JPH0310036B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は水力発電所においてランナ本体に関す
る障害を監視し、重大な事故を未然に防止するこ
とに関する。

〔発明の背景〕

発電所、特に水力発電所は建設地点の地理条件
や運転制御の集中化などにより最近、殆んど無人
化となつており、概ね、水系毎に親制御所から遠
隔集中制御されるようになつた。しかし水力発電
所の安定な運転を維持するためには、従来より実
施されているように定期的に保守員が巡視点検を
行わなければならない。この保守点検は山奥に散
在する発電所に出向いて行なうため、特に冬期の
労力は非常なものがある。この省力化を計るた
め、日常の巡視点検業務を自動化し、これに設備
の異常診断機能をも付加し、事故の未然防止をも
検出したいとの要望が極めて強い。例えば、特開
昭56−113060号、同57−102573号などはポンプの
異常を保護するものではあるが、未然防止という
観点から対策されたものではない。

更に揚水発電所に致つては原子力および大形火
力発電所のベースロードの発電に対し、その特長
である負荷即応性のよさからピークロードの発電
を行うととともに、原子力および大形火力発電所
と組合せ電力系統全体の経済運用に寄付してお
り、今後も増々、そのニーズは高まるものと考え
られる。したがつてこれらの系統からの要求に対
応するため、主機の起動停止頻度は高まりかつ調
相機能の追加により運転モードも多様化の傾向に
ある。一方、主機は経済性等から高速大容量化の
傾向にあり一旦事故障害が発生するとその修復に
膨大な修復期間と修復費用を伴うのは必然であ
り、それらの事故障害を初期に検出できる監視装
置の設置が望まれている。ここで主機に関し予想
される障害の内、最も多大な影響を及ぼすものの
１つにランナ本体の破損がある。これは前記の様
に揚水発電所は、大容量化のため超高落差とする
ことが殆んどでこれに対しランナの強度に対する
研究も成されてはいるが実際にはランナ羽根等に
亀裂、破損といつた障害が発生する恐れがあり、
この現象は初期段階で検出することが困難であ
り、ランナ羽根の破損品がケーシング等を破壊し
異常音を発生することによりやつとわかるのが実
状である。ここまでになると復旧はランナ、ケー
シング等、主機全体に渡つてしまい時間的にも経
済的にも膨大となるため、これをランナ本体の亀
裂発生の初機段階で発見し重大事故に致る以前に
防止したいという要望が一段と強くなつてきた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は従来技術の欠点を除去し水力発
電所にとつて重大事故であるランナ損傷を早期に
検出することにある。

〔発明の概要〕

本発明では初期段階の亀裂等によるランナバラ
ンスの崩れによる水車軸、水圧脈動およびランナ
上カバーの振動値を他の不具合現象による振動と
区別し、ランナ障害を早期に自動検出する装置を
計算機により実現し、重大事故の未然防止を可能
とする。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の一実施例を示す。

ランナ羽根等に亀裂が発生または発生の徴候が
見られるとランナ回転に対するバランスが崩れ、
主軸、水圧脈動および上カバーに通常とは異なる
異常振動を発生し、この異常振動を検出できずに
運転を継続するとケーシング、ランナライナ等を
損傷することとなる。

このため、早期発見には、まず主軸および上カ
バーの振動を常時監視している必要がある。

主軸振動検出に関して第１図を用いて説明す
る。第１図は主軸振動のセンサー取付け位置を示
したものである。センサは発電機軸１３と水車軸
１４のカツプリング部１２に取付けてある。カツ
プリング部１２にセンサを取付けるため支持固定
棒１５を取り付けセンサ（変位形もしくは加速形
のセンサ）１０，１１を取りつける。軸振動は図
中Ｘ，Ｙの２方向を検出すれば良く、Ｘ方向にセ
ンサ１１、Ｙ方向にセンサ１０を取りつける。

