KR101209428B1

KR101209428B1 - 가스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시 장치

Info

Publication number: KR101209428B1
Application number: KR1020110086333A
Authority: KR
Inventors: 이태원
Original assignee: 이태원
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2012-12-06

Abstract

본 발명은 발전소에서 가장 중요한 설비인 발전기에서 운전중에 발전기 내부에 중대한 사고로 이어지기 쉬운 국부과열이 발생하면 이를 조기에 검출하기 위한 목적으로, 발전기 내부를 순환하고 있는 냉각용 수소가스 중에 포함된 가스상 유기화합물(VOCs,Volatile Organic Compounds)을 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운전중인 발전기 내부에서 이상으로 인하여 국부적인 고열부위가 생기게 되면 이 열에 의해서 주변에 있는 에폭시, 에나멜, 페인트, 바니쉬, 절연재 등이 분해하여 가스상 유기화합물(분해 생성물)이 발생하여 발전기 내부를 순환하는 수소가스 중에 포함되어 순환하므로 수소가스 중의 가스상 유기화합물을 유기화합물 센서(VOC 센서)로 검출하여 발전기 내부의 과열 발생 여부와 그 정도를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

상기 본 발명에서는 현재 사용되고 있는 입자상 물질 검출 방식 대신에 가스상 유기화합물을 검출하는 방식을 사용하고, 입자상 물질 검출 장치에서 빈번한 오작동 원인이 되고 있는 유입 수분 및 유분을 제거하기 위하여 시료가스(순환 수소가스의 일부) 유로에 냉각핀을 상하 교대로 설치하여 시료가스가 아래 위로 흐르면서 냉각되어 응축성 물질(유분 및 수분)이 부착, 제거되도록 특수 고안된 유분제거장치를 사용하고, 필터를 설치하여 0.001㎛ 이상의 입자상 물질을 제거하고, 유량제어 장치에 의해서 일정한 유량으로 조정된 시료가스를 특정 유기화합물에만 감응하는 센서에 도입하여 가스상 유기화합물 농도를 측정하여 운전중인 발전기 내부의 이상 발생 여부를 감시하는 것을 특징으로 한다.

발전기 상태 감시, 발전기 과열 발생, 고온 분해 생성물, 유기화합물 센서

Description

가스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시 장치{An apparatus for generator condition monitoring using VOCs sensor}

본 발명은 운전중인 발전기에서 중대사고로 이어질 수 있는 국부적인 고열 발생 여부를 감시하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운전중인 발전기 내부에서 절연재 손상, 권선단락, 스트랜드 손상, 누설전류 등과 같은 이상이 발생하게 되면 고열을 동반하게 되며, 이 열에 의해서 주변에 있는 에폭시, 에나멜, 페인트, 바니쉬, 절연재 등과 같은 물질이 분해하여 가스상(유기화합물)이나 입자상의 분해생성물이 발생하게 된다. 발생된 분해생성물은 발전기 내부를 순환하는 냉각용 수소가스 중에 포함되어 순환하므로 수소가스 중에 있는 가스상이나 입자상 분해생성물을 검출하여 운전중인 발전기 내부의 이상을 조기에 감지하는 것이 가능하다.

운전중인 발전기 내부에 절연재 열화, 권선단락, 스트랜드 손상 등과 같은 이상이 발생하면 고온의 열을 동반하게 되며, 이 열에 의해서 주변에 있는 에폭시, 에나멜, 페인트, 바니쉬, 절연재 등과 같은 물질이 분해하여 입자상이나 가스상(유기화합물)의 분해생성물이 발생하게 된다. 발생된 입자상 이나 가스상 물질은 발전기 내부를 순환하고 있는 냉각용 수소가스 중에 포함되어 순환하므로 수소가스 중 에 있는 입자상이나 가스상 분해생성물을 검출하여 발전기 내부의 이상발생 여부를 알 수 있다.

운전중인 발전기 내부에 국부적인 과열부위가 생기게 되면 그 주변에 있는 에폭시, 에나멜, 페인트, 바니쉬, 절연재 등과 같은 유기물이 분해되어 발생하는 입자상 분해생성물의 크기는 0.001～0.01㎛ 정도이다. 현재 세계적으로 발전기 상태 감시에 사용되고 있는 제품은 ICD(Ion Chamber Detector) 센서를 사용하여 입자상 물질을 검출하는 방식으로 미국 GE사에서 개발하여 GE사와 Environment One사에서 판매하고 있는 GCM(Generator Condition Monitor)이 유일하다.

