KR101399487B1 - 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원전 2차측 기기인 고압 터빈을 온라인으로 실시간 감시할 수 있는 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 센서들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리하여 센서 측정값에 대한 건전성 진단과 실시간 고압 터빈 성능변화를 평가할 수 있는 DSP 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서를 이용함으로써, 원전 2차측 기기인 고압 터빈들의 성능과 이들에 설치된 센서들의 신뢰성을 실시간으로 진단 평가할 수 있고, 진단용 스마트센서에서는 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템에 관한 것이다.
본 발명인 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템을 이루는 구성수단은 원전 2차측 기기인 고압 터빈에 설치되는 센서 세트, 상기 고압 터빈에 연결되어 상기 센서 세트를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가와 상기 신호들을 이용하여 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하는 진단용 스마트 센서, 상기 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 2차측 기기인 고압 터빈 및 이들에 설치되는 센서세트에 대한 상태를 종합적으로 모니터링을 수행하는 진단 서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템{system for monitoring high pressure turbine using smart sensor}

본 발명은 원전 2차측 기기인 고압 터빈을 온라인으로 실시간 감시할 수 있는 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 센서들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리하여 센서 측정값에 대한 건전성 진단과 실시간 고압 터빈 성능변화를 평가할 수 있는 DSP 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서를 이용함으로써, 원전 2차측 기기인 고압 터빈들의 성능과 이들에 설치된 센서들의 신뢰성을 실시간으로 진단 평가할 수 있고, 진단용 스마트센서에서는 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템에 관한 것이다.

원전 2차측에서는 도 1에 도시된 바와 같이 저압 터빈들(LPA Turnine, LPB Turbine, LPC Turbine)과 함께 고압 터빈(HP Turbine)은 증기의 열에너지를 기계적 에너지로 전환시켜 발전기 출력을 생산하는 데 필요한 동력을 제공해주는 중요 기기이므로, 고압 터빈 성능 변화 상태와 성능에 영향을 미치는 주요 요소들을 감시하는 시스템이 필수적으로 요구된다.

이에 현장에서는 고압터빈 성능 감시 시스템을 운영하고 있는데, 데이터 통신 부하 및 저장 문제 때문에 센서에서 직접 측정된 데이터를 사용하여 성능 변화 상태를 감시하는 것이 아니라 별도의 데이터 저장장치에서 최대 5초 간격으로 저장된 데이터를 감시 시스템에서 호출하여 사용하고 있으므로 이상 발생에 의해 일시적으로 성능이 변화하는 상태를 알기가 어렵다.

그리고 데이터저장장치에서는 감시 변수의 측정값이 이전 저장 데이터와 비교하여 10%이상 변화하지 않는 경우에 저장되지를 않기 때문에 성능감시 시스템에서 요구하는 시간에 저장 데이터가 없는 경우 내삽법(interpolation)에 의해서 계산된 데이터를 사용하므로 정확한 성능 변화 상태를 알기가 어렵다.

