JP5544864B2 - 空気圧縮機の監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンの空気圧縮機の異常を監視する空気圧縮機の監視装置に関する。

ガスタービンには、燃焼用空気を圧縮するための空気圧縮機が設置されており、ガスタービン本体の回転軸と直結して設置されている。ガスタービン本体や空気圧縮機などの回転体の運転中の異常は、回転体の振動変化として現れるので、回転体の運転状況を監視するために軸受には振動計が設置されている。

図３はガスタービンの構成図である。ガスタービンは、ガスタービン本体１１と、燃焼器１２と、空気圧縮機１３とから構成され、ガスタービン本体１１と空気圧縮機１３とは回転軸１４で連結されている。回転軸１４には、ガスタービン発電設備の場合には図示省略の発電機が連結され、コンバインドサイクル発電設備の場合には発電機に加えて蒸気タービンが連結される。

回転軸１４は軸受１５で支承され、軸受１５には振動計１６が設置されている。そして、振動計１６で計測された振動は振動監視装置１７に入力され、振動監視装置１７は回転軸の振動が警報値を超えたか否かでガスタービンの異常が監視される。

空気圧縮機１３には入口案内翼１８が設けられており、回転軸１４の回転数が一定の場合には、入口案内翼１８の開度を調節することにより空気圧縮機１３に取り込む空気流量が制御される。また、空気圧縮機１３には空気圧縮機再循環弁１９が設けられ、空気圧縮機１３で圧縮された圧縮空気の一部を空気圧縮機１３の入口に供給し、空気圧縮機１３の入口に供給される空気を暖めるようにしている。空気圧縮機１３で得られた圧縮空気は燃焼器１２に供給され、燃焼器１２で燃料と混合される。燃焼器１２では燃料と圧縮空気との混合ガスを燃焼させて、その燃焼ガスをガスタービン本体１１に供給しガスタービン１１を駆動する。

このようなガスタービンの空気圧縮機１３の監視についても、空気圧縮機１３は回転体であるため回転軸１４の振動を監視をすることで運用をしている。つまり、空気圧縮機１３に異常が発生すると、軸受１５の軸受振動が大きくなるので、その監視をすることで運用をしている。

回転体の振動を監視するものとして、基準値の振動位相−振幅ベクトルを予め用意しておき、同一運転条件の下で振動位相−振幅ベクトルを計測し、その差ベクトルのベクトル量に閾値を設定して異常兆候の検知を行うようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。また、現在の振動の振幅値および位相角値の軌跡がトレンド表示されている画面上に、振動振幅値および位相角の基準点を重ねて表示するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開平１−２７０６２３号公報 特開２００２−６２９３２号公報

ところが、従来の回転軸１４の振動の監視では、軸受１５の振動の絶対値が警報値を超えたか否かで回転体の異常を検出しているので、空気圧縮機１３の微小な振動異常を検出できない場合がある。微小な振動異常が見過ごされ、そのような微小な振動異常が継続することにより、突然大きなトラブルに発展してしまうことがある。大きなトラブルに発展した場合には、その復旧には大きなコスト及び作業停止期間が発生し、その被害は甚大なものとなる。

本発明の目的は、ガスタービンの空気圧縮機の大きなトラブルが発生する前の予兆を検出できる空気圧縮機の監視装置を提供することである。

請求項１の発明に係る空気圧縮機の監視装置は、ガスタービンの空気圧縮機の吐出圧力を所定周期で入力する入力処理部と、前記入力処理部で得られた最新の周期の吐出圧力とｎ周期前に得られた吐出圧力との変化率を求める吐出圧力変化率演算手段と、前記吐出圧力変化率演算手段で得られた変化率の絶対値が予め定めた設定値を超えたか否かを判定する変化率絶対値判定手段と、前記変化率絶対値判定手段により変化率の絶対値が予め定めた設定値を超えたときは前記空気圧縮機に軽微な異常があると判定し前記空気圧縮機の回転軸の振動の絶対値が警報値未満であっても警報を出力する警報出力手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係る空気圧縮機の監視装置は、請求項１の発明において、前記警報出力手段は、前記空気圧縮機の入口案内翼が所定変化率以上で動作しているとき、または前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を前記空気圧縮機の入口に供給する空気圧縮機再循環弁を閉止するときは、警報出力を阻止することを特徴とする。

