JP6568486B2 - 温度変化予測解析装置および温度変化予測解析方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、温度変化予測解析装置および温度変化予測解析方法に関する。

電動機やポンプ等の回転機械とこの回転機械の設置場所を含む設備の運転確認試験では、回転機械の運転開始から常に温度を測定し回転機械の温度が整定するまで運転試験を継続して設備の性能確認を行うのが一般的であるが、性能確認に時間がかかることから改善が望まれている。

回転機械の試験を行う従来の技術としては、例えば回転機械の温度上昇試験を行う上で、電動機や軸受の内部の温度を計測し、ケーシング表面の整定温度を予測することで、試験終了までの運転時間を短縮する技術が知られている。

特開平５−３３２８８２号公報 特開２００７−９２５６３号公報

従来の設備の運転確認試験では、設備の各部温度が整定するまで運転試験を継続し、整定温度や設備の異常の有無を確認する必要があり、運転時間が長くなるという問題があった。

また、従来の温度上昇試験の技術では、電動機や軸受の内部の温度を計測しケーシング表面の整定温度を予測するため、設備組立時に内部に温度検出器を取り付けて運転試験を行い、試験終了後に設備内部の温度検出器を取り外すといった作業が必要であった。

本発明が解決しようとする課題は、機器の運転開始から整定点に至る迄の温度と時間の予測精度を向上すると共に、予測結果から温度整定前に機器を含む設備の異常の有無を確認することができる温度変化予測解析装置および温度変化予測解析方法を提供することにある。

実施形態の温度変化予測装置は、第１温度センサ、第２温度センサ、関数記憶部、設備情報記憶部、チューニング部、演算部を備える。第１温度センサは運転により発熱する機器の表面の温度を計測する。第２温度センサは機器が設置された環境の温度を計測する。関数記憶部には機器から機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数を含むパラメータが設定され、少なくとも前記機器の運転開始から整定に至る期間の機器表面と大気に伝達するエネルギーを計算する関数および機器の整定時における機器の温度を計算する関数が記憶されている。設備情報記憶部には機器を構成する機材を含む設備の性能情報が記憶されている。チューニング部は第１温度センサおよび第２温度センサにより計測された機器の表面温度および環境の温度を基に関数に設定される機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数のパラメータをチューニングする。演算部はチューニング部によりパラメータがチューニングされた関数と設備情報記憶部から読み出した性能情報を用いて機器が整定温度に至る時間を計算する。

実施形態の温度変化予測方法は、運転により発熱する機器から機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数を含むパラメータが設定され少なくとも機器の運転開始から整定に至る期間の機器表面と大気に伝達するエネルギーを計算する関数および機器の整定時における機器の温度を計算する関数と、機器を構成する機材を含む設備の性能情報とを記憶し、機器の表面の温度と機器が設置された環境の温度とを計測し、計測した機器の表面の温度および環境の温度を基に関数に設定される機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数のパラメータをチューニングし、パラメータがチューニングされた関数と性能情報を用いて機器が整定温度に至る時間を計算する。

第１実施形態の温度変化予測解析装置の構成を示す図である。 電動機の温度予測環境を示す図である。 時間と熱量、時間と温度の関係を示す図である。 第１実施形態の温度変化予測解析装置の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態の温度変化予測解析装置の構成を示す図である。 第２実施形態の温度変化予測解析装置の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の温度変化予測解析装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、第１実施形態の温度変化予測解析装置は、表面温度センサ１、環境温度センサ２、コンピュータ１０を備える。

コンピュータ１０は、設備情報記憶部１３、関数記憶部１４、チューニング部１５、演算部１６を有する。コンピュータ１０にはモニタ３などの出力装置が接続されている。

設備情報記憶部１３には例えば電動機７（図２参照）や軸受などの機器を構成する機材を含む設備の仕様情報（性能情報）が記憶されている。設備の仕様情報（性能情報）は、例えば電動機７であれば、下記（式１）〜（式１１）の説明で「既知」とされる数値である。すなわち設備情報記憶部１３には機器を構成する機材を含む設備の性能情報が記憶されている。

