JP4625306B2 - 流体機械の性能診断装置及びシステム - Google Patents

Description

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。

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。）。

特開２００３−１６６４７７公報（要約、及び図１）

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。

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。

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。

（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。

（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）／ｋとすると、実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌを次式、
Ｈ_ｒｅａｌ＝Ｚ・１／β・Ｔｓ／Ｍｗ・｛（Ｐｄ／Ｐｓ）^β−１｝
により求めるものであることを特徴とする。

（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。

（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。

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。

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５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。

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おいては、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。

即ち、コンプレッサ等の圧力上昇に有効に使われた単位流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いる。
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_ｐｒｅｄ）は、次の式（１）で算出することができる。
式（１） 予想性能ヘッド：Ｈ_ｐｒｅｄ＝ｆ _ｐ （Ｎ、Ｑｓ）
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。

この場合、コンプレッサにおける予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄと入口体積流量Ｑｓとの関係は、図５（ａ）のごとく、複数の流体制御量、即ち各回転数において、入口体積流量Ｑｓが増加するに従って、予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄは減少する曲線となる。
なお、回転数Ｎが、Ｎ_０１，Ｎ_０２，Ｎ_０３と増加するにしたがっても、予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄは増加する。

なお、所定の吸入温度、ガス物性等の条件下における単位流量当たりの仕事量であるヘッド（即ち、実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌ）は、次の式（２）で算出することができる。
式（２） 実測性能ヘッド：Ｈ_ｒｅａｌ＝ｆ _ｒ （Ｐｓ、Ｐｄ、Ｔｓ）
上式において、Ｐｓは吸入圧力、Ｐｄは吐出圧力、Ｔｓは吸入温度である。

そして、予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄ、回転数Ｎ及び入口体積流量Ｑｓに基づき、次の式（３）、式（４）により、無次元化した圧力係数μ、流量係数φを演算し、データベースとする。
式（３） 圧力係数：μ＝２ｇ・Ｈ_ｐｒｅｄ／ｕ^２＝Ｋ_１・（Ｈ_ｐｒｅｄ／Ｎ^２）
式（４） 流量係数：φ＝Ｑｓ／（６０π・Ｄ・ｂ・ｕ）＝Ｋ_２・（Ｑｓ／Ｎ）
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_１、Ｋ_２は定数である。

この時、圧力係数μと流量係数φとの関係は、図５（ｂ）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μ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_０１，Ｎ_０２，Ｎ_０３における圧力係数μと流量係数φとの関係を示す曲線が記憶される。

そして、実測した実回転数Ｎｘ、吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓ、吸入温度Ｔｓ、入口体積流量Ｑｘ、圧縮係数Ｚ、ガス平均分子量Ｍｗ及び比熱比ｋに基づき、以下の演算が行われる。

先ず、実回転数Ｎｘにおける圧力係数μ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：μ＝｛ｆ_１（Ｎ_０２、φ）−ｆ_１（Ｎ_０１、φ）｝／（Ｎ_０２−Ｎ_０１）・（Ｎ−Ｎ_０１）＋ｆ_１（Ｎ_０１、φ）
式（６） 流量係数：φ＝｛ｆ_２（Ｎ_０２、μ）−ｆ _２ （Ｎ_０１、μ）｝／（Ｎ_０２−Ｎ_０１）・（Ｎ−Ｎ_０１）＋ｆ _２ （Ｎ_０１、μ）

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５（ａ）に点線で図示の実回転数Ｎｘにおける予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄと入口体積流量Ｑｓとの関係を示す曲線を得る。
式（７） 予想性能ヘッド：Ｈ_ｐｒｅｄ＝１／Ｋ_１・Ｎｘ^２・μ
式（８） 入口体積流量：Ｑｓ＝１／Ｋ_２・Ｎｘ・φ

