JP6511702B2 - 監視装置、対象装置の監視方法、およびプログラム - Google Patents

監視装置、対象装置の監視方法、およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、対象装置を監視する監視装置、対象装置の監視方法、およびプログラムに関する。
プラントの運転状態を監視するシステムとして、マハラノビス距離を用いるものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載のシステムは、マハラノビス距離に基づいてプラントの異常の予兆の監視から故障診断までの一連の処理を行う。
特開２０１１−９０３８２号公報
マハラノビス距離、およびマハラノビス距離の算出に用いる単位空間を求めるには、プラントを構成する機器である対象装置から収集された状態量が必要となる。状態量の例としては、対象装置を制御するための制御信号の値、および対象装置に設けられたセンサが出力する計測値が挙げられる。
しかしながら、対象装置に設けられるセンサが出力する計測値には、計測誤差が含まれる。そのため、計測値を用いて算出されるマハラノビス距離は、誤差の影響を受ける可能性がある。
本発明の目的は、計測値に含まれる誤差の影響を低減してマハラノビス距離を算出することができる監視装置、対象装置の監視方法、およびプログラムを提供することにある。
本発明の第１の態様によれば、監視装置は、対象装置の計測値であって、少なくとも前記対象装置に入力される入力流体の温度および流量、ならびに前記対象装置から出力される出力流体の温度および流量を含む計測値を取得する取得部と、前記計測値を熱平衡式に代入し、前記熱平衡式が成立するよう前記計測値の誤差の組合せを算出し、前記組合せごとに前記誤差の総和又は２乗の総和を求め、前記何れかの総和が最小となる前記組合せを選択することで補正計測値を得る補正部と、前記補正計測値を諸元としてマハラノビス距離を算出する距離算出部と、を備える。
本発明の第３の態様によれば、第１の態様に係る監視装置は、大気圧、大気温度および大気湿度の少なくとも一つを含む大気条件を取得する大気条件取得部と、取得した前記大気条件を用いて、前記補正計測値を標準大気条件下における値に標準化する標準化部とをさらに備え、前記距離算出部が、標準化された前記補正計測値に基づいて前記マハラノビス距離を算出するものであってよい。
本発明の第５の態様によれば、第１から第４の何れかの態様に係る監視装置は、前記取得部が取得した温度に係る前記計測値について、当該計測値が前記マハラノビス距離の単位空間を構成する温度に係る計測値の最小値以上かつ最大値以下であるか否かを判定する線形性判定部をさらに備え、前記距離算出部は、前記線形性判定部により、前記単位空間における温度に係る計測値の最小値以上かつ最大値以下でないと判定された場合に、前記補正計測値に基づくマハラノビス距離の算出を行わないものであってよい。
本発明の第６の態様によれば、第１から第５の何れかの態様に係る監視装置は、前記取得部は、前記対象装置の運転開始時点を始点とする所定の始動期間の経過後の時点である始動後時点における前記計測値を取得し、前記距離算出部は、前記始動期間中の時点における計測値を用いて生成された単位空間に基づいて、前記補正部が取得した前記補正計測値に基づいて前記マハラノビス距離を算出するものであってよい。
本発明の第１０の態様によれば、対象装置の監視方法は、対象装置の計測値であって、少なくとも前記対象装置に入力される入力流体の温度および流量、ならびに前記対象装置から出力される出力流体の温度および流量を含む計測値を取得することと、前記計測値を熱平衡式に代入し、前記熱平衡式が成立するよう前記計測値の誤差の組合せを算出した、前記組合せごとに前記誤差の総和又は2乗の総和を求め、前記いずれかの総和が最小となる前記組合せを選択することで補正計測値を得ることと、前記補正計測値を諸元としてマハラノビス距離を算出することと、を含む。
本発明の第１２の態様によれば、第１０の態様に係る対象装置の監視方法は、大気圧および大気湿度の少なくとも一方を含む大気条件を取得することと、取得した前記大気条件を用いて、前記補正計測値を標準大気条件下における値に標準化することとをさらに含み、標準化された前記補正計測値に基づいて前記マハラノビス距離を算出するものであってよい。
本発明の第１４の態様によれば、プログラムは、コンピュータに、対象装置の計測値であって、少なくとも前記対象装置に入力される入力流体の温度および流量、ならびに前記対象装置から出力される出力流体の温度および流量を含む計測値を取得することと、前記計測値を熱平衡式に代入し、前記熱平衡式が成立するよう前記計測値の誤差の組合せを算出した、前記組合せごとに前記誤差の総和又は２乗の総和を求め、前記いずれかの総和が最小となる前記組合せを選択することで補正計測値を得ることと、前記補正計測値を諸元としてマハラノビス距離を算出することと、を実行させる。
上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、監視装置は、熱平衡計算を行うことで計測値を補正することで、計測値に含まれる誤差を低減することができる。これにより、監視装置は、計測値に含まれる誤差の影響を低減してマハラノビス距離を算出することができる。
