(57)【要約】【課題】起動停止を頻繁に繰り返す機械装置の運転状態を把握するための運転状態管理システムを提供すること。【解決手段】機械装置２に設けたセンサ３，４の検出結果をデータサーバ５に記録する検出手段６と、データサーバ５から所定の時間間隔で状態値をサンプリングし、該状態値を検出時間及び管理値と関連付けたサンプリングデータとして収集するサンプリング手段７と、所定の抽出基準に従って、サンプリングデータから所定の時間列に含まれる状態値及び管理値を抽出するデータ抽出手段９と、データ抽出手段９の抽出結果を蓄積して状態値と管理値との関係を示す状態判別式を作成する判別式作成手段１０とを備えている。【選択図】　図１
2004102958.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
起動停止を頻繁に繰り返す機械装置の運転状態を管理するための指標となる状態値及び該状態値に影響を及ぼす運転条件の指標となる管理値を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出した状態値及び管理値を所定の時間間隔でサンプリングし、該状態値及び管理値が検出された時間と関連付けたサンプリングデータとして記録するサンプリング手段と、
前記状態値の経時的な特性に基づいて予め設定された抽出基準に従って、前記サンプリングデータから所定の時間列に含まれる状態値及び管理値を抽出するデータ抽出手段と、
前記データ抽出手段の抽出結果を蓄積して前記状態値と前記管理値との関係を示す状態判別式を作成する判別式作成手段とを備えた機械装置の運転状態管理システム。
【請求項２】
前記抽出基準が、前記状態値の時定数に基づいて設定されている請求項１に記載の機械装置の運転状態管理システム。
【請求項３】
前記機械装置が、揚水発電ユニット、ガスタービン発電ユニット、自家発電ユニットのいずれかである請求項１又は２に記載の機械装置の運転状態管理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置の運転状態を管理する運転状態管理システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の機械装置の運転状態管理システムの多くは、機械装置の運転中の状態値（温度、圧力、振動など）をセンサでもって検出し、当該検出結果の中から定常出力状態（出力がほぼ一定である状態）における状態値の最大値、最小値、極値又は平均値などを抽出して、該抽出結果の推移傾向によって機械装置の運転状態を管理していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１６７００８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のシステムは、定常出力状態を長期間継続する機械装置（電力分野における具体例としては、原子力発電ユニット、火力発電ユニット、水力発電ユニットなどが挙げられる。）の管理には適している反面、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置の管理には適していないという問題があった。
【０００５】
ここで、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置とは、頻繁に起動停止するために、運転期間及び運転停止から次回の起動までの期間が不均一で、起動時の状態が運転毎に異なっていたり、起動から定常出力状態に至る期間が不均一であったり、或いは定常出力状態に至る前に停止したりすることがある機械をいい、電力分野では、揚水発電ユニット、ガスタービン発電ユニット、自家発電ユニットなどが具体例として挙げられる。
【０００６】
例えば揚水発電ユニットの場合、電力需要が多い時間帯には、電力需要の増加に伴って高所貯水池から低所貯水池への放水により起動して発電運転を行ない、電力需要の減少に伴って運転停止することを繰り返す。一方、電力需要が少ない時間帯には、他の発電手段（原子力、火力、水力など）による供給電力を利用して低所貯水池から高所貯水池への揚水運転を行ない、電力需要が増加すると運転停止することを繰り返す。