또한 센서 설치 불량, 교정 불량, 노후화와 같은 원인에 의해서 센서 측정값이 부정확할 수 있으므로 성능평가 수행 이전에 측정값에 대한 검사 과정이 필요하나 이에 대한 장치가 없어 성능 평가 결과에 대한 신뢰성 보장이 어렵다는 문제점을 안고 있다.
기존 원전기기에 대한 온라인 감시 시스템에 관련된 선행기술문헌 정보는 대한민국 등록특허공보 10-0920895호(발전기 축전압/축전류 온-라인 감시 시스템)가 있고, 이 선행기술문헌에는 온라인 감시 시스템에 관한 구성에 대하여 기재하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 다수의 센서들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리하여 센서 측정값에 대한 건전성 진단과 실시간 고압 터빈 성능변화를 평가할 수 있는 DSP 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서를 이용함으로써, 원전 2차측 기기인 고압 터빈들의 성능과 이들에 설치된 센서들의 신뢰성을 실시간으로 진단 평가할 수 있고, 진단용 스마트센서에서는 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템을 이루는 구성수단은 원전 2차측 기기인 고압 터빈에 설치되는 센서 세트, 상기 고압 터빈에 연결되어 상기 센서 세트를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가와 상기 신호들을 이용하여 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하는 진단용 스마트 센서, 상기 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 2차측 기기인 고압 터빈 및 이들에 설치되는 센서세트에 대한 상태를 종합적으로 모니터링을 수행하는 진단 서버를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 센서 세트는 복수개의 압력 센서와 복수개의 온도 센서로 구성되고, 상기 복수개의 압력 센서는 고압 터빈의 추기 라인 증기 압력, 고압 터빈 압력, 습분분리재열기로 배출되는 압력, 콘트롤 밸브에서 고압 터빈으로 유입되는 압력 및 고압 터빈에서 스팀 실(Steam Seal)로 배기되는 압력을 측정하도록 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 쉘 내부 표면 온도, 터빈측 하단 배기 파이프 표면 온도 및 고압 터빈에서 습분분리재열기로 배기되는 증기 온도를 측정하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 진단용 스마트 센서는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 우선적으로 수행하고, 상기 센서 신호에 이상이 없는 것으로 진단된 경우에만 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하되, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 및 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가 결과에서 이상 상태가 없는 경우에는 이상 유무에 관련된 진단 결과만을 상기 진단 서버에 전송하고, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 또는 상기 고압 터빈엔 대한 성능 평가 결과에서 이상 상태가 발생된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단결과와 센서 신호들을 동시에 상기 진단 서버에 전송하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가는 상기 센서 신호와 사전에 정해진 기준 신호를 비교하고, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가는 터빈 축 출력, 터빈 섹션 효율 및 압력비가 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단 평가되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제 및 해결 수단을 가지는 본 발명인 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템에 의하면, 다수의 센서들로부터 동시에 측정된 대용량 데이터를 고속으로 처리하여 센서 측정값에 대한 건전성 진단과 실시간 고압 터빈 성능변화를 평가할 수 있는 DSP 신호 처리 프로세스 기반의 진단용 스마트 센서를 이용함으로써, 원전 2차측 기기인 고압 터빈들의 성능과 이들에 설치된 센서들의 신뢰성을 실시간으로 진단 평가할 수 있고, 진단용 스마트센서에서는 상위레벨 진단에 필요한 신호 또는 진단 결과만을 진단 서버에 전송시켜 과도한 통신 부하가 발생하는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 원전 2차측 기기에 해당하는 터빈들을 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템의 전체 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템의 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명에 적용되는 센서 센트를 구성하는 측정 센서가 배치되는 고압 터빈과 연결되는 기기들의 구성도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템의 전체 구성도이고, 도 3은 구체적인 구성 블록도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템은 고압 터빈(1)에 설치되는 센서 세트(10), 센서 세트(10)에 연결되는 진단용 스마트 센서(20), 진단용 스마트 센서(20)와 연결되어 고압 터빈(1)을 원격 모니터링을 수행하는 진단 서버(40)를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템은 고압 터빈에 대하여 모니터링을 수행하는데, 이를 위하여 고압 터빈을 진단 평가하는 진단용 스마트 센서(20)와 진단용 스마트 센서(20)에서 진단 평가한 고압 터빈에 대한 진단 평가를 모니터링하는 진단 서버(40)로 구성된다.

상기 센서 세트(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 원전 2차측 기기인 고압 터빈에 설치된다. 상기 센서 세트(10)는 복수개의 측정 센서들로 구성된다. 즉, 상기 센서 세트(10)를 구성하는 복수개의 측정 센서들은 진단용 스마트 센서(20)가 상기 고압 터빈의 성능 상태를 진단 평가하기 위한 센서 신호들을 센싱하여 진단용 스마트 센서(20)로 전송한다.

상기 센서 세트(10)는 복수개의 압력 센서와 복수개의 온도 센서로 구성되어 고압 터빈 상태 감시에 필요한 물리적인 양을 측정한다. 구체적으로, 상기 복수개의 압력 센서는 고압 터빈의 추기 라인 증기 압력, 고압 터빈 압력, 습분분리재열기로 배출되는 압력, 콘트롤 밸브에서 고압 터빈으로 유입되는 압력 및 고압 터빈에서 스팀 실(Steam Seal)로 배기되는 압력을 측정하도록 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 쉘 내부 표면 온도, 터빈측 하단 배기 파이프 표면 온도 및 고압 터빈에서 습분분리재열기로 배기되는 증기 온도를 측정하도록 배치된다.