対象装置の一例であるガスタービンの模式図である。 第１の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。 第１の実施形態に係る監視装置の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態に係る監視装置の動作を示すフローチャートである。 第３の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。 大気条件と標準化係数との関係を表す関数の一例を示すグラフである。 第４の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
〈第１の実施形態〉
以下、図面を参照しながら第１の実施形態について詳しく説明する。
第１の実施形態に係る監視装置１００は、ガスタービンＴの異常の有無を監視し、異常の発生要因を特定する。ガスタービンＴは対象装置の一例である。
《対象装置》
図１は、対象装置の一例であるガスタービンの模式図である。
ガスタービンＴは、圧縮機Ｔ１、燃焼器Ｔ２、タービンＴ３、ロータＴ５、抽気管Ｔ４、および発電機Ｔ６を備える。圧縮機Ｔ１、タービンＴ３、および発電機Ｔ６は、ロータＴ５に接合され、ロータＴ５の軸回りに回転する。圧縮機Ｔ１は、回転により空気取込口から空気を取り込み、取り込んだ空気を圧縮して圧縮空気を生成する。燃焼器Ｔ２は、圧縮機Ｔ１が生成した圧縮空気に燃料を噴射することにより、高温かつ高圧の燃焼ガスを発生させる。また燃焼器Ｔ２には、燃焼器Ｔ２の冷却のために冷却蒸気が吹き付けられる。タービンＴ３は、燃焼器Ｔ２が発生させた燃焼ガスの熱エネルギーをロータＴ５の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。抽気管Ｔ４は、その一端が圧縮機Ｔ１に接続され、その他端がタービンＴ３に接続される。抽気管Ｔ４は、圧縮機Ｔ１が生成する圧縮空気の一部を抽気し、抽気した圧縮空気（冷却空気）をタービンＴ３に供給することで、タービンＴ３を冷却する。発電機Ｔ６は、ロータＴ５の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。
ガスタービンＴには図示しない複数のセンサが取り付けられる。各センサが取得するセンサ値の例としては、大気圧、大気温度、大気の相対湿度、圧縮機Ｔ１の入口差圧、圧縮機Ｔ１の出口空気温度、圧縮機Ｔ１の出口空気圧力、燃料圧力、燃料温度、燃料発熱量、燃料組成、燃料流量、冷却蒸気圧力、冷却蒸気温度、冷却蒸気流量、冷却空気の温度、冷却空気の流量、排気温度、吸気圧力損失、排気圧力損失、発電機Ｔ６の発電効率、発電電力、発電電流、発電電圧、発電周波数が挙げられる。
《構成》
監視装置１００の構成について説明する。図２は、第１の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。
監視装置１００は、取得部１０１、特性値算出部１０２、補正部１０３、単位空間記憶部１０４、距離算出部１０５、異常判定部１０６、ＳＮ比算出部１０７、尤度算出部１０８、テーブル記憶部１０９、推定部１１０、出力部１１１を備える。
取得部１０１は、ガスタービンＴに設けられたセンサが取得したセンサ値、およびガスタービンＴの制御信号の値（指令値）を取得する。なお、取得部１０１が取得するセンサ値には、上述の通り、少なくともガスタービンＴに入力される空気および燃料（入力流体）の温度およびガスタービンＴから出力される排気（出力流体）の温度を含む。センサ値は、ガスタービンＴの計測値の一例である。
特性値算出部１０２は、取得部１０１が取得したセンサ値に基づいて、ガスタービンＴの特性を示す特性値を算出する。特性値の例としては、熱効率、圧縮機効率、燃焼効率、タービン効率、圧縮機動力、タービン出力、ガスタービン空気流量、ガスタービン排気流量、圧縮機圧力比、タービンＴ３の入口燃焼ガス温度が挙げられる。例えば、特性値算出部１０２は、等エントロピ変化における圧縮機出口エンタルピと圧縮機入口エンタルピの差を、実際の圧縮機出口エンタルピと圧縮機入口エンタルピの差で除算することで、圧縮機効率（特性値）を算出する。エンタルピは、センサ値である温度および圧力を用いて算出される。特性値は、ガスタービンＴの計測値の一例である。なお、特性値算出部１０２が算出する特性値には、上述の通り、少なくともガスタービンＴに入力される空気の流量およびガスタービンＴから出力される排気の流量を含む。
補正部１０３は、取得部１０１が取得したセンサ値および特性値算出部１０２が算出した特性値をガスタービンＴの熱平衡計算に基づいて補正することで、補正計測値を得る。具体的には、補正部１０３は、以下の手順で計測値を補正する。まず補正部１０３は、計測値をガスタービンＴに係る熱平衡の式に代入し、当該式が成立するように、各計測値の誤差を算出する。そして補正部１０３は、計測値ごとに算出した誤差の総和、または誤差の二乗の総和を求め、求められた総和が最小となる計測値ごとの誤差の組み合わせを選択することで、補正計測値を得る。
具体的には、ガスタービンＴ全体の熱平衡は、以下の式（１）により表される。圧縮機Ｔ１の熱平衡は、以下の式（２）により表される。燃焼器Ｔ２の熱平衡は、以下の式（３）により表される。タービンＴ３の熱平衡は、以下の式（４）により表される。以下の式（１）−式（４）において、左辺は入熱量を示し、右辺は出熱量を示す。
