JPH09257597A - プラント異常監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】機器の温度分布を監視して、多種の異常原因別
にそれぞれ特有な温度分布の特徴の有無を識別し、異常
原因を同定して通報すること。 【解決手段】監視する機器に接して敷設され、温度に応
じて内部を伝達する散乱光の波長分布が変化する特性を
有する光ファイバケーブル１１と、前記散乱光の波長分
布の時系列から光ファイバケーブル１１の長手方向位置
の温度分布を算出する温度分布算出手段１２と、異常内
容別に異常原因に特有の温度分布の特徴を異常判別用知
識として保存する知識保存手段１３と、この異常判別用
知識と温度分布算出手段１２で算出された温度分布とを
比較して異常，正常の判別および異常原因の同定を行う
異常判定手段１４と、この異常判定手段１４の異常判定
結果を通報する通報手段１５とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、火力発電プラント
などのプラント設備の運用状態を温度に基づいて監視す
る装置に係り、特に光ファイバケーブルの散乱光から求
められる温度分布の特徴から異常原因を同定することが
可能なプラント異常監視装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、発電プラントの機器設備のオンラ
イン監視は、温度，振動または流量などのプロセス値を
種々のセンサを用いて測定して実施されている。このう
ち、温度に基づいて監視する技術は、一般に多数個の熱
電対を用いて行うことが多い。

【０００３】しかし、熱電対によって測定される温度
は、基本的に狭いピンポイントで捉えた温度であり、巨
大な機器の温度を正確に捉えることが困難である。ま
た、発電所における巨大で多数の部品点数を擁する機器
設備全体を監視するためには膨大なセンサ数を必要とす
る。さらに、計算機を用いて自動監視するには、そのた
めの熱電対信号の入力端の数も膨大となる。

【０００４】この問題を解決するための一つの手段とし
て、赤外線カメラを用いることにより、温度を面的に捉
える技術が開発されているものの、この手段では画像の
死角をなくすことが困難である点や、高温部などの環境
が劣悪な箇所では耐久性が未だ低いなどの制約条件によ
り通用箇所が限定されている。

【０００５】近年、光ファイバケーブル内で生ずる散乱
光の波長分布が温度によって変化することに着目してパ
イプラインなどの線状の形状を有する構造物の温度を計
測する技術が開発されている。

【０００６】図７は従来のプラント異常監視装置を示す
構成図であり、光ファイバケーブルを利用した温度監視
装置の構成を示すものである。この温度監視装置は、高
温流体を移送するための移送用配管１からの漏洩流体２
を監視するものであり、すなわち移送用配管１に沿って
敷設した光ファイバケーブル３と、この光ファイバケー
ブル３の端部に接続され遠隔地に設置された温度分布算
出部４と、この温度分布算出部４で算出した温度分布が
異常であった場合、その旨を通報する通報部５とから構
成され、この温度監視装置で発電プラントの異常を監視
する。これら温度分布算出部４および通報部５は、装置
収納筐体６内に収納されている。

【０００７】また、温度分布算出部４からは、図８に示
すように時間軸Τに対して一定の時間幅ΔΤ₀ 、光強度
信号レベルＥ₀ のパルス波形Ｐ１が出力され、その後に
光ファイバケーブル３から戻ってくる後方散乱光の強度
を時系列で監視する。光ファイバケーブル３内で生じる
散乱光のうち、ストークス光と反ストークス光の２成分
の強度比は式（１）に示すように温度の関数になること
が知られている。

【０００８】

【数１】

【０００９】したがって、ストークス光と反ストークス
光との強度比を検出して温度を知ることができる。パル
ス状の光は、光ファイバケーブル３の各部で散乱が起こ
り、その後方散乱光が光ファイケーブル３を逆に伝搬し
て温度分布算出部４に戻ってくる。

【００１０】光の光ケーブル内の伝搬速度は、式（２）
によって知ることができるため、パルス入射から散乱光
を受けるまでの時間を測定することにより、どの場所で
の散乱光かを識別することができる。

