KR101952792B1 - 에너지 시스템의 고장진단 방법 및 장치 - Google Patents

에너지 시스템의 고장진단 방법 및 장치 Download PDF

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곽호영
오시덕
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주식회사 블루이코노미전략연구원
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Abstract

본 발명은 목적은 에너지 시스템의 고장진단 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기에 대하여 엑서지에 기반한 열경제학적 방법을 적용하여 각 구성기기에서의 손실일률과 이에 따른 손실비용을 계산하고 성능이 저하된 구성기기를 정확하게 진단하여 이를 유지보수 또는 교체할 수 있도록 하는 에너지 시스템의 고장진단 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

에너지 시스템의 고장진단 방법 및 장치 {FAULT DIAGNOSIS METHOD AND APPARATUS FOR ENERGY SYSTEM}
본 발명은 발전 플랜트, 냉동 플랜트 또는 화공플랜트와 같은 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기의 고장 발생 또는 성능 저하 상태를 진단하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기에 대하여 열경제학적 방법을 적용하여 각 구성기기에서의 손실일과 이에 따른 손실비용을 계산함으로서 효율이 저하된 구성기기를 정확하게 진단할 수 있는 에너지 시스템의 고장진단 방법 및 장치에 관한 것이다.
발전 플랜트, 냉동 플랜트 또는 화공플랜트와 같은 에너지 시스템에서는 시스템을 구성하는 각 구성기기의 성능저하가 발생하면 전체 시스템에 미치는 영향이 크기 때문에 성능저하가 발생한 구성기기를 수리 또는 교체하는 등의 유지보수 관리가 매우 중요하다. 발전 플랜트에서 발생하는 성능 저하의 일반적인 원인으로는 증기터빈의 열교환기 파울링 및 압축기와 터빈 블레이드에서 발생하는 부식 등이 있다. 이러한 경우 해당 구성기기의 입구 및 출구 점에서 작동유체의 온도, 압력 등과 같은 열역학적 상태량이 변화하게 되고 이는 전체 에너지 시스템의 성능 저하 및 전기 생산 단가 상승의 원인이 된다. 특히 발전 플랜트의 어떤 특정 구성기기에서 효율 저하가 발생하면 전체적으로 고장이 없다고 보일지라도 발전 플랜트는 전기 생산량을 유지하기 위해 연료를 더 공급하기 때문에 전기 생산 단가가 증가하는 비효율이 발생한다. 그러나 어느 구성기기에서 성능저하가 발생하였는지를 진단한다는 것은 그리 간단한 문제가 아니며 특히 성능저하가 3%보다 작은 경우 이를 진단한다는 것은 매우 어렵다. 또한, 구성기기 간의 상호 작용이 매우 복잡하기 때문에 복수의 구성기기에서 성능저하가 동시에 발생하는 경우, 이를 진단하는 것은 더욱 어렵다.
과거 열역학 제1법칙에 의한 에너지 효율 진단은 있어 왔지만 실제 성능저하가 발생한 구성기기를 정확하게 진단하기에는 한계가 있다.
또한 공개특허 제10-2003-0057442호(2003.07.04)에는 발전소의 원래의 사양 데이터(specification data)를 이용한 발전소의 제 1열모델과 현재 측정된 발전소의 각 구성 요소의 성능 데이터를 이용한 발전소의 제 2열모델을 비교하여 개별 구성 요소의 성능 영향을 판정하는 방법을 제시하고 있으나, 특정 구성기기의 성능 저하는 해당 구성기기 자체의 성능 저하로 인한 부분과 다른 구성기기로부터의 영향으로부터 기인한 부분을 구분하지 못 함으로서 정확한 진단이 불가능하다는 단점이 있다.
발전플랜트를 운영하다 보면 각 구성기기에서 부식 또는 침식에 의한 오염인 파울링이 발생하고, 파울링에 의한 압력의 강하 또는 변화에 의해 공기압축기, 가스터빈, 증기터빈 등에서 효율이 저하되고, 응축기나 열교환기의 열전달 계수가 저하된다. 발전플랜트를 구성하는 개별 구성기기의 효율이 저하되면 발전플랜트의 전기 생산 단가는 증가하게 되고 이는 초기 설계점보다 생산 비용이 증가하게 된다.
