特開 2024-121483 メカニカルシール状態監視システムおよびメカニカルシール状態監視方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024121483

(43)【公開日】2024-09-06

(54)【発明の名称】メカニカルシール状態監視システムおよびメカニカルシール状態監視方法

(51)【国際特許分類】

   G21C 17/02 20060101AFI20240830BHJP

   G21C 15/243 20060101ALI20240830BHJP

   F01D 25/18 20060101ALI20240830BHJP

   F01D 11/00 20060101ALI20240830BHJP

   F02C 7/28 20060101ALI20240830BHJP

   F04D 29/08 20060101ALI20240830BHJP

   F04D 29/12 20060101ALI20240830BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20240830BHJP

【ＦＩ】

G21C17/02

G21C15/243

F01D25/18 C

F01D11/00

F02C7/28 B

F04D29/08 C

F04D29/12 B

F01D25/18 E

F01D25/00 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023028620

(22)【出願日】2023-02-27

(71)【出願人】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】田村 明紀

(72)【発明者】

【氏名】清水 岳

(72)【発明者】

【氏名】池田 晴彦

(72)【発明者】

【氏名】吉江 豊

【テーマコード（参考）】

2G075

3G202

3H130

【Ｆターム（参考）】

2G075AA03

2G075BA03

2G075CA14

2G075DA03

2G075DA04

2G075EA01

2G075FA03

2G075FB09

2G075GA38

3G202KK06

3G202KK23

3H130AA02

3H130AA12

3H130AB22

3H130AB27

3H130AB60

3H130AC30

3H130BA32F

3H130BA33F

3H130BA53D

3H130BA53F

3H130BA90F

3H130DC02X

3H130DF03X

3H130ED04F

(57)【要約】

【課題】実運用までの時間が短くても高精度で異常判定できるメカニカルシール状態監視システムおよびメカニカルシール状態監視方法を提供する。
【解決手段】回転機械の回転部と静止部との間をシールするメカニカルシールの状態を監視するメカニカルシール状態監視システムであって、前記メカニカルシールのシール室へ流入する第１流体の流量および温度、前記シール室内の圧力、前記シール室から排出される第２流体の流量および温度、並びに、前記シール室から前記回転機械へ回収される第３流体の温度を取得する状態量取得装置と、前記状態量取得装置によって取得された状態量に基づき、前記回転部と前記静止部とのシール面における発熱量を算出するとともに、前記発熱量に基づき前記メカニカルシールの異常の有無を判定する監視装置と、を備えた。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転機械の回転部と静止部との間をシールするメカニカルシールの状態を監視するメカニカルシール状態監視システムであって、
前記メカニカルシールのシール室へ流入する第１流体の流量および温度、前記シール室内の圧力、前記シール室から排出される第２流体の流量および温度、並びに、前記シール室から前記回転機械へ回収される第３流体の温度を取得する状態量取得装置と、
前記状態量取得装置によって取得された状態量に基づき、前記回転部と前記静止部とのシール面における発熱量を算出するとともに、前記発熱量に基づき前記メカニカルシールの異常の有無を判定する監視装置と、
を備えたメカニカルシール状態監視システム。

【請求項2】

請求項１に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記監視装置は、
前記シール室内の圧力、前記第１流体の温度、前記第２流体の温度、および前記第３流体の温度に基づき、各流体のエンタルピを算出するエンタルピ算出部と、
各流体の流量およびエンタルピに基づき、前記第１流体が前記シール室に持ち込む第１熱量、前記第２流体が前記シール室から持ち去る第２熱量、および前記第３流体が前記シール室から持ち去る第３熱量を算出するとともに、前記第１熱量、前記第２熱量および前記第３熱量に基づき、前記シール面における摺動熱を算出する摺動熱算出部と、
前記摺動熱および予め定めた閾値により、前記メカニカルシールの異常の有無を判定する異常判定部と、
を有することを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項3】

請求項２に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記監視装置は、
前記状態量取得装置が取得した前記第１流体および前記第２流体の体積流量に基づき、前記第１流体および前記第２流体の質量流量を算出する流量算出部をさらに有することを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項4】

請求項１に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記状態量取得装置が取得する前記第１流体の温度および前記第２流体の温度は、センサによる実測値であり、
前記状態量取得装置が取得する他の状態量は、センサによる実測値、解析による推定値、設計データによる推定値、のいずれかであることを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項5】

請求項２に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記監視装置は、前記メカニカルシールの設計データ、または、前記摺動熱の過去データ、を格納するデータベースをさらに有し、
前記異常判定部は、評価対象である現在の前記摺動熱を、前記設計データに基づき定まる摺動熱または正常時の前記過去データにおける摺動熱で除した比率が、所定の閾値より大きい場合に、前記メカニカルシールが異常であると判定することを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項6】

請求項２に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記監視装置は、前記摺動熱の過去データを格納するデータベースをさらに有し、
前記異常判定部は、評価対象である現在の前記摺動熱の波形を、正常時の前記過去データにおける前記摺動熱の波形と比較する、パターンマッチングのアルゴリズムを用いて異常を判定することを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項7】

請求項２に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記監視装置は、前記摺動熱の過去データ、および、前記過去データを学習データとして予め学習された学習モデル、を格納するデータベースをさらに有し、
前記異常判定部は、評価対象である現在の前記摺動熱を、前記学習モデルに対して入力することで、異常判定の結果を出力することを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項8】

