JP6892753B2 - 機器状態推定装置、機器状態推定方法およびプログラム - Google Patents

機器状態推定装置、機器状態推定方法およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、機器状態推定装置、機器状態推定方法およびプログラムに関する。
特許文献１には、ボイラ配管でクリープ損傷に至るまでの余寿命と腐食による余寿命とを評価する技術が開示されている。
特開２０１１−５８９３３号公報
高温環境下で運転される機器には、機器に掛かる負荷によって複数種別の劣化要因（例えば、亀裂発生、亀裂進展、クリープなど）により寿命に至る。特許文献１に記載の技術によれば、負荷による劣化のうち、クリープ損傷による余寿命を特定することができる一方で、その他の劣化要因による余寿命については評価されない。
本発明の目的は、対象機器に掛かる負荷による寿命を劣化要因ごとに適切に管理する機器状態推定装置、機器状態推定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、機器状態推定装置は、対象機器の温度を取得する状態量取得部と、前記温度の変化に基づいて、前記対象機器の応力変動のサイクルごとの応力幅を特定する負荷特定部と、応力幅と前記対象機器の亀裂発生に係る寿命サイクル数との関係に基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂発生に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出し、単位サイクルあたりで発生する亀裂長さと応力幅との関係とに基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂進展に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出する余寿命算出部とを備え、前記余寿命算出部は、前記亀裂発生に係るパラメータが前記対象機器に亀裂が生じていることを示す場合に、前記亀裂進展に係るパラメータを算出する。
本発明の第２の態様によれば、第１の態様に係る機器状態推定装置における前記余寿命算出部は、前記寿命サイクル数と、前記負荷特定部が特定した前記応力幅に基づいて算出される寿命消費率を各サイクルについて積算した積算寿命消費率を前記亀裂発生に係るパラメータとして算出するものであってよい。
本発明の第３の態様によれば、第２の態様に係る機器状態推定装置における前記余寿命算出部は、前記積算寿命消費率が１以上である場合に、前記負荷特定部が特定した前記応力幅に基づいて、前記対象機器の亀裂長さを前記亀裂進展に係るパラメータとして算出するものであってよい。
本発明の第４の態様によれば、第１から第３の何れかの態様に係る機器状態推定装置は、前記余寿命算出部が算出した前記亀裂発生に係るパラメータに基づいて運転計画に係る運転パターンの応力幅から求められる亀裂発生までのサイクル数と、前記亀裂進展に係るパラメータに基づいて前記運転パターンの応力幅から求められる亀裂長さが設計寿命に至るまでのサイクル数とを加算することで、前記対象機器を運転するための運転条件である起動可能回数を算出する運転条件算出部をさらに備えるものであってよい。
本発明の第５の態様によれば、第４の態様に係る機器状態推定装置は、前記対象機器の運転を継続すべき時間を特定する時間特定部をさらに備え、前記運転条件算出部は、前記余寿命算出部が算出した前記パラメータに基づいて、前記時間特定部が特定した時間の間、前記対象機器の運転を継続するための運転条件を算出するものであってよい。
本発明の第６の態様によれば、第５の態様に係る機器状態推定装置は、前記対象機器が所定の運転条件で運転する場合に、所定の検査時期まで運転を継続できるか否かを判定する運転可否判定部をさらに備え、前記時間特定部が、現在から前記検査時期までの時間を前記対象機器の運転を継続すべき時間として特定し、前記運転可否判定部が運転を継続できないと判定した場合に、前記運転条件算出部が、前記時間特定部が特定した時間の間、前記対象機器の運転を継続するための運転条件を算出するものであってよい。
本発明の第７の態様によれば、第４の態様に係る機器状態推定装置は、前記対象機器を運転させる負荷の入力を受け付ける負荷入力部をさらに備え、前記運転条件算出部は、前記余寿命に関するパラメータと入力された前記負荷に係る運転パターンとに基づいて、入力された前記負荷で前記対象機器を運転するときの運転条件を算出するものであってよい。
本発明の第８の態様によれば、第４から第７の何れかの態様に係る機器状態推定装置は、前記対象機器の保守作業において生成される保守情報を記憶する保守情報記憶部をさらに備え、前記運転条件算出部は、前記保守情報記憶部が記憶する保守情報に基づいて、前記運転条件を算出するものであってよい。
本発明の第９の態様によれば、機器状態推定方法は、対象機器の温度を取得するステップと、前記温度の変化幅に基づいて、前記対象機器の応力変動のサイクルごとの応力幅を特定するステップと、応力幅と前記対象機器の亀裂発生に係る寿命サイクル数との関係に基づいて、特定した前記応力幅から亀裂発生に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出し、単位サイクルあたりで発生する亀裂長さと応力幅との関係とに基づいて、特定した前記応力幅から亀裂進展に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出するステップとを有し、前記パラメータを算出するステップにおいて、前記亀裂発生に係るパラメータが前記対象機器に亀裂が生じていることを示す場合に、前記亀裂進展に係るパラメータを算出する。