【００１１】

【数２】

【００１２】つまり、図７に示すように漏洩流体２が発
生した位置での温度変化は、図９（Ａ），（Ｂ）に示す
ストークス光Ｓ１と反ストークス光Ｓ２の時間変化とし
て捉えることができる。ストークス光Ｓ１と反ストーク
ス光Ｓ２との強度比を前記式（１）を用いて温度に変換
し、式（２）を用いて時間を距離に変換することによ
り、図１０に示すように光ファイバケーブル３の端部か
らの距離Ｌに対する温度分布Ｔ１を温度分布算出部４で
計算することができる。また、通報部５では、図１０の
温度分布Ｔ１の最高温度をしきい値と比較し、このしき
い値を超過している場合には異常である旨を通報する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、発電プラン
トの機器設備を構成する部品は、それぞれ多様な温度を
もって運用されるため、異常内容に応じては温度変化の
兆候が異なる場合がある。そこで、温度分布の特徴を利
用して異常原因の同定が可能な場合がある。

【００１４】しかし、固定的なしきい値を用いた従来技
術による監視装置では、温度分布の特徴を分類すること
ができないため、異常温度が発生した旨のみが通報され
た際には、発電所要員が如何なる対応を採るべきか迷う
場合があり、その結果迅速に対応することができず、発
電所を安定して運用することができないという問題があ
った。

【００１５】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、プラント機器設備の膨大な構成部品の温度分布
を監視して、多種の異常原因別にそれぞれ特有な温度分
布の特徴の有無を識別することにより、異常原因を同定
して通報することを可能としたプラント異常監視装置を
提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の請求項１は、プラント内の監視する機
器に接して敷設され、温度に応じて内部を伝達する散乱
光の波長分布が変化する特性を有する光ファイバケーブ
ルと、この光ファイバケーブルの端部に接続され、前記
散乱光を捕捉して散乱光の波長分布の時系列から光ファ
イバケーブルの長手方向の位置に対する温度分布を算出
する温度分布算出手段と、異常内容別に異常原因に特有
の温度分布の特徴を異常判別用知識として保存する知識
保存手段と、この知識保存手段に保存された異常判別用
知識と前記温度分布算出手段で算出された温度分布とを
比較して異常，正常の判別および異常原因の同定を行う
異常判定手段と、この異常判定手段の異常判定結果を通
報する通報手段とを備えたことを特徴とする。

【００１７】請求項２は、請求項１記載の知識保存手段
に、光ファイバケーブルの長手方向に沿った機器部品の
設置位置および機器部品個々の温度管理用しきい値を異
常判別用知識として保存されるとともに、前記異常判定
手段は前記異常判別用知識の温度管理用しきい値を逸脱
した箇所の機器部品を異常と判定することを特徴とす
る。

【００１８】請求項３は、請求項１記載の知識保存手段
に、異常項目別に異常時の温度分布の特徴パターンを異
常判別用知識として保存するとともに、前記異常判定手
段は計測した温度分布のパターンと異常判定用知識とし
て保存されている異常項目毎の特徴パターンとを比較し
て近似したパターンが存在する場合、異常が発生したと
判断することを特徴とする。

【００１９】請求項４は、請求項１または２記載の光フ
ァイバケーブルが、コンバインドサイクル発電設備の排
熱回収ボイラ内部のガスタービン排気の流路に沿って設
置されるとともに、前記知識保存手段は光ファイバケー
ブルの長手方向に沿って配置されている排熱回収ボイラ
構成部品の設置位置および機器部品個々の温度管理用し
きい値を異常判別用知識として保存することを特徴とす
る。

【００２０】請求項５は、請求項１または３記載の光フ
ァイバケーブルが、ガスタービン排気室内に環状に設置
されるとともに、前記知識保存手段は円周上の位置に対
するガスタービンの異常な燃焼状態における排気温度分
布の特徴パターンを異常判定用知識として保存すること
を特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２２】図１は本発明に係るプラント異常監視装置
の第１実施形態を示す構成図であり、コンバインドサイ
クル発電プラントの排熱回収ボイラの温度分布を監視す
る例を示している。

