JP4491228B2 - 発電設備の遠隔運用支援方法及び発電設備の遠隔運用支援システム - Google Patents

発電設備の遠隔運用支援方法及び発電設備の遠隔運用支援システム Download PDF

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Description

本発明は、発電設備の遠隔運用支援方法及び発電設備の遠隔運用支援システムに関する。
プラントの運転支援については、特開2001−249716号公報等に記載されている。また、本発明に関わる先行出願として特願2000−192651号がある。対象発電設備の異常のレベルを判断し、レベルに応じた運転支援情報の配信、または直接復旧対策の実施に関するものである。
特開2001−249716号公報
前述の従来技術では、情報処理フローにおいて、具体的な監視情報項目および発電所に適用する場合に必要とされる原因究明ロジック・制御変更手段等を考慮されていない。
遠隔で発電設備を監視・診断するためには、異常が発生する予兆現象を捉える必要がある。また、異常現象の予兆放置により、計画外停止を予防する必要がある。さらに、仮に計画外停止した場合の停止時間を短縮し、原因究明の短時間究明、および恒久対策立案の時間短縮が課題として残る。
複数の電力供給設備の運用を支援するサービスを実施するに適した監視/診断システムとその運用方法に関し、特に、電力系統に連系される複数個の発電設備群、および自家発電設備/IPP/燃料電池等の分散型電源設備群からなる電力供給システムに有効な技術が望まれる。
本発明の目的は、発電設備に異常又は異常予兆が発生した際、早期に最適な運転支援が可能な発電設備の遠隔運用支援方法及び発電設備の遠隔運用支援システムを提供することにある。
本発明の発電設備の遠隔運用支援方法は、高温燃焼を伴う発電設備を遠隔運用支援する発電設備の遠隔運用支援方法であって、前記発電設備の正常運転状態における目標プロセス値からの現状のプロセス値の偏差または各プロセス値の経時的な変化傾向を演算し、変化傾向の演算結果が予め設定されたしきい値を超えた場合には、異常発生と判断して異常を検知し、予め求められた調整指標と実測データをもとに修正機能により入力された制御設定値修正案による異常放置時間の長さに対する負荷変動解析を、前記発電設備の特性を模擬できるように調整されたシミュレータと制御ロジックが組み合わされた運転特性評価ツールにより行い、解析結果が計画値の許容範囲外の場合は、異常放置時間の長さに対する熱による機器損傷発生の可能性が高いために運転継続不可能と判断し、修正機能を介して制御設定値修正案を繰り返し入力することで前記解析結果が許容範囲内に収まるように制御設定値を調整し、前記解析結果が許容範囲内に収まった場合は、前記調整された制御設定値を、異常放置時間の長さに対する熱による機器損傷発生の可能性が低い制御設定値として発電設備側の通信装置へ送信することを特徴とする。
本発明によると、高温燃焼を伴う発電設備に異常又は異常予兆が発生した際、早期に最適な制御設定値の調整支援が可能な発電設備の遠隔運用支援方法及び発電設備の遠隔運用支援システムを提供することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態では、複数の分散した場所に設置された発電設備からの運転状態や機器の経時的特性等の情報、あるいは直接対象とする発電設備運転員からの情報を前記システムに伝達する手段と、該手段によって得られる情報を処理・診断する手段と、該手段からの情報をもとに設備に異常が発生したと判断した場合には、異常の程度を段階的に重み付けする手段と、前記重み毎に準備された異常時対応情報(例えば、異常または異常予兆発生部位の特定,損傷部分および状況の推定,制御設定値の妥当性検証,復旧時の必要部品とその在庫状況等)を自動的、あるいは本システムの運用者の指示により診断する手段と、得られた情報を前記発電設備の運転担当部署及び運転支援部署に伝達する手段を備えている。
