JP3899686B2

JP3899686B2 - Gas turbine generator shaft torque monitoring device

Info

Publication number: JP3899686B2
Application number: JP20103398A
Authority: JP
Inventors: 俊久舟橋; 伸貴竹内; 春生佐々木; 照久岩佐
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP2000037095A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービン発電機の軸トルク監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンを原動機とする発電機では、過負荷から原動機を保護するために減速機と発電機との間にシェアピンが設けられている。図４はガスタービンを原動機とする発電機を使用した系統の構成図で、図４において４１はガスタービン、４２は発電機で、ガスタービン４１と発電機４２との間には減速機４３が設けられ、減速機４３と発電機４２との間にはシェアピン４４が設けられている。このシェアピン４４は、原動機に過負荷がかかった場合に、原動機が破損しないための保護装置であり、このシェアピン４４にかかるトルクが、一定の値に達すると破断するように設計されている。
【０００３】
この臨界値は通常、発電機定格トルクの数倍である。発電機４２が連系されている電力系統４５で事故があり、発電機４２の電気的出力トルクが急激に変化すると発電機軸にねじりトルクが発生する。この軸ねじりトルクが、上記臨界値を越えない瞬時電圧低下のような事故の場合でもトルクによる振動が発生し、その振動は疲労として蓄積されていく。このように累積された疲労が疲労限度に達した時、クラック（ひび）が出来る。クラックが“臨界長”まで成長した時、シェアピン４４は破断する。“臨界長”に至るためのねじりトルクは、クラック“初期化”のためのそれに比べ何倍も大である。
【０００４】
よって“初期化”から“臨界長”へ至るには、瞬時の場合もあるが長時間がかかる場合もある。シェアピン４４が破断すると、これを修復するには長時間がかかり、その間発電機の運転は不能となる。そのため、あらかじめシェアピン４４の寿命を予測して、発電機４２の点検時にシェアピン４４を交換すれば不要な発電機の停止を防ぐことが出来る。そのために、軸トルク監視装置が必要となる。現在技術で軸トルク監視装置を構成すれば、以下のようになる。図４でガスタービン４１の軸端にトルクゲージを貼り付け、これをＦＭ受信器２１で受信して軸ねじりトルクを検出する。この軸ねじりトルクは検出部２２に入力され、検出部２２では、このトルクが所定の値を越えた場合に警報を発する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
（１）軸ねじりトルクはＦＭ受信器で検出されるため、トルクゲージは露出している部分に貼らなければならない。そのため、ガスタービンの軸にトルクゲージを貼り付けることになる。そこで検出される軸ねじりトルクは、シェアピンにかかる軸ねじりトルクとは異なり、寿命を正確に予測することが出来ない。
【０００６】
（２）軸ねじりトルクの大きさは検出できるが、シェアピンの寿命（あと何サイクルで破断するか）を予測することができない。
【０００７】
（３）ＦＭ受信器を用いるため軸トルク装置の構成が複雑となる。
【０００８】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、シェアピンにかかるトルクを演算し、これを累積することによりシェアピンの寿命を予測できるようにしたガスタービン発電機の軸トルク監視装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、発電機の端子電圧および電流を検出し、この検出信号をディジタル変換して演算処理装置に入力し、演算処理装置で入力した信号を処理して警報を送出するガスタービン発電機の軸トルク監視装置において、
前記演算処理装置は、入力される２相の電圧値、入力される２相の電流値および発電機の定数から電気的出力トルクを算出する電気的出力トルク演算部と、このトルク演算部で算出されたトルクと事故直前の電気的出力トルクおよび発電機の定数から軸ねじりトルクを算出し、原動機、発電機からなる二元連立微分方程式を一元に縮約した微分方程式を解くための一つの積分演算部のみにより構成する軸ねじりトルク演算部と、シェアピンにかかる応力と寿命の関係を示すＳ−Ｎ曲線を、トルク対寿命データに変換して記憶するＳ−Ｎ曲線記憶部と、軸ねじりトルク演算部で算出された軸ねじりトルクの履歴とＳ−Ｎ曲線データからシェアピン寿命を算出してこれを累積するシェアピン寿命演算部と、このシェアピン寿命演算部で算出されたシェアピン寿命が予め設定された値よりも小となったときに警報を発する検出部とを備え、
前記検出部からの警報によってシェアピンの寿命を予測するようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
第２発明は、演算処理装置は、マイクロプロセッサから構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、この発明の実施の形態を述べる前に、図２により、２つの質量で表現したガスタービン発電機ロータについて述べる。図２において、ガスタービン発電機のロータは、バネで接続された複数の質量と考えることができるので、ニュートンの法則により次式（１）、（２）が成り立つ。
【００１３】
【数１】