主軸振動は上記センサにより直交２方向で常時
検出する。なお水車運転時は負荷によつて、また
揚水運転時は揚程によつて正常の振動振幅が異な
るため、設定値は各々負荷、揚程の関数となる。
第２図はその設定例を示す。

ある発電所における実測値は発電方向で曲線２
０揚水側で曲線２２の関数形となる。この値は各
発電所によつて異なるが、ほぼ同じ傾向を示す。
第２図は正常時の振動振幅値を表わしているが、
これよりセンサ１０，１１で計測した値が判断値
２１，２３よりオーバーオール値で大きければ、
振幅値が異常と判定し、ランナ障害検出装置によ
つて種々の異常要因を検出して、この主軸異常振
動がランナ障害によるものであるかどうかを判断
する。その要因は他に上カバー振動、水圧脈動等
があり、これは後に述べる。尚、ここでは振動を
オーバーオール値で監視しているが、振動として
はある周波数の振動のみが大となることが多い。
つまり、ランナブレードの枚数、回転数等によつ
て決められる値の整数倍の周波数のみが振動大と
なるため、オーバーオール値で異常を早期に発見
できにくいこともある。そのためこのセンサ１
０，１１による値を周波数分析し、その結果を絶
対変位と周波数の関数で監視し、異常を検出す
る。第３図にその関係を示す。実測値３１は、ラ
ンナブレード枚数Ｎ＝５の周波数で大きな振幅を
もち、２×Ｎ（＝５）×Zr（＝６）、３×Ｎ×Zrの
周波数でも比較的大きな振幅を示す。ランナに障
害が発生した場合は、これとは異なる周波数に大
きな振幅値を示すので異常要因がランナに働いた
事がわかる。このため計算機には設定値３０の様
なカーブを記憶させておきセンサ１０，１１によ
つて測定した値を周波数分析し、これと３０とを
比較して異常を検出する。主軸振動異常を上記の
２方法で検出したら、そこからランナ障害を検出
する方法を次に示す。それを行うシステムを第４
図に示す。

第４図に本発明の監視システム構成例を示す。
本システムはプラント機器（水力発電機器）５４
よりデータ入力を行う。まず主軸の振動値５５は
変換器５１によりコンピユータ入力レベルに変換
され、計算機本体４１内部の振動データ入力部４
７によりコンピユータ内部にとりこまれる。な
お、主軸振動値５５は振動の振幅を計測する方法
や、音響を監視する方法、振動の周波数成分を計
測する方法があるが、各発電所の主機の特性に応
じた方法をとる。計算機本体４１は演算処理を行
うCPU４２、アルゴリズム等のプログラムを格
納しているシステムプログラムメモリ４３、デー
タを格納しておくデータメモリ４４、更に自動判
定結果等を印字表示するデータアウトプツトタイ
プライタ４５、振動値を入力する振動データ入力
部４７、振動の要因の判定に使用するデータの計
測値を入力するアナログ計測値入力部４８、主機
の起動・停止などプログラム起動条件を入力する
デイジタルデータ入力部４９、異常値を発見した
場合、警報データ７０を警報表示器５３に出力さ
せるためのデイジタルデータ出力部５０、これら
のデータのやりとりをCPU４２と行う計算機内
部インターフエースバス４６から成つている。ま
た、アナログ計測値はコンピユータの入力レベル
に変換しなければならずこれをアナログデータ変
換器５２によつて行う。

ここで振動の要因判定となる計測値は上カバー
振動値５６、軸受ギヤツプ値５７、軸受潤滑油油
面値５８、軸受冷却水流量５９、軸受冷却水温度
６０、落差６１、負荷６２、水圧脈動値６３、ガ
イドベーンサーボモータ差圧６４、弱点ピン切損
データ６５、給気流速６６、上カバーボルトゆる
み変換６７、ランナーシールギヤツプ温度６８の
各量である。