本発明の第１０の態様によれば、プログラムは、コンピュータを、対象機器の温度を取得する状態量取得部、前記温度の変化幅に基づいて、前記対象機器の応力変動のサイクルごとの応力幅を特定する負荷特定部、応力幅と前記対象機器の亀裂発生に係る寿命サイクル数との関係に基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂発生に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出し、単位サイクルあたりで発生する亀裂長さと応力幅との関係とに基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂進展に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出する余寿命算出部として機能させ、前記余寿命算出部は、前記亀裂発生に係るパラメータが前記対象機器に亀裂が生じていることを示す場合に、前記亀裂進展に係るパラメータを算出する。
上記態様のうち少なくとも１つの態様によれば、機器状態推定装置は、タービンの負荷の履歴に基づいて、タービンの負荷と運転可能時間の関係を算出する。これにより、機器状態推定装置は、対象機器に掛かる負荷による寿命を劣化要因ごとに適切に管理することができる。
第１の実施形態に係るタービン分析装置の構成を示す概略ブロック図である。 ＬＣＦ線図データの一例を示す図である。 第１の実施形態に係るタービン分析装置の収集周期ごとの動作を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係るタービン分析装置による運転計画の生成処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るタービン分析装置の構成を示す概略ブロック図である。 第２の実施形態に係るタービン分析装置による運転条件の提示処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態に係るタービン分析装置が出力する運転条件の提示画面の第１の例を示す図である。 第２の実施形態に係るタービン分析装置が出力する運転条件の提示画面の第２の例を示す図である。 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。
図１は、第１の実施形態に係るタービン分析装置の構成を示す概略ブロック図である。
第１の実施形態に係るタービン分析装置１は、複数のタービンの運転計画を生成する。第１の実施形態に係るタービンの運転計画は、各タービンの運転に係る負荷を示す情報である。タービン分析装置１は、対象機器をタービンとする機器状態推定装置の一例である。
第１の実施形態に係るタービン分析装置１は、データ収集部１０１、ヒートバランス算出部１０２、負荷特定部１０３、余寿命記憶部１０４、余寿命算出部１０５、点検時期記憶部１０６、時間特定部１０７、運転条件算出部１０８、運転可否判定部１０９、負荷算出部１１０、発電電力量予測部１１１、運転計画生成部１１２、出力部１１３、保守情報記憶部１１５を備える。
データ収集部１０１は、顧客が所有する発電プラントからリアルタイムにタービンの運転データを収集する。具体的には、データ収集部１０１は、タービンに設けられたセンサから所定の収集周期（例えば、５分）ごとに、運転データを収集する。収集周期は、監視の即時性が失われない程度に短い周期である。運転データの例としては、流量、圧力、温度、振動、およびその他の状態量が挙げられる。データ収集部１０１は、タービンの状態量を取得する状態量取得部の一例である。
ヒートバランス算出部１０２は、データ収集部１０１が収集した運転データに基づいて、タービンのヒートバランスを算出する。ヒートバランスとは、タービンに取り付けられた各部品それぞれにおける温度、圧力、エンタルピ、流量、およびその他の状態量である。ヒートバランス算出部１０２は、運転データに基づくシミュレーションによりヒートバランスを算出する。ヒートバランス算出のためのシミュレーションの手法の例としては、ＦＥＭ（Finite Element Method）およびＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）が挙げられる。ヒートバランス算出部１０２は、タービンの状態量を取得する状態量取得部の一例である。
負荷特定部１０３は、ヒートバランス算出部１０２が算出したヒートバランスに基づいて、直近の収集周期における各部品の劣化量を示すＬＭＰ（Larson-Miller Parameter）値Ｌｃを算出する。ＬＭＰ値Ｌｃは、以下に示す式（１）により求められるパラメータである。
Figure 0006892753
Ｔｃは、部品の熱力学温度を示す。熱力学温度は、セルシウス温度に２７３．１５を加算した値と等価である。部品の温度は、ヒートバランス算出部１０２が算出したヒートバランスによって特定される。ｔｃは、温度Ｔｃでのタービンの運転時間を示す。つまり、時間ｔｃは、データ収集部１０１による収集周期に等しい。Ｃは、部品の材料により定められる定数である。例えば部品の材料が低炭素鋼またはクロムモリブデン鋼である場合、定数Ｃは２０であってよい。また例えば部品の材料がステンレス鋼である場合、定数Ｃは１５であってよい。
このように、ＬＭＰ値は、部品の温度と運転時間とから特定されるパラメータである。つまり、ＬＭＰ値は、部品に掛かる温度履歴に関する温度履歴変数の一例である。ＬＭＰ値により、クリープ劣化の進行度の状態を表すことができる。また、ＬＭＰ値は、部品に掛かる負荷の履歴の一例である。