Figure 0006511702
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変数Ｇ１は、吸気流量を示す。変数Ｈ１Ｃは、吸気エンタルピを示す。変数Ｇ２は、圧縮機Ｔ１の出口流量を示す。変数Ｈ２Ｃは、圧縮機Ｔ１の出口エンタルピを示す。変数Ｇｆは、燃料流量を示す。変数ＬＨＶは、燃料発熱量を示す。変数Ｇｓｔは、冷却蒸気流量を示す。変数Ｈｓｔ１は、燃焼器Ｔ２に供給される冷却蒸気のエンタルピを示す。変数Ｈｓｔ２は、燃焼器Ｔ２から排出される冷却蒸気のエンタルピを示す。変数Ｇｃは、冷却空気量を示す。変数Ｈｃは、冷却空気エンタルピを示す。変数Ｇ４は、タービンＴ３の入口流量を示す。変数Ｈ１Ｔは、タービンＴ３の入口エンタルピを示す。変数Ｇ８は、排気流量を示す。変数Ｈ２Ｔは、排気エンタルピを示す。変数μＧＥＮは、発電効率を示す。変数μＢＵＲＮは、燃焼効率を示す。変数ＫＷＧＥＮは、発電電力を示す。変数ＫＷＣは、圧縮機動力を示す。変数ＫＷＴは、タービン出力を示す。
単位空間記憶部１０４は、ガスタービンＴの始動期間（例えば、新品状態のガスタービンＴの運転開始時点または定期点検の完了後のガスタービンＴの運転開始時点のうち直近の時点から２週間の期間）の間に取得された、ガスタービンＴの状態量（計測値、補正計測値および指令値）の組み合わせを、マハラノビス距離の単位空間として記憶する。
距離算出部１０５は、取得部１０１が取得したセンサ値および指令値、特性値算出部１０２が算出した特性値、ならびに補正部１０３が補正した補正計測値を諸元として、単位空間記憶部１０４が記憶する単位空間に基づいて、ガスタービンＴの状態を示すマハラノビス距離を算出する。マハラノビス距離は、単位空間として表される基準の標本と新たに得られた標本との違いの大きさを表す尺度である。マハラノビス距離の算出方法については、後述する。
異常判定部１０６は、距離算出部１０５が算出したマハラノビス距離に基づいてガスタービンＴに異常が生じているか否かを判定する。具体的には、異常判定部１０６は、マハラノビス距離が所定の閾値（例えば、３．５）以上である場合に、ガスタービンＴに異常が生じていると判定する。閾値には、通常３以上の値が設定される。
ＳＮ比算出部１０７は、異常判定部１０６がガスタービンＴに異常が生じていると判定した場合に、取得部１０１が取得したセンサ値および指令値、特性値算出部１０２が算出した特性値、ならびに補正部１０３が補正した補正計測値に基づいて、タグチメソッドに係るＳＮ比（Signal-Noise Ratio）を算出する。すなわち、尤度算出部１０８は、直交表分析による項目有無の望大ＳＮ比を求める。ＳＮ比が大きいほど、その状態量（計測値、指令値）の項目に異常がある可能性が高いと判断できる。
尤度算出部１０８は、ＳＮ比算出部１０７が算出したＳＮ比に基づいて、ガスタービンＴに発生し得る複数の事象（性能劣化）それぞれの発生の尤度を算出する。事象の例としては、ガスタービン出力の低下、ガスタービン効率の低下、圧縮機効率の低下、タービン効率の低下、圧縮機入口空気量の低下、排気温度の上昇、圧縮機圧縮比の低下、燃焼効率の低下、タービン入口ガス温度の上昇、排気ガス圧力の上昇などが挙げられる。例えば、尤度算出部１０８は、各事象について、当該事象の発生の有無がＳＮ比の増減を支配的に関与する状態量との関係を記憶しておき、各事象に関連付けられた状態量それぞれのＳＮ比の加重和を算出することで、各事象の発生の尤度を算出する。
テーブル記憶部１０９は、事象と異常の発生要因との関係を表すテーブルを記憶する。具体的には、テーブル記憶部１０９は、各事象および各発生要因について、当該発生要因による異常が生じたときに、当該事象が確認された回数を記憶する。例えば、過去に排気ディフューザの損傷（発生要因）による異常が生じたときに、ブレードパス温度の偏差が大きくなっている状態（事象）が確認されたことが、９度あった場合、テーブル記憶部１０９は、「排気ディフューザの損傷」という発生要因と「ブレードパス温度の偏差が大きい状態」という事象とに関連付けて、「９」という回数を記憶する。テーブル記憶部１０９が記憶するテーブルは、例えば、ガスタービンＴの運用時に保守員によって生成されたＦＴＡ（Ｆａｕｌｔ Ｔｒｅｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）のデータに基づいて生成することができる。
推定部１１０は、尤度算出部１０８が算出した各事象の発生の尤度と、テーブル記憶部１０９が記憶するテーブルとに基づいて、ガスタービンＴの異常の発生要因を推定する。具体的には、推定部１１０は、各事象の発生の尤度を要素とする１行Ｍ列のベクトルと、テーブルの値を要素とするＭ行Ｎ列の行列との乗算を行うことで、異常の発生要因の尤度を要素とするＮ行１列のベクトルを得る。Ｍは事象の数、Ｎは発生要因の数を示す。そして、推定部１１０は、得られたＮ行１列のベクトルのうち要素の値が大きい行に係る発生要因が、ガスタービンＴの異常の発生要因であると推定することができる。
出力部１１１は、推定部１１０が推定した発生要因を尤度の順に出力する。出力の例としては、ディスプレイへの表示、外部へのデータの送信、シートへの印刷、音声出力などが挙げられる。
