KR101107261B1 - 보일러에 부착된 음향방출 센서를 이용하여 누설 위치를 추적하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

산업용 보일러의 누설에 의해 발생하는 음향방출 신호를 검출하여 누설 발생 여부와 누설 위치를 추적하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 방법으로서, (a) 보일러 내부 구조물의 소성변형 및 파열, 파열에 의한 누설 중 적어도 하나 이상의 이유로 도파관의 종단에 장착된 제1 음향방출 센서와, 수냉벽에 장착되는 제2 음향방출 센서에서 음향방출 신호를 감지하는 단계, 및 (b) 상기 감지된 음향방출 신호에 대해 각 시간차 계산법을 적용하거나 신호 크기를 비교, 조합하는 식으로 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
이에, 본 발명은 검출된 음향방출 신호에 대하여 시간차 계산 또는 신호 크기를 비교, 조합하는 식으로 특정 내부 구조물의 누설 위치를 정밀, 신속히 추적하게 됨으로써, 시간 단축에 따른 경제적 손실을 크게 줄이는 효과를 달성할 수 있다.
보일러, 음향방출 센서, 누설 위치, 시간차, 상호 관계법

Description

보일러에 부착된 음향방출 센서를 이용하여 누설 위치를 추적하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DIAGNOSISING LEAK POSITIONING USING ACOUSTIC EMISSION SENSOR IN BOILER}
본 발명은 산업용 보일러의 누설에 의해 발생하는 음향방출 신호를 검출하여 누설 발생 여부와 누설 위치를 추적하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 음향방출을 이용한 보일러의 누설 검출은 음향방출 센서를 보일러의 수냉벽에만 설치하여 보일러 튜브에서 누설이 발생하였을 경우에 누설음 파동 에너지가 보일러 내의 연소공기를 통과하고 수냉벽에 부딪힌 결과를 상기 음향방출 센서에서 검출하여 누설 여부를 추정하고 있다.
이러한 방법은 누설이 발생하는 누설음 파동에너지가 보일러 운전시에 발생하는 배경 소음인 연소소음과 보일러 연소시에 발생하는 회성분을 제거하기 위하여 Soot Blower(제매기)를 운전할 때 발생하는 소음 등에 의한 각종 잡음 성분을 구분하기 어려운 문제점이 있었고, 누설이 발생하였다고 판단된 경우에도 단순히 검출된 신호만을 판정하여 누설여부를 판정하기가 곤란하여 보일러 운전 변수인 보일러 급수 증가량을 확인하여야 하고, 또한 보일러 외벽에서 보일러 운영자가 청음과 보 일러 내부 점검창을 확인하여 누설여부와 위치를 추정하고 있는 실정이다.
이에 따라, 정확한 누설여부 판정과 누설위치 확인까지 보일러의 튜브에서 누설이 증대됨으로 인접 튜브로 고장 범위가 확대되고 있으며, 누설 위치 판단과 보일러의 정지여부 및 정비 계획 수립 시간까지 많은 시간, 예컨대 24시간 내지 72시간 이상의 시간이 소요되는 관계로 경제적 손실이 크게 증가하는 문제점이 있었다.
특히, 종래의 보일러 노벽에 설치되어 운영 중인 누설 검출 방법은 보일러의 수냉벽에 음향방출 검출 센서가 선형 형태로 배치되어 있어 설사 그 위치 부근에서 누설이 발생하였다 하더라도 보일러의 연소 가스 흐름이 있기 때문에 도플러 효과에 의해 누설된 실제 위치와 노벽에서 검출되는 음향신호 위치 사이에 차이가 발생하므로 실제 누설 위치를 파악하는데 있어 정밀도가 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 음향방출 센서를 보일러 내부 구조물인 재열기, 과열기, 절탄기를 연결하는 각 헤더의 양단에서 일정거리 떨어진 위치에 도파관을 용접하여 연결하고, 상기 도판관의 종단에 음향방출 센서를 장착함으로써, 상기 다수의 음향방출 센서를 이용하여 보일러의 내부 구조물에서 발생되는 누설 발생 여부를 검출하고, 누설 발생 위치를 추적하는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상술한 다수의 음향방출 센서에서 획득된 음향방출 신호를 시간차 계산 또는 조합 계산함으로써, 누설 위치의 정밀도를 높이는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 방법으로서, (a) 보일러 내부 구조물의 소성변형 및 파열, 파열에 의한 누설 중 적어도 하나 이상의 이유로 보일러 헤더에 부착된 도파관의 종단에 장착된 제1 음향방출 센서와, 수냉벽에 장착되는 제2 음향방출 센서에서 음향방출 신호를 감지하는 단계, 및 (b) 상기 감지된 음향방출 신호에 대해 각 시간차 계산법을 적용하거나 신호 크기를 비교, 조합하는 식으로 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
여기서, 상기 (b) 단계는, 상기 제1 음향방출 센서에서 발생된 음향방출 신호에 대해 하기의 식 (1)과 같은 선형 배열에 의한 상호 관계법을 적용하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 정밀 추적하여 진단하게 된다.
