JPS6187979A - 水車ランナ障害検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は水力発電所においてランチ本体に関する障害を
監視し、重大な事故を未然に防止することに関する。

〔発明の背景〕

発電ｒ９ｒ　％特に水力発電所は建設地点の地理的条件
や運転制御の集中化などにより最近、殆んど無人化とな
っており、概ね、水系毎に鋭利御所からＡ　ｉ’ｉＡ　
！Ｉｓ中制開制御るようになった。しかし水力−゛電所
の安定な運転を維持するためには、従来よ□り実棒され
ているように定期的に保守員が巡視点検を行わなければ
ならない。こめ保守点検は山奥に散在する発電所に出向
いて行なうため、特に冬期の労力は非常なものがち右。

この省力化を計るため、日常の巡視点検業務を自動化し
、と７ｔに設備の異常診断機能をも付加し、本数の未然
防止をも検出したいとの要望が極めて強い。例えば、特
開昭５６−１１３０６０号、同５７−１０２５７３号な
どはポンプの異常を保護する本のではあるが、未然防止
という観点から対策されたものではない。

更に揚水発電所に致っては原子力および大形火力発電所
のベースロードの発電に対し、その特長である負荷即応
性のよさからピークロードの発電を行うとともに、□原
子力および大形火力発電所と組合せ′を区力系統全体の
経済運用に寄付しており、今後も増々、そ□のニーズは
高まるものと考えられる。したがってこれらの系統から
の要求に対応するため、主機の起動停止頻度は高まりか
つ調相機能の追加により運絵毛−ドも多様化の傾向にあ
る。

一方、主機は経済性等から高速大８量化の傾向にあり一
旦事故障害が発生−するとその修復にｊ膨大な修復肋間
と修復＊角を伴うのは必然であり、それらの事故障害を
初期に検出できる監視装置の設置が望まれている。ここ
で主機に関し予想される障害の内、最も多大な影響を及
ぼすものの１つにランチ本体の破損がある。これは前記
の様に揚水発電所は、大容量化のため超高落差とするこ
とが殆んどでこれに対しランナの強度に対する研究も成
されてはいるが実際にはランチ羽根等に亀裂、破損とい
った障害が発生する恐れがあり、この現象は初期段階で
検出することが困難であり、ランチ羽根の破損品がケー
シング等を破壊し異常音を発生することによりやつとわ
かるのが実状である。

ここまでになると復旧はランナ、ケーシング等、主機全
体に渡ってしまい時間的にも経済的にも膨大となるため
、これをランチ本体の亀裂発生の初期段階で発見し重大
事故に致る以前に防止したいとめう要望が一段と強くな
ってきた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は従来技術の欠点を除去し水力発電所にと
って重大事故であるランチ損傷を早期に検出することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明では初期段階の亀裂等によるランナノくランスの
崩れによる水車軸、水圧脈動およびランナ上カバーの撮
動値を他の不具合現象による振動と区別し、ランチ障害
を早期に自動検出する装置を計算機によシ実現し、重大
事故の未然防止を可能とする。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の一実施例を示す。

ランナ羽根等に亀裂が発生または発生の徴候が見られる
とランナ回転に対するバランスが崩れ、主軸、水圧脈動
および上カバーに通常とは異々る異常振動を発生し、こ
の異常振動を検出できずに運転を継続するとケーシング
、ランナライナ等を損傷することとなる。

このため、早期発見には、まず主軸および上カバーの振
動を常時監視している必要がある。

主軸振動検出に関して第１図を用いて説明する。

第１図は主軸撮動のセンサー取付は位置を示し友もので
ある。センサは発電機軸１３と水車軸１４のカップリン
グ部１２に取付けである。カップリング部１２にセンサ
を取付けるため支持固定棒１５を取り付はセンサ（変位
形もしくは加速形のセンナ）１０．１１を取シつける。

