(57)【要約】【課題】電動バルブアクチュエータの回転部品の異常を、モータ電流により診断することを課題とする。【解決手段】電動バルブアクチュエータ１によりバルブ４を駆動し、前記バルブ４の中間開度領域におけるモータ電流を検出し、前記モータ電流に含まれる周波数成分を解析し、回転部品の異常を診断する。また、周波数成分の中から前記回転部品に起因する特定周波数を抽出し、正常時のスペクトルと比較することにより、回転部品の異常を診断し、課題を解決する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動バルブアクチュエータによりバルブを駆動し、前記バルブの中間開度領域におけるモータ電流を検出し、前記モータ電流に含まれる周波数成分を解析し、回転部品の異常を診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断方法。
【請求項２】
前記周波数成分の中から前記回転部品に起因する特定周波数を抽出し、正常時のスペクトルと比較することを特徴とする請求項１記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法。
【請求項３】
所定期間が経過するごとに、前記回転部品の異常を診断することを特徴とする請求項１または２記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法。
【請求項４】
電動バルブアクチュエータのモータ電流を検出する電流センサと、前記電流センサの出力の周波数帯域を制限するフィルタと、前記フィルタの出力を変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力をフーリエ変換する周波数解析部と、前記周波数解析部で解析された結果を記憶する記憶部とを有し、回転部品の異常を診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火力発電所や石油化学工場等の各種プラントに使用される電動バルブアクチュエータの異常診断方法および異常診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所や石油化学工場等のプラントでは、配管内を流れる水や蒸気など流体の流れを制御するため、数多くの電動バルブアクチュエータ（以下、単にバルブアクチュエータともいう。）が使用される。このようなバルブアクチュエータは、いったん設置されると数十年間にわたって使用されるものも少なくない。調整弁用途などの例外はあるものの、多くの弁では開閉動作の頻度は少なく、数年間使用しただけでバルブアクチュエータを更新することはないからである。
【０００３】
しかしながら、バルブアクチュエータを長期間にわたって使用する場合、定期的に劣化程度や異常の有無を診断して健全性を確保する必要がある。このような事情から、バルブアクチュエータの異常診断方法について種々の提案がなされている。
【０００４】
バルブアクチュエータの異常診断に当たって、もっとも有益な情報の一つは、バルブアクチュエータの負荷情報である。バルブアクチュエータの異常事象の多くは、負荷情報の変動として現れることから、負荷情報としての一つとしてトルク情報を検出しているものが多い。たとえば、バルブアクチュエータにトルクセンサを恒久的に取り付け、そのトルクセンサの出力を定期的に監視・記録してバルブアクチュエータの劣化や異常を診断しているものがある（特許文献１参照）。
【０００５】
また、トルクセンサを取り付けることなく、モータの電圧値と電流値から負荷情報を算出し、トルク情報に替える異常診断方法が提案されている（特許文献２参照）。負荷情報は有効電力に関係するものであるから、モータの電圧値と電流値から算出した負荷情報に基づいて診断する方法である。
【０００６】
さらに、バルブアクチュエータの適所に加速度センサを取り付け、その加速度センサの出力に基づいて振動波形の周波数解析を行い、バルブアクチュエータや弁体の異常を検出しているものがある（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１３０５３１号公報
【特許文献２】特開２００６−８３９２８号公報
【特許文献３】特開２００２−１７４５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術、たとえば特許文献１の異常診断方法においては、バルブアクチュエータの異常診断を実施する場合、バルブアクチュエータに恒久的なトルクセンサが取り付けられていなければならない。しかし、現実には恒久的なトルクセンサが取り付けられているバルブアクチュエータは少ない。そこで、恒久的なトルクセンサが取り付けられていない既設のバルブアクチュエータの異常診断を行う場合、一時的にトルクセンサを取り付ける必要がある。その場合にはトルクセンサをバルブアクチュエータに取り付けるための改造が必要となる問題がある。
