JP5022018B2 - ガスタービンの監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの運転状況を監視し、性能の変化を予測することができるガスタービンの監視装置に関する。

一般的なガスタービン発電プラントでは、ガスタービンは圧縮機、燃焼器、タービン及び発電機を有しており、圧縮機で高圧となった空気と、熱交換器で高温となった燃料ガスとが燃焼器に送られて燃焼し、その燃焼ガス（熱ガス）によりタービンを駆動して発電機を運転する。
特開２００４−１６２６９８公報

このようなガスタービン設備（ガスタービン発電プラント）では、燃焼器での燃焼温度が１５００℃をはるかに超える高温となるため、監視計器があまり設置されておらず、ガスタービンの性能を評価しにくい。
また、ガスタービンは吸気温度により発電機の出力が変わる運転モードを利用することが多い上、ガスタービンの発電効率は負荷により異なるため、性能を評価しにくい。
このため、効率を時刻歴で評価しても、ガスタービン設備の性能が安定しているのか、或いは、劣化しているのかを評価することができないという問題があった。例えば、図８は横軸を時刻、縦軸を効率にとってプロットしたものであるが、時々刻々と負荷が変動するため、性能の変化を把握することができない。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、ガスタービンの性能評価及び予測を容易に行なうことのできるガスタービンの監視装置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、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、ガスタービンの運転状況に関する複数の測定項目に係る測定データが、前記測定データが取得された時間情報に基づいてグループ化されて格納されている記憶手段と、前記記憶手段に格納されている前記グループ毎の測定データおよび該測定データを用いて算出される効率を用いて、少なくとも１つの前記測定項目をパラメータとして含む、効率と該測定項目との関係式を前記グループ毎に導出する手段と、前記グループ毎に導出された各前記関係式の前記測定項目のパラメータに共通の値を代入したときの効率を代表効率として前記グループ毎に算出する手段と、前記代表効率と該代表効率のグループの時間情報との関係を表示する表示手段とを具備するガスタービンの監視装置を提供する。

上記ガスタービンの監視装置によれば、効率の時間的変化を正確に把握することができ、ガスタービンの性能を正確にかつ容易に評価することができる。

上記ガスタービンの監視装置において、前記表示手段は、横軸に時間が、縦軸に効率が示された座標空間に、前記代表効率と該代表効率のグループの時間情報とで特定される点がプロットされたグラフを表示することとしてもよい。

上記ガスタービンの監視装置は、複数の前記グループにおける前記時間情報と前記代表効率とに基づいて、前記代表効率と時間との関係式を導出する手段を備え、前記表示手段は、横軸に時間が、縦軸に効率が示された座標空間に、前記関係式より定まる曲線を示したグラフを表示することとしてもよい。

上記ガスタービンの監視装置において、複数の前記グループにおける前記時間情報と前記代表効率とに基づいて導出される前記代表効率と時間との関係式から将来の効率を予測する予測手段を備えることとしてもよい。
このように、代表効率と時間との関係式を求めることにより、将来における効率の変化についても予測することが可能となる。

上記ガスタービンの監視装置は、前記記憶手段に格納されている前記グループ毎の測定データおよび効率を用いて、少なくとも１つの前記測定項目を横軸に、効率を縦軸に示した座標空間に、効率と前記測定項目とで特定される点がプロットされたグラフを作成する手段を備え、前記表示手段は、該グラフを表示するとともに、前記グループ毎にプロットの表示態様を異ならせることとしてもよい。

上記ガスタービンの監視装置において、前記表示手段は、前記測定項目を横軸に、効率を縦軸に示した座標空間に、前記グループ毎に求められた効率と該測定項目との関係式で定まる曲線が、該グループの時間情報と関連付けられてそれぞれ示されたグラフを表示することとしてもよい。
これにより、測定項目に対する効率の変化を容易に把握することができる。

上記ガスタービンの監視装置において、前記効率は、例えば、発電機出力を燃料投入量と燃料発熱量とで除算することにより算出される。
また、前記測定項目は、例えば、吸気温度、外気温度及び負荷のいずれかである。

上記ガスタービンの監視装置は、前記測定データから誤差を除去する補正手段を備えることとしてもよい。
これにより、評価精度を向上させることができる。例えば、上記補正手段は、既知の計測誤差除去手法、例えば、データリコンシリエーション、ニューラルネットワーク、カルマンフィルタ等を適用することが可能である。

