KR101898775B1 - 보일러 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 유체를 순환시키는 튜브로서, 연소된 연료로부터의 에너지를 흡수하여 유체를 가열하는 수냉벽 튜브와, 수냉벽 튜브에 마련되어 수냉벽 튜브의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 수냉벽 튜브에서 발생하는 음파를 측정하는 음파 측정부와, 온도 측정부에 의하여 측정된 온도 데이터와 음파 측정부에 의하여 측정된 음파 데이터에 기초하여 수냉벽 튜브의 고장 여부를 진단하는 진단부를 포함하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치를 제공하여 보일러에서 균열 등의 손상이 발생하였을 경우, 이를 조기에 발견하여 튜브의 2차 파손 등이 발생하는 것을 방지하고, 보일러의 효율이 저하하는 것을 방지한다.

Description

보일러 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치 및 방법{Failure Diagnosis Apparatus and Method for Waterwall tube of Boiler}

본 발명의 보일러의 고장 진단에 관한 것으로, 특히 보일러 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.

화력발전은 석유, 석탄, 가스 등의 화석연료의 연소를 통해 생성된 열에너지를 터빈에 의하여 기계에너지로 변환하고, 변환된 기계에너지로 발전기를 회전시켜서 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 시스템이다.

화력발전은 크게 증기를 생성하여 증기터빈을 회전시키는 기력발전과, 가스터빈과 증기터빈을 병합시킨 복합발전으로 나뉘어진다. 이 중 가장 많이 사용되는 것은 기력발전이다. 기력발전에서는 보일러 내에서 연소하여 얻어지는 열에너지를 물에 전달하여 고온 고압의 증기를 만든다. 생성된 증기는 증기터빈으로 보내지고, 내부에서 팽창하면서 터빈에 회전력을 주어 열에너지를 기계에너지로 변환한다. 터빈에서 나온 증기는 팽창을 한 후 저온 저압이 되어 복수기 내에서 물로 응축된다. 응축된 물은 보일러와 터빈을 순환하여 열의 흡수를 반복한다.

기력발전에서 증기를 생성하는 발전용 보일러는 증기가 내부를 순환하는 방식(순환보일러, 관류보일러)과 증기의 사용압력(아임계압 보일러, 초임계압 보일러)에 따라 분류된다. 현재 발전설비의 대형화와 사용증기의 고온 고압화 추세에 따라 발전용 보일러는 순환보일러에서 관류보일러로 바뀌었다.

도 1은 관류보일러의 개략도이다. 도 1을 참조하여 관류보일러에 대하여 좀 더 상세하게 설명하면, 이 관류보일러는 초임계압 보일러이며, 임계압(증기압력 225.65kg/㎠ 이상, 증기온도 374℃ 이상)의 고온 고압의 증기를 생성한다. 그리고 이 고온의 증기를 생성하기 위해 보일러 내부에 설치된 버너를 이용하여 연료의 연소열을 만들어낸다. 보일러 내부에 생성된 연소열은 물/증기를 이송하는 관인 튜브에 의해 내부 유체로 열을 전달한다. 그리고 이 튜브는 각 위치 및 역할에 따라 절탄기(Economizer), 수냉벽(Waterwall), 과열기(Superheater) 및 재열기(Reheater) 등으로 나눠진다.

보일러 튜브는 기동 및 운전시의 열응력, 마모, 부식 및 과열 등에 의한 튜브파열 사고가 빈번하게 발생한다. 특히 수냉벽 튜브의 경우, 다른 부위의 튜브에 비해 연소가스의 온도가 가장 높고, 윈드 박스(wind box)와 수트 블로워(soot blower)와 같은 부착장치가 많이 설치되므로 열응력에 더욱 취약하며, 크링커 낙하에 의한 손상 등 다른 부위의 튜브에 비해 사고의 빈도가 상당히 높다. 또한 수냉벽 튜브에서 누설이 발생할 경우, 내부 유체의 유량이 감소하고 냉각효과가 저하되어 그 후류의 튜브는 온도 상승으로 이어져 과열에 의한 파열이 쉽게 발생한다.

도 2는 실제 관류보일러에서 균열이 발생한 모습을 보여주는 사진이며, 도 4는 실제 관류보일러에서 균열에 의한 2차 파손을 보여주는 사진이다. 도 2를 참조하면, 도 2의 (a)는 최초 손상이 발생한 모습을 수냉벽 내부에서 촬영한 사진이며, 도 2의 (b)는 해당 부위의 내면을 촬영한 사진이다. 도 2의 사진들에서 알 수 있듯이, 처음에는 미세한 균열이 발생하였다. 그러나 이러한 균열에 의하여 튜브 내부의 유량 및 연소열의 흡수가 감소하며, 이에 따라 튜브의 냉각효과가 감소한다.