ICD는 방사선원(토륨 242)을 사용하여 입자상 물질을 하전시켜 검출하는 방식으로 입자상 물질의 농도에 따라 센서 출력이 감소한다. 정상적인 상태에서 센서의 출력을 Full Scale의 80％ 정도가 되도록 조정하고, 센서 출력이 50％ 이하가 되면 경보를 발령한다. 이 방식은 센서에 도입되는 가스유량이 저하되거나 수소가스 중에 수분이나 유분이 혼입되는 경우(발전기 밀봉유 계통으로부터 유분이나 수분, 수소냉각계통으로부터 수분이 유입될 수 있다) 잘못된 경보를 발령하는 경우가 자주 발생하여 운전 신뢰도가 낮다. 검출기 전단에 유분을 제거하는 트랩을 설치하기도 하나, 이 때 입자상 물질도 함께 제거될 수 있어 측정을 방해하게 된다. 국내 다수의 발전기에 이 방식의 장치가 설치되어 있으나, 빈번한 오작동으로 인하여 작동을 중지시키거나 계통에서 제거하는 사례가 상당수 있다.

한편, 발전기 내부에 이상으로 인한 국부적인 과열이 발생하면 입자상 물질과 함께 다양한 가스상의 유기화합물(VOCs, Volatile Organic Compounds)의 분해생 성물이 생기게 된다. 이 때 발생하는 가스상 유기화합물 분해생성물을 표 1에 나타내었다.

표 1. 발전기 내부 발생 가스상 유기화합물 분해생성물

이들 발생 가스상 유기화합물은 이상 정도에 따라서 발생량이 다르게 나타나므로 가스상 유기화합물의 농도에 따라서 운전중인 발전기의 이상 여부를 알 수 있다.

가스상 유기화합물을 검출하는 데에는 PID(Photo Ionization Detector) 센서 또는 반도체 방식의 센서가 사용된다. PID 센서는 짧은 파장의 빛(Ultra Violet)을 내는 광원과 두 개의 전극으로 구성된다. 가스상 유기화합물에 짧은 파장의 빛을 조사하면 전자를 방출하고 하전된다. 양으로 하전된 분자는 음극으로 방출된 전자는 양극으로 끌리게 되어 전류가 흐르게 된다. 이 때 흐르는 전류는 가스상 유기화합물의 농도에 비례하게 되므로 가스상 유기화합물의 농도를 측정한다.

반도체 방식 가스상 유기화합물 센서는 센서 표면에 가스상 유기화합물이 접 촉하면 저항이 변하는 것을 이용하여 가스상 유기화합물의 농도를 측정한다.

종래기술의 문헌정보

[문헌 1] US Patent 3427880, "Overheating detector for gas cooled electric machine", 1972

[문헌 2] US Patent 4436699, "Monitoring system for checking electric rotary machine for local overheating", 1984

[문헌 3] "Instruction Manual for generator condition monitor", Environment One

본 발명은 운전중인 발전기 내부에서 발생하는 이상을 감시하는 장치의 운전 신뢰도를 높이기 위하여 안출된 것으로, 종래의 장치에서 사용하고 있는 입자상 물질 검출 방식 대신에 가스상 물질을 검출 방식을 사용하고,

종래 장치에서 오작동을 유발 원인으로 되고 있는 시료가스(순환 수소가스의 일부) 중의 수분이나 유분을 제거하기 위하여 가스상 유기화합물 검출기 전단에 특별히 고안된 유분제거부를 설치하고,

유분제거부 후단에 0.001㎛ 이상의 입자상 물질 또는 유분제거기에서 제거되지 않은 수분 및 유분을 제거하기 위한 필터를 설치하고(종래의 입자상 물질 검출방법에서는 필터를 사용할 수 없다),

일정량의 시료가스가 가스상 유기화합물 센서에 도입되도록 하는 유량 제어 기를 설치하고,

수소가스 중에 포함된 가스상 유기화합물에만 감응하는 유기화합물 센서로 발전기 내부를 순환하는 수소가스 중의 가스상 유기화합물(분해생성물)을 검출하여 농도로 표시하고, 가스상 유기화합물 농도가 운전 기준치를 초과하면 경보를 발령하는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 목적을 실현하기 위하여 다음과 같은 수단을 구비한다.