請求項２に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記状態量取得装置は、前記シール室の内部を冷却する熱交換器へ流入する流入冷却水の流量、圧力および温度、前記熱交換器から流出する流出冷却水の温度を取得し、
前記エンタルピ算出部は、前記流入冷却水の圧力および前記流入冷却水の温度に基づき、前記流入冷却水のエンタルピを算出するとともに、前記流入冷却水の圧力および前記流出冷却水の温度に基づき、前記流出冷却水のエンタルピを算出し、
前記摺動熱算出部は、前記流入冷却水の流量、前記流入冷却水のエンタルピおよび前記流出冷却水のエンタルピに基づき、前記熱交換器による除熱量を算出するとともに、前記第１熱量、前記第２熱量、前記第３熱量および前記除熱量に基づき、前記摺動熱を算出することを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項9】

回転機械の回転部と静止部との間を高圧側と低圧側の２段階でシールするメカニカルシールの状態を監視するメカニカルシール状態監視システムであって、
前記メカニカルシールの第１シール室へ流入する第１流体の流量および温度、前記第１シール室内の圧力および温度、前記第１シール室より低圧側の第２シール室から排出される第２流体の流量および温度、前記第２シール室内の圧力および温度、前記第１シール室から前記回転機械へ回収される第３流体の温度、並びに、前記第１シール室と前記第２シール室をつなぐ減圧機構の温度を取得する状態量取得装置と、
前記状態量取得装置によって取得された状態量に基づき、高圧側のシール面における第１発熱量と低圧側のシール面における第２発熱量を算出するとともに、前記第１発熱量および前記第２発熱量に基づき前記メカニカルシールの異常の有無を診断する監視装置と、
を備えたメカニカルシール状態監視システム。

【請求項10】

請求項９に記載のメカニカルシール状態監視システムにおいて、
前記監視装置は、
各流体の温度、各シール室の温度および各シール室内の圧力に基づき、各流体のエンタルピ、各シール室のエンタルピおよび前記減圧機構のエンタルピを算出するエンタルピ算出部と、
各流体の流量および各エンタルピに基づき、前記第１流体が前記第１シール室に持ち込む第１熱量、前記第２流体が前記第２シール室から持ち去る第２熱量、前記第３流体が前記第１シール室から持ち去る第３熱量および前記減圧機構を通過する通過熱量を算出するとともに、前記第１熱量、前記第２熱量、前記第３熱量および前記通過熱量に基づき、高圧側のシール面における第１摺動熱および低圧側のシール面における第２摺動熱を算出する摺動熱算出部と、
前記第１摺動熱、前記第２摺動熱および予め定めた閾値により、前記メカニカルシールの異常の有無を判定する異常判定部と、
を有することを特徴とするメカニカルシール状態監視システム。

【請求項11】

回転機械の回転部と静止部との間をシールするメカニカルシールの状態を監視するメカニカルシール状態監視方法であって、
前記メカニカルシールのシール室へ流入する第１流体の流量および温度、前記シール室内の圧力、前記シール室から排出される第２流体の流量および温度、並びに、前記シール室から前記回転機械へ回収される第３流体の温度を取得するステップと、
取得された各状態量に基づき、前記回転部と前記静止部とのシール面における発熱量を算出するステップと、
前記発熱量に基づき前記メカニカルシールの異常の有無を診断するステップと、
を備えたメカニカルシール状態監視方法。

【請求項12】

回転機械の回転部と静止部との間を高圧側と低圧側の２段階でシールするメカニカルシールの状態を監視するメカニカルシール状態監視方法であって、
前記メカニカルシールの第１シール室へ流入する第１流体の流量および温度、前記第１シール室内の圧力および温度、前記第１シール室より低圧側の第２シール室から排出される第２流体の流量および温度、前記第２シール室内の圧力および温度、前記第１シール室から前記回転機械へ回収される第３流体の温度、並びに、前記第１シール室と前記第２シール室をつなぐ減圧機構の温度を取得するステップと、
取得された各状態量に基づき、高圧側のシール面における第１発熱量と低圧側のシール面における第２発熱量を算出するステップと、
前記第１発熱量および前記第２発熱量に基づき前記メカニカルシールの異常の有無を診断するステップと、
を備えたメカニカルシール状態監視方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、メカニカルシールの状態監視技術に関する。

【背景技術】

【0002】

ポンプ等の回転機械には、回転軸と容器側の摺動面（シール面）からの液漏れを防止するため、メカニカルシールが設けられているものがある。メカニカルシールを備えた回転機械は、自動車、船舶、プラント、住宅設備等、様々な分野で使用されている。メカニカルシールは、回転軸側に設置される回転リングと、容器側に設置される静止リングとを有し、回転リングと静止リングとの摺動面に液体膜（例えば水膜や油膜）を形成することで摺動面からの液漏れを防止する。

【0003】

沸騰水型原子炉には、原子炉内の冷却材を循環させるため、原子炉冷却材再循環ポンプ（以下、再循環ポンプ）が備えられている。再循環ポンプでは、メカニカルシール内部の温度上昇や原子炉内の冷却材の流入による放射性物質や異物の混入を防止するため、一定流量のパージ水を常時注入するとともに、ブリードオフラインから外部へ排出している。再循環ポンプは、炉心出力制御に必要な再循環流量の確保に必須の設備であり、再循環ポンプの停止はプラントの停止を招くため、再循環ポンプのメカニカルシールは、高い信頼性が求められる。また、プラントの運転中にメカニカルシールの状態を監視して、異常を早期検知することで計画外のプラント停止を抑制することが重要である。

【0004】

メカニカルシールの状態監視に関する技術としては、例えば、特許文献１が知られている。この特許文献１には、シール圧力信号中に含まれる微少な揺らぎ成分を、ＡＰＳＤ（オートパワースペクトル密度）を用いて評価することで、メカニカルシールのシール能力の低下を早期に判定する旨が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１－１２６０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の技術では、実機適用前に、あらかじめ正常時のデータを取得し、異常判定のための基準を設定しておく必要がある。ＡＰＳＤはメカニカルシールの内部構造や運転環境によって変化すると考えられるので、精度良く異常判定するためには、実機で長期間にわたり正常時のＡＰＳＤデータを取得しなければならず、実運用まで時間を要してしまう。また、判定精度向上のためには、あらかじめ異常時のＡＰＳＤデータも取得することが望ましいが、実機でのメカニカルシール異常は、プラント停止に繋がるため、異常時のＡＰＳＤデータの取得は容易でない。