도 3은 압력에 따른 유체의 포화온도를 나타내는 도면이다. 튜브에 균열 등에 의한 누설이 발생할 경우 미세하게 압력이 감소한다. 그런데 도 3에 나타나듯이, 압력이 감소하면 물의 포화온도 또한 감소한다. 이로 인해 수냉벽 튜브의 증발점이 낮아지고, 수냉벽 튜브 내의 물은 더 빨리 증발한다. 일반적으로 증기의 비열은 0.44㎉／㎏·℃로, 물의 비열인 1㎉／㎏·℃보다 낮아 연소열을 적게 흡수한다. 이는 수냉벽 튜브의 냉각효과가 떨어지는 것을 의미하며, 누설이 발생된 튜브의 온도가 상승한다.

결과적으로, 튜브 후류의 부위에서 과열에 의한 튜브 손상이 발생한다. 도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 도 2에서 발생한 균열에 의하여 발생한 2차 파손을 보여주는 사진이며, 도 4의 (b)는 (a)의 확대 사진이다.

따라서 보일러에서 균열 등의 손상이 발생하였을 경우, 이를 조기에 발견하여 튜브의 2차 파손 등이 발생하는 것을 방지하고, 보일러의 효율이 저하하는 것을 방지하는 것이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 보일러에서 균열 등의 손상이 발생하였을 경우, 이를 조기에 발견하여 튜브의 2차 파손 등이 발생하는 것을 방지하고, 보일러의 효율이 저하하는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 실시예들의 일 측면에 의하면, 유체를 순환시키는 튜브로서, 연소된 연료로부터의 에너지를 흡수하여 유체를 가열하는 수냉벽 튜브와, 수냉벽 튜브에 마련되어 수냉벽 튜브의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 수냉벽 튜브에서 발생하는 음파를 측정하는 음파 측정부와, 온도 측정부에 의하여 측정된 온도 데이터와 음파 측정부에 의하여 측정된 음파 데이터에 기초하여 수냉벽 튜브의 고장 여부를 진단하는 진단부를 포함하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치를 제공한다.

이러한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 온도 측정부는 수냉벽 튜브를 구성하는 복수의 튜브열의 매 열마다 마련될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 수냉벽 튜브는 평면에 대하여 수직으로 형성된 수직부, 평면에 대해서 소정의 각도로 경사지게 형성된 경사부, 및 수직부와 경사부 사이를 연결하는 중간 헤더를 포함하며, 온도 측정부는 경사부에 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 온도 측정부에서 측정한 온도 데이터 및 음파 측정부에 의하여 측정된 음파 데이터의 시간에 따른 변화가 나타나도록 온도 데이터 및 음파 데이터 각각을 그래프로 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 진단부는 온도 데이터의 변화 형태 및 음파 데이터의 변화를 분석하여 고장의 종류를 판단할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 수냉벽 튜브로 흐르는 유체의 흐름 상태를 검출하는 유체 흐름 검출부를 더 포함하고, 진단부는 검출한 유체의 흐름 상태를 더 포함하여 고장의 종류를 판단할 수 있다.

본 발명의 실시예들의 다른 측면에 의하면, 보일러를 형성하는 수냉벽 튜브의 온도를 측정하여 온도 데이터를 생성하는 단계와, 수냉벽 튜브에서 발생하는 음파를 측정하여 음파 데이터를 생성하는 단계와, 온도 데이터 및 음파 데이터에 기초하여 수냉벽 튜브의 고장 여부를 진단하는 단계를 포함하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 방법을 제공한다.

이러한 본 발명의 다른 특징에 의하면, 수냉벽 튜브의 온도를 측정하는 것은, 수냉벽 튜브를 구성하는 복수의 튜브열의 모든 열에 대하여 수행할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 수냉벽 튜브는 평면에 대하여 수직으로 형성된 수직부, 평면에 대해서 소정의 각도로 경사지게 형성된 경사부, 및 수직부와 경사부 사이를 연결하는 중간 헤더를 포함하며, 수냉벽 튜브의 온도를 측정하는 것은, 경사부의 온도를 측정할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 생성한 온도 데이터 및 음파 데이터의 시간에 따른 변화가 나타나도록 온도 데이터 및 음파 데이터 각각을 그래프로 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 고장 여부를 진단하는 단계는, 온도 데이터의 변화 형태 및 음파 데이터의 변화를 분석하여 고장의 종류를 더 판단할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 수냉벽 튜브로 흐르는 유체의 흐름 상태를 검출하는 단계를 더 포함하고, 검출한 유체의 흐름 상태를 더 포함하여 고장의 종류를 판단할 수 있다.