さらに、対処とする発電設備での故障要因を予め蓄積された知識群の中から確度の大きい順に複数個の要因候補と現状の異常状態を継続する場合に進行または波及する事象内容を選択し、選択された項目情報を提供する手段と、対象とする発電設備との通信回線には、複数個の対侵入・妨害対策手段が設けられており、さらに、前記通信回線内の信号は全て暗号化する手段とを備えている。
以下、本発明の実施の形態をガスタービン発電設備を例にして説明する。図1に、本発明を適用した一実施例であるガスタービン発電設備の遠隔運用支援システムを示す構成図を示す。
ガスタービン発電設備1には、ガスタービン発電設備1の運転を制御する運転制御装置2と、ガスタービン内の種々のプロセス値を計測する計測センサー(ガスタービン入口空気性状センサー11,燃焼空気性状センサー12,燃料性状センサー13,燃料弁動作センサー14,排気ガス性状センサー15,発電状態センサー16)が設けられている。
データの通信手段である公衆通信回線6から発電設備側には、データの収録やデータの発信を行うデータ収録・通信装置3,データ収録・通信装置3に具備され、必要とするデータを記憶媒体に記憶し蓄積するデータ蓄積装置4,通信セキュリティ装置5が設けられている。運転制御装置2および計測センサーの情報は、データ収録・通信装置3に送られ、このデータ収録・通信装置3から、通信セキュリティ装置5を経由し、公衆通信回線6介して、監視及び診断側に送られる。
データの通信手段である公衆通信回線6から監視及び診断側(監視者側)には、通信セキュリティ装置7,データの受信を行うデータ受信装置8、このデータ受信装置8に具備され、必要とするデータを記憶媒体に記憶し蓄積するデータ蓄積装置9、が設けられている。前述した公衆通信回線6介して監視及び診断側に送られる運転制御装置2および計測センサーの情報は、通信セキュリティ装置7を経由して、データ受信装置8に送られ、データ受信装置8から運転状態監視・診断機能10へ入力される。
ここで、通信情報の内容例を説明する。運転制御装置2の情報とは、例えば、制御操作端操作信号,発電出力要求信号,保護動作信号等である。センサー情報とは、ガスタービン入口空気性状センサー11,燃焼空気性状センサー12,燃料性状センサー13,燃料弁動作センサー14,排気ガス性状センサー15、および発電状態センサー16である。
また、公衆通信回線6の入側及び出側に配置された通信セキュリティ装置5及び通信セキュリティ装置7との間での通信情報は、暗号化処理されている。更に、通信セキュリティ装置5および通信セキュリティ装置7は、外部からの本システム通信回線へのアクセス権認証機能を有している。
次に、本システムの監視・診断機能10の内容を、図2を用いて説明する。図2は、本発明を適用した一実施例である異常監視/診断機能のアルゴリズムを示す。図1中のデータ受信装置8からの情報が監視・診断機能10に送られると、監視・診断機能10内のプロセス値トレンド監視画面17上に表示され、ガスタービン発電設備1の径時的な動的特性を監視する。このプロセス値トレンド監視画面17は、燃焼監視画面18の一部として同時に表示することもできる。この燃焼監視画面18上に表示された情報およびデータ受信装置8からの情報は、異常検知機能19内の信号処理により、対象設備1の正常運転状態からの偏倚または各プロセス値の動的傾向を演算し、予め設定されたしきい値を超えた場合には、異常または異常予兆発生と判断し、その異常レベルを以下の方法で判定する。
重故障判定器20では、異常検知機能19の出力信号をトリガーとし、前記プロセス値トレンド監視画面17の入力値をもとに、発電設備1の運転状態を現状のまま放置すると、ハードウェア自体に重大な損傷が発生するため、直ちに発電設備を停止する必要があると判断した場合には、異常対策タスク21へトリガー信号を出力する。発生しないと判断した場合は、第一の軽故障判定器22へと、判定を移行する。
第一の軽故障判定器22では、以下の情報処理を実施する。第一の軽故障判定器22からの情報は、異常重大度レベル評価機能23により、異常放置時間の長さによって機器損傷発生の可能性を評価し、復旧可能評価判断器25へ情報を伝達する。同様に、第二の軽故障判定器24にて“軽故障レベル2”と判断された情報は、前記復旧可能評価判断器
