JP3899686B2

JP3899686B2 - ガスタービン発電機の軸トルク監視装置

Info

Publication number: JP3899686B2
Application number: JP20103398A
Authority: JP
Inventors: 俊久舟橋; 伸貴竹内; 春生佐々木; 照久岩佐
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2007-03-28
Anticipated expiration: 2018-07-16
Also published as: JP2000037095A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスタービン発電機の軸トルク監視装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンを原動機とする発電機では、過負荷から原動機を保護するために減速機と発電機との間にシェアピンが設けられている。図４はガスタービンを原動機とする発電機を使用した系統の構成図で、図４において４１はガスタービン、４２は発電機で、ガスタービン４１と発電機４２との間には減速機４３が設けられ、減速機４３と発電機４２との間にはシェアピン４４が設けられている。このシェアピン４４は、原動機に過負荷がかかった場合に、原動機が破損しないための保護装置であり、このシェアピン４４にかかるトルクが、一定の値に達すると破断するように設計されている。
【０００３】
この臨界値は通常、発電機定格トルクの数倍である。発電機４２が連系されている電力系統４５で事故があり、発電機４２の電気的出力トルクが急激に変化すると発電機軸にねじりトルクが発生する。この軸ねじりトルクが、上記臨界値を越えない瞬時電圧低下のような事故の場合でもトルクによる振動が発生し、その振動は疲労として蓄積されていく。このように累積された疲労が疲労限度に達した時、クラック（ひび）が出来る。クラックが“臨界長”まで成長した時、シェアピン４４は破断する。“臨界長”に至るためのねじりトルクは、クラック“初期化”のためのそれに比べ何倍も大である。
【０００４】
よって“初期化”から“臨界長”へ至るには、瞬時の場合もあるが長時間がかかる場合もある。シェアピン４４が破断すると、これを修復するには長時間がかかり、その間発電機の運転は不能となる。そのため、あらかじめシェアピン４４の寿命を予測して、発電機４２の点検時にシェアピン４４を交換すれば不要な発電機の停止を防ぐことが出来る。そのために、軸トルク監視装置が必要となる。現在技術で軸トルク監視装置を構成すれば、以下のようになる。図４でガスタービン４１の軸端にトルクゲージを貼り付け、これをＦＭ受信器２１で受信して軸ねじりトルクを検出する。この軸ねじりトルクは検出部２２に入力され、検出部２２では、このトルクが所定の値を越えた場合に警報を発する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
（１）軸ねじりトルクはＦＭ受信器で検出されるため、トルクゲージは露出している部分に貼らなければならない。そのため、ガスタービンの軸にトルクゲージを貼り付けることになる。そこで検出される軸ねじりトルクは、シェアピンにかかる軸ねじりトルクとは異なり、寿命を正確に予測することが出来ない。
【０００６】
（２）軸ねじりトルクの大きさは検出できるが、シェアピンの寿命（あと何サイクルで破断するか）を予測することができない。
【０００７】
（３）ＦＭ受信器を用いるため軸トルク装置の構成が複雑となる。
【０００８】
この発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、シェアピンにかかるトルクを演算し、これを累積することによりシェアピンの寿命を予測できるようにしたガスタービン発電機の軸トルク監視装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を達成するために、第１発明は、発電機の端子電圧および電流を検出し、この検出信号をディジタル変換して演算処理装置に入力し、演算処理装置で入力した信号を処理して警報を送出するガスタービン発電機の軸トルク監視装置において、
前記演算処理装置は、入力される２相の電圧値、入力される２相の電流値および発電機の定数から電気的出力トルクを算出する電気的出力トルク演算部と、このトルク演算部で算出されたトルクと事故直前の電気的出力トルクおよび発電機の定数から軸ねじりトルクを算出し、原動機、発電機からなる二元連立微分方程式を一元に縮約した微分方程式を解くための一つの積分演算部のみにより構成する軸ねじりトルク演算部と、シェアピンにかかる応力と寿命の関係を示すＳ−Ｎ曲線を、トルク対寿命データに変換して記憶するＳ−Ｎ曲線記憶部と、軸ねじりトルク演算部で算出された軸ねじりトルクの履歴とＳ−Ｎ曲線データからシェアピン寿命を算出してこれを累積するシェアピン寿命演算部と、このシェアピン寿命演算部で算出されたシェアピン寿命が予め設定された値よりも小となったときに警報を発する検出部とを備え、
前記検出部からの警報によってシェアピンの寿命を予測するようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
第２発明は、演算処理装置は、マイクロプロセッサから構成したことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、この発明の実施の形態を述べる前に、図２により、２つの質量で表現したガスタービン発電機ロータについて述べる。図２において、ガスタービン発電機のロータは、バネで接続された複数の質量と考えることができるので、ニュートンの法則により次式（１）、（２）が成り立つ。
【００１３】
【数１】