負荷特定部１０３は、ヒートバランス算出部１０２が算出したヒートバランスに基づいて、直近の収集周期における各部品の応力の大きさを算出する。負荷特定部１０３は、算出した応力の大きさに基づいて、応力変動の半サイクルごとの応力幅を算出する。応力変動の半サイクルの特定方法としては、例えばレインフロー法、ピークカウント法、レベルクロッシングカウント法、ミーンクロッシングカウント法、レンジカウント法、レンジペアカウント法などのサイクルカウント法を用いることができる。
余寿命記憶部１０４は、タービンの各部品の余寿命に関するパラメータを記憶する。具体的には、余寿命記憶部１０４は、クリープ余寿命、ＬＣＦ（Low Cycle Fatigue：低サイクル疲労）寿命消費率、および亀裂長さを記憶する。クリープ余寿命は、タービンが定格温度で運転する場合にその部品が寿命に至るまでの時間によって表される。クリープ余寿命の初期値は、その部品のクリープ変形に係る設計寿命である。
余寿命算出部１０５は、負荷特定部１０３が算出したＬＭＰ値と、余寿命記憶部１０４が記憶する部品のクリープ余寿命および定格温度とに基づいて、タービンの各部品のクリープ余寿命を算出する。具体的には、余寿命算出部１０５は、以下の式（２）に、負荷特定部１０３が算出したＬＭＰ値Ｌｃと定格温度Ｔｓとを代入することで、定格温度での運転に換算したクリープ消費寿命ｔｓを算出する。そして、余寿命算出部１０５は、算出されたクリープ消費寿命を余寿命記憶部１０４が記憶するクリープ余寿命から減算することで、クリープ余寿命を算出する。
Figure 0006892753
図２は、ＬＣＦ線図データの一例を示す図である。余寿命算出部１０５は、負荷特定部１０３が算出した半サイクルごとの応力幅とＬＣＦに係る設計寿命を示すＬＣＦ線図データとに基づいて、タービンの各部品のＬＣＦ寿命消費率を算出する。ＬＣＦ線図データは、図２に示すように、各部品の応力幅と寿命サイクル数との関係を示すデータテーブルまたは関数である。具体的には、余寿命算出部１０５は、ＬＣＦ線図データに応力幅を代入することで寿命サイクル数を特定し、当該寿命サイクル数の逆数をとることで、ＬＣＦ寿命消費率を算出する。なお、部品の応力幅は、例えば、部品の膨張率と部品のヤング率と部品の温度の変化幅との積によって求められる。
余寿命算出部１０５は、負荷特定部１０３が算出した半サイクルごとの応力幅Δσに基づいて、タービンの亀裂長さを算出する。亀裂長さの算出には、パリス則などを用いることができる。具体的には、余寿命算出部１０５は、以下の式（３）に、負荷特定部１０３が算出した応力幅Δσを代入することで、亀裂長さａｉを算出する。
Figure 0006892753
ここで、ｎｉは、応力サイクル数、ａ０は余寿命記憶部１０４が記憶する亀裂長さ、Δａは、予め定められた微小亀裂長さ、Ｃおよびｍは予め定められた材料係数、Ｆ（ａ）は、亀裂長さから形状係数を求めるための関数である。つまり、余寿命算出部１０５は、式（３）において、応力サイクル数ｎｉが現状値になるまで亀裂長さａ０に予め定められた微小亀裂長さΔａを加算することで、亀裂長さａｉを算出する。
このように、余寿命算出部１０５は、クリープ変形、ＬＣＦ、および亀裂進展のそれぞれについて、余寿命に関するパラメータを算出する。
点検時期記憶部１０６は、タービンの点検時期を記憶する。
時間特定部１０７は、点検時期記憶部１０６が記憶する点検時期に基づいて、現在から点検時期までの時間を特定する。現在から点検時期までの時間は、タービンの運転を継続すべき時間の一例である。また、時間特定部１０７は、点検時期と現在の運転計画に基づいて、現在から点検時期までのタービンの起動回数を特定する。
運転条件算出部１０８は、余寿命記憶部１０４が記憶する余寿命に関するパラメータに基づいて、現在の運転計画に従った運転での、タービンの運転可能時間および起動可能回数を算出する。具体的には運転条件算出部１０８は、以下に示す式（４）に、余寿命記憶部１０４が記憶するクリープ余寿命ｔｌと定格温度Ｔｓとを代入することで各部品のＬＭＰ値Ｌｌを算出する。
Figure 0006892753
次に、運転条件算出部１０８は、以下に示す式（５）に、算出したＬＭＰ値Ｌｌと運転計画が示す負荷に対応する温度Ｔｐとを代入することで、運転可能時間ｔｐを算出する。
Figure 0006892753
運転条件算出部１０８は、現在の運転計画に係る運転パターンの応力幅に基づいて、当該運転パターン１サイクルのＬＣＦ消費寿命率を算出し、ＬＣＦ余寿命率を当該ＬＣＦ消費寿命率で除算することで、亀裂発生までのサイクル数を算出する。ＬＣＦ余寿命率とは、１から余寿命記憶部１０４が記憶するＬＦＣ消費寿命率を減算して得られる値である。また運転条件算出部１０８は、現在の運転計画に係る運転パターンの応力幅Δσと、設計寿命に係る亀裂長さａｉとを上記式（３）に代入することで、亀裂発生から亀裂長さが設計寿命に至るまでのサイクル数ｎｉを算出することができる。運転条件算出部１０８は、亀裂発生までのサイクル数と亀裂発生から亀裂長さが設計寿命に至るまでのサイクル数とを加算することで、起動可能回数を算出する。
運転可否判定部１０９は、運転条件算出部１０８が算出した運転可能時間および起動可能回数と、時間特定部１０７が特定した時間とに基づいて、タービンが運転計画が示す負荷での運転を、時間特定部１０７が特定した時間の間、継続することができるか否かを判定する。
負荷算出部１１０は、余寿命記憶部１０４が記憶する余寿命に関するパラメータに基づいて、時間特定部１０７が特定した時間までタービンの運転が可能となる負荷を算出する。具体的には、負荷算出部１１０は、上記式（４）により算出されたＬＭＰ値Ｌｌと、時間特定部１０７が特定した時間ｔｉとを、以下に示す式（６）に代入することで、温度Ｔｉを算出する。次に負荷算出部１１０は、算出した温度Ｔｉに基づいてタービンの運転負荷を特定する。
Figure 0006892753