【0007】

本発明の目的は、実運用までの時間が短くても高精度で異常判定できるメカニカルシール状態監視システムおよびメカニカルシール状態監視方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前述の課題を解決するために、本発明は、回転機械の回転部と静止部との間をシールするメカニカルシールの状態を監視するメカニカルシール状態監視システムであって、前記メカニカルシールのシール室へ流入する第１流体の流量および温度、前記シール室内の圧力、前記シール室から排出される第２流体の流量および温度、並びに、前記シール室から前記回転機械へ回収される第３流体の温度を取得する状態量取得装置と、前記状態量取得装置によって取得された状態量に基づき、前記回転部と前記静止部とのシール面における発熱量を算出するとともに、前記発熱量に基づき前記メカニカルシールの異常の有無を判定する監視装置と、を備えた。

【0009】

また、前述の課題を解決するために、本発明は、回転機械の回転部と静止部との間を高圧側と低圧側の２段階でシールするメカニカルシールの状態を監視するメカニカルシール状態監視システムであって、前記メカニカルシールの第１シール室へ流入する第１流体の流量および温度、前記第１シール室内の圧力および温度、前記第１シール室より低圧側の第２シール室から排出される第２流体の流量および温度、前記第２シール室内の圧力および温度、前記第１シール室から前記回転機械へ回収される第３流体の温度、並びに、前記第１シール室と前記第２シール室をつなぐ減圧機構の温度を取得する状態量取得装置と、前記状態量取得装置によって取得された状態量に基づき、高圧側のシール面における第１発熱量と低圧側のシール面における第２発熱量を算出するとともに、前記第１発熱量および前記第２発熱量に基づき前記メカニカルシールの異常の有無を診断する監視装置と、を備えた。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、実運用までの時間が短くても高精度で異常判定できるメカニカルシール状態監視システムおよびメカニカルシール状態監視方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１に係るメカニカルシール状態監視システムの構成を示す図。

【図2】実施例１における監視装置の構成の詳細を示すブロック図。

【図3】メカニカルシールのＣＦＤ解析に用いた解析対象および解析メッシュの断面図。

【図4】注入されるパージ水の質量流量が０．０２８ｋｇ／ｓの場合の流速ベクトルを示す図。

【図5】注入されるパージ水の質量流量が０．０２８ｋｇ／ｓかつ摺動熱が１５０Ｗの場合の温度分布を示す図。

【図6】摺動熱の入力値と、ＣＦＤ解析により得られる流量、温度および圧力から本実施例の演算方法で摺動熱を算出した値（摺動熱の評価値）と、を示すグラフ。

【図7】実施例２に係るメカニカルシール状態監視システムの構成を示す図。

【図8】実施例２における監視装置の構成の詳細を示すブロック図。

【図9】実施例３に係るメカニカルシール状態監視システムの構成を示す図。

【図10】実施例３における監視装置の構成の詳細を示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。

【実施例0013】

図１は、実施例１に係るメカニカルシール状態監視システムの構成を示す図である。図１に示すように、メカニカルシール状態監視システム１は、状態量取得装置２と、監視装置３と、で構成される。状態量取得装置２は、メカニカルシールの各所に取り付けられるセンサと、センサによる状態量データを取り込むデータロガー１２と、を備える。監視装置３は、状態量取得装置２で取得された状態量データに基づき、メカニカルシールの異常の有無を判定する。

【0014】

メカニカルシールは、回転機械（再循環ポンプ）に接続された回転軸４と、回転軸４に固定された回転リング５（回転部）と、静止したメカニカルシール容器に固定された静止リング６（静止部）と、高圧液体が充填されたシール室７と、回転リング５および静止リング６の摺動面を冷却するための低温高圧のパージ水を外部からシール室７へ流入させるパージ水注入ライン８と、パージ水の一部をシール室７から回転機械側へ回収させる戻りライン９と、摺動面を介して漏洩する漏洩水を排出させる漏洩水排出ライン１０と、パージ水をシール室から排出させるＣＢＯライン１１（コントロールブリードオフライン）と、で構成される。

【0015】

状態量取得装置２が備えるセンサは、図１においてＦで示す流量センサ、図１においてＰで示す圧力センサ、図１においてＴで示す温度センサであり、具体的には、パージ水注入ライン８を流れる第１流体に対する流量センサおよび温度センサ、シール室７内の圧力を測定する圧力センサ、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体に対する流量センサおよび温度センサ、戻りライン９を流れる第３流体に対する温度センサ、である。なお、図１は、最小限のセンサを示しており、必要に応じて他のセンサが追加されても良い。また、図１に示すセンサのうち、パージ水注入ライン８を流れる第１流体の温度を測定する温度センサおよびＣＢＯライン１１を流れる第２流体の温度を測定する温度センサ以外のセンサは、状態量を実測する物理的なセンサでなくても良い。物理的なセンサによる実測値を用いない場合には、ソフトセンサで数値解析した推定値や、設計データによる推定値などが、実測値の代わりに用いられる。

【0016】

メカニカルシールは、回転リング５と静止リング６との摺動面に液体膜を形成することで、摺動面からの液漏れを防止する。摺動面では、流体摩擦により発熱し、その発熱量Ｑ（以下、摺動熱）は、摩擦の法則により以下の（式１）で得られる。