상기와 같은 구성에 의하여 보일러에서 균열 등의 손상이 발생하였을 경우, 이를 조기에 발견하여 튜브의 2차 파손 등이 발생하는 것을 방지하고, 보일러의 효율이 저하하는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 관류보일러의 개략도이다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 실제 관류보일러에서 균열이 발생한 모습을 보여주는 사진이다.
도 3은 압력에 따른 유체의 포화온도를 나타내는 도면이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 실제 관류보일러에서 균열에 의한 2차 파손을 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 수냉벽 튜브의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 장치(100)는 수냉벽 튜브(10), 온도 측정부(20), 음파 측정부(30), 제어부(40) 및 표시부(50)를 포함할 수 있다.

수냉벽 튜브(10)는 보일러의 일부 구성으로서 보일러 내부를 둘러싸는 관이다. 수냉벽 튜브(10)는 내부에 유체를 흘려 순환시킨다. 수냉벽 튜브(10)는 내부에서 연소된 연료로부터의 에너지를 흡수하여 내부를 흐르는 유체를 가열한다. 수냉벽 튜브(10)에서 가열된 유체는 증기로 변환되어 외부의 터빈 등을 돌려 전기를 생산한다. 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브(10)를 포함하는 보일러는 관류보일러/초임계압 보일러일 수 있다.

도 6(a)는 수냉벽 튜브(10)의 정면도이고, 도 6(b)는 수냉벽 튜브(10)의 측단면도이고, 도 6(c)는 수냉벽 튜브(10)의 일부 단면사시도이다. 도 6(a) 내지 도 6(c)를 참조하면, 이러한 수냉벽 튜브(10)는 평면에 대하여 수직으로 형성된 수직부(Vertical tube, 11), 평면에 대해서 소정의 각도로 경사지게 형성되는 경사부(Sprial Tube, 12), 및 수직부(11)와 경사부(12) 사이를 연결하는 중간 헤더(13)를 포함할 수 있다. 중간 헤더(13)는 각 열의 유체 온도 편차를 감소시키고 유량의 균등 배분을 가능하게 한다. 참고로 도 6(c)에서 도시한 a 영역이 보일러 내부이고, b 영역이 보일러 외부이다.

수직부(11)에 비하여 경사부(12)는 소정 각도로 기울어져 있기 때문에 수평방향의 폭이 증가하게 되며, 따라서 보일러를 감싸는 수냉벽 튜브(10)에 있어서 수직부(11)의 튜브열 개수는 경사부(12)의 튜브열 개수에 비해 많을 수 있다. 예를 들어, 수직부(11)의 튜브열 개수는 경사부(12)의 튜브열 개수의 4배일 수 있다.

온도 측정부(20)는 수냉벽 튜브(10)의 일부에 마련되어 수냉벽 튜브(10)의 온도를 측정한다. 이때, 온도 측정부(20)는 온도 측정의 정확도 향상을 위하여 수냉벽 튜브(10)를 이루는 복수의 튜브열의 매 열마다 마련될 수 있다.

한편, 온도 측정부(20)는 수냉벽 튜브(10) 중에서 설치 위치를 경사부(12)를 이루는 튜브의 매 열마다 마련될 수 있다. 도 6(a)에 도시된 바와 같이, 경사부(12)는 수직부(11)에 비하여 열의 개수가 4배 적게 설치되는데, 이로 인하여 튜브의 열부하가 수직부에 비해 보다 균등하게 유지될 수 있으며, 이 부분에서 물의 증발이 발생한다. 따라서 온도 측정부(20)를 수냉벽 튜브(10) 중 경사부(12)에 마련함으로써 수냉벽 튜브(10)의 고장을 진단함에 있어서 필요한 온도를 더욱 정확하게 측정할 수 있다. 또한 온도 측정부(20)는 수냉벽 튜브(10)의 경사부(12) 중에서도 중간 헤더(12)에 근접한 위치에 마련될 수 있을 것이다.

음파 측정부(30)는 수냉벽 튜브(10)에서 발생하는 음파를 측정한다. 수냉벽 튜브(10)에 균열 등에 의한 누설이 발생하면 정상상태일 때와는 다른 소리가 발생하게 되는데, 음파 측정부(30)는 수냉벽 튜브(10)에서 발생하는 음파를 실시간으로 모니터링하여 음파의 변화를 모니터링할 수 있다.

제어부(40)는 온도 측정부(20)에 의하여 측정된 온도 데이터와, 음파 측정부(30)에 의하여 측정된 음파 데이터에 기초하여 수냉벽 튜브(10)의 고장 여부를 진단한다. 즉, 제어부(40)는 진단부로서의 기능을 수행한다.

제어부(40)는 온도 데이터의 변화 형태 및 음파 데이터의 변화를 분석하여 고장의 종류를 판단할 수도 있을 것이다. 고장의 종류를 판단하는 다양한 알고리즘은 후술하도록 한다.

또한 제어부(40)는 필요에 따라 온도 측정부(20) 및 음파 측정부(30)로부터 수신한 온도 데이터 및 음파 데이터에 대하여 미리 설정된 연산을 수행하여 가공된 데이터, 예를 들어 평균 온도 등의 데이터를 산출할 수도 있을 것이다.