【００１４】
（１）式、（２）式において、Ｊ₁，Ｊ₂は回転体の質量、Ｔ₁，Ｔ₂は回転体へ与えられるトルク、Ｔ₁₂は軸トルク、δ₁、δ₂は機械的位相角である。
【００１５】
外から与えられるトルクは次の（３）式、（４）式になる。
Ｔ₁＝Ｔ_m ……（３）
Ｔ₂＝−Ｔ_e ……（４）
ここで、Ｔ_mは機械的入力トルク、Ｔ_eは電気的出力トルクである。
【００１６】
また、軸トルクＴ₁₂は次の（５）式で表される。
Ｔ₁₂＝Ｋ₁₂（δ₂−δ₁） ……（５）
ただし、Ｋ₁₂はばね定数である。
【００１７】
上記（１）式から（５）式は、次式（６ａ），（６ｂ）式のようにまとめることができる。
【００１８】
【数２】

【００１９】
なお、電気的出力トルクは次式（７）式で表すことができる。
Te(t)=v_a(t)i_a(t)+v_b(t)i_b+v_c(t)i_c(t) ……（７）
ただし、
v_a，v_b，v_c：発電機端子電圧
i_a、i_b、i_c：発電機端子電流
事故発生から数サイクル以内では、ガバナなどの影響は無視できるので、機械的入力トルクは一定であり、その値は、事故直前の値に等しいと考えることができる。また、事故発生前は定常状態であるので、機械的入力トルクと電気的出力トルクの値は等しい。よって、事故直前の電気的出力トルクをもって事故後の機械的入力トルクを近似することができる。
【００２０】
Ｔ_m＝Ｔ_m0＝Ｔ_e0 ……（８）
ただし、
Ｔ_m0：事故直前の機械的入力トルク
Ｔ_e0：事故直前の電気的出力トルク
なお、図３は、電気的出力トルクと軸ねじりトルクの特性図である。
【００２１】
ここで、この発明の実施の第１形態を図１により説明するに、図４と同一部分は同一符号を付して述べる。図１において、発電機４２の端子電圧および電流は変圧器ＰＴおよび変流器ＣＴで検出してアナログ・ディジタル変換器Ａ／Ｄに入力され、ディジタル信号に変換される。このディジタル信号は、電気的出力トルク演算部１１に供給され、この演算部１１で前記（７）式によって電気的出力トルクを算出する。
【００２２】
電気的出力トルク演算部１１により演算によって算出されたトルクと、事故直前に算出された電気的出力トルク（（８）式参照）および発電機の定数は、軸ねじりトルク演算部１２に供給され、この演算部１２で前記（５）式、（６ａ）および（６ｂ）式によって軸ねじりトルクを算出する。
【００２３】
軸ねじりトルクの履歴が分かれば、それを図５に示すＳ−Ｎ曲線に関連づけることができる。このＳ−Ｎ曲線は、シェアピンにかかる応力と寿命（サイクル）の関係を示す曲線でシェアピンメーカから供給される。この応力対寿命データをトルク対寿命データに変換した後、Ｓ−Ｎ曲線記憶部１３にあらかじめ格納しておく。そして、軸ねじりトルク演算部１２で算出された軸ねじりトルクと、Ｓ−Ｎ曲線記憶部１３に格納されたＳ−Ｎ曲線データをシェアピン寿命演算部１４に供給する。
【００２４】
このシェアピン寿命算出部１４では、軸ねじりトルクに対応するシェアピンの寿命をＳ−Ｎ曲線データから求め、次の（９）式によりシェアピンの寿命を累積する。シェアピン寿命演算部１４により算出された寿命は、検出部１５に供給され、検出部１５では、この寿命があらかじめ設定された値よりも小となった時に警報を発する。
【００２５】
【数３】

