계장기술(PROCON)

기획특집 1,000MWe 저압 터빈 Last Stage Blade 손상 예측진단 기술

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 17회 작성일 20-02-14 18:11

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1. 머리말

화력발전소의 터빈은 석탄 등의 화석 연료를 연소하여 발생된 열에너지를 기계적 에너지로 전환시켜 전기를 생산하는 중요 설비이다. 국내 화력발전은 미세먼지, 황산화물 및 질소산화물 등 환경오염을 최소화하고, 효율을 높이기 위하여 2017년부터 1,000MWe USC 터빈을 도입하여 운전 중이다.

국내 1,000MWe USC 터빈(TC-4F, 60 Hz)은 세계적으로도 운전 실적이 거의 없는 모델로서 최근 저압터빈 LSB 손상에 따른 사고 사례가 급증하고 있다. 이러한 문제는 국내뿐만 아니라 저압터빈 LSB 크기를 증가하여 터빈 용량을 증가시킨 일본에서도 다수 발생되었다. LSB가 손상되면 해당 발전소는 상당기간 발전을 할 수 없거나, LSB를 제거하고 Pressure Plates를 설치하여 임시 운전을 하여야 하므로 해당 기간 동안 발전 수익은 감소하게 된다. 무엇보다도 3,600rpm으로 회전하는 터빈 블레이드가 운전 중 손상되면, 설비 손상은 물론 화재나 폭발과 같은 대형사고로 이어질 수 있다는 점에서 LSB 운전 상태를 감시할 수 있는 시스템 운영이 매우 필요한 실정이다.

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그러나 대부분의 국내외 발전소는 터빈축 진동 모니터링 시스템(VMS)만을 터빈 운전 상태 감시 시스템으로 채택하고 있다. 따라서, VMS를 운영 중인 국내외 발전소에서 LSB가 손상되었다는 사실을 고려할 때 VMS만으로는 LSB 손상을 사전에 예측하는데 한계가 있음을 유추할 수 있다.

반면 해외에서는 2000년대부터 터빈 LSB 진동 모니터링 시스템(BVMS)이 상용화되어 왔다. 즉, 터빈 진동 측정을 위해 축과 블레이드 진동을 모두 측정하고 있다.

BVMS는 비접촉식 센서를 터빈 케이싱에 설치하여 블레이드 진동을 측정하는 설비로서 Non-instructive Sensor Monitoring System(NSMS), Tip-timing(TT) 혹은 Blade Tip Timing(BTT)으로 불리운다. 국내에서는 BVMS를 적용한 발전소가 전무한 실정이었으나, 국가연구개발과제로 추진된 신보령 1, 2호기 건설 시운전 과정에서 저압 터빈 LSB가 손상되어 BVMS를 설치하면서 국내에 최초로 도입되었다.


2. 1,000MWe급 저압 터빈 LSB 손상 사례

신보령 1호기 터빈은 고압 터빈 1대, 중압 터빈 1대, 저압 터빈 2대로 구성되어 있으며, 각각의 터빈 베어링에 축 진동 센서가 설치되어 있다. 터빈은 시운전 과정에서 총 11회 기동 및 정지를 시행하였으며, 고압 터빈 고진동으로 내부 점검을 시행하였다. 터빈 내부 점검 중 저압 터빈 LSB 손상이 발견되었으며, 위치는 그림 2와 같다.
손상 LSB는 LP-A의 Generator Side 45번 Blade 중간 지지부(Mid-span) Suction Side로 약 5g가 절손되었다. 탈락부는 총 4조각으로 절손되었으며, 복수기 내부에서 3조각이 발견되었으나 탈락부에 의한 추가 손상은 발견되지 않았다. 터빈은 LSB 손상 원인 분석을 위해 제작사로 이송되었으며, 원인 분석 및 대책 수립에 약 6개월이 소요되었다.

(1) 신보령 1호기 저압 터빈 LSB 손상 원인

특정 재질의 피로 수명에 대한 설계 마진을 계산하고자 할 때 Goodman Diagram을 보편적으로 사용한다. 가로축은 재질의 Mean Stress를 나타내고, 세로축은 Alternating Stress를 나타낸다.

이 두 점을 이은 선이 안전계수가 1.00인 Endurance Limit이 된다. 터빈 제작사들은 LSB의 수명을 영구적으로 설계하기 위하여 Ultimate Stress 대신에 Yield Stress 값을 적용하거나, 이보다 좀 더 보수적인 기준을 적용한다.

Alternating Stress는 Stress Concentration Factor와 Magnification Factor 및 Steady Steam Bending Stress를 모두 곱한 값과 같다.

따라서 신보령 1호기 LSB Stress를 사용하여 LSB의 Safety Factor를 계산할 수 있으며, 이 값은 수평 방향의 Mean Stress와 수직 방향의 Alternating Stress에 해당하는 위치로 Goodman Diagram 상에 표현된다.

