JP6933945B2 - 発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法に関する。

火力発電所や原子力発電所などの発電設備では、安定的な発電を行えるよう発電設備の各部を油圧制御している。

例えば、これらの発電所用のタービンとしては、蒸気タービン、ガスタービン等がある。蒸気タービンの上流側には蒸気加減弁が設置され、この蒸気加減弁は、油圧制御装置により弁の開度が制御されている。そして、蒸気加減弁により蒸気タービンに達する蒸気流量を制御することにより、蒸気タービンの速度・負荷が制御される。

ガスタービンの上流側には燃料流量制御弁が設置され、この燃料流量制御弁は油圧制御装置により弁の開度が制御されている。そして、燃料流量制御弁によりガスタービンに達するガス燃料の流量を制御することにより、ガスタービンの速度・負荷が制御される。

また、上記の弁以外にも、起動時・過渡時等制御用、緊急遮断用或いはその他各運転モードで要求される制御用等の弁も種々の油圧制御が行われている。

上記のような油圧制御には、制御油が用いられる。発電設備の油圧制御装置中の制御油は、一定の油圧性能を有するように、酸性物質量（酸価）、水分量、粘度、固形分質量等の項目が一定範囲内となるようモニタリングされており、発電設備の動作不良の原因となることがあった。

この中で、従来から、制御油中の微粒子の評価方法として、ＮＡＳ等級（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｓｔａｎｄａｒｄ １６３８：２００１）が用いられている。ＮＡＳ等級では制御油中の微粒子の粒径分布に基づいて００〜１２までの等級により制御油の劣化度を判定するものである。

また、上記ＮＡＳ等級とは別の手法で制御油の劣化度を判定する方法が提案されている。特許文献１（特許第５１９０６６０号公報）は、油をフィルタによってろ過した後、油中の汚染物を捕捉したフィルタから油分を除去し、更にフィルタに光を投射しフィルタを透過した透過光の色成分を検出する、油の劣化度の診断方法（以下、「福井大学式」と記載する場合がある）を開示する。

特許第５１９０６６０号公報

しかし、ＮＡＳ等級で測定する微粒子の粒径は５μｍ以上から１００μｍ未満であり、これらの粒径範囲の微粒子の測定だけでは制御油の劣化を十分に評価できない場合があった。例えば、優れたＮＡＳ等級を有し、未劣化と判断される制御油を用いた場合であっても、弁を閉塞させたり、制御油供給部に設けられたラインフィルタを閉塞させるなど、発電設備に不具合が発生する場合があった。また、福井大学式の油劣化診断方法では、フィルタで捕捉できない微粒子の測定を行うことができず、制御油劣化度の測定精度に限界があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明者は従来の方法では着目されず、測定されていなかった粒径の微粒子が制御油の劣化診断に重要であることを発見し、本発明を完成するに至ったものである。すなわち、本発明は、高精度で制御油の劣化を診断することが可能な、発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の各実施態様を有する。

［１］発電設備の油圧制御装置用の制御油中に存在する、粒径が１μｍ〜５μｍの微粒子の個数が、所定の閾値を超えた時に制御油が劣化したものと判断する、発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。

［２］前記制御油は、高圧制御油である、上記［１］に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。

［３］油圧制御装置は、蒸気加減弁及び燃料流量制御弁からなる群から選択される少なくとも一つの弁の開度を制御する、上記［１］又は［２］に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。

［４］予め前記閾値を決定する工程を有する、上記［１］から［３］までの何れか１項に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。

［５］前記微粒子は、前記制御油に由来する劣化物である、上記［１］から［４］までの何れか１項に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。

高精度で制御油の劣化を診断することが可能な、発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法を提供することができる。

発電設備の一例であるコンバインドサイクルシステムを説明する図である。 制御油供給部を表す概略図である。

一実施形態の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法では、発電設備の油圧制御装置用の制御油中に存在する、粒径が１μｍ〜５μｍの微粒子の個数が、所定の閾値を超えた時に制御油が劣化したものと判断する。発電設備内の油圧制御装置、制御油供給部、及び、その他の装置内には数μｍ程度の小さな間隙部が存在する。このため、制御油中に１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子の劣化物が存在すると、該微粒子は粘着性を有するため、該間隙部に微粒子が付着・閉塞することで発電設備の不具合の原因となる。そこで、一実施形態では、発電設備の油圧制御装置用の制御油中に存在する、１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数を測定（カウント）する。そして、制御油中の１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数が所定の閾値以下であると制御油は未劣化であると判断し、制御油中の１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数が所定の閾値を超えると制御油は劣化したと判断する。このように一実施形態では、１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数を監視することで、制御油の劣化を高精度で判断し、油圧制御装置を含む発電設備の不具合を早期に防止することができる。なお、この微粒子の劣化物は一般的にワニス、スラッジ等とも呼ばれる。劣化物は、制御油の成分であるリン酸エステルやタービン油の基油成分である鉱物油が水分や酸素と反応してできた分解生成物が凝集することにより１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子となったものである。このため、劣化物は制御油に由来するものであり、制御油の使用と共に発生し得るものである。