25へ伝達される。復旧可能評価判断器25では、制御設定値調整による状態回復が可能であるかどうかを判定し、可能である場合は、制御設定値チューニング支援機能26へ伝達し、制御操作量を調整する。不可能の場合は、復旧可能評価判断器25の情報を、送信情報整理機能27へと伝達する。
一方、制御設定値チューニング支援機能26からの情報は、推奨更新設定値送信機能
28へ伝達される。推奨更新設定値送信機能28および送信情報整理機能27では、診断結果,推奨運転方法,放置した場合に発生する波及効果等の情報を、顧客提示機能29へ伝達し、異常発生要因/運転支援情報等の情報を運転管理者に提供する。このように、発電設備に関する複数の異常又は異常予兆データに対応する異常時の対応が設定される。つまり、これら機能が、発電設備に関する複数の異常又は異常予兆データに対応する異常時対応データが記憶されたデータベースに相当する。
次に、図3を用いて異常対策タスク21の内容について、説明する。図3は、本発明を適用した一実施例である異常対策タスクのアルゴリズムを示す。
図2中の重故障判定器20からのトリガー信号により、原因究明/復旧タスク30が作動し、設備復旧タスク31,不具合再現タスク32および恒久対策タスク33へトリガー信号および前記データ受信装置8からの情報を伝達する。
設備復旧タスク31では、得られた情報、および予め劣化または損傷の発生しやすい高温部材の解析・定期点検情報をもとに、情報送信機能34から、劣化/損傷状態の推測および特定された部位の定期点検等の情報37が、分解検査/交換手順送信機能38へ送られる。分解検査/交換手順送信機能38には、予め複数部位の検査方法および交換手順の情報が設定されており、交換に必要な部材の情報39を選択後、予備品データベース40を介して、部品選択・在庫部品点数情報等を、サイト復旧作業者47へ送信する。同時に、前記検査方法および交換手順情報41を、サイト復旧作業者47へ送信する。
不具合再現タスク32では、得られた情報をもとに、予め対象設備1の特性を模擬出来るように調整された静的特性および動的特性評価シミュレータを内包した推定原因シューティング機能35によって、図1に示した各プロセス値計測センサー11〜16以外の場所での異常または異常予兆の発生情報42を、例えば対策会議44に提示する。
恒久対策タスク33では、対象設備1および同型のガスタービン設備での過去異常事例データを比較する過去/異常データ比較グラフ自動作成機能36により、対策検討に必要な情報43、例えば正常時のプロセスデータと異常時データとの比較グラフ,燃料と空気の質量比グラフ等を、前記対策会議44に提示する。
対策会議44で検討された方針または知見は、対策品試験担当部署45へ指示し、効果大であれば対象設備1へ物品を発送する。同時に、サイトの顧客への説明情報46、例えば原因説明,応急/恒久対策案説明および判断の用いたバックデータ等の情報を、前記サイト復旧作業者47へ送信する。
このようにタスクの種類によってサービス形態を設定することができる。つまり、これら機能が、異常時対応データに対応するサービス形態が記憶されたデータベースに相当する。
次に、図4を用いて燃焼監視画面18の基本仕様について、説明する。図4は、本発明を適用した一実施例である燃焼監視画面を示す。ここでは、例として燃焼器形式は予混合燃焼を用いた低窒素酸化物発生の燃焼器に適用した場合を記述する。
燃焼監視画面18には、少なくとも以下の監視情報および診断機能等の起動トリガーが表示される。
プラントの運転状態表示48では、発電指令値,ガスタービン発電設備1の発電出力,燃料指令値および燃焼状態等の情報が表示される。ここでは、MWD値(MW),軸負荷値(MW),燃料指令値(FFD)及び燃料モードを表示可能
としている。
排気温度および燃焼器内圧分布表示49では、対象発電設備名(プラント名)、複数台のガスタービンが設置されている場合にはその番号、および設備の型式を表示可能としている。また、同心円状に配置された複数の燃焼器(例えば、#1〜#10)での圧力分布と、排気部分に複数個設置された図1中の排気ガス性状センサー15の温度分布とを表示可能としている。この温度分布情報は、ガスタービン発電設備1の負荷に対応する燃焼ガスの旋回角に応じた表示がなされる。