따라서, 성능이 저하된 구성기기를 정확하게 진단하여 이를 유지보수 또는 교체할 수 있도록 하기 위해서는 열역학 제2법칙에 의한 엑서지에 기반한 열경제학적 방법을 이용하는 정밀한 계산, 모니터링과 진단 기술의 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2003-0057442호(2003.07.04)
Kwak, H., Kim, D.J. and Jeon, J.S.(2003)'Exergetic and thermoeconomic analyses of power plants', Energy, Vol. 28, pp.343-360.
이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 에너지 시스템에 있어서 에너지 시스템을 구성하는 구성기기들에서 성능이 저하된 구성기기를 정확하게 진단하여 이를 유지보수 또는 교체할 수 있도록, 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기에 대하여 엑서지에 기반한 열경제학적 방법을 적용하여 각 구성기기에서의 손실일과 이에 따른 손실비용을 계산함으로서 효율이 저하된 구성기기를 정확하게 진단할 수 있는 에너지 시스템의 고장진단 방법 및 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 본 발명의 에너지 시스템의 고장진단 방법은 에너지 시스템을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산하는 제 1 단계; 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하는 제 2 단계; 상기 상대적인 내부 손실일률(RMF)또는 상기 상대적인 손실비용흐름(RDLC)으로부터 성능저하 여부를 판단하는 제 3 단계;를 포함한다.
상기 제 3 단계에서 성능저하 여부는 각 구성기기의 상대적인 자체 손실일(RMF)이 2% 이상 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)이 2% 이상인 경우 성능저하 또는 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다. 상기 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건은 각 구성기기의 입구 및 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 유속인 것을 특징으로 한다. 상기 에너지 시스템은 동력플랜트, 냉동플랜트 또는 화공플랜트인 것을 특징으로 한다.
한편, 또다른 실시예에 의한 에너지 시스템의 고장진단 장치는 에너지 시스템을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산하는 RMF 연산부; 에너지 시스템을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하는 RDLC 연산부; 상기 상대적인 내부 손실일률(RMF)또는 상기 상대적인 손실비용흐름(RDLC)으로부터 성능저하 여부를 판단하는 판단부;를 포함한다.
상기 판단부는 각 구성기기의 상대적인 자체 손실일(RMF)이 2% 이상 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)이 2% 이상인 경우 성능저하 또는 고장으로 판단하는 것을 특징으로 한다. 상기 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건은 각 구성기기의 입구 및 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 유속인 것을 특징으로 한다. 상기 에너지 시스템은 동력플랜트, 냉동플랜트 또는 화공플랜트인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제공하는 에너지 시스템의 고장진단 방법 및 장치에 따르면, 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기에 대하여 엑서지에 기반한 열경제학적 방법을 적용하여 각 구성기기에서의 손실일과 이에 따른 손실비용을 계산하고 효율이 저하된 구성기기를 정확하게 진단함으로서 이를 유지보수 또는 교체할 수 있도록 하여 효율적인 에너지 시스템을 유지할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고장진단 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고장진단 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 고장진단 방법을 설명하기 위한 복합발전플랜트의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 각 구성기기의 엑서지 비용수지식들을 행렬식으로 표현한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시 예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 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 "이루어진다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명에서 사용하는 약어들은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112018078483980-pat00001
Figure 112018078483980-pat00002
본 발명에서 정의하는 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건이란 에너지 시스템이 완공되어 시운전을 거쳐 최적의 상태로 되었을 당시의 각 구성기기의 입구와 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 질량유속 등의 값들을 의미하며, 이는 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기들의 성능저하 또는 고정 여부를 판단하기 위한 기초 값이 된다.
또한 에너지 시스템의 실제 운전 조건이란 에너지 시스템 완공되고 일정시간이 경과한 후 임의의 시점에서의 각 구성기기의 입구와 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 질량유속 등의 값들을 의미한다. 이들 값을 적용하여 실제 운전 조건에서 각각의 구성기기의 자체의 성능저하에 의한 내부 손실일률(MF)과, 다른 구성기기의 성능저하에 의한 외부 손실일률(DYS)을 연산할 수 있다.
