JP4869008B2

JP4869008B2 - 回転機械の振動診断システム

Info

Publication number: JP4869008B2
Application number: JP2006265560A
Authority: JP
Inventors: 健二山口; 秀則小坂
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-09-28
Also published as: JP2008082967A

Description

本発明は、例えば発電用タービンや発電機等の回転機械の軸やケーシングの異常を診断する回転機械の振動診断システムに関する。

火力発電所には、数百トンもの大重量のロータが高速度で回転する主タービン・発電機を始めとして数多くの回転機械が設置されている。

このような回転機械において、特に高速度の回転機械では、運転中に発生する異常の多くは振動現象の変化として現れることが多く、また急激に進展して重大な事故に発展する危険性があることから、運転監視装置と異常時の保護・制御装置を備えている。

特に、近年では、電力需要の多様化・効率的運用などから、頻繁な起動・停止、急激な負荷変動等の多用な運用が求められ、発電機器には、これまで以上にストレスがかかるとともに、機器設備の異常の徴候を早期に検知し、原因を分析して運用制限などの状態を速やかに修復できることが、より強く要請されるようになってきた。

このため、例えば、回転機械の軸振動診断に関しては、特許第２８５０９１７号公報に「回転機械の異常診断方法」が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

７図は、従来の回転機械の振動診断装置を、火力発電回転機械のタービン・発電機に適用した例を示している。

同図において、タービン・発電機１は、発電機１ａ及びタービン２ａ乃至２ｃを備え、その各ロータ（回転体）及びロータを支える各回転軸受部には、回転軸振動を検出する振動検出器３ａ乃至３ｆが取付けられている。

また、タービン・発電機１内には、図示しない回転機械の回転数を検出する回転計、各軸受部での振動位相角を検出するための基準となるパルスを発信する位相角基準信号発生器４が設置されている。

振動検出器３ａ乃至３ｆ、及び位相角基準信号発生器４からの信号は振動監視・診断装置７を介して、図示しない制御用計算機に送られて運転員の制御操作を支援する。

すなわち、振動監視・診断装置７では、振動検出器３ａ乃至３ｆ、及び位相角基準信号発生器４からの１回転基準信号に基づいて、ロータ及び各回転軸受部における振動状態を判断し、規定の信号レベル以上であると判定すると、警報信号またはタービントリップ信号を制御用計算機へ伝達する。
特許第２８１８１７２号公報

上述したような従来の回転機械の振動監視・診断装置においては、位相角基準信号発生器からの１回転基準信号は、この位相角基準信号発生器自身の故障や、位相角基準信号発生器から振動監視・診断装置との接続線の断線等によって欠損することが考えられる。

万が一このような事態となった場合には、全ての振動監視や振動診断の情報が得られなくなり、タービン・発電機の状態が監視できなくなる問題がある。

そのため、位相角基準信号発生器からの１回転基準信号が欠損となった場合に備えて、位相角基準信号発生器に相当する補助の１回転検出器を設けたり、また、位相角基準信号発生器が破損した場合には、タービン・発電機を停止したりするなどの対策が採られているが、このような１回転基準信号の欠損時の対策は、設備の追加や発電停止を伴う問題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたもので、回転機械の1回転基準信号が欠損しても、自動的に回転機械の１回転基準信号の代替となる信号を提供することのできる回転機械の振動診断システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による回転機械の振動診断システムは、回転機械の運転に伴う振動を検出してこれを表す振動信号を生成する振動検出手段と、前記回転機械の１回転を検出してこれを表す１回転基準信号を生成する位相角基準信号発生手段と、前記振動検出手段の振動信号を所定の信号に波形整形し、前記回転機械の１回転信号を生成する波形整形手段と、前記１回転基準信号の有無を判定し、該１回転基準信号が無いと判定された時に前記波形成形手段から送出される前記１回転信号に切替える回転基準信号選択回路と、前記振動検出手段の振動信号と前記回転基準信号選択回路で選択された前記１回転基準信号または前記１回転信号とから前記回転機械の振動の異常を監視・診断する振動監視・診断装置とを備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、位相角基準信号発生器からの回転機械の１回転基準信号が消失した場合、振動検出器からの１回転信号に自動的に切り替える回転基準信号選択回路を備えたので、何らかの原因によって１回転基準信号が消失しても回転機械の振動監視・診断を継続して運転を継続することが可能な回転機械の振動診断システムを提供することが出来る。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

本発明に係る実施例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の回転機械の振動診断システムの構成図である。

図１において、タービン発電機１は、タービン２ａ乃至２ｃ及び発電機１ａを備え、その各ロータを支える軸受部には、軸振動を検出する振動検出器３ａ乃至３ｆが取付けられている。

また、タービン・発電機１内には、ロータの回転数を検出する図示しない回転計、各軸受部での振動位相角を検出するための基準となる１回転基準信号を発信する位相角基準信号発生器４、及び発電機の出力や蒸気温度、軸受温度等の回転機械の運転状態を検出する図示しない各種センサー群が設置されている。