표시부(50)는 온도 측정부(20)에서 측정한 온도 데이터 및 음파 측정부(30)에 의하여 측정된 음파 데이터의 시간에 따른 변화가 나타나도록 온도 데이터 및 음파 데이터 각각을 그래프로 표시한다. 즉, 표시부(50)는 현재 측정된 온도 및 음파의 값을 표시하는 것이 아니라 측정된 값들을 누적하여 표시한다. 또한 표시부(50)는 온도 측정부(20)마다(온도 측정부(20)가 마련된 튜브마다) 별도의 그래프로 온도 데이터를 표시할 수도 있으며, 그에 더하여 온도 데이터들의 평균값 등 수냉벽 튜브(10)의 고장 진단에 사용될 수 있는 다양한 값들의 그래프를 함께 표시할 수도 있을 것이다.

제어부(40)는 고장 진단에 있어서 온도 데이터와 음파 데이터를 모두 사용함으로써 수냉벽 튜브(10)의 고장 진단 정확성 및 속도를 더욱 높일 수 있다.

온도를 측정함에 있어서 수냉벽 튜브(10)의 일부 튜브열에만 온도 측정부(20)를 마련하는 경우 누설에 의한 미세한 온도 변화를 검출할 수 없으며, 온도 측정부(20)가 마련되지 않은 튜브열에서 발생한 균열에 의한 누설 등은 더더욱 검출이 곤란하거나 검출 속도가 늦었다. 그리고 과도한 온도 변화가 발생한 경우에야 비로소 균열에 의한 누설이 발생하였음을 알 수 있으나, 그때는 이미 다른 부분에서 2차/3차 파손이 발생한 뒤이다.

또한 음파를 측정하여 누설을 판단하는 BTLD(Boiler Tube Leak Detector)를 사용하는 방법의 경우, 수냉벽 튜브(10)의 내부에 부착된 각종 장비 등에 의하여 누설 신호의 왜곡이 발생할 수 있으며, 보일러 연소시에 발생하는 음파에 의하여 누설에 의한 음파 신호에 노이즈가 섞이게 되어 신호의 신뢰성 및 정확도가 낮은 문제가 있다.

그러나 상술한 바와 같이 제어부(40)는 온도 측정부(20)에 의하여 측정되어 생성된 온도 데이터와, 음파 측정부(30)에 의하여 측정되어 생성된 음파 데이터를 동시에 사용한다. 즉, 제어부(40)는 온도 데이터에서의 온도 변화와 음파 데이터에서의 음파 변화가 동시에 발생한 경우 누설 등이 발생한 것으로 진단할 수 있다. 즉, 누설 여부 판단에 대한 신뢰성은 있으나 이를 판단하기까지 시간이 다소 걸리는 온도 데이터와, 음파의 변화 검출은 신속하게 할 수 있으나 신뢰성이 다소 낮은 음파 데이터를 조합함으로써 누설 발생을 신속하면서도 정확하게 할 수 있게 된다. 그리고 이로 인하여 수냉벽 튜브 등의 2차 파손이 발생하는 것을 방지하고, 보일러의 효율이 저하하는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한 표시부(50)는 단순히 온도 측정부(20)와 음파 측정부(30)에 의하여 측정된 현재 측정값을 표시하는 것이 아니라 시간에 따른 변화가 나타나도록 과거의 값들이 포함된 그래프 형태로 표시한다. 이로써 관리자는 수냉벽 튜브(10)의 상태에 대한 이력을 확인할 수 있으며, 그래프의 형태로부터 수냉벽 튜브(10)에 이상이 발생하였는지를 쉽게 파악할 수 있게 된다.

도시하지는 않았으나, 제어부(40)가 고장이 발생하였다고 진단하거나 고장의 종류를 판단한 경우, 이를 관리자에게 알리는 경고부 등의 구성을 더 포함할 수 있을 것이다. 경고부는 소리를 통하여 경고를 발생시키는 부저나 스피커, 시각적인 경고를 발생시키는 경고등을 포함할 수 있으며, 상술한 표시부(50)를 통하여 경고 화면을 제공하는 것도 가능할 것이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수냉벽 고장 진단 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

본 실시예에 따른 수냉벽 고장 진단 장치(101)는 도 5에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 장치(100)와 거의 동일한 구성을 가지며, 유체 흐름 검출부(60)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다.

유체 흐름 검출부(60)는 수냉벽 튜브(10)로 흐르는 유체의 흐름 상태를 검출한다. 즉, 유체 흐름 검출부(60)는 수냉벽 튜브(10) 자체의 유량이나 유속, 수냉벽 튜브(10)로 보충되는 유체의 유량 등을 검출할 수 있을 것이다.