負荷算出部１１０は、算出した運転負荷に係る運転パターンでタービンを運転する場合の起動可能回数を算出する。
発電電力量予測部１１１は、ネットワークを介して市場電力需要情報を取得し、管理対象の発電プラントが全体として発電すべき電力量を予測する。
運転計画生成部１１２は、負荷算出部１１０が算出した負荷、起動可能回数、および発電電力量予測部１１１の予測結果に基づいて、タービンの負荷および起動回数を示す運転計画を生成する。具体的には、運転計画生成部１１２は、運転可否判定部１０９によって、現在の運転計画が示す負荷および起動回数での運転を継続することができないと判定されたタービンの点検時期までの運転計画を、負荷算出部１１０が算出した負荷および起動可能回数での運転に決定する。そして、運転計画生成部１１２は、発電電力量予測部１１１が予測した発電電力量を満たすように、運転可否判定部１０９によって現在の運転計画が示す負荷での運転を継続することができると判定されたタービンの運転計画を生成する。
出力部１１３は、運転計画生成部１１２が生成した運転計画を出力する。運転計画の出力形式の例としては、ディスプレイへの表示、記憶媒体への記録、およびシートへの印刷が挙げられる。
保守情報記憶部１１５は、タービンの保守作業において生成される情報を記憶する。例えば、保守情報記憶部１１５は、タービンに装着される部品の情報、定期点検等におけるタービンの点検結果、タービンの補修記録情報、タービンの材料調査結果などを記憶する。
ここで、本実施形態に係るタービン分析装置１の動作について説明する。
図３は、第１の実施形態に係るタービン分析装置の収集周期ごとの動作を示すフローチャートである。
タービン分析装置１は、収集周期ごとに、以下に示す処理を実行する。
まずデータ収集部１０１は、タービンに設けられたセンサからタービンの運転データを収集する（ステップＳ１）。次に、ヒートバランス算出部１０２は、収集された運転データを入力としてタービンのヒートバランスを算出する（ステップＳ２）。
次に、タービン分析装置１は、タービンに組み込まれた部品を１つずつ選択し、選択された部品について、それぞれ以下に示すステップＳ４からステップＳ６の処理と、ステップＳ７からステップＳ１３の処理とを並列に実行する（ステップＳ３）。
まず、負荷特定部１０３は、ヒートバランス算出部１０２が算出したヒートバランスを用いて、選択された部品の負荷の履歴を示すＬＭＰ値を算出する（ステップＳ４）。次に、余寿命算出部１０５は、負荷特定部１０３が算出したＬＭＰ値に基づいて、定格温度での運転に換算したクリープ消費寿命を算出する（ステップＳ５）。次に、余寿命算出部１０５は、余寿命記憶部１０４が記憶するクリープ余寿命から、算出されたクリープ消費寿命を減算する（ステップＳ６）。これにより、余寿命算出部１０５は、余寿命記憶部１０４が記憶するクリープ余寿命を更新する。
また、負荷特定部１０３は、ヒートバランス算出部１０２が算出したヒートバランスを用いて、選択された部品の応力の大きさを算出する（ステップＳ７）。次に、負荷特定部１０３は、ステップＳ７で算出した応力の大きさと過去に算出した応力の大きさとに基づいて、応力変動の半サイクルを確定できるか否かを判定する（ステップＳ８）。半サイクルの確定は、上述したサイクルカウント法に基づいて行われる。半サイクルを確定できない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、タービン分析装置１は、低サイクル疲労および亀裂長さに係るパラメータを更新しない。負荷特定部１０３が半サイクルを確定した場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、負荷特定部１０３は、選択された部品の負荷の履歴を示す半サイクルの応力幅を算出する（ステップＳ９）。次に、余寿命算出部１０５は、余寿命記憶部１０４が記憶するＬＣＦ寿命消費率が１（１００％）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。ＬＣＦ寿命消費率が１以上であるということは、ＬＣＦにより選択された部品に亀裂が生じていることを示す。
ＬＣＦ寿命消費率が１未満である場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、つまり選択された部品に低サイクル疲労による亀裂が生じていない場合、余寿命算出部１０５は、ステップＳ９で算出された応力幅に基づいてＬＣＦ寿命消費率を算出する（ステップＳ１１）。次に、余寿命算出部１０５は、余寿命記憶部１０４が記憶するＬＣＦ寿命消費率に算出したＬＣＦ寿命消費率を加算する（ステップＳ１２）。つまり、余寿命算出部１０５は、各サイクルのＬＣＦ寿命消費率を積算した積算寿命消費率を算出する。これにより、余寿命算出部１０５は、余寿命記憶部１０４が記憶するＬＣＦ寿命消費率を更新する。
ＬＣＦ寿命消費率が１以上である場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、つまり選択された部品に低サイクル疲労による亀裂が生じている場合、余寿命算出部１０５は、ステップＳ９で算出された応力幅と余寿命記憶部１０４が記憶する亀裂長さとに基づいて亀裂長さを算出する（ステップＳ１３）。これにより、余寿命算出部１０５は、余寿命記憶部１０４が記憶する亀裂長さを更新する。
タービン分析装置１は、上記ステップＳ１からステップＳ６の処理およびステップＳ７からステップＳ１３の処理を収集周期ごとに実行することで、余寿命記憶部１０４が記憶する各部品について、劣化種別ごとの余寿命に関するパラメータを最新の状態に保つことができる。