また、振動検出器３ｆの振動信号から１回転信号を生成する波形生成回路５と、位相角基準信号発生器４からの１回転基準信号が欠損した時に波形生成回路５で生成された１回転信号に切替える回転基準信号選択回路６とを備える。

そして、振動検出器３ａ乃至３ｆからの振動信号と回転基準信号選択回路６から選択送出される１回転基準信号または１回転信号とは、振動監視・診断装置７に供給され、振動監視・診断装置７では、振動検出器３ａ乃至３ｆ、及び位相角基準信号発生器４からの信号に基づいて各軸受部における振動状態を診断し、規定の信号レベル以上であると判定すると、警報信号またはタービントリップ信号を図示しない回転機械の制御用計算機へ伝達する。

次に、振動検出器３ｆから１回転信号を生成する波形成形回路５について、図２を参照して説明する。

波形成形回路５は、図２１（ａ）に示すような微弱な振動信号の直流成分を除くハイパスフィルター５ａと、ハイパスフィルター５ａの出力から所定の信号レベルの方形波信号に変換する波形成形レベル変換回路５ｂと、方形波信号のエッジを捉えるハイパスフィルター５ｃと、エッジ信号の半波整流回路５ｄとからなる。

次に、夫々の詳細回路について説明する。ハイパスフィルター５ａは、受動ＣＲフィルターで、コンデンサＣ５ａと抵抗Ｒ５ａとからなる。

波形成形レベル変換回路５ｂは、非反転増幅回路であって、オペアンプＡ５ｂ１とその外部抵抗Ｒ５ｂ１及びＲ５ｂ２からなり、ハイパスフィルター５ａの出力が、所定の増幅度に設定され、非反転増幅される。増幅された状態の波形を図２（ｂ）に示す。

そして、増幅された信号は、さらにコンパレータ５ｂ２で図２（ｃ）に示すような方形波に成形される。

方形波に変換された信号は、インバータＴＬ５ｂ３及びプルアップ抵抗Ｒ５ｂ３からなるレベル変換回路５ｂ３によって、図２（ｄ）に示す論理回路レベルの信号に変換される。

さらに、ＣＲフィルターを構成するコンデンサＣ４ｃと抵抗Ｒ５ｃとからなるハイパスフィルター５ｃで図２（ｅ）に示すようなエッジ信号とし、さらに、ツェナーダイオードＺＤ５ｄと抵抗Ｒ５ｄとからなる半波整流回路５ｄを解して図２（ｆ）に示すような論理回路レベルのパルス状の１回転信号に成形される。

次に、位相角基準信号発生器４からの１回転基準信号が欠損した時に波形生成回路５で生成された１回転信号に切替える回転基準信号選択回路６について、図３を参照して説明する。

回転基準信号選択回路６は、位相角基準信号発生器４からの１回転基準信号と振動検出器３の振動信号を波形成形して生成された１回転信号との位相差をパルス幅信号に変換する位相差パルス幅変換回路６ａと、変換されたパルス幅信号を所定の積分定数で積分し、この積分値が予め定められた基準値以上か否かを判定し、基準値に満たない場合には１回転基準信号は存在しないと判定する位相角基準信号判定回路６ｂとからなる。

さらに、位相角基準信号判定回路６ｂからの１回転基準信号が無いと判定された時に、振動監視・診断装置７に供給する１回転基準信号を振動検出器３ｆからの１回転信号に切替える１回転信号切替スイッチ６とからなる。

次に、位相角基準信号発生器４の詳細構成について説明する。位相差パルス幅変換回路６ａは、１回転基準信号でセット、１回転信号でリセットされるフリップフロップＦ６と、フリップフロップＦ６の出力をベースに接続し、エミッターを抵抗Ｒ６ａ１とツェナーダイオードＺＤ６ａを縦列接続して所定のパルス波高値の信号に変換する定電流回路と、さらに、ツェナーダイオードＺＤ６ａの両端の出力をボリュームＶＲａと抵抗Ｒ６ａ２とで分圧し、調整された波高値の１回転信号をボリュームＶＲａの中間タップ位置から送出する分圧回路とからなる。

そして、ボリュームＶＲａの中間タップ位置から送出された位相差パルス幅変換回路６ａの出力を抵抗Ｒ６ｂとコンデンサＣ６ｂからなるＲＣ積分回路と、この積分回路で積分された値が予め設定される基準値ＥＲ６ｂに達するか否かを判定する比較器ＣＯ６ｂとからなる。

そして、比較器ＣＯ６ｂの出力は、１回転信号切替スイッチ６ｃに供給される。

次に、この用に構成された、位相角基準信号発生器４の動作について、図４及び図５を参照して説明する。

図４は、図４（ａ）に示す１回転基準信号と図２（ｂ）に示す１回転信号とが存在する時の位相角基準信号発生器４の動作を示す。同図（ｃ）は、フリップフロップＦ６の出力で、１回転基準信号でセットされ１回転信号でリセットされ、位相差がパルス幅信号に変換された様子を図示したものである。