軸振動は図中Ｘ、Ｙの２方向を検出すれば良く、Ｘ方向
にセンサ１１、Ｙ方向にセンサｌＯを取シつける。

主軸振動は上記センサにより直交２方向で常時検出する
。なお水車運転時は負荷によって、また揚水運転時は揚
程によって正常の振動振幅が異なるため、設定値は各々
負荷、揚程の関数となる。

第２図にその設定例を示す。

ある発電所における実測値は発電方向で曲線２０揚水側
で曲線２２の関数形となる。この値は各発電所によって
異なるが、はぼ同じ傾向を示す。

第２図は正常時の振動振幅値を表わしているが、これよ
りセンサ１０，１１で計測した値が判断値２１．２３よ
りオーバーオール値で大きければ、振幅値が異常と判定
し、ランチ障害検出装置によって種々の異常要因を検出
して、この主軸異常振動がランナ障害によるものである
かどうかを判断する。その要因は他に上カバー振動、水
圧脈動等があり、これは後に述べる。尚、ここでは振動
をオーバーオール値で監視しているが、撮動としてはあ
る周波数の撮動のみが大となることが多い。

つまり、ランナブレードの枚数０回転数等によって決め
られる値の整数倍の周波数のみが振動大となるため、オ
ーバーオール値では異常を早期に発見できにくいことも
ある。そのためこのセンサ１０．１１による値を周波数
分析し、その結果を絶対変位と周波数の関数で監視し、
異常を検出する。第３図にその関係を示す。実測値３１
は、ランナブレード枚数Ｎ＝５の周波数で大きな振幅を
もち、２ＸＮ　（＝５）ｘＺｒ（＝６）、３ＸＮＸＺｒ
Ｏ周波数でも比較的大きな振幅を示す。ランナに障害が
発生した場合は、これとは異なる周波数に大きな振幅値
を示すので異常要因がランナに働いた事がわかる。この
ため計算機には設定値３０の様なカーブを記憶させてお
きセンサ１０，１１によって測定した値を周波数分析し
、これと３０とを比較して異常を検出する。主軸振動異
常を上記の２方法で検出したら、そこからランチ障害を
検出する方法を次に示す。それを行うシステムを第４図
に示す。

第４図に本発明の監視システム構成例を示す。

本システムはプラント機器（水力発電機器）５４よシデ
ータ入力を行う。まず主軸の振動値５５は変換器５１に
よりコンピュータ入力レベルに変換され、計算機本体４
１内部の振動データ入力部１４７によりコンピュータ内
部にとりこまれる。なお、主軸撮動値５５は振動の振幅
を計測する方法や、音響を監視する方法、振動の周波数
成分を計測する方法があるが、各発電所の主機の特性に
応じた方法をとる。計算機本体４１は演算処理を行うＣ
ＰＵ４２、アルゴリズム等のプログラムラ格納している
システムプログラムメモリ４３、データを格納しておく
データメモリ４４、更に自動判定結果等を印字表示する
データアウトプットタイプライタ４５、振動値を入力す
る振動データ入力部４７、振動の要因の判定に使用する
データの計測値を入力するアナログ計測値入力部４８、
主機の起動・停止などプログラム起動条件を入力するデ
ィジタルデータ入力部４９、異常値を発見した場合、警
報データ７０を警報表示器５３に出力させるためのディ
ジタルデータ出力部５０、これらのデータのやりとりを
ＣＰＵ４２と行う計算機内部インターフェースパス４６
から成っている。また、アナログ計測値はコンピュータ
の入力レベルに変換しなければならずこれをアナログデ
ータ変換器５２によって行う。

ここで振動の要因判定となる計測値は上カバー振動値５
６、軸受ギャップ値５７、軸受潤滑油油面値５８、軸受
冷却水流量５９、軸受冷却水温度６０、落差６１、負荷
６２、水圧脈動値６３、ガイドベーンサーボモータ差圧
６４、弱点ピン切損データ６５、給気流速６６、上カバ
ーボルトゆるみ変換６７、ランナーシールギャップ温度
６８の各１１゛ある。