関数記憶部１４には予測対象の機器、例えば電動機７が発生するエネルギーおよび熱伝達係数を含むパラメータが設定された温度予測モデル、例えば（式１０）およびその関係式（（式１）〜（式９）、（式１１））などが記憶されている。温度予測モデルは電動機７の運転開始から整定に至る電動機７の温度変化（温度上昇など）を計算するための関数である。

チューニング部１５は表面温度センサ１および環境温度センサ２により計測された計測結果のデータ（少なくとも経過時間２カ所の測定温度）を使用して温度予測モデルにおける機器内部の発生エネルギーと熱伝達係数をチューニング、つまり温度予測モデルのパラメータを修正する。

演算部１６は関数記憶部１４から読み出した温度予測モデルの関係式、例えば（式１０）などを読み出して設備の仕様情報（性能情報）を入力し、整定点（整定温度と整定時間）を予測計算し、予測結果を数値（表）やグラフにしてモニタ３へ出力する。

つまり演算部１６はチューニング部１５によりパラメータがチューニングされた温度予測モデルと設備情報記憶部１３から読み出した設備の仕様情報を用いて電動機７が整定温度に至る時間を計算する。

すなわちこのコンピュータ１０は表面温度センサ１および環境温度センサ２により計測された電動機７の表面温度と電動機７が設置された環境温度を取得し、取得した計測結果の各温度と設備情報記憶部１３の設備仕様を関数記憶部１４の温度予測モデルに入力し、電動機７が整定点T（図３参照）に至る温度（整定温度）と時間（整定時間）を計算（予測）する。

ここで、関数記憶部１４に記憶される温度予測モデルの関係式は、以下の（式１）〜（式１０）である。そのうち（式１０）が温度予測モデルの主要な式である。

＜電動機巻線の発生エネルギー＞

但し、Q_ｉ(t)：電動機巻線の温度を上昇させるエネルギー
m_ｉ ：電動機巻線質量・・・未知数
c_ｉ ：電動機巻線の比熱・・・既知
T_ｉ(ｎ) ：電動機巻線のn回目測定時の温度・・・未知数
T_ｉ(ｎ-1)：電動機巻線のn-1回目測定時の温度・・・未知数
T_C ：環境温度・・・測定値
V ：電動機の電圧・・・既知
R_O ：電動機巻線の試験前抵抗・・・未知数
α_O ：試験前温度における抵抗温度係数・・・未知数

＜電動機表面と大気中に伝達するエネルギー＞

（式６）より単位時間あたりのエネルギーは、

但し、Q_S(t) ：電動機表面の温度を上昇させるエネルギー
Q_CV(t)：大気中に対流伝達するエネルギー
Q_r(t) ：大気中に放出するエネルギー
Q_C(t) ：電動機表面と大気中に伝達するエネルギー
q_C ：単位時間あたりの電動機表面と大気中に伝達するエネルギー
m_S ：電動機質量・・・既知
c_S ：電動機の比熱・・・既知
h ：対流による熱伝達係数・・・未知数
A ：電動機表面積・・・既知
T_S(ｎ) ：電動機表面のn回目の測定温度・・・測定値
T_S(ｎ-1)：電動機表面のn-1回目の測定温度・・・測定値
ε ：電動機表面の放射率・・・既知
σ ：ステファン・ボルツマン定数・・・既知

＜温度整定時＞

上記（式７）、（式８）、（式９）より、

但し、Q_ｉ ：整定時の電動機巻線の温度を上昇させるエネルギー・・・未知数
Q_ｓ ：整定時の電動機表面と大気中に伝達するエネルギー・・・未知数
T_ｉ ：整定時の電動機巻線の温度・・・未知数
T_Ｓ ：整定時の電動機表面の温度・・・未知数
温度予測モデルの（式１０）は（式７）より電動機巻線に発生するジュール熱により電動機巻線８の温度を上昇させるエネルギーと電動機表面及び大気中に伝達する熱伝達エネルギーが温度整定時に等しくなるように作成されている。