本発明の参考例としてのガスタービンの監視装置は、ガスタービンの運転状況に関する複数の測定データを逐次取得する入力手段と、前記測定データを用いて効率を計算するとともに、該測定データの少なくとも１つのパラメータと該効率との関連付けを行う性能評価手段と、前記効率と前記パラメータとの関連付けを時間に基づいてグループ化し、前記グループ毎に表示する表示手段とを具備する。
このような構成によれば、入力手段により、ガスタービンの運転状況に関する複数の測定データが取得され、性能評価手段によって、これら測定データを用いて効率が計算され、更に、効率と測定データの少なくとも１つのパラメータとが関連付けされる。そして、この関連付けは、時間に基づいてグループ化され、グループごとにパラメータと効率を関連付けた表示が表示手段によってなされる。
これにより、時間に基づいてグループ化されたグループ毎に、ガスタービンの効率が表示されるので、効率の時間的変化を確認することが可能となる。この結果、長期的な性能の変化を容易に評価することが可能となる。

本発明によれば、ガスタービンの長期的な性能の変化を明確に評価し、将来の性能を高い精度で予測することが可能となる。

以下に、本発明に係るガスタービンの監視装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
まず、本実施形態のガスタービンの監視装置の監視対象とされるガスタービンについて簡単に説明する。なお、以下に示すガスタービンは一例である。
図１は、ガスタービンを備える複合発電設備の概略構成を示した図である。

図１に示すように、ガスタービン１１は、圧縮機１２と燃焼器１３とタービン１４とを有しており、このタービン１４の同軸上に発電機１５が連結されている。圧縮機１２には吸気通路１６が連結され、この吸気通路１６には吸入空気量を調整する入口案内翼１７が設けられると共に、この入口案内翼１７の開度を検出する開度センサ１８が設けられている。また、吸気通路１６には吸入空気の温度、圧力、流量をそれぞれ検出する温度センサ１９、圧力センサ２０、流量センサ２１がそれぞれ設けられている。

圧縮機１２と燃焼器１３とは圧縮空気供給通路２２により連結されている。この圧縮空気供給通路２２には、圧縮空気の温度を検出する温度センサ２３、圧力を検出する圧力センサ２４が設けられている。燃焼器１３とタービン１４とは燃焼ガス通路２５により連結されている。また、圧縮空気供給通路２２と燃焼ガス通路２５とは燃焼器１３を迂回するバイパス通路２６により連結されている。このバイパス通路２６には、燃焼器バイパス弁２７が設けられると共に、この燃焼器バイパス弁２７の開度を検出する開度センサ２８が設けられている。

燃料通路２９は、メイン燃料通路３０とパイロット燃料通路３１とに分岐され、それぞれが燃焼器１３に連結されている。メイン燃料通路３０及びパイロット燃料通路３１には、燃料流量を調整するための流量制御弁３２，３３がそれぞれ設けられている。
上記燃料通路２９には供給燃料の温度を検出する温度センサ３４が設けられ、メイン燃料通路３０及びパイロット燃料通路３１には供給燃料の圧力を検出する圧力センサ３５，３６と流量を検出する流量センサ３７，３８がそれぞれ設けられている。

タービン１４には、排ガス通路３９が連結され、排ガス通路３９からタービン１４の排ガスが排熱回収ボイラに送られて熱回収される。排ガス通路３９には図示しない浄化装置をはじめ、排ガスの温度を検出する温度センサ４０、排ガス内のＮＯｘの含有量を検出する各種ＮＯｘセンサ４１、ＣＯを検出するＣＯセンサ４２が設けられている。

燃焼器１３及び燃焼ガス通路２５の周辺には、冷却蒸気配管４３が設置されている。
この冷却蒸気配管４３には、例えば、排熱回収ボイラからの蒸気が送られ、この冷却蒸気により高温の燃焼ガスにさらされる燃焼器１３及び燃焼ガス通路２５が冷却される。
冷却蒸気配管４３の入口側及び出口側には、冷却蒸気の圧力、温度、流量をそれぞれ検出する圧力センサ４４、４５、温度センサ４６、４７、流量センサ４８、４９が設けられている。