そして、実測した入口体積流量Ｑｘを、実測した吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓ、吸入温度Ｔｓに基づき所定の条件での入口体積流量Ｑｘに修正し、図５（ａ）に図示の予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄと入口体積流量Ｑｓとの関係を示す曲線から、実回転数Ｎｘにおける予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄｘを求める。

一方、実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌは、次の式（９）により求めることができる。
式（９） Ｈ_ｒｅａｌ＝Ｚ・１／β・Ｔｓ／Ｍｗ・｛（Ｐｄ／Ｐｓ）^β−１｝
但し、圧縮係数はＺ、ガス平均分子量はＭｗ、ｋは比熱比、βは（ｋ−１）／ｋ）である。

そして、求められた予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄｘと実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌとにより、ヘッド比（性能劣化度）α＝実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌ／予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄｘを算出し、性能劣化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。

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１ａ、１ｂ、１ｃが配設されている。
そして、流体機械１ａ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。

コンプレッサ３の吐出配管９には、吐出圧力Ｐｄを検出する吐出側圧力計５が設けられている。
更に、コンプレッサ３の吸入配管１０には、吸入圧力Ｐｓを検出する吸入側圧力計６、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Ｑｘ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Ｎｘ、吐出側圧力計５により検出された吐出圧力Ｐｄ、吸入側圧力計６により検出された吸入圧力Ｐｓ、吸入側温度計７により検出された吸入温度Ｔｓ、流量計８により検出された入口体積流量Ｑｘは、各々監視装置１１に送信される。

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Ｎｘ、吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓ、吸入温度Ｔｓ、入口体積流量Ｑｓ、ガスの物性値（圧縮係数Ｚ、ガス平均分子量Ｍｗ、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１ａ、１ｂ、１ｃ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。

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ピュータ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Ｍｗ）を推算し記憶する。
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Ｍｗ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Ｍｗ）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。

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く、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。

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１ａ、１ｂ、１ｃ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。

一方、諸データ入力器２３より、識別コード毎に、各流体機械１ａ、１ｂ、１ｃ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５（ｂ）のごとく、３つの回転数Ｎ_０１、Ｎ_０２、Ｎ_０３の圧力係数μと流量係数φとの関係を示す曲線が求められる。
求められた圧力係数μと流量係数φとの関係を示す曲線は、各流体機械１ａ、１ｂ、１ｃ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。

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Ｓ１１）。
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Ｎｘ、吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓ、吸入温度Ｔｓ、入口体積流量Ｑｓ、圧縮係数Ｚ、ガス平均分子量Ｍｗ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Ｈ_ｒｅａｌを、上述の式（９）により演算する。

一方、実測した実回転数Ｎｘ、吐出圧力Ｐｄ、吸入圧力Ｐｓ、吸入温度Ｔｓ、入口体積流量Ｑｘ、圧縮係数Ｚ、ガス平均分子量Ｍｗ及び比熱比ｋに基づき、上述の式（５）〜式（８）及び図５（ａ）の予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄと入口体積流量Ｑｓとの関係を示す曲線から、計測された時の流体機械の実回転数Ｎｘにおける予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄｘを算出する。

そして、ヘッド比（性能劣化度）α＝実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌ／予想性能ヘッドＨ_ｐｒｅｄｘを算出して（ステップＳ１４）、履歴データベース２７に出力する（ステップＳ１５）。
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。

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α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。

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α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）。

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）α（或いは、実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌ）、及びヘッド比αの変化率の推移を表したものであり、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。

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いる。
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ベーン（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。

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。

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。 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。 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。 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。 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

１ａ、１ｂ、１ｃ 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 流量計
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
２８ 表示器

Claims (4)

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）／ｋとすると、実測性能ヘッドＨ_ｒｅａｌを次式、
   Ｈ_ｒｅａｌ＝Ｚ・１／β・Ｔｓ／Ｍｗ・｛（Ｐｄ／Ｐｓ）^β−１｝
   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ピュータとを有し、
   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。