第５図に監視システムの計算機処理フローを示す。計算
機のプログラムは常時、図示せぬタイマによシ周期的に
起動がかかる。プログラムの起動がかかるとまず、各入
力データ（５５〜６９）の入力を行い（Ａ）、第４図の
データメモリ４４へ保存する（Ｂ）。この時点ではデー
タ入力及び、データのメモリへの格納処理だけである。

次に主軸振動値５５をメモリより取り出し、第２図、第
３図のアルゴリズムに従い、振動値５５が許容値を逸脱
したかの判定を行う（Ｃ）。この値５５が許容値以内な
ら主機の動作に異常はないと判断し、プログラム処理を
終了する。一方、（Ｃ）の判定において振動値５５が許
容値を逸脱した場合は異常判定ルーチンとしてＤ−Ｆの
処理を行う。まず、主機の動作に異常があったことを通
知するため警報出力を行う（Ｄ）。警報データ７０はデ
ィジタル出力部５０を介して警報表示器５３に表示され
る。計算機は次に振動値異常の原因は主機のどこの不具
合かを発見するため、それまで記憶していたアナログ計
測値（５６〜６８）を用いて原因の解析を行う（Ｅ）。

この処理Ｅによシ振動原因が解明されるため、それをデ
ータアウトプットタイプライタ４５によりタイプアウト
表示する（Ｆ）ｃこれにより従来、振動値が異常となっ
ても原因の追求に時間がかかったり、不可能となってい
たことがなくなり、点検及び調査の時間ははるかに短く
なる。また、発電所が無人となっている場合は警報表示
器５３、データアウトプットタイプライタ４５を遠方制
御所に設置すればよい。

この第５図の処理中、異常処理ルーチンであるＤ−Ｆは
Ａ−Ｃに比べはるかにＣＰＵの負担（演算処理時間が長
くなる）となる。この様子を第６図を用いて示す。第６
図はＣＰＵ４２の演算処理の時間的変化を振動値正常時
と振動値異常時と【分けて示した図である。第６図にお
いて横軸は経過時間幻を示し、Ｔは図示せぬハードタイ
マによシブログラムの起動がかかる時間周期を示してい
る。まず正常時においては第６図の各入力データの入力
人１人カデータの保存Ｂ、振動値判定Ｃの処理を行い（
■の区間）、その後計算機はアイドル時間■へ移行する
。つまり、振動値が許容値以内の場合、ＣＰＵは殆んど
アイドル区間■にあり、それほど高速なＣＰＵを必要と
しない。次に振動値異常時の場合は１ｉｊｌ述した■と
同様の処理を行う区間Ｈの後に警報出力Ｄｓ４Ｆ動原因
判定ルーチンＥ１データタイプアウ）Ｆの処理を行う区
間■を行う必要がある。この区間はＣＰＵにとって大き
な負荷となる腹雑な処理が存在するため処理時間がかか
る。しかしこの■の処理は正常時は動作しない。正常時
において従来の方法では毎回の５ｆｔ算処理区ＩＭＪで
■も行っていたが、この方法では■を行う必要はない念
め、ＣＰＵの負荷ははるかに軽いものとなる。もし■の
処理が長くなる場合は、異常時のみ周期Ｔの時間を延ば
してもシステム全体の応答性にさほど影響は出ない。