도 4는 고압 터빈과 연결되는 기기들을 보여주는 것이다. 여기서 보여준 바와 같이, 고압 터빈에 연결되는 주변 기기들은 콘트롤 밸브(CV : Control Valve), 습분분리재열기(MSR : Moisture Seperator Reheater), 추기 라인(Ext. : Extration Line) 및 스팀 실(SSR : Steam Seal) 등이 있다.

상기 고압 터빈에 연결되는 기기들과 사이에서 복수개의 압력 센서와 온도 센서가 배치되는데, 본 발명에서는 16개의 압력 센서와 6개의 온도 센서를 배치하는 것으로 구성한다.

구체적으로, 상기 압력 센서는 3단 추기 라인 증기 압력, 5단 추기 라인 증기 압력, 7단 추기 라인 증기 압력을 측정하기 위한 센서를 각각 한개씩 포함하고, 터빈 1단 압력을 측정하기 위한 센서를 6개 포함하고, 도 4에서 MSR A로 배출되는 압력 및 MSR B로 배출되는 압력을 측정하기 위한 센서를 각각 한개씩 포함하고, 도 4에서 체크 밸브 네개(CV #1 ~ CV #4)에서 각각 고압 터빈으로 유입되는 압력을 측정하기 위한 센서를 각각 한개씩 포함하며, 고압 터빈에서 스팀 실(SSR)로 배기되는 압력을 측정하기 위한 센서 한개를 포함한다.

그리고, 상기 온도 센서는 터빈측 1단 쉘 내부 표면 온도 및 발전기측 쉘 내부 표면 온도를 측정하기 위한 센서를 각각 한개씩 포함하고, 터빈측 하단 배기 파이프 표면 온도를 측정하기 위한 센서를 두개 포함하고, 도 4에서 고압 터빈에서 MSR A로 배기되는 증기 압력과 고압 터빈에서 MSR B로 배기되는 증기 압력을 측정하기 위한 센서를 각각 하나씩 포함하여 구성된다.

상기 센서 세트(10)에서 측정된 센서 신호들은 상기 진단용 스마트 센서(20)에 전송된다. 따라서, 상기 진단용 스마트 센서(20)는 상기 고압 터빈(1)에 설치된 측정 센서들과 연결되어 있다.

상기 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 세트(10)를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가와 상기 센서 신호들을 이용하여 고압 터빈(1)에 대한 성능 평가를 수행한다. 즉, 상기 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 세트(10)를 구성하는 측정 센서들의 이상 유무를 진단 평가하고, 더 나아가 상기 고압 터빈(1)의 성능 상태를 진단 평가한다.

상기 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 세트(10)에서 입력되는 센서 신호들을 이용하여 센서 신호에 대한 신뢰성 평가 및 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하기 위하여 DSP에 기반하여 데이터를 처리하고, 소정의 평가 모델을 이용하여 센서 신호에 대한 신뢰성 평가와 고압 터빈에 대한 성능 평가를 진단한다.

상기 진단용 스마트 센서(20)에 관한 세부적인 구성 요소와, 이들 구성요소와 상기 센서 세트(10) 및 진단 서버(40)와의 관계를 첨부된 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

상기 진단용 스마트 센서(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 신호 조정 모듈(21), MCU(Micro Controller Unit, 이하 "MCU"라 함) 모듈(23) 및 데이터 통신 모듈(25)을 포함하여 구성되고, 디스플레이 모듈(미도시)을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 그리고, 상기 MCU 모듈(23)은 AD 컨버터(23a)와 평가 진단부(23b)를 포함하여 구성된다.

상기 신호 조정 모듈(21)은 상기 센서 세트(10)를 구성하는 복수개의 측정 센서에서 측정된 아날로그 신호의 크기를 조정하여 출력한다. 후술하겠지만, 상기 복수개의 측정 센서에서 측정된 아날로그 신호는 상기 MCU 모듈(23)의 구성요소인 AD 컨버터(23a)에서 디지털 신호로 변환된 후, 신호진단 경험 모델 및 고압 터빈 성능 평가 모델을 이용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 및 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하는 평가 진단부(23b)로 입력된다.

상기 측정 센서에서 측정된 아날로그 신호의 크기 범위는 직접적으로 디지털 신호로 변환하는 것이 어렵기 때문에, 상기 신호 조정 모듈(21)을 통하여 1차적으로 크기가 조정된 후 상기 MCU 모듈(23)로 입력된다.

