KR101155770B1 - 발전소 디젤엔진 상태진단 장치 및 방법 - Google Patents

발전소 디젤엔진 상태진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤엔진 압력, 초음파 신호 및 진동신호를 크랭크축 속도값과 동시에 측정하여 각 실린더별로 4행정 또는 2행정기간동안 실린더 내외부의 동작 상태가 정상적인 동작을 하는지 감지하고, 다중센서를 이용한 측정 신호 분석 및 발전소 운전변수 분석을 통하여, 최종적으로 발전소 디젤엔진의 이상 상태를 종합적으로 진단 판단할 수 있는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

발전소 디젤엔진 상태진단 장치 및 방법{A DEVICE AND A METHOD FOR CONDITION DIAGNOSIS ON ENGINE OF DIESEL GENERATOR FOR POWER PLANT}
본 발명은 발전소 디젤엔진의 압력, 초음파 신호 및 진동신호를 크랭크축 속도 값과 동시에 측정하여 각 실린더별로 4행정 또는 2행정기간동안 실린더 내외부의 동작 상태를 진단하여 정상적인 동작 상태인지 여부를 감지하고, 다중센서를 이용한 측정신호를 분석하며, 발전소 운전변수의 분석을 통하여, 최종적으로 발전소 디젤엔진의 동작 상태를 종합적으로 진단 판단할 수 있는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
원자력발전소의 안전성을 확보하기위해 사용되는 비상교류전력계통은 단일고장 시에도 안전기능을 수행할 수 있도록 충분한 독립성, 다중성 및 시험성 등을 확보하도록 설계기준을 정하여 운영하고 있다.
이러한 비상 교류전력계통은 발전소 운전 중 발전소 외부로부터 공급하도록 되어있는 소외 교류전원이 공급되지 않는 사건이 발생할 경우 짧은 시간 내에 발전소 안전운전에 영향을 미치는 안전관련 부하에 전력을 공급할 수 있도록 모선에 디젤발전기가 설치되어 있다.
그러나 소외 교류전원 상실과 동시에 디젤발전기마저 운전불능인 정전사고가 발생할 경우 원자력발전소내의 교류전원이 완전히 상실되는 소내정전(station blackout)사고가 발생하게 되어 적절한 시간 내에 비상전원이 복구되지 않으면 발전소를 안전하게 정지시킬 수 없게 된다.
이러한 원자력발전소 정전사고가 발생할 경우에 원자로 노심 손상사고로 진전될 가능성이 크며, 발전소내 정전사고 발생가능성을 줄이는 가장 중요한 척도는 디젤발전기의 신뢰도를 높게 유지하여 항상 운전이 가능하도록 유지관리하여야 한다.
따라서 디젤발전기들이 언제든지 정상적으로 작동할 수 있는지 여부를 파악할 수 있도록 디젤엔진상태를 감시하고 진단하는 기술이 필요하다.
이러한 디젤엔진 진단기술은 디젤엔진의 연소과정에서 일어나는 동적특성을 파악하여 디젤엔진의 성능상태를 감시하고 이상상태를 예측하는 기술로써 고장징후가 있는 디젤엔진 실린더의 경우 추이 분석(trend analysis)을 통해 예방정비 차원의 정비를 수행하도록 함으로써 계획예방정비를 효과적으로 수행할 수 있다.
디젤엔진의 성능을 감시하고 평가하기 위해 디젤엔진 내부에서 발생하는 각종신호인 디젤엔진 내부의 폭발압력과 디젤엔진의 흡기 및 배기밸브의 정상적인 작동상태, 디젤엔진의 진동상태 및 디젤엔진의 크랭크축 각도 등을 측정하는 각종 신호취득과 이러한 신호들을 분석하여 디젤엔진의 건전성을 분석한다.
이러한 분석결과를 이용하여 운전 중인 디젤엔진의 운전 상태를 정확히 파악함으로써 디젤엔진의 실린더에서 균일한 파워를 발생하도록 디젤엔진의 밸런싱(balancing)을 수행하고, 이를 통해 디젤엔진의 성능은 물론 디젤엔진의 동작 상태를 최적으로 유지시키는 것이 필요하다.
종래에는 디젤엔진의 상태 점검은 실린더 압력만으로 진단하는 방법, 크랭크축 속도변화만으로 디젤엔진 상태를 진단하는 방법 그리고 육안 분해정비 방법 등이 있었다.