第７図に第５図の振動原因判定ルーチンＥのアルゴリズ
ムを示す。主軸振動異常１０１が示されると本アルゴリ
ズムの起動がかかる。主軸振動異常は第７図中の四角で
囲まれた要因全てにより起こるが犬きくわけると上カバ
ーの振動によるものとそうでないものとがある。そのた
め上カバー振動値も異常値を示しているかという判定１
０２を行う。上カバー長勅直異常がない場合は２０１〜
２０４の原因が考えられるため１０３〜１０５の判定処
理を行う。１ず軸受ギャップの固定部異常２０１が発生
しているかの判定は軸受ギャップに取り付けられている
ギャップセンサにより、ギャップ値の測定を行い規定許
容値を越えているかどうかを判定する（１０３）。ｌだ
、軸受潤滑油が不足している場むにも潤沿不足２０２と
いうことで振動が起こ之）ため、輔受潤滑油油面値を７
ペルセンサにより計測し、訂各１直を逸脱していないか
の判定１０４を行う。史に軸受１１Ｊｔ、ては冷却水断
水２０３による損傷が大きな原因となシ得ることより、
軸受冷却水流量を流量計により測定し、許容値以上の冷
却水Ｄｉｕ　Ｉ４１があるかどうかを判定し、史に冷却
水の温度を測温抵抗体等で副足し、温度上昇異常を判定
する（１０５）。これ以外での主軸振動異常かつ五カバ
ー嵌動正常の場合は発電機電磁加振力異常もしくは水車
バランス異常（２０＝１）が考えられるため精密点険の
必要性をタイプアウト出力する。一方、上カバー振動直
も異常であった場合は２０５〜２１２の原因が考えられ
るため１０６〜１１３の判定を行う。まず落差による影
＃１０６や負荷による影響１０７である場合には水車本
体の特性上問題点があると判断できるため長期監視対策
（２０５Ｌ　もしく、は４′ｎ密調査を行うことが必要
となることをタイプ表示し、検査。

保守員へ知らせる。１０６，１０７が正常である場合は
、水圧脈動値をドラフト水圧、ランチ背圧などを圧力変
位センサにより計測し水圧脈動値が許容値以内であるか
の判定を行う（１０８）。水圧脈動値が正常である場合
１−ｔ２０６〜２０９の原因が考えられ、異常である場
合は２１０〜２１２の原因がある。まず正常である場合
は、揚水時の給気異常２０６が考えられこれを給気流速
計を用いて測定し給気流速異常１０９かの判定を行う。

１０９が正常の場合上カバー合せ目ボルトの締付ゆるみ
２０７の原因があり、このボルトゆるみ変位をギャップ
センサで計測し判定を行う（１１０）。１１０が正常な
場合、ランナーシール損傷２０８の要因があり、これを
ランナーシールギヤこの他は上カバー１牙の損鳴２０９
の要因であ薊他方、水圧脈動値１０８が異常値であると
判定された場合は２１０〜２１２の要因が考えられ、ガ
イドベーン損謁２１０の要因の場合、ガイドベーンのメ
タルかじシ等の原因を監視するため、ガイドベニンサー
ボモータの操作力を測定（差圧を測る）（１１２）ｌ、
判定を行う。２１０の要因でない場合は、弱点ビン切損
２１１が考えられ、切損検出センサによりこの判定を行
う（１１３）。これ以外が目標のランナ障害（損傷等に
よる）２１１の要因であり、ｆｙ密点検を要するため、
予防保全の必要有としてタイプアウト表示する。

このランナ損傷を見つける−までには １）主用振動値 ２）上カバー振動値 ３）落差 ４）負荷 ５）水圧脈動値 ６）ガイドベーンサーボモータ差圧 の要素を計測するわけだが上記の内１）は既に説明した
。また３）４）６）７）は従来技術によシ測定はｄ鵬で
ある。このため２）５）の測定および判定方法を以下に
示す。

第８図は上カバー振動、水圧脈動の測定か所を示す。上
カバー振動は水平及び垂直の２方向で常時検出する。水
平側センサ取付位置は３００、垂直側センサ取付位置３
０１で両方とも上カバー上の位置である。なお第８図の
中ではランナ３０５、主軸３０６、ケーシング３０４を
示す。また水圧脈動はランナ背圧を常時検出し、その振
動センサ取付は位置は３０２である。

第９図は上カバー振動だついて示した図であシ、上カバ
ー振動は個々の水力発電所毎忙特有の傾向を示すが、実
測値３１１，３１２から判断すると、水車運転時は負荷
、落差の関数３１０、揚水運転時は、揚程の関数３１３
で表わすことができる。

