KR101748585B1 - 주파수 분석기법을 통한 보일러 튜브 누설 조기감지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 보일러튜브 누설 조기감지방법은 센서에 의해 상기 보일러 튜브로부터 발생하는 튜브 운전음을 수집하는 단계와, 상기 센서에 의해 수집된 튜브 운전음에 대해 주파수 대역을 다수의 분할 감시 대역으로 분할하여 분할 대역별로 독립적으로 감시하는 단계와, 상기 수집된 튜브 운전음에 대해 각 채널별로 데시벨(dB) 상승곡선의 기울기를 산출하여 산출된 기울기가 설정치 이상으로 상승하면 알람을 발생시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

주파수 분석기법을 통한 보일러 튜브 누설 조기감지방법{Boiler tube early leak detection method through the frequency analysis technique}

본 발명은 보일러 튜브 누설 조기감지방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화력발전소에서 보일러의 튜브 누설시 이를 조기에 감지할 수 있는 주파수 분석기법을 통한 보일러튜브 누설 조기감지방법에 관한 것이다.

세계적으로 에너지 소비 및 수요는 급수적으로 증가하고 있고 우리나라에서도 전력수요가 꾸준히 증가하고 있는 실정이다. 또한 최근 일본의 원전사고를 통해 원자력발전소에 대한 불안감이 높아져, 석탄, 석유, 천연가스 등을 연료로 사용하는 화력발전소에 대한 관심이 높아지고 화력발전소의 건설도 많이 이루어지고 있다.

화력발전소는 일반적으로 석탄, 천연가스 등의 화석연료를 연료로 사용하고 주원료인 석탄을 보일러에서 연소시켜 증기를 생성하고 생성된 증기를 이용하여 터빈을 회전시켜 전력을 생산하게 된다.

이러한 화력발전소에서 설비별 고장발생비율을 분석해보면 보일러 설비가 32.3%를 차지하고 그 중에서 보일러의 튜브 누설이 61%를 차지하고 있어 튜브 누설의 조기감지에 대한 중요성이 날로 커지고 있다.

이러한 보일러 튜브 누설시 이를 감지하기 위한 기존 누설감지시스템을 살펴보면 보일러 튜브누설은 튜브의 미세구멍에서 고온 고압의 증기가 분출되어 발생하고 이 때 높은 누설음이 발생하게 되는데, 이와 같이 발생되는 누설음을 보일러에 설치된 음향센서에서 감지하고 감지된 누설음의 데시벨이 기준치 이상이 되면 경보를 발생시키는 구조이다. 도1 및 도2는 기존 보일러 튜브 누설감지방식을 보여주는 도면으로서 도1은 채널별 데시벨(dB)값을 표시한 것이고 도2는 채널별 데시벨 트렌드를 표시한 것이다. 도1에서 채널은 보일러에 설치되는 음향센서의 위치에 따른 구분으로 이러한 위치별 음향센서에서 감지되는 데시벨 값을 표시한 것이고, 도2는 이러한 센서의 채널별 데시벨 트렌드를 도시한 것이다. 즉, 이러한 방식은 원신호의 데시벨값 환산자료를 이용하여 트렌드를 표시하고 알람을 발생시키는 방식이다.

