WO2007122697A1

WO2007122697A1 - 流体機械の性能診断装置及びシステム

Info

Publication number: WO2007122697A1
Application number: PCT/JP2006/308129
Authority: WO
Inventors: Kazuhiro Takeda; Shinji Ogino; Kazuko Takeshita
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2007-11-01
Also published as: DE112006003844T5; US20090150121A1; US7996183B2; CN101438060A

Abstract

　流体機械の圧縮比又は圧力差と入口流量とから特性を複数の流体制御量毎に無次元化して圧力係数と流量係数との関係を示す曲線を求める予想性能曲線演算器と、前記流体機械の運転時の流体制御量、吸入圧力、吐出圧力、吸入温度、圧縮係数、ガス平均分子量、比熱比から実測性能ヘッドを求めると共に、予想性能曲線と流体制御量と入口流量とから予想性能ヘッドを求め、予想性能ヘッドと実測性能ヘッドとの比から性能劣化度を演算する性能診断演算器とを備えたことを特徴とする流体機械の性能診断装置。

Description

明細書

流体機械の性能診断装置及びシステム

技術分野

[0001] 本発明は、流体を圧送する各種ファン、コンプレッサ、ポンプ等の流体機械の性能を診断するための流体機械の性能診断装置及びシステムに関する。

背景技術

[0002] 従来、ポンプの性能を診断するのに必要な各種データを同時に採取してポンプの性能診断を容易に行えるようにするものとして、ポンプの性能を診断するのに必要な各種データを同時に計測するよう所要位置に取付けられる測定端子を有する計測器 (吸込圧力検出器、吐出圧力検出器、軸封部温度計、ポンプ本体側軸受部温度計、モータ側軸受部温度計、ポンプ本体側軸受部水平方向振動計、ポンプ本体側軸受部上下方向振動計、モータ側軸受部水平方向振動計、モータ側軸受部上下方向振動計、軸方向振動計、流量計、及び監視カメラ)と、これらの計測器の計測データを採取し、採取したデータを任意に設定した時間分記憶する性能診断用レコーダとを備えたものが提案されている (例えば、特許文献 1。 ) o

[0003] 特許文献 1 :特開 2003— 166477公報（要約、及び図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] 従来のものは、単に計測したデータを記録し、グラフ化して表示するのみであり、技術者が機器の性能を診断するには、更なる分析が必要となる。

そして、主に各場所の振動を計測するものであり、羽根車、インペラの腐食、劣化等に起因する性能そのものの劣化を把握することは困難であるという問題がある。

[0005] 本発明は、このような問題点を解決するために提案されたもので、簡単に流体機械の劣化度を評価することが可能な流体機械の性能診断装置或いは、流体機械の性能診断システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0006] 本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、特許請求の範囲に記載された各発明は、流体機械の性能診断装置及びシステムとして、それぞれ以下の

(1)〜 (4)に述べる各手段を採用したものである。

[0007] (1)第 1の手段に係る流体機械の性能診断装置は、流体機械の圧縮比又は圧力差と入口流量とから特性を複数の流体制御量毎に無次元化して圧力係数と流量係数との関係を示す曲線を求める予想性能曲線演算器と、前記流体機械の運転時の流体制御量、吸入圧力、吐出圧力、吸入温度、圧縮係数、ガス平均分子量、比熱比力も実測性能ヘッドを求めると共に、予想性能曲線と流体制御量と入口流量とから予想性能ヘッドを求め、予想性能ヘッドと実測性能ヘッドとの比力性能劣化度を演算する性能診断演算器とを備えたことを特徴とする。

[0008] (2)第 2の手段に係る流体機械の性能診断装置は、前記第 1の手段において、実測性能ヘッドは、吸入圧力を Ps、吐出圧力を Pd、吸入温度を Ts、圧縮係数を Z、ガス平均分子量を Mw、比熱比を k、 β = (k 1) Zkとすると、実測性能ヘッド Ή を

real 次式、

H =ΖΊ/ β -T /M - { (Ρ /Ρ ) |8 - 1 }

real s w d s

により求めるものであることを特徴とする。

[0009] (3)第 3の手段に係る流体機械の性能診断装置は、前記第 1又は 2の手段において、前記性能劣化度を微分して性能劣化度変化率を算出する性能変化率演算機を備えたことを特徴とする。