상기 신호 조정 모듈(21)에서 조정되어 출력되는 아날로그 신호는 상기 MCU 모듈(23)로 입력된다. 상기 MCU 모듈(23)은 상기 신호 조정 모듈(21)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 이 디지털 신호를 이용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가와 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행한다.

상기 MCU 모듈(23)에서 평가된 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 및(또는) 고압 터빈에 대한 성능 상태 평가 데이터는 상기 상위 레벨인 진단 서버(40)로 전송됨과 동시에 사용자가 진단용 스마트 센서(20)에서 센서 신호들의 이상 유무 및(또는) 고압 터빈의 성능 변화 상태를 바로 확인할 수 있도록 상기 디스플레이 모듈에 전송된다.

상기 신호 조정 모듈(21)은 상기 센서 세트(10)를 구성하는 측정 센서들로부터 입력되는 각각의 아날로그 신호의 크기를 감축하여 상기 MCU 모듈(23)로 출력한다. 상기 센서 세트(10)를 구성하는 측정 센서들은 -20V ~ +20V 신호를 출력하는데, 이들 출력 범위는 직접적으로 디지털 신호로 변환하기가 어렵다. 따라서, 상기 신호 조정 모듈(21)은 측정 센서들의 출력을 0V ~ +2V로 변환시킨 후, 상기 MCU 모듈(23)을 구성하는 AD 컨버터(23a)의 해당 포트로 전송한다.

상기 AD 컨버터(23a)는 상기 신호 조정 모듈(21)로부터 입력되는 변환된 아날로그 신호를 각각 디지털 신호로 변환하여 출력한다. 즉, 상기 AD 컨버터(23a)는 상기 신호 조정 모듈(21)에서 출력되는 0V ~ +2V 범위의 아날로그 신호를 디지털 신호를 변환하여 평가 진단부(23b)로 출력한다.

상기 평가 진단부(23b)는 상기 AD 컨버터(23a)에서 출력되는 디지털 신호를 이용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가와 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하고, 그 결과를 상위 레벨인 진단 서버(40)로 전송한다.

상기 평가 진단부(23b)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 수행하고 진단하기 위하여 신호 진단 경험 모델과 고압 터빈 성능 평가 모델을 이용한다. 상기 신호 진단 경험 모델과 고압 터빈 성능 평가 모델은 상기 진단용 스마트 센서(20)의 메모리(미도시)에 저장되어 있는 프로그램을 의미한다.

상기 평가 진단부(23b)에 의하여 진단 평가된 상기 센서 신호에 대한 신뢰성 평가와 고압 터빈에 대한 성능 평가 데이터는 메모리(미도시)에 저장되고, 동시에 상위 레벨인 진단 서버(40)로 전송되며, 사용자가 실시간으로 성능 변화 상태를 인지할 수 있도록, 상기 디스플레이 모듈(미도시)에 전송되어 디스플레이된다.

상기 평가 진단부(23b)에서 진단 평가된 결과는 상기 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상기 진단 서버(40)로 전송된다. 상기 데이터 통신 모듈(25)은 이더넷 통신 프로토콜 또는 CAN(Controller Area Network) 통신 프로토콜 또는 RS-232 통신 프로토콜을 이용하여 상기 진단 서버(40)와 데이터 통신을 수행한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 상기 진단용 스마트 센서(20)는 상술한 바와 같이, 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가와 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하고 진단한다. 물론 이와 같은 평가 진단은 상기 MCU 모듈(23)에 의하여 수행된다.

그런데, 상기 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 우선적으로 수행하고, 상기 센서 신호에 이상이 없는 것으로 진단된 경우에만 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행한다. 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 우선적으로 진단 평가한 결과, 측정 센서에 이상이 있다고 판단된 경우에는 상기 센서 신호들을 이용하여 고압 터빈의 성능 평가를 수행하는 것이 의미가 없기 때문에, 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가는 수행하지 않는다.

상기 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 및 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가 결과에서 이상 상태가 없는 경우에는 이상 유무에 관련된 진단 결과만을 상기 진단 서버(40)에 전송한다. 즉, 데이터 전송량을 최소화하기 위하여 센서신호들은 전송하지 않고, 단지 이상 없음에 해당하는 진단 결과만을 전송한다.