하지만 종래의 방법들은 다양한 신호를 분석할 수 있는 다중 센서를 이용하지 않음으로써 디젤엔진의 전체적인 동작상태, 흡기 및 배기 밸브 동작시점, 연소 시작시점, 최대 폭발 압력 발생시점, 실린더 내부 누설 등 디젤엔진 상태를 종합적으로 정확하게 진단할 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명을 해결하려는 과제는 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 디젤엔진 내부의 압력, 초음파 신호 및 진동신호, 크랭크 축 속도를 동시에 측정하고 실린더 공급 연료의 온도분석, 윤활유의 마모입자 분석 및 발전소 운전변수의 분석을 통하여 디젤엔진 내부의 폭발 시점, 폭발압력 크기, 흡기 및 배기 밸브의 개폐시점 및 연소시작 시점, 실린더 내부의 누설, 피스톤의 마모, 각 실린더별 출력 성능을 종합적으로 분석함으로써 디젤엔진의 이상상태를 정확하게 판단할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명을 해결하려는 또 다른 과제는 센서에서 측정한 신호에 포함된 잡음을 제거하고, 미약한 신호를 증폭하며, 주파수 대역 필터를 통과시켜 처리된 신호에 기초하여 개별 실린더의 지시출력, 평균 유효압력, 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율 등 엔진 성능을 자동적으로 연산하여 실시간으로 엔진 상태를 설정 값과 비교하여 정상상태인지 비정상상태인지를 판단하므로 디젤엔진의 이상상태를 보다 정확하고 정밀하게 진단 및 점검함으로써 발전소 디젤엔진의 고장 예방과 운전 신뢰도를 높이는데 있다.
본 발명 과제의 해결 수단은 압력센서, 진동센서, 초음파센서, 크랭크 축 속도 센서, 온도센서 및 윤활유 마모입자 감지 센서로 구성된 다중센서를 이용하여 발전소 디젤엔진의 실린더 내외부 종합적인 성능 및 상태를 감지하는 센서부를 구비하고, 상기 센서부를 통해 신호를 취득하고, 취득한 신호를 폭발압력 순서에 따라 압력값과 진동값 및 초음파값으로 변환하는 신호취득 및 처리부를 구비하며, 상기 센서부로부터 신호를 취득하여 처리하고, 데이터 연산과 데이터 표시 및 저장 등의 장치제어를 담당하고, 신호처리에 의해 변환된 값을 실린더별 분석지표의 결과 값으로 그래프 또는 진단 상태를 나타내는 제어 및 데이터 표시부 및 상기 측정된 값 및 최종 분석 결과값을 저장하고 데이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 장기적으로 감시 및 평가할 수 있는 데이터베이스를 포함하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치를 구현하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 압력센서, 초음파센서, 진동센서, 크랭크 축 속도 센서, 온도센서 및 윤활유 마모입자 센서 등을 통해 데이터를 취득하고, 취득된 신호를 실린더별 폭발압력 순서에 따라 압력값과 진동값 및 초음파 값으로 변환하는 신호취득 및 처리 단계를 거쳐서, 엔진상태 분석지표를 진단프로그램에서 연산 진단하는 단계를 거치고, 현재의 상태를 기준값과 비교하여 정상상태 여부를 판단하는 단계를 거치며, 신호처리에 의하여 변환된 값으로 실린더별 최종 분석 결과 값을 그래픽으로 표시하거나 진단상태를 출력하여 표시하는 단계를 거치고, 측정된 값과 최종 분석 결과 값을 저장 및 데이터베이스화하는 단계를 거쳐서, 데이터 추이분석을 통하여 엔진상태를 장기적으로 감시 및 평가하는 단계를 포함하는 발전소 디젤엔진 상태진단 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제의 해결 수단은 상태를 진단하고자 하는 디젤엔진 설비에 다중센서를 설치하여 엔진 내외부 상태에 관한 데이터를 취득하고, 정확한 신호계측을 위하여 주변에서 유입되는 잡음을 제거하기 위한 잡음제거필터, 미약한 신호를 증폭하기 위한 신호증폭기, 필요한 주파수 대역의 신호를 취득하기 위한 주파수 대역 필터를 구비하며, 처리된 신호 값으로 계산되는 개별 실린더의 지시출력, 평균 유효압력, 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율 등 엔진 성능이 자동적으로 계산되고, 각 실린더간의 최대값, 최소값, 평균값, 중간값 및 표준편차를 연산하며, 실시간으로 엔진 상태를 설정 값과 비교하여 정상상태인지 비정상상태인지를 판단하고, 흡기, 배기밸브의 개폐시점, 연소시작 시점, 최대 폭발 압력 발생시점 및 실린더 누설상태 등을 확인할 수 있는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 다중센서를 이용하여 디젤엔진의 자체 동작상태, 흡기 및 배기 밸브 동작시점, 연소 시작시점, 최대 폭발 압력 발생 시점, 실린더 마모로 인한 내부 누설 등의 디젤엔진 상태를 종합적으로 정확하게 진단하여 유지 및 보수를 효율적으로 이룰 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 다양한 센서 적용 및 발전소 운전변수 분석으로 디젤엔진의 이상상태를 보다 정확하고 정밀하게 진단 및 점검함으로써 발전소 디젤엔진의 고장 예방과 운전 신뢰도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 센서부와 신호취득 및 처리부를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 제어 및 데이터 표시부를 나타내는 설명도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 제어 및 데이터 표시부의 측정결과를 화면으로 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 데이터베이스를 설명하기 위한 화면.