【０００７】
このように、揚水発電ユニットは、電力需要の変動によって起動停止を繰り返し出力が頻繁に変化するので、従来のシステムでは、必ずしも運転毎に所要のデータ（状態値の最大値など）を抽出できるとは限らなかった。
【０００８】
本発明はかかる課題に鑑み創案するに至ったものであって、その目的は、揚水発電ユニットなどの起動停止を頻繁に繰り返す機械装置の運転状態の管理精度を高めた運転状態管理システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る機械装置の運転状態管理システムは、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置の運転状態を管理するための指標となる状態値及び該状態値に影響を及ぼす運転条件の指標となる管理値を検出する検出手段と、前記検出手段により検出した状態値及び管理値を所定の時間間隔でサンプリングし、該状態値及び管理値が検出された時間と関連付けたサンプリングデータとして記録するサンプリング手段と、前記状態値の経時的な特性に基づいて予め設定された抽出基準に従って、前記サンプリングデータから所定の時間列に含まれる状態値及び管理値を抽出するデータ抽出手段と、前記データ抽出手段の抽出結果を蓄積して前記状態値と前記管理値との関係を示す状態判別式を作成する判別式作成手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明は上記の如く構成され、機械装置の運転中に検出した状態値を、該状態値が検出された時間及び該状態値に影響を及ぼす管理値と関連付けたサンプリングデータとして記録し、さらに前記状態値の経時的な特性に基づいて予め設定された抽出基準に従って、前記サンプリングデータから所定の時間列に含まれる状態値及び管理値を抽出すると共に、該抽出結果を蓄積して前記状態値と前記管理値との関係を示す状態判別式を作成するようになっている。すなわち、状態値を管理値と関連付けると、定常出力状態に限らず非定常出力状態の状態値であっても相対的な評価をすることが可能になるから、非定常出力状態の状態値も運転状態を把握するための指標として抽出することができ、より多くの抽出結果に基づいて状態判別式を作成することができる。したがって、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置の運転状態の管理精度を向上させることができる。
【００１１】
なお、ここでいう状態値は、温度、圧力、振動、その他機械装置の所要部位の状態を表すパラメータをいい、管理値は、回転数、出力（有効電力）及び冷却水温など、機械装置の稼動状況を表すパラメータや、気温、気圧及び湿度など、機械装置の使用雰囲気を表すパラメータであって、状態値に影響を及ぼすものをいう。
【００１２】
請求項２に係る運転状態管理システムは、前記抽出基準が、前記状態値の時定数（時間に関する定数）に基づいて設定されていることを特徴とする。ここで、前記抽出基準は、運転管理のノウハウ、設備形態、ユニットシーケンスの違い、機械装置の特性などを網羅し、かつ、機械装置の所要部位における状態値の各監視項目ごとに時間に関する定数と関連付けて設定された基準である。また、時定数は、所定の状態値又は管理値が変化して所定範囲内に収束したと認定するのに必要な最低時間や、機械装置の起動時のから所定時間経過した際のをいう。
【００１３】
請求項３に係る運転状態管理システムは、前記機械装置が、揚水発電ユニット、ガスタービン発電ユニット、自家発電ユニットのいずれかであることを特徴とする。なお、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置として、発電分野では、揚水発電ユニット、ガスタービン発電ユニット及び自家発電ユニットが挙げられるが、他の分野においても該当する機械装置があるのは言うまでもない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る機械装置の運転状態管理システム１の実施形態について説明する。なお、本実施形態では、機械装置として揚水発電ユニット２（以下、ユニット２という。）を用いて説明する。