한편, 제어부(40)는 유체 흐름 검출부(60)에 의하여 검출된 유체의 흐름 상태를 더 포함하여 수냉벽 튜브(10)의 고장의 종류를 판단할 수 있을 것이며, 표시부(50) 또한 유체 흐름 검출부(60)에 의하여 검출된 유체 흐름에 관한 데이터를 온도 데이터 및 음파 데이터와 함께 표시할 수 있을 것이다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 장치(101)는 도 5에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 장치(100)와 동일한 효과를 달성할 수 있을 것이다.

이하에서는, 수냉벽 튜브(10)의 고장 진단을 위한 다양한 알고리즘에 대해서 설명한다.

도 8 내지 도 12는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.

도 8은 일 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법을 나타낸다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법은, 제어부(40)가 온도 측정부(20)로부터의 온도 데이터(ET)로부터 최대온도(ETmax)와 최소온도(ETmin)의 차인 온도분포(ETd)를 계산한다(S80). 최대온도(ETmax) 및 최소온도(ETmin)란 수냉벽 튜브(10)의 복수의 튜브열들 각각에 대하여 측정한 온도들 중에서 최대값 및 최소값을 갖는 온도를 의미한다.

그리고 측정된 온도분포(ETd)가 제1 기준온도(예를 들어, 20℃)보다 큰지 판단한다(S81). 만약 온도분포(ETd)가 제1 기준온도 이하면 수냉벽 튜브(10)가 정상이라고 판단하여 S80 단계를 반복한다. 반면, 온도분포(ETd)가 제1 기준온도보다 크면 수냉벽 튜브(10)에 이상이 발생하였다고 판단하며, 그 정도를 판단하기 위해 온도분포(ETd)가 제2 기준온도(예를 들어, 30℃)보다 큰지 판단한다(S82).

S82 단계에서, 온도분포(ETd)가 제2 기준온도 이하면 수냉벽 튜브(10)의 이상 정도가 약하다고 판단하여 경고만을 제공한다(S83). 반면 S82 단계에서 온도분포(ETd)가 제2 기준온도보다 크면 수냉벽 튜브(10)의 이상 정도가 심하다고 판단하여 경고 제공과 함께 보일러를 중단하는 등의 조치를 추가적으로 취한다(S84).

상술한 알고리즘에서 제1 기준온도는 20℃, 제2 기준온도는 30℃로 하여 설명하였으나, 이는 보일러의 종류나 발전설비의 상황에 따라서 다양하게 변경 가능할 것이다. 또한 온도분포(ETd)에 따른 S83 및 S84 단계의 조치 또한 설명된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서 변경 가능할 것이다.

또한 상기 알고리즘의 정확도를 높이기 위하여 제어부(40)는 Seperator 압력, 포화온도, 중간 헤더 입구 온도 등을 선택적으로 입력받아 고장 진단에 활용할 수도 있을 것이다. 뿐만아니라, 추가적으로 부하, MF(Make up flow), 노 내압(Furnace pressure), 공급유량(Feed water flow), 증기량(Steam flow), 음파 데이터(BTLD), S/B(soot blower) 운전, 보조증기 사용량 등의 정보도 수냉벽 튜브(10)의 고장 진단시 고려하기 위해 제어부(40)에 선택적으로 입력될 수 있을 것이다.

도 9는 다른 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법은, 제어부(40)가 온도 측정부(20)로부터의 온도 데이터(ET)로부터 상위 10%의 데이터와 하위 10%의 데이터를 버리고 중간값의 온도 데이터들의 평균(ETave)을 계산한다(S90).

그리고 측정된 수냉벽 튜브(10)의 온도(ET)가 평균온도(ETave)에 제3 기준온도(예를 들어, 10℃)를 더한 값보다 큰지 판단한다(S91). 만약 온도(ET)가 평균온도(ETave)에 제3 기준온도를 더한 값 이하면, 수냉벽 튜브(10)가 정상이라고 판단하여 S90 단계를 반복한다. 반면, 온도(ET)가 평균온도(ETave)에 제3 기준온도를 더한 값보다 크면 수냉벽 튜브(10)에 이상이 발생하였다고 판단하며, 그 정도를 판단하기 위해 온도(ET)를 평균온도(ETave)에 제4 기준온도(예를 들어, 20℃)를 더한 값보다 큰지 판단한다(S92).

S82 단계에서, 온도(ET)가 평균온도(ETave)에 제4 기준온도를 더한 값 이하면 수냉벽 튜브(10)의 이상 정도가 약하다고 판단하여 별도의 조치를 취하지 않고 운전상태를 계속해서 주시한다(S93). 반면 S92 단계에서 온도(ET)가 평균온도(ETave)에 제4 기준온도를 더한 값보다 크면 수냉벽 튜브(10)의 이상 정도가 심하다고 판단한다. 예를 들어, 막힘이나 누설이 확실하다가 진단하며, 그에 따라 부하증가를 중지시키거나 운전상태를 점검하는 등의 조치를 취한다(S94).