ここで、本実施形態に係るタービン分析装置１による運転計画の見直し処理について説明する。タービン分析装置１は、利用者が指定するタイミングで、または定期的に、各発電プラントの運転計画の見直しを行う。つまり、タービン分析装置１は、現在使用されている運転計画に従ってタービンを運転させることでタービンの部品が点検時期までに寿命に至ることが予測される場合に、全てのタービンの部品が点検時期までに寿命に至らないように、運転計画を変更する。
図４は、第１の実施形態に係るタービン分析装置による運転計画の生成処理を示すフローチャートである。
タービン分析装置１は、運転計画の見直し処理を開始すると、運転計画の見直しの対象となるタービンを１つずつ選択し、選択されたタービンについて、以下に示すステップＳ１０２からステップＳ１０６の処理と、ステップＳ１１０からステップＳ１１２の処理とを並列に実行する（ステップＳ１０１）。
まず、運転条件算出部１０８は、選択されたタービンに組み込まれた各部品に関連付けられたクリープ余寿命を余寿命記憶部１０４から読み出す（ステップＳ１０２）。次に、運転条件算出部１０８は、各部品について、現在の運転計画に従った運転での運転可能時間を算出する（ステップＳ１０３）。このとき、運転条件算出部１０８は、クリープ余寿命に加え、さらに保守情報記憶部１１５が記憶する保守情報を利用して運転可能時間を算出してもよい。次に、時間特定部１０７は、選択されたタービンに関連付けられた点検時期を、点検時期記憶部１０６から読み出し、現在から点検時期までの時間を特定する（ステップＳ１０４）。次に、運転可否判定部１０９は、運転条件算出部１０８が算出した各部品の運転可能時間のうち最も短いものと、時間特定部１０７が特定した時間とを比較し、次回の点検時期まで現在の運転計画に従った運転ができるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。
運転可否判定部１０９が、選択されたタービンについて、次回の点検時期まで現在の運転計画に従った運転ができると判定した場合（ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、タービン分析装置１は、ステップＳ１０１に戻り、次のタービンを選択する。他方、運転可否判定部１０９が、選択されたタービンについて、次回の点検時期まで現在の運転計画に従った運転ができないと判定した場合（ステップＳ１０５：ＮＯ）、負荷算出部１１０は、各部品について、時間特定部１０７が特定した時間の間、選択されたタービンを運転することができる最大の負荷を算出する（ステップＳ１０６）。このとき、負荷算出部１１０は、保守情報記憶部１１５が記憶する保守情報を利用して、選択されたタービンを運転することができる最大の負荷を算出してもよい。
また、運転条件算出部１０８は、選択されたタービンに組み込まれた各部品に関連付けられたＬＣＦ消費寿命率および亀裂長さを余寿命記憶部１０４から読み出す（ステップＳ１０７）。次に、運転条件算出部１０８は、各部品について、現在の運転計画に従った運転での起動可能回数を算出する（ステップＳ１０８）。このとき、運転条件算出部１０８は、ＬＣＦ消費寿命率および亀裂長さに加え、保守情報記憶部１１５が記憶する保守情報を利用して起動可能回数を特定してもよい。
次に、時間特定部１０７は、選択されたタービンに関連付けられた点検時期を、点検時期記憶部１０６から読み出し、現在の運転計画に基づいて、現在から点検時期までの起動回数を特定する（ステップＳ１０９）。
タービン分析装置１が、すべてのタービンについて、ステップＳ１０２からステップＳ１０６の処理を実行すると、運転計画生成部１１２は、全てのタービンについて、次回の点検時期まで現在の運転計画に従った運転ができるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。つまり、運転計画生成部１１２は、ステップＳ１０５における運転可否判定部１０９による判定結果がすべてＹＥＳであり、かつステップＳ１０８で算出した起動可能回数がステップＳ１０９で特定された起動回数以上であるか否かを判定する。全てのタービンについて、次回の点検時期まで現在の運転計画に従った運転ができる場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、運転計画を変更する必要がないため、タービン分析装置１は、新たな運転計画を生成せずに処理を終了する。
他方、次回の点検時期まで現在の運転計画に従った運転ができないタービンが存在する場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）、運転計画生成部１１２は、運転計画に従った運転ができないタービンについて、点検期間までの間、負荷算出部１１０が算出した負荷または運転条件算出部１０８が算出した起動可能回数で運転させる運転計画を生成する（ステップＳ１１１）。発電電力量予測部１１１は、ネットワークを介して市場電力需要情報を取得し、管理対象の発電プラントが発電すべき電力量を予測する（ステップＳ１１２）。次に、運転計画生成部１１２は、予測した電力量を満たすように、点検対象のタービンの運転計画を生成する（ステップＳ１１３）。具体的には、運転計画生成部１１２は、発電電力量予測部１１１が予測した発電電力量を満たすように、ステップＳ１０５で運転計画に従った運転ができると判定されたタービンの発電電力量分担を算出する。
そして、出力部１１３は、運転計画生成部１１２が生成した運転計画を出力する（ステップＳ１１４）。
このように、本実施形態に係るタービン分析装置１は、タービンの負荷の履歴に基づいて、複数の劣化種別のそれぞれについて、タービンの余寿命に関するパラメータを算出する。具体的には、余寿命算出部１０５は、クリープ変形に係るパラメータであるクリープ消費寿命、ＬＣＦに係るパラメータであるＬＣＦ寿命消費率、および亀裂進展に係るパラメータである亀裂長さを算出する。