【0017】

【数1】

【0018】

ここで、μは摺動面の摩擦係数、Ｐは面圧、ｖは平均回転速度、Ａは摺動面積である。摺動面が正常であればμは一定値となるが、摺動面に面荒れが生じるとμが増加するため、面圧等の条件が同一であっても摺動熱Ｑが上昇する。一方で、摺動熱Ｑは、メカニカルシール内の各所における入出熱量のバランスを評価することにより、算出することも可能である。このため、本実施例では、メカニカルシールの各所のセンサによって取得された状態量に基づき摺動熱Ｑを算出し、摺動熱Ｑを予め定めた閾値と比較するなどして、メカニカルシールの摺動面における摩擦係数μの異常の有無を間接的に判定する。

【0019】

メカニカルシールの各所のセンサは、信号線を介してデータロガー１２に接続されている。データロガー１２は、データ転送ケーブルによって監視装置３に接続されており、データロガー１２に蓄積された状態量データが監視装置３へ常時転送される。メカニカルシールの設置環境などの要因で、データロガー１２と監視装置３とのケーブル接続が難しい場合は、データロガー１２を記録用ハードディスク（以下、ＨＤＤ）に接続して状態量データをＨＤＤに蓄積しておき、定期的にＨＤＤを取り外して監視装置に接続し、データ転送しても良い。

【0020】

図２は、実施例１における監視装置の構成の詳細を示すブロック図である。監視装置３は、例えばＰＣであり、受信した状態量データを用いて、所定の演算をすることにより、メカニカルシールの異常をリアルタイムで判定する。監視装置３は、プロセッサ１６、メモリ１５と、ストレージ１７と、出力部１４と、入力部１３と、を備えている。図２では、概念的にプロセッサ１６が実行する機能を、流量算出部１５ａ、エンタルピ算出部１５ｂ、摺動熱算出部１５ｃおよび異常判定部１５ｄとして示している。これらの機能を実現するためのプログラムは、メモリ１５に格納される。なお、これらのプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込まれて提供されたり、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ等の計算機で読み取り可能な記録媒体に記録して提供されたり、配布されても良い。さらには、これらのプログラムは、インターネットなどのネットワークに接続された計算機上に格納され、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供されたり、配布されたりしても良い。

【0021】

流量算出部１５ａは、状態量取得装置２が取得した第１流体および第２流体の体積流量に基づき、第１流体および第２流体の質量流量を算出する。エンタルピ算出部１５ｂは、シール室７内の圧力、第１流体の温度、第２流体の温度、および第３流体の温度に基づき、各流体のエンタルピを算出する。摺動熱算出部１５ｃは、各流体の質量流量およびエンタルピに基づき、第１流体がシール室７に持ち込む第１熱量、第２流体がシール室から持ち去る第２熱量、および第３流体がシール室から持ち去る第３熱量を算出するとともに、第１熱量、第２熱量および第３熱量に基づき、摺動熱Ｑを算出する。異常判定部１５ｄは、摺動熱Ｑおよび予め設定された閾値により、メカニカルシールの異常の有無を判定する。

【0022】

ストレージ１７は、蒸気表関数データベース１７ａと、設計・過去データベース１７ｂと、を有している。蒸気表関数データベース１７ａには、例えば、日本機械学会が公開している蒸気表関数などが格納されている。設計・過去データベース１７ｂには、例えば、メカニカルシールの設計データや、過去に算出された摺動熱Ｑなどの過去データが格納されている。この他、異常判定のための閾値や式なども、ストレージ１７に格納される。

【0023】

出力部１４および入力部１３は、ユーザーインターフェースである。出力部１４は、異常判定部１５ｄによる異常判定結果や、その根拠となる摺動熱変化を表示することで、ユーザーにメカニカルシールの運転状態を知らせる。入力部１３は、閾値の設定や、出力部１４の表示内容に関する設定などの入力をユーザーから受け付ける。ユーザーは、出力部１４に出力された情報を参照して、メカニカルシールの今後の運転方針を判断する。

【0024】

以下、流量算出部１５ａ、エンタルピ算出部１５ｂ、摺動熱算出部１５ｃおよび異常判定部１５ｄが実行する演算の詳細について、説明する。

【0025】

流量算出部１５ａは、状態量取得装置２のセンサで取得した、体積流量Ｆ、圧力Ｐおよび温度Ｔに基づき、質量流量Ｇを算出する。具体的な演算方法は、次の通りである。

【0026】

まず、流量算出部１５ａは、パージ水注入ライン８内の圧力（シール室７内の圧力Ｐ７）と、パージ水注入ライン８を流れる第１流体の温度Ｔ８と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第１流体の流体密度Ｄ８を算出する。第１流体が純水である場合、流量算出部１５ａは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式２）により流体密度Ｄ８を算出する。

【0027】

【数2】

【0028】

ここで、ｓｔ＿ＤＰＴ（Ｐ，Ｔ）は圧力Ｐと温度Ｔから圧縮水の密度を求める蒸気表関数である。第１流体が純水以外の場合は、化学工学便覧など、対象流体の熱力学特性が記載された文献値を参照して流体密度Ｄ８が算出される。

【0029】

同様に、流量算出部１５ａは、ＣＢＯライン１１内の圧力Ｐ１１と、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体の温度Ｔ１１と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第２流体の流体密度Ｄ１１を算出する。ＣＢＯライン１１の出口が大気開放されている場合は圧力Ｐ１１を大気圧、ＣＢＯライン１１の出口が他の機器に接続されている場合は圧力Ｐ１１を開放端圧力とする。第２流体が純水である場合、流量算出部１５ａは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式３）により流体密度Ｄ１１を算出する。