본 발명은 운전중인 발전기 내부에서 발생하는 이상을 감시하는 장치에 있어서, 오작동을 일으키는 수소가스 중의 수분이나 유분을 제거하는 유분제거부(1), 수소가스 중의 0.001㎛ 이상의 입자상 물질이나 잔류 수분 및 유분을 제거하는 필터(2), 가스상 유기화합물 센서(6)에 항상 일정량의 시료가스가 공급되도록 하는 유량제어기(3), 유량제어기(3)에 전력을 공급하고 제어하는 유량제어 콘트롤러(4), 특정 가스상 유기화합물에만 감응하는 가스상 유기화합물 센서(6), 가스상 유기화합물 검출센서(6)로부터 신호를 받아 수소가스 중의 유기화합물 농도를 계산하여 표시하고, 가스상 유기화합물 농도가 운전기준치를 초과하면 경보를 발령하는 신호처리부(7)로 이루어진다.

본 발명은 운전중인 발전기 내부의 이상 발생을 조기에 감지하기 위한 목적으로 사용되고 있는 종래의 장치에서 빈번한 오작동으로 인한 낮은 운전 신뢰도를 개선하기 위한 것으로, 검출 대상으로 입자상 물질 대신에 가스상 물질을 사용하 고, 주요 오작동 원인이 되는 수분이나 유분을 제거함으로써 발전기 상태 감시 장치의 운전 신뢰도를 높이는 수단을 제공한다.

또한, 상기 본 발명은 발전기 내부 이상 정도( "정상" , "주의" , "경고" )에 따라 적절한 보수계획을 수립하여 대처함으로서 돌발적인 사고를 예방하여 안정적인 전력공급에 기여하고, 운영유지비를 절감하는 효과를 제공한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1은 종래의 입자상 물질 측정 방식의 발전기 상태 감시 장치의 개략적인 계통도이다.

상기 도 1에서 보는 바와 같이 발전기 내부를 순환하는 수소가스의 일부는;

정상적인 상태에서 시료가스(순환 수소가스의 일부)는 솔레노이드 발브(39)에 의해서 필터(2)를 거치지 않고 우회하여 이온챔버(41)를 지나 발전기로 되돌아간다. 이온챔버(41) 출력이 50％ 이하로 저하되면(입자상 물질이 많을수록 출력이 저하된다) 솔레노이드 발브(39)가 작동하여 시료가스가 필터(2)를 통과하면서 입자상 물질이 제거된 시료가스가 이온챔버(41)를 지나 발전기로 되돌아간다. 이 때 이온챔버(41) 출력이 80％ 이상으로 올라가면 발전기 내부에 이상이 있는 것으로 판단하고 솔레노이드 발브(35)가 열려 시료가스가 포집장치(37)로 들어가 입자상 물질이 포집되도록 한다. 포집된 입자상 물질을 시험실로 운반, 분석하여 이상 유무를 최종적으로 확인한다. 이 방식은 시료가스 중에 수분이나 유분이 포함되어 있으면 오작동을 일으키기 쉽다.

도 2는 본 발명의 가스상 유기화합물 측정방식의 발전기 상태 감시 장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명 가스상 유기화합물 측정방식의 발전기 상태 감시 장치에 관한 유분제거부(1)의 구성도이다.

도 4는 유분제거부(1)의 평면도(a), 유분제거판(b) 및 측면도(c) 이다.

상기 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 가스상 유기화합물 측정 방식의 발전기 상태 감시 장치는 크게 종래의 입자상 물질 측정 방식의 발전기 상태 감시 장치의 수소가스 순환 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 본 발명의 구성으로는 유분제거부(1), 필터(2), 유량제어기(3), 유량제어 콘트롤러(4), 가스 챔버(5), 가스상 유기화합물 검출센서(6), 신호처리부(7)로 구비되어 이루어진다.

도 2에서 나타낸 바와 같이 발전기 내부를 순환하는 수소가스 배관에서 분기한 일부 수소가스(시료가스)는 가스유입구(9)를 통하여 들어와 수소가스 중에 포함된 수분이나 유분을 제거하는 유분제거부(1)를 지나 필터(2)로 들어가 입자상 물질이 제거된 후 유량제어기(3)에서 일정 유량으로 조절되어 가스챔버(5)로 들어가 수소가스 중의 가스상 유기화합물(분해생성물)이 가스상 유기화합물 센서(6)에 의해서 검출되고 수소가스는 가스배출구(8)를 통하여 발전기로 되돌아간다.