100 ; 디젤엔진 상태진단 장치 110 ; 센서부
111 ; 압력센서 112 ; 진동센서
113 ; 초음파센서 114 ; 크랭크 축 속도 센서
115 ; 온도센서 117 ; 센서부 전원공급장치
117 ; 윤활유 마모입자 감지 센서
120 ; 신호취득 및 처리부 130 ; 제어 및 데이터 표시부
140 ; 데이터베이스 180 ; 전원부
본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다. 본 발명은 압력센서, 진동센서, 초음파센서, 크랭크 축 속도 센서, 온도센서 및 윤활유 마모입자 감지 센서로 구성된 다중센서를 이용하여 발전소 디젤엔진의 실린더 내외부 종합적인 성능 및 상태를 감지하는 센서부를 구비하고, 상기 센서부를 통해 신호를 취득하고, 취득된 신호를 폭발압력 순서에 따라 압력 값과 진동 값 및 초음파 값으로 변환하는 신호취득 및 처리부를 구비하며, 상기 센서부로부터 신호취득 및 처리하고, 데이터 연산과 데이터 표시 및 저장 등의 장치제어를 담당하고, 신호처리에 의해 변환된 값을 실린더별 분석지표의 결과 값으로 그래프로 표시하거나 진단상태를 나타내는 제어 및 데이터 표시부 및 상기 측정된 값 및 최종분석 결과 값을 저장하고 데이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 장기적으로 감시 및 평가할 수 있는 데이터베이스를 포함하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치를 제공하는데 있다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.
<실시 예>
<실시 예1>
본 발명의 실시 예1을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 실시 예1은 발전소 디젤엔진 상태진단 장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 하나의 실시 예를 블록으로 도시한 것이다.
본 발명은 압력센서, 진동센서, 초음파센서, 크랭크 축 속도센서, 온도센서 및 윤활유 마모입자 감지 센서로 구성된 다중센서를 이용하여 발전소 디젤엔진의 실린더 내외부 종합적인 성능 및 상태를 감지하는 센서부를 구비하고 있다.
또한, 본 발명은 센서부를 통해 데이터를 취득하고, 취득된 신호를 폭발압력 순서에 따라 압력값과 진동값 및 초음파값으로 변환하는 신호취득 및 처리부를 구비하고 있다.
상기 센서부로부터 취득한 신호를 바탕으로 데이터 연산과 데이터 표시 및 저장 등을 수행하며, 신호처리에 의해 디지털 신호로 변환된 값으로 실린더별 분석지표의 결과 값으로 그래프 또는 진단상태를 나타내는 제어 및 데이터 표시부를 구비하고 있다.
상기 센서부로부터 취득한 신호를 A/D 변환기로 변환시킨 값 및 최종 분석 결과 값을 저장하고 데이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 장기적으로 감시 및 평가할 수 있는 데이터베이스를 구비하고 있다.
상기 각각의 구성요소에 대하여 구체적으로 살펴본다. 도 1에서, 발전소 디젤엔진 상태진단 장치(100)는 센서부(110), 신호취득 및 처리부(120), 제어 및 데이터 표시부(130), 데이터베이스(140), 전원부(180)를 포함한다.
도 1에서, 다중센서를 이용한 발전소 디젤엔진 상태진단 장치(100)에는 압력센서(111), 진동센서(112), 초음파센서(113), 크랭크축 속도센서(114), 온도센서(115) 및 윤활유 마모입자 감지센서(117)로 구성된 센서부(110)를 구비하고, 센서부를 통해 디젤엔진 진단에 필요한 신호를 취득한다.
또한, 센서부에 위치한 다양한 센서로부터 취득된 신호를 폭발압력 순서에 따라 압력값, 진동값 및 초음파 값으로 변환하는 신호취득 및 처리부(120)와, 센서부로부터 신호를 취득하여 처리하고, 데이터 연산과 데이터 표시 및 저장하는 기술적 구성을 구비하고 있다.
상기 센서부에서 취득한 신호를 A/D 변환기로 디지틀 신호로 변환하고, 변환된 값을 실린더별 분석지표의 결과 값으로 그래프 또는 진단상태를 나타내는 제어 및 데이터 표시부(130)와, 측정된 값 및 최종분석 결과 값을 저장하고 데이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 장기적으로 감시 및 평가할 수 있는 데이터베이스(140)로 구성할 수 있다.
상기 데이터베이스(140)에 저장된 데이터는 엔진상태를 감시, 진단 및 평가를 하기 위하여 사용할 수 있다.
발전소 디젤엔진 상태진단 장치(100)에는 상태를 진단하고자 하는 디젤엔진 설비의 내외부 일측에 다중센서를 설치하여 디젤엔진 내외부 상태를 나타내는 신호를 취득하고, 정확한 신호계측을 위하여 주변의 잡음을 제거하기 위한 잡음제거필터, 미약한 신호를 증폭하기 위한 신호증폭기 및 최대한 진단에 필요한 신호만을 얻기 위하여 설정된 주파수 대역의 신호를 취득하기 위한 주파수 대역 필터를 통과시켜 신호를 취득하도록 구성되어 있다.