【0030】

【数3】

【0031】

次に、流量算出部１５ａは、流量センサで実測された体積流量Ｆ８、Ｆ１１を、当該箇所における圧力Ｐ、温度Ｔ、密度Ｄを用いて、以下の（式４）により補正する。

【0032】

【数4】

【0033】

ここで、Ｐ０、Ｔ０、Ｄ０は、流量センサの設計データに基づき定まる圧力、温度、密度である。

【0034】

その後、流量算出部１５ａは、補正後の体積流量Ｆ８’、Ｆ１１’と、流体密度Ｄ８、Ｄ１１と、以下の（式５）、（式６）と、に基づき、第１流体の質量流量Ｇ８、第２流体の質量流量Ｇ１１を算出する。

【0035】

【数5】

【0036】

【数6】

【0037】

さらに、実機環境によっては、ＣＢＯライン１１における流量センサの実測値がドリフトすることがあるため、ドリフトに対する補正も行われる。具体的には、流量算出部１５ａが、シール室７内の圧力Ｐ７と、ＣＢＯライン１１内の圧力Ｐ１１と、以下の（式７）と、に基づき、質量流量Ｇ１１を間接評価する。

【0038】

【数7】

【0039】

ここで、Ｋは補正係数であり、定期検査直後の実測値から得られる質量流量Ｇ１１と、圧力Ｐ７、Ｐ１１、（式７）により間接評価したＧ１１’と、が一致するように設定される。

【0040】

次に、流量算出部１５ａは、メカニカルシール内の質量バランス、すなわち、以下の（式８）により、戻りライン９を流れる第３流体の質量流量Ｇ９を算出する。

【0041】

【数8】

【0042】

エンタルピ算出部１５ｂは、状態量取得装置２のセンサで取得した、圧力Ｐおよび温度Ｔに基づき、エンタルピＨを算出する。具体的な演算方法は、次の通りである。

【0043】

まず、エンタルピ算出部１５ｂは、パージ水注入ライン８内の圧力（シール室７内の圧力Ｐ７）と、パージ水注入ライン８を流れる第１流体の温度Ｔ８と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第１流体のエンタルピＨ８を算出する。第１流体が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式９）によりエンタルピＨ８を算出する。

【0044】

【数9】

【0045】

ここで、ｓｔ＿ＨＰＴ（Ｐ，Ｔ）は、圧力Ｐと温度Ｔから圧縮水のエンタルピを求める蒸気表関数である。第１流体が純水以外の場合は、化学工学便覧など、対象流体の熱力学特性が記載された文献値を参照してエンタルピＨ８が算出される。

【0046】

同様に、エンタルピ算出部１５ｂは、戻りライン９内の圧力（シール室７内の圧力Ｐ７）と、戻りライン９を流れる第３流体の温度Ｔ９と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第３流体のエンタルピＨ９を算出する。第３流体が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式１０）によりエンタルピＨ９を算出する。

【0047】

【数10】

【0048】

同様に、エンタルピ算出部１５ｂは、ＣＢＯライン１１内の圧力と、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体の温度Ｔ１１と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第２流体のエンタルピＨ１１を算出する。ＣＢＯライン１１の出口が大気開放されている場合は圧力Ｐ１１を大気圧、ＣＢＯライン１１の出口が他の機器に接続されている場合は圧力Ｐ１１を開放端圧力とする。第２流体が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式１１）によりエンタルピＨ１１を算出する。

【0049】

【数11】

【0050】

摺動熱算出部１５ｃは、流量算出部１５ａで算出された質量流量Ｇ、エンタルピ算出部１５ｂで算出されたエンタルピＨに基づき、摺動熱Ｑを算出する。ここで、パージ水注入ライン８を流れる第１流体がシール室７に持ち込む第１熱量Ｑ８は、第１流体の質量流量Ｇ８と第１流体のエンタルピＨ８の積となる。また、戻りライン９を流れる第３流体がシール室７から持ち去る第３熱量Ｑ９は、第３流体の質量流量Ｇ９と第３流体のエンタルピＨ９の積となる。同様に、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体がシール室７から持ち去る第２熱量Ｑ１１は、第２流体の質量流量Ｇ１１と第２流体のエンタルピＨ１１の積となる。また、メカニカルシール内の熱量バランスは、以下の（式１２）で表される。

【0051】

【数12】

【0052】

（式１２）において、左辺はメカニカルシールへの入熱量を表し、右辺はメカニカルシールからの出熱量を表している。したがって、摺動熱算出部１５ｃは、以下の（式１３）のように、各流体の質量流量およびエンタルピに基づいて、摺動熱Ｑを算出することができる。

【0053】

【数13】

【0054】

異常判定部１５ｄは、摺動熱算出部１５ｃで算出された摺動熱Ｑ、設計・過去データベース１７ｂに格納されたデータに基づき、メカニカルシールの異常有無を判定する。このとき、異常判定部１５ｄは、メカニカルシールの設計データに基づき定まる摺動熱Ｑdesi、または、正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevを参照し、評価対象である現在の摺動熱Ｑと比較する。異常判定部１５ｄにおける判定には、例えば、以下の（式１４）が用いられる。

【0055】

【数14】

【0056】

ここで、Ｃ_０は、異常判定のための閾値であり、例えば設計・過去データベース１７ｂに予め格納される。また、閾値Ｃ_０は、運用条件によって調整可能であり、通常１．５～２．０の範囲内に設定される。異常判定部１５ｄは、（式１４）が成立すれば正常と判定し、（式１４）が成立しなければ異常と判定する。すなわち、評価対象である現在の摺動熱Ｑを、設計データに基づき定まる摺動熱Ｑdesiまたは正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevで除した比率が、閾値Ｃ_０より大きい場合は、メカニカルシールが異常であると判定される。なお、異常判定のための式は、（式１４）に限られない。