Ｌ ＝ Ｄ － （Ｖ×Ｔｄ）／ 2 .....식 (1)
상기 Ｌ은 누설위치 거리, Ｖ는 보일러 헤더 재료의 음속이며, Ｔｄ는 신호 전달 시간을 나타냄.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 제2 음향방출 센서가 다수개가 비선형 격자형으로 배치될 경우, 상기 제2 음향방출 센서에서 발생된 다수의 음향방출 신호에 대해 취득된 시간차를 계산하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 정밀 추적하여 진단하게 된다.
또한, 상기 (b) 단계는, 내부 구조물의 각 헤더의 형상 및 두께로부터 측정되는 재질 특성 값과 재질의 길이를 대표 음속으로 변환하여 음향방출 신호의 발생 위치를 정밀 추적하여 진단하게 된다.
또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 시스템으로서, 보일러 내부 구조물인 재열기, 과열기 및 절탄기를 연결하는 각 헤더의 양단에서 일정 거리 떨어진 위치에 도파관을 연결할 경우, 상기 도파관의 종단에 장착된 제1 음향방출 센서와, 수냉벽에 장착되는 제2 음향방출 센서를 구비하는 보일러 구조물, 및 상기 내부 구조물의 소성변형 및 파열, 파열에 의한 누설 중 적어도 하나 이상의 이유로 상기 음향방출 센서에서 발생하는 음향방출 신호를 감지하고, 감지된 음향방출 신호에 대해 각 시간차 계산법을 적용하거나 신호 크기를 비교, 조합하는 식으로 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 누설 추적 장치를 포함하는 시스템이 제공된다.
이상에서와 같이, 본 발명은 보일러의 도파관과 수냉벽에 설치되는 다수의 음향방출 센서로부터 검출되는 음향방출 신호에 대하여 시간차 계산 또는 신호 크기를 비교, 조합하는 식으로 특정 내부 구조물의 누설 위치를 정밀, 신속히 추적, 진단하게 됨으로써, 시간 단축에 따른 경제적 손실을 크게 줄이는 효과가 달성된다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항 에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하기 위한 전체 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 시스템(100)은 보일러 구조물(110, 120) 및 누설 추적 장치(130)를 포함하여 구성된다.
먼저, 보일러 구조물(110, 120)에 대하여 살펴보면, 본 발명의 보일러 구조물(110, 120)은 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하기 위하여 헤더에서 발생하는 음향방출 신호를 감지하는 다수의 제1 음향방출 센서(115)와, 보일러 수냉벽에서 음향방출 신호를 감지하는 다수의 제2 음향방출 센서(121)를 구비한다. 이러한 보일러 구조물(110, 120)은 도 2 및 도 3과 같이 보다 구체적으로 나타낼 수 있다.
여기서, 도 2 및 도 3을 잠시 살펴보면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 음향방출 센서를 구비한 보일러 구조물(110)을 예시적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 다수의 제2 음향방출 센서를 구비한 보일러 구조물(120)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 보일러 구조물(110)은 보일러 내부 구조물인 재열기, 과열기 및 절탄기 튜브를 연결하는 각 헤더(117)의 양단에서 일정 거리 떨어진 위치에 도파관(114)을 연결하고, 보일러 외벽(113)에 있는 도파관(114)의 종단 에 제1 음향방출 센서(115)를 장착하는 구조를 이룬다. 이때, 보일러 구조물(110)의 내부 구조물인 각 헤더(117)와 제1 음향방출 센서(115) 사이에는 도파관이 도파관 내벽(111), 단열재(112) 및 보일러 외벽(113)을 통과하여 형성되는 구조를 이루고, 제1 음향방출 센서(115)에는 이후에 설명될 누설 추적 장치(130)와 일단이 연결된 케이블(116)과 연결되는 구조를 이룬다. 따라서, 제1 음향방출 센서(115)에서 검출된 음향방출 신호는 케이블(116)을 통하여 누설 추적 장치(130)로 전송된다. 이어서, 도 3을 참조하면, 본 발명의 보일러 구조물(120)은 수냉벽의 구조를 나타낸 것으로, 수냉벽 일면 내에는 다수의 제2 음향방출 센서(121 ~ 129)가 Platen S/H, FRH, FSH, LTRH 및 Eco 등 다양한 보일러 내부 구조물의 누설과 수냉벽의 누설을 감지하기 위하여 수냉벽의 외벽에 장착됨으로써, 다수의 음향방출 신호를 검출할 수 있게 되는 것이다.