디젤엔진 상태진단 장치(100)에는 잡음제거필터, 신호증폭기 및 주파수 대역필터를 통과한 후, 디지털 신호로 변환된 값을 이용하여 메모리에 탑재된 제어프로그램에 의하여 개별 실린더의 지시출력, 평균 유효압력, 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율 등 엔진 성능을 자동적으로 연산하는 수단 및 각 실린더간의 최대값, 최소값, 평균값 및 표준편차를 연산하여 나타내는 수단을 구비하고 있다.
디젤엔진 상태진단 장치(100)에는 실시간으로 엔진 상태를 진단하고 예측하기 위하여 센서에서 측정한 신호와 메모리에 설정 저장된 설정 값과 비교하여 정상상태인지 비정상상태인지를 진단 판단하는 수단을 구비하고 있다. 예를 들면, 흡기, 배기밸브의 개폐시점, 연소 시작시점, 최대폭발 압력 발생시점 및 실린더 누설상태 등을 확인할 수 있다.
디젤엔진 상태진단 장치(100)에는 디젤엔진의 각 실린더별로 최종분석 결과 데이터를 그래픽으로 출력하고, 진단한 결과 값 및 각 실린더별 연소압력 변화, 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율, 연소 시작시점 및 최대폭발 압력 발생 각도 등을 나타내는 수단을 구비하고 있다.
디젤엔진 상태진단 장치(100)에는 측정값 및 최종 분석결과 값을 저장 관리하기 위한 데이터베이스 및 메모리를 구비하며, 상기 기술한 다양한 구성 및 수단을 수행하기 위한 제어프로그램을 탑재하고 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예1에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 센서부(110)와 신호취득 및 처리부(120)를 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 센서부(110)는 압력센서(111), 진동센서(112), 초음파센서(113), 크랭크축 속도센서(114), 실린더 공급 연료온도 온도측정 센서(115) 및 윤활유 마모입자 센서(117)를 포함한다.
센서부(110)는 발전소 디젤엔진 내부의 압력, 디젤엔진 주요부위의 초음파 신호 및 진동신호, 크랭크축 속도를 측정하고, 실린더 공급연료의 온도분석, 윤활유의 마모입자를 감지하고, 발전소 운전변수를 입력한다. 여기서, 발전소 운전변수는 본 발명에 따른 장치이외의 기 설치된 발전소 측정센서로 측정한 것을 의미하며, 본 발명의 장치에 의하여 별도로 입력될 수 있다.
압력센서(111)는 디젤엔진 실린더 내부의 폭발압력을 측정하여 엔진의 상태를 진단하는데 사용된다. 실린더 내부에서 고온 폭발이 일어나므로 엔진 블록의 인디게이트 밸브 후단에 별도의 보조 치구를 설치하여 간접적으로 압력을 측정한다. 치구를 사용하여 간접적으로 압력을 측정하더라도 고온에 간접적으로 노출되므로 압력센서는 최대 350 ℃의 고온에서 견딜 수 있는 센서를 이용한다. 압력센서(111)에 공급되는 전압은 10V내지 30V사이의 직류전압이 필요하며, 센서 출력전압은 0V내지 5V사이의 직류전압이 되도록 한다.
진동센서(112)는 엔진의 진동을 측정하여 밸브의 작동상태 및 내부 폭발 상태를 진단하는 목적으로 사용된다. 고감도의 진동측정이 요구되므로 진동센서(112)는 500mV/g 이상의 감도를 갖는 센서로 구성한다. 진동센서는 데이터 취득장치로부터 전원을 공급받도록 구성된 내부 증폭형 가속도 센서(integrated circuit piezoelectric - ICP)를 사용하며, 그중 타 장비와의 호환성 등을 고려하여 18V내지 24V사이의 입력 전압이 가해지는 ICP(126) 형식의 가속도계로 측정한다. 진동센서는 엔진의 상태를 측정하기 위한 센서임을 고려하여 엔진블록에 간편한 설치를 위하여 자석 스터드(Stud)를 이용한 진동측정 보조 치구를 별도 제작하여 사용할 수 있다.
초음파센서(113)는 동작중인 디젤엔진에서 발생하는 초음파 신호를 엔진 블록에 설치되어 밸브의 작동상태 및 내부 폭발상태를 진단하는 목적으로 사용된다. 특히, 약 44 ㎑까지의 고주파 성분을 측정하여 엔진의 동작 상태를 정확히 측정하는 목적으로 사용된다. 초음파센서(113)는 10 ㎐내지 120 ㎑까지 일정한 응답을 하는 기능을 구비하여 모든 주파수의 초음파 성분을 계측한다. 또한, 0.5 mV/Pa 이상의 충분한 감도를 갖추고 있으며, 전치증폭기(preamplifier)(127)는 측정 주파수 범위 이상의 모든 주파수에서 고른 응답을 갖추어야 한다. 초음파 센서의 감도를 증가시키고 측정의 편의를 위해 별도의 측정 치구를 제작하여 사용할 수 있다.
