JP6261049B2 - キャビテーション検知装置、キャビテーション検知方法、およびキャビテーション検知プログラム - Google Patents

Description

本発明は、発電所内の液体収容部内におけるキャビテーションの発生を検出するキャビテーション検知装置、キャビテーション検知方法、およびキャビテーション検知プログラムに関する。

この種の関連技術として、液体収容部に音響センサや超音波センサを設置し、これら音響センサや超音波センサによる測定データを利用して、液体収容部内でキャビテーションが発生したことを検知する技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１０−５３４７９１号公報

ところが、このような音響センサや超音波センサは、キャビテーションの発生を検知することのみを目的とした専用品であり、専用品である音響センサや超音波センサを設置することで、設備投資が増大するという問題があった。
また、本発明者等の観測によれば、発電所内で用いられるポンプ等においても、キャビテーションが発生し、キャビテーションによる悪影響を早期に発見することが、発電を安定に行なうためには不可欠であることが判明した。更に、発電所で用いられるポンプ等の液体収容部の数は多く且つ大容量である。このため、発電所専用のキャビテーション検知装置を開発し、設置することは、経済性の面で非常に不利である。
そこで、本発明は、上記した問題を解決するものである。すなわち、本発明の目的は、キャビテーション検知に特化した専用のセンサを必要とすることなく、キャビテーションの発生を検知することが可能なキャビテーション検知装置、キャビテーション検知方法、およびキャビテーション検知プログラムを提供することである。

本発明のキャビテーション検知装置は、発電所内の液体収容部におけるキャビテーションの発生を検出するキャビテーション検知装置であって、前記液体収容部へ流入する液体の液圧を測定する流入圧力計と、前記液体収容部から流出する液体の液圧を測定する流出圧力計と、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データを収集して蓄積する情報蓄積手段と、前記情報蓄積手段によって蓄積された、前記液体収容部内でキャビテーションが発生していない正常時のデータから、前記流入圧力計によって測定された測定データと前記流出圧力計によって測定された測定データとの相関関係を抽出してモデルを構築するモデル構築手段と、前記モデル構築手段によって抽出された相関関係と、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データとから、相関関係の崩れを前記液体収容部の内部におけるキャビテーションの発生として検出し、検出結果を出力するキャビテーション検出手段と、を備えることにより、前述した課題を解決したものである。
また、本発明のキャビテーション検知方法は、発電所内の液体収容部におけるキャビテーションの発生を検出するキャビテーション検知方法であって、前記液体収容部へ流入する液体の液圧を測定する流入圧力計と、前記液体収容部から流出する液体の液圧を測定する流出圧力計とを設け、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データを収集して蓄積し、前記液体収容部内でキャビテーションが発生していない正常時のデータから、前記流入圧力計によって測定された測定データと前記流出圧力計によって測定された測定データとの相関関係を抽出してモデルを構築し、抽出された相関関係と、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データとから、相関関係の崩れを前記液体収容部の内部におけるキャビテーションの発生として検出し、検出結果を出力することにより、前述した課題を解決したものである。
また、本発明のキャビテーション検知プログラムは、発電所内の液体収容部におけるキャビテーションの発生を検出するキャビテーション検知プログラムであって、前記液体収容部へ流入する液体の液圧を測定する流入圧力計と前記液体収容部から流出する液体の液圧を測定する流出圧力計とから測定データを収集して蓄積する処理と、前記液体収容部内でキャビテーションが発生していない正常時のデータから、前記流入圧力計によって測定された測定データと前記流出圧力計によって測定された測定データとの相関関係を抽出してモデルを構築する処理と、抽出された相関関係と、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データとから、相関関係の崩れを前記液体収容部の内部におけるキャビテーションの発生として検出し、検出結果を出力する処理と、をコンピュータに実行させることにより、前述した課題を解決したものである。

本発明では、液体の液圧を測定するために設置される既存の圧力計の測定データを利用して、液体収容部内でキャビテーションが発生したことを検知することが可能であるため、キャビテーション検知に特化した専用のセンサを必要とすることなく、キャビテーションの発生を検知することができる。

図１は、本発明の一実施形態であるキャビテーション検知装置の構成を概略的に示す説明図である。
図２は、圧力計および情報蓄積部の動作を示すフローチャート図である。
図３は、モデル構築部の動作を示すフローチャート図である。
図４は、キャビテーション検出部の動作を示すフローチャート図である。