【０００９】
また、特許文献２の異常診断方法においては、トルクセンサを必要としないが、モータの電流値と電圧値の双方を測定する必要がある。モータへの供給電圧は多くの場合、２００Ｖ以上であり、高電圧の測定には感電や短絡事故が生じる危険性がある。
【００１０】
また、特許文献３のように振動センサをバルブアクチュエータに一時的に取り付ける場合、機械振動を広い周波数帯域において減衰させずに測定するためには、振動センサを測定対象に対して機械的に強固に取り付ける必要がある。しかし、既設のバルブアクチュエータにおいては、塗膜や錆、塵埃等の存在により、振動センサを強固に取り付けるのはけっして容易でない。特に、高所や狭隘なスペースに設置されたバルブアクチュエータの場合、作業性も悪く、振動センサをバルブアクチュエータの適所に確実に取り付けるのは難しいという問題がある。
【００１１】
上述した従来技術のうち、特許文献１や特許文献２に開示された異常診断方法では、センサの出力情報を時間領域において観察している。バルブアクチュエータはバルブを開閉動作するための装置であり、バルブの開閉動作に伴うトルク情報等は時間軸に沿って大きく変化することから、異常診断に当たってトルク情報等を時間領域で観察することは有益な方法と言える。
【００１２】
しかし、トルク情報等について時間領域で観察するだけでは、バルブアクチュエータに使用されている歯車や軸受等の回転部品の劣化や異常を診断するには不十分である。したがって、特許文献１や特許文献２に開示された診断方法では、回転部品の劣化や異常を診断するのは困難であった。回転部品の劣化や異常を診断するためには周波数領域における観察が有益である。
【００１３】
一方、特許文献３に開示された発明は、振動波形について周波数解析を行って振動波形を周波数領域で観察するものであり、回転部品の劣化や異常を診断するのには適している。ただし、上述したように振動センサをバルブアクチュエータの適所に確実に取り付けることについては困難な問題がある。
【００１４】
本発明は上述した事情に照らし、バルブアクチュエータの回転部品の劣化や異常をモータ電流により検出して診断することを課題とする。具体的には、バルブアクチュエータの回転部品である軸受等の劣化や異常をモータ電流により診断することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１の発明は、電動バルブアクチュエータによりバルブを駆動し、前記バルブの中間開度領域におけるモータ電流を検出し、前記モータ電流に含まれる周波数成分を解析し、回転部品の異常を診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断方法である。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法において、前記周波数成分の中から前記回転部品に起因する特定周波数を抽出し、正常時のスペクトルと比較することを特徴とするものである。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の電動バルブアクチュエータの異常診断方法において、所定期間が経過するごとに、前記回転部品の異常を診断することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項４の発明は、電動バルブアクチュエータのモータ電流を検出する電流センサと、前記電流センサの出力の周波数帯域を制限するフィルタと、前記フィルタの出力を変換するＡ／Ｄ変換器と、前記Ａ／Ｄ変換器の出力をフーリエ変換する周波数解析部と、前記周波数解析部で解析された結果を記憶する記憶部とを有し、回転部品の異常を診断することを特徴とする電動バルブアクチュエータの異常診断装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、モータ電流を検出するだけで回転部品の異常診断を行うことができるので、恒久的または一時的にもバルブアクチュエータにトルクセンサを取り付ける必要がない。したがって、トルクセンサが取り付けられていない既設のバルブアクチュエータであっても容易に異常診断を行うことができる。また、振動センサをバルブアクチュエータに取り付ける必要もない。さらに、モータ電流は非接触で検出可能であり、感電や短絡事故が生じる可能性のあるモータ電圧を測定する必要がないため、異常診断作業に際して高い安全性を確保できる。また、モータ電流の検出はモータに電力を供給する電源ケーブルをクランプメータのクランプで挟むだけでよいので短時間で作業が完了する。これら本発明の有利な効果は、特に原子力発電所に設置されたバルブアクチュエータの異常診断に際して顕著な効果を奏する。すなわち、モータ電流の検出はバルブアクチュエータの設置場所から離れた位置からも可能であり、作業者の被爆量低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の概略構成を示すブロック図である。
