KR101187832B1 - 증기 터빈의 수명예측방법 - Google Patents

Abstract

장시간 운전에 따라 열화가 된 발전소 증기터빈에 대하여 국부 영역까지도 정확하게 손상율 및 수명을 예측하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, 발전소 증기터빈의 로터와 케이싱의 국부 영역을 대상으로 압입 시험기를 이용하여 운전 전, 후의 탄성 계수, 경도, 항복강도, 인장강도 중 적어도 하나 이상을 측정하는 인장 물성 측정모듈, 상기 인장 물성 측정모듈에서 측정된 인장 물성의 정보를 이용하여 상기 국부 영역의 손상율(D_total)을 계산하는 손상율 계산모듈, 및 손상율(D_total = D)과 발전소 증기터빈을 운전한 입력된 운전 시간(t_op)을 이용하여 로터 및 케이싱의 잔여 수명(t_r)을 계산하는 잔여 수명 계산모듈을 포함하는 수명예측 시스템이 제공된다.

이에, 본 발명은 증기터빈의 측정이 쉽지 않은 국부 영역까지도 절연 상태에 따른 손상율 및 잔여 수명을 정확히 계산해 내어 잔여 수명을 예측함으로써, 발전설비의 안전성을 도모하고, 운영 비용을 절감하는 효과가 달성된다.

증기 터빈, 국부 영역, 잔여 수명, 손상율, 인장 물성, 열화

Description

증기 터빈의 수명예측방법{METHOD FOR PREDICTING LIFE OF STEAM TURBINE}

본 발명은 장시간 운전에 따라 열화가 된 발전소 증기터빈에 대하여 국부 영역까지도 정확하게 손상율 및 수명을 예측하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

발전소 등 산업플랜트의 증기터빈 설비는 장시간의 경년열화에 따라 강도가 저하되기 때문에 효과적인 유지 및 관리가 요구되며 이에 따라 증기터빈 설비의 수명 평가가 무엇보다 중요한 실정이다. 증기터빈의 정확한 수명평가를 위해서는 기계적 또는 열하중에 의한 재료 물성의 저하정도를 정확하게 측정하는 것이 필요하지만 현재까지 손상이 발생하는 영역에 대해 직접적으로 강도의 저하 정도를 평가하는 방법은 전무하였다.

그나마, 현재까지 종래의 수명 평가 방법으로는 증기터빈 설비에 대한 운전 조건, 해당 설비의 모델링, 온도 및 응력 해석을 통한 이론적 해석 방법과 설비 조직 복제를 통한 미세 조직의 경년 열화 평가, 경도 시험, 비파괴 시험 등의 방법이 종합적으로 평가됨으로써, 증기 터빈 설비의 잔여 수명을 평가할 수 있었다.

특히, 종래의 현장 시험 중에서 경도 시험은 휴대용 경도계를 통해 간편하게 수행할 수 있었지만, 데이터의 불완전성, 해석의 오류, 시험의 불완전성 등에 의한 오차가 있을 뿐만 아니라 간접적인 강도 예측 방법이라는 근본적인 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 화력발전소 터빈 설비의 수명을 평가함에 있어, 손상이 주로 발생하는 국부 영역에 대하여 휴대용 압입시험기를 이용하여 인장물성을 측정하고, 이를 이용하여 손상율 및 잔여 수명을 예측하여 발전설비의 안전성을 도모하기 위한 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, 발전소 증기터빈의 로터와 케이싱의 국부 영역을 대상으로 압입 시험기를 이용하여 인장 물성(E_aged, H_aged, E_virgin, H_virgin, σ_y, σ_u)을 측정한 후, 하기의 식 (1)에 입력하여 해당 국부 영역의 손상율(D_total)을 계산하는 수명예측 방법이 제공된다.