《マハラノビス距離》
ここで、一般的なマハラノビス距離Ｄを計算するための計算式について説明する。
ガスタービンＴの状態を表す複数の状態量（計測値、指令値）の項目の数をｕとする。ｕは２以上の整数である。ｕ項目の状態量をそれぞれＸ１〜Ｘｕとする。監視装置１００は、基準となるガスタービンＴの運転状態（第１の実施形態では、新品状態のガスタービンＴの運転開始時点または定期点検の完了後のガスタービンＴの運転開始時点のうち直近の時点から２週間の運転状態）において、各項目の状態量Ｘ１〜Ｘｕを、それぞれ合計ｖ個（２以上）収集する。例えば、各項目の状態量を６０個ずつ取得する場合、ｖ＝６０となる。運転状態において収集された各項目のｊ個目の状態量Ｘ１〜Ｘｕを、Ｘ１ｊ〜Ｘｕｊとする。ｊは１〜ｖまでのいずれかの値（整数）をとり、それぞれの状態量の個数がｖ個であることを意味する。つまり、監視装置１００は、状態量Ｘ１１〜Ｘｕｖを収集する。当該状態量Ｘ１１〜Ｘｕｖは、単位空間記憶部１０４に記憶される。
監視装置１００は、状態量Ｘ１１〜Ｘｕｖの項目毎の平均値Ｍｉ及び標準偏差σｉ（基準データのばらつき度合い）を、式（５）および式（６）により求める。ｉは項目数（状態量の数、整数）である。ここではｉは、１〜ｕに設定され、状態量Ｘ１〜Ｘｕに対応する値を示す。ここで、標準偏差とは、状態量とその平均値との差を２乗したものの期待値の正平方根とする。
Figure 0006511702
Figure 0006511702
前述の平均値Ｍｉ及び標準偏差σｉは、特徴を示す状態量である。監視装置１００は、演算された平均値Ｍｉ及び標準偏差σｉを用いて、状態量Ｘ１１〜Ｘｕｖを、下記の数式（７）によって、基準化された状態量ｘ１１〜ｘｕｖに変換する。すなわち、異常監視装置１０は、ガスタービンＴの状態量Ｘｉｊを、平均０、標準偏差１の確率変数ｘｉｊに変換する。なお、下記の数式（７）において、ｊは１〜ｖまでのいずれかの値（整数）をとる。これは、項目毎の状態量の個数がｖ個であることを意味する。
Figure 0006511702
変量を平均０、分散１に標準化したデータで分析を行うため、監視装置１００は、状態量Ｘ１１〜Ｘｕｖの相関関係を特定する。すなわち、監視装置１００は、変量の間の関連性を示す共分散行列（相関行列）Ｒ、及び共分散行列（相関行列）の逆行列Ｒ−１を、下記の数式（８）で定義付ける。なお、下記の数式（８）において、ｋは項目数（状態量の数）である。つまりｋはｕと等しい。また、ｉ及びｐは、各状態量での値を示し、ここでは１〜ｕの値をとる。
Figure 0006511702
監視装置１００は、このような演算処理の後で、特徴を示す状態量であるマハラノビス距離Ｄを、下記の数式（９）に基づいて求める。なお、数式（９）において、ｊは１〜ｖまでのいずれかの値（整数）をとる。これは、項目毎の状態量の個数がｖ個であることを意味する。また、ｋは項目数（状態量の数）である。つまりｋはｕと等しい。また、ａ１１〜ａｋｋは、上述した数式（８）に示す共分散行列Ｒの逆行列Ｒ−１の係数である。
Figure 0006511702
マハラノビス距離Ｄは基準データである。単位空間のマハラノビス距離Ｄの平均値は１となる。ガスタービンＴの状態量が正常な状態では、マハラノビス距離Ｄは概ね３以下に収まる。しかし、ガスタービンＴの状態量が異常な状態では、マハラノビス距離Ｄの値は概ね３より大きくなる。このように、マハラノビス距離Ｄは、ガスタービンＴの状態量の異常の程度（単位空間からの離れ度合い）に応じて、値が大きくなるという性質を有する。
《ガスタービンの監視方法》
監視装置１００によるガスタービンの監視方法について説明する。図３は、第１の実施形態に係る監視装置の動作を示すフローチャートである。
監視装置１００は、ガスタービンＴの始動期間の間、ガスタービンＴの状態量を収集して単位空間記憶部１０４に状態量の組み合わせを蓄積する。つまり、監視装置１００は、取得部１０１が取得したガスタービンの指令値および補正部１０３が生成した補正計測値を、関連付けて単位空間記憶部１０４に記録する。監視装置１００は、ガスタービンＴの始動期間の経過後、所定の監視タイミング（例えば、１時間おきのタイミング）で、以下に示す監視動作を実行する。監視タイミングは、ガスタービンＴの運転開始時点から所定の始動期間が経過した後の時点である始動後時点の一例である。
監視装置１００が監視を開始すると、取得部１０１は、ガスタービンＴに設けられたセンサが取得したセンサ値、およびガスタービンＴの指令値を取得する（ステップＳ１）。次に、特性値算出部１０２は、取得部１０１が取得したセンサ値に基づいて、ガスタービンＴの特性を示す特性値を算出する（ステップＳ２）。次に、補正部１０３は、センサ値および特性値をガスタービンＴの熱平衡計算に基づいて補正することで、補正計測値を得る（ステップＳ３）。
次に、距離算出部１０５は、ステップＳ１で取得したセンサ値および指令値、ステップＳ２で算出した特性値、ならびにステップＳ３で得られた補正計測値を諸元として、単位空間記憶部１０４が記憶する単位空間に基づいて、マハラノビス距離を算出する（ステップＳ４）。次に、異常判定部１０６は、算出されたマハラノビス距離が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。