반대로, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 또는 상기 고압 터빈엔 대한 성능 평가 결과에서 이상 상태가 발생된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단결과와 해당 센서 신호들을 동시에 상기 진단 서버(40)에 전송한다. 즉, 상기 진단 서버(40)에서 이상 여부를 최종적으로 진단 평가하기 위하여, 이상이 발생했다는 정보와 함께 해당 센서 신호도 전송한다.

상술한 바와 같이, 상기 진단용 스마트 센서(20)는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 우선적으로 수행하고, 이상이 없다고 판단된 경우에만, 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행한다.

구체적으로, 상기 센서 세트(10)에서 측정된 -20V ~ +20V 범위의 크기를 가지는 아날로그 센서 신호들은 상기 신호 조정 모듈(21)에서 -0V ~ +2V 범위의 크기로 감산된 후, MCU 모듈(23)의 AD 컨버터(23a)로 입력된다. 그러면, 상기 MCU 모듈(23)의 AD 컨버터(23a)는 상기 -0V ~ +2V 범위의 크기를 가지는 아날로그 센서 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 상기 MCU 모듈(23)의 평가 진단부(23b)로 출력한다.

그러면, 상기 평가 진단부(23b)는 상기 디지털 신호를 신호 진단 경험 모델에 적용하여 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 수행하고, 고압 터빈 성능평가 모델에 적용하여 고압터빈에 대한 성능을 진단한다.

그런데, 상기 MCU 모듈(23)의 평가 진단부(23b)는 우선적으로 상기 신호 진단 경험 모델을 이용하여 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성을 평가함으로써, 센서들의 이상 유무를 우선 판단한다.

상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가는 상기 센서 신호와 사전에 정해진 기준 신호를 비교하고, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단된다. 상기 기준 신호는 과거 고압 터빈 전부하 운전 영역에서 정상 상태 운전 동안 수집된 데이터를 기반으로 센서 신호들 사이의 상관관계 정보를 이용하여 결정된다.

상기와 같이 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 결과, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어난 경우에는 측정 센서 또는 센서 신호에 이상이 있다고 진단하고, 그렇치 않은 경우에는 정상 상태에 있다고 진단한다.

상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 결과, 측정 센서에 이상이 없다고 진단된 경우에, 상기 MCU 모듈(23)은 단지 정상 동작에 해당하는 정보만을 상기 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상위 레벨인 진단 서버(40)로 전송하고, 아울러 고압 터빈 성능 평가 모델을 이용하여 상기 고압 터빈에 대한 성능 상태를 진단한다.

반대로, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 결과, 측정 센서에 이상이 있다고 진단된 경우에, 상기 MCU 모듈(23)은 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하지 않고, 이상이 발생하였다는 정보와 함께 이상이 발생한 해당 센서 신호들을 상기 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상위 레벨인 진단 서버(40)로 전송한다.

상기 센서 신호의 이상 여부를 판단하기 위한 신호 진단 경험 모델은 비모수적 경험 모델(non-parametric empirical model)을 적용한다. 구체적으로, 상기 신호 진단 경험 모델은 과거 고압 터빈 전부하 운전영역에서 정상 상태 운전 동안 수집된 데이터를 기반으로 센서 신호들 사이의 상관관계 정보를 이용하여 측정 신호에 대한 기준 신호를 제공해준다.

이와 같은 신호 진단 경험 모델을 적용한 센서 신호 이상 상태 진단은 사전에 결정된 기준 신호와 측정 신호 사이의 오차(residual)를 평가한 후 오차량이 설정 허용 범위(acceptance criteria)를 이탈하였는지 여부에 따라서 결정되도록 한다.

상기 신호 진단 경험 모델을 형성하기 위한 절차를 간략하게 설명하면 다음과 같다.

① 고압 터빈에 설치된 복수의 센서들에 의하여 측정된 센서 신호에 해당하는 감시 변수 22개에 대해서 과거 정상 운전 중 전부하 운전 영역에서 수집된 데이터를 이용하여 신호들 사이의 상관관계를 분석한 후 상관성이 90% 이상 높은 감시 변수들끼리 그룹핑(grouping) 시킨다.

② 상기 그룹핑된 감시 변수들에 대해서 전부하 운전 영역 전반에 걸쳐 신호 추정에 사용될 데이터들을 추출하여 모델 데이터로 설정한다.