레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 알아내기 위해서는 각 구성기기의 입구와 출구에서 온도센서, 압력센서, 유량계 등 통상의 기술자에게 널리 알려진 측정센서 또는 측정기기를 이용하여 실시간으로 측정될 수 있으며, 일반적인 에너지플랜트에서 이들 운전 조건들은 실시간으로 주제어실에서 파악할 수 있을 것임은 통상의 기술자에게는 자명할 것이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지 시스템의 고장진단 방법은 에너지 시스템을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산하는 제 1 단계; 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하는 제 2 단계; 상기 상대적인 내부 손실일률(RMF)또는 상기 상대적인 손실비용흐름(RDLC)으로부터 성능저하 여부를 판단하는 제 3 단계;를 포함한다. 각 구성기기의 상기 상대적인 내부 손실일률(RMF)이 2% 이상 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)이 2% 이상인 경우 성능저하 또는 고장으로 판단할 수 있다.
에너지 시스템은 동력플랜트, 냉동플랜트 또는 화공플랜트일 수 있다. 동력플랜트의 경우 발전플랜트를 포함할 수 있으며, 발전플랜트의 경우 각 구성기기는 공기압축기, 가스터빈, 연소기, 연료예열기, 증기터빈, 응축기, 펌프, 배열회수 보일러 등을 포함할 수 있다. 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기의 입구 및 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 질량유속으로부터 엑서지 수지식을 구할 수 있다. 작동유체는 연료, 공기, 증기(또는 물)이 될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1단계의 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산하는 제 1 단계를 좀더 구체적으로 설명한다.
엑서지(Exergy)는 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.
수학식 1
Figure 112018078483980-pat00003
수학식 1의 의미는 어떤 상태에 있는 물질이 그 상태로부터 환경상태로 변할 때까지 행할 수 있는 최대 가역일, 즉 엑서지이다. 수학식 1의 마지막 항은 화학 엑서지 흐름을 나타내며,
Figure 112018078483980-pat00004
는 화학퍼텐셜을 환경온도
Figure 112018078483980-pat00005
와 환경압력
Figure 112018078483980-pat00006
상태 하에서 구한 값이다.
실제 시스템은 온도가 변하지 않는 고온의 열저장소와의 열교환으로 열을 얻는 것이 아니라 연소기에서 연료의 연소로 인해 열량을 얻으므로 화학엑서지
Figure 112018078483980-pat00007
항이 존재하게 된다. 그리고, 작동유체와 열교환을 하는 물질이 받는 엑서지 증가 값인
Figure 112018078483980-pat00008
항이 존재하게 된다.
정상상태의 열기관에 대한 엑서지 수지식과 엔트로피 생성률은 각각 수학식 2와 수학식 3에 의하여 정의될 수 있다.
수학식 2
Figure 112018078483980-pat00009
수학식 3
Figure 112018078483980-pat00010
수학식 2에서 좌변은 그 구성기기에서 실제 투입 또는 생산된 실제 전력량이고 우변의 첫 번째 항은 연소기에서 연료의 연소로 얻을 수 있는 화학엑서지 값이다. 여기에서 첫 번째, 두 번째, 세 번째, 네 번째 항들의 합은 그 구성기기에서 할 수 있는 최대 가역일을 나타난다. 그리고 다섯 번째 항은 손실일의 크기를 나타낸다.
에너지 시스템의 각 구성기기에 대한 엑서지 수지식은 수학식 2와 수학식 3으로부터 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.
수학식 4
Figure 112018078483980-pat00011
여기서
Figure 112018078483980-pat00012
은 앞에서 설명했던 작동유체와 열교환 하는 물질이 받는 엑서지 증가 값이다.
각 구성기기에서 엑서지 수지식의 표현은 수학식 5와 같이 투입엑서지, 생성엑서지, 엔트로피 생성에 의한 손실일률의 항으로 다시 나타낼 수 있다. 여기서 F와 P는 i번째 구성기기의 투입엑서지와 생성엑서지를 각각 나타낸다.
수학식 5
Figure 112018078483980-pat00013
i번째 구성기기에서 생성엑서지와 투입엑서지의 비를 r i 라하면, r i 는 수학식 6과 같이 된다. 이 비의 역, 1/r i 는 i번째 구성기기의 엑서지 성능이라 할 수 있다.