----------------- 식 (1)

삭제

여기서, 상기 E_aged, H_aged는 로터와 케이싱을 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이고, 상기 E_virgin, H_virgin는 로터와 케이싱을 운전하기 전에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이며, 상기 σ_y는 운전 전에 해당 국부 영역에서 측정된 항복강도이고, 상기 σ_u는 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 인장강도이며, 상기 α,β는 로터와 케이싱 재료에 특성에 따라 부여된 변수 값을 나타낸다.

또한, 상기 식 (1)에 의해 계산된 손상율(D_total = D)과 발전소 증기터빈을 운전한 입력된 운전 시간(t_op)을 이용하여 하기의 식 (2)와 같이 로터 및 케이싱의 잔여 수명(t_r)을 계산하는 방법이 더 제공된다.

..... 식 (2)

또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 발전소 증기터빈의 로터와 케이싱의 국부 영역을 대상으로 압입 시험기를 이용하여 운전 전,후의 탄성 계수, 경도, 항복강도, 인장강도 중 적어도 하나 이상을 측정하는 인장 물성 측정모듈, 및 상기 인장 물성 측정모듈에서 측정된 인장 물성의 정보를 이용하여 상기 국부 영역의 손상율(D_total)을 계산하는 손상율 계산모듈을 포함하는 수명예측 시스템이 제공된다.

여기서, 상기 손상율 계산모듈은, 상기 인장 물성의 정보를 하기 식 (1)에 입력하여 국부 영역의 손상율(D_total)을 계산하게 된다.

..... 식 (1)

상기 E_aged, H_aged는 로터와 케이싱을 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이고, 상기 E_virgin, H_virgin는 로터와 케이싱을 운전하기 전에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이며, 상기 σ_y는 운전 전에 해당 국부 영역에서 측정된 항복강도이고, 상기 σ_u는 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 인장강도이며, 상기 α,β는 로터와 케이싱 재료에 특성에 따라 부여된 변수 값을 나타냄.

또한, 상기 수명예측 시스템은, 상기 식 (1)에 의해 계산된 손상율(D_total = D)과 발전소 증기터빈을 운전한 입력된 운전 시간(t_op)을 이용하여 로터 및 케이싱의 잔여 수명(t_r)을 계산하는 잔여 수명 계산모듈 및 상기 측정된 인장 물성과, 계산된 손상율 및 잔여 수명의 결과를 사용자의 요청 또는 모듈 수행 결과에 의해 사용자 편의적인 인터페이스로 표시하는 정보 표시모듈을 더 포함한다.

또한, 상기 잔여 수명 계산모듈은, 하기의 식 (2)와 같이 로터 및 케이싱의 잔여 수명(t_r)을 계산할 수 다.

..... 식 (2)

본 발명에 의하면, 증기터빈의 측정이 쉽지 않은 국부 영역까지도 절연 상태에 따른 손상율 및 잔여 수명을 정확히 계산해 내어 잔여 수명을 예측함으로써, 발 전설비의 안전성을 도모하고, 운영 비용을 절감하는 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 청구항에 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 증기터빈의 잔여 수명을 예측하기 위한 전체 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 증기터빈의 잔여 수 명을 예측하기 위한 전체 구성은, 운전 전의 절연 열화 현상이 발생하지 않거나 운전 중에 절연 열화 현상이 발생하는 대상인 발전소 증기터빈의 로터와 케이싱의 국부 영역(300)과 상기 국부 영역(300)을 대상으로 인장 물성을 측정하는 도구로서의 압입 시험기(200) 및 상기 압입 시험(200)에 의해 측정된 인장 물성의 정보를 이용하여 로터 또는 케이싱 국부 영역의 손상된 정도를 파악하는 손상율과, 잔여 수명을 계산하는 수명 예측 시스템(100)을 포함한다.

여기서, 국부 영역을 포함하는 로터와 케이싱에 대하여 언급하였으나, 보다 구체적인 일례로, 로터의 형상을 도 2와 같이 나타낼 수 있다.