【００２３】本異常監視装置は、監視する機器である排
熱回収ボイラ内部に接して敷設され、温度に応じて内部
を伝達する散乱光の波長分布が変化する特性を有する光
ファイバケーブル１１と、この光ファイバケーブル１１
の端部に接続され、光ファイバケーブル１１の端部で前
記散乱光を捕捉して散乱光の波長分布の時系列から光フ
ァイバケーブル１１の長手方向の位置に対する温度分布
を算出する温度分布算出部１２と、異常を発生させる原
因別に異常原因に特有の温度分布の特徴を異常判別用知
識として保存する知識保存部１３と、この知識保存部１
３に保存された異常判別用知識と温度分布算出部１２で
算出された温度分布とを比較して異常，正常の判別およ
び異常原因の同定を行う異常判定部１４と、この異常判
定部１４の異常判定結果を通報する通報部１５とから構
成されている。

【００２４】これら温度分布算出部１２，知識保存部１
３，異常判定部１４および通報部１５は、装置収納筐体
１６に収納されている。また、通報部１５の外部には、
判定結果通報用ＣＲΤ１７が接続され、この判定結果通
報用ＣＲΤ１７は通報部１５で生成した判定結果の情報
を表示する。

【００２５】光ファイバケーブル１１は、排熱回収ボイ
ラの構成部品である締切ダンパ１８，過熱器１９，蒸発
器２０，節炭器２１，排気煙突２２，気水ドラム２３に
沿って敷設されている。本実施形態においては、温度分
布算出部１２からの光ファイバケーブル１１に沿った距
離は、締切ダンパ１８が最も遠く、気水ドラム２３が最
も近くなっている。

【００２６】図２は知識保存部１３に保存させる知識を
表形式に示す説明図である。知識保存部１３には、図２
に示すように光ファイバケーブル１１上の位置におれる
近点と遠点，光ファイバケーブル１１の長手方向の位置
に沿って設置されている排熱回収ボイラ構成部品の名
称，異常原因同定用のしきい値，および異常原因名称が
異常判定用知識２４として保存されている。

【００２７】すなわち、この異常判定用知識２４は、温
度分布算出部１２からの光ファイバケーブル１１上の位
置を近点と遠点の範囲で規定し、その範囲に設置される
排熱回収ボイラの部品名称を指定する。そして、各部品
毎に異常原因を同定するためのしきい値として上限値と
下限値の双方を規定している。さらに、上限値と下限値
の双方のしきい値毎にしきい値逸脱時の異常原因の名称
が記されている。

【００２８】次に、本実施形態の作用について説明す
る。

【００２９】温度分布算出部１２は、光ファイバケーブ
ル１１の端部からパルス波形の光信号を出力し、後方散
乱光の強度を時系列で監視して光ファイバケーブル１１
の端部からの距離に対する温度分布を計算する。

【００３０】次いで、異常判定部１４では、温度分布算
出部１２で算出された温度分布と、知識保存部１３に保
存されている排熱回収ボイラの異常判定用知識２４とを
比較し、しきい値を逸脱している距離区間の有無を調べ
る。もし、逸脱している区間があれば、その区間に相当
する異常原因名称を異常原因として同定する。

【００３１】図３は、異常判定部の機能を示す説明図で
ある。実線で示された曲線２５は、排熱回収ボイラが正
常に運用されている時点の温度分布曲線であり、この温
度分布曲線２５は光ファイバケーブル１１上の位置に対
する距離Ｌの各区間の上限しきい値２７および下限しき
い値２８の範囲内に入っており、正常と判定される。

【００３２】これに対し、破線で示された温度分布曲線
３１は、距離Ｌが８５ｍ〜９０ｍに該当する区間の一部
において下限しきい値２８を逸脱する状態にあり、排熱
回収ボイラの異常判定用知識２４と比較することによっ
て、蒸発器２０周りチューブリークが異常原因であると
同定される。さらに、通報部１５では、判定結果通報用
ＣＲＴ１７に判定結果を表示させる。