なお、「閾値」の値は、発電設備及び油圧制御装置の種類、構造、大きさ、数等に応じて適宜、所定の値に設定することができる。この「閾値」は、発電設備を予め運転し不具合が起こった時の、制御油中の１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数をカウントすることで決定しても良い。上記のように「閾値」の値は発電設備及び油圧制御装置などに応じて変わり得る。

（制御油中の微粒子の粒径測定方法）
制御油中の微粒子の粒径測定には、注入型画像解析粒度分布計（ジャスコインタナショナル社製；（商品名）ＩＦ−３３００）を用いる。まず、１０〜１００ｍｌの制御油を、注入型画像解析粒度分布計のセルに注入する。次に、セル中の制御油内に分散した微粒子を撮影して画像を得る。得られた画像について画像解析を行い、画像中に存在する微粒子の円相当径とその数をカウントする。次いで、１μｍ〜５μｍの粒径を有する微粒子の総数を算出する。

（発電設備）
発電設備としては特に限定されるわけではないが、ガス火力発電所、石炭火力発電所、石油火力発電所等の火力発電所や、原子力発電所等の発電設備を挙げることができる。

図１は、発電設備（火力発電所）の一例であるコンバインドサイクルシステムを説明する図である。図１のコンバインドサイクルシステムは、ガスタービン１０、ガスタービン１０から排気される燃焼ガスの排熱により蒸気を発生させるボイラー２０、ボイラー２０からの蒸気で駆動する高圧蒸気タービン１１、中圧蒸気タービン１２、低圧蒸気タービン１３、各タービン１０、１１、１２，１３の駆動で発電する発電機１４、及び低圧蒸気タービン１３から排気された蒸気を水に戻す復水器１６を備えている。

圧縮機３１の圧縮ロータ、ガスタービン１０のタービンロータ、高圧蒸気タービン１１のタービンロータ、中圧蒸気タービン１２のタービンロータ、低圧蒸気タービン１３のタービンロータ、及び発電機１４の発電ロータは同一軸線上に位置し互いに連結されて、一体的に回転するようになっている。

圧縮機３１には入口可変翼を介して外気が流入し、この外気を圧縮することにより圧縮空気を発生させる。入口可変翼は、可変翼制御装置３２によってその開度が調節され、圧縮機３１に流入する外気の流量が制御される。

圧縮機３１で発生した圧縮空気は燃料ガスと混合されて燃焼し、高温の燃焼ガスを生成する。発生した燃焼ガスによりガスタービン１０のタービンロータが回転するようになっている。燃料ガスの流量は、燃料流量制御弁２６によって制御される。また、燃料流量制御弁２６にはサーボ弁２６ａが設けられ、サーボ弁２６ａを介して供給される高圧制御油によって燃料流量制御弁２６の開度を調節し、供給する燃料の流量を調節する。ガスタービン１０の排気口は、ボイラー２０と接続されている。

ボイラー２０は、ガスタービン１０から排気された高温の排ガスによって蒸気を発生させる。発生した蒸気は、蒸気加減弁２１、２２及び２３を介してそれぞれ、高圧蒸気タービン１１、中圧蒸気タービン１２、及び低圧蒸気タービン１３に供給される。供給された蒸気により高圧蒸気タービン１１、中圧蒸気タービン１２、及び低圧蒸気タービン１３のタービンロータが回転するようになっている。各々の蒸気加減弁２１、２２及び２３にはそれぞれ、サーボ弁２１ａ、２２ａ及び２３ａが設けられ、該サーボ弁２１ａ、２２ａ及び２３ａを介して供給される高圧制御油によってそれぞれ、蒸気加減弁２１、２２及び２３の開度を調節し、供給する蒸気の流量を調節している。

低圧蒸気タービン１３の蒸気出口は復水器１６に接続されており、低圧蒸気タービン１３から復水器１６に蒸気が導かれるようになっている。この復水器１６には、復水をボイラー２０に導く給水ライン２４が接続されている。

可変翼制御装置３２、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａには、制御油供給部３３から高圧制御油が供給され、図示しないラインを介して高圧制御油は、可変翼制御装置３２、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａから制御油供給部３３に戻るようになっている。このように高圧制御油は、可変翼制御装置３２、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａと、制御油供給部３３との間を循環している。