これにより、タービン分析装置１は、タービンの寿命を負荷に応じて適切に管理することができる。
また、本実施形態に係るタービン分析装置１は、タービンの応力変動のサイクルごとの応力幅を特定し、亀裂発生に係る寿命サイクル数と応力幅とに基づいて算出されるＬＣＦ寿命消費率を各サイクルについて積算することで、積算寿命消費率を算出する。これにより、タービン分析装置１は、タービンに亀裂が生じるまでの起動回数を算出することができる。また、本実施形態に係るタービン分析装置１は、積算寿命消費率が１以上である場合に、応力幅に基づいてタービンの亀裂長さを算出する。これにより、タービン分析装置１は、ＬＣＦによりタービンに亀裂が生じた後に、その長さが設計寿命に係る亀裂長さまで進展するまでの起動回数を算出することができる。
また、本実施形態に係るタービン分析装置１は、タービンが現在の運転計画が示す負荷または起動回数で検査時期まで運転を継続できない場合に、検査時期までの間、タービンの運転を継続することができる負荷および起動可能回数を算出する。これにより、タービン分析装置１は、点検時期より前に高温部品が寿命に至る可能性がある場合に、点検時期より前に部品が寿命に至らないように運転計画を変更することができる。
また、本実施形態に係るタービン分析装置１は、複数のタービンが発電すべき電力量の予測に基づいて、複数のタービンの運転計画を生成する。これにより、タービン分析装置１は、一部のタービンの運転計画が寿命に至らないように変更されたとしても、全体の発電電力量が予測される電力量を満足するように、残りのタービンの運転計画を変更することができる。
《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１の実施形態では、タービン分析装置１が各タービンの運転負荷を決定する。これに対し、第２の実施形態では、タービンの所有者が各タービンの運転負荷を設定する。第２の実施形態に係るタービン分析装置１は、所有者によって入力された運転負荷でのタービンの運転可能時間を算出し、提示する。
図５は、第２の実施形態に係るタービン分析装置の構成を示す概略ブロック図である。
第２の実施形態に係るタービン分析装置１は、第１の実施形態の構成のうち、点検時期記憶部１０６、時間特定部１０７、運転可否判定部１０９、負荷算出部１１０、発電電力量予測部１１１、および運転計画生成部１１２を備えない。他方、第２の実施形態に係るタービン分析装置１は、第１の実施形態の構成に加え、さらに負荷入力部１１４を備える。
負荷入力部１１４は、所有者からタービンの運転負荷の入力を受け付ける。
運転条件算出部１０８は、余寿命記憶部１０４が記憶する余寿命に関するパラメータに基づいて、負荷入力部１１４に入力された運転負荷でタービンを運転する場合の運転可能時間および起動可能回数を算出する。
出力部１１３は、運転条件算出部１０８が算出した運転可能時間および起動可能回数を出力する。
図６は、第２の実施形態に係るタービン分析装置による運転条件の提示処理を示すフローチャートである。
図７は、第２の実施形態に係るタービン分析装置が出力する運転条件の提示画面の第１の例を示す図である。
タービン分析装置１は、タービンの所有者から運転可能時間の提示の要求を受け付けると、運転可能時間の提示処理を開始する。運転条件算出部１０８は、運転可能時間の提示対象のタービンのクリープ余寿命、ＬＣＦ寿命消費率、および亀裂長さを余寿命記憶部１０４から読み出す（ステップＳ２０１）。次に、出力部１１３は、初期画面として、図７に示すように、運転条件算出部１０８が読み出したクリープ余寿命、ＬＣＦ寿命消費率、および亀裂長さに基づいて、負荷１００％のときの運転可能時間および起動可能回数を提示する提示画面Ｄ１をディスプレイに出力する（ステップＳ２０２）。提示画面Ｄ１は、運転可能時間バーＤ１１０と負荷バーＤ１２０と起動可能回数表示Ｄ１３０とを含む画面である。運転可能時間バーＤ１１０は、その長さによって運転可能時間を示すインジケータである。タービンの運転可能時間が長いほど、運転可能時間バーＤ１１０の長さが長くなる。他方、タービンの運転可能時間が短いほど、運転可能時間バーＤ１１０の長さが短くなる。負荷バーＤ１２０は、タービンの運転負荷の入力を受け付けるスライダーである。負荷バーＤ１２０は、ハンドルＤ１２１とトラックＤ１２２とを含む。ハンドルＤ１２１は、トラックＤ１２２上でドラッグアンドドロップされることにより、任意の負荷を選択することができる。トラックＤ１２２は、ハンドルＤ１２１の可動範囲を表す。
負荷入力部１１４は、所有者から負荷バーＤ１２０のハンドルＤ１２１の操作を受け付けることで、負荷の入力を受け付ける（ステップＳ２０３）。次に、運転条件算出部１０８は、ステップＳ２０１で読み出した余寿命に関するパラメータに基づいて、負荷入力部１１４に入力された負荷でタービンを運転させる場合の運転可能時間および起動可能回数を算出する（ステップＳ２０４）。
具体的には、運転条件算出部１０８は、上述した式（４）に、ステップＳ２０１で読み出されたクリープ余寿命ｔｌと定格温度Ｔｓとを代入することでＬＭＰ値Ｌｌを算出し、上述した式（５）に、算出されたＬＭＰ値Ｌｌと負荷入力部１１４に入力された負荷に対応する温度Ｔｐとを代入することで、運転可能時間ｔｐを算出する。また、運転条件算出部１０８は、負荷入力部１１４に入力された負荷に係る運転パターンの応力幅に基づいて、亀裂発生までのサイクル数および亀裂発生から亀裂長さが設計寿命に至るまでのサイクル数を算出し、これらを加算することで、起動可能回数を算出する。なお、運転条件算出部１０８は、余寿命に関するパラメータに加え、さらに保守情報記憶部１１５が記憶する保守情報を利用して運転可能時間および起動可能回数を算出してもよい。