【0057】

また、異常判定方法も、さまざまな方法が利用可能である。例えば、正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevを学習データとして予め学習させた、ニューラルネットワークなどの機械学習モデルに対して、評価対象である現在の摺動熱Ｑを入力することで、異常判定の結果を出力する方法であっても良い。この場合、学習済みの機械学習モデルは、例えば設計・過去データベース１７ｂに格納される。さらには、評価対象である現在の摺動熱Ｑの波形（直近の時間波形）を、正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevの波形と比較する、パターンマッチングのアルゴリズムを用いて異常を判定する方法であっても良い。

【0058】

さらに、メカニカルシールでは、温度ハンチングが進展し、摺動面の損傷に繋がることがある。そこで、異常判定部１５ｄは、温度ハンチングによる異常の有無を、以下の（式１５）を用いて判定しても良い。

【0059】

【数15】

【0060】

ここで、count（条件式）は単位時間内に条件式を満たす回数を出力する関数であり、Ｃ_１は温度ハンチングの発生有無を判定するための閾値であり、Ｃ_２は温度ハンチングの発生回数の時間変化により異常の有無を判定するための閾値である。異常判定部１５ｄは、（式１５）が成立すれば正常と判定し、（式１５）が成立しなければ異常と判定する。なお、閾値Ｃ_１≦閾値Ｃ_０とすることで、温度ハンチングの判定精度を向上させることが可能である。

【0061】

以下、本実施例の効果を確認するため、数値流体解析（以下、ＣＦＤ解析）を用い、メカニカルシール内の熱流動現象を解析して検証した結果を説明する。

【0062】

図３は、メカニカルシールのＣＦＤ解析に用いた解析対象および解析メッシュの断面図である。図３では、解析対象として、シール室７、パージ水注入ライン８、戻りライン９、漏洩水排出ライン１０、ＣＢＯライン１１、回転リング５および静止リング６がモデル化されている。各部の寸法は、大型回転機器向けの一般的なメカニカルシールの寸法に基づいている。回転リング５と静止リング６との間隙は０．５ｍｍであり、間隙内にも十分な解析メッシュが配置されている。動作流体として、１５℃の高圧の純水であるパージ水が、パージ水注入ライン８を介して０．０２８ｋｇ／ｓまたは０．０５０ｋｇ／ｓで注入され、ＣＢＯライン１１を介して０．０１２ｋｇ／ｓで流出される。摺動熱を模擬するため、回転リング５および静止リング６の間隙接液部に発熱源を与え、シール室７内の純水への熱伝達、回転リング５と静止リング６への熱伝導を解析した。回転リング５と静止リング６の材質は、ステンレス鋼である。間隙接液部における発熱量をパラメータとして、１５０Ｗ、３００Ｗ、４５０Ｗ、６００Ｗと変化させて解析した。

【0063】

図４は、注入されるパージ水の質量流量が０．０２８ｋｇ／ｓの場合の流速ベクトルを示す図である。図４によれば、パージ水注入ライン８からシール室７に流入したパージ水の流れが、回転リング５の表面に到達した後、戻りライン９およびＣＢＯライン１１から流出し、低温のパージ水で回転リング５が冷却されることが分かる。なお、回転リング５と静止リング６の摺動面から漏洩する流れは、ほぼゼロであった。

【0064】

図５は、注入されるパージ水の質量流量が０．０２８ｋｇ／ｓかつ摺動熱が１５０Ｗの場合の温度分布を示す図である。図５によれば、摺動面の発熱で回転リング５と静止リング６の温度が上昇しているが、パージ水との接液部は熱伝達により温度上昇量が小さいことが分かる。パージ水は、回転リング５と静止リング６の表面で加熱され、ＣＢＯライン１１および戻りライン９から流出する。

【0065】

図６は、摺動熱の入力値と、ＣＦＤ解析により得られる流量、温度および圧力から本実施例の演算方法で摺動熱を算出した値（摺動熱の評価値）と、を示すグラフである。図６によれば、注入されるパージ水の質量流量が増加すると、摺動熱入力値と摺動熱評価値との偏差は拡大するものの、いずれの条件でも（質量流量が０．０２８ｋｇ／ｓでも）偏差は１０％以内に収まることが分かった。この結果から、摺動面状態の悪化による摺動熱の増加を、本実施例の方法により検知でき、メカニカルシールの異常判定が可能であることが確認された。

【0066】

以上述べたとおり、本実施例によれば、メカニカルシールの正常時におけるデータを長期間にわたって取得しなくても、メカニカルシールを異常判定できるので、状態監視システムの実運用までの時間を短くできる。また、温度、圧力、流量などの状態量から、メカニカルシールの摺動状況と直接的な関係にある摺動熱を評価できるため、過去データを用いた精度検証が容易であり、状態監視システムの導入初期であっても、高精度で異常判定が可能である。

【実施例0067】

メカニカルシールによっては、シール室の冷却能力を高めるため、内装熱交換器が設けられることがある。実施例２は、そのような構成のメカニカルシールにおける状態監視を対象とするものである。

【0068】

図７は、実施例２に係るメカニカルシール状態監視システムの構成を示す図である。図７に示すように、メカニカルシール状態監視システム２１は、状態量取得装置２２と、監視装置３と、で構成される。状態量取得装置２２は、メカニカルシールの各所に取り付けられるセンサと、センサによる状態量データを取り込むデータロガー１２と、を備える。監視装置３は、状態量取得装置２で取得された状態量データに基づき、メカニカルシールの異常の有無を判定する。