【００３３】このように本第１実施形態のプラント異常
監視装置によれば、多数の機器部品で構成される発電所
の機器設備に対して、異常が発生した部品および異常原
因を発電所要員が迅速に認識することが可能になる。

【００３４】図４は本発明に係るプラント異常監視装置
の第２実施形態を示す構成図であり、ガスタービン排気
室内の温度分布を計測してガスタービンの燃焼状態を監
視する例を示している。なお、前記第１実施形態と同一
または対応する部分には同一の符号を付して説明する。

【００３５】本異常監視装置は、ガスタービン排気室内
に敷設され、温度に応じて内部を伝達する散乱光の波長
分布が変化する特性を有する光ファイバケーブル３１
と、この光ファイバケーブル３１の端部に接続される温
度分布算出部１２と、知識保存部１３と、異常判定部１
４と、通報部１５とから構成されている。これら温度分
布算出部１２，知識保存部１３，異常判定部１４，およ
び通報部１５は装置収納筐体１６に収納されている。ま
た、通報部１５の外部には、判定結果通報用ＣＲＴ１７
が接続され、この判定結果通報用ＣＲＴ４７は通報部４
５で生成した判定結果の情報を表示する。

【００３６】本実施形態において、光ファイバケーブル
３１は、ガスタービンの排気ディフューザ３２を支持す
るためにガスタービンケーシング３３との間に設置され
た排気ストラッド３４を貫通して環状に固定されてい
る。

【００３７】なお、ガスタービンの燃焼状態を監視する
上では、燃焼器３５に可及的に近接してセンサを設置す
ることが理想であるものの、本実施形態の光ファイバケ
ーブル３１あるいは従来から使用されている熱電対が許
容する環境温度として燃焼器３５近傍では高温過ぎて使
用不可能であることにより、本実施形態ではガスタービ
ンブレード３６の下流側でセンシングしている。

【００３８】図５は本実施形態における光ファイバケー
ブルの構造を示す斜視図である。図５に示すように、光
ファイバケーブル３１は、コア３７およびクラッド３８
にて光が流通し散乱が生じる。このクラッド３８の外面
は耐熱性の金属コート３９で被覆することにより、ガス
タービン排気室において生ずる可能性のある６００℃程
度の温度に耐え得る構造を実現できる。

【００３９】また、光ファイバケーブル３１は、ガスタ
ービンケーシング３３の機械的振動や燃焼ガスの流動に
よる外力に耐えられるように、さらに金属性の保護パイ
プ４０を外殻として有している。そして、排気ストラッ
ド３４に光ファイバケーブル３１を固定するためには、
排気ストラッド３４の間隔にあわせて図中の長さＳの距
離をおいて複数個の固定具４１が保護パイプ４０に接続
され、固定用のビスを通すビス孔４２が穿設されてい
る。

【００４０】図６は知識保存部１３に保存させる知識を
表形式に示す説明図である。知識保存部１３には、異常
原因毎に光ファイバケーブル３１の長手方向の位置に沿
って観測される温度分布の特徴パターンと、異常原因名
称が異常判定用知識４３として記憶されている。

【００４１】すなわち、本実施形態におけるガスタービ
ン排気温度のパターンと異常原因との関連は、図６に異
常原因に固有の排気温度と位置の特徴を含んだパターン
に基づいて６種の状態を区別可能であることが示されて
いる。

【００４２】次に、本実施形態の作用について説明す
る。

【００４３】温度分布算出部１２は、パルス波形の光信
号を光ファイバケーブル３１の端部から出力し、後方散
乱光の強度を時系列で監視して光ファイバケーブル３１
の端部からの距離に対する温度分布を計算する。