第５図に監視システムの計算機処理フローを示
す。計算機のプログラムは常時、図示せぬタイマ
により周期的に起動がかかる。プログラムの起動
がかかるとまず、各入力データ（５５〜６９）の
入力を行い(A)、第４図のデータメモリ４４へ保存
する(B)。この時点ではデータ入力及び、データの
メモリへの格納処理だけである。次に主軸振動値
５５をメモリより取り出し、第２図、第３図のア
ルゴリズムに従い、振動値５５が許容値を逸脱し
たかの判定を行う(C)。この値５５が許容値以内な
ら主機の動作に異常はないと判断し、プログラム
処理を終了する。一方、(C)の判定において振動値
５５が許容値を逸脱した場合は異常判定ルーチン
としてＤ〜Ｆの処理を行う。まず、主機の動作に
異常があつたことを通知するため警報出力を行う
(D)。警報データ７０はデイジタル出力部５０を介
して警報表示器５３に表示される。計算機は次に
振動値異常の原因は主機のどこの不具合かを発見
するため、それまで記憶していたアナログ計測値
（５６〜６８）を用いて原因の解析を行う(E)。こ
の処理Ｅにより振動原因が解明されるため、それ
をデータアウトプツトタイプライタ４５によりタ
イプアウト表示する(F)。これにより従来、振動値
が異常となつても原因の追求に時間がかかつた
り、不可能となつていたことがなくなり、点検及
び調査の時間ははるかに短くなる。また、発電所
が無人となつている場合は警報表示器５３、デー
タアウトプツトタイプライタ４５を遠方制御所に
設置すればよい。

この第５図の処理中、異常処理ルーチンである
Ｄ〜ＦはＡ〜Ｃに比べはるかにCPUの負担（演
算処理時間が長くなる）となる。この様子を第６
図を用いて示す。第６図はCPU４２の演算処理
の時間的変化を振動値正常時と振動値異常時とに
分けて示した図である。第６図において横軸は経
過時間ｔを示し、Ｔは図示せぬハードタイマによ
りプログラムの起動がかかる時間周期を示してい
る。まず正常時においては第６図の各入力データ
の入力Ａ、入力データの保存Ｂ、振動値判定Ｃの
処理を行い（の区間）、その後計算機はアイド
ル時間へ移行する。つまり、振動値が許容値以
内の場合、CPUは殆んどアイドル区間にあり、
それほど高速なCPUを必要としない。次に振動
値異常時の場合は前述したと同様の処理を行う
区間の後に警報出力Ｄ、振動原因判定ルーチン
Ｅ、データタイプアウトＦの処理を行う区間を
行う必要がある。この円間はCPUにとつて大き
な負荷となる複雑な処理が存在するため処理時間
がかかる。しかしこのの処理は正常時は動作し
ない。正常時において従来の方法では毎回の演算
処理区間でも行つていたが、この方法ではを
行う必要はないため、CPUの負荷ははるかに軽
いものとなる。もしの処理が長くなる場合は、
異常時のみ周期Ｔの時間を延ばしてもシステム全
体の応答性にさほど影響は出ない。