【図２】電動バルブアクチュエータのモータ電流の一例を示す波形図である。
【図３】正常状態でのモータ電流をフーリエ変換したスペクトル図である。
【図４】劣化が進行した状態でのモータ電流をフーリエ変換したスペクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すバルブアクチュエータ１は従来から広く用いられているものであり、その主要部は、モータ２と、このモータ２の回転を減速する減速歯車列を内蔵したバルブアクチュエータ本体３とで構成されている。図示していないが、減速歯車列は一対のウォーム歯車のみから構成されるものと、ウォーム歯車の前段においてモータ軸の回転を減速するヘリカルギアを加えて構成されるものがある。
【００２２】
モータ２は、その軸がバルブ４のステム５と直交する姿勢でバルブアクチュエータ本体３の側面に取り付けられている。多くの場合、モータ２には耐久性など信頼性に優れる三相誘導モータが用いられる。
【００２３】
モータ２への電力供給は、商用交流電源６から電源ケーブル７によって供給される。モータ電流は、この電源ケーブル７の一本を電流センサ８としてのクランプメータのクランプで挟むことにより、非接触で容易に検出することができる。クランプメータは市販されている汎用品で足りるが、出力端子付きのものを用いる。
【００２４】
フィルタ９は、クランプメータで検出された電流信号に含まれる不必要な高周波成分をカットするとともに、サンプリング時に発生する可能性のあるエイリアシング誤差を防止するためのもので、ローパスフィルタが用いられる。本実施例では、カットオフ周波数約３９０Ｈｚのローパスフィルタを通してＡ／Ｄ変換器に接続し、１ｍｓでサンプリングを行っている。
【００２５】
Ａ／Ｄ変換器10は、アナログ信号をデジタル信号に変換するもので周知技術に属する。具体的には周波数解析手段であるアナライザに標準装備されているもので足りる。
【００２６】
周波数解析部11は、デジタルデータとしての電流信号を高速フーリエ変換(FFT：Fast Fourier Transform)し、周波数スペクトルとしてのデータを得るものである。
【００２７】
記憶部12は、ＦＦＴにより得られた周波数スペクトルのデータを、データ取得日時を付して記憶するもので不揮発性メモリが用いられる。
【００２８】
特定周波数抽出部13は、回転部品に劣化や異常が生じると回転に伴って特定の周波数スペクトルが大きくなることに着目したもので、回転部品の部材緒元に基づいて算出することができる。たとえば、ころがり軸受についての特定周波数は以下のようにして求めることができる。
【００２９】
表１は、ころがり軸受の内輪、外輪、転動体の転走面の各１箇所にスポット傷が存在する場合の特定周波数の算出式を示したものである。ここで、fiは内輪に傷がある場合の特定周波数(Hz)、foは外輪に傷がある場合の特定周波数(Hz)、fbは転動体に傷がある場合の特定周波数(Hz)である。また、frは内輪(軸)の回転周波数(Hz)、Ｄは軸受のピッチ円直径(mm)、ｄは転動体の直径(mm)、αは接触角(度)、ｚは転動体の数を示している。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
異常の有無の判断は、特定周波数におけるスペクトルの大きさで評価する。特定周波数のスペクトルが認められないか、認められても他の周波数スペクトルの大きさと較べて多少大きい程度であれば正常と判断する。一方、特定周波数のスペクトルが認められ、かつ他の周波数スペクトルと較べて明らかに大きい場合には異常と判断する。
【００３２】
特定周波数のスペクトルの大きさの判断を行うに当たっては、経時的なデータを較べるのが有効である。たとえば、２年ごとに異常診断を行い、記憶部に記憶されている前回（２年前）、前々回（４年前）のデータと比較して特定周波数のスペクトルの大きさの経時的な観察を行うことが有効である。
【００３３】
つぎに、本発明による異常診断結果を具体例に基づいて説明する。図２は、供試バルブとしての玉型弁を閉動作した際に得られるモータ電流の生データの一例である。縦軸は電流値を、横軸は時間を表している。バルブアクチュエータは、ハンマーブロー機構を標準的に備えていることから、ハンマーブロー発生時(t1)までは略無負荷に近い電流値となる。