[0010] (4)第 4の手段に係る流体機械の性能診断システムは、前記流体機械の運転時の吸入圧力、吐出圧力、吸入温度、圧縮係数、ガス平均分子量、比熱比を計測又は演算しそのデータを記憶する監視装置と、該監視装置に記憶された前記データをネットワークを介して受信する中央監視コンピュータとを有し、前記中央監視コンピュータは、前記第 1、 2、 3のいずれかの手段に記載の流体機械の性能診断装置を備えていることを特徴とする。

発明の効果

[0011] 特許請求の範囲に記載の各請求項に係る発明は、上記の（1)〜(4)に記載の各手段を採用しているので、非常に簡単に機器の性能劣化を評価することが可能になる図面の簡単な説明

[0012] [図 1]本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置が採用されるプラントの概略図である。

[図 2]本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の回路構成図である。

[図 3]本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の演算ブロック図である

[図 4]本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置による表示グラフの例である。

[図 5A]本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の評価の基本原理を示す図である。

[図 5B]本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の評価の基本原理を示す図である。

符号の説明

[0013] la、 lb、 lc 流体機械

2 タービン

3 コンプレッサ

4 回転計

5 吐出側圧力計

6 吸入側圧力計

7 吸入側温度計

8 流里計

9 吐出配管

10 吸入配管

11 監視装置

12 ネットワーク

13 中央監視コンピュータ

20 運転データ収集器

21 共有メモリ 22 性能診断演算器

23 諸データ入力器

24 予想性能曲線演算器

25 性能診断データベース

26 性能変化率演算器

27 履歴データベース

。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 以下、本発明の実施の形態を図 1〜5を参照して説明する。

図 1は、本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置が採用されるプラントの概略図、図 2は、本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の回路構成図、図 3は、本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の演算ブロック図、図 4は、本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置による表示グラフの例、図 5A及び図 5Bは、本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の評価の基本原理を示す図である。

[0015] 先ず、本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置の評価の基本原理について説明する。

本発明の実施の形態にぉ、ては、設計性能 (或いは予想性能)と実測した性能の特性とを無次元化して、両者を比較し評価することを基本原理とする。

更には、実測した性能の変化率 (劣化率)をも算出して、評価が更に容易に行えるようにしている。

[0016] 即ち、コンプレッサ等の圧力上昇に有効に使われた単位重量当たりの仕事量であるヘッドを性能評価のパラメータとして、る。

所定の吸入温度、比熱比、流体の定数等の条件下におけるヘッド (即ち、予想性能ヘッド H )は、次の式（1)で算出することができる。

pred

式（1) 予想性能ヘッド: H =f (N、Q )

pred 1 s

上式において、 Nはコンプレッサ等の流体制御量としての回転数、 Qsは入口体積流量である。 [0017] この場合、コンプレッサにおける予想性能ヘッド Ή と入口体積流量 Qsとの関係は pred

、図 5Aのごとぐ複数の流体制御量、即ち各回転数において、入口体積流量 Qが増 s 加するに従って、予想性能ヘッド Ή は減少する曲線となる。

pred

なお、回転数 Nが、 N , N , N と増加するにしたがっても、予想性能ヘッド Ή は

01 02 03 pred 増加する。

[0018] なお、所定の吸入温度、ガス物性等の条件下における単位重量当たりの仕事量であるヘッド (即ち、実測性能ヘッド Ή )は、次の式（2)で算出することができる。

real

式 (2) 実測性能ヘッド: H =f (P、 P、 T )

real 2 s d s

上式において、 Pは吸入圧力、 Pは吐出圧力、 Tは吸入温度である。

s d s

[0019] そして、予想性能ヘッド Ή 、回転数 N及び入口体積流量 Qに基づき、次の式（3 pred s

)、式 (4)により、無次元化した圧力係数、流量係数 φを演算し、データベースとする。

式（3) 圧力係数： = 2g'H /u²=K - (H /N²)

pred 1 pred

式（4) 流量係数： φ =<3 Ζ (60 π ·ϋ·1 ιι) =Κ ' (Q ZN)