수학식 6
Figure 112018078483980-pat00014
성능이 저하된 구성기기를 찾기 위해서는 구성기기에서 발생하는 절대 손실일이나 손실비용 보다는 각 구성기기에서 발생한 손실일이나 손실비용에 비해 어느 정도 그 양의 증감이 되었나를 확인하는 것이 좋다. 이러한 양의 증감을 확인하기 위해 수학식 6을 수학식 5에 대입하면 i 번째 구성기기에서 발생하는 손실엑서지 즉, 손실일률 항으로 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
수학식 7
Figure 112018078483980-pat00015
i 번째 구성기기에서 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건간의 산출엑서지인 손실일률의 차이는 다음 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 8
Figure 112018078483980-pat00016
우측 첫 번째 항인
Figure 112018078483980-pat00017
는 i 번째 구성기기 자체의 성능저하에 의한 내부 손실일률(MF, Malfunction)을 나타내는 양이며, 두 번째 항인
Figure 112018078483980-pat00018
은 다른 구성기기의 성능저하에 의해 i 번째 구성기기에서 나타난 외부적 손실일률 (DYS, Dysfunction)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00019
Figure 112018078483980-pat00020
MF는 구성기기 자체의 내부적인 비가역일률 나타내고, DYS는 다른 구성기기의 성능저하에 의해 해당 구성기기에서 발생되는 외부적인 비가역일률을 나타낸다
Figure 112018078483980-pat00021
은 i 번째 구성기기의 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건에서의 생성엑서지와 투입엑서지의 비의 차이를 나타내며,
Figure 112018078483980-pat00022
는 i 번째 구성기기의 실제운전 조건과 레퍼런스 조건에서의 생성엑서지에 차이를 나타내며, 다음 식과 같이 나타내어 진다.
Figure 112018078483980-pat00023
Figure 112018078483980-pat00024
구성기기 자체의 성능저하에 의한 상대적인 내부 손실일률 RMF (Relative malfunction)는 레퍼런스 운전 조건에서 발생하는 손실일률을 기준으로 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.
수학식 9
Figure 112018078483980-pat00025
이러한 RMF는 플랜트의 질량유량의 변화에 의존하지 않는 변수이다. 다른 기기의 성능저하에 따라 발생하는 외부적 손실일률은 질량유량의 변화에 따라 수학식 10과 같이 달라진다.
수학식 10
Figure 112018078483980-pat00026
여기에서,
Figure 112018078483980-pat00027
은 i번째 구성기기의 실제 운전 조건과 레퍼런스기준운전 조건간의 질량유량의 차를 나타내며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00028
따라서 구성기기의 외부적 손실일률은 수학식 10에서 정의한 유량변화에 따른 손실일률을 제거함으로써, 다음 수학식 11과 같이 수정할 수 있다.
수학식 11
Figure 112018078483980-pat00029
실제로, 열경제학 방법을 동력플랜트(발전소)의 진단에 적용함에 있어서 어려운 점은 구성기기의 손실일률에는 다른 구성기기에 손실일에 의해 유도된 성능감소가 존재한다는 것이다. 그래서, 정확한 진단을 위해서는 이와 같이 유도된 손실일의 연속적인 여과가 필요하다.
상술한 바와 같이 각 구성기기의 자체의 성능저하에 의한 내부 손실일률(MF)은 수학식
Figure 112018078483980-pat00030
로부터 구할 수 있고,
각 구성기기에서 다른 구성기기의 성능저하에 의한 외부 손실일률(DYS)은 수학식 11로부터 구할 수 있다.
각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하는 제 2 단계를 좀 더 구체적으로 설명한다.
어떤 장비의 연간등가비용
Figure 112018078483980-pat00031
는 수학식 12와 같이 정의될 수 있다.
수학식 12
Figure 112018078483980-pat00032
이 연간등가비용 방정식을 설명하면, C0는 현재 그 기기의 가격이고, SV는 n년 후 기기의 매각금액이다. 따라서
Figure 112018078483980-pat00033
는 미래의 기기에 자산금액을 현재의 가치 금액으로 바꾼 항이 된다. 그러므로
Figure 112018078483980-pat00034
는 기기의 n년 동안 소모된 가치 또는 금액을 현재의 가치화한 항이다. 세 번째 항인
Figure 112018078483980-pat00035
은 n년 동안 매년 상환해야 할 총 금액을 현재 가치로 환산한 금액 또는 현재 빌린 금액이 된다. 따라서 현재의 소멸된 기기 가치와 빌린 금액을 연간등가 시키면 즉 자본회수계수를 곱하면 연간등가비용
Figure 112018078483980-pat00036
을 구할 수가 있다.