以下、本発明の一実施形態であるキャビテーション検知装置を図面に基づいて説明する。

本実施形態のキャビテーション検知装置は、発電所内に設置されたポンプ２内におけるキャビテーションの発生を検出するものである。
キャビテーション検知装置は、図１に示すように、流入圧力計１０と、流出圧力計２０と、調整手段としての調整機４０と、情報蓄積手段としての情報蓄積部５０と、モデル構築手段としてのモデル構築部６０と、キャビテーション検出手段としてのキャビテーション検出部７０と、通知手段としての通知部８０とを備えている。
流入圧力計１０は、図１に示すように、液体収容部としてのポンプ２の流入口側に設置され、ポンプ２へ流入する水の水圧を測定する。なお、流入圧力計１０は、ポンプ２に設置してもよく、また、ポンプ２の流入口側の配管１に設置してもよい。
流出圧力計２０は、図１に示すように、ポンプ２の流出口側に設置され、ポンプ２から流出する水の水圧を測定する。なお、流出圧力計２０は、ポンプ２に設置してもよく、また、ポンプ２の流出口側の配管１に設置してもよい。
調整機４０は、配管１内の水の量や圧力等を調整する。本実施形態では、調整機４０は、配管１内の水圧を制御する制御弁として構成されている。
ポンプ２と圧力計１０、２０と調整機４０とは、図１に示すように、配管１で繋がれている。
情報蓄積部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、圧力計１０、２０によって測定された測定データと測定時刻の時刻データとを、圧力計１０、２０から受けとって蓄積する。
モデル構築部６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、キャビテーションが発生していない正常時の一定時間分の測定データを、情報蓄積部５０から受け取り、測定データの相関関係を抽出する。
キャビテーション検出部７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等で構成され、抽出された相関関係をモデル構築部６０から受け取るとともに、情報蓄積部５０から一定時間分の測定データを受け取り、これらを基にポンプ２内におけるキャビテーションの発生を検知する。
通知部８０は、アラーム機やディスプレイ等で構成され、キャビテーション検出部７０が検知したキャビテーションの発生をアラーム音やメッセージ等で通知する。なお、情報蓄積部５０、モデル構築部６０、及びキャビテーション検出部は、単一のコンピュータで構成されても良いし、個別に設けられた複数のコンピュータによって構成されても良い。
次に、図２を用いて、圧力計１０、２０および情報蓄積部５０の動作を説明する。
まず、圧力計１０、２０は、ポンプ２の流入口側および流出口側において水圧を常に測定している（ステップ２０１）。
次に、圧力計１０、２０によって測定された測定データは、測定時刻の時刻データとともに情報蓄積部５０へ通知される（ステップ２０２）。
情報蓄積部５０は、圧力計１０、２０から受け取ったデータ（測定データおよび時刻データ）を蓄積する（ステップ２０３）。
上述したステップ２０１〜２０３の動作は、常時、繰り返し行われる。
なお、情報蓄積部５０による情報蓄積の態様としては、リレーショナルデータベースのような機構を用いてもよいし、単純なテキストファイルで保持してもよい。また、蓄積された情報は、圧力計１０、２０による測定データと測定時刻の時刻データとから構成され、一般に時系列データと呼ばれている形態となる。
次に、図３を用いて、モデル構築部６０の動作を説明する。
まず、ポンプ２内でキャビテーションが一切発生していない正常動作時において、調整機４０を調整して配管１、ポンプ２に流れる水圧を少しずつ変化させる（ステップ３０１）。なお、この際、水圧を上げる方向、下げる方向が混在しても構わない。
この場合、調整機４０の操作により変化する水圧を、圧力計１０、２０が検知し、その測定データおよび時刻データを情報蓄積部５０へ通知し、情報蓄積部５０は、受け取った情報を随時蓄積する（ステップ３０２、図２のステップ２０１〜２０３）。
モデル構築部６０は、情報蓄積部５０から、調整機４０を操作して水圧を変化させた期間の測定データを受け取る（ステップ３０３）。