크랭크축 속도센서(rpm센서)(114)는 각 실린더의 매순간 피스톤 위치를 측정하기 위하여 사용된다. 크랭크축 속도센서(114)는 1회전 당 1개 이상의 펄스를 발생시켜서 엔진의 상사점(TDC)을 기준으로 상대 위치를 정확히 진단할 수 있도록 설치할 수 있다.
비상발전기의 특성상 크랭크축 속도센서(114)는 광학방식(optical sensor) 혹은 레이저 방식(laser Sensor)로 구성할 수 있으며, 엔진 크랭크축에 설치되어 최소 3m이상의 작동거리를 확보할 수 있도록 한다. 크랭크축 속도센서(114)의 수평상태 유지를 확인할 수 있는 보조치구를 제작하여 사용할 수 있다. 크랭크축 속도센서(114)의 속도 측정범위(speed range)가 1내지 250,000 RPM사이, 출력신호(output signal)가 0V내지 5V사이, 측정거리(operating range)가 최대 3m로 구성할 수 있다.
온도센서(115)는 적외선 방식으로 구성되어 연료펌프 후단에 설치되어, 실린더로 흡입되는 연료의 온도를 측정한다. 측정온도의 범위는 -30℃내지 100℃사이로 실린더로 흡입되는 연료의 온도측정이 가능하도록 구성되어 있다.
센서부의 전원공급장치(116)는 외부로부터 전원공급을 받은 후, 센서부(110)와 신호취득 및 처리부(120)에 각각 구동에 적합한 전원을 공급하기 위한 장치이다. 전원공급이 필요한 센서는 진동센서(112), 초음파센서(113) 및 크랭크축 속도센서(114)이며, 각각 직류 12 V를 공급할 수 있다. 또한 신호취득 및 처리부(120)에도 동일한 전압크기인 직류 12 V를 공급할 수 있다.
윤활유 마모입자 센서(117)는 별도의 분석기에 장착시켜 디젤엔진의 오일을 샘플로 받아 마모입자에 대한 성분을 분석한 후, 측정된 데이터를 RS-232를 통한 통신방식으로 디젤엔진 상태진단 장치(100)에 오프라인(off-line) 또는 온라인(on-line)으로 전송 및 입력하도록 구성되어 있다.
신호취득 및 처리부(120)는 주전원 공급장치(180), 데이터 취득장치(DAQ)(121) 및 전원 공급장치(122), 압력신호 입력모듈(123), 진동신호 입력모듈(124), 크랭크 축 속도 및 온도 입력모듈(125), 진동신호 증폭기(126) 및 초음파신호 증폭기(127)를 포함한다.
신호취득 및 처리부(120)는 다양한 센서로부터 측정된 신호를 분석하기 위하여 데이터를 수집 처리하는 역할을 하며, 센서부에서 측정한 신호를 증폭하는 신호증폭기와 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 잡음제거필터를 구비하며, 측정한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기(Analog to Digital Converter)로 구성된다.
신호취득 및 처리부(120)는 휴대가 가능하도록 간결하고 견고하게 구성되며, 발전소 디젤엔진의 모든 채널의 측정이 가능하도록 한 번에 측정 가능한 채널은 압력센서 8채널, 가속진동센서 2채널, 초음파 센서 2채널, 온도센서 1채널, 크랭크 축 속도센서(rpm 센서) 1채널로 구성할 수 있다. 또한 오일 마모분석기와의 연결을 위해 RS-232 통신포트를 구비할 수 있다.
신호취득 및 처리부(120)의 측정 신호 수집 속도(sampling rate)는 최소 100 kS/s 가 되도록 구성하고, 모든 채널의 동기화를 이루어지도록 구성되어 있다. 그리고 측정 분해 능력(signal resolution)은 16 Bit 이상으로 하여 정확한 측정이 가능하도록 구성한다.
도 4는 본 발명의 실시 예1에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 제어 및 데이터 표시부(130)를 나타낸 것이다. 컴퓨터 또는 마이크로프로세서가 탑재된 제어기는 데이터 취득장치(DAQ)(121)와 제어 및 데이터 표시부(130)를 구비하고, 디젤엔진 상태진단장치의 제어 및 측정 데이터의 분석, 측정 데이터를 저장하는 역할을 수행한다.
도 4의 디젤엔진 상태진단 장치의 제어 및 데이터 표시부(130)를 나타낸 것이다.
상기 제어 및 데이터 표시부(130)의 데이터 표시화면(300)은 분석지표 연산결과를 나타내는 분석지표 표시부(310), 다중센서들로부터 측정된 신호 및 측정된 신호를 바탕으로 분석된 결과를 화면에 표시하는 신호분석 결과 표시부(320), 데이터 취득 및 저장조건을 설정할 수 있도록 화면에 배치된 데이터 설정 표시부(330) 및 측정하고자 하는 엔진 실린더를 선택하고 분석이 필요한 분석지표를 입력하여 표시하도록 해주는 실린더 선택 표시부(340)를 포함한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 제어 및 데이터 표시부(130)에서 측정결과를 화면으로 나타낸 것이다.