イベント情報表示部50では、異常または異常予兆の発生項目を表示することができる。本実施例では「高温部材温度上昇中」と表示される。また、異常発生の場合に実施する第一の軽故障判定器22および前記原因究明・復旧タスクである異常対策タスク21のトリガーボタン(要因分析ボタン,対策ボタン)が表示される。このトリガーボタンの設置により第一の軽故障判定器22および異常対策タスク21にトリガー信号を送ることができる。
表示メニュー51には、燃焼監視画面18右側欄に表示されるトレンド画面の時間軸設定ボタンおよび印刷ボタンが表示される。トレンド画面とは、燃焼器内圧情報表示52,高温部材温度表示53,排気温度表示54,排気性状表示55,運転状態表示56を示す。ここでは、時間軸設定ボタンとして、1時間トレンド,10分間トレンド,1分間トレンド,時間指定、等の複数のボタンが準備されている。また、印刷ボタンとして、ハードコピー,ディジタル値印刷等の複数のボタンが準備されている。
燃焼器内圧情報表示52には、圧力変動特性として振幅(MPa),周波数(Hz),最大変動燃焼器場所Max缶No.等が表示され、警報を発するレベルと燃焼器内圧の時系列データとのグラフが表示される。
高温部材温度表示53では、温度最大となる燃焼器内の部材温度が表示される
。缶No.が表示され、警報を発する上限レベルと部材温度変化のデータとのグラフが表示される。
排気温度表示54では、ガスタービン発電設備1の排気部分に分散して設置されたセンサー15情報より、最大・最小値および最大最小値との差を示す排気温度スプレッド値情報が表示される。また、Max缶No.およびMin缶No.が表示され、且つ警報を発する上限レベルと排気温度スプレッド値変化のデータとのグラフが表示される。
排気性状表示55では、排気ガス性状センサー15情報より、排気ガス中の窒素酸化物発生情報が表示される。ここでは、排気NOx値が表示され、警報を発するレベルと排気NOx値の時系列データとのグラフが表示される。
燃焼器の運転状態表示56には、燃焼状態を支配する燃空比(燃料と空気の質量比率で定義,F/A)情報が表示される。また、警報を発する上限及び下限レベルと燃空比の時系列データとのグラフが表示される。
次に、図5を用いて第一の軽故障判定器22のアルゴリズムを、説明する。図5は、本発明を適用した一実施例である軽故障判定器のアルゴリズムを示す。データ受信装置8からの情報をもとに、高温ガス通路部,燃料ノズルおよび燃焼状態について、制御装置2及び各計測センサーの情報の傾向を、あらかじめ任意値に設定した監視周期時間にもとづいて評価する。例えば、高温ガス通路部位については、対象ガスタービン発電設備1の軸出力,排気温度,圧縮機吐出圧力・空気流量,高温部位メタル温度および燃空比等の変化傾向を監視する。各監視項目について、予め構成されたAND/ORロジックにより、異常と診断した場合には、“軽故障1”発生と判断し、該情報と例えば“運転負荷を下げる”等の運転支援情報を出力する。つまり、故障程度と、各種データの傾向に応じて異常時の対応である運転支援情報を出力が可能である。なお、このアルゴリズムは予めデータベース化され、システム内に記憶されている。
次に、図6を用いて制御変更診断自動起動機能である復旧可能評価判断器25のアルゴリズムを説明する。図6は、本発明を適用した一実施例である制御変更診断自動起動のアルゴリズムを示す。予め構成されたAND/ORロジックにより、状態判断基準1,2,3について、燃空比の計画値と実測値偏差が大きく、かつ“軽故障1”でなく、アクチュエータ異常でなく、負荷変化中でない場合、圧縮機空気量,燃料流量および燃料指令値の変化が許容値を逸脱したら、トリガー信号を出力する。
次に、図7を用いて制御設定値調整支援機能26および復旧支援機能である不具合再現タスク32のアルゴリズムについて説明する。本発明を適用した一実施例である制御設定変更支援機能及び復旧支援機能のアルゴリズムを示す。予め試運転および運転実績データにより実機特性を模擬できるように調整されたガスタービン・ダイナミックシミュレーターと実装制御ロジックとが組み合わされた運転特性評価ツール57により、以下の方法で制御設定値調整支援機能26および復旧支援機能である不具合再現タスク32を実施する。