本発明によれば、空気圧縮機の最新の周期で得られた吐出圧力とｎ周期前に得られた吐出圧力との変化率を求め、その変化率の絶対値が予め定めた設定値を超えたか否かを判定し、変化率の絶対値が予め定めた設定値を超えたと判定されたときは警報を出力するので、空気圧縮機の大きなトラブルが発生する前の予兆を検出できる。すなわち、空気圧縮機の最新の周期で得られた吐出圧力と予め定めた基準値との比較ではなく、最新の周期で得られた吐出圧力とｎ周期前に得られた吐出圧力との比較を行うので、空気圧縮機の軽微な異常も検出できる。これにより、空気圧縮機の大きなトラブルが発生する前に予兆管理ができることから、空気圧縮機の簡易な補修で済むことが期待でき補修の観点からも大きな効果がある。

また、外的要因により空気圧縮機の吐出圧力が変化する状態であるときは、警報出力を阻止するので、不要な警報を出力することを防止でき、これにより設定値を小さくすることが出来るため、より軽微な異常も捉えることが出来る。

本発明の実施の形態に係わる空気圧縮機の監視装置の構成図。 ガスタービンの空気圧縮機の動静翼に損傷が発生し緊急安全停止に至った場合の空気圧縮機の吐出圧力の変化特性の一例を示す特性図。 ガスタービンの構成図。

以下本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる空気圧縮機の監視装置の構成図、図２は、ガスタービンの空気圧縮機の動静翼に損傷が発生し緊急安全停止に至った場合の空気圧縮機の吐出圧力の変化特性の一例を示す特性図である。

図２において、時点ｔ３’で軸受の振動の絶対値が警報値を超え、ガスタービンの振動異常が検出され、時点ｔ３でガスタービンが緊急安全停止した場合を示している。なお、図２では軸受の振動の絶対値の図示を省略している。ガスタービンの緊急安全停止後にその原因を調査すると、空気圧縮機の動静翼の一部に損傷が発生していることが判明した。

軸受の振動の絶対値が警報値を超えた時点ｔ３’以前においては、軸受の振動の絶対値は警報値未満であり、軸受の振動の絶対値では空気圧縮機１３の軽微な異常を検出できなかったが、図２に示すように、ガスタービンの緊急安全停止後に空気圧縮機の吐出圧力の変化特性曲線を調査すると、時点ｔ３’以前の時点ｔ１、時点ｔ２において、空気圧縮機の吐出圧力が突変していることが判明した。この突変の現象を検出することができれば、軸受の振動の絶対値が警報値未満であったとしても空気圧縮機の異常を早期に発見でき、大きなトラブルに発展する前に対策を講じることができる。

そこで、本発明の実施の形態では、空気圧縮機のトラブル発生の予兆として、空気圧縮機の吐出圧力がステップ上に変化していることに着目し微小な異常を捉えることができるように、図１に示す空気圧縮機の監視装置を構築した。

ガスタービンの空気圧縮機の吐出圧力Ｐは圧力検出器２０で検出され、入力処理部２１により所定周期Ｔで入力される。

入力処理部２１で得られた所定周期Ｔの空気圧縮機の吐出圧力Ｐｉは吐出圧力変化率演算手段２２に入力される。吐出圧力変化率演算手段２２は最新の周期の吐出圧力Ｐｉとｎ周期（所定時間）前に得られた吐出圧力Ｐｉ−ｎとの変化率ｄＰ／ｄｔ｛＝（Ｐｉ−（Ｐｉ−ｎ））／ｎ×Ｔ｝を求めるものである。ｎは所定時間を定めるために、予め設定される正の整数である。最新の周期の吐出圧力Ｐｉは出力遅延部２３及び減算部２４に入力され、出力遅延部２３は最新の周期の吐出圧力Ｐｉをｎ周期分遅延させて減算部２４に出力する。減算部２４では最新の周期の吐出圧力Ｐｉと出力遅延部２３でｎ周期分遅延したｎ周期前に得られた吐出圧力Ｐｉ−ｎとの吐出圧力差分ΔＰ（＝Ｐｉ−（Ｐｉ−ｎ））を演算し、除算部２５に出力する。

周期発生部２６は、所定周期Ｔ、ｎＴを発生し、所定周期Ｔを入力処理部２１に出力し、周期ｎＴを除算器２５に出力する。除算部２５では、減算部２４からの吐出圧力差分ΔＰを周期発生部２６からの所定周期ｎ×Ｔで除算して変化率ｄＰ／ｄｔ｛＝（Ｐｉ−（Ｐｉ−ｎ））／ｎ×Ｔ｝を求め、変化率絶対値判定手段２７に出力する。また、入力処理部２１は周期発生部２６からの所定周期Ｔに従って吐出圧力Ｐを入力することになる。