다시 돌아와, 본 발명의 누설 추적 장치(130)에 대하여 살펴보기로 한다. 본 발명의 누설 추적 장치(130)는 신호 획득부(131), 제1 음향방출 신호 처리부(132), 제2 음향방출 신호 처리부(133), 신호 크기 비교/조합부(134), 경보 발생부(135) 및 화면 표시부(136)를 포함한다.
먼저, 본 발명의 신호 획득부(131)는 보일러 내부 구조물의 소성변형 및 파열, 파열에 의한 누설 중 적어도 하나 이상의 이유로 제1 음향방출 센서(115)에서 감지된 제1 음향방출 신호와 수냉벽 외벽에 설치된 제2 음향방출 센서(121 ~ 129)에서 감지된 제2 음향방출 신호를 제공받는 역할을 수행한다.
다음으로, 본 발명의 제1 음향방출 신호 처리부(132)는 상술한 신호 획득부(131)에서 획득한 제1 음향방출 신호에 대하여 상호관계 계산을 적용하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하게 된다. 다시 말해, 본 발명의 제1 음향방출 신호 처리부(132)는 제1 음향방출 센서(115)에서 발생된 음향방출 신호에 대하여 하기의 식 (1)과 같은 선형 배열에 의한 상호 관계법을 적용하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 정밀하게 추적, 진단 가능하다.
Ｌ ＝ Ｄ － （Ｖ×Ｔｄ）／ 2 .....식 (1)
여기서, 상기 Ｌ은 누설위치 거리, Ｖ는 보일러 헤더 재료의 음속이며, Ｔｄ는 신호 전달 시간을 나타낸다.
아울러, 본 발명의 제1 음향방출 신호 처리부(132)는 각 헤더(117)의 형상 및 두께로부터 측정되는 재질 특성 값과 재질의 길이를 신호 획득부(131)를 통하여 획득 한 후, 이를 대표 음속으로 변환하여 음향방출 신호의 발생 위치를 추적, 진단할 수도 있다.
다음으로, 본 발명의 제2 음향방출 신호 처리부(133)는 상술한 신호 획득부(131)에서 획득한 제2 음향방출 신호에 대하여 시간차 계산법을 적용하게 되는데, 다수의 제2 음향방출 센서(121 ~ 129)에서 발생된 다수의 음향방출 신호에 대하여 취득된 시간차를 계산하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적, 진단하게 되는 것이다.
다음으로, 본 발명의 신호 크기 비교/조합부(134)는 신호 획득부(131)에서 획득한 음향방출 신호의 크기를 상호 비교, 조합하는 역할을 수행하게 되는데, 이와 같은 상호 비교, 조합하면 과열기, 재열기 및 절탄기 튜브 등 어느 내부 구조물에서 누설이 발생하였는지를 쉽고 용이하게 추적, 진단할 수 있게 된다.