상술한 알고리즘에서 제3 기준온도는 10℃, 제4 기준온도는 20℃로 하여 설명하였으나, 이는 보일러의 종류나 발전설비의 상황에 따라서 다양하게 변경 가능할 것이다. 또한 평균온도(ETave)의 산출시 상위 10%와 하위 10%의 데이터를 제외하는 것으로 설명하였으나 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니며, 제외하는 데이터의 범위를 적절히 변경할 수 있을 것이다.

또한 상기 알고리즘의 정확도를 높이기 위하여 제어부(40)는 Seperator 압력, 포화온도, 중간 헤더 입구 온도 등을 선택적으로 입력받아 고장 진단에 활용할 수도 있을 것이다. 뿐만아니라, 추가적으로 부하, MF(Make up flow), 노 내압(Furnace pressure), 공급유량(Feed water flow), 증기량(Steam flow) 등의 정보도 수냉벽 튜브(10)의 고장 진단시 고려하기 위해 제어부(40)에 선택적으로 입력될 수 있을 것이다.

본 실시예에서는 막힘과 누설에 대하여만 고려하고 있으나, 고장의 종류에 대하여는 다양하게 변경하거나 추가할 수 있을 것이다. 또한 막힘과 누설의 정도는 다음과 같이 더 세분화되어 진단될 수 있을 것이다. 다만, 아래 설명하는 단계들은 예시적인 것에 불과하며, 발전소의 상황에 따라서 막힘/누설의 단계는 다양하게 구분할 수 있을 것이다.

먼저 막힘의 경우, 튜브가 막혔는지 확실하지는 않으나 막힘 징후가 있는 상태인 막힘 의심, 막힘이 발생하였다고 확정하는 막힘 확정, 막힘이 점차 확대되는 과정에 있는 막힘 진행, 막힘이 진행되어 더 이상 운전을 하면 튜브의 과열손상이 발생할 수 있으므로 보일러 정지가 필요한 상태인 보일러 정지, 튜브 막힘으로 과열되어 파손되는 파열, 파열 튜브에 의하여 손상이 확대된 파급 등의 단계로 나뉠 수 있을 것이다.

다음으로 누설의 경우, 누설이라고 확정할 수 없으나 누설 징후가 있는 상태인 누설 의심, 누설 징후가 진행되어 누설임이 확정되는 누설 확정, 누설이 점차 확대되는 과정에 있는 누설 확대, 최초 누설에 의하여 1차적으로 발생한 파급인 1차 파급, 1차 파급부의 누설에 의하여 발생하는 2차 파급, 2차 파급부의 누설에 의하여 발생하는 3차 파급, 누설 진행과정 중에 마모나 과열에 의하여 튜브가 크게 파열되는 파열, 누설이 심하여 더 이상 운전이 어려운 상태로 보일러 정지가 필요한 상태인 보일러 정지 등의 단계로 나뉠 수 있을 것이다.

도 10은 다른 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법을 나타낸다.

도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법은, 제어부(40)가 온도 측정부(20)로부터 온도 데이터(ET), 음파 측정부(30)로부터 음파 데이터(BD), 유체 흐름 검출부(40)로부터 유체 흐름 데이터(MF: make up flow)를 수신한다. 그리고 우선 제어부(40)는 측정한 온도 데이터(ET)가 제5 기준온도(예를 들어, 450℃)보다 큰지를 판단한다(S100). 만약 온도 데이터(ET)가 제5 기준온도보다 크면 운전한계를 초과하였다고 판단하여 출력감발을 수행하고, 보일러를 정지시킨다(S101).

한편, S100 단계에서 온도 데이터(ET)가 제5 기준온도 이하면, 온도가 상승중인지 여부를 판단한다(S102). 만약 온도가 상승중이 아니면 정상이라고 판단하여 다시 S100 단계로 돌아간다. 반면, 온도가 상승중이라고 판단하면, BD값 및 MF값이 상승하는지를 판단한다(S103).

S103 단계에서, BD값 및 MF값이 상승한다고 판단하면 누설이 발생한 것으로 진단한다(S104). 반면 BD값 및 MF값이 동시에 상승하는 경우가 아니라고 판단되면 막힘이 발생한 것으로 진단한다(S105).

상기와 같이 온도 데이터(ET)와 음파 데이터(BD)의 조합에 의하여 고장의 발생 여부 및 고장의 종류를 진단할 수 있을 것이다.

상술한 알고리즘에서 제5 기준온도는 450℃로 하여 설명하였으나, 이는 보일러의 종류나 발전설비의 상황에 따라서 다양하게 변경 가능할 것이다.

상술한 실시예에서 설명한 음파 데이터(BD)는 주로 음파의 크기(decivel level)에 대한 데이터를 의미하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 음파의 주파수에 대한 데이터를 포함하는 개념일 수도 있다. 이는 다른 실시예에서도 마찬가지이다.