【0069】

メカニカルシールは、回転機械（再循環ポンプ）に接続された回転軸４と、回転軸４に固定された回転リング５（回転部）と、静止したメカニカルシール容器に固定された静止リング６（静止部）と、高圧液体が充填されたシール室７と、回転リング５および静止リング６の摺動面を冷却するための低温高圧のパージ水を外部からシール室７へ流入させるパージ水注入ライン８と、パージ水の一部をシール室７から回転機械側へ回収させる戻りライン９と、摺動面を介して漏洩する漏洩水を排出させる漏洩水排出ライン１０と、パージ水をシール室から排出させるＣＢＯライン１１と、シール室７の内部の冷却性能を高める内装熱交換器２３と、内装熱交換器２３へ冷却水を流入させる冷却水流入ライン２４と、内装熱交換器２３から冷却水を流出させる冷却水流出ライン２５と、で構成される。

【0070】

状態量取得装置２２が備えるセンサは、図７においてＦで示す流量センサ、図７においてＰで示す圧力センサ、図７においてＴで示す温度センサであり、具体的には、パージ水注入ライン８を流れる第１流体に対する流量センサおよび温度センサ、シール室７内の圧力を測定する圧力センサ、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体に対する流量センサおよび温度センサ、戻りライン９を流れる第３流体に対する温度センサ、冷却水流入ライン２４を流れる流入冷却水に対する流量センサ、温度センサおよび圧力センサ、冷却水流出ライン２５を流れる流出冷却水に対する温度センサである。なお、図７は、最小限のセンサを示しており、必要に応じて他のセンサが追加されても良い。また、図７に示すセンサのうち、パージ水注入ライン８を流れる流体の温度を測定する温度センサ、ＣＢＯライン１１を流れる流体の温度を測定する温度センサ、冷却水流入ライン２４を流れる流入冷却水の温度を測定する温度センサおよび冷却水流出ライン２５を流れる流出冷却水の温度を測定する温度センサ以外のセンサは、状態量を実測する物理的なセンサでなくても良い。物理的なセンサによる実測値を用いない場合には、ソフトセンサで数値解析した推定値や、設計データによる推定値などが、実測値の代わりに用いられる。

【0071】

メカニカルシールの各所のセンサは、信号線を介してデータロガー１２に接続されている。データロガー１２は、データ転送ケーブルによって監視装置３に接続されており、データロガー１２に蓄積された状態量データが監視装置３へ常時転送される。メカニカルシールの設置環境などの要因で、データロガー１２と監視装置３とのケーブル接続が難しい場合は、データロガー１２を記録用ハードディスク（以下、ＨＤＤ）に接続して状態量データをＨＤＤに蓄積しておき、定期的にＨＤＤを取り外して監視装置に接続し、データ転送しても良い。

【0072】

図８は、実施例２における監視装置の構成の詳細を示すブロック図である。図８に示すように、監視装置３の構成自体は、実施例２も実施例１と同様である。以下、実施例２において、流量算出部１５ａ、エンタルピ算出部１５ｂ、摺動熱算出部１５ｃおよび異常判定部１５ｄが実行する演算の詳細について、説明する。

【0073】

流量算出部１５ａは、状態量取得装置２２のセンサで取得した、体積流量Ｆ、圧力Ｐおよび温度Ｔに基づき、質量流量Ｇを算出する。具体的な演算方法は、次の通りである。

【0074】

まず、流量算出部１５ａは、パージ水注入ライン８内の圧力（シール室７内の圧力Ｐ７）と、パージ水注入ライン８を流れる第１流体の温度Ｔ８と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第１流体の流体密度Ｄ８を算出する。第１流体が純水である場合、流量算出部１５ａは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、前記した（式２）により流体密度Ｄ８を算出する。

【0075】

同様に、流量算出部１５ａは、ＣＢＯライン１１内の圧力Ｐ１１と、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体の温度Ｔ１１と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第２流体の流体密度Ｄ１１を算出する。ＣＢＯライン１１の出口が大気開放されている場合は圧力Ｐ１１を大気圧、ＣＢＯライン１１の出口が他の機器に接続されている場合は圧力Ｐ１１を開放端圧力とする。第２流体が純水である場合、流量算出部１５ａは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、前記した（式３）により流体密度Ｄ１１を算出する。

【0076】

さらに、本実施例では、流量算出部１５ａが、冷却水流入ライン２４内の圧力Ｐ２４と、冷却水流入ライン２４を流れる流入冷却水の温度Ｔ２４と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、流入冷却水の流体密度Ｄ２４を算出する。流入冷却水が純水である場合、流量算出部１５ａは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式１６）により流体密度Ｄ２４を算出する。

【0077】

【数16】

【0078】

ここで、流入冷却水が純水以外の場合は、化学工学便覧など、対象流体の熱力学特性が記載された文献値を参照して流体密度Ｄ２４が算出される。

【0079】

次に、流量算出部１５ａは、流量センサで実測された体積流量Ｆ８、Ｆ１１、Ｆ２４を、当該箇所における圧力Ｐ、温度Ｔ、密度Ｄを用いて、前記した（式４）により補正する。その後、流量算出部１５ａは、補正後の体積流量Ｆ８’、Ｆ１１’、Ｆ２４’と、流体密度Ｄ８、Ｄ１１、Ｄ２４と、前記した（式５）、前記した（式６）、以下の（式１７）と、に基づき、第１流体の質量流量Ｇ８、第２流体の質量流量Ｇ１１、冷却水の質量流量Ｇ２４を算出する。

【0080】

【数17】

【0081】

さらに、実機環境によっては、ＣＢＯライン１１における流量センサの実測値がドリフトすることがあるため、実施例１と同様に、ドリフトに対する補正も行われる。また、流量算出部１５ａは、メカニカルシール内の質量バランスにより、戻りライン９を流れる第３流体の質量流量Ｇ９を算出する。