【００３４】
ハンマーブローが生じると電流値は若干増加するが、きわめて低い電流値のまま推移する。つぎにハンマーブロー機構による動作が終了し、ステムが閉方向に移動開始(t2)するとモータ電流は急激に増加する。もっとも、モータ電流は急激に増加するものの、次第に安定した状態(t3)に落ち着く。
【００３５】
この安定した状態での電流値は、弁体がトルクシートする時の電流値に較べれば、けっして大きな電流値ではない。モータの負荷としては軽負荷状態にすぎないことから、モータ回転数やモータ電流値は安定している。この領域は中間開度領域と呼称される。
【００３６】
ここで、中間開度領域全体としての電流値は安定しているものの、時間軸を短時間に区切って観察すると、電流値は激しく変動しており、図２に示す時間領域のデータからは回転部品の異常に関し、有意な情報を得ることはできない。従来、バルブアクチュエータの各種診断において、電流情報だけでは何ら診断に役立たないと考えられてきた理由である。しかし、本発明の発明者は、一見したところ有意な情報は得られないと考えられていた電流信号からも、適切なフィルタ処理をすることにより、回転部品の異常診断について有意な情報が含まれているとの知見を得るに至った。
【００３７】
図３は、本発明による電流信号のＦＦＴ解析結果を示すものであり、バルブアクチュエータの回転部品に異常がない新品時の状態で得られたデータである。周波数が５０Ｈｚと１００ＨＺの２箇所にピークが認められる。電源周波数が５０Ｈｚであることから、これら２つのピークは、回転部品の異常とは無関係のスペクトルとして扱うことができる。また、前記２箇所のピーク以外に顕著なスペクトルは認められないことから、回転部品に異常はないと判断することができる。
【００３８】
図４は、実際のプラントに取り付けられ、１０年以上稼働したバルブアクチュエータについて、内蔵されたウォーム軸を支持する軸受転動体の１箇所に損傷が認められた事例のＦＦＴ解析結果を示すデータである。周波数５０Ｈｚと１００ＨＺの２箇所にピークが認められる点については、図３に示す新品時のデータと同じであり、これら２箇所のピークは回転部品の異常とは無関係のスペクトルとして扱うことができる。
【００３９】
図３と図４を比較すると、図３では顕著でなかった１１０Ｈｚのスペクトルが図４において認められることである。そこで、１１０Ｈｚのスペクトルについて考察する。この事例における軸受諸元に関し、内輪(軸)の回転周波数ｆｒは０．９７Ｈｚ、軸受のピッチ円直径Ｄは８１ｍｍ、転動体の直径ｄは８．５ｍｍ、接触角αは１７度、転動体の数ｚは２４である。この軸受諸元の数値から転動体に傷がある場合の特定周波数ｆｂを表１に示した計算式から算出すると約１１０Ｈｚとなる。図４において認められたスペクトルのピーク１１０Ｈｚは、転動体に傷があることに起因するものと判断できる。
【００４０】
この事例で示したように、本発明によればバルブの中間開度領域におけるモータ電流を検出し、前記モータ電流に含まれる周波数成分を解析して回転部品の異常を診断することができる。
【００４１】
なお、内輪や外輪に傷がある場合の特定周波数は、転動体に傷がある場合の特定周波数に較べると１桁近く低いため、本発明による異常診断方法では検出に至らなかった。
【００４２】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、種々の実施形態で適用することができる。例えば、上述した実施例では、供試バルブとして玉型弁を使用し、閉動作した場合の実施形態について説明したが、開動作する場合にも適用できる。また、供試バルブは玉型弁に限定されるものではなく、仕切弁など他の形式のバルブにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る異常診断方法および異常診断装置は、各種プラントの配管等に設置された電動バルブアクチュエータの回転部品の劣化や異常診断に利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  電動バルブアクチュエータ（バルブアクチュエータ）
２  モータ
４  バルブ
８  電流センサ（クランプメータ）
９  フィルタ
10  Ａ／Ｄ変換器
11  周波数解析部（周波数解析手段、アナライザ）
12  記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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