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Safety Factor는 식 (1)에 따라 계산되며, Factor of Safety(FS), Yield Strength(YS), Endurance Limit(EL)을 의미한다. 대부분의 터빈 제작사는 가공 공차, 재료 균질성 및 기타 예측하기 곤란한 요소로 인한 변동을 고려하여 Safety Factor를 1.50 이상으로 제한한다. 만일 터빈 블레이드의 Safety Factor가 1.50보다 작으면, 원심력을 줄이기 위해 블레이드 재질이나 형상을 변경하는 조치가 필요하다.

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그림 2는 신보령 1호기 LSB 손상부인 Mid-span부의 Stress를 나타낸다. Goodman Diagram 상 Endur-ance Limit를 초과하였으며, 이 값은 Mid-span부 Gap 측정과 Contact rpm에 따른 Stress를 FEM으로 계산한 결과이다.

Alternating Stress 증가 원인으로는 Mid-span Fillet부의 곡률반경이 설계치보다 다소 작게 제작되었으며, 해당 부위에 Coating Overlay 되면서 Notch Effect를 일으킨 것으로 잠정 판단하였다.


3. BVMS(Blade Vibration Monitoring System)

(1) BVMS 개발 현황

터빈 블레이드 운전 상태 감시를 위한 모니터링 방법은 케이싱에 설치된 Non-contact Sensor를 이용하여 개별 Blade 도착시간을 측정하는 Blade Vibration Monitoring System이 가장 많이 사용되고 있다. 해외에서는 이와 같은 측정 시스템을 Tip-timing(TT) 혹은 Blade Tip-timing(BTT)으로 지칭하고 있으며, 개발 초기에는 Non-intrusive Sensor, Non-interference Stress Measurement System(NSMS)라는 용어로 사용되기도 하였다.

최근에는 Tip-timing 기술을 이용한 블레이드 온라인 상태 감시 시스템이 해외에서 상당수 상용화되어 있어 본 연구에서는 Tip-timing 기술과 온라인 모니터링 기능이 통합된 의미로 “BVMS”라 정의한다.

터빈과 같은 대형 회전기기는 설계 단계에서 회전속도 및 작동 유체 유입량 변화와 층류 및 난류 조건에서 유동변화 등을 고려한 설계 정합성을 검증하기 위하여 터빈 제작 단계에서 블레이드 진동을 측정한다.

BVMS는 Strain Gage를 이용한 스트레스 측정 방법보다 비교적 가격이 저렴하고 모든 블레이드의 진동을 개별로 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어 터빈 제작사들은 두 가지 방법을 모두 병행하여 설계 검증을 시행하고 있다.

반면, 최근 발전설비가 대용량화되면서 저압 터빈 LSB 길이가 증가하여 저유량 증기 조건에서 발생되는 Flutter 현상에 의한 LSB 손상 사례가 빈번히 발생되고 있다. 따라서, 현재까지 개발된 BVMS 기술이 최신 터빈에도 적용될 수 있는지에 대한 관심이 높아지고 있다.
(2) BVMS 원리

BVMS는 터빈 케이싱에 비접촉식 센서를 설치하여 개별 LSB의 도착시간(Time of Arrival, ToA)을 측정하고, 이론적 도착시간과 실제 도착시간과의 차이를 거리로 환산한다. 그림 3은 BVMS 측정 원리를 나타내고 있다.

정격속도에서 정상적인 터빈 블레이드 Tip은 케이싱에 부착된 센서를 일정한 시간 간격으로 지나게 되지만, 진동이 발생되는 블레이드는 센서를 조금 늦게(그림 3. Sensor 1) 지나거나 일찍(그림 3. Sensor 2, 3) 지나게 된다.

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터빈 Front Shaft에 설치된 Key Phasor는 터빈의 회전수를 측정하므로 터빈이 1회전할 때 블레이드의 센서 도착시간을 거리로 환산한다. 이론적으로 도착시간을 Expected Arrival Time이라 할 때, 진동하지 않는 하나의 블레이드 도착시간은 식 (2)로 계산될 수 있다.
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여기서,
 : angular position of the sensor (rad)
 : rotational velocity measures by key
    phasor (rad/s)

또한, 이론적 도착시간과 실제 도착시간의 차이는 식 (3)과 같다.

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따라서, 블레이드 반지름이 r인 로터에서 센서 j의 블레이드 tip 변위 (dj)는

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진동이 존재하지 않는 이론적 블레이드 변위는 0이다. 3,600rpm으로 회전하는 로터는 초당 60회의 Sampling 주기를 갖게 되므로 하나의 센서는 16.67ms마다 신호를 측정하게 된다. 그러나 터빈과 항공기 엔진 블레이드는 주파수가 Sampling 주파수보다 높기 때문에 Aliasing이 항상 존재하여 블레이드 변위 측정 정확도가 낮아지게 된다. 따라서 BVMS 신호 처리 방법에 대한 이론 및 실험적 연구가 활발히 이루어지고 있으나, 터빈 블레이드의 Profile, Modal Analysis 및 FEM 해석 등 Rotor Dynamic 측면에서의 연구는 매우 제한적이다.