【００１５】
本実施形態に係る運転状態管理システム１は、図１のように、各種センサ３ａ，３ｂ，…及び４ａ，４ｂ，…（以下、符号「３ａ，３ｂ，…」を「３」とし、「４ａ，４ｂ，…」を「４」とする。）並びにデータサーバ５からなる検出手段６と、サンプリング手段７、状況特定手段８、データ抽出手段９及び判別式作成手段１０としての各種コンピュータプログラムを有する端末装置１１とで構成され、発電施設１２に設置された複数機（例えば１〜６号機）のユニット２の運転状態を管理するためのものである。
【００１６】
検出手段６は、各ユニット２の所要部位に設置して運転状態を管理するための指標となる状態値を検出する第１センサ３と、状態値に影響を及ぼす管理値を検出する第２センサ４と、各センサ３，４の検出結果を記録するデータサーバ５とで構成されている。
【００１７】
第１センサ３としては、例えば、温度センサ３ａ、軸振れセンサ３ｂ、振動センサ３ｃ及び水圧脈動センサ３ｄを挙げることができる。温度センサ３ａは、ＳＭ固定子、上部軸受部、エアクーラー入口部、固定子、エアクーラー出口部、下部軸受部、スラスト軸受部、水車軸受部、主軸封水及びランナシールなどの所要部位の温度［℃］を検出する。同様に、軸振れセンサ３ｂは、上部軸、下部軸及び水車軸などの軸振れ［１／１００ｍｍ］、振動センサ３ｃは、下部ブラケット及び上カバーの振動［ｍ／ｓ２］、並びに水圧脈動センサ３ｄは、ランナ背圧脈動及びプライミング水圧脈動［ｍ］を検出する。なお、各所要部位に設置する第１センサ３の個数は、１つに限らず複数であってもよく、例えば、図示外の軸受部の温度を検出する場合、４つの温度センサ３ａを軸受部の四方（前後左右）に取付ける。また、ここで挙げた第１センサ３の種類及び検出項目は、一例であって、これらに限るものではなく、適宜変更してもよい。
【００１８】
第２センサ４としては、例えば、回転計４ａ、ＧＶ開度計４ｂ、電力計４ｃ及び水温計４ｄを挙げることができ、ユニット２の回転数［ｒｐｍ］、ＧＶ開度［％］、有効電力（出力）［ＭＷ］及び冷却水温［℃］などの管理値を検出する。ここで、ＧＶ（ガイドベーン）は、ユニット２に導入する水を整流加速させると共に流量を調整する、いわゆる水口である。
【００１９】
データサーバ５は、地上管理棟に設置され、各センサ３，４と信号線を介して接続してある。そして、本システム１を起動すると、各センサ３，４が検出した状態値及び管理値を、検出時間と関連付けて微小時間間隔で記録するようになっている。検出時間は、データサーバ５の内蔵時計に基づいて記録する。微小時間間隔は、後述する端末装置１１のサンプリング時間間隔（例えば１０秒間隔）よりも短い間隔であり、例えば０．１秒、０．５秒、１秒、２秒などの間隔で適宜変更可能になっている。
【００２０】
端末装置１１は、データサーバ５と信号線を介して接続されており、データサーバ５に記録された状態値及び管理値を所定の時間間隔（例えば、１０秒間隔）でサンプリングし、その検出時間と関連付けたサンプリングデータ（表１参照）として収集するサンプリング手段７と、前記サンプリングデータに基づいてユニット２の所定の運転状況を特定する状況特定手段８と、前記状態値の経時的な特性に基づいて予め設定された抽出基準に従って、前記サンプリングデータから所定の時間列のデータを抽出するデータ抽出手段９と、データ抽出手段９の抽出結果を蓄積して前記状態値と前記管理値との関係を示す状態判別式を作成する判別式作成手段１０とを有する。
【００２１】
サンプリング手段７は、データサーバ５に記録された状態値及び管理値を所定の時間間隔でサンプリングするコンピュータプログラムで、当該記録結果を出力すると、下記の表１及び表２のようなサンプリングデータが得られる。
【００２２】
【表１】
2004102958.tif 000003
別紙参照
【００２３】
【表２】
2004102958.tif 000004
別紙参照
【００２４】