しかし、水車運転側に関しては落差による影響が少ない
場合が多く、その場合は負荷の関数となる。

実際の測定は振動振幅値をオーバーオール値で監視する
。設定関数３１０，３１３を測定値がオーバーした値は
、異常と判定する。

第１０図は水圧脈＠（ランナ背圧）について示した図で
あり、水圧脈動も個々の水力発電所毎に特有の傾向を示
すが、実測値３２１，３２３から判断する七、水車運転
時は負荷のｒ′Ａ数３２０、揚水運転時は揚程の関数３
２２で表わすことができる。

実測は振励振幅値をオーバーオール値で監視し設定関数
３２０，３２２を実測データがオーバーしたら異常と判
定する。

水圧脈動１ｃ関しては流水部設計法、管路、水車押込み
深さ、水車の種類（専用機、ポンプ水車。

フランシス水車、斜流水車等）で異なり、水力発電所に
共通の数式で表わすことはできないため、試験によって
設定することが多い。

このように本実施例では、ランナ障害を早期に発見する
ため、初期に表れるランナバランスの崩れによる主軸振
動をオーバーオール値と周波数分析値の両面よシ常時監
祝し、これにおいて異常を検出した際には、主軸振動を
起こさせる他の障害要因を自動的に検出し、計算機にて
処理し自動判断させ、即時にランナ障害を検出すること
を可能とした。本発明では正常時にコンピュータはアイ
ドル動作をしているが、この区間に計測データの最大・
最小などを整理し、日報１月報等の動作を行う事も可能
であり、コンピュータの有効活用ができる。また、本発
明は水力発電主機の不具合が主に水車主軸振動に継がる
ことを応用してい□るが、同様の性質がある火力発を機
器にも第７図のアルゴリズムを変更すること及びセンサ
の取付は場所を考慮することにより応用可能である。こ
の場合、システム構成は本発明と同一のハードウェア（
計算機システム）構成となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、振動を自動監視し、重大事故の未然防
止、早期発見をマイクロコンピュータで実施でき、更に
異常時にはその原因を示すことにより調査時間の大幅短
縮及び適切な処理が行える効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は主軸振動センサ取付区、第２図は主軸撮動アル
ゴリズム、第３図は主軸振動周波数分析アルゴリズム、
第４図は監視計１：ｊＩ　ｔ、！システム構成図、第５
図は計ｎ療処理フロー図、第６図は計算、　機処理時間
タイムチャート、第７図は振動値異常発生原因判定アル
ゴリズム、第８図は水圧脈動、上カバー振動センサ取付
図、第９囚は上カッ（−振動アルゴリズム、第１０図は
水圧脈動（ランナ背圧）アルゴリズムである。 ４１・・・計昇機本体、４２・・・ＣＰＵ、４３・・・
システムプログラムメモリ、４４・・・データメモリ、
４５・・・データアウトフリトタイブライタ、４６・・
・計算機内部インターフェースパス、４７・・・振動デ
ータ入力部、４８・・・アナログ計測値入力部、４９・
・・ディジタルデータ入力部、５０・・・ディジタルデ
ータ出力部、５１・・・振動データ変換器、５２・・・
アナログデータ変換器、５３・・・汗報表示器、５４・
・・プラント機器、５５・・・主軸振動値、５６・・・
上刃・く−振動値、５７・・・軸受ギャップ値、５８・
・・軸受潤滑油油面値、５９・・・情愛冷却水流量、６
０・・・軸受冷却水温度、６１・・・落差、６２・・・
負荷、６３・・・水圧脈動値、６４・・・ガイドベーン
サーボモータ差圧、６５・・・弱点ピン切損データ、６
６・・・給気流速、６７・・・上カバーボルトゆるみ変
位、６８・・・ランナーシールギャップ温度、６９・・
・主機起動状態、’ｒ／Ｍ　＊力　（ＭＩＶＪ ＠掲載（−ｙＱ　） 馴反散〔Ｈど） 拓４　口 も　５　？ 斉５　　１　　　Ｇ］ 第８図 第　９　図 う慴わ型出り 青予掲ネ呈（倒）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、水力発電所の水車ランナの回転バランスのずれを水
   車軸振動および水車上カバー振動が許容値を越えたこと
   で検出し出力することを特徴とする水車ランナ障害検出
   装置。