【0082】

エンタルピ算出部１５ｂは、状態量取得装置２２のセンサで取得した、圧力Ｐおよび温度Ｔに基づき、エンタルピＨを算出する。具体的な演算方法は、次の通りである。

【0083】

まず、エンタルピ算出部１５ｂは、パージ水注入ライン８内の圧力（シール室７内の圧力Ｐ７）と、パージ水注入ライン８を流れる第１流体の温度Ｔ８と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第１流体のエンタルピＨ８を算出する。第１流体が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、前記した（式９）によりエンタルピＨ８を算出する。第１流体が純水以外の場合は、化学工学便覧など、対象流体の熱力学特性が記載された文献値を参照してエンタルピＨ８が算出される。

【0084】

同様に、エンタルピ算出部１５ｂは、戻りライン９内の圧力（シール室７内の圧力Ｐ７）と、戻りライン９を流れる第３流体の温度Ｔ９と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第３流体のエンタルピＨ９を算出する。第３流体が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、前記した（式１０）によりエンタルピＨ９を算出する。

【0085】

同様に、エンタルピ算出部１５ｂは、ＣＢＯライン１１内の圧力と、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体の温度Ｔ１１と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、第２流体のエンタルピＨ１１を算出する。ＣＢＯライン１１の出口が大気開放されている場合は圧力Ｐ１１を大気圧、ＣＢＯライン１１の出口が他の機器に接続されている場合は圧力Ｐ１１を開放端圧力とする。第２流体が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、前記した（式１１）によりエンタルピＨ１１を算出する。

【0086】

さらに、本実施例では、エンタルピ算出部１５ｂが、冷却水流入ライン２４内の圧力Ｐ２４と、冷却水流入ライン２４を流れる流入冷却水の温度Ｔ２４と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、流入冷却水のエンタルピＨ２４を算出する。流入冷却水が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式１８）によりエンタルピＨ２４を算出する。

【0087】

【数18】

【0088】

さらに、本実施例では、エンタルピ算出部１５ｂが、冷却水流出ライン２５内の圧力（冷却水流入ライン２４の圧力Ｐ２４）と、冷却水流出ライン２５を流れる流出冷却水の温度Ｔ２５と、蒸気表関数データベース１７ａに格納された蒸気表関数に基づき、流出冷却水のエンタルピＨ２５を算出する。流出冷却水が純水である場合、エンタルピ算出部１５ｂは、日本機械学会が公開している蒸気表関数を参照し、以下の（式１９）によりエンタルピＨ２５を算出する。

【0089】

【数19】

【0090】

摺動熱算出部１５ｃは、流量算出部１５ａで算出された質量流量Ｇ、エンタルピ算出部１５ｂで算出されたエンタルピＨに基づき、摺動熱Ｑを算出する。ここで、パージ水注入ライン８を流れる第１流体がシール室７に持ち込む第１熱量Ｑ８は、第１流体の質量流量Ｇ８と第１流体のエンタルピＨ８の積となる。また、戻りライン９を流れる第３流体がシール室７から持ち去る第３熱量Ｑ９は、第３流体の質量流量Ｇ９と第３流体のエンタルピＨ９の積となる。同様に、ＣＢＯライン１１を流れる第２流体がシール室７から持ち去る第２熱量Ｑ１１は、第２流体の質量流量Ｇ１１と第２流体のエンタルピＨ１１の積となる。さらに、内装熱交換器２３による除熱量Ｑ２３は、冷却水の質量流量Ｇ２４と、流出冷却水のエンタルピＨ２５から流入冷却水のエンタルピＨ２４を減じた値と、の積となる。また、メカニカルシール内の熱量バランスは、以下の（式２０）で表される。

【0091】

【数20】

【0092】

（式２０）において、左辺はメカニカルシールへの入熱量を表し、右辺はメカニカルシールからの出熱量を表している。したがって、摺動熱算出部１５ｃは、以下の（式２１）のように、各流体の質量流量およびエンタルピに基づいて、摺動熱Ｑを算出することができる。

【0093】

【数21】

【0094】

異常判定部１５ｄは、摺動熱算出部１５ｃで算出された摺動熱Ｑ、設計・過去データベース１７ｂに格納されたデータに基づき、メカニカルシールの異常有無を判定する。このとき、異常判定部１５ｄは、メカニカルシールの設計データに基づき定まる摺動熱Ｑdesi、または、正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevを参照し、評価対象である現在の摺動熱Ｑと比較する。異常判定部１５ｄにおける判定には、例えば、前記した（式１４）が用いられる。異常判定部１５ｄは、（式１４）が成立すれば正常と判定し、（式１４）が成立しなければ異常と判定する。すなわち、評価対象である現在の摺動熱Ｑを、設計データに基づき定まる摺動熱Ｑdesiまたは正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevで除した比率が、閾値Ｃ_０より大きい場合は、メカニカルシールが異常であると判定される。なお、異常判定のための式は、（式１４）に限られない。

【0095】

また、異常判定方法も、さまざまな方法が利用可能である。例えば、正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevを学習データとして予め学習させた、ニューラルネットワークなどの機械学習モデルに対して、評価対象である現在の摺動熱Ｑを入力することで、異常判定の結果を出力する方法であっても良い。この場合、学習済みの機械学習モデルは、例えば設計・過去データベース１７ｂに格納される。さらには、評価対象である現在の摺動熱Ｑの波形（直近の時間波形）を、正常時の過去データにおける摺動熱Ｑprevの波形と比較する、パターンマッチングのアルゴリズムを用いて異常を判定する方法であっても良い。

【0096】

さらに、異常判定部１５ｄは、温度ハンチングによる異常の有無を、前記した（式１５）を用いて判定しても良い。異常判定部１５ｄは、（式１５）が成立すれば正常と判定し、（式１５）が成立しなければ異常と判定する。

【0097】

本実施例によれば、内装熱交換器を備えたメカニカルシールであっても、実運用までの時間を短くしつつ高精度の異常判定が可能な状態監視を実現できる。