2

ここで、 uはコンプレッサの羽根車の円周速度、 Dは羽根車の外径、 bは羽根車の出口の幅、 K、 Kは定数である。

1 2

[0020] この時、圧力係数と流量係数 φとの関係は、図 5Bに図示のように、流量係数 φ が増加するに従って、圧力係数は増加後減少する曲線となっている。

なお、データベースには、複数の流体制御量毎、即ち回転数 N , N , N

01 02 03における圧力係数と流量係数 φとの関係を示す曲線が記憶される。

[0021] そして、実測した実回転数 N、吐出圧力 P、吸入圧力 P、吸入温度 T、入口体積 d

流量 Q、圧縮係数 Z、ガス平均分子量 M及び比熱比 kに基づき、以下の演算が行われる。

[0022] 先ず、実回転数 Nにおける圧力係数と流量係数 φとの関係を示す曲線は、図 5 Bに点線で図示のように、次の式（5)、式 (6)により、線形補間して推定される。

式（5) 圧力係数： (

Ν 、 φ )

01

式 (6) 流量係数： φ = {ί (Ν 、）— f (Ν 、 /ζ ) }Ζ (Ν — Ν ) · (Ν— Ν ) +f (

2 02 1 01 02 01 01 1 N 、 μ )

01

[0023] 上述の実回転数 Nxにおける圧力係数 μと流量係数 φとを、式（3)、式 (4)に代入、逆算して、次の式（7)、式 (8)により、図 5Αに点線で図示の実回転数 Νにおける予想性能ヘッド Ή と入口体積流量 Qとの関係を示す曲線を得る。

prea s

式（7) 予想性能ヘッド： H = 1/Κ ·Ν ² · μ

pred 1 x

式（8) 入口体積流量： Qs = lZK ·Ν · φ

2 χ

[0024] そして、実測した入口体積流量 Qを、実測した吐出圧力 Ρ、吸入圧力 Ρ、吸入温 d

度 Tに基づき所定の条件での入口体積流量 Qに修正し、図 5Aに図示の予想性能ヘッド H と入口体積流量 Qとの関係を示す曲線から、実回転数 Nにおける予想 pred s x 性能ヘッド Ή を求める。

predx

[0025] 一方、実測性能ヘッド Ή は、次の式（9)により求めることができる。

real

式（9) H =Ζ

real · ΐΖ ι8 ·Τ ΖΜ . { (P ZP ) j8— 1 }

s w a s

但し、圧縮係数は Z、ガス平均分子量は M、

w kは比熱比、 |8は (k l)Zk)である。

[0026] そして、求められた予想性能ヘッド H と実測性能ヘッド Ή とにより、ヘッド比（ predx real

性能劣化度） α =実測性能ヘッド Ή Ζ予想性能ヘッド Ή を算出し、性能劣化 real predx

度として機器の性能を評価する。

このヘッド比 (性能劣化度） αは、全運転領域で定量的に評価することができる。

[0027] 次に、上述の原理を利用した本発明の実施の形態に係る流体機械の性能診断装置が採用されるプラントの概略を、図 1を参照して説明する。

火力発電所、その他各種のプラントには、各種ファン、コンプレッサ、ポンプ等の多数の流体機械 la、 lb、 lcが配設されている。

そして、流体機械 laがコンプレッサの場合について説明すると、コンプレッサ 3は、可変速のタービン 2により駆動される。

このタービン 2は、図示略のガバナにより回転数が制御されるようになっており、タービン 2には、その実回転数 Nxを検出する回転計 4が連結されている。

[0028] コンプレッサ 3の吐出配管 9には、吐出圧力 Pを検出する吐出側圧力計 5が設けら d

れている。

更に、コンプレッサ 3の吸入配管 10には、吸入圧力 Pを検出する吸入側圧力計 6、 s 吸入配管 10内を流れる流体の吸入温度 Tsを検出する吸入側温度計 7、流体の入口体積流量 Qを計測する流量計 8も設けられている。

そして、回転計 4により検出された実回転数 N、吐出側圧力計 5により検出された吐出圧力 P、吸入側圧力計 6により検出された吸入圧力 P、吸入側温度計 7により検出された吸入温度 T、流量計 8により検出された入口体積流量 Qは、各々監視装置 1

1に送信される。

[0029] また、監視装置 11或いは中央監視コンピュータ 13等には、別途、吸入配管 10内を流れる流体の物性値も入力、記憶される。

そして、各監視装置 11に入力された実回転数 N、吐出圧力 P、吸入圧力 P、吸入温度 T、入口体積流量 Q、ガスの物性値 (圧縮係数 Z、ガス平均分子量 M、及び比熱比 k)等の所定の期間分の各計測値は、各流体機械 la、 lb、 lcの識別コード及び計測年月日時刻と共に、各監視装置 11内の記憶装置に記憶される。