도 5의 측정결과를 나타낸 제어 및 데이터 표시부(130)의 화면에서, 각 측정된 신호를 X축(321)에 크랭크 축 각도(degree, 도)로 표시하고, Y축(322)에 각 측정 신호의 크기를 나타낸다. 상기 도 5를 참조하면, 측정결과 화면에는 진동신호(323), 열발생율 곡선(324), 압력신호(325), 초음파신호(326) 및 기타 측정신호(327) 등을 표시할 수 있다.
상기 제어 및 데이터 표시부(130)의 측정 및 분석 결과를 표시함에 있어서, 측정된 모든 데이터는 엑셀 형태로 출력이 가능하도록 구성하며, 분석결과는 정형화된 진단 상태를 표시 출력할 수 있으며, 동일한 형태의 엑셀로 진단상태를 출력할 수 있도록 구성되어 있다.
또한, 진단상태의 표시는 템플릿 형태로 구성되어 사용자가 실행프로그램에서 주어진 기초서식에서 편집하고 저장할 수 있도록 구성되어 있다.
상기 제어 및 데이터 표시부(130)의 측정 및 분석 결과의 저장에 있어서, 측정 및 분석 결과는 파일 형태로 저장되며, 하나의 파일에 모든 데이터가 포함되어 파일단위로 관리가 가능하도록 구성된다. 또한, 파일의 크기는 최소화되도록 구성하고, 저장의 형태가 타 프로그램과 쉽게 호환될 수 있도록 구성한다. 특정한 템플릿에 따라 작성한 엑셀파일 형태의 데이터를 입력받을 수 있도록 구성한다.
도 6은 본 발명의 실시 예1에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 장치의 데이터베이스(140)를 설명하기 위한 화면을 나타낸 것이다.
상기 데이터베이스(140)는 주요 분석지표를 포함하는 엔진 진단 데이터를 각 발전소 측정 주기별(계획예방정비 전/후)로 추이를 비교할 수 있도록 구성하고, 사용자가 진단변수를 선택하여 측정데이터의 추이를 비교하여 진단 예측할 수 있다.
그리고 운전변수 데이터를 각 발전소 측정 주기별(계획예방정비 전/후) 추이를 비교할 수 있도록 구성하고, 사용자가 운전변수를 선택하여 운전변수의 추이를 비교할 수 있다.
도 6의 디젤엔진 상태진단 장치의 데이터베이스(140)에서, 측정된 값 및 최종 분석 결과 값을 저장하고, 데이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 장기적으로 감시 및 평가할 수 있는 데이터베이스의 분석 화면(400)은 추이분석 화면(410), 일자 및 시간별로 데이터베이스에 저장하기 위한 화면(420), 데이터베이스에 필요한 계층구조 및 측정변수를 설정하기 위한 화면(430) 및 추이분석 화면의 크기를 커서를 이용하여 판독하도록 해주는 추이분석 화면 크기표시 화면(440) 등을 포함시켜 구성할 수 있다.
<실시 예2>
본 발명의 실시 예2를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 실시 예2는 발전소 디젤엔진 상태진단 방법에 관한 것이다. 도 2는 본 발명의 실시 예2에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 방법을 설명하기 위한 순서를 도시한 것이다.
본 발명의 실시 예2에 따른 발전소 디젤엔진 상태진단 방법에는 압력센서, 초음파센서, 진동센서, 크랭크 축 속도 센서, 온도센서 및 윤활유 마모입자 센서 등을 통해 데이터를 취득하고, 취득된 신호를 실린더별 폭발압력 순서에 따라 압력값, 진동값 및 초음파 값으로 변환하는 신호취득 및 처리 단계를 포함한다.
발전소 디젤엔진 상태진단 방법에는 엔진상태 분석지표를 진단프로그램에서 연산하는 단계를 포함하고, 측정값과 메모리에 설정 저장된 설정 값과 비교하여 정상상태 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
발전소 디젤엔진 상태진단 방법에는 신호처리에 의해 변환된 값을 바탕으로 분석된 실린더별 최종 분석 결과 값을 그래픽으로 표시하거나 진단상태를 데이터로 출력 표시하는 단계를 포함하며, 다양한 센서에서 측정한 값과 최종 분석 결과 값을 저장 및 데이터베이스화하는 단계를 포함한다.
실시 예2의 발전소 디젤엔진 상태진단 방법은 상기 실시 예1로부터 용이하게 예측 가능한 것에 관해서는 구체적인 기술을 생략한다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 앞서 기술한 실시 예1과 실시 예2에 기초하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 앞서 기술한 실시 예1과 실시 예2로부터 다양하게 변형할 수 있을 것이나 이러한 변형 역시 본 발명의 보호범위에 속한다.
본 발명은 디젤엔진 압력, 초음파 신호 및 진동신호를 크랭크축 속도값과 동시에 측정하여 각 실린더별로 4행정 또는 2행정기간동안 실린더 내외부의 동작 상태가 정상적인 동작을 하는지 감지하고, 다중센서를 이용한 측정 신호 분석 및 발전소 운전변수 분석을 통하여, 최종적으로 발전소 디젤엔진의 이상 상태를 종합적으로 진단 판단할 수 있는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치 및 방법을 제공하여 디젤엔진 상태를 종합적으로 정확하게 진단하여 유지 및 보수를 효율적으로 이룰 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.