図7に示すように、軽故障2の場合には、予め感度解析及び先行事例により求められた調整指標と、実測データにより対象となる調整項目を選択・自動調整する手段を内包する修正機能60からの情報により、前記運転特性評価ツール57を内包した負荷変動運転解析機能58を作動させ、得られた結果が計画値の許容範囲となったかを判定器59で実施する。
判定器59出力がNOの場合は、修正機能60を介し、繰り返し調整する。判定器59出力がOKの場合は、得られた推奨制御設定値,推奨運転方法および評価のバックデータ等の送信情報61を、前記送信機能28へ出力する。
重故障の場合には、前記不具合再現タスク32にて、データ収録・通信装置3から自動または手動で送信される故障前X時間データ62を用いて前記運転特性評価ツール57により再現解析し、推定原因および判定に用いたバックデータ63を送信情報66へ出力する。ここで、前述データ62のX時間は、任意に設定が可能である。
一方、前記対策会議44等の検討結果を反映し、かつ前記データ蓄積装置9内の対処設備1運転実績値を用いて前記運転特性評価ツール57により解析する機能64により、対策効果および評価に用いたバックデータ65を、送信情報66へ出力する。送信情報66とは、原因,対策効果,推奨運転方法および評価バックデータ等であり、前記サイト復旧作業者47および前記発電設備管理者へ提供する。
以下、前記設備管理者との契約形態について記述する。契約料は、サービス内容の技術的難易度に応じて、以下の順序で決められる。
ここで技術的難易度とは、特に複雑な演算や解析計算を実施することではなく、製造メーカーが長期にわたり蓄積したノウハウ・技術力の適用範囲である。
運転継続するか/次回停止時に点検するかは顧客判断とする契約の場合は、前記図2中の異常検知機能19での検知された異常予兆情報のみを、前記運転管理者へ送信するサービス形態となる。
放置により該当設備が計画外停止した場合の復旧・原因究明情報の提供を契約した場合は、前記図2中の故障判断機能20〜24、および図3中の不具合再現タスク32の出力情報を、前記運転管理者へ送信するサービス形態となる。
制御設定値の調整支援を契約した場合には、前記図2中の設定値チューニング機能26の出力情報を、前記運転管理者へ送信するサービス形態となる。
運転復旧に必要な部材の選択及び手配支援を契約した場合には、前記図3中の設備復旧タスク31の出力情報を、前記運転管理者へ送信するサービス形態となる。
恒久対策の立案を契約した場合には、前記図3中の恒久対策タスク33の出力情報を、前記運転管理者へ送信するサービス形態となる。
このような、異常時対応データに対応するサービス形態をデータベース化して記憶媒体に記憶しても良い。
以上のように、本実施例では、発電設備の運転状態経時的特性等情報を伝達する手段と、該手段によって得られる情報を処理・診断する手段により、設備の異常予兆を早期に検知することができる。
異常発生の場合には、異常の程度を段階的に重み付けする手段と、異常時対応情報および手段情報を運転担当部署及び運転支援部署に伝達する手段により、検知された現象の詳細検討を短時間で実施することができる。
故障要因候補と放置による波及効果情報を提供する手段により、運転中の設備の最適運転を支援することができる。
通信回線への侵入・妨害対策手段、および信号の暗号化手段により、本システムの運用に対する外部妨害を防ぐことができる。
本発明は、発電設備の遠隔運用支援方法及び発電設備の遠隔運用支援システムに関し、発電設備に異常又は異常予兆が発生した際、早期に最適な運転支援を可能とする。
本発明を適用した一実施例であるガスタービン発電設備の遠隔運用支援システムを示す構成図。 本発明を適用した一実施例である異常監視/診断機能のアルゴリズムを示す。 本発明を適用した一実施例である異常対策タスクのアルゴリズムを示す。 本発明を適用した一実施例である燃焼監視画面を示す。 本発明を適用した一実施例である軽故障判定器のアルゴリズムを示す。 本発明を適用した一実施例である制御変更診断自動起動のアルゴリズムを示す。 本発明を適用した一実施例である制御設定変更支援機能及び復旧支援機能のアルゴリズムを示す。
符号の説明