そして、記憶装置に記憶された各識別コード、計測年月日時刻、計測値は、定期的に或いは中央監視コンピュータ 13からの要求に応じて、ネットワーク 12を通じて中央監視コンピュータ 13に送信される。

[0030] なお、物性値を入力、演算、推定、記憶する方法としては、次の方法がある。

例 1としては、図示略のガス分析計でガスの組成を定期的に計測し、ガス組成を監視装置 11或いは中央監視コンピュータ 13に入力（例えば、空気の場合は、窒素； 79% 、酸素 21%)し、基準圧力、基準温度から、監視装置 11或いは中央監視コンビユータ 13等内で、ガス物性値 (ガス圧縮係数 Z、比熱比 k、ガス平均分子量 M )を推算しす。。

例 2としては、ガス物性値の内、ガス組成の変動に対してガス圧縮係数 Z、比熱比 k、がほぼ一定である場合、図示略のガス比重計 (空気に対するガス比重)でガスの分子量 Mだけを定期的に計測し、ガス分子量だけを変動データとして使用する。例 3としては、図示略のガス分析計でガスの組成をオフラインで計測し、計測されたガス物性推算プログラムでガス物性値 (ガス圧縮係数 Z、比熱比 k、ガス平均分子量 M

)を推算し、これを監視装置 11或いは中央監視コンピュータ 13等に入力して使用する。 [0031] この中央監視コンピュータ 13は、図 2に図示のように、運転データ収集器 20、共有メモリ 21、性能診断演算器 22、諸データ入力器 23、予想性能曲線演算器 24、性能診断データベース 25、性能変化率演算器 26、履歴データベース 27、表示器 28を備えている。

なお、これらの各演算器は、通常、コンピュータのプログラム、シーケンスブロックの形態をなしているが、これに限定されるものではなぐ個々の電気演算回路ユニット等により構成した形態のものも含まれる。

[0032] 次に、図 3を参照して、これらの各演算器等での処理内容につき説明する。

先ず、運転データ収集器 20では、通信の初期化が行われる (ステップ S01)。

タイマーにて時間をカウントし、定期的に各監視装置 11に対しデータ送信の要求信号を発信する (ステップ S02)。

そして、各監視装置 11から、流体機械 la、 lb、 lcの識別コード、及び所定の期間分の各計測年月日時刻、計測値が入力されると (ステップ S03)、そのデータを、共有メモリ 21にコピーする（ステップ S04)。

その後、タイマーをリセットしタイマーによる時間のカウント (ステップ S02)に戻る。

[0033] 一方、諸データ入力器 23より、識別コード毎に、各流体機械 la、 lb、 lcの容量、性能等が入力される。

この入力された容量、性能等は、予想性能曲線演算器 24にて、上述の式 (3)、式 (4 )により、無次元化され所定の回転数毎、例えば、図 5Bのごとぐ 3つの回転数 N 、

01

N 、N の圧力係数と流量係数 φとの関係を示す曲線が求められる。

02 03

求められた圧力係数と流量係数 φとの関係を示す曲線は、各流体機械 la、 lb、 1 cの識別コード、装置の名称と共に、性能診断データベース 25に記憶される。

[0034] そして、性能診断演算器 22では、先ず、性能診断プログラムの初期化が行われる ( ステップ S 11)。

タイマーにて時間をカウントし (ステップ S12)、定期的に流体機械の計測されたデータ (識別コード、計測年月日時刻、実回転数 N、吐出圧力 P、吸入圧力 P、吸入温 d

度 T、入口体積流量 Q、圧縮係数 Z、ガス平均分子量 M及び比熱比 k等)を共有メモリ 21から入手する（ステップ S13)。そして、これらの入力されたデータに基づき、実測性能ヘッド Ή を、上述の式（9)に

real

より演算する。

[0035] 一方、実測した実回転数 N、吐出圧力 P、吸入圧力 P、吸入温度 T、入口体積流

X d s s

量 Q、圧縮係数 Z、ガス平均分子量 M及び比熱比 kに基づき、上述の式（5)〜式（

X W

8)及び図 5 Aの予想性能ヘッド Ή と入口体積流量 Qとの関係を示す曲線から、計

pred s

測された時の流体機械の実回転数 Nにおける予想性能ヘッド Ή を算出する。

X predx

[0036] そして、ヘッド比 (性能劣化度） α =実測性能ヘッド Ή

real Ζ予想性能ヘッド Ή を

predx 算出して (ステップ S 14)、履歴データベース 27に出力する (ステップ S 15)。

その後、タイマーをリセットしタイマーによる時間のカウント (ステップ S12)に戻る。

[0037] また、性能変化率演算器 26では、履歴データベース 27からヘッド比 aが入力され、微分して変化率が求められ、求められた変化率は履歴データベース 27に記憶される。