그런데, 이와 같은 기존 시스템에서는 핀홀(pinhole) 등 미세누설을 감지하지 못하여 튜브누설이 일정 시간 지난 후 누설크기 및 누설량 증가 후 알람 발생으로 조기감지능력이 미흡한 실정이다. 또한, 앞서 살펴본 바와 같이 보일러 설비 고장발생비율에서 보일러의 튜브 누설이 큰 비중을 차지하고 있어 튜브 누설의 조기감지에 대한 중요성이 날로 커지고 있으나, 감지시스템의 노후화 및 조기감지능력의 저하로 튜브누설 조기감지에 대한 새로운 시스템 구축이 요구되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 조기감지능력을 강화하여 화력발전소에서 보일러 튜브 누설시 이를 조기에 감지할 수 있는 보일러 튜브 누설 조기감지방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 보일러 튜브 누설 조기감지방법은 음향진동 복합센서에 의해 보일러 튜브로부터 발생하는 튜브 운전음을 수집하는 단계와, 상기 음향진동 복합센서에 의해 수집된 튜브 운전음에 대해 주파수 대역을 다수의 분할 감시 대역으로 분할하고 분할 대역별로 독립적으로 감시하는 단계와, 상기 수집된 튜브 운전음에 기초하여 각 센서별(채널별)로 데시벨(dB) 상승곡선의 기울기를 산출하여 산출된 기울기가 설정치 이상으로 상승하면 알람을 발생시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 수집된 튜브 운전음에 대해 누설초기 고주파수영역 신호크기의 시간에 따른 변화를 감시할 수 있도록 주파수, 신호크기 및 시간의 3차원분석 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다수의 분할 감시 대역으로 분할하는 단계에서는 0~200kHz 주파수 대역을 0~30kHz, 30~60kHz, 60~90kHz, 90~200kHz의 4개의 분할 감시 대역으로 분할하여 누설초기 발생하는 고주파수 영역대의 독립적인 감시가 가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 4개의 분할 감시 대역별로 데시벨 값에 대해 알람 설정값을 설정하고 대역별로 설정값이상으로 일정시간 동안 지속될 경우 알람을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따르면 발전소의 보일러튜브 누설 발생시 초기단계에서 누설을 보다 조기에 감지하여 비계획손실 발생을 방지하고 타 튜브로의 파급손상을 막아 고장정비시간 및 비용을 단축시킬 수 있는 보일러튜브 누설 조기감지시스템이 제공된다.

또한, 주파수 영역을 4개로 구분(0~30, 30~60, 60~90, 90~200kHz)하여 누설초기에 발생하는 고주파수 영역대의 독립적인 감시가 가능하여 누설초기에 조기에 감지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 각 채널별 데시벨 상승곡선의 기울기를 검출하여 설정치 이상으로 기울기가 상승하면 알람을 발생시켜 누설을 조기에 감지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 주파수/신호크기/시간의 3차원 분석을 통해 누설초기 발생하는 고주파수영역 신호크기의 시간에 따른 변화를 감시할 수 있다.

도 1은 종래 보일러튜브 누설 감지시스템에서 사용되는 각 채널별 데시벨 값을 표시한 도면이고,
도 2는 종래 보일러튜브 누설 감지시스템에서 사용되는 각 채널별 데시벨 트렌드를 표시한 도면이며,
도3은 본 발명에 따른 보일러튜브 누설 조기감지방법에서 주파수 대역을 4개로 구분하여 4분할 감시대역 트렌드를 표시한 도면이고,
도4는 본 발명에 따른 보일러튜브 누설 조기감지방법에서 4분할 감시대역별로 알람을 설정한 것을 도시한 도면이며,
도5는 본 발명에 따른 보일러튜브 누설 조기감지방법에서 각 채널별 데시벨값 상승곡선의 기울기에서 알람을 발생시키기 위한 설정값을 설정한 것을 도시한 도면이고,
도6은 본 발명에 따른 보일러튜브 누설 조기감지방법에서 주파수/신호크기/시간의 3차원분석을 보여주는 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 튜브 누설 조기감지방법을 상세하게 설명한다.