상기 유량제어기(3)는 유량제어 콘트롤러(4)와 신호를 주고받아 유량을 제어한다.

도 3과 4에서 보는 바와 같이 시료가스는 유분제거부(1)의 유분제거판(27)의 가스 입구(25)로 들어와 시료가스는 가스유로(26)에 설치된 냉각핀(45)에 의해서 똑바로 흐르지 못하고 위?아래로 올라갔다 내려갔다를 반복하면서 벽면과의 접촉을 통하여 냉각되어 수분이나 유분이 벽면에 달라붙어 제거된다. 벽면에 부착한 수분이나 유분은 아래로 흘러내려 바닥에 모이면 유분배출구(46)를 통하여 밖으로 배출된다. 유분제거판(27)의 양 측면에 붙어있는 두 개의 냉각판(23, 28)에는 냉각수 입구(20, 32)로 들어간 냉각수가 냉각수 유로(24)을 따라 흘러 두 개의 냉각판(23, 28)과 함께 유분제거판(27)을 냉각하고 냉각수 출구(22, 33)로 나오게 된다.

도 1은 세계적으로 유일하게 판매되고 있는 종래의 발전기 상태 감시장치(GE 사 제품)의 계통도이다.

도 2는 본 발명의 가스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시장치에 관한 구성도이다.

도 3은 본 발명의 가스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시장치에서 유분제거부(1) 구성도이다.

도 4는 본 발명의 가스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시장치에서 유분제거부(1)의 평면도(a), 측면도(c) 유분제거판 전면도(b)이다.

* 도면 주요부의 간단한 부호 설명 *

유분제거부 : 1 필터 : 2

유량제어기 : 3 유량제어 콘트롤러 : 4

가스챔버 : 5 가스상 유기화합물 센서 : 6

신호처리부 : 7 가스배출구 :8

가스유입구 : 9 냉각수 입구 : 20, 32

전면 카바 : 21 냉각수 출구 : 22, 33

냉각판 : 23, 28 냉각수 유로 : 24

가스 입구 : 25 가스유로 : 26

유분제거판 : 27 가스 출구 : 29

후면 카바 : 31 O-Ring : 34

솔레노이드 발브 : 35, 39 가스유량계 : 36, 42

포집 장치 : 37 가스 배출구 : 38

유량지시계 : 40 이온챔버 : 41

이온챔버 콘트롤러 : 44 냉각핀 : 45

유분배출구 : 46

Claims

운전중인 발전기 내부에서 이상(고온부) 발생 여부를 감시하는 장치에 있어서,

발전기 내부를 순환하는 수소가스의 일부(시료가스)를 취하고 수소가스 중의 수분이나 유분을 제거하는 유분제거부(1);

0.001㎛ 이상의 입자상 물질을 제거하는 필터(2);

일정량의 가스가 센서에 도입되도록 하는 유량제어기(3);

수소가스 중에 포함된 가스상 유기화합물에 감응하는 가스상 유기화합물 센서(6);

상기 유기화합물 센서에서 검출된 유기화합물 농도를 계산하여 표시하고, 가스상 유기화합물 농도가 관리 기준치를 초과 시 경보를 발령하는 신호처리부(7)로 이루어진 가스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시 장치.
제 1항에 있어서,

상기 유분제거부(1)는, 유분제거판(27) 내부에 시료가스(수소가스) 유로에 냉각핀(45)이 상 하 교대로 설치되어 있어 시료가스가 아래?위로 흐르도록 하면서 시료가스 중에 포함된 수분이나 유분이 벽면에 부착, 제거되도록 하고, 좌우 측면에 내부로 냉각수가 흐르는 냉각판(23, 28)이 있어 시료가스 온도를 낮추어 수소가스 중에 포함된 수분이나 유분(유증기)을 효과적으로 제거하는 것으로 형성되는 가 스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시 장치.
제 1항에 있어서,

발전기 내부를 순환하는 수소가스 중에 포함된 가스상 유기화합물을 PID 또는 반도체 방식 가스상 유기화합물 센서(6)를 사용하여 검출하는 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시장치.
제 1항에 있어서,

필터(2)가 있어 발전기 내부를 순환하는 수소가스 중에 포함된 0.001㎛ 이상의 입자상 물질을 제거하는 필터로 구성되는 가스상 유기화합물 센서를 이용한 발전기 상태 감시 장치.