【００４４】次いで、異常判定部１４では、温度分布算
出部１２で算出された温度分布と、知識保存部１３に保
存されているガスタービン排気室の異常判定用知識４３
とを比較し、観測された温度分布パターンに最も相似し
ている異常判定用知識の特徴パターンを検索する。相似
の程度を定量的に得るための手法としては、観測された
温度分布パターンと異常判定用知識４３の各特徴パター
ンの相互相関計数を計算して高いものが異常原因である
と判定する方式などが考えられる。

【００４５】そして、最も相似している特徴パターンに
該当する異常原因名称を異常原因として同定する。した
がって、図６中の符号Ａが最も相似していなければ「正
常」と判定され、例えばＢが最も相似していれば「失
火」と判定される。通報部１５では、判定結果通報用Ｃ
ＲＴ１７に判定結果を表示させる。

【００４６】このように本第２実施形態のプラント異常
監視装置によれば、カスタービンの異常原因を排気温度
分布の特徴に基づいて迅速に同定することが可能にな
る。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、プラント内の監視する機器に接して敷設さ
れ、温度に応じて内部を伝達する散乱光の波長分布が変
化する特性を有する光ファイバケーブルと、この光ファ
イバケーブルの端部に接続され、散乱光を捕捉して散乱
光の波長分布の時系列から光ファイバケーブルの長手方
向の位置に対する温度分布を算出する温度分布算出手段
と、異常内容別に異常原因に特有の温度分布の特徴を異
常判別用知識として保存する知識保存手段と、この知識
保存手段に保存された異常判別用知識と温度分布算出手
段で算出された温度分布とを比較して異常，正常の判別
および異常原因の同定を行う異常判定手段と、この異常
判定手段の異常判定結果を通報する通報手段とを備えた
ことにより、光ファイバケーブルを機器設備に設置して
機器設備の異常原因を直ちに同定することができ、プラ
ント要員による異常時の迅速な対応による安定的なプラ
ント運用を確保するとともに、重大事故を未然に防止す
ることができ、巡視点検業務の軽減を図ることが可能と
なる。

【００４８】請求項２によれば、請求項１記載の知識保
存手段に、光ファイバケーブルの長手方向に沿った機器
部品の設置位置および機器部品個々の温度管理用しきい
値を異常判別用知識として保存されるとともに、異常判
定手段は前記異常判別用知識の温度管理用しきい値を逸
脱した箇所の機器部品を異常と判定することにより、請
求項１と同様の効果が得られる。

【００４９】請求項３によれば、請求項１記載の知識保
存手段に、異常項目別に異常時の温度分布の特徴パター
ンを異常判別用知識として保存するとともに、異常判定
手段は計測した温度分布のパターンと異常判定用知識と
して保存されている異常項目毎の特徴パターンとを比較
して近似したパターンが存在する場合、異常が発生した
と判断することにより、請求項１と同様の効果が得られ
る。

【００５０】請求項４によれば、請求項１または２記載
の光ファイバケーブルが、コンバインドサイクル発電設
備の排熱回収ボイラ内部のガスタービン排気の流路に沿
って設置されるとともに、知識保存手段は光ファイバケ
ーブルの長手方向に沿って配置されている排熱回収ボイ
ラ構成部品の設置位置および機器部品個々の温度管理用
しきい値を異常判別用知識として保存することにより、
排熱回収ボイラ内の温度を感知してコンバインドサイク
ル発電プラントにおいて、異常が発生した部品と異常原
因を同定することが可能となる。

【００５１】請求項５によれば、請求項１または３記載
の光ファイバケーブルが、ガスタービン排気室内に環状
に設置されるとともに、知識保存手段は円周上の位置に
対するガスタービンの異常な燃焼状態における排気温度
分布の特徴パターンを異常判定用知識として保存するこ
とにより、排気温度分布の特性に基づいてガスタービン
発電プラントの異常原因を同定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラント異常監視装置の第１実施
形態を示す構成図。