このような複合発電設備のガスタービン１１の運転状況は、以下に示す本実施形態に係るガスタービンの監視装置により監視される。具体的には、本実施形態に係るガスタービンの監視装置は、ガスタービン１１の効率の算出及び予測等を行う。
以下、本実施形態に係るガスタービンの監視装置について説明する。

図２は、本実施形態に係るガスタービンの監視装置の概略構成を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態に係るガスタービンの監視装置（以下「監視装置」という。）５０は、プラント１００から所定のデータが入力される入力部（入力手段）５１、入力部により取得された入力データを蓄積するデータベース５２、入力部５１により取得された入力データを補正することにより測定誤差を除去する補正部（補正手段）５３、補正後の入力データに基づいてガスタービンの性能評価を行う性能評価部（性能評価手段）５４、性能評価部５４による性能結果を更に処理することにより、将来におけるガスタービンの性能評価を行う予測部（予測手段）５５、及び、性能評価部５４による性能評価結果並びに予測部５５による予測結果を表示する表示部（表示手段）５６を主な構成として備えている。

上記入力部５１には、プラント１００に設けられた温度センサ２３等の上記各センサにより検出された吸気温度、発電機出力、燃料投入量等の情報が定期的に入力される。本実施形態では、説明の便宜上、測定データを吸気温度、発電機出力、燃料投入量からなるデータのセットとして定義する。この測定データは、ガスタービンの運転状況に関する測定データに相当する。
入力部５１に入力された吸気温度、発電機出力、燃料投入量からなる測定データは、このデータが取得された時間情報に対応付けられてデータベース５１に蓄積される。また、データベース５１には、所定期間（例えば、１ヶ月）毎に測定データがグループ化されて蓄積される。なお、実施の様態によっては、燃料投入量は他の測定データから演算によって求めても良い。

補正部５３は、データベース５１から測定データを取得し、測定データから測定誤差を除去して、性能評価部５４に出力する。具体的には、補正部５３は、データリコンシリエーション、ニューラルネットワーク、カルマンフィルタ等の計測誤差除去手法を用いて誤差の除去を行なう。

性能評価部５４は、補正部５３により測定誤差が除去された後の測定データを用いて、１ヶ月毎に発電効率（以下、「効率」という。）と吸気温度との関係式を算出し、これらの関係式に基づいて性能評価を行う。
予測部５５は、性能評価部５４によって求められた１ヶ月毎の各関係式から共通する吸気温度に対する効率の値をそれぞれ取得し、取得した各効率の値を運転時間と対応付けることにより、効率と運転時間との関係式を算出する。そして、この関係式から将来の効率を予測する。
表示部（表示手段）５６は、例えば、ＣＲＴ，液晶ディスプレイ等であり、上記性能評価部５４および予測部５５による評価結果を画面に表示する。

このような構成を備える監視装置における各部の処理について、図３を参照して詳しく説明する。
まず、入力部５１により、温調運転時における上記測定データがプラント１００から定期的に取得されると（図３のステップＳＡ１）、これらの測定データは取得時間と対応付けられてデータベース５２に蓄積される。データベース５２には、１ヶ月毎に測定データがグループ化されて蓄積される。

補正部５３は、データベース５２から所定期間にわたる測定データを抽出し、これら測定データに対して測定誤差を除去する補正処理を行った後に、性能評価部５４に出力する（ステップＳＡ２）。ここでは、説明の便宜上７月と８月の測定データが補正部５３により取得されたものとする。

性能評価部５４は、７月と８月の測定データを取得すると、これらの測定データと以下に示す（１）式から、測定データ毎に効率を算出し、更に、各効率と吸気温度とを対応付けたデータを１ヶ月毎にグループ化して表示部５６に出力する。
効率η＝発電機出力／（燃料投入量＊燃料発熱量） （１）

これにより、後述する出力処理（ステップＳＡ７）においては、表示部５６により、図４に示すように、横軸に吸気温度、縦軸に効率を示した座標軸上において、効率と吸気温度とで特定される点がプロットされたグラフが表示される。
このとき、表示部５６は、月毎（グループ毎）に表示態様を異ならせて表示する。本実施形態では、７月に対応する箇所を×でプロットし、８月に対応する箇所を△でプロットしている。