【００２６】
なお、図１において、電気的出力トルク演算部１１、軸ねじりトルク演算部１２、Ｓ−Ｎ曲線記憶部１３、シェアピン寿命演算部１４および検出部１５からなる演算処理装置は、マイクロプロセッサ４６から構成される。
【００２７】
次にこの発明の実施の第２形態について述べる。図１、図２において、発電機４２が接地されていない場合、あるいは高抵抗で接地されている場合には、前記（７）式を次式（１０）式のように簡略化することができる。発電機４２の中性点が接地されていないか、高抵抗で接地されている場合には、次式（１０）式が成り立つ。
【００２８】

この（１０）式を（７）式に代入すると、次式（１１）式が得られる。

電気的出力トルク演算部１１で（７）式の替わりに（１１）式を用いることにより、３台の変圧器ＰＴ，変流器ＣＴを、それぞれ２台に削減することができるようになる。
【００２９】
次にこの発明の実施の第３形態について述べる。前記（６ａ）式、（６ｂ）式の二元連立微分方程式を、ひとつの微分方程式に縮約することができる。すなわち、（６ａ）式／Ｊ₁−（６ｂ）式／Ｊ₂より次式（１２）式が得られる。
【００３０】
【数４】

【００３１】
この微分方程式は容易に解くことができ、軸ねじりトルク演算部１２は一つの積分演算部で構成することができるようになる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、軸トルクの値から疲労の蓄積を計算することができるようになり、何かのじょう乱があったときに、次の判断が可能となる。
（Ａ）当該発電機の運転を継続し、シェアピンの点検はしない。
（Ｂ）当該発電機の運転を継続し、次の停止時にシェアピンの点検を計画する。
（Ｃ）直ちに当該発電機の運転を中止し、シェアピンの点検が終了するまで運転しない。
よって以下の利点が得られる。
（１）不必要に発電機の運転を中止することがなくなる。
（２）シェアピンに急速に成長するクラックを残したまま、発電機の運転を継続することがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す構成説明図。
【図２】実施の形態の補足説明用のガスタービン発電機ロータを示す原理説明図。
【図３】実施の形態の補足説明用の電気的出力トルクと軸ねじりトルクの特性図。
【図４】従来例を示す構成説明図。
【図５】Ｓ−Ｎ曲線例を示す特性図。
【符号の説明】
１１…電気的出力トルク演算部
１２…軸ねじりトルク演算部
１３…Ｓ−Ｎ曲線記憶部
１４…シェアピン寿命演算部
１５…検出部
２１…ＦＭ受信器
２２…検出部
４１…ガスタービン
４２…発電機
４３…減速機
４４…シェアピン
４５…電力系統
４６…マイクロプロセッサ
４７…系統連系遮断器
ＰＴ…変圧器
ＣＴ…変流器
Ａ／Ｄ…アナログ・ディジタル変換器

Claims

発電機の端子電圧および電流を検出し、この検出信号をディジタル変換して演算処理装置に入力し、演算処理装置で入力した信号を処理して警報を送出するガスタービン発電機の軸トルク監視装置において、
前記演算処理装置は、入力される２相の電圧値、入力される２相の電流値および発電機の定数から電気的出力トルクを算出する電気的出力トルク演算部と、このトルク演算部で算出されたトルクと事故直前の電気的出力トルクおよび発電機の定数から軸ねじりトルクを算出し、原動機、発電機からなる二元連立微分方程式を一元に縮約した微分方程式を解くための一つの積分演算部のみにより構成する軸ねじりトルク演算部と、シェアピンにかかる応力と寿命の関係を示すＳ−Ｎ曲線を、トルク対寿命データに変換して記憶するＳ−Ｎ曲線記憶部と、軸ねじりトルク演算部で算出された軸ねじりトルクの履歴とＳ−Ｎ曲線データからシェアピン寿命を算出してこれを累積するシェアピン寿命演算部と、このシェアピン寿命演算部で算出されたシェアピン寿命が予め設定された値よりも小となったときに警報を発する検出部とを備え、
前記検出部からの警報によってシェアピンの寿命を予測するようにしたことを特徴とするガスタービン発電機の軸トルク監視装置。
前記演算処理装置は、マイクロプロセッサから構成したことを特徴とする請求項１記載のガスタービン発電機の軸トルク監視装置。