③ 모델 최적화를 위해 시험 데이터와 추정함수를 이용하여 추정 신호를 생성시킨 후 시험 데이터와 비교하여 추정 오차(residual)를 평가한다.

④ 상기 ③항을 반복적으로 수행하여 추정 오차가 최소화되는 지점의 추정함수 파라미터를 구하여 최적화 작업을 종료한다.

⑤ 완성된 경험 모델로부터 실시간 측정되는 신호들에 대한 추정 신호를 만들고, 측정 신호와 추정 신호 사이의 추정 오차를 평가하여 오차량이 허용 범위 밖으로 이탈하였는지 여부를 통해서 이상 상태 발생 여부를 진단한다.

상술한 바와 같이, 상기 신호 진단 경험 모델을 이용하여 센서 신호 신뢰성 평가 결과, 센서 신호에 이상이 없다고 판단된 경우에는, 상기 MCU 모듈(23)의 평가 진단부(23b)는 고압 터빈 성능 평가 모델을 이용하여 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행한다.

상기 고압 터빈에 대한 성능 평가는 터빈 축 출력(TSP : turbine shaft power), 터빈 섹션 효율(TSE : Turbine Section Efficiency)과 압력비(PR : Pressure ratio)가 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단 평가된다. 상기 설정 허용 범위는 상기 고압 터빈의 성능이 정상 상태에 있다고 볼 수 있는 범위를 의미한다. 따라서, 상기 터빈 축 출력(TSP : turbine shaft power), 터빈 섹션 효율(TSE : Turbine Section Efficiency)과 압력비(PR : Pressure ratio)중, 어느 하나의 값이 상기 설정 허용 범위를 벗어난 경우에는, 상기 MCU 모듈(23)의 평가 진단부(23b)는 상기 고압 터빈의 성능이 정상이 아니라고 진단한다.

상기 MCU 모듈(23)의 평가 진단부(23b)에 의한 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가 결과, 고압 터빈의 성능에 이상이 없다고 진단된 경우에, 상기 MCU 모듈(23)은 단지 성능 정상에 해당하는 정보만을 상기 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상위 레벨인 진단 서버(30)로 전송한다.

반대로, 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가 결과, 고압 터빈의 성능에 이상이 있다고 진단된 경우에, 상기 MCU 모듈(23)은 성능 비정상에 해당하는 정보와 함께 고압 터빈에 관련된 센서 신호들을 상기 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상위 레벨인 진단 서버(40)로 전송한다.

상술한 바와 같이, 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하고 진단하기 위해서는 터빈 축 출력(TSP : turbine shaft power), 터빈 섹션 효율(TSE : Turbine Section Efficiency)과 압력비(PR : Pressure ratio)들을 계산하여, 이들 값이 설정 허용 범위를 벗어나는지에 따라 상기 고압 터빈의 성능 이상 유무를 진단한다.

상기 터빈 축 출력(TSP)은 고압 터빈 내부로 유입 또는 외부로 배출되는 전체 에너지량을 계산한 것이고, 고압 터빈 내부에서 증기가 압력 팽창 과정에서 축에게 한 일의 양을 의미한다.

여기서, TSP는 터빈 축 출력을 의미하고, 나머지 항은 아래와 같이 각 해당 부분의 유량과 엔탈피를 의미한다.

이와 같이 산출된 터빈 축 출력을 실시간으로 산출함으로써, 고압 터빈 성능 변화 감시 중, 고압 터빈 운전 상태가 변경되지 않은 상태에서 고압 터빈 성능이 서서히 저하되거나 급격하게 감소되어 설정 허용 범위를 이탈하는지 여부를 평가하여 고압 터빈의 성능 상태를 진단한다.

한편, 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하고 진단하기 위하여 산출해야 하는 터빈 섹션 효율은 아래 수학식 2에서 보여준 바와 같이, 주정지 밸브 전단 압력과 고압터빈 배출 압력을 이용하여 구한 효율을 의미한다.

여기서 각 항목은 아래와 같은 내용을 의미한다

한편, 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하고 진단하기 위하여 산출해야 하는 압력비는 두가지 수식에 의하여 산출되어 모두 적용된다. 첫번째는 고압 터빈 입구-고압터빈 1단 압력비로서 고압 터빈 입구 주 정지 밸브에서 고압 터빈 첫 단(1단) 출구까지의 압력 팽창비를 의미한다. 이에 대한 압력비는 아래 수학식 3으로 산출된다.