マハラノビス距離が閾値未満である場合（ステップＳ５：ＮＯ）、異常判定部１０６は、ガスタービンＴに異常が生じていないと判定して監視処理を終了し、次回の監視タイミングを待機する。
他方、マハラノビス距離が閾値以上である場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、異常判定部１０６は、ガスタービンＴに異常が生じていると判定する。
異常判定部１０６がガスタービンＴに異常が生じていると判定すると、ＳＮ比算出部１０７は、ステップＳ１で取得した指令値およびステップＳ３で得られた補正計測値のそれぞれについて、タグチメソッドに係るＳＮ比を算出する（ステップＳ６）。尤度算出部１０８は、算出されたＳＮ比に基づいてガスタービンＴに発生し得る複数の事象それぞれの発生の尤度を算出する（ステップＳ７）。
次に、推定部１１０は、尤度算出部１０８が算出した各事象の尤度を要素とするベクトルと、テーブル記憶部１０９が記憶するテーブルの値を要素とする行列との乗算を行うことで、異常の発生要因の尤度を要素とするベクトルを得る（ステップＳ８）。次に、推定部１１０は、各発生要因を、得られたベクトルが表す尤度の降順にソートする（ステップＳ９）。そして、出力部１１１は、推定部１１０が推定した発生要因を、ソートされた順に出力する（ステップＳ１０）。例えば、出力部１１１は、最も尤度が高い発生要因をディスプレイに表示させ、利用者の操作により、次の発生要因の表示指令を受け付けた場合に、次に尤度が高い発生要因をディスプレイに表示させる。また例えば、出力部１１１は、発生要因のリストを、尤度の降順にシートに印刷する。
《作用・効果》
このように、第１の実施形態によれば、監視装置１００は、ガスタービンＴに入力される空気および燃料の温度および流量、ならびにガスタービンＴから出力される排気の温度および流量を含む計測値を、熱平衡計算により補正して、マハラノビス距離を算出する。これにより、監視装置１００は、ガスタービンＴに設けられるセンサの計測誤差を低減してマハラノビス距離を算出することができる。
また、第１の実施形態によれば、監視装置１００は、ガスタービンＴの運転開始時点から所定の始動期間が経過した後の時点である始動後時点に取得された計測値を諸元とし、始動期間中に取得された計測値を単位空間として、マハラノビス距離を算出する。つまり、監視装置１００は、監視対象であるガスタービンＴそのものの正常な運転状態を単位空間としてマハラノビス距離を算出する。従来は、マハラノビス距離の単位空間として、始動期間を過ぎて劣化が生じているが異常が発生していない運転状態、および他のガスタービンＴの運転状態をも含む単位空間に基づいてマハラノビス距離を算出していた。他方、第１の実施形態によれば、監視対象であるガスタービンＴそのものの運転状態であって、劣化が生じる以前の運転状態のみを含む単位空間に基づいて、マハラノビス距離を算出する。これにより、監視装置１００は、監視対象のガスタービンＴについて精度よく異常の検知を行うことができる。
また、第１の実施形態に係る始動期間は、新品状態の運転開始時点または定期点検の完了後の運転開始時点のうち直近の時点を始点とする期間である。つまり、定期点検のたびにマハラノビス距離の単位空間が更新される。これにより、ガスタービンＴの定期点検後の正常な運転状態（初回は新品状態における運転状態）を基準として、ガスタービンＴの異常の検知を行うことができる。新品状態、すなわち無劣化のガスタービンＴの運転状態を単位空間とする場合、定期点検後のガスタービンＴの運転状態は正常状態であっても、マハラノビス距離が相対的に大きくなる。これは、ガスタービンＴの使用による劣化を定期点検によって完全に修復することが困難なためである。したがって、ガスタービンＴの定期点検後の正常な運転状態を基準として、ガスタービンＴの異常の検知を行うことで、精度よく運転状態を判定することができる。
また、第１の実施形態によれば、監視装置１００は、ガスタービンＴに生じ得る複数の事象それぞれの発生の尤度を算出し、事象と異常の発生要因との関係を示すテーブルと当該尤度とに基づいて、異常の発生要因を推定する。これにより、監視装置１００は、観測された事象に基づいて容易に異常の発生要因を出力することができる。なお、他の実施形態の構成は、これに限られない。他の実施形態に係る監視装置１００は、異常の発生要因を推定せず、異常が発生したことのみを出力するものであってもよい。また、他の実施形態に係る監視装置１００は、事象の異常の発生要因を出力せず、状態量のＳＮ比または生じた可能性の高い事象を利用者に通知するものであってもよい。
また、第１の実施形態によれば、監視装置１００は、計測値、補正計測値、および指令値を諸元としてマハラノビス距離を算出する。これにより、ガスタービンＴの劣化等により入熱量と出熱量の平衡が崩れる場合にも、適切にガスタービンＴの状態を評価することができる。なお、他の実施形態の構成は、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る監視装置１００は、計測値を諸元に含めずに、補正計測値を諸元としてマハラノビス距離を算出してもよい。また、他の実施形態に係る監視装置１００は、指令値を諸元に含めずにマハラノビス距離を算出してもよい。
〈第２の実施形態〉