도 11은 다른 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법을 나타낸다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법은, 제어부(40)가 온도 측정부(20)로부터 온도 데이터(ET)와, 음파 측정부(30)로부터 음파 데이터(BD)를 수신한다. 그리고 제어부(40)는 온도 데이터(ET) 및 음파 데이터(BD)가 상승하는지 판단한다(S110).

제어부(40)는 온도 데이터(ET) 및 음파 데이터(BD)가 동시에 상승하면 누설이 발생한 것으로 판단하여 음파 데이터(BD)로부터 누설 발생 위치가 상/중/하 중 어느 위치인지를 파악한다(S111). 누설 발생 위치의 파악은 음파 데이터(BD)의 분석으로부터 산출할 수 있을 것이다. 또한 제어부(40)는 온도 데이터(ET)로부터 누설이 발생한 튜브열을 파악한다(S112). 이를 위해 복수의 온도 측정부(20) 각각은 다른 온도 측정부(20)와 식별할 수 있는 ID 등의 정보를 포함할 수 있으며, 이를 온도 측정부(20)의 측정 위치와 매칭시켜 저장해 놓음으로써 누설이 발생한 튜브열을 파악할 수 있을 것이다.

제어부(40)는 위와 같이 파악한 상/중/하의 상하방향의 누설 위치와 튜브열로부터 어디에서 누설이 발생하였는지 누설 위치를 추적한다(S113).

도 12는 다른 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법을 나타낸다.

도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 수냉벽 튜브 고장 진단 방법은, 제어부(40)가 온도 데이터(ET), 유체 흐름 데이터(MF), 음파 데이터(BD) 등을 수신한다. 그리고 제어부(40)는 MF값 및 BD값이 상승하는지를 판단한다(S120). MF값 및 BD값이 상승하지 않으면, 수냉벽 튜브(10)가 정상이라고 판단하여 다시 S120 단계를 반복한다.

반면 MF값 및 BD값이 상승하면 이상이 발생한 것으로 진단하여 MF값 및 BD값의 상승률이 기준치 이상인지를 판단한다(S121). MF값 및 BD값의 상승률이 기준치 이상이면, 온도 데이터인 ET값의 상승률을 판단하고(S122), ET값의 상승률이 기준치 이상이면 파급(Rupture) 발생으로 진단하며(S127a), 그렇지 않으면 누설 발생으로 진단한다(S127e).

한편, MF값 및 BD값의 상승률이 기준치보다 작으면 기준시간만큼 대기하고, 기준시간 경과 후 MF값 및 BD값을 다시 측정한다(S123). MF값 및 BD값의 재측정은 측정을 새로하는 것일 수도 있으나, 실시간으로 측정되는 값들 중에서 기준시간 경과한 시점에서의 데이터값을 취하는 것을 의미할 수도 있을 것이다.

S123 단계에서 취득한 MF값 및 BD값의 상승여부를 다시 판단하고(S124), 상승하지 않는다고 판단하면 S125 단계로 진행하여 기준시간 경과후의 온도 ET(n+1)가 이전 온도 ET(n)에 제6 기준온도를 더한 값보다 큰지 판단한다. 더 큰 경우에는 균열이 발생한 것으로 진단하고(S127b), 그렇지 않은 경우에는 핀홀이 발생한 것으로 진단한다(S127c).

또한, S124 단계에서 MF값 및 BD값이 계속 상승하고 있으면 S126 단계로 진행하여 기준시간 경과후의 온도 ET(n+1)가 이전 온도 ET(n)에 제7 기준온도를 더한 값보다 큰지 판단한다. 더 큰 경우에는 파열이 발생한 것으로 진단하고(S127d), 그렇지 않은 경우에는 누설이 발생한 것으로 진단한다(S127e)

상술한 알고리즘에서 제6 기준온도, 제7 기준온도는 10℃나 20℃ 등 다양하게 설정할 수 있을 것이며, 기준시간 또한 30분이나 1시간 등으로 다양하게 설정할 수 있을 것이다. 즉, 제6 기준온도, 제7 기준온도, 기준시간 등은 이는 보일러의 종류나 발전설비의 상황에 따라서 다양하게 변경 가능할 것이다.

이상에서 설명한 수냉벽 튜브(10)의 고장 진단 알고리즘들은 각 단계들이 적절히 변경되어 수행될 수도 있을 것이며, 복수의 알고리즘이 조합되어 수행될 수도 있을 것이다. 또한 상술한 수냉벽 튜브(10)의 고장 진단 알고리즘은 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니며, 측정된 데이터들의 조건에 따라서 고장의 종류를 다르게 진단할 수도 있을 것이다.