続いて、モデル構築部６０は、受け取った測定データから、ポンプ２の流入囗側で測定された水圧値とポンプ２の流出口側で測定された水圧値との間に、相関関係があるかどうかを確認する（ステップ３０４）。
ここでは、情報蓄積部５０から入手した２点の一定時間の時系列データから、２点間の相関関係として、Ｂ＝ｆ（Ａ）のような近似式を生成する。近似式の生成方法としては、例えば、線形回帰と呼ばれている方法や、ほかにも既に様々な方法が提案されているため、ここでは詳細について述べない。さらに、生成した近似式と、生成時に利用した時系列データとから、モデル構築部６０は、実際のデータを近似式がどの程度近似できているかどうかの指標であるフィット値を生成する。線形回帰として最小二乗法を用いて近似した場合、フィット値は最小二乗法における決定係数とすることができる。
次に、フィット値と予め定められた閾値を比較し、閾値以上であれば（ステップ３０５のＮ）、モデル構築部６０は２点間の関係（近似式およびフィット値）をモデルとして記憶して処理を終了する（ステップ３０６）。また、フィット値が閾値以下の場合（ステップ３０５のＹ）、処理を終了する。
なお、以下では、記憶された２点間の関係をモデルと呼ぶ。
次に、図４を用いて、キャビテーション検出部７０の動作を説明する。
なお、キャビテーション検出部７０の動作のためには、予め、モデル構築部６０によってモデルが構築されている必要がある。さらに、情報蓄積部５０には、常に圧力計１０、２０からの測定データが充分に蓄積されているものとする。
まず、キャビテーション検出部７０は、情報蓄積部５０から、キャビテーションを検知すべき時間、即ち、ある時刻ｔから過去一定時間分の測定データを取得する（ステップ４０１）。ここで、ある時刻ｔとは、現在時刻より若干の過去の時刻とする。仮に現在時刻の測定データが常に情報蓄積部５０に蓄積されている場合は、時刻ｔは現在時刻でも構わない。
次に、モデル構築部６０に記憶されているモデルを取得する（ステップ４０２）。
続いて、キャビテーション検出部７０は、モデルから、流入圧力と流出圧力の関係（近似式Ｂ＝ｆ（Ａ）およびフィット値）を取得する（ステップ４０３）。
次に、キャビテーション検出部７０は、情報蓄積部５０から入手した測定データに含まれる流出圧力の値を近似式Ｂ＝ｆ（Ａ）へ代入し、結果である流入圧力の予測値を求める（ステップ４０４）。
更に、キャビテーション検出部７０は、求められた流入圧力予測値と情報蓄積部５０から入手した流入圧力値の差異Ｒを算出する（ステップ４０５）。
キャビテーション検出部７０は、差異Ｒが予め定められた閾値を超えている場合（ステップ４０６のＹ）、近似式Ｂ＝ｆ（Ａ）の関係が成り立っていない状態と判断し、ポンプ２にキャビテーションが発生している可能性があると判断して、通知部８０へ通知する（ステップ４０７）。
次に、ステップ４０７で通知を行った後、および、差異Ｒが予め定められた閾値を超えていない場含（ステップ４０６Ｎ）、時刻ｔを一定時間△ｔ分だけ進めて、キャビテーション検出部７０は、ステップ４０１からの処理を繰り返す。
ここで△ｔは、キャビテーションを検知したい間隔から設定されるものであるが、圧力計１０、２０が情報蓄積部５０へ測定した結果を通知する間隔よりも大きい必要がある。
このようにして得られた本実施形態のキャビテーション検知装置では、水圧を測定するために設置される既存の圧力計１０、２０の測定データを利用して、ポンプ２内でキャビテーションが発生したことを検知することが可能であるため、キャビテーション検知に特化した専用のセンサを必要とすることなく、キャビテーションの発生を検知することができる。
また、本実施形態のキャビテーション検知装置は、上記した操作を常時繰り返すことにより、キャビテーション発生の初期段階で検知することができる。
さらに、キャビテーション発生の初期段階で、水圧等を調整することで、ポンプ２内のプロペラ等の部品がキャビテーションによって破損することを防ぐことができる。
なお、上述した実施形態では、液体収容部がポンプであるものとして説明したが、液体収容部の具体的態様は、液体を収容し、その内部でキャビテーションが生じうるものであれば如何なるものでもよい。
また、上述した実施形態では、液体が水であるものとして説明したが、液体の具体的態様は、液体内部でキャビテーションが生じうるものであれば如何なるものでもよい。