電動機７の表面温度の測定を複数回行い、測定結果の温度をチューニング部１５に入力すると、チューニング部１５は測定結果の温度を（式７）に入力し、未知数の対流による熱伝達係数ｈと単位時間あたりの電動機表面と大気中に伝達するエネルギーｑ_cを求める。

演算部１６は（式１０）より熱的平衡時の電動機７の表面温度および電動機巻線の温度を予測（推定）する。

図２は電動機７の温度予測環境を示す図である。
図２に示すように、巻線８に電流を流し電動機７の運転を開始すると、電動機７の内部にある巻線８より、ジュール熱のエネルギーが発生し、電動機７の表面からその周辺の大気中に放射および対流によりエネルギーが伝達（発散または消費）される。

ここで、図３に示すように、運転中の電動機７の巻線８の温度を上昇させる単位時間あたりのエネルギーｑ _ｉ は一定と仮定すると、電動機７の運転開始直後のように巻線８のジュール熱による巻線８の温度を上昇させるエネルギーＱｉが大気への伝達エネルギーＱｃｖ＋Ｑｒよりも大きい場合に環境温度Ｔｃの温度から温度上昇が継続し、伝達エネルギーＱｃｖ＋Ｑｒが巻線８の温度を上昇させるエネルギーＱｉと等しくなると温度が一定となり、整定に至る。したがって、本例では、電動機７の表面温度と環境温度の変化より電動機７の表面の温度を上昇させるエネルギーおよび大気への伝達エネルギーを算出するものとする。

図４は第１実施形態の温度変化予測解析装置の動作を示すフローチャートである。
図４に示すように、試験運転開始と共に所定の時間間隔（１分間隔、５分間隔、１０分間など）で電動機７の表面温度と環境温度を計測する（図４のステップＳ１）。なおここで示した所定の時間間隔はあくまでも一例であり他の間隔であってもよい。

そしてチューニング部１５は２回以上の計測値から設備の温度上昇分のエネルギーと温度上昇に必要なエネルギーとを算出し、次にチューニング部１５は放射および対流により大気中へ伝達されるエネルギー（伝達エネルギー）を算出する（ステップＳ２）。

ここで、伝達係数が未知数であるため、チューニング部１５は温度上昇分のエネルギーと伝達エネルギーが一定となるように伝達係数を回帰計算により求める。

そして、チューニング部１５は測定結果の温度を（式７）に入力し、（式７）より未知数の対流による熱伝達係数ｈと単位時間あたりの電動機表面と大気中に伝達するエネルギーｑ_cを求める。

チューニング部１５は求めたエネルギーｑ _ｃ と熱伝達係数ｈとを使用して温度予測モデルにおける機器表面と大気中に伝達するエネルギーと熱伝達係数をチューニング（ステップＳ３）、つまり温度予測モデルのパラメータを修正する。

演算部１６はチューニングされた温度予測モデルの（式１０）を関数記憶部１４から読み出して熱的平衡時（整定時）の電動機表面温度および電動機巻線温度を推定（算出）し、整定時間を予測、つまり電動機７が整定温度に至る時間を予測し（ステップＳ４）、予測した結果を数値（表）やグラフにしてモニタ３へ出力しモニタ３の画面に表示する。

なお、予測した結果を、モニタ３以外の、例えば印刷装置などの出力装置へ出力するようしてもよく、また上記温度予測モデルに入力したパラメータ（計算条件）と共にテキストデータとしてメモリに記憶してもよい。

ここで、計測対象の機器が例えば軸受などの場合の温度予測モデルの関係式について説明する。軸受の温度予測モデルの関係式は、以下の（式１）〜（式１１）となる。

＜軸受の発生エネルギー＞

但し、Q_ｉ(t)：軸受の温度を上昇させるエネルギー
m_ｉ ：軸受質量・・・未知数
c_ｉ ：軸受の比熱・・・既知
T_ｉ(ｎ) ：軸受のn回目測定時の温度・・・未知数
T_ｉ(ｎ-1)：軸受のn-1回目測定時の温度・・・未知数
T_ｉ ^C ：環境温度・・・測定値
R_O ：軸受の試験前抵抗・・・未知数
λ ：摩擦係数
v ：速度
W ：軸受荷重
a,b,c ：速度、荷重、温度の各係数