도3은 본 발명에 따른 보일러 튜브 누설 조기감지방법에서 주파수 대역을 4개로 구분하여 4분할 감시대역 트렌드를 표시한 도면이고, 도4는 본 발명에 따른 보일러튜브 누설 조기감지방법에서 4분할 감시대역별로 알람을 설정한 것을 도시한 도면이며, 도5는 본 발명에 따른 보일러 튜브 누설 조기감지방법에서 각 채널별 데시벨값 상승곡선의 기울기에서 알람을 발생시키기 위한 설정값을 설정하는 것을 도시한 도면이고, 도6은 본 발명에 따른 보일러 튜브 누설 조기감지방법에서 주파수/신호크기/시간의 3차원분석을 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 보일러 튜브 누설 조기감지방법은 음향진동 복합센서에 의해 보일러 튜브로부터 발생하는 튜브 운전음을 수집하는 단계와, 상기 음향진동 복합센서에 의해 수집된 튜브 운전음에 대해 0~200kHz 주파수 대역을 0~30kHz, 30~60kHz, 60~90kHz, 90~200kHz의 4개의 분할 감시 대역으로 분할하여 분할 대역별로 독립 감시하는 단계와, 상기 수집된 튜브 운전음에 기초하여 각 채널별로 데시벨(dB) 상승곡선의 기울기를 산출하여 산출된 기울기가 설정치 이상으로 상승하면 알람을 발생시키는 단계와, 수집된 튜브 운전음에 대해 누설초기 고주파수영역 신호크기의 시간에 따른 변화를 감시할 수 있도록 주파수, 신호크기 및 시간의 3차원분석 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 각 단계별로 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에서는 보일러 튜브 누설 조기감지를 위해 센서에 의해 보일러 튜브로부터 발생하는 튜브 운전음을 수집하는 단계를 수행한다. 이를 위해 보일러에는 음향진동 복합센서(AE + Vibration Sensor) 기반의 시스템을 구축하고 이러한 음향진동 복합센서로부터 튜브 운전음을 감지한다. 본 발명에서 적용되는 음향진동 복합센서는 공기중으로 전파되는 누설음 뿐만 아니라 튜브 등의 부재로 전달되는 진동을 함께 감지함으로써 종래 음향센서보다 튜브 누설에 대해 보다 정확한 정보를 수집할 수 있게 된다.

그 다음, 음향진동 복합센서에 의해 수집된 튜브 운전음에 대해 본 발명에서는 주파수 대역을 4개의 분할 감시 대역으로 분할하여 독립적으로 감시하는데, 0~200kHz 주파수 대역을 0~30kHz, 30~60kHz, 60~90kHz, 90~200kHz의 4개의 분할 감시 대역으로 분할하여 분할 대역별로 독립적으로 감시한다.

도3은 본 발명에 따른 보일러 튜브 누설 조기감지방법에서 주파수 대역을 Band A(0~30kHz), Band B(30~60kHz), Band C(60~90kHz), Band D(90~200kHz)의 4개로 구분하여 독립적으로 감시하는 화면을 보여주는 도면이다. 따라서, 기존 보일러튜브 누설감시시스템의 경우에서는 0~33kHz 주파수 영역만 감시가 가능하여 미세누설 1mm이하에서는 감지가 불가하였으나, 본 발명에서는 이와 같이 감시대역을 200kHz로 확대하고 또한 주파수 대역을 4개로 구분하여 독립적으로 감시함으로써 누설초기(즉 Pinhole 1mm이하)에 발생하는 고주파수 영역대의 독립적인 감시가 가능하여 보다 조기에 누설을 감지할 수 있게 된다.

그리고, 4분할 감시대역별로 데시벨 값에 대해 알람 설정값을 설정하고 분할대역별로 설정값이상으로 신호의 크기가 일정시간 동안 계속 지속될 경우 알람을 발생시키도록 한다. 도4는 각 분할 감시대역별로 알람 설정값과 지속시간(30분)을 표시한 예를 도시한 것으로, Band A(0~30kHz)에서 Band D(90~200kHz)로 갈수록 알람 설정값을 5만큼 증가시키고, 누설음이 아닌 일시 발생되는 기타 외부음을 제외하기 위해 각 대역별로 지속시간을 설정한다. 알람(Alarm)은 모니터링 화면상에 메시지나 스피커를 통한 소리 등으로 발생시킨다.

