入力する。入力部４３は、図示しない流量センサにより計測する、蒸気タービンの蒸気流量の計測結果を入力する。入力部４４は、真空度センサにより計測する、蒸気タービンからの蒸気を導入する復水器（図示せず）の真空度の計測結果を入力する。

上記の入力部４１〜４４、演算装置４５、比較器４７、警報出力部４９は、デジタル回路またはアナログ回路の構成を主体としたハードウェアで実現することが可能であり、また、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）に含まれるＣＰＵ（Central Processing Unit)およびメモリと、ＣＰＵによりメモリから読み出されて実行されるプログラムを主体としたソフトウェアとの組み合わせでも実現することが可能である。一般的に、ハードウェアで実現した場合には動作速度の点で有利で、ソフトウェアを用いて実現した場合には設計変更の点で有利であると言われている。
また、記憶装置４８は、例えば不揮発性メモリなどの記憶装置として実現することができる。

図３は、第１の実施形態における判定手段による動作の手順の一例を示すフローチャートである。
第１の実施形態では、発電機２が電力系統と切り離された状態で発電機２が定格回転数などのあらかじめ定められた一定の回転数となるように駆動機１により制御され、かつ、発電機（回転電機）２の電気出力が定格電圧かつ無電流であることを前提条件とする。

発電機２が電力系統から切り離された状態で一定の回転数となるように制御される状態は、例えば発電プラントの起動時などに蒸気タービンなどの駆動機１を一定の回転数となるように起動制御して電力系統に接続される直前（すなわち、系統併入前）などの状態である。

第１の実施形態において、このように発電機２が一定の回転数となるように制御されてかつ電力系統と切り離された系統併入前の状態のときに、界磁制御手段３が界磁コイルを発電機（回転電機）２の電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態となるように制御する。
なお、界磁制御手段３が駆動機１の回転数を制御するように構成してもよく、また、駆動機１の回転数を制御する回転数制御装置の一部分として界磁制御手段３を設けても構わない。
判定手段４は、演算装置４５と比較器４７と警報出力部４９を備える。

界磁制御手段３による制御がなされると、判定手段４は、界磁制御手段３からの制御完了信号の入力などにより、条件が定格電圧無電流状態にあることを検知する。この条件において、判定手段４の演算装置４５は、発電機回転子の駆動機１の出力の１種である蒸気タービン入力（圧力Ｐ１）の計測結果を入力部４１から入力し（Ｓ１１）、蒸気タービン入力（温度Ｔ）の計測結果を入力部４２から入力し（Ｓ１２）、蒸気タービン入力（蒸気流量Ｑ）の計測結果を入力部４３から入力し（Ｓ１３）、復水器真空度Ｐ２の計測結果を入力部４４から入力する（Ｓ１４）。
演算装置４５は、Ｓ１１〜Ｓ１４で入力した結果を用いて蒸気タービン出力値を演算する（Ｓ１５）。

比較器４７は、記憶装置４８から蒸気タービン出力正常値を読み出し、この蒸気タービン出力正常値と演算装置４５からの蒸気タービン出力値とを比較することで、演算装置４５からの蒸気タービン出力値が蒸気タービン出力正常値と差異がある（演算装置４５からの蒸気タービン出力値が蒸気タービン出力正常値より大きい）か否かを判定する（Ｓ１６）。

演算装置４５からの蒸気タービン出力値と蒸気タービン出力正常値とに差異がある、またはこの差異が一定値以上である場合（Ｓ１６のＹＥＳ）、比較器４７は、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを判定・検出し、この旨を示す信号を警報出力部４９に出力する。
警報出力部４９は、この信号を受けると、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを示す警報（例えば音声）を出力する（Ｓ１７）。

以上説明したように、第１の実施形態では、発電機が電力系統と切り離され、電気出力が定格電圧かつ無電流である条件において、発電機回転子の駆動機の出力に基づいて蒸気タービン出力値を演算し、この蒸気タービン出力値と蒸気タービン出力正常値との比較に基づいて、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを判定・検出することができ、発電機固定子の異常の判定が可能となる。
よって、発電機の固定子の損傷が拡大する前に高感度で発電機固定子の異常を検出することができる。つまり、固定子の異常を早期に判定・検出することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。以降の実施形態における、第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図４は、第２の実施形態における判定手段の機能構成例を示すブロック図である。
図４に示すように、第２の実施形態における判定手段４は、入力部（軸トルクＴｒ）５０、演算装置４５ａ、比較器４７、記憶装置（蒸気タービン出力正常値）４８、警報出力部４９を備える。

入力部５０は、図示しないひずみゲージによる、蒸気タービンと発電機回転子を接続する軸の軸トルクＴｒの計測結果を入力する。ひずみゲージは、駆動機１と発電機回転子とを接続する軸上に設置され、軸トルクＴｒを計測する。