表１及び表２は、揚水運転及び発電運転におけるユニット２の起動前後のサンプリングデータであって、ユニット１０の各種軸受部の温度のみを抜粋したものであり、実際には、軸受部以外の温度や、軸振れセンサ３ｂ、振動センサ３ｃ、水圧脈動センサ３ｄの検出結果についても記録されている。
【００２５】
また、表１及び表２において、「時間」に関連する項目として、状態値及び管理値の検出時刻のほか、本システム１の起動開始からの経過時間であるシステム起動時間及びユニット２の起動開始からの経過時間であるユニット起動時間がある。検出時刻及びシステム起動時間は、データサーバ５及び端末装置１１の内蔵時計に基づいて記録する。一方、ユニット起動時間については、状況特定手段８の検索結果に基づいて定められる。なお、単に検出時間というときは、これら時間に関連する項目のうちユニット起動時間をいうものとする。
【００２６】
状況特定手段８は、前記サンプリングデータ中の所定の管理値の経時変化に基づいてユニット２の所定の運転状況及び該運転状況に至った時点を特定するコンピュータプログラムである。具体的には、上記表１及び表２並びに下記表３及び表４のように、起動時点、ユニット２の運転方向、交流しゃ断器の並列時点及び解列時点、運転停止時点を特定する。また、揚水運転の場合には、ＧＶ開始め時点及びＧＶ適正開度に至った時点も特定する。ここで、交流しゃ断器は、通常状態における電路の開閉あるいは、事故時の電路しゃ断を容易に行う機器である。
【００２７】
【表３】
2004102958.tif 000005
【００２８】
【表４】
2004102958.tif 000006
【００２９】
例えば、起動時点及び運転停止時点は、回転数がゼロから上昇し始める時点及びゼロに収束する時点であるから、回転数の経時変化に基づいて特定することができる（表１、表２、表４参照）。運転方向は、起動時点から所定期間内で、かつ、有効電力が所定値以下である場合において、ＧＶ開度が所定値以上であれば発電運転、所定値以下であれば揚水運転と判別する（表１、表２参照）。並列時点は、発電運転の場合（表２参照）、ＧＶ開度が所定値以上であるときの有効電力の経時変化、揚水運転の場合（表３参照）、ＧＶ開度が所定値以下であるときの有効電力の経時変化に基づいて特定される。解列時点は、並列中にＧＶ開度及び有効電力が所定値以下となる時点である。ＧＶ開始め時点及びＧＶ適正開度時点は、ＧＶ開度がゼロから上昇し始める時点及びＧＶ開度が適正値に収束し始める時点であるから、それぞれＧＶ開度の経時変化に基づいて特定することができる（表３参照）。
【００３０】
データ抽出手段９は、所定の抽出基準に基づいて、前記サンプリングデータの中からユニット２の運転状態を把握するために必要な所定の時間列に含まれる状態値及び管理値を抽出するコンピュータプログラムである。具体的には、軸受温度安定時の最高温度や出力帯別軸受最高温度、軸振れ、振動及び水圧脈動の出力帯別データを抽出することなどが挙げられる。
【００３１】
軸受温度安定時の最高温度を抽出する場合、起動時点より所定時間（例えば、３分（時定数））前の軸受温度（以下、起動前温度という。）を抽出し、当該起動前温度が起動時点から軸受温度検索設定時間（例えば、３０秒，２分（時定数））が経過したときの温度よりも高い場合は、起動後、前記軸受温度検索設定時間が経過した時点から解列時点までの間の最高温度と当該最高温度を含む時間列の冷却水温を抽出する。一方、起動前温度が前記軸受温度検索設定時間が経過したときの温度よりも低い場合は、起動後所定時間（例えば、２５分（時定数））経過した時点から解列時点までの最高温度と当該最高温度を含む時間列の冷却水温を抽出する。このような場合分けを行なうことにより、前回の運転を停止してから十分な時間が経過した状態で再起動したときに得られたデータと、十分な時間が経過する前に再起動したときに得られたデータとを比較することができるようになる。
【００３２】
また、出力帯別軸受最高温度を抽出する場合、有効電力が所定の出力帯域（例えば、１２０ＭＷ以下、２１０ＭＷ〜２５０ＭＷ、３００ＭＷ以上など）にある状態で、かつ、有効電力の変化量（最大最小格差）が所定値（例えば１０ＭＷ）以下である状態が所定期間（例えば、１５分（時定数））以上継続したときの最高温度及び冷却水温を抽出する。