図８は、第２の実施形態に係るタービン分析装置が出力する運転条件の提示画面の第２の例を示す図である。
次に、出力部１１３は、図８に示すように、運転条件算出部１０８が算出した運転可能時間を提示する提示画面Ｄ１をディスプレイに出力する（ステップＳ２０５）。図８に示すように、負荷入力部１１４に１００％未満の運転負荷が入力されると、運転可能時間バーＤ１１０の長さは、ステップＳ２０２で提示されたものより長くなる。このとき、運転可能時間バーＤ１１０には、ステップＳ２０２で提示された運転可能時間からの増加分が、異なる態様（例えば、色、模様など）で表示される。例えば、図７に示すように負荷１００％での運転可能時間が１２０００時間であり、図８に示すように負荷８０％での運転可能時間が１４０００時間である場合、運転可能時間バーＤ１１０のうち増加分である２０００時間相当が、異なる態様で表示される。また、図８に示すように、負荷入力部１１４に１００％未満の運転負荷が入力されると、起動可能回数表示Ｄ１３０に表示される起動可能回数は、ステップＳ２０２で提示されたものより多くなることがある。このとき、起動可能回数表示Ｄ１３０は、起動可能回数の増加分を含む。
これにより、所有者は、負荷の変更による運転可能時間および起動可能回数の増加量を知ることができる。
次に、負荷入力部１１４は、利用者から更に運転負荷の入力があるか否かを判定する（ステップＳ２０６）。負荷入力部１１４に運転負荷が入力された場合（ステップＳ２０６：ＹＥＳ）、タービン分析装置１は、ステップＳ２０４に処理を戻し、運転可能時間および起動可能回数を再計算する。他方、負荷入力部１１４に運転負荷が入力されない場合（ステップＳ２０６：ＮＯ）、タービン分析装置１は、処理を終了する。
このように、本実施形態に係るタービン分析装置１は、タービンの負荷の入力を受け付け、タービンを当該負荷で運転した場合の運転可能時間を算出する。これにより、タービン分析装置１は、所有者にタービンの負荷を変更した場合の運転可能時間および起動可能回数を提示することができる。
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。
上述した実施形態では、タービンの各部品について、設計寿命に係る亀裂長さまでの亀裂が許容されるが、これに限られない。例えば、他の実施形態では、一部または全部の部品において、亀裂の発生が許容されないものがあってもよい。この場合、タービン分析装置１は、亀裂発生までのサイクル数と亀裂発生から亀裂長さが設計寿命に至るまでのサイクル数の和ではなく、亀裂発生までのサイクル数を起動可能回数として算出する。
また上述した実施形態では、余寿命の算出対象となる劣化種別が、クリープ変形、ＬＣＦ、および亀裂進展であるが、これに限られない。例えば、他の実施形態では、これらのうち一部を余寿命の算出対象としてもよいし、他の劣化種別（例えば、ＴＢＣ（Thermal Barrier Coating）の損耗、高温酸化減肉、エロージョンなど）を余寿命の算出対象としてもよい。
また上述した実施形態では、タービン分析装置１がタービンを構成する各部品についての余寿命に関するパラメータに基づいて、タービン全体の運転可能時間および起動可能回数を算出するが、これに限られない。例えば、他の実施形態に係るタービン分析装置１は、部品ごとの余寿命の算出を行わずに、タービン全体の設計寿命に基づいて直接的にタービン全体の余寿命を算出してもよい。
また上述した実施形態では、負荷特定部１０３がヒートバランス算出部１０２が算出したヒートバランスに基づいて計算を行うが、これに限られない。例えば、他の実施形態では、負荷特定部１０３が、データ収集部１０１が収集した運転データに基づいて計算を行ってもよい。この場合、タービン分析装置１は、ヒートバランス算出部１０２を備えなくてもよい。
また上述した実施形態では、タービンを対象機器とする場合について説明したが、これに限られない。例えば、他の実施形態では、ターボチャージャやボイラなど、運転により熱劣化が生じる他の機器を対象機器としてもよい。なお、上述した実施形態のように、部品の種類および数が膨大であるタービン（特にガスタービン）を対象機器とすることで、膨大な部品のそれぞれについて、使用履歴や寿命消費率に基づいて詳細に部品寿命消費を管理することができる。また、使用履歴や純情消費率が異なる部品が混在する設備においても、当該設備の最適な運用を精度よくシミュレーションすることができる。
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。
上述のタービン分析装置１は、コンピュータ９００に実装される。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、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、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良い。
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良い。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）であっても良い。
１ タービン分析装置
１０１ データ収集部
１０２ ヒートバランス算出部
１０３ 負荷特定部
１０４ 余寿命記憶部
１０５ 余寿命算出部
１０６ 点検時期記憶部
１０７ 時間特定部
１０８ 運転条件算出部
１０９ 運転可否判定部
１１０ 負荷算出部
１１１ 発電電力量予測部
１１２ 運転計画生成部
１１３ 出力部
１１４ 負荷入力部
９００ コンピュータ
９０１ ＣＰＵ
９０２ 主記憶装置