도 2는 본 발명의 측정 대상체인 로터와 국부 영역을 일례로 나타낸 형상도로서, 본 발명의 측정 대상체인 로터는 측정 대상이 되는 3개의 국부 영역(310, 320, 330)으로 구분되는데, 제1 국부 영역(310)은 고압 inlet 부위로, 증기 터빈이 운전 중일 경우에 열화 현상이 심하게 발생하는 부위이고, 제2 및 제3 국부 영역(320, 330)은 각각 터빈 고압부 outlet과 커플링 영역 부위로, 증기 터빈이 운전하기 전, 다시 말해 증기 터빈이 사용되기 전의 열화 현상이 발생하지 않는 부위를 가리킨다. 이러한 제1 내지 제3 국부 영역(310, 320, 330)에 대하여 본 발명에서는 측정 대상 영역으로 예시적으로 이용하게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 터빈의 수명을 예측하기 위한 시스템(100)을 보다 상세하게 예시적으로 나타낸 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수명 예측 시스템(100)은 인장 물성 측정모듈(110), 손상율 계산모듈(120), 잔여 수명 계산모 듈(130), 정보 표시모듈(140), 제어모듈(150) 및 정보 데이터베이스(160)을 포함한다.

먼저, 인장 물성 측정모듈(110)에 대하여 살펴보면, 본 발명의 인장 물성 측정모듈(110)은 발전소 증기터빈의 로터와 케이싱의 국부 영역(310, 320, 330)을 대상으로 압입 시험기(200)를 이용하여 운전 전,후의 탄성 계수, 경도, 항복강도, 인장강도 중 적어도 하나 이상을 측정하는 기능을 수행한다. 여기서, 압입 시험기(200)를 이용하여 측정된 인장 물성의 정보는 로터와 케이싱을 운전 후에 해당 국부 영역(310)에서 측정된 탄성 계수(E_aged)와 경도(H_aged), 로터와 케이싱을 운전하기 전에 해당 국부 영역(320, 330)에서 측정된 탄성 계수(E_virgin)와 경도(H_virgin), 상기 운전 전에 해당 국부 영역(320, 330)에서 측정된 항복강도(σ_y), 상기 운전 후에 해당 국부 영역(310)에서 측정된 인장강도(σ_u) 및 로터와 케이싱 재료에 특성에 따라 부여된 상수(α,β) 등이 이에 해당될 수 있다. 이와 같이 획득된 인장 물성 정보는 정보 데이터베이스(160)에 저장된다.

다음으로, 본 발명의 손상율 계산모듈(120)은 인장 물성 측정모듈(110)에서 측정된 인장 물성의 정보 또는 정보 데이터베이스에(160)에 저장된 인장 물성 정보를 이용하여 상기 국부 영역의 손상율(D_total)을 계산하는 기능을 수행한다. 즉, 본 발명의 손상율 계산모듈(120)은 하기 식 (1)에 인장 물성 측정모듈(110)에서 측정된 인장 물성 파라미터를 해당 변수 값으로 입력하여 국부 영역의 손상율(D_total)을 계산하게 되는 것이다.

..... 식 (1)
식(1)에서, 상기 D_E와 D_H 는 탄성 및 소성변형과 관련한 손상율이고, E_aged, H_aged 는 로터와 케이싱을 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이고, 상기 E_virgin, H_virgin은 로터와 케이싱을 운전하기 전에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이며, 상기 σ_{y_virgin}, σ_{u_virgin} 는 운전하기 전에 해당 국부 영역에서 측정된 항복강도 및 인장강도이고, 상기 σ_{y_aged},σ_{u_aged} 는 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 항복 강도 및 인장강도이며, 상기 알파(α)와 베타(β)는 로터와 케이싱 재료에 특성에 따라 정해지는 상수이다.

상기 운전 후의 해당 국부 영역(310)은 앞서 설명한 바와 같이 열화 현상이 많이 발생하는 부위로, 시험 결과에 의한 확인된 결과 부위이며, 상기 운전 전의 해당 국부 영역(320, 330)은 앞서 설명한 바와 같이 열환 현상이 없는 부위 또는 적게 발생하는 부위로, 마찬가지로 시험 결과에 의한 확인된 결과 부위임을 충분히 알 수 있다. 이와 같이 획득된 손상율 정보는 정보 데이터베이스(160)에 저장된다.