第７図に第５図の振動原因判定ルーチンＥのア
ルゴリズムを示す。主軸振動異常１０１が示され
ると本アルゴリズムの起動がかかる。主軸振動異
常は第７図中の四角で囲まれた要因全てにより起
こる大きくわけると上カバーの振動によるものと
そうでないものとがある。そのため上カバー振動
値も異常値を示しているかという判定１０２を行
う。上カバー振動値異常がない場合は２０１〜２
０４の原因が考えられるため１０３〜１０５の判
定処理を行う。まず軸受ギヤツプの固定部異常２
０１が発生しているかの判定は軸受ギヤツプに取
り付けられているギヤツプセンサにより、ギヤツ
プ値の測定を行い規定許容値を越えているかどう
かを判定する（１０３）。また、軸受潤滑油が不
足している場合にも潤滑不足２０２ということで
振動が起こるため、軸受潤滑油油面値をレベルセ
ンサにより計測し、許容値を逸脱していないかの
判定１０４を行う。更に軸受に関しては冷却水断
水２０３による損傷が大きな原因となり得ること
より、軸受冷却水流量を流量計により測定し、許
容値以上の冷却水流量があるかどうかを判定し、
更に冷却水の温度を測温抵抗体等で測定し、温度
上昇異常を判定する（１０５）。これ以外での主
軸振動異常かつ上カバー振動正常の場合は発電機
電磁加振力異常もしくは水車バランス異常（２０
４）が考えられるため精密点検の必要性をタイプ
アウト出力する。一方、上カバー振動値も異常で
あつた場合は２０５〜２１２の原因が考えられる
ため１０６〜１１３の判定を行う。まず落差によ
る影響１０６や負荷による影響１０４である場合
には水車本体の特性上問題点があると判断できる
ため長期監視対策（２０５）、もしくは精密調査
を行うことが必要とることをタイプ表示し、検
査、保守員へ知らせる。１０６，１０７が正常で
ある場合は、水圧脈動値をドラフト水圧、ランナ
背圧などを圧力変位センサにより計測し水圧脈動
値が許容値以内であるかの判定を行う（１０８）。
水圧脈動値が正常である場合は２０６〜２０９の
原因が考えられ、異常である場合は２１０〜２１
２の原因がある。まず正常である場合は、揚水時
の給気異常２０６が考えられこれを給気流速計を
用いて測定し給気流速異常１０９かの判定を行
う。１０９が正常の場合上カバー合せ目ボルトの
締付ゆるみ２０７の原因があり、このボルトゆる
み変位をギヤツプセンサで計測し判定を行う（１
１０）。１１０が正常な場合、ランナーシール損
傷２０８の要因があり、これをランナーシールギ
ヤツプ温度センサにより温度異常を判定する（１
１１）。この他は上カバー自身の損傷２０９の要
因である。他方、水圧脈動値１０８が異常値であ
ると判定された場合は２１０〜２１２の要因が考
えられ、ガイドベーン損傷２１０の要因の場合、
ガイドベーンのメタルかじり等の原因を監視する
ため、ガイドベーンサーボモータの操作力を測定
（差圧を測る）（１１２）し判定を行う。２１０の
要因でない場合は、弱点ピン切損２１１が考えら
れ、切損検出センサによりこの判定を行う（１１
３）。これ以外が目標のランナ障害（損傷等によ
る）２１１の要因であり、精密点検を要するた
め、予防保全の必要有としてタイプアウト表示す
る。

このランナ損傷を見つけるまでには (1) 主軸振動値 (2) 上カバー振動値 (3) 落差 (4) 負荷 (5) 水圧脈動値 (6) ガイドベーンサーボモータ差圧 (7) 弱点ピン折損 の要素を計測するわけだが上記の内(1)は既に説明
した。また(3)(4)(6)(7)は従来技術により測定は容易
である。このため(2)(5)の測定および判定方法を以
下に示す。

第８図は上カバー振動、水圧脈動の測定か所を
示す。上カバー振動は水平及び垂直の２方向で常
時検出する。水平側センサ取付位置は３００、垂
直側センサ取付位置３０１で両方とも上カバー上
の位置である。なお第８図の中ではランナ３０
５、主軸３０６、ケーシング３０４を示す。また
水圧脈動はランナ背圧を常時検出し、その振動セ
ンサ取付け位置は３０２である。

第９図は上カバー振動について示した図であ
り、上カバー振動は個々の水力発電所毎に特有の
傾向を示すが、実測値３１１，３１２から判断す
ると、水車運転時は負荷、落差の関数３１０、揚
水運転時は、揚程の関数３１３で表わすことがで
きる。しかし、水車運転側に関しては落差による
影響が少ない場合が多く、その場合は負荷の関数
となる。