【００１４】
（１）式、（２）式において、Ｊ₁，Ｊ₂は回転体の質量、Ｔ₁，Ｔ₂は回転体へ与えられるトルク、Ｔ₁₂は軸トルク、δ₁、δ₂は機械的位相角である。
【００１５】
外から与えられるトルクは次の（３）式、（４）式になる。
Ｔ₁＝Ｔ_m ……（３）
Ｔ₂＝−Ｔ_e ……（４）
ここで、Ｔ_mは機械的入力トルク、Ｔ_eは電気的出力トルクである。
【００１６】
また、軸トルクＴ₁₂は次の（５）式で表される。
Ｔ₁₂＝Ｋ₁₂（δ₂−δ₁） ……（５）
ただし、Ｋ₁₂はばね定数である。
【００１７】
上記（１）式から（５）式は、次式（６ａ），（６ｂ）式のようにまとめることができる。
【００１８】
【数２】

【００１９】
なお、電気的出力トルクは次式（７）式で表すことができる。
Te(t)=v_a(t)i_a(t)+v_b(t)i_b+v_c(t)i_c(t) ……（７）
ただし、
v_a，v_b，v_c：発電機端子電圧
i_a、i_b、i_c：発電機端子電流
事故発生から数サイクル以内では、ガバナなどの影響は無視できるので、機械的入力トルクは一定であり、その値は、事故直前の値に等しいと考えることができる。また、事故発生前は定常状態であるので、機械的入力トルクと電気的出力トルクの値は等しい。よって、事故直前の電気的出力トルクをもって事故後の機械的入力トルクを近似することができる。
【００２０】
Ｔ_m＝Ｔ_m0＝Ｔ_e0 ……（８）
ただし、
Ｔ_m0：事故直前の機械的入力トルク
Ｔ_e0：事故直前の電気的出力トルク
なお、図３は、電気的出力トルクと軸ねじりトルクの特性図である。
【００２１】
ここで、この発明の実施の第１形態を図１により説明するに、図４と同一部分は同一符号を付して述べる。図１において、発電機４２の端子電圧および電流は変圧器ＰＴおよび変流器ＣＴで検出してアナログ・ディジタル変換器Ａ／Ｄに入力され、ディジタル信号に変換される。このディジタル信号は、電気的出力トルク演算部１１に供給され、この演算部１１で前記（７）式によって電気的出力トルクを算出する。
【００２２】
電気的出力トルク演算部１１により演算によって算出されたトルクと、事故直前に算出された電気的出力トルク（（８）式参照）および発電機の定数は、軸ねじりトルク演算部１２に供給され、この演算部１２で前記（５）式、（６ａ）および（６ｂ）式によって軸ねじりトルクを算出する。
【００２３】
軸ねじりトルクの履歴が分かれば、それを図５に示すＳ−Ｎ曲線に関連づけることができる。このＳ−Ｎ曲線は、シェアピンにかかる応力と寿命（サイクル）の関係を示す曲線でシェアピンメーカから供給される。この応力対寿命データをトルク対寿命データに変換した後、Ｓ−Ｎ曲線記憶部１３にあらかじめ格納しておく。そして、軸ねじりトルク演算部１２で算出された軸ねじりトルクと、Ｓ−Ｎ曲線記憶部１３に格納されたＳ−Ｎ曲線データをシェアピン寿命演算部１４に供給する。
【００２４】
このシェアピン寿命算出部１４では、軸ねじりトルクに対応するシェアピンの寿命をＳ−Ｎ曲線データから求め、次の（９）式によりシェアピンの寿命を累積する。シェアピン寿命演算部１４により算出された寿命は、検出部１５に供給され、検出部１５では、この寿命があらかじめ設定された値よりも小となった時に警報を発する。
【００２５】
【数３】

【００２６】
なお、図１において、電気的出力トルク演算部１１、軸ねじりトルク演算部１２、Ｓ−Ｎ曲線記憶部１３、シェアピン寿命演算部１４および検出部１５からなる演算処理装置は、マイクロプロセッサ４６から構成される。
【００２７】
次にこの発明の実施の第２形態について述べる。図１、図２において、発電機４２が接地されていない場合、あるいは高抵抗で接地されている場合には、前記（７）式を次式（１０）式のように簡略化することができる。発電機４２の中性点が接地されていないか、高抵抗で接地されている場合には、次式（１０）式が成り立つ。
【００２８】