１ ・・・ 配管
２ ・・・ ポンプ（液体収容部）
１０ ・・・ 流入圧力計
２０ ・・・ 流出圧力計
４０ ・・・ 調整機（調整手段）
５０ ・・・ 情報蓄積部（情報蓄積手段）
６０ ・・・ モデル構築部（モデル構築手段）
７０ ・・・ キャビテーション検出部（キャビテーション検出手段）
８０ ・・・ 通知部（通知手段）
この出願は、２０１２年１２月１４日に出願された、日本特許出願第２０１２−２７３４４７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (9)

1. 発電所内の液体収容部におけるキャビテーションの発生を検出するキャビテーション検知装置であって、
   前記液体収容部へ流入する液体の液圧を測定する流入圧力計と、
   前記液体収容部から流出する液体の液圧を測定する流出圧力計と、
   前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データを収集して蓄積する情報蓄積手段と、
   前記情報蓄積手段によって蓄積された、前記液体収容部内でキャビテーションが発生していない正常時のデータから、前記流入圧力計によって測定された測定データと前記流出圧力計によって測定された測定データとの相関関係を抽出してモデルを構築するモデル構築手段と、
   前記モデル構築手段によって抽出された相関関係と、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データとから、相関関係の崩れを前記液体収容部の内部におけるキャビテーションの発生として検出し、検出結果を出力するキャビテーション検出手段と、
   を備えることを特徴とするキャビテーション検知装置。
2. 前記液体収容部内の液体の液圧を変化させる調整手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のキャビテーション検知装置。
3. 前記キャビテーション検出手段によってキャビテーションの発生が検出された場合に、その旨を通知する通知手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のキャビテーション検知装置。
4. 前記液体収容部は、液体を送り出すポンプであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のキャビテーション検知装置。
5. 前記モデル構築手段は、前記流入圧力計によって測定された測定データと前記流出圧力計によって測定された測定データとの間の相関関係を示す近似式およびフィット値を生成し、前記近似式およびフィット値をモデルとして記憶することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のキャビテーション検知装置。
6. 前記モデル構築手段は、生成された前記フィット値を予め定められた閾値と比較し、前記フィット値が予め定められた閾値以上である場合に、前記モデルを記憶することを特徴とする請求項５に記載のキャビテーション検知装置。
7. 前記キャビテーション検出手段は、前記流入圧力計によって測定された測定データおよび前記流出圧力計によって測定された測定データの一方を、前記モデル構築手段で生成された近似式に代入することで、前記流入圧力計によって測定された測定データおよび前記流出圧力計によって測定された測定データの他方の予測値を算出し、前記予測値と予め定められた閾値とを比較することにより、前記相関関係の崩れを判断することを特徴とする請求項５または請求項６に記載のキャビテーション検知装置。
8. 発電所内の液体収容部におけるキャビテーションの発生を検出するキャビテーション検知方法であって、
   前記液体収容部へ流入する液体の液圧を測定する流入圧力計と、前記液体収容部から流出する液体の液圧を測定する流出圧力計とを設け、
   前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データを収集して蓄積し、
   前記液体収容部内でキャビテーションが発生していない正常時のデータから、前記流入圧力計によって測定された測定データと前記流出圧力計によって測定された測定データとの相関関係を抽出してモデルを構築し、
   抽出された相関関係と、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データとから、相関関係の崩れを前記液体収容部の内部におけるキャビテーションの発生として検出し、検出結果を出力することを特徴とするキャビテーション検知方法。
9. 発電所内の液体収容部におけるキャビテーションの発生を検出するキャビテーション検知プログラムであって、
   前記液体収容部へ流入する液体の液圧を測定する流入圧力計と前記液体収容部から流出する液体の液圧を測定する流出圧力計とから測定データを収集して蓄積する処理と、
   前記液体収容部内でキャビテーションが発生していない正常時のデータから、前記流入圧力計によって測定された測定データと前記流出圧力計によって測定された測定データとの相関関係を抽出してモデルを構築する処理と、
   抽出された相関関係と、前記流入圧力計および前記流出圧力計によって測定された測定データとから、相関関係の崩れを前記液体収容部の内部におけるキャビテーションの発生として検出し、検出結果を出力する処理と、
   をコンピュータに実行させることを特徴とするキャビテーション検知プログラム。

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