次に、性能表示部５４は、月毎に、効率と吸気温度との関係式を算出し、つまり、図４において各点を通るような近似式を月毎に求め、この関係式を表示部５６に出力する（ステップＳＡ３）。
これにより、後述する出力処理（ステップＳＡ７）においては、表示部５６により、図４に示すように、月毎にその吸気温度と効率との関係式を示す曲線が上記プロットと重ね合わせて表示される。図４において、実線は７月における関係式、点線は８月における関係式である。この関係式は１次式でもよく、多項式でもよい。また，線形の関係式であっても非線形の関係式であってもよい。

上述のように、上記プロットと関係式による曲線とを重ね合わせて画面に表示することで、ガスタービンの運転状態をわかりやすく表示することができる。
なお、上記画面において、1ヶ月毎に色を異ならせるのではなく、プロットの形状（×マークや△マークなど）や曲線のスタイル（実線と破線など）を異ならせてもよい。
ガスタービンの性能は、故障や異常状態を除けば比較的短期間（例えば１ヶ月）内には急激な性能の変化がない。したがって、図４に示すような表示により、長期的な性能変化を容易に把握することができる。

上述のように、吸気温度と効率との関係式を求めると、性能評価部５４はこの関係式を予測部５５に出力する。
予測部５５は、図４に示されるような吸気温度と効率との関係式において、所定の吸気温度Ｔを特定し、この吸気温度における効率をグループ毎に取得する（ステップＳＡ４）。例えば、７月の関係式から吸気温度Ｔに対応する推定効率η１を取得すると共に、８月の関係式から吸気温度Ｔに対応する推定効率η２を取得する。そして、これら取得した各効率η１，η２を運転時間と対応付けて表示部５６に出力する。
ここで、運転時間は、稼動開始時期とデータ取得時期とに基づいて演算により求めることができる。例えば、稼動時期が１月であり、データ取得時期が７月であった場合には、７ヶ月と特定することができる。

これにより、後述する出力処理（ステップＳＡ７）においては、表示部５６により、図６に示すように、横軸に運転時間、縦軸に効率を示した座標軸上において、各月の関係式から取得した効率ηと運転時間とで特定された点がプロットされたグラフが表示される。図６には、上述した７月，８月に加えて、その後の各月においても同様の手順で取得した推定効率に基づくグラフが示されている。

次に、予測部５５は、効率と運転時間との関係式を算出し、つまり、図６において各点を通るような近似式を求め、この関係式を表示部５６に出力する（ステップＳＡ５）。
なお、この関係式は、実測値に基づいて求められたものではなく、図５に示したように、推定効率に基づいて算出したものであるので、不確かさ（モデリング誤差）を含んでいる。従って、予測部５５は、近似式だけでなく、上限曲線、下線曲線についても求め、これらを表示部５６に出力することとしてもよい。なお、上記関係式は、１次式でもよく、多項式でもよい。また，線形の関係式であっても非線形の関係式であってもよい。

これにより、後述する出力処理（ステップＳＡ７）において、表示部５６により、図６に示すように、運転時間と効率との関係式を示す曲線が上記プロットに重ね合わされて表示されるとともに、確率的に評価した上限曲線、下限曲線についても表示される。

続いて、予測部５５は、運転時間と効率との関係式を求めると、この関係式を用いて将来における曲線までも描くことで、将来における効率の変化を予測し、この結果を表示部５６に出力する（ステップＳＡ６）。
この結果、後述する出力処理（ステップＳＡ７）において、表示部５６により、図７に示すように、運転時間と効率との関係式を示す曲線が将来についても描かれることとなる。
このように、所定の吸気温度Ｔにおける運転時間と効率との関係を将来の分もグラフとして描くことで、将来におけるガスタービンの性能を容易に把握することができる。なお、この場合にも、上記と同様に予測値には上限と下限も求めて、確率的に評価してもよい。

このようにして、ガスタービンの運転状態に関するデータの演算処理が一通り終了すると、表示部５６は、上記演算処理により求められた結果を画面表示する（ステップＳＡ７）。これにより、図４から図７に示した画面がそれぞれ表示部５６に表示されることとなる。これらのグラフは、１画面に一覧として表示されてもよいし、表示モードを切り替え可能として、１つのグラフを画面に表示するようにしてもよい。なお、表示態様については特に制限されない。