Claims (23)

  1. 발전소 디젤엔진 상태진단 장치에 있어서,
    압력센서, 진동센서, 초음파센서, 크랭크 축 속도 센서, 온도센서 및 윤활유 마모입자 감지 센서를 이용하여 발전소 디젤엔진의 실린더 내외부의 상태를 감지하는 센서부;
    상기 센서부를 통해 데이터를 취득하고, 취득된 신호를 크랭크 축 각도와 동시에 측정된 값을 통해 2행정 또는 4행정기간의 폭발 순서에 따라 압력값과 진동값 및 초음파값으로 변환하는 신호취득 및 처리부;
    상기 센서부로부터 신호취득 및 처리된 데이터를 표시하고, 신호처리에 의해 변환된 값을 실린더별 분석지표의 결과 값으로 그래프로 표시하기 위한 데이터 표시부; 및
    상기 측정된 값 및 최종 분석 결과 값을 저장하고, 데이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 감시 및 진단하는데 필요한 데이터베이스를 포함하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는 엔진의 상태를 진단하기 위하여 크랭크 축 각 속도와 동시에 엔진 실린더 내부의 압력을 측정하기 위한 압력센서;
    크랭크 축 각 속도와 동시에 엔진의 진동을 측정하여 흡배기 밸브의 작동상태 및 내부 이상 상태를 진단하기 위한 진동센서;
    크랭크 축 각 속도와 동시에 엔진의 초음파 신호를 측정하여 흡배기 밸브의 작동상태 및 연료펌프의 동작상태를 진단하기 위한 초음파센서;
    각 실린더의 매순간 피스톤 위치를 측정하기 위한 크랭크 축 속도 센서;
    연료펌프 후단에서 실린더로 흡입되는 연료의 온도를 측정하기 위한 온도센서; 및
    디젤엔진의 오일을 샘플로 받아 마모입자에 대한 성분을 분석한 후, 디젤엔진 상태진단 장치에 전송 및 입력하는 윤활유 마모입자 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 압력센서는 최대 350 ℃의 고온에서 견딜 수 있고, 센서 공급 전압이 10?30 V의 직류전압의 공급을 필요로 하며, 센서 출력전압이 0?5 V의 직류전압이 되는 것을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 진동센서는 500 mV/g 이상의 고감도이고, 내부 증폭형 가속도 센서로 구성됨을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 초음파센서는 44 ㎑까지의 고주파 성분을 측정하고, 0.5 mV/Pa 이상의 감도를 구비함을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 크랭크 축 속도 센서는 발전소 디젤엔진의 특성상 광학방식 혹은 레이저 방식으로 구성되며, 속도 측정범위는 1?250,000 RPM 이고, 출력신호는 0?5V 이며, 측정거리가 최대 3m로 구성됨을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 온도 센서는 적외선 방식으로 -30℃?100℃의 측정 온도 범위를 가짐을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 윤활유 마모입자 센서는 별도의 분석기에 장착시켜 측정된 데이터를 RS-232를 통한 통신방식으로 디젤엔진 상태진단 장치(100)에 오프라인으로 전송 및 입력하는 것을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 센서부의 진동센서, 초음파센서 및 크랭크 축 속도 센서에 각각 직류 12 V를 공급할 수 있는 전원공급장치를 구비함을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 신호취득 및 처리부는 상기 센서부의 센서들로부터 측정 입력되는 신호들에 포함된 잡음을 제거하기 위한 잡음제거필터;
    상기 잡음제거필터로 잡음을 제거한 후, 미약한 신호를 증폭하기 위한 신호증폭기;
    디젤엔진 상태를 진단할 때 필요한 주파수 대역의 신호를 취득하기 위한 주파수 대역 필터;
    상기 잡음제거필터, 신호증폭기 및 주파수 대역 필터를 거쳐서 나온 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 변환기; 및
    디지털신호로 변환된 데이터는 메모리에 저장된 설정값과 비교하여 이상여부를 진단 판단하는 수단을 구비한 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 신호취득 및 처리부는 센서들로부터 측정된 신호들을 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 바탕으로 계산되는 개별 실린더의 지시출력, 평균 유효압력 및 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율을 연산하는 수단;
    각 실린더간의 최대값, 최소값, 평균값, 중간값 및 표준편차를 나타내는 수단; 및
    엔진 상태를 메모리에 저장된 설정 값과 비교하여 배기밸브의 개폐시점, 연소 시작 시점, 최대 폭발 압력 발생시점 및 실린더 누설 상태를 진단하여 정상상태인지 비정상상태인지를 진단 판단하는 수단을 구비한 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 발전소 디젤엔진 상태진단 장치는 디젤엔진의 각 실린더별 최종분석 결과 데이터를 그래픽, 각 실린더별 연소압력 변화, 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율, 연소 시작 시점 및 최대 폭발 압력 발생 각도를 나타내는 수단; 및
    측정값 및 최종 분석결과 값을 저장 구축된 데이터베이스를 통하여 필요한 테이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 실시간으로 감시 및 진단하는 수단을 구비한 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 디젤엔진 상태진단 장치에는 측정결과 화면에, 각 측정된 신호를 X축에 크랭크 축 각도로 표시하고, Y축에 각 측정 신호의 크기를 나타내며,
    진동신호, 열발생율 곡선, 압력신호, 초음파신호 및 측정신호를 나타내기 위한 제어 및 데이터 표시부를 더 구비함을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 신호취득 및 처리부는 발전소 디젤엔진의 진단을 한 번에 할 수 있도록 압력센서 8채널, 가속진동센서 2채널, 초음파센서 2채널, 온도센서 1채널, 크랭크 축 속도센서 1채널로 구성함을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 신호취득 및 처리부는 오일 마모분석기와의 연결을 위해 RS-232 포트가 구비됨을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 신호취득 및 처리부는 측정신호 수집 속도를 최소 100 kS/s로 구성하고, 모든 채널의 동기화가 이루어지도록 구성되고,
    측정 분해 능력은 16 비트 이상으로 구성함을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 장치.