다음으로, 본 발명의 잔여 수명 계산모듈(130)은 상기 식 (1)에 의해 계산된 손상율(D_total = D)과 발전소 증기터빈을 운전 중 사용자로부터 입력된 운전 시간(t_op)이 입력될 경우에 상기 운전 시간(t_op)을 이용하여 로터 및 케이싱의 잔여 수명(t_r)을 계산하는 기능을 수행하게 되는데, 하기의 식 (2)와 같이 로터 및 케이싱의 잔여 수명(t_r)을 계산할 수 있게 된다.

..... 식 (2)

이와 같이, 본 실시예에서는 압입 시험기(200)를 이용하여 운전 중 및 운전 전의 국부 영역을 대상으로 하여 인장물성을 측정하고, 이를 이용하여 증기터빈에 열화 현상이 많이 발생하는 국부 영역의 손상율과 잔여 수명을 신속하게 계산함으로써, 발전 설비의 관리 안전성을 크게 이룰 수 있다. 이와 같이 획득된 잔여 수명 정보는 정보 데이터베이스(160)에 저장된다.

다음으로, 본 발명의 정보 표시모듈(140)은 인장 물성 측정모듈(110), 손상율 계산모듈(120), 잔여 수명 계산모듈(130)에 의해 각각 획득된 인장 물성, 손상율 및 잔여 수명의 결과를 화면에 표시하는 기능을 수행하게 되는데, 인장 물성, 손상율 및 잔여 수명의 결과를 사용자의 요청 또는 모듈 수행 결과에 의한 자동으로 사용자 편의적인 인터페이스로 화면에 표시하게 된다. 이때, 사용자의 요청에 의해 인장 물성, 손상율 및 잔여 수명의 결과가 표시하게 되면, 인장 물성, 손상율 및 잔여 수명 정보는 정보 데이터베이스(160)에 저장되어 있음은 자명한 것이다.

마지막으로, 본 발명의 제어모듈(150)은 인장 물성 측정모듈(110), 손상율 계산모듈(120), 잔여 수명 계산모듈(130), 정보 표시모듈(140) 및 정보 데이터베이스(160) 간의 데이터 흐름을 제어하는 기능을 수행하며, 정보 데이터베이스(160)은 앞서 언급하였지만, 각 모듈의 수행 결과를 저장하는 장소이다. 이러한 정보 데이터베이스(160)는 협의의 데이터베이스뿐만 아니라, 파일 시스템에 기반한 데이터 기록 등을 포함하는 넓은 의미의 데이터베이스도 포함하여 지칭하며, 단순한 로그의 집합이라도 이를 검색하여 데이터를 추출할 수 있다면 본 발명에서 말하는 데이터베이스에 포함될 수 있다.

이하에서는 정보 표시모듈(140)과 연동하는 메뉴 환경에 대하여 설명하기로 한다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 표시모듈(140)과 연동하는 사용자 편의적인 메뉴를 예시적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 도 4의 사용자 편의적인 메뉴는 압입 시험기(200)를 이용하여 증기터빈의 국부 영역을 대상으로 압시 시험하는데 필요한 기본 정보 또는 손상율과 잔여 수명을 예측하는데 필요한 기본 정보들을 입력할 수 있는 환경을 보여주며, 사용자에 의해 발전소의 재료 특성 정보, 위치 정보, 운전 조건 정보(온도, 압력 등), 운전 시간 정보 등이 입력될 수 있다.

도 5의 사용자 편의적인 메뉴는 도 2 및 도 3에서 설명한 로터의 국부 영역 위치에 따라 상기 국부 영역을 대상으로 인장 물성을 사용자의 요청으로 측정을 시작하고, 멈출수 있는 환경을 보여주며, 도 6의 사용자 편의적인 메뉴는 인장 물성 측정모듈(110)에 의해 측정된 인장 물성의 데이터를 불러와 분석하고, 때로는 수정 결과를 입력할 수 있는 환경을 보여준다.