[0038] 表示器 28では、先ず、画面表示プログラムの初期化が行われる (ステップ S21)。

そして、履歴データベース 27より、ヘッド比 α及びヘッド比 aの変化率を入手し、画面データを作成し (ステップ S22)、図 4に図示のようなグラフを画面に表示する（ステップ S23)。

[0039] この画面に表示されたグラフは、図 4に図示のように、横軸を時間として、ヘッド比 ( 性能劣化度） a (或いは、実測性能ヘッド Ή )、及びヘッド比 aの変化率の推移を

real

表したものであり、これによりコンプレッサ 3の性能を容易に評価することが可能になるそして、非常に簡単に機器の性能劣化を評価し、メインテナンス時期を予想し、トラブルを事前に回避することが可能になる。

[0040] また、上述のものは、流体機械を回転数が可変の原動機 (ガスタービン、蒸気タービン、電動モータ等のモータ）により駆動し、その回転数を制御する場合であり、回転数を流体制御量として、る。

しかしながら、流体量の制御については、これに限定されるものではない。

例えば、流体機械の回転数を一定とし、流体機械の入口に入口ガイドべーン (IGV、入口案内翼、 inlet guide vane)、或いは流量制御弁を設け、ベーン或いは弁の開度を流体制御量として制御するものにも対応可能である。

[0041] 以上、本発明の実施の形態をコンプレッサの場合の性能診断につき説明したが、その他のファン、ポンプ等にも適用可能なものであり、本発明は上記の実施の形態に限定されず、本発明の範囲内でその具体的構造に種々の変更を加えてよいことはいうまでもない。

産業上の利用可能性

[0042] この発明に係る流体機械の性能診断装置によれば、予想性能曲線演算器により流体機械の圧縮比又は圧力差と入口流量とから特性を複数の流体制御量毎に無次元化し圧力係数と流量係数との関係を示す曲線を求め、更に前記流体機械の運転時の流体制御量、吸入圧力、吐出圧力、吸入温度、圧縮係数、ガス平均分子量、比熱比から実測性能ヘッドを求めると共に、予想性能曲線と運転時の流体制御量と入口流量とから予想性能ヘッドを求め、求まった予想性能ヘッドと実測性能ヘッドとの比力性能劣化度を演算する性能診断演算器とを備えることにより、簡単に流体機械の性能劣化度を評価することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 流体機械の圧縮比又は圧力差と入口流量とから特性を複数の流体制御量毎に無次元化して圧力係数と流量係数との関係を示す曲線を求める予想性能曲線演算器と、

前記流体機械の運転時の流体制御量、吸入圧力、吐出圧力、吸入温度、圧縮係数、ガス平均分子量、比熱比から実測性能ヘッドを求めると共に、予想性能曲線と流体制御量と入口流量とから予想性能ヘッドを求め、予想性能ヘッドと実測性能ヘッドとの比から性能劣化度を演算する性能診断演算器と

を備えたことを特徴とする流体機械の性能診断装置。

[2] 実測性能ヘッドは、

吸入圧力を P、吐出圧力を P、吸入温度を T、圧縮係数を Z、ガス平均分子量を M

s d s w

、比熱比を k、 β = (k 1) Zkとすると、実測性能ヘッド Ή を次式、

real

H =ΖΊ/ β 'T /M - { (Ρ /Ρ ) |8 - 1 }

real s w d s

により求めるものであることを特徴とする請求項 1に記載の流体機械の性能診断装置

[3] 前記性能劣化度を微分して性能劣化度変化率を算出する性能変化率演算機を備えたことを特徴とする請求項 1又は 2に記載の流体機械の性能診断装置。

[4] 前記流体機械の運転時の吸入圧力、吐出圧力、吸入温度、圧縮係数、ガス平均分子量、比熱比を計測又は演算しそのデータを記憶する監視装置と、

該監視装置に記憶された前記データをネットワークを介して受信する中央監視コンビユータとを有し、

前記中央監視コンピュータは、前記請求項 1、 2、 3のいずれかに記載の流体機械の性能診断装置を備えていることを特徴とする流体機械の性能診断システム。