９０３ 補助記憶装置
９０４ インタフェース

Claims (10)

  1. 対象機器の温度を取得する状態量取得部と、
    前記温度の変化に基づいて、前記対象機器の応力変動のサイクルごとの応力幅を特定する負荷特定部と、
    応力幅と前記対象機器の亀裂発生に係る寿命サイクル数との関係に基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂発生に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出し、単位サイクルあたりで発生する亀裂長さと応力幅との関係とに基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂進展に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出する余寿命算出部と
    を備え、
    前記余寿命算出部は、前記亀裂発生に係るパラメータが前記対象機器に亀裂が生じていることを示す場合に、前記亀裂進展に係るパラメータを算出する
    機器状態推定装置。
  2. 前記余寿命算出部は、前記寿命サイクル数と、前記負荷特定部が特定した前記応力幅に基づいて算出される寿命消費率を各サイクルについて積算した積算寿命消費率を前記亀裂発生に係るパラメータとして算出する
    請求項１に記載の機器状態推定装置。
  3. 前記余寿命算出部は、前記積算寿命消費率が１以上である場合に、前記負荷特定部が特定した前記応力幅に基づいて、前記対象機器の亀裂長さを前記亀裂進展に係るパラメータとして算出する
    請求項２に記載の機器状態推定装置。
  4. 前記余寿命算出部が算出した前記亀裂発生に係るパラメータに基づいて運転計画に係る運転パターンの応力幅から求められる亀裂発生までのサイクル数と、前記亀裂進展に係るパラメータに基づいて前記運転パターンの応力幅から求められる亀裂長さが設計寿命に至るまでのサイクル数とを加算することで、前記対象機器を運転するための運転条件である起動可能回数を算出する運転条件算出部
    をさらに備える請求項１から請求項３の何れか１項に記載の機器状態推定装置。
  5. 前記対象機器の運転を継続すべき時間を特定する時間特定部をさらに備え、
    前記運転条件算出部は、前記余寿命算出部が算出した前記パラメータに基づいて、前記時間特定部が特定した時間の間、前記対象機器の運転を継続するための運転条件を算出する
    請求項４に記載の機器状態推定装置。
  6. 前記対象機器が所定の運転条件で運転する場合に、所定の検査時期まで運転を継続できるか否かを判定する運転可否判定部をさらに備え、
    前記時間特定部が、現在から前記検査時期までの時間を前記対象機器の運転を継続すべき時間として特定し、
    前記運転可否判定部が運転を継続できないと判定した場合に、前記運転条件算出部が、前記時間特定部が特定した時間の間、前記対象機器の運転を継続するための運転条件を算出する
    請求項５に記載の機器状態推定装置。
  7. 前記対象機器を運転させる負荷の入力を受け付ける負荷入力部をさらに備え、
    前記運転条件算出部は、前記余寿命に関するパラメータと入力された前記負荷に係る運転パターンとに基づいて、入力された前記負荷で前記対象機器を運転するときの運転条件を算出する
    請求項４に記載の機器状態推定装置。
  8. 前記対象機器の保守作業において生成される保守情報を記憶する保守情報記憶部をさらに備え、
    前記運転条件算出部は、前記保守情報記憶部が記憶する保守情報に基づいて、前記運転条件を算出する
    請求項４から請求項７の何れか１項に記載の機器状態推定装置。
  9. 対象機器の温度を取得するステップと、
    前記温度の変化幅に基づいて、前記対象機器の応力変動のサイクルごとの応力幅を特定するステップと、
    応力幅と前記対象機器の亀裂発生に係る寿命サイクル数との関係に基づいて、特定した前記応力幅から亀裂発生に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出し、単位サイクルあたりで発生する亀裂長さと応力幅との関係とに基づいて、特定した前記応力幅から亀裂進展に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出するステップと
    を有し、
    前記パラメータを算出するステップにおいて、前記亀裂発生に係るパラメータが前記対象機器に亀裂が生じていることを示す場合に、前記亀裂進展に係るパラメータを算出する
    機器状態推定方法。
  10. コンピュータを、
    対象機器の温度を取得する状態量取得部、
    前記温度の変化幅に基づいて、前記対象機器の応力変動のサイクルごとの応力幅を特定する負荷特定部、
    応力幅と前記対象機器の亀裂発生に係る寿命サイクル数との関係に基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂発生に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出し、単位サイクルあたりで発生する亀裂長さと応力幅との関係とに基づいて、前記負荷特定部が特定した前記応力幅から亀裂進展に係る前記対象機器の余寿命に関するパラメータを算出する余寿命算出部
    として機能させ、
    前記余寿命算出部は、前記亀裂発生に係るパラメータが前記対象機器に亀裂が生じていることを示す場合に、前記亀裂進展に係るパラメータを算出する
    プログラム。
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