마지막으로, 본 발명의 경보 발생부(135)는 제1 음향방출 신호 처리부(132), 제2 음향방출 신호 처리부(133) 및 신호 크기 비교/조합부(134)에서 처리된 결과 중 어느 하나 이상에서 누설 위치를 추적하게 되면, 그 결과를 제공받아 경보를 발생하는 역할을 수행하게 되며, 화면 표시부(136)는 제1 음향방출 신호 처리부(132), 제2 음향방출 신호 처리부(133), 신호 크기 비교/조합부(134) 및 경보 발생부(135)에서 처리된 결과를 제공받아 사용자 편의적인 인터페이스 환경으로 표시하는 역할을 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤더와 연결된 누설 튜브의 위치 계산을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서와 같이 본 발명의 누설 튜브의 위치 계산 방법은 헤더 양단에 설치된 센서까지의 거리를 D라고 하고, 임의의 누설지점에서 센서까지의 거리를 L 이라고 하며, 동일한 L 거리만큼 상대센서 방향으로 떨어진 위치 C 지점까지 거리를 N이라고 할 경우, D-N=2L의 관계가 성립하고, 따라서 L=(D-N)/2이 된다. 이때 거리 N=V×Td가 되므로 L=(D-V×Td)/2로 계산하면 누설위치를 찾을 수 있게 되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하기 위한 전체 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 음향방출 센서를 구비한 보일러 구조물(110)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 제2 음향방출 센서를 구비한 보일러 구조물(120)을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 헤더와 연결된 누설 튜브의 위치 계산을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 전체 시스템 110, 120 : 보일러 구조물
130 : 누설 추적 장치 131 : 신호 획득부
132 : 제1 음향방출 신호 처리부 133 : 제2 음향방출 신호 처리부
134 : 신호 크기 비교/조합부 135 : 경보 발생부
136 : 화면 표시부

Claims (8)

  1. 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 방법으로서,
    (a) 보일러 내부 구조물의 소성변형 및 파열, 파열에 의한 누설 중 적어도 하나 이상의 이유로 보일러 헤더와 연결된 도파관의 종단에 장착된 제1 음향방출 센서와, 수냉벽에 장착되는 제2 음향방출 센서에서 발생하는 음향방출 신호를 감지하는 단계, 및
    (b) 상기 감지된 음향방출 신호에 대해 각 시간차 계산법을 적용하거나 신호 크기를 비교, 조합하는 식으로 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적, 진단하는 단계
    를 포함하고,
    상기 (b) 단계는,
    상기 제1 음향방출 센서에서 발생된 음향방출 신호에 대해 하기의 식 (1)과 같은 선형 배열에 의한 상호 관계법을 적용하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 방법.
    Ｌ ＝ Ｄ － （Ｖ×Ｔｄ）／ 2 .....식 (1)
    상기 Ｌ은 누설위치 거리, Ｖ는 보일러 헤더 재료의 음속이며, Ｔｄ는 신호 전달 시간을 나타냄.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    내부 구조물의 각 헤더의 형상 및 두께로부터 측정되는 재질 특성 값과 재질의 길이를 대표 음속으로 변환하여 음향방출 신호의 발생 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 제2 음향방출 센서가 비선형 격자형으로 다수개로 배치될 경우, 상기 제2 음향방출 센서에서 발생된 3개 이상의 음향방출 신호에 대해 취득된 시간차를 계산하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 방법.
  5. 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 시스템으로서,
    보일러 내부 구조물인 재열기, 과열기 및 절탄기를 연결하는 각 헤더의 양단에서 일정 거리 떨어진 위치에 도파관을 연결할 경우, 상기 도파관의 종단에 장착된 제1 음향방출 센서와, 수냉벽에 장착되는 제2 음향방출 센서를 구비하는 보일러 구조물, 및
    상기 내부 구조물과 수냉벽의 소성변형 및 파열, 파열에 의한 누설 중 적어도 하나 이상의 이유로 상기 음향방출 센서에서 발생하는 음향방출 신호를 감지하고, 감지된 음향방출 신호에 대해 각 시간차 계산법을 적용하거나 신호 크기를 비교, 조합하는 식으로 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 누설 추적 장치
    를 포함하고,
    상기 누설 추적 장치는,
    상기 제1 음향방출 센서에서 발생된 음향방출 신호에 대해 하기의 식 (1)과 같은 선형 배열에 의한 상호 관계법을 적용하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 시스템.
    Ｌ ＝ Ｄ － （Ｖ×Ｔｄ）／ 2 .....식 (1)
    상기 Ｌ은 누설위치 거리, Ｖ는 보일러 헤더 재료의 음속이며, Ｔｄ는 신호 전달 시간을 나타냄.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 누설 추적 장치는,
    상기 각 헤더의 형상 및 두께로부터 측정되는 재질 특성 값과 재질의 길이를 대표 음속으로 변환하여 음향방출 신호의 발생 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 누설 추적 장치는,
    상기 제2 음향방출 센서가 비선형 격자형으로 다수개로 배치될 경우, 상기 제2 음향방출 센서에서 발생된 다수의 음향방출 신호에 대해 취득된 시간차를 계산하여 특정 내부 구조물의 누설 위치를 추적하는 것을 특징으로 하는 보일러에서 발생하는 음향방출 신호를 이용하여 누설 현상을 추적하는 시스템.
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