以下、図面を参照しながら第２の実施形態について詳しく説明する。
第２の実施形態に係る監視装置１００は、定期点検後のガスタービンＴの劣化の状態を監視する。
《構成》
第２の実施形態に係る監視装置１００の構成について説明する。図４は、第２の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態に係る監視装置１００は、第１の実施形態に係る異常判定部１０６、ＳＮ比算出部１０７、尤度算出部１０８、テーブル記憶部１０９、および推定部１１０に代えて、劣化推定部１１２を備える。
劣化推定部１１２は、距離算出部１０５が算出したマハラノビス距離に基づいて劣化の程度を推定する。具体的には、劣化推定部１１２は、マハラノビス距離が大きいほど劣化が進んでいると推定する。例えば、劣化推定部１１２は、マハラノビス距離が「１．５」未満である場合に、劣化「無」と推定し、マハラノビス距離が「１．５」以上「２．５」未満である場合に、劣化「小」と推定し、マハラノビス距離が「２．５」以上「３．５」未満である場合に、劣化「中」と推定し、マハラノビス距離が「３．５」以上である場合に、劣化「大」と推定する。
第２の実施形態に係る単位空間記憶部１０４は、新品状態のガスタービンＴの始動期間（例えば、新品状態のガスタービンＴの運転開始時点から２週間の期間）の間に取得された、ガスタービンＴの補正計測値および指令値の組み合わせを、マハラノビス距離の単位空間として記憶する。
《ガスタービンの監視方法》
監視装置１００によるガスタービンの監視方法について説明する。図５は、第２の実施形態に係る監視装置の動作を示すフローチャートである。
監視装置１００は、新品状態のガスタービンＴの始動期間の間、ガスタービンＴの状態量を収集して単位空間記憶部１０４に状態量の組み合わせを蓄積する。つまり、監視装置１００は、取得部１０１が取得したガスタービンの指令値および補正部１０３が生成した補正計測値を、関連付けて単位空間記憶部１０４に記録する。監視装置１００は、ガスタービンＴの定期点検の完了後の運転開始時点を始点とする所定期間（例えば、２週間）中のタイミングで、以下に示す監視動作を実行する。
監視装置１００が監視を開始すると、取得部１０１は、ガスタービンＴに設けられたセンサが取得したセンサ値、およびガスタービンＴの指令値を取得する（ステップＳ１０１）。次に、特性値算出部１０２は、取得部１０１が取得したセンサ値に基づいて、ガスタービンＴの特性を示す特性値を算出する（ステップＳ１０２）。次に、補正部１０３は、センサ値および特性値をガスタービンＴの熱平衡計算に基づいて補正することで、補正計測値を得る（ステップＳ１０３）。
次に、距離算出部１０５は、ステップＳ１０１で取得した指令値およびステップＳ１０３で得られた補正計測値を諸元として、単位空間記憶部１０４が記憶する単位空間に基づいて、マハラノビス距離を算出する（ステップＳ１０４）。次に、劣化推定部１１２は、算出されたマハラノビス距離に基づいて劣化の程度を推定する（ステップＳ１０５）。そして、出力部１１１は、劣化推定部１１２が推定した劣化の程度を出力する（ステップＳ１０６）。
《作用・効果》
このように、第２の実施形態によれば、監視装置１００は、新品状態のガスタービンＴの運転開始時点を始点とする始動期間の状態量を単位空間とし、定期点検後のガスタービンＴの運転開始後の時点における状態量を諸元として、マハラノビス距離を算出する。これにより、監視装置１００は、定期点検によって回復したガスタービンＴが新品状態と比較してどの程度劣化したのかを推定することができる。
なお、第２の実施形態に係る単位空間記憶部１０４は、新品状態のガスタービンＴの始動期間の間に取得された状態量を、マハラノビス距離の単位空間として記憶するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る単位空間記憶部１０４は、ガスタービンＴの物理モデルを用いたシミュレーションによって得られる性能予測値を、マハラノビス距離の単位空間として記憶してもよい。
《第３の実施形態》
以下、図面を参照しながら第３の実施形態について詳しく説明する。
第３の実施形態に係る監視装置１００は、補正部１０３が生成した補正計測値を、大気条件に基づいて標準化して、マハラノビス距離を算出する。
第３の実施形態に係る監視装置１００の構成について説明する。図６は、第３の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。
第３の実施形態に係る監視装置１００は、第１の実施形態の構成に加え、さらに標準化部１１３を備える。
標準化部１１３は、取得部１０１が取得したセンサ値のうち、大気条件（大気圧、大気温度、大気湿度など）を用いて、補正部１０３が生成した補正計測値を標準大気条件下に係る値に標準化する。つまり、取得部１０１は、大気条件を取得する大気条件取得部の一例である。標準化の対象となる補正計測値の例としては、出力電力、熱消費率、排気流量、吸気流量、排気エネルギー、および排気温度が挙げられる。
具体的には、標準化部１１３は、大気条件と補正計測値の標準化のための係数（標準化係数）との関係を表す関数を予め記憶しておき、大気条件を当該関数に代入することで、標準大気条件に係る標準化係数を特定する。次に、標準化部１１３は、補正計測値に標準化係数を乗算することにより、標準化された補正計測値を特定する。