＜軸受表面と大気中に伝達するエネルギー＞

（式６）より単位時間あたりのエネルギーは、

但し、Q_S(t) ：軸受表面の温度を上昇させるエネルギー
Q_CV(t)：大気中に対流伝達するエネルギー
Q_r(t) ：大気中に放出するエネルギー
Q_C(t) ：軸受表面と大気中に伝達するエネルギー
q_C ：単位時間あたりの軸受表面と大気中に伝達するエネルギー
m_S ：軸受質量・・・既知
c_S ：軸受の比熱・・・既知
h ：対流による熱伝達係数・・・未知数
A ：軸受表面積・・・既知
T_S(ｎ) ：軸受表面のn回目の測定温度・・・測定値
T_S(ｎ-1)：軸受表面のn-1回目の測定温度・・・測定値
ε ：軸受表面の放射率・・・既知
σ ：ステファン・ボルツマン定数・・・既知

＜温度整定時＞

上記（式７）、（式８）、（式９）より、

但し、Q_ｉ ：整定時の軸受の温度を上昇させるエネルギー・・・未知数
Q_ｓ ：整定時の軸受表面と大気中に伝達するエネルギー・・・未知数
T_ｉ ：整定時の軸受の温度・・・未知数
T_Ｓ ：整定時の軸受表面の温度・・・未知数

複数回の軸受の表面温度の測定を行い、測定結果の温度をチューニング部１５に入力すると、チューニング部１５は（式７）より未知数である対流による熱伝達係数ｈを求める。

チューニング部１５は（式１０）より動的平衡時の軸受表面温度および軸受温度を計算（推定）する。

このようにこの第１実施形態によれば、電動機７および軸受などの機器の表面および機器周辺で運転中に複数回計測した温度（表面温度および環境温度）と設備仕様情報から機器の内部の温度およびエネルギーを計測することなく算出し、算出結果を用いて温度予測モデルの内部発生エネルギーと熱伝達係数をチューニングし、チューニングした温度予測モデルにより整定点（整定温度と整定時間）を予測することで、予測精度を向上すると共に、予測結果から温度整定前に機器を含む設備の異常の有無を確認することができる。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態の温度変化予測解析装置の構成を示す図である。
図５に示すように、第２実施形態は、表面温度センサ１および環境温度センサ２により電動機７の表面温度と電動機７が設置された環境温度を計測し、チューニング部１５に入力する。

チューニング部１５は各温度計測結果と設備情報記憶部１３から読み出した設備仕様情報を関数記憶部１４の温度予測モデルである（式１０）に入力する。

補正部１９は計測結果の電動機７の表面温度を使用し、電動機７の場合は電動機７の巻線８のジュール熱の補正計算を行い、補正値を求める。軸受の場合は軸受の表面温度を使用し、軸受の摩擦エネルギーの補正計算を行い、補正値を求める。

そして、補正部１９は求めた補正値にて関数記憶部１４の温度予測モデルのパラメータを補正する。すなわち補正部１９は表面温度センサ１により運転中に計測される電動機７の表面温度の変化の程度に応じて温度予測モデルのパラメータの一つである電動機７の巻線の温度を上昇させるエネルギー（巻線８のジュール熱の設定値）を実際に即した値に補正する。

なお電動機７の表面温度に応じた電動機７の巻線８のジュール熱を求める計算式（関数）は既知のものを使用可能である。

チューニング部１５は各温度センサ１、２の計測結果（表面温度および環境温度）を使用して補正部１９により補正された温度予測モデルの機器（例えば巻線、軸受）の温度を上昇させるエネルギーと熱伝達係数をさらにチューニングし、温度予測モデルの設定を実際の運転状態に即した値に修正する。

演算部１６はチューニング（修正）された温度予測モデルを読み出して温度予測モデルに設備情報記憶部１３の設備情報に含まれる各パラメータを入力し熱的平衡の関係から整定点（整定温度と整定時間）を予測する。