도 7의 사용자 편의적인 메뉴는 증기 터빈의 로터 및 케이싱에 대한 최종 잔여 수명을 평가하기 위한 메뉴 구성으로, 사용자 요청 또는 자동적으로 손상율 계산모듈(120) 및 잔여 수명 계산모듈(130)이 수행되어, 그 수행 결과로 손상율 및 잔여 수명의 계산 결과가 표시됨을 보여주고 있다. 이와 같이, 증기 터빈 로터 및 케이싱(300A)의 잔여 수명 예측과 관련한 사용자 편의적인 메뉴가 위와 같이 구현됨으로써, 신속하게 발전 설비의 안전성을 확인 가능하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈의 잔여 수명을 예측하기 위한 전체 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 측정 대상체인 로터와 국부 영역을 일례로 나타낸 형상도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기 터빈의 수명을 예측하기 위한 시스템(100)을 보다 상세하게 예시적으로 나타낸 구성도이다.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보 표시모듈(140)과 연동하는 사용자 편의적인 메뉴를 예시적으로 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 수명 예측 시스템 110 : 인장 물성 측정모듈

120 : 손상율 계산모듈 130 : 잔여 수명 계산모듈

140 : 정보 표시모듈 150 : 제어모듈

160 : 정보 데이텁이스 200 : 압입 시험기

300 : 로더 및 케이싱의 국부 영역

Claims (7)

1. 압입 시험기(200)를 이용하여 로터와 케이싱을 운전 후에 열화 현상이 많이 발생하는 해당 국부 영역(310)에서 탄성 계수(E_aged)와 경도(H_aged)를 측정하는 단계;

   로터와 케이싱을 운전하기 전에 열화 현상이 없는 해당 국부 영역(320, 330)에서 탄성 계수(E_virgin)와 경도(H_virgin)를 측정하는 단계;

   운전하기 전에 열화 현상이 없는 해당 국부 영역(320, 330)에서 항복강도(σ_y-virgin)와 인장강도(σ_u-virgin)를 측정하는 단계;

   운전 후에 열화 현상이 많이 발생하는 해당 국부 영역(310)에서 항복강도(σ_{y_aged})와 인장강도(σ_{u_aged})를 측정하는 단계; 및

   측정된 값들과, 로터와 케이싱 재료의 특성에 따라 부여된 상수 알파(α)와 상수 베타(β)를 이용하여 하기의 식 (1)을 바탕으로 손상율 계산모듈에서 해당 국부 영역의 손상율(D_total)을 계산하는 단계로 이루어진 증기 터빈의 수명예측방법.

   

   ..... 식 (1)

   (식(1)에서, D_E와 D_H 는 탄성 및 소성변형과 관련한 손상율이고, E_aged, H_aged 는 로터와 케이싱을 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이고, E_virgin, H_virgin은 로터와 케이싱을 운전하기 전에 해당 국부 영역에서 측정된 탄성 계수와 경도이며, σ_{y_virgin}, σ_{u_virgin} 는 운전하기 전에 해당 국부 영역에서 측정된 항복강도 및 인장강도이고, σ_{y_aged},σ_{u_aged} 는 운전 후에 해당 국부 영역에서 측정된 항복 강도 및 인장강도이며, 알파(α)와 베타(β)는 로터와 케이싱 재료에 특성에 따라 정해지는 상수임.)
2. 제1항에 있어서,

   상기 식 (1)에 의해 계산된 손상율(D_total = D)과 발전소 증기터빈을 운전한 입력된 운전 시간(t_op)을 이용하여 하기의 식 (2)와 같이 로터 및 케이싱의 잔여 수명(t_r)을 잔여 수명 계산모듈(130)에서 계산하는 것을 특징으로 하는 증기 터빈의 수명예측방법.

   

   ..... 식 (2)
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5. 삭제
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