この（１０）式を（７）式に代入すると、次式（１１）式が得られる。

電気的出力トルク演算部１１で（７）式の替わりに（１１）式を用いることにより、３台の変圧器ＰＴ，変流器ＣＴを、それぞれ２台に削減することができるようになる。
【００２９】
次にこの発明の実施の第３形態について述べる。前記（６ａ）式、（６ｂ）式の二元連立微分方程式を、ひとつの微分方程式に縮約することができる。すなわち、（６ａ）式／Ｊ₁−（６ｂ）式／Ｊ₂より次式（１２）式が得られる。
【００３０】
【数４】

【００３１】
この微分方程式は容易に解くことができ、軸ねじりトルク演算部１２は一つの積分演算部で構成することができるようになる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、軸トルクの値から疲労の蓄積を計算することができるようになり、何かのじょう乱があったときに、次の判断が可能となる。
（Ａ）当該発電機の運転を継続し、シェアピンの点検はしない。
（Ｂ）当該発電機の運転を継続し、次の停止時にシェアピンの点検を計画する。
（Ｃ）直ちに当該発電機の運転を中止し、シェアピンの点検が終了するまで運転しない。
よって以下の利点が得られる。
（１）不必要に発電機の運転を中止することがなくなる。
（２）シェアピンに急速に成長するクラックを残したまま、発電機の運転を継続することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成説明図。
【図２】実施の形態の補足説明用のガスタービン発電機ロータを示す原理説明図。
【図３】実施の形態の補足説明用の電気的出力トルクと軸ねじりトルクの特性図。
【図４】従来例を示す構成説明図。
【図５】Ｓ−Ｎ曲線例を示す特性図。
【符号の説明】
１１…電気的出力トルク演算部
１２…軸ねじりトルク演算部
１３…Ｓ−Ｎ曲線記憶部
１４…シェアピン寿命演算部
１５…検出部
２１…ＦＭ受信器
２２…検出部
４１…ガスタービン
４２…発電機
４３…減速機
４４…シェアピン
４５…電力系統
４６…マイクロプロセッサ
４７…系統連系遮断器
ＰＴ…変圧器
ＣＴ…変流器
Ａ／Ｄ…アナログ・ディジタル変換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shaft torque monitoring device for a gas turbine generator.
[0002]
[Prior art]
In a generator using a gas turbine as a prime mover, a shear pin is provided between the reduction gear and the generator to protect the prime mover from overload. FIG. 4 is a configuration diagram of a system using a generator using a gas turbine as a prime mover. In FIG. 4, reference numeral 41 denotes a gas turbine, 42 denotes a generator, and a speed reducer 43 is provided between the gas turbine 41 and the generator 42. A shear pin 44 is provided between the speed reducer 43 and the generator 42. The shear pin 44 is a protection device for preventing the prime mover from being damaged when the prime mover is overloaded. The shear pin 44 is designed to break when the torque applied to the shear pin 44 reaches a certain value.
[0003]
This critical value is usually several times the generator rated torque. If there is an accident in the power system 45 to which the generator 42 is connected, and the electrical output torque of the generator 42 changes abruptly, a torsion torque is generated on the generator shaft. Even in the case of an accident such as an instantaneous voltage drop where the shaft torsional torque does not exceed the critical value, vibration due to torque occurs and the vibration is accumulated as fatigue. When the accumulated fatigue reaches the fatigue limit, a crack is formed. When the crack grows to the “critical length”, the shear pin 44 breaks. The torsional torque to reach “critical length” is many times larger than that for crack “initialization”.
[0004]
Therefore, from “initialization” to “critical length” may be instantaneous but may take a long time. When the shear pin 44 breaks, it takes a long time to repair it, during which the generator cannot be operated. Therefore, if the life of the shear pin 44 is predicted in advance and the shear pin 44 is replaced when the generator 42 is inspected, it is possible to prevent an unnecessary generator from being stopped. For this purpose, a shaft torque monitoring device is required. If a shaft torque monitoring device is configured with the current technology, it will be as follows. In FIG. 4, a torque gauge is attached to the shaft end of the gas turbine 41, and this is received by the FM receiver 21 to detect shaft torsion torque. The shaft torsion torque is input to the detection unit 22, and the detection unit 22 issues an alarm when the torque exceeds a predetermined value.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
(1) Since the shaft torsion torque is detected by the FM receiver, the torque gauge must be attached to the exposed part. Therefore, a torque gauge is attached to the shaft of the gas turbine. The shaft torsion torque detected there is different from the shaft torsion torque applied to the shear pin, and the life cannot be accurately predicted.
[0006]
(2) Although the magnitude of the shaft torsion torque can be detected, it is impossible to predict the life of the shear pin (in what number of cycles it will break).
[0007]
(3) Since the FM receiver is used, the configuration of the shaft torque device becomes complicated.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a shaft torque monitoring device for a gas turbine generator that calculates the torque applied to a shear pin and accumulates the torque to predict the life of the shear pin. Is an issue.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the terminal voltage and current of the generator are detected, the detected signal is digitally converted and input to the arithmetic processing unit, and input to the arithmetic processing unit. In an axial torque monitoring device for a gas turbine generator that processes a signal and sends an alarm,
The arithmetic processing unit, an electrical output torque calculating section for calculating the electrical output torque voltage value of two phases are entered, from the constant current value and the generator of the 2 phases are entered, calculated by the torque calculation unit Integral to calculate the torsional torque from the measured torque, the electrical output torque immediately before the accident and the generator constant, and to solve the differential equation that is a reduction of the binary simultaneous differential equation consisting of the prime mover and generator A shaft torsion torque calculation unit constituted only by a calculation unit, an SN curve storage unit for storing an SN curve indicating the relationship between stress applied to the shear pin and life and converted into torque-to-life data, and shaft torsion torque and shear pins lifetime calculating unit for accumulating this by calculating the shear pin lifetime from the shaft torsional history torque and S-N curve data calculated by the calculating section, calculated in the shear pin lifetime calculating unit And a detection unit for issuing an alarm when the Eapin life becomes smaller than a preset value,
The life of the shear pin is predicted by an alarm from the detection unit .
[0010]
The second invention is characterized in that the arithmetic processing unit comprises a microprocessor.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, before describing the embodiment of the present invention, a gas turbine generator rotor represented by two masses will be described with reference to FIG. In FIG. 2, since the rotor of the gas turbine generator can be considered as a plurality of masses connected by springs, the following equations (1) and (2) are established according to Newton's law.
[0013]
[Expression 1]