燃料流量制御弁２６、蒸気加減弁２１、２２及び２３は、図示しない弁棒と直結した油筒に高圧制御油が供給され、油圧により駆動されるようになっている。油筒内の高圧制御油の油量の制御は、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａにより行われる。すなわち、サーボ弁から油筒への高圧制御油の供給、油筒からの高圧制御油の排出により、弁の開度が制御される。このサーボ弁から油筒までの部分が、油圧制御装置に相当する。

図２は、制御油供給部３３の一例を表す概略図である。制御油供給部３３のタンク３５内に高圧制御油３６が貯留されており、図示しないポンプによりラインフィルタ３７を通ってラインＤから高圧制御油が供給される。また、ラインＥから制御油供給部３３に高圧制御油が戻ってくる。

上記のような可変翼制御装置３２、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａ、ラインフィルタ３７には数μｍの間隙部が存在する。このため、制御油中に１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子の個数が、所定の閾値を超えて存在すると、可変翼制御装置３２、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａ、ラインフィルタ３７の不具合の原因となる傾向がある。例えば、このような不具合としては、可変翼制御装置３２からの入口可変翼開度指令信号に対して実開度の追従が遅れ、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａの偏差拡大、及びラインフィルタ３７の差圧上昇となって現れる。そこで、一実施形態では、制御油中の１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数が所定の閾値以下であると制御油は未劣化であると判断し、制御油中の１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数が所定の閾値を超えると制御油は劣化したと判断する。これにより、制御油の劣化を高精度で判断し、上記のような不具合の発生を早期に防止することができる。

制御油の種類は油圧制御が行えるものであれば特に限定されないが例えば、高圧の油圧制御に適した高圧制御油（ＥＨＣ；Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）を用いることができる。特に、発電設備などの大規模で高精度な制御が要求される設備では、高圧制御油を用いて油圧制御が行われる。

また、制御油中に存在する微粒子は、制御油の使用に伴い発生したものであり、いわゆるワニス、スラッジなどと呼ばれ、制御油に由来する劣化物である。このような劣化物としては例えば、高圧制御油の成分であるリン酸トリフェニルの分解生成物（リン酸塩等）、タービン油の基油である鉱物油の分解生成物等を挙げることができる。

（実施例１）
図１のコンバインドサイクルシステムを用いて連続的に発電を行った。また、期間ごとに高圧制御油を採取し、注入型画像解析粒度分布計（ジャスコインタナショナル社製；（商品名）ＩＦ−３３００）を用いて高圧制御油中の微粒子の粒径（円相当径）とその個数を計測した。制御油中の１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数が、閾値と想定される１００００個／１ｍｌ以下である場合は、運転してもコンバインドサイクルシステムの何れの部分にも不具合が発生せず、安定的に運転を行うことができた。一方で、サーボ弁２１ａ、２２ａ、２３ａ及び２６ａの偏差拡大、及びラインフィルタ３７の差圧上昇などの不具合が発生した時の制御油を採取し、上記と同様に注入型画像解析粒度分布計を用いて、該制御油中の１μｍ〜５μｍの粒径の微粒子数を計測すると約７００００個／１ｍｌであった。

（比較例１）
実施例１と同様に、不具合が発生していない時に制御油を定期的に採取すると共に、不具合が発生した時の制御油を採取した。次いで、実施例１と同様の方法により、各制御油中の５μｍを超える粒径の微粒子数を計測した。この結果、不具合が発生していない時と、不具合が発生した時とを比較すると、御油中の５μｍを超える粒径の微粒子数は大きく変化しなかった。

１０ ガスタービン
１１ 高圧蒸気タービン
１２ 中圧蒸気タービン
１３ 低圧蒸気タービン
１４ 発電機
１６ 復水器
２０ ボイラー
２１、２２、２３ 蒸気加減弁
２１ａ、２２ａ、２３ａ、２６ａ サーボ弁
２４ 給水ライン
２６ 燃料流量制御弁
３１ 圧縮機
３２ 可変翼制御装置
３３ 制御油供給部
３５ タンク
３６ 高圧制御油
３７ ラインフィルタ

Claims (5)

1. 発電設備の油圧制御装置用の制御油中に存在する、粒径が１μｍ〜５μｍの微粒子の個数が、所定の閾値を超えた時に制御油が劣化したものと判断する、発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。
2. 前記制御油は、高圧制御油である、請求項１に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。
3. 油圧制御装置は、蒸気加減弁及び燃料流量制御弁からなる群から選択される少なくとも一つの弁の開度を制御する、請求項１又は２に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。
4. 予め前記閾値を決定する工程を有する、請求項１から３までの何れか１項に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。
5. 前記微粒子は、前記制御油に由来する劣化物である、請求項１から４までの何れか１項に記載の発電設備の油圧制御装置用の制御油の劣化診断方法。

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