ここで、大気条件と標準化係数との関係を表す関数の求め方の例について説明する。予め、ガスタービンＴの物理モデルを用いて、所定の定義域において、大気条件に係る変数を変えて計測値を計算することで、当該変数と標準化係数との関係を示す曲線を得ることができる。また、大気条件に係る複数の変数に依存する標準化係数については、変数関数式を生成する。この場合、大気条件に係る変数を１つずつ変化させて変数ごとに、変数と標準化係数との関係を示す式を求める。第１の実施形態に係る大気条件と標準化係数との関係を表す関数の定義域は、ガスタービンＴの標準状態または指定基準条件から想定される範囲である。図７は、大気条件と標準化係数との関係を表す関数の一例を示すグラフである。上記手順により、図７に示すような大気条件と標準化係数との関係を表す関数を得ることができる。
第３の実施形態に係る距離算出部１０５は、取得部１０１が取得した指令値および標準化部１１３が標準化した補正計測値を諸元として、マハラノビス距離を算出する。このように、第２の実施形態によれば、補正計測値を大気条件で標準化することで、マハラノビス距離の単位空間を単純化することができ、異常判定部１０６による異常判定の精度を向上させることができる。例えば、大気圧と流量との間には非線形な関係があるため、標準化部１１３が流量を標準大気圧の条件に標準化することで、マハラノビス距離の線形性を向上させることができる。
なお、第３の実施形態に係る標準化部１１３は、補正部１０３が補正した補正計測値を標準化するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る標準化部１１３は、取得部１０１が取得したセンサ値を、大気条件に係る値に標準化してもよい。この場合、特性値算出部１０２は、標準化されたセンサ値を用いて特性値を算出し、補正部１０３は、標準化されたセンサ値および特性値を用いて補正計測値を算出する。
また、他の実施形態に係る標準化部１１３は、大気圧、大気温度、大気湿度の何れか１つまたは２つを用いて、補正計測値または計測値を標準化してもよい。
なお、他の実施形態では、第２の実施形態と同様に、異常判定部１０６、ＳＮ比算出部１０７、尤度算出部１０８、テーブル記憶部１０９、および推定部１１０に代えて、劣化推定部１１２を備える監視装置１００が、標準化部１１３をさらに備えるものであってもよい。
《第４の実施形態》
以下、図面を参照しながら第４の実施形態について詳しく説明する。
第４の実施形態に係る監視装置１００は、計測値に基づいてマハラノビス距離を算出するか否かを決定する。
第４の実施形態に係る監視装置１００の構成について説明する。図８は、第４の実施形態に係る監視装置の構成を示す概略ブロック図である。
第４の実施形態に係る監視装置１００は、第１の実施形態の構成に加え、さらに線形性判定部１１４を備える。
線形性判定部１１４は、取得部１０１が取得したセンサ値のうち、温度に係るセンサ値Ｔについて、当該センサ値Ｔが単位空間記憶部１０４が記憶するセンサ値Ｔの最小値以上かつセンサ値Ｔの最大値以下であるか否かを判定する。これにより、線形性判定部１１４は、取得したセンサ値に基づいてマハラノビス距離を算出した場合に、当該マハラノビス距離が単位空間において温度と出力の関係の線形性が保たれるか否かを判定する。
線形性判定部１１４により、センサ値が単位空間記憶部１０４が記憶するセンサ値の範囲内にあると判定された場合、距離算出部１０５は、当該センサ値に基づいてマハラノビス距離の算出を行う。他方、線形性判定部１１４により、センサ値が単位空間記憶部１０４が記憶するセンサ値の範囲内にないと判定された場合、距離算出部１０５は、マハラノビス距離の算出を行わず、時期を改めて（例えば、所定時間後に）再度マハラノビス距離の算出を行う。
これにより、第４の実施形態に係る監視装置１００は、温度と出力の関係の線形性が保てない可能性がある場合にマハラノビス距離の算出を行わないことで、異常判定部１０６による誤判定を防ぐことができる。
なお、他の実施形態では、第２の実施形態と同様に、異常判定部１０６、ＳＮ比算出部１０７、尤度算出部１０８、テーブル記憶部１０９、および推定部１１０に代えて、劣化推定部１１２を備える監視装置１００が、異常判定部１０６をさらに備えるものであってもよい。
以上、図面を参照して一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、様々な設計変更等をすることが可能である。
例えば、上述した実施形態に係る対象装置は、ガスタービンＴであるが、他の実施形態では、これに限られない。例えば、他の実施形態に係る対象装置は、蒸気タービン、エンジン、または熱的な収支がある他の装置であってもよい。
図９は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ９００は、ＣＰＵ９０１、主記憶装置９０２、補助記憶装置９０３、インタフェース９０４を備える。
上述の監視装置１００は、コンピュータ９００を備える。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式で補助記憶装置９０３に記憶されている。ＣＰＵ９０１は、プログラムを補助記憶装置９０３から読み出して主記憶装置９０２に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ９０１は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域を主記憶装置９０２に確保する。