[0014]
In the equations (1) and (2), J ₁ and J ₂ are masses of the rotating body, T ₁ and T ₂ are torques applied to the rotating body, T ₁₂ is an axial torque, and δ ₁ and δ ₂ are mechanical phases. It is a horn.
[0015]
The torque given from the outside becomes the following formulas (3) and (4).
T ₁ = T _m (3)
T ₂ = −T _e (4)
Here, T _m is a mechanical input torque, and _Te is an electrical output torque.
[0016]
Further, the axial torque T ₁₂ is expressed by the following equation (5).
T ₁₂ = K ₁₂ (δ ₂ −δ ₁ ) (5)
However, K ₁₂ is a spring constant.
[0017]
The above formulas (1) to (5) can be summarized as the following formulas (6a) and (6b).
[0018]
[Expression 2]

[0019]
The electrical output torque can be expressed by the following equation (7).
Te (t) = v _a (t) i _a (t) + v _b (t) i _b + v _c (t) i _c (t) (7)
However,
v _a , v _b , v _c : Generator terminal voltage
i _a , i _b , i _c : Within a few cycles from the occurrence of the generator terminal current accident, the influence of the governor can be ignored, so the mechanical input torque is constant, and its value is equal to the value immediately before the accident. Can think. Moreover, since it is in a steady state before an accident occurs, the values of the mechanical input torque and the electrical output torque are equal. Therefore, the mechanical input torque after the accident can be approximated with the electrical output torque immediately before the accident.
[0020]
T _m = T _m0 = T _e0 (8)
However,
T _m0: accident shortly before the mechanical input torque T _e0: electrical output torque of the accident immediately before FIG. 3 is a characteristic diagram of the electric output torque and axial torsional torque.
[0021]
Here, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1. The same parts as those in FIG. In FIG. 1, the terminal voltage and current of the generator 42 are detected by a transformer PT and a current transformer CT, input to an analog / digital converter A / D, and converted into a digital signal. This digital signal is supplied to the electrical output torque calculation unit 11, and the calculation unit 11 calculates the electrical output torque by the equation (7).
[0022]
The torque calculated by the electric output torque calculation unit 11, the electric output torque calculated immediately before the accident (see equation (8)), and the generator constant are supplied to the shaft torsion torque calculation unit 12, The calculation unit 12 calculates the shaft torsion torque using the equations (5), (6a), and (6b).
[0023]
If the history of shaft torsion torque is known, it can be related to the SN curve shown in FIG. This SN curve is a curve showing the relationship between the stress applied to the shear pin and the life (cycle), and is supplied from the shear pin manufacturer. The stress versus life data is converted into torque versus life data, and then stored in advance in the SN curve storage unit 13. Then, the shaft torsion torque calculated by the shaft torsion torque calculation unit 12 and the SN curve data stored in the SN curve storage unit 13 are supplied to the shear pin life calculation unit 14.
[0024]
In this shear pin life calculation unit 14, the shear pin life corresponding to the shaft torsion torque is obtained from the SN curve data, and the shear pin life is accumulated by the following equation (9). The life calculated by the share pin life calculation unit 14 is supplied to the detection unit 15, and the detection unit 15 issues an alarm when the life becomes smaller than a preset value.
[0025]
[Equation 3]