第１の実施形態と同様に、第２の実施形態における入力部５０、演算装置４５ａ、比較器４７、警報出力部４９は、上記で説明したハードウェアでもソフトウェアでも実現することが可能である。

図５は、第２の実施形態における判定手段による動作の手順の一例を示すフローチャートである。
第１の実施形態と同じく、第２の実施形態では、発電機２が電力系統と切り離された状態で発電機２が定格回転数などのあらかじめ定められた一定の回転数となるように駆動機１により制御され、かつ、発電機（回転電機）２の電気出力が定格電圧かつ無電流であることを前提条件とする。
界磁制御手段３による制御がなされると、判定手段４は、界磁制御手段３からの制御完了信号の入力などにより、条件が定格電圧無電流状態にあることを検知する。この条件において、判定手段４の演算装置４５ａは、軸トルクＴｒの計測結果を入力部５０から入力する（Ｓ２１）。
演算装置４５ａは、Ｓ２１で入力した結果を用いて蒸気タービン出力値を演算する（Ｓ２２）。

比較器４７は、記憶装置４８から蒸気タービン出力正常値を読み出し、この蒸気タービン出力正常値と演算装置４５ａからの蒸気タービン出力値とを比較することで、演算装置４５ａからの蒸気タービン出力値が蒸気タービン出力正常値と差異がある（演算装置４５ａからの蒸気タービン出力値が蒸気タービン出力正常値より大きい）か否かを判定する（Ｓ２３）。

演算装置４５ａからの蒸気タービン出力値と蒸気タービン出力正常値とに差異がある、またはこの差異が一定値以上である場合（Ｓ２３のＹＥＳ）、比較器４７は、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを判定・検出し、この旨を示す信号を警報出力部４９に出力する。
警報出力部４９は、この信号を受けると、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを示す警報（例えば音声）を出力する（Ｓ２４）。

以上説明したように、第２の実施形態では、発電機が電力系統と切り離され、電気出力が定格電圧かつ無電流である条件において、軸トルクに基づいて蒸気タービン出力値を演算し、この蒸気タービン出力値と蒸気タービン出力正常値との比較に基づいて、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを判定・検出することができ、発電機固定子の異常の判定が可能となる。
よって、発電機の固定子の損傷が拡大する前に高感度で発電機固定子の異常を検出することができる。つまり、固定子の異常を早期に判定・検出することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図６は、第３の実施形態におけるプラントの構成を模式的に示す図である。
図６に示すように、第３の実施形態におけるプラントは、蒸気タービンなどの駆動機１、発電機２、界磁制御手段３、判定手段４ａを有する。
判定手段４ａは、発電機２の回転数に基づいて、固定子の異常の有無を判定する。

図７は、第３の実施形態における判定手段の機能構成例を示すブロック図である。
図７に示すように、第３の実施形態における判定手段４ａは、入力部（発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒ）５１、比較器４７、記憶装置（発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒの正常値）５２、警報出力部４９を備える。
入力部５１は、図示しない回転数センサにより計測する、発電機回転子の回転数の時間降下率の計測結果を入力する。

第１の実施形態と同様に、第３の実施形態における入力部５１、比較器４７、警報出力部４９は、上記で説明したハードウェアでもソフトウェアでも実現することが可能である。
また、記憶装置５２は、例えば不揮発性メモリなどの記憶装置として実現することができる。

図８は、第３の実施形態における判定手段による動作の手順の一例を示すフローチャートである。
第１、第２の実施形態と異なり、第３の実施形態では、発電機２が電力系統と切り離されて発電機回転子の駆動機１による駆動を停止した状態で発電機回転子の界磁を一定時間継続することにより、発電機（回転電機）２の電気出力が定格電圧かつ無電流となる定格電圧無電流状態とすることを前提条件とする。

この状態においては、第１および第２の実施形態のように発電機２の回転数は制御されておらず、発電機２は、駆動機１なども含めた回転系の慣性により回転を続ける。
このような状態は、例えば発電プラントにおいてプラントの停止時に発電機２を電力系統から切り離し（解列）、駆動機１である蒸気タービンへの蒸気の供給を遮断し駆動を停止する際などの状態である。

第３の実施形態において、このように発電機２が電力系統と切り離されてその回転数を制御されないままとなっている状態のときに、界磁制御手段３が界磁コイルを発電機２の電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態となるように制御する。

すなわち、本実施形態においては、発電プラントの発電機２は系統に接続されて駆動機１により定格回転数などのあらかじめ定められた一定の回転数となるよう駆動された後に電力系統から切り離されて回転数が制御されない状態となった状態で、界磁制御手段３が界磁コイルを定格電圧無電流状態となるように界磁する。

界磁制御手段３による制御がなされると、判定手段４ａは、界磁制御手段３からの制御完了信号の入力などにより、条件が定格電圧無電流状態にあることを検知する。この条件において、判定手段４ａの比較器４７は、上記のように駆動機１を停止してから所定時間内における発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒの計測結果を入力部５１から入力する（Ｓ３１）。