1…ガスタービン発電設備、2…制御装置、3…データ収録・通信装置、4,9…データ蓄積装置、5,7…通信セキュリティ装置、6…公衆通信回線、8…データ受信装置、10…運転状態監視・診断機能、11…ガスタービン入口空気性状センサー、12…燃焼空気性状センサー、13…燃料性状センサー、14…燃料弁動作センサー、15…排気ガス性状センサー、16…発電状態センサー、17…プロセス値トレンド監視画面、18…燃焼監視画面、19…異常検知機能、20…重故障判定器、21…異常対策タスク、22…第一の軽故障判定器、23…異常重大度レベル評価機能、24…第二の軽故障判定器、25…復旧可能評価判断器、26…制御設定値チューニング支援機能、27…送信情報整理機能、28…推奨更新設定値送信機能、29…顧客提示機能、30…原因究明/復旧タスク、31…設備復旧タスク、32…不具合再現タスク、33…恒久対策タスク、34…情報送信機能、35…推定原因シューティング機能、36…過去/異常データ比較グラフ自動作成機能、37,39,41,42,43…情報、38…分解検査/交換手順送信機能、40…予備品データベース、44…対策会議、45…対策品試験担当部署、46…説明情報、47…サイト復旧作業者、48,56…運転状態表示、49…排気温度および燃焼器内圧分布表示、50…イベント情報表示部、51…表示メニュー、52…燃焼器内圧情報表示、53…高温部材温度表示、54…排気温度表示、55…排気性状表示、57…運転特性評価ツール、58…負荷変動運転解析機能、59…判定器、60…修正機能、
61,66…送信情報、62…故障前X時間データ、63,65…バックデータ、64…解析機能。

Claims (2)

  1. 高温燃焼を伴う発電設備を遠隔運用支援する発電設備の遠隔運用支援方法であって、
    前記発電設備の正常運転状態における目標プロセス値からの現状のプロセス値の偏差または各プロセス値の経時的な変化傾向を演算し、変化傾向の演算結果が予め設定されたしきい値を超えた場合には、異常発生と判断して異常を検知し、
    予め求められた調整指標と実測データをもとに修正機能により入力された制御設定値修正案による異常放置時間の長さに対する負荷変動解析を、前記発電設備の特性を模擬できるように調整されたシミュレータと制御ロジックが組み合わされた運転特性評価ツールにより行い、解析結果が計画値の許容範囲外の場合は、異常放置時間の長さに対する熱による機器損傷発生の可能性が高いために運転継続不可能と判断し、修正機能を介して制御設定値修正案を繰り返し入力することで前記解析結果が許容範囲内に収まるように制御設定値を調整し、
    前記解析結果が許容範囲内に収まった場合は、前記調整された制御設定値を、異常放置時間の長さに対する熱による機器損傷発生の可能性が低い制御設定値として発電設備側の通信装置へ送信する
    発電設備の遠隔運用支援方法。
  2. 高温燃焼を伴う発電設備とは別の場所で運転状態を監視及び診断し、該発電設備の運用を支援する発電設備の遠隔運用支援システムであって、
    前記発電設備の正常運転状態における目標プロセス値からの現状のプロセス値の偏差または各プロセス値の経時的な変化傾向を演算し、変化傾向の演算結果が予め設定されたしきい値を超えた場合には、異常発生と判断して異常を検知する異常検知機能と、
    予め求められた調整指標と実測データをもとに修正機能により入力された制御設定値修正案による異常放置時間の長さに対する負荷変動解析を、前記発電設備の特性を模擬できるように調整されたシミュレータと制御ロジックが組み合わされた運転特性評価ツールにより行い、解析結果が計画値の許容範囲外の場合は、異常放置時間の長さに対する熱による機器損傷発生の可能性が高いために運転継続不可能と判断し、修正機能を介して制御設定値修正案を繰り返し入力することで前記解析結果が許容範囲内に収まるように制御設定値を調整する機能と、
    前記解析結果が許容範囲内に収まった場合は、前記調整された制御設定値を、異常放置時間の長さに対する熱による機器損傷発生の可能性が低い制御設定値として発電設備側の通信装置へ送信する送信機能
    を有する発電設備の遠隔運用支援システム。
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