【００３３】
上記の軸受最高温度に関する抽出結果の一例（一部抜粋）を下記の表５に示す。なお、表５において、「−」は、所定の抽出基準に該当するデータがなく、所定のサンプリングデータを抽出できなかったことを示している（以下、同じ）。
【００３４】
【表５】
2004102958.tif 000007
別紙参照
【００３５】
また、軸振れの出力帯別データを抽出する場合は、例えば起動から所定時間（時定数）経過した後、有効電力が基準値（例えば、１０５ＭＷ、１４５ＭＷ、１８５ＭＷなど）を含む所定の範囲（例えば、前記基準値±１０ＭＷ）内に所定期間（例えば、５０秒間，１００秒間（時定数））留まっている場合におけるＸ方向及びＹ方向の平均位置並びにその時の基準値を抽出する。振動及び水圧脈動の出力帯別データについては、軸振れと同様の抽出基準となり、Ｘ方向及びＹ方向の平均位置を水平方向及び鉛直方向の平均振幅又は水圧脈動の値に置き換える。
【００３６】
上記の軸振れ及び振動に関する抽出結果の一例（一部抜粋）を下記の表６に示す。なお、表６では、便宜上、水圧脈動のデータを示していない。
【００３７】
【表６】
2004102958.tif 000008
別紙参照
【００３８】
また、データ抽出手段９は、上記の軸受温度安定時の最高温度などのほか、例えば、所定の運転状況における運転状態を把握するための指標として、軸受温度、軸振れ、振動及び水圧脈動などの状態値を抽出するようにしてもよい。具体的には、状況特定手段８が特定した上記の各運転状況に至った時点（起動時点、並列時点、解列時点、ＧＶ開始め時点及びＧＶ適正開度時点）の状態値又は所定の時点を起点としてその所定時間前又は所定時間経過後の状態値、或いはその前後所定期間内おける所定の状態値の平均値を抽出することなどが考えられる。
【００３９】
判別式作成手段１０は、データ抽出手段９の抽出結果に基づいて、状態値と管理値との相関係数及び標準偏差を求め、状態値と運転条件との関係を表す状態判別式を作成する手段である。さらに、データ抽出手段９で抽出した状態値の経時変化も求めるようにしてもよい。例えば、図２〜図５は、上記の表５及び表６の元になった抽出結果（便宜上、表として示していない。）に基づいて作成した状態判別式を示している。各図中、丸印、三角印、四角印などで示した点は、毎回の運転で抽出された状態値及び管理値により定められる点であり、それらの点の近似直線（近似曲線）が状態判別式となる。なお、図２〜図５において、大きな丸印などの適当な目印を付した点は、最新の運転で得られ新しく追加された点であり、過去に記録された点と区別できるようになっている。
【００４０】
本発明の運転状態管理システム１は前述の如く構成され、ユニット２の所要部位に設置したセンサ３，４の検出結果をデータサーバ５に保存し、データサーバ５から所定の時間間隔で状態値及び管理値をサンプリングすると共に該状態値及び管理値の検出時間と関連付けたサンプリングデータとして記録し、前記サンプリングデータから所定の抽出基準に該当する状態値及び管理値を抽出蓄積して状態値及び管理値の関係を表す状態判別式を自動作成するようになっている。このように状態値を管理値と関連付けることにより異なる運転条件下で検出された状態値であっても相対的に評価することができるので、サンプリングデータの中からより多くの状態値を抽出することができるようになり、該抽出結果に基づいて精度のよい状態判別式を導出することができる。さらに、毎回の運転でデータ抽出手段９の抽出結果が得られると、運転毎にユニット２の状態良否判定を行なうことができ、ユニット２の異常を早期に検出することができ、損傷の拡大を防止できるようになる。
【００４１】
なお、ユニット２の異常検出については、図２〜図５のように最新のデータ（大きな丸印付きの点）と状態判別式を表すグラフに基づいてシステム管理者が判断してもよいし、所定のアルゴリズムを組み込んで自動検出するようにしてもよい。いずれの場合であっても、状態判別式を基準として所定の許容範囲（許容誤差）を適宜設定するのであるが、本発明によれば、当該許容範囲を最小限に抑えることができる。具体的には、従来のシステムと比較して、前記許容範囲を数分の１から数十分の１に縮めることが可能になる。