比較器４７は、記憶装置５２から発電機回転子の回転数の時間降下率の正常値を読み出し、この正常値と、Ｓ３１で入力した発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒとを比較することで、発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒの入力値が正常値と差異がある（入力部５１からの発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒが発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒの正常値より高い）か否かを判定する（Ｓ３２）。

発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒの入力値と正常値とに差異がある、またはこの差異が一定値以上である場合（Ｓ３２のＹＥＳ）、比較器４７は、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを判定・検出し、この旨を示す信号を警報出力部４９に出力する。
警報出力部４９は、この信号を受けると、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを示す警報（例えば音声）を出力する（Ｓ３３）。

以上説明したように、第３の実施形態では、発電機回転子の回転数の時間降下率の入力値と回転数の時間降下率の正常値との比較に基づいて、発電機固定子の積層鉄心または発電機固定子の電機子コイルに異常があることを判定・検出するので、発電機が電力系統と切り離された後、発電機回転子の駆動機を停止した状態で、発電機回転子の界磁を一定時間継続した条件において、発電機固定子に異常があることを判定・検出できる。
よって、発電機の固定子の損傷が拡大する前に高感度で発電機固定子の異常を検出することができる。つまり、固定子の異常を早期に判定・検出することができ、発電機固定子の異常の判定が可能となる。
なお、第３の実施形態において、回転電機を発電機ではなく電動機とする場合、回転電機（電動機）が駆動機を兼ねることとなる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…駆動機、２…発電機、３…界磁制御手段、４，４ａ…判定手段、４１…入力部（蒸気タービン入力（圧力Ｐ１）、４２…入力部（蒸気タービン入力（温度Ｔ））、４３…入力部（蒸気タービン入力（蒸気流量Ｑ）、４４…入力部（復水器真空度Ｐ２）、４５，４５ａ…演算装置、４７…比較器、４８…記憶装置（蒸気タービン出力正常値）、４９…警報出力部、５０…入力部（軸トルクＴｒ）、５１…入力部（発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒ）、５２…記憶装置（発電機回転子の回転数の時間降下率Ｒの正常値）。

Claims (7)

1. 駆動機と、
   界磁コイルを含む回転子および固定子を有し、前記駆動機に駆動されるとともに電力系統に接続可能に設けられる回転電機と、
   前記回転電機が前記電力系統から切り離されて電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態に前記界磁コイルを界磁する界磁制御手段と、
   前記定格電圧無電流状態の前記駆動機の出力値および前記回転電機の回転数の少なくともいずれかに基づいて、前記固定子の異常の有無を判定する判定手段と、
   を備えるプラント。
2. 前記界磁制御手段は、前記回転電機の回転数が一定となるよう制御された状態で、前記界磁コイルを前記定格電圧無電流状態に界磁するよう構成され、
   前記判定手段は、前記駆動機の出力値に基づいて前記固定子の異常を判定する
   請求項１記載のプラント。
3. 前記駆動機は蒸気タービンであり、
   前記蒸気タービンの蒸気流量、蒸気温度、蒸気圧力、および復水器真空度をそれぞれ入力する第１の入力手段と
   前記蒸気タービンからの蒸気を導入する復水器の真空度を入力する第２の入力手段とをさらに備え、
   前記第１および第２の入力手段により入力された結果を用いて前記蒸気タービンの出力値を演算する演算手段、
   を備える請求項２記載のプラント。
4. 前記駆動機と前記回転電機の回転子とを接続する軸上の軸トルクに基づいて前記駆動機の出力値を演算する演算手段、
   を備える請求項２記載のプラント。
5. 前記界磁制御手段は、前記駆動機による駆動を停止した状態で、前記界磁コイルを前記定格電圧無電流状態に界磁するよう構成され、
   前記判定手段は、前記回転電機の回転数の時間変化に基づいて前記固定子の異常を判定する
   請求項１記載のプラント。
6. 界磁コイルを含む回転子および固定子を有し電力系統に接続可能に設けられた回転電機を駆動機により一定の回転数となるように駆動する駆動ステップと、
   前記回転電機が前記電力系統から切り離されて電気出力が定格電圧かつ無電流である定格電圧無電流状態に前記界磁コイルを界磁する界磁ステップと、
   前記定格電圧無電流状態の前記駆動機の出力値および前記回転電機の回転数の少なくともいずれかに基づいて、前記固定子の異常の有無を判定する判定ステップと
   を備えるプラントの運転方法。
7. 前記界磁ステップは、前記駆動ステップを終了した後に行なわれ、
   前記判定ステップは、前記回転電機の回転数の時間変化に基づいて前記固定子の異常を判定する
   請求項６記載のプラントの運転方法。