実際の測定は振動振幅値をオーバーオール値で
監視する。設定関数３１０，３１３を測定値がオ
ーバーした値は、異常と判定する。

第１０図は水圧脈動（ランナ背圧）について示
した図であり、水圧脈動も個々の水力発電所毎に
特有の傾向を示すが、実測値３２１，３２３から
判断すると、水車運転時は負荷の関数３２０、揚
水運転時は揚程の関数３２２で表わすことができ
る。

実測は振動振幅値をオーバーオール値で監視し
設定関数３２０，３２２を実測データがオーバー
したら異常と判定する。

水圧脈動に関しては流水部設計法、管路、水車
押込み深さ、水車の種類（専用機、ポンプ水車、
フランシス水車、斜流水車等）で異なり、水力発
電所に共通の数式で表わすことはできないため、
試験によつて設定することが多い。

このように本実施例では、ランナ障害を早期に
発見するため、初期に表れるランナバランスの崩
れによる主軸振動をオーバーオール値と周波数分
析値の両面より常時監視し、これにおいて異常を
検出した際には、主軸振動を起こさせる他の障害
要因を自動的に検出し、計算機にて処理し自動判
断させ、即時にランナ障害を検出することを可能
とした。本発明では正常時にコンピユータはアイ
ドル動作をしているが、この区間に計測データの
最大・最小などを整理し、日報、月報等の動作を
行う事も可能であり、コンピユータの有効活用が
できる。また、本発明は水力発電主機の不具合が
主に水車主軸振動に継がることを応用している
が、同様の性質がなる火力発電機器にも第７図の
アルゴリズマを変更すること及びセンサの取付け
場所を考慮することにより応用可能である。この
場合、システム構成は本発明と同一のハードウエ
ア（計算機システム）構成となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、振動を自動監視し、重大事故
の未然防止、早期発見をマイクロコンピユータで
実施でき、更に異常時にはその原因を示すことに
より調査時間の大幅短縮及び適切な処理が行える
効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は主軸振動センサ取付図、第２図は主軸
振動アルゴリズム、第３図は主軸振動周波数分析
アルゴリズム、第４図は監視計算機システム構成
図、第５図は計算機処理フロー図、第６図は計算
機処理時間タイムチヤート、第７図は振動値異常
発生原因判定アルゴリズム、第８図は水圧脈動、
上カバー振動センサ取付図、第９図は上カバー振
動アルゴリズム、第１０図は水圧脈動（ランナ背
圧）アルゴリズムである。 ４１……計算機本体、４２……CPU、４３…
…システムプログラムメモリ、４４……データメ
モリ、４５……データアウトプツトタイプライ
タ、４６……計算機内部インターフエースバス、
４７……振動データ入力部、４８……アナログ計
測値入力部、４９……デイジタルデータ入力部、
５０……デイジタルデータ出力部、５１……振動
データ変換器、５２……アナログデータ変換器、
５３……警報表示器、５４……プラント機器、５
５……主軸振動値、５６……上カバー振動値、５
７……軸受ギヤツプ値、５８……軸受潤滑油油面
値、５９……軸受冷却水流量、６０……軸受冷却
水温度、６１……落差、６２……負荷、６３……
水圧脈動値、６４……ガイドベーンサーボモータ
差圧、６５……弱点ピン切損データ、６６……給
気流速、６７……上カバーボルトゆるみ変位、６
８……ランナーシールギヤツプ温度、６９……主
機起動状態、７０……警報データ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水車ランナの回転バランスのずれを検出する
   水車ランナ障害検出装置において、水車ランナの
   振動を検出し取り込む手段と、予めランナ羽根の
   亀裂・破損による所定の振動データと前記取り込
   んだ振動とを比較判定する手段と、前記取り込ん
   だ振動が前記所定の振動であると判定されたなら
   警報を出力する手段と、前記振動の発生原因を探
   索する手段と、該振動発生原因を出力する手段と
   を有することを特徴とする水車ランナ障害検出装
   置。