(3) BVMS 적용 사례

신보령 1호기는 BVMS를 설치하여 진동 Data를 취득 전까지 저유량에서의 비동기 진동(Low Flow Non-synchronous Vibration)이 LSB 손상의 주원인이라 판단하였으며, Mid-span Fillet 가공 등 제품 제작 오차 등이 Stress 증가에 기인하였을 것이라 예상했다.

수정된 LSB를 설치하고, 터빈을 FSNL(Full Speed No Load) 조건에 도달하기 위해 수차례 기동하였고. BVMS로 Individual FFT를 모니터링하였다. 수차례 터빈을 기동하는 동안 전반적으로 비동기 진동응답이 관찰되었으며, 최고치 응답은 허용값 대비 약 350% 이상으로 확인되었고, 추가적인 기동에서도 계속적으로 설계 허용값을 초과하였다.

측정된 Data의 검토 및 분석 결과 비동기 응답은 저유량에서의 Stall Flutter와 연관이 있음을 알게 되었으며, 향후 시운전이 계속 될 수 있도록 LSB를 제거하고 압력판(Pressure Plate)을 설치하는 것으로 최종 결정하였다.

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(4) BVMS 적용 시 고려 사항

① BVMS는 센서 수량에 따라 측정 범위가 달라진다.
   •정격속도 이상에서의 LSB 진동을 측정하고자 한다면 BVMS 센서 적정 수량은 4개 이상이다.
   •정격속도 이하에서의 LSB 진동 측정이 필요하다면 BVMS 센서 적정 수량은 9개 이상이다.

② LSB 미소 질량이 이미 탈락된 상태에서 터빈이 운전되는 경우, 터빈 기동 전/후의 축 진동과 LSB 진동 변화를 함께 분석하여야 한다. 만일 BVMS가 설치되어 있지 않다면, 축 진동의 위상변화를 확인하여야 한다. 특히, Critical Speed에서의 위상 변화에 주목하여야 한다.

③ Integral Covered Bucket이 적용된 터빈의 경우, BVMS를 적용하여도 운전 중 미소 질량 탈락은 감지하기 곤란하다.
④ LSB 진동은 블레이드의 개별 주파수(Individual FFT)를 분석하면 미소 질량 탈락을 감지할 수 있는 확률을 높일 수 있다.

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4. 맺음말

본 연구에서는 LSB 미소 질량 절손에 의한 축 진동과 블레이드 진동의 변화는 BVMS가 설치된 발전소라 할지라도 운전원이 실시간으로 인지가 곤란하다는 결론이 도출되었다.

그러나 LSB 미소 질량 탈락 시 Critical Speed에서의 축 진동 위상 변화와 손상된 LSB의 Individual FFT에서 주파수 증가가 관측되었다. 따라서, 두 시스템에서의 진동 변화를 실시간으로 분석하여 운전원에게 정보를 제공할 수 있는 새로운 방법을 제시하고자 한다.

터빈 축 진동 시스템은 터빈 베어링의 진동 상태를 Trend Plot, Orbit, Polar, Waterfall, Bode 선도 등을 이용하여 매우 자세한 정보를 제공한다. 그러나 사용자가 직접 시스템에 접속하여 각 터빈 베어링의 진동 분석을 시행해야 하는 번거로움이 존재하며, 진동 분석에 대한 전문성도 요구된다.

최근 국내에서 개발된 딥러닝 기반 축 진동 시스템의 경우 터빈 베어링의 고장 원인을 확률로 나타내어 준다(원프레딕트社, 가디원 터빈). 즉, 고장 원인별 물리적 특성을 딥러닝으로 분석하여 베어링별 상태를 실시간으로 분석하는 기술이다.
2019년 한국중부발전(주)과 원프레딕트는 AI를 활용한 축진동 진단 시스템에 기존의 VMS와 BVMS를 물리적으로 연결(Time Synchronization)하여 LSB 진동을 실시간으로 진단하는 시스템을 공동 개발하였다.

Blade Health Analyzer(BHA)는 터빈축 진동과 블레이드 진동을 실시간으로 측정 및 분석하여 손상 여부를 확률로 나타낼 수 있는 세계 최초로 개발된 순수 국내 기술이다.
<참고문헌>
1. S. Hesler, “Low Pressure Steam Turbine Latter Stage Blades”, EPRI, Palo Alto, CA, Rep. 3002008574, Dec. 2017.
2. S. Hesler, “Field Demonstration of Low-Pressure Turbine Blade Vibration Monitoring”, EPRI, Palo Alto, CA, Rep. 1024665, Mar. 2012.
3. R. Rzadkowski, “Analysis of middle bearing failure in rotor jet engine using tip-timing and tipclearance techniques”, MSSP Journal, p.213-227,
Feb. 2016.
4. G. Battiato, “Forced response of rotating bladed disks: Blade Tip Timing measurements”, MSSP Journal, p.912-926, September 2016.


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