変化率絶対値判定手段２７は、吐出圧力変化率演算手段２２で得られた吐出圧力の変化率ｄＰ／ｄｔの絶対値｜ｄＰ／ｄｔ｜を求め、吐出圧力の変化率の絶対値｜ｄＰ／ｄｔ｜が予め定めた設定値Ｈを超えたか否かを判定するものである。すなわち、吐出圧力変化率演算手段２２で得られた吐出圧力の変化率ｄＰ／ｄｔは、絶対値演算部２８で絶対値｜ｄＰ／ｄｔ｜が演算され、吐出圧力の変化率絶対値｜ｄＰ／ｄｔ｜は設定値比較部２９で設定値Ｈと比較される。吐出圧力の変化率絶対値｜ｄＰ／ｄｔ｜が設定値比較部２９の設定値を逸脱するものであるときは、警報出力手段３０のフリップフロップ回路部３１をセット端子Ｓにセット信号を出力する。

警報出力手段３０は、変化率絶対値判定手段２７により吐出圧力の変化率絶対値｜ｄＰ／ｄｔ｜が予め定めた設定値Ｈを超えたと判定され、セット信号を入力したときは、外部に警報を出力する。警報出力手段３０のフリップフロップ回路部３１のリセット端子Ｒにはリセット信号が入力され、このリセット信号を入力したときは警報出力手段３０は、警報出力をリセットする。リセット信号は、運転監視員が空気圧縮機の警報を確認したときに運転監視員により入力される。

ここで、ガスタービンの運転状況として、外的要因により空気圧縮機の吐出圧力が変化する状態であるときは、警報出力手段３０の警報出力を阻止するようにしてもよい。例えば、空気圧縮機入口案内翼が所定変化率以上で動作しているときや、空気圧縮機再循環弁が閉止するときなどは、空気圧縮機の吐出圧力が大きく変化するときであるので、前述のときには、警報出力手段３０の警報出力を阻止するようにする。警報出力手段３０の警報出力を阻止するには、警報出力手段３０のリセット信号を継続して出力したり、空気圧縮機の監視装置の自体の動作を停止するようにしてもよい。

また、空気圧縮機の監視装置を構成する入力処理部２１、吐出圧力変化率演算手段２２、変化率絶対値判定手段２７、警報出力手段３０は、演算制御装置及び記憶装置を有したコンピュータで構成してもよい。その場合、演算制御装置が記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、これらの各機能を実現することになる。

本発明の実施の形態によれば、ガスタービンの空気圧縮機のトラブル発生の予兆として、空気圧縮機の吐出圧力がステップ状に変化していることに着目し、空気圧縮機の吐出圧力の変化率を常時監視し、吐出圧力の変化率が所定の設定値以上の変化を来したときは警報を発生させることにより、軽微な異常を捉えることができる。これにより、空気圧縮機の大きなトラブルが発生する前に予兆管理ができることから、空気圧縮機の簡易な補修で済むことが期待できる。また、外的要因により空気圧縮機の吐出圧力が変化する状態であるときは、警報出力を阻止するので、不要な警報を出力することを防止でき、これにより設定値を小さくすることが出来るため、より軽微な異常も捉えることが出来る。

１１…ガスタービン本体、１２…燃焼器、１３…空気圧縮機、１４…回転軸、１５…軸受、１６…振動計、１７…振動監視装置、１８…入口案内翼、１９…空気圧縮機再循環弁、２０…圧力検出器、２１…入力処理部、２２…吐出圧力変化率演算手段、２３…出力遅延部、２４…減算部、２５…除算部、２６…周期発生部、２７…変化率絶対値判定手段、２８…絶対値演算部、２９…設定値比較部、３０…警報出力手段、３１…フリップフロップ回路部

Claims (2)

1. ガスタービンの空気圧縮機の吐出圧力を所定周期で入力する入力処理部と、
   前記入力処理部で得られた最新の周期の吐出圧力とｎ周期前に得られた吐出圧力との変化率を求める吐出圧力変化率演算手段と、
   前記吐出圧力変化率演算手段で得られた変化率の絶対値が予め定めた設定値を超えたか否かを判定する変化率絶対値判定手段と、
   前記変化率絶対値判定手段により変化率の絶対値が予め定めた設定値を超えたときは前記空気圧縮機に軽微な異常があると判定し前記空気圧縮機の回転軸の振動の絶対値が警報値未満であっても警報を出力する警報出力手段と、
   を備えたことを特徴とする空気圧縮機の監視装置。
2. 前記警報出力手段は、前記空気圧縮機の入口案内翼が所定変化率以上で動作しているとき、または前記空気圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を前記空気圧縮機の入口に供給する空気圧縮機再循環弁を閉止するときは、警報出力を阻止することを特徴とする請求項１記載の空気圧縮機の監視装置。

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