  17. 발전소 디젤엔진 상태진단방법에서
    압력센서, 초음파센서, 진동센서, 크랭크 축 속도 센서, 온도센서 및 윤활유 마모입자 센서 등을 통해 데이터를 취득하고, 취득된 신호를 실린더별 폭발압력 순서에 따라 압력값, 진동값 및 초음파 값으로 변환하는 신호취득 및 처리하는 단계;
    엔진상태 분석지표를 진단프로그램에서 연산하는 단계;
    실시간으로 메모리에 저장된 설정값과 비교하여 정상상태 여부를 진단 판단하는 단계;
    상기 신호취득 및 처리하는 단계에서 디지털신호로 변환된 값에 기초하여 실린더별 최종 분석 결과값을 그래픽으로 데이터를 표시하는 단계;
    측정된 값과 최종 분석 결과값을 저장 및 데이터베이스화하는 단계; 및
    데이터 추이분석을 통하여 엔진상태를 장기적으로 감시 및 평가하는 단계를 포함하는 발전소 디젤엔진 상태진단 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 신호취득 및 처리하는 단계는 엔진 내외부의 상태진단을 위하여 센서를 이용하여 신호를 취득하고, 정확한 신호취득을 위하여 잡음제거필터로 잡음을 제거하는 단계;
    신호증폭기로 미약한 신호를 증폭하는 단계; 및
    주파수 대역 필터로 디젤엔진 진단에 필요한 주파수 대역의 신호를 취득하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 신호취득 및 처리하는 단계는 센서들로부터 측정된 신호들을 디지털 신호로 변환하고, 변환된 디지털 신호를 바탕으로 계산되는 개별 실린더의 지시출력, 평균 유효압력 및 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율을 연산하는 단계;
    각 실린더간의 최대값, 최소값, 평균값, 중간값 및 표준편차를 나타내는 단계; 및
    엔진 상태를 메모리에 저장된 설정값과 비교하여 배기밸브의 개폐시점, 연소 시작 시점, 최대 폭발 압력 발생시점 및 실린더 누설 상태를 진단하여 정상상태인지 비정상상태인지를 진단 판단하는 단계를 더 구비한 발전소 디젤엔진 상태진단방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 발전소 디젤엔진 상태진단 방법은 디젤엔진의 각 실린더별 최종분석 결과 데이터, 각 실린더별 연소압력 변화, 실린더별 크랭크 각속도대비 열발생율, 연소 시작 시점 및 최대 폭발 압력 발생 각도를 표시부에 나타내는 단계; 및
    측정값 및 최종 분석결과 값을 저장 구축된 데이터베이스를 통하여 필요한 테이터의 추이분석을 통하여 엔진상태를 실시간으로 감시 및 진단하는 단계를 더 구비한 발전소 디젤엔진 상태진단 방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 발전소 디젤엔진 상태진단 방법은 제어 및 데이터 표시부를 통해서 측정결과를 화면에 표시하되, 각 측정된 신호를 X축에 크랭크 축 각도로 표시하고, Y축에 각 측정 신호의 크기를 나타내는 단계; 및
    진동신호, 열발생율 곡선, 압력신호, 초음파신호 및 기타 측정신호를 나타내는 단계를 더 구비함을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 디젤엔진 상태진단 장치의 데이터베이스는 엔진 진단 데이터를 각 발전소 측정 주기별로 추이를 비교할 수 있도록 구성하고, 사용자가 진단 변수를 선택하여 측정데이터의 추이를 비교할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단방법.
  23. 제20항 또는 제22항에 있어서,
    상기 디젤엔진 상태진단 장치의 데이터베이스는 운전 변수 데이터를 각 발전소 측정 주기별 추이를 비교할 수 있도록 구성하고, 사용자가 운전 변수를 선택하여 운전변수의 추이를 비교할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 발전소 디젤엔진 상태진단방법.
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