[0026]
In FIG. 1, the arithmetic processing device including the electrical output torque calculation unit 11, the shaft torsion torque calculation unit 12, the SN curve storage unit 13, the shear pin life calculation unit 14, and the detection unit 15 includes a microprocessor 46. Is done.
[0027]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In FIG. 1 and FIG. 2, when the generator 42 is not grounded or is grounded with a high resistance, the equation (7) can be simplified as the following equation (10). . When the neutral point of the generator 42 is not grounded or is grounded with a high resistance, the following equation (10) is established.
[0028]

When this equation (10) is substituted into equation (7), the following equation (11) is obtained.

By using the formula (11) instead of the formula (7) in the electrical output torque calculation unit 11, the three transformers PT and the current transformer CT can be reduced to two each.
[0029]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The binary simultaneous differential equations of the equations (6a) and (6b) can be reduced to one differential equation. That is, the following formula (12) is obtained from the formula (6a) / J _1- (6b) / J ₂ .
[0030]
[Expression 4]

[0031]
This differential equation can be easily solved, and the shaft torsion torque calculator 12 can be constituted by one integral calculator.
[0032]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it becomes possible to calculate the accumulation of fatigue from the value of the shaft torque, and when there is any disturbance, the following determination is possible.
(A) Continue to operate the generator and do not check the shear pin.
(B) Continue the operation of the generator and plan to check the shear pin at the next stop.
(C) Immediately stop the operation of the generator and do not operate until the inspection of the shear pin is completed.
Therefore, the following advantages can be obtained.
(1) The operation of the generator will not be stopped unnecessarily.
(2) The generator will not continue to operate with a crack growing rapidly on the shear pin.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a principle explanatory view showing a gas turbine generator rotor for supplementary explanation of the embodiment.
FIG. 3 is a characteristic diagram of electrical output torque and shaft torsion torque for supplementary explanation of the embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a conventional example.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of an SN curve.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electrical output torque calculating part 12 ... Shaft torsion torque calculating part 13 ... SN curve memory | storage part 14 ... Share pin lifetime calculating part 15 ... Detection part 21 ... FM receiver 22 ... Detection part 41 ... Gas turbine 42 ... Generator 43 ... Reducer 44 ... Share pin 45 ... Power system 46 ... Microprocessor 47 ... System interconnection breaker PT ... Transformer CT ... Current transformer A / D ... Analog / digital converter

Claims

A shaft torque monitoring device for a gas turbine generator that detects the terminal voltage and current of the generator, converts the detected signal into a digital signal and inputs it to the arithmetic processing unit, processes the signal input by the arithmetic processing unit, and sends an alarm. In
The arithmetic processing unit, an electrical output torque calculating section for calculating the electrical output torque voltage value of two phases are entered, from the constant current value and the generator of the 2 phases are entered, calculated by the torque calculation unit Integral to calculate the torsional torque from the measured torque, the electrical output torque immediately before the accident and the generator constant, and to solve the differential equation that is a reduction of the binary simultaneous differential equation consisting of the prime mover and generator A shaft torsion torque calculation unit constituted only by a calculation unit, an SN curve storage unit for storing an SN curve indicating the relationship between stress applied to the shear pin and life and converted into torque-to-life data, and shaft torsion torque and shear pins lifetime calculating unit for accumulating this by calculating the shear pin lifetime from the shaft torsional history torque and S-N curve data calculated by the calculating section, calculated in the shear pin lifetime calculating unit And a detection unit for issuing an alarm when the Eapin life becomes smaller than a preset value,
A shaft torque monitoring device for a gas turbine generator , wherein the life of the shear pin is predicted by an alarm from the detection unit .

2. The axial torque monitoring device for a gas turbine generator according to claim 1, wherein the arithmetic processing unit comprises a microprocessor.