상기와 설명한 수냉벽 튜브 고장 진단 장치(100, 101) 및 고장 진단 방법에 의하여 보일러에서 균열 등의 손상이 발생하였을 경우, 이를 조기에 발견하여 튜브의 2차 파손 등이 발생하는 것을 방지하고, 보일러의 효율이 저하하는 것을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

100, 101 수냉벽 튜브 고장 진단 장치
10 수냉벽 튜브
20 온도 측정부
30 음파 측정부
40, 41 제어부(진단부)
50 표시부
60 유체 흐름 검출부

Claims (12)

1. 유체를 순환시키는 튜브로서, 연소된 연료로부터의 에너지를 흡수하여 상기 유체를 가열하는 수냉벽 튜브;
   상기 수냉벽 튜브에 마련되어 상기 수냉벽 튜브의 온도를 측정하는 온도 측정부;
   상기 수냉벽 튜브에서 발생하는 음파를 측정하는 음파 측정부;
   상기 수냉벽 튜브로 흐르는 유체의 흐름 상태를 검출하는 유체 흐름 검출부; 및
   상기 온도 측정부에 의하여 측정된 온도 데이터와 상기 음파 측정부에 의하여 측정된 음파 데이터에 기초하되, 온도 데이터가 기준치 이하일 때, 상기 온도 데이터에 의한 온도 변화와 상기 음파 데이터에 의한 음파 변화가 동시에 발생하는지 여부를 판단하여, 상기 수냉벽 튜브의 고장 여부를 진단하는 진단부;를 포함하고,
   상기 진단부는 상기 온도 데이터의 변화 형태, 상기 음파 데이터의 변화 및 상기 유체 흐름 검출부에 의하여 검출한 유체의 흐름 상태를 분석하여, 튜브 막힘과 튜브 누설을 포함하는 상기 고장의 종류를 더 판단하되, 상기 튜브 누설을 판단하는 경우, 누설이라고 확정할 수 없으나 누설 징후가 있는 상태인 누설 의심 단계, 누설 징후가 진행되어 누설임이 확정되는 누설 확정 단계 및 누설이 확대되는 과정에 있는 누설 확대 단계를 단계적으로 판단하며,
   상기 수냉벽 튜브는 평면에 대하여 수직으로 형성된 수직부, 상기 평면에 대해서 소정의 각도로 경사지게 형성된 경사부, 및 상기 수직부와 상기 경사부 사이를 연결하는 중간 헤더를 포함하며,
   상기 온도 측정부는 상기 경사부에 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도 측정부는 상기 수냉벽 튜브를 구성하는 복수의 튜브열의 매 열마다 마련되는 것을 특징으로 하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 온도 측정부에서 측정한 온도 데이터 및 상기 음파 측정부에 의하여 측정된 음파 데이터의 시간에 따른 변화가 나타나도록 온도 데이터 및 음파 데이터 각각을 그래프로 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 장치.
5. 삭제
6. 삭제
7. 보일러를 형성하는 수냉벽 튜브의 온도를 측정하여 온도 데이터를 생성하는 단계;
   상기 수냉벽 튜브에서 발생하는 음파를 측정하여 음파 데이터를 생성하는 단계;
   상기 수냉벽 튜브로 흐르는 유체의 흐름 상태를 검출하는 단계; 및
   상기 온도 데이터 및 음파 데이터에 기초하되, 상기 온도 데이터가 기준치 이하일 때, 상기 온도 데이터에 의한 온도 변화와 상기 음파 데이터에 의한 음파 변화가 동시에 발생하는지 여부를 판단하여, 상기 수냉벽 튜브의 고장 여부를 진단하는 단계를 포함하고,
   상기 고장 여부를 진단하는 단계는, 상기 온도 데이터의 변화 형태, 상기 음파 데이터의 변화 및 상기 검출한 유체의 흐름 상태를 분석하여, 튜브 막힘과 튜브 누설을 포함하는 상기 고장의 종류를 더 판단하되, 상기 튜브 누설을 판단하는 경우, 누설이라고 확정할 수 없으나 누설 징후가 있는 상태인 누설 의심 단계, 누설 징후가 진행되어 누설임이 확정되는 누설 확정 단계 및 누설이 확대되는 과정에 있는 누설 확대 단계를 단계적으로 판단하며,
   상기 수냉벽 튜브는 평면에 대하여 수직으로 형성된 수직부, 상기 평면에 대해서 소정의 각도로 경사지게 형성된 경사부, 및 상기 수직부와 상기 경사부 사이를 연결하는 중간 헤더를 포함하며,
   상기 수냉벽 튜브의 온도를 측정하는 것은, 상기 경사부의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 방법.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 수냉벽 튜브의 온도를 측정하는 것은, 상기 수냉벽 튜브를 구성하는 복수의 튜브열의 모든 열에 대하여 수행하는 것을 특징으로 하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 방법.
9. 삭제
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 생성한 온도 데이터 및 음파 데이터의 시간에 따른 변화가 나타나도록 온도 데이터 및 음파 데이터 각각을 그래프로 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉벽 튜브의 고장 진단 방법.
11. 삭제
12. 삭제

Images