さらに、パルス幅信号に変換された信号は、図４（ｄ）に示すように積分回路で所定の積分時定数で積分され、この積分値が基準値（Ｖｒ）以上になると、スイッチは図４（ｅ）に示すように１回転基準信号を選択する。

図５は、図５（ａ）に示すように破線で示す１回転基準信号が存在せず図５（ｂ）に示す１回転信号のみが存在する時の位相角基準信号発生器４の動作を示す。同図（ｃ）は、１回転基準信号が存在しないのでフリップフロップＦ６の出力がリセットされた状態を示す。

すると、パルス幅信号が存在しないので、図５（ｄ）に示すように積分回路の積分値は基準値（Ｖｒ）以上とならないので、スイッチは図５（ｅ）に示すように１回転信号を選択する。

以上説明したように、１回転基準信号が欠落すると、回転基準信号選択回路６は、自動的に１回転信号を選択し、この回転信号が振動監視・診断装置７に送信され回転機械の振動診断システムの動作が継続される。

本発明の回転機械の振動診断システムの実施例２について、図６を参照して説明する。実施例２の各部について、図１乃至図５に示す実施例１の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。

実施例２が、実施例１と異なる点は、実施例１では、複数の振動検出器３ａ乃至３ｆの１つの振動検出器３ｆのみの振動信号を波形整形して回転基準信号選択回路６に供給したが、本実施例２では、２つの振動検出器３ｄ及び３ｆの振動信号の夫々を波形整形する波形成形回路５ａ１及び５ａ２を備え、さらにこれらの１回転信号のいずれか１つを選択する振動信号選択回路８を設け、いずれかの振動信号が欠落した場合でも１回転信号を回転基準信号選択回路６に供給するようにした点にある。

したがって、１回転基準信号及び初期選択された１回転信号が欠落した場合でも、もう１つの１回転信号が正常に検出できていれば、回転機械の振動診断システムの運転が継続できる。

本発明は上述したような各実施例に何ら限定されるものでなく、全ての振動検出器のいずれか１つを選択できるように構成しても良く、また、１回転信号は回転機械の回転に同期した信号であれば代替が可能で、適宜変更することが出来る。

本発明の回転機械の振動診断システムの構成図。本発明の振動検出器の信号の波形成形回路の構成図。本発明の回転基準信号選択回路の構成図。本発明の回転基準信号選択回路の動作を説明するタイムチャート。本発明の回転基準信号選択回路の動作を説明するタイムチャート。本発明の回転機械の振動診断システムの振動検出器信号の振動信号を選択する振動信号選択回路を備えた回転機械の振動診断システムの構成図。本発明の従来の回転機械の振動診断システムの構成図。

符号の説明

１タービン発電機
２（２ａ、２ｂ、２ｃ）タービン
３（３ａ乃至３ｆ）振動検出器
４位相角基準信号発生器
５（５ａ１、５ａ２）波形成形回路
５ａハイパスフィルター
５ｂ波形成形レベル変換回路
５ｃハイパスフィルター
５ｄ半波整流回路
６回転基準信号選択回路
６ａ位相差パルス幅変換回路
６ｂ位相角基準信号判定回路
６ｃ１回転信号切替スイッチ
７振動監視・診断装置
８振動信号選択回路

Claims

回転機械の運転に伴う振動を検出してこれを表す振動信号を生成する振動検出手段と、
前記回転機械の１回転を検出してこれを表す１回転基準信号を生成する位相角基準信号発生手段と、
前記振動検出手段の振動信号を所定の信号に波形整形し、前記回転機械の１回転信号を生成する波形整形手段と、
前記１回転基準信号の有無を判定し、該１回転基準信号が無いと判定された時に前記波形成形手段から送出される前記１回転信号に切替える回転基準信号選択回路と、
前記振動検出手段の振動信号と前記回転基準信号選択回路で選択された前記１回転基準信号または前記１回転信号とから前記回転機械の振動の異常を監視・診断する振動監視・診断装置と
を備えることを特徴とする回転機械の振動診断システム。
前記回転基準信号選択回路は、前記１回転基準信号と前記振動信号から波形成形された前記１回転信号との位相差を、前記１回転基準信号を基点とするパルス幅信号に変換する位相差パルス幅変換回路と、
前記パルス幅信号の有無を判定し、前記１回転基準信号の有無を判定する位相角基準信号判定回路と、
前記１回転基準信号が存在する場合には該１回転基準信号に、そうでない場合には、前記１回転信号に切替える１回転信号切替スイッチと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の回転機械の振動診断システム。
複数の前記振動検出手段の出力のいずれか１つを選択する振動信号選択回路を備え、該振動信号選択回路で選択された前記１回転信号と前記位相角基準信号とを前記回転基準信号選択回路で選択するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の回転機械の振動診断システム。