【図２】図１の知識保存部に保存させる知識を表形式に
示す説明図。

【図３】図１の異常判定部の機能を示す説明図。

【図４】本発明に係るプラント異常監視装置の第２実施
形態を示す構成図。

【図５】図４における光ファイバケーブルの構造を示す
斜視図。

【図６】図４における知識保存部に保存させる知識を表
形式に示す説明図。

【図７】従来技術によるプラント異常監視装置を示す構
成図。

【図８】図７の温度分布算出部から出力するパルス波形
を示す説明図。

【図９】（Ａ），（Ｂ）は図７の温度分布算出部に捕捉
される後方散乱光の時系列特性を示す説明図。

【図１０】後方散乱光の時系列から距離に対する温度分
布への変換手法を示す説明図。

【符号の説明】

１１ 光ファイバケーブル １２ 温度分布算出部 １３ 知識保存部 １４ 異常判定部 １５ 通報部 １６ 装置収納筐体 １７ 判定結果通報用ＣＲＴ １８ 締切ダンパ １９ 過熱器 ２０ 蒸発器 ２１ 節炭器 ２２ 排気煙突 ２３ 気水ドラム ２４ 異常判定用知識 ２５ 正常運用時の温度分布曲線 ２６ 異常時の温度分布曲線 ２７ 上限しきい値 ２８ 下限しきい値 ３１ 光ファイバケーブル ３２ 排気ディフューザ ３３ ガスタービンケーシング ３４ 排気ストラッド ３５ 燃焼器 ３６ ガスタービンブレード ３７ コア ３８ クラッド ３９ 金属コート ４０ 保護パイプ ４１ 固定具 ４２ ビス孔 ４３ 異常判定用知識

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラント内の監視する機器に接して敷設
   され、温度に応じて内部を伝達する散乱光の波長分布が
   変化する特性を有する光ファイバケーブルと、この光フ
   ァイバケーブルの端部に接続され、前記散乱光を捕捉し
   て散乱光の波長分布の時系列から光ファイバケーブルの
   長手方向の位置に対する温度分布を算出する温度分布算
   出手段と、異常内容別に異常原因に特有の温度分布の特
   徴を異常判別用知識として保存する知識保存手段と、こ
   の知識保存手段に保存された異常判別用知識と前記温度
   分布算出手段で算出された温度分布とを比較して異常，
   正常の判別および異常原因の同定を行う異常判定手段
   と、この異常判定手段の異常判定結果を通報する通報手
   段とを備えたことを特徴とするプラント異常監視装置。
2. 【請求項２】 前記知識保存手段には、光ファイバケー
   ブルの長手方向に沿った機器部品の設置位置および機器
   部品個々の温度管理用しきい値を異常判別用知識として
   保存されるとともに、前記異常判定手段は前記異常判別
   用知識の温度管理用しきい値を逸脱した箇所の機器部品
   を異常と判定することを特徴とする請求項１記載のプラ
   ント異常監視装置。
3. 【請求項３】 前記知識保存手段には、異常項目別に異
   常時の温度分布の特徴パターンを異常判別用知識として
   保存するとともに、前記異常判定手段は計測した温度分
   布のパターンと異常判定用知識として保存されている異
   常項目毎の特徴パターンとを比較して近似したパターン
   が存在する場合、異常が発生したと判断することを特徴
   とする請求項１記載のプラント異常監視装置。
4. 【請求項４】 前記光ファイバケーブルは、コンバイン
   ドサイクル発電設備の排熱回収ボイラ内部のガスタービ
   ン排気の流路に沿って設置されるとともに、前記知識保
   存手段は光ファイバケーブルの長手方向に沿って配置さ
   れている排熱回収ボイラ構成部品の設置位置および機器
   部品個々の温度管理用しきい値を異常判別用知識として
   保存することを特徴とする請求項１または２記載のプラ
   ント異常監視装置。
5. 【請求項５】 前記光ファイバケーブルは、ガスタービ
   ン排気室内に環状に設置されるとともに、前記知識保存
   手段は円周上の位置に対するガスタービンの異常な燃焼
   状態における排気温度分布の特徴パターンを異常判定用
   知識として保存することを特徴とする請求項１または３
   記載のプラント異常監視装置。