以上説明してきたように、本実施形態に係るガスタービンの監視装置によれば、ガスタービンの長期的な性能の変化を明確に評価し、将来の性能を高い精度で予測することが可能となる。

なお、上記の例では各画面表示を二次元的なグラフにして行なったが、他のパラメータを含めた３次元的な表示にしてもよい。具体的には、性能評価部５４は、吸気温度とともに負荷に対する効率を算出し、表示部５６に図５で示したグラフとして、負荷を第３の軸とし、吸気温度と負荷とに対する効率を３次元的に表示することができる。また、図４に示した吸気温度と効率との関係を、任意の負荷について切り換えて二次元的に表示するものであってもよい。
また、上記の例では、吸気温度と効率との関係において性能評価を行ったが、これに代えて、外気温度と効率との関係において性能評価を行うこととしてもよい。

ガスタービンを備える複合発電設備の概略構成を示した図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービンの監視装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施形態における制御フロー図である。 表示部の画面に表示される一つの状態を示した図である。 表示部の画面に表示される一つの状態を示した図である。 表示部の画面に表示される一つの状態を示した図である。 表示部の画面に表示される一つの状態を示した図である。 従来の監視装置において横軸を時刻、縦軸を効率としてプロットした図である。

符号の説明

１１ ガスタービン
５１ 入力部
５２ データベース
５３ 補正部
５４ 性能評価部
５５ 予測部
５６ 表示部
５０ 監視装置

Claims (9)

1. ガスタービンの運転状況に関する複数の測定項目に係る測定データが、前記測定データが取得された時間情報に基づいてグループ化されて格納されている記憶手段と、
   前記記憶手段に格納されている前記グループ毎の測定データおよび該測定データを用いて算出される効率を用いて、少なくとも１つの前記測定項目をパラメータとして含む、効率と該測定項目との関係式を前記グループ毎に導出する手段と、
   前記グループ毎に導出された各前記関係式の前記測定項目のパラメータに共通の値を代入したときの効率を代表効率として前記グループ毎に算出する手段と、
   前記代表効率と該代表効率のグループの時間情報との関係を表示する表示手段と
   を具備するガスタービンの監視装置。
2. 前記表示手段は、横軸に時間が、縦軸に効率が示された座標空間に、前記代表効率と該代表効率のグループの時間情報とで特定される点がプロットされたグラフを表示する請求項１に記載のガスタービンの監視装置。
3. 複数の前記グループにおける前記時間情報と前記代表効率とに基づいて、前記代表効率と時間との関係式を導出する手段を備え、
   前記表示手段は、横軸に時間が、縦軸に効率が示された座標空間に、前記関係式より定まる曲線を示したグラフを表示する請求項１に記載のガスタービンの監視装置。
4. 複数の前記グループにおける前記時間情報と前記代表効率とに基づいて導出される前記代表効率と時間との関係式から将来の効率を予測する予測手段を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載のガスタービンの監視装置。
5. 前記記憶手段に格納されている前記グループ毎の測定データおよび効率を用いて、少なくとも１つの前記測定項目を横軸に、効率を縦軸に示した座標空間に、効率と前記測定項目とで特定される点がプロットされたグラフを作成する手段を備え、
   前記表示手段は、該グラフを表示するとともに、前記グループ毎にプロットの表示態様を異ならせる請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービンの監視装置。
6. 前記表示手段は、前記測定項目を横軸に、効率を縦軸に示した座標空間に、前記グループ毎に求められた効率と該測定項目との関係式で定まる曲線が、該グループの時間情報と関連付けられてそれぞれ示されたグラフを表示する請求項１から請求項４のいずれかに記載のガスタービンの監視装置。
7. 前記効率は、発電機出力を燃料投入量と燃料発熱量とで除算することにより算出される請求項１から請求項６のいずれかに記載のガスタービンの監視装置。
8. 前記測定項目は、吸気温度、外気温度及び負荷のいずれかである請求項１から請求項７のいずれかに記載のガスタービンの監視装置。
9. 前記測定データから誤差を除去する補正手段を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載のガスタービンの監視装置。

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