【００４２】
また、ユニット２に異常が発生した場合には、サンプリングデータに基づいて異常発生時期や異常発生箇所の特定、要因分析、異常状態の継続性判断、処置の緊急性判断などを容易に行えるようになる。
【００４３】
また、従来の手法では、データ解析の精度が低かったので、その解析結果をユニットの設備改修調整計画に反映させても、ユニットの設備改修は年数回程度の割合で定期的に実施するというのが限度であったが、本システム１を適用すると、ユニット２の運転状態を詳細に把握することができるので、ユニット２の設備改修時期の予測が可能になり、ユニット２の設備改修を必要な時にだけ実施でき、経済的になる。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば前記実施形態ではデータサーバ５を採用したが、データサーバ５を省略してセンサ３ａ，３ｂ，…から直接端末装置１１に状態値を伝送するようにしてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態では、状態値として軸受温度、軸振れ、振動、水圧脈動を挙げて説明したが、その他、軸芯位置や軸受部の油面圧力など、種々の部位の状態量変化について検出し、状態判別式を作成するようにしてもよい。
【００４６】
また、本発明は、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置に限らず、起動停止をあまり繰り返さない機械装置など、種々の機械装置の運転状態を管理することに適用可能である。具体的には、一般的な水力発電ユニット、火力発電ユニット、原子力発電ユニットなど、起動停止を頻繁に繰り返さずに主として定常出力状態で長期間運転する機械装置にも適用可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の上記構成によれば、機械装置の所要部位の状態値を検出すると共に、該状態値を検出時間及び該状態値に影響を及ぼす管理値と関連付けたサンプリングデータとして記録し、前記状態値の経時的な特性に基づいて予め設定された抽出基準に従って、前記サンプリングデータから所定の時間列に含まれる状態値及び管理値を抽出するようにしたので、起動停止を頻繁に繰り返す機械装置に適用してもそのサンプリングデータから所要の状態値及び管理値を抽出する確率を高めることができる。
【００４８】
また、より多くの抽出結果に基づいて前記状態値と前記管理値との関係を示す状態判別式を作成するようにしたので、前記状態判別式の誤差を抑制することができる。
【００４９】
さらに、前記状態判別式に基づいて、機械装置の異常を早期に検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】揚水発電ユニットの運転状態管理システムの概略図である。
【図２】軸受温度安定時の最高温度と冷却水温の関係から導き出した状態判別式を示すグラフである。
【図３】出力帯別軸受温度の最高温度と冷却水温の関係から導き出した状態判別式を示すグラフである。
【図４】軸振れと有効電力の関係から導き出した状態判別式を示すグラフである。
【図５】振動と有効電力の関係から導き出した状態判別式を示すグラフである。
【符号の説明】
１　　　　運転状態管理システム
２　　　　揚水発電ユニット
３ａ　　温度センサ
３ｂ　　軸振れセンサ
３ｃ　　振動センサ
３ｄ　　水圧脈動センサ
４ａ　　回転計
４ｂ　　ＧＶ開度計
４ｃ　　電力計
４ｄ　　水温計
５　　　　データサーバ
６　　　　検出手段
７　　　　サンプリング手段
８　　　　状況特定手段
９　　　　データ抽出手段
１０　　判別式作成手段
１１　　端末装置
１２　　発電施設
【図１】
2004102958.tif 000009
【図２】
2004102958.tif 000010
【図３】
2004102958.tif 000011
【図４】
2004102958.tif 000012
【図５】
2004102958.tif 000013