次に図６のフローチャートを参照してこの第２実施形態の動作を説明する。なお第１実施形態で説明した動作（図４のフローチャート）と同じ動作には同一のステップ番号を付しその説明は省略する。

図６に示すように、この例の場合、表面温度センサ１により電動機７の表面温度が複数回計測されると（ステップＳ１）、補正部１９は計測された電動機７の表面温度を使用して電動機巻線のジュール熱の補正計算を行い、補正計算したジュール熱の値で、温度予測モデルに入力する電動機巻線のジュール熱の値を補正する（ステップＳ３ａ）。以下の動作は第１実施形態と同様である。

このようにこの第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、補正部１９を設けることで、表面温度センサ１により計測された電動機７の表面温度を使用して温度予測モデルの電動機巻線のジュール熱の値を補正することで、温度予測モデルによる整定点を予測する精度をさらに向上することができる。

以上説明したように第１および第２実施形態によれば、運転試験に際して機器の表面温度と環境温度を計測し、計測した表面温度と環境温度から機器の内部で発生するエネルギーと内部温度を算出するため、内部温度を計測できない機器にも適用可能となる。

また、求めた機器内部で発生するエネルギーによって変わる整定温度に至る時間を計算することで、表面の温度変化を考慮せずに整定温度を予測する方法に比べて、環境の変化にも対応して整定温度を高精度に予測することができる。

さらに、運転試験の初期段階で電動機７および軸受の整定温度をより正確に予測できるため、温度整定前に設備の異常の有無を確認することが可能となり、温度整定を待たずに試験を終了することができる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

また上記実施形態に示した各構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで実現してもよい。

１…表面温度センサ、２…環境温度センサ、３…モニタ、７…電動機、８…巻線、１０…コンピュータ、１３…設備情報記憶部、１４…関数記憶部、１５…チューニング部、１６…演算部、１９…補正部。

Claims (4)

1. 運転により発熱する機器の表面の温度を計測する第１温度センサと、
   前記機器が設置された環境の温度を計測する第２温度センサと、
   前記機器から機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数を含むパラメータが設定され、少なくとも前記機器の運転開始から整定に至る期間の前記機器表面と大気に伝達するエネルギーを計算する関数および前記機器の整定時における前記機器の温度を計算する関数が記憶された関数記憶部と、
   前記機器を構成する機材を含む設備の性能情報が記憶された設備情報記憶部と、
   前記第１温度センサおよび前記第２温度センサにより計測された機器の表面温度および環境の温度を基に前記関数に設定される機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数のパラメータをチューニングするチューニング部と、
   前記チューニング部により前記パラメータがチューニングされた関数と前記設備情報記憶部から読み出した前記性能情報を用いて前記機器が整定温度に至る時間を計算する演算部と
   を具備する温度変化予測解析装置。
2. 前記関数記憶部は、
   前記機器の温度を上昇させるエネルギーを計算する関数を記憶しており、前記第１温度センサにより運転中に計測された前記機器の表面温度に応じて前記機器の温度を上昇させるエネルギーを補正する補正部をさらに具備する請求項１に記載の温度変化予測解析装置。
3. 運転により発熱する機器から機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数を含むパラメータが設定され少なくとも前記機器の運転開始から整定に至る期間の前記機器表面と大気に伝達するエネルギーを計算する関数および前記機器の整定時における前記機器の温度を計算する関数と、前記機器を構成する機材を含む設備の性能情報とを記憶し、
   前記機器の表面の温度と前記機器が設置された環境の温度とを計測し、
   計測した前記機器の表面の温度および環境の温度を基に前記関数に含まれる機器表面と大気に伝達するエネルギーおよび熱伝達係数のパラメータをチューニングし、
   前記パラメータがチューニングされた関数と前記性能情報を用いて前記機器が整定温度に至る時間を計算する温度変化予測解析方法。
4. さらに前記機器の温度を上昇させるエネルギーを計算する関数を記憶し、
   前記第１温度センサにより運転中に計測された前記機器の表面温度に応じて前記機器の温度を上昇させるエネルギーを補正する請求項３に記載の温度変化予測解析方法。

Images