또한, 본 발명에서는 상기 수집된 튜브 운전음에 기초하여 각 채널별로 시간에 따른 데시벨(dB) 상승곡선의 기울기를 산출하여 산출된 기울기가 설정치 이상으로 상승하면 상한값(Hi Limit) 도달 이전에 알람을 발생시키는 단계를 수행한다. 도5는 각 채널별(보일러에 설치되는 센서의 위치에 따른 구분) 데시벨값 상승곡선의 기울기가 40에 도달하였을 때 알람을 발생시키도록 설정된 예를 도시한 것이다. 본 발명에서는 이와 같이 각 채널별 시간에 따른 데시벨 상승곡선의 기울기를 산출하여 기울기가 설정치 이상으로 상승하면 알람을 발생시킴으로써 보다 조기에 누설을 감지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 수집된 튜브 운전음에 대해 누설초기 고주파수영역 신호크기의 시간에 따른 변화를 감시할 수 있도록 주파수, 신호크기 및 시간의 3차원분석 단계를 수행한다. 도6은 주파수/신호크기/시간의 3차원분석을 보여주는 도면으로서 X축(수평축)은 주파수, Y축(수직축)은 음압의 크기, Z축은 시간을 각각 나타낸다. 따라서, 본 발명에서는 도6에 도시된 바와 같이 주파수/신호크기/시간의 3차원분석시스템을 통해 누설초기에 발생되는 고주파수영역 신호크기의 시간에 따른 변화를 감시할 수 있어 보다 조기에 누설을 감지하도록 한다.

한편, 본 발명에서는 누설크기 및 분사 압력에 따른 특정 주파수영역을 확인하기 위해 SB STM(Soot Blowing Steam)을 노내로 분사하여 누설 주파수의 데이터를 확보한다. 따라서 튜브 누설발생시 누설크기에 따른 주파수 대역을 산출하고, 이에 의해 누설크기를 파악할 수 있게 된다.

따라서, 전술한 바와 같이 본 발명에서는 감시대역을 200kHz로 확대하고 주파수 영역을 4개로 구분(0~30, 30~60, 60~90, 90~200kHz)하여 독립적으로 감시함으로써 누설초기에 발생하는 고주파수 영역대의 튜브누설을 감지하도록 하고, 또한 각 채널별(센서별) 데시벨 상승곡선의 기울기를 검출하여 설정치 이상으로 기울기가 상승하면 알람을 발생시켜 누설을 보다 조기에 감지할 수 있게 된다. 또한, 주파수/신호크기/시간의 3차원 분석 시스템을 통해 누설초기 발생하는 고주파수영역 신호크기의 시간에 따른 변화를 감시할 수 있게 된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 보일러 튜브 누설 감지방법에 있어서,
   센서에 의해 상기 보일러 튜브로부터 발생하는 튜브 운전음을 수집하는 단계와,
   상기 센서에 의해 수집된 튜브 운전음에 대해 주파수 대역을 다수의 분할 감시 대역으로 분할하여 분할 대역별로 독립적으로 감시하는 단계와,
   상기 수집된 튜브 운전음에 대해 각 센서별 시간에 따른 데시벨(dB) 상승곡선의 기울기를 산출하여 산출된 기울기가 설정치 이상으로 상승하면 알람을 발생시키는 단계를 포함하여 이루어지고,
   상기 다수의 분할 감시 대역으로 분할하는 단계에서는 0~200kHz 주파수 대역을 0~30kHz, 30~60kHz, 60~90kHz, 90~200kHz의 4개의 분할 감시 대역으로 분할하여 누설초기 발생하는 고주파수 영역대의 독립적인 감시가 가능하고,
   상기 4개의 분할 감시 대역별로 데시벨 값에 대해 알람 설정값을 설정하고 분할 대역별로 설정값이상으로 일정시간 동안 지속될 경우 알람을 발생시키는 것을 특징으로 하는 보일러 튜브 누설 조기감지방법.
2. 제1항에 있어서,
   누설초기 고주파수영역 신호크기의 시간에 따른 변화를 감시할 수 있도록 주파수, 신호크기 및 시간의 3차원분석 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 보일러 튜브 누설 조기감지방법.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 센서는 음향진동 복합센서인 것을 특징으로 하는 보일러 튜브 누설 조기감지방법.

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