두번째는 고압 터빈 1단-고압 터빈 출구 압력비로서 고압 터빈 첫 단(1단) 출구에서 고압 터빈 출구까지의 압력 팽창비를 의미한다. 이에 대한 압력비는 아래 수학식 4로 산출된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 진단용 스마트 센서(20)의 구성요소인 MCU 모듈(23)은 상기 수식들을 통해 산출된 값들을 설정 허용 범위와 비교하여 고압 터빈의 성능 평가를 수행한다. 그리고, 상기 MUC 모듈(23)은 진단 결과를 상기 데이터 통신 모듈(25)을 통하여 상기 상위 레벨에 해당하는 진단 서버(40)에 전송한다.

상기 진단 서버(40)는 진단용 스마트 센서(20)들에서 진단한 진단 결과를 이용하여, 모든 고압 터빈에 대한 성능 평가 및 각 고압 터빈에 설치되는 센서 신호에 대한 신뢰성 평가를 종합적으로 진단한다. 즉, 상기 진단 서버(40)는 상기 진단용 스마트 센서(20)로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 2차측 기기인 고압 터빈 및 이들에 설치되는 센서 세트에 대한 상태를 원격에서 종합적으로 모니터링을 수행한다.

이상에서와 같이 본 발명은 특정의 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 단순한 설계변경이나 관용수단의 치환 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

1 : 고압 터빈 10 : 센서 세트
20 : 진단용 스마트 센서 21 : 신호 조정 모듈
23 : MCU 모듈 23a : AD 컨버터
23b : 평가 진단부 25 : 데이터 통신모듈
40 : 진단 서버

Claims (5)

1. 원전 2차측 기기인 고압 터빈에 설치되는 센서 세트;
   상기 고압 터빈에 연결되어 상기 센서 세트를 구성하는 복수개의 측정 센서로부터 입력되는 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가와 상기 신호들을 이용하여 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하는 진단용 스마트 센서;
   상기 진단용 스마트 센서로부터 전송받은 진단 결과를 이용하여 원전 2차측 기기인 고압 터빈 및 이들에 설치되는 센서세트에 대한 상태를 종합적으로 모니터링을 수행하는 진단 서버를 포함하여 이루어지되,
   상기 진단용 스마트 센서는 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가를 우선적으로 수행하고, 상기 센서 신호에 이상이 없는 것으로 진단된 경우에만 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가를 수행하되, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 및 상기 고압 터빈에 대한 성능 평가 결과에서 이상 상태가 없는 경우에는 이상 유무에 관련된 진단 결과만을 상기 진단 서버에 전송하고, 상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가 또는 상기 고압 터빈엔 대한 성능 평가 결과에서 이상 상태가 발생된 경우에는 이상 유무에 관련된 진단결과와 센서 신호들을 동시에 상기 진단 서버에 전송하고,
   상기 고압 터빈에 대한 성능 평가는 터빈 축 출력, 터빈 섹션 효율 및 압력비가 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단 평가되는 것을 특징으로 하는 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 센서 세트는 복수개의 압력 센서와 복수개의 온도 센서로 구성되고, 상기 복수개의 압력 센서는 고압 터빈의 추기 라인 증기 압력, 고압 터빈 압력, 습분분리재열기로 배출되는 압력, 콘트롤 밸브에서 고압 터빈으로 유입되는 압력 및 고압 터빈에서 스팀 실(Steam Seal)로 배기되는 압력을 측정하도록 배치되고, 상기 복수개의 온도 센서는 쉘 내부 표면 온도, 터빈측 하단 배기 파이프 표면 온도 및 고압 터빈에서 습분분리재열기로 배기되는 증기 온도를 측정하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 센서 신호들에 대한 신뢰성 평가는 상기 센서 신호와 사전에 정해진 기준 신호를 비교하고, 상기 기준 신호와 상기 센서 신호 사이의 오차량이 사전에 정해진 설정 허용 범위를 벗어나는지 여부에 따라 진단되는 것을 특징으로 하는 스마트 센서 기반 원전 고압 터빈 온라인 감시 시스템.
   
5. 삭제

Images