なお、少なくとも１つの実施形態において、補助記憶装置９０３は、一時的でない有形の媒体の一例である。一時的でない有形の媒体の他の例としては、インタフェース９０４を介して接続される磁気ディスク、光磁気ディスク、光ディスク、半導体メモリ等が挙げられる。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ９００に配信される場合、配信を受けたコンピュータ９００が当該プログラムを主記憶装置９０２に展開し、上記処理を実行してもよい。
また、当該プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、当該プログラムは、前述した機能を補助記憶装置９０３に既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせで実現するもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
１００ 監視装置
１０１ 取得部
１０２ 特性値算出部
１０３ 補正部
１０４ 単位空間記憶部
１０５ 距離算出部
１０６ 異常判定部
１０７ ＳＮ比算出部
１０８ 尤度算出部
１０９ テーブル記憶部
１１０ 推定部
１１１ 出力部
１１２ 劣化推定部
Ｔ ガスタービン

Claims (7)

  1. 対象装置の計測値であって、少なくとも前記対象装置に入力される入力流体の温度および流量、ならびに前記対象装置から出力される出力流体の温度および流量を含む計測値を取得する取得部と、
    前記計測値を熱平衡式に代入し、前記熱平衡式が成立するよう前記計測値の誤差の組合せを算出し、前記組合せごとに前記誤差の総和又は２乗の総和を求め、前記何れかの総和が最小となる前記組合せを選択することで補正計測値を得る補正部と、
    前記補正計測値を諸元としてマハラノビス距離を算出する距離算出部と、
    を備える監視装置。
  2. 大気圧、大気温度および大気湿度の少なくとも一つを含む大気条件を取得する大気条件取得部と、
    取得した前記大気条件を用いて、前記補正計測値を標準大気条件下における値に標準化する標準化部と
    をさらに備え、
    前記距離算出部が、標準化された前記補正計測値に基づいて前記マハラノビス距離を算出する
    請求項１に記載の監視装置。
  3. 前記取得部が取得した温度に係る前記計測値について、当該計測値が前記マハラノビス距離の単位空間を構成する温度に係る計測値の最小値以上かつ最大値以下であるか否かを判定する線形性判定部をさらに備え、
    前記距離算出部は、前記線形性判定部により、前記単位空間における温度に係る計測値の最小値以上かつ最大値以下でないと判定された場合に、前記補正計測値に基づくマハラノビス距離の算出を行わない
    請求項１または請求項２に記載の監視装置。
  4. 前記取得部は、前記対象装置の運転開始時点を始点とする所定の始動期間の経過後の時点である始動後時点における前記計測値を取得し、
    前記距離算出部は、前記始動期間中の時点における計測値を用いて生成された単位空間に基づいて、前記補正部が取得した前記補正計測値に基づいて前記マハラノビス距離を算出する
    請求項１から請求項３の何れか１項に記載の監視装置。
  5. 対象装置の計測値であって、少なくとも前記対象装置に入力される入力流体の温度および流量、ならびに前記対象装置から出力される出力流体の温度および流量を含む計測値を取得することと、
    前記計測値を熱平衡式に代入し、前記熱平衡式が成立するよう前記計測値の誤差の組合せを算出した、前記組合せごとに前記誤差の総和又は2乗の総和を求め、前記いずれかの総和が最小となる前記組合せを選択することで補正計測値を得ることと、
    前記補正計測値を諸元としてマハラノビス距離を算出することと、
    を含む対象装置の監視方法。
  6. 大気圧および大気湿度の少なくとも一方を含む大気条件を取得することと、
    取得した前記大気条件を用いて、前記補正計測値を標準大気条件下における値に標準化することと
    をさらに含み、
    標準化された前記補正計測値に基づいて前記マハラノビス距離を算出する
    請求項５に記載の対象装置の監視方法。
  7. コンピュータに、
    対象装置の計測値であって、少なくとも前記対象装置に入力される入力流体の温度および流量、ならびに前記対象装置から出力される出力流体の温度および流量を含む計測値を取得することと、
    前記計測値を熱平衡式に代入し、前記熱平衡式が成立するよう前記計測値の誤差の組合せを算出した、前記組合せごとに前記誤差の総和又は2乗の総和を求め、前記いずれかの総和が最小となる前記組合せを選択することで補正計測値を得ることと、
    前記補正計測値を諸元としてマハラノビス距離を算出することと、
    を実行させるためのプログラム。
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