따라서 연간등가비용
Figure 112018078483980-pat00037
을 이용하여 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기에 대한 자본비용흐름
Figure 112018078483980-pat00038
을 구하면 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00039
여기서
Figure 112018078483980-pat00040
는 시스템을 연간 사용하는 시간이고
Figure 112018078483980-pat00041
는 기기의 유지비용 등에 필요한 유지비용계수를 나타내며,
Figure 112018078483980-pat00042
는 k번째 구성기기가 단위 시간당 소비하는 금액을 뜻한다.
한편 엑서지 흐름이 어느 상태에 있든 엑서지 종류별로 엑서지 단가를 부여하고 엔트로피 생성 항에도 단가를 부여함으로써 엑서지 손실에 의한 경제적인 손실도 고려할 수 있다. 게다가 엔트로피 생성에 의한 손실비용의 단가는 시스템 경계에 대한 엑서지 비용 균형식이 되어 산출 엑서지의 단가를 결정하는 중요한 식이 되기 때문에 에너지 시스템의 구성기기의 수와 순서의 변화에 따른 산출 엑서지 단가의 변화를 계산할 수 있다.
에너지시스템 내의 임의의 구성기기에 대한 수학식 4의 엑서지 수지식[GJ/hr]에 단위엑서지 비용 [$/GJ]을 곱하여 엑서지비용흐름 [$/hr]으로 나타낼 수 있다. 즉 복합에너지 시스템을 구성하는 임의의 구성기기에 들어가고 나가는 엑서지양의 차와 각 엑서지 종류별로 대응하는 단위 엑서지당 비용을 할당하여, 수학식 13과 같이 임의의 구성기기에 대한 엑서지 비용 수지식을 수립할 수 있다.
수학식 13
Figure 112018078483980-pat00043
여기서 C0, CBQ, CT, CP, CS, CW는 각각 연료단가, 증기엑서지, 열엑서지, 기계엑서지, 부엔트로피생성량, 일엑서지에 대한 단위 엑서지 비용이며,
Figure 112018078483980-pat00044
는 k 구성기기에 대한 상환금 및 유지비용 등을 고려한 단위 시간당 자본비용흐름을 나타낸다. 수학식 13에 주어진 엑서지 비용수지식을 에너지시스템의 각 구성기기에 적용할 때 그 구성기기의 주된 생산엑서지에 특정 단가를 부여하게 되면 n개의 구성기기에 대한 n개의 엑서지 비용 수지식을 얻을 수 있다. 예를들면 공기압축기는 공기의 압력을 증가시키는 기기이므로 그 단가를 C P 대신에 C P1 을 부여한다. 이렇게 엑서지 비용수지식을 구하게 되면 엑서지비용식의 개수 보다 엑서지단가의 미지수가 많아지게 되는데 열엑서지나 기계적엑서지와 시스템의 경계에 대한 비용수지식을 수립하여 엑서지 비용수지식의 개수가 엑서지단가의 미지수와 같게 하여 이 비용수지식을 풀면 모든 엑서지의 단가를 구할 수 있다.
상기 수학식 13은 에너지시스템을 구성하는 각 구성기기의 엑서지 비용흐름은 투입엑서지 비용흐름의 합과 산출엑서지 비용흐름의 값은 같아야 함을 말해준다. 수학식 13의 엑서지 비용수지식은 다음과 같이 다시 기술할 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00045
여기에서, F 와 P 는 i번째 구성기기의 투입과 생성을 각각 나타낸다. 손실일률로 인한 손실비용흐름은 구성기기의 투입비용이 됨을 알 수 있다. 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건 간의 손실비용흐름의 차이는 구성기기에 투입된 비용흐름이 변하지 않는다고 가정한다면, 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00046
여기서 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건 사이의 손실비용흐름의 상대적 차이(Relative difference lost cost flow rate)인 상대적인 손실비용흐름 RDLC는 수학식 14와 같이 정의될 수 있다.
수학식 14
Figure 112018078483980-pat00047
수학식 14에 정의 된 RDLC는 성능이 저하되는 구성기기를 식별하기 위한 고장표시기로 사용된다.
제 3 단계에서는 상기 각 구성기기의 상대적인 자체 손실일률(RMF) 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)으로부터 성능저하 여부를 판단한다. 이 경우 실시예로부터 각 구성기기의 상대적인 자체 손실일(RMF)이 2% 이상 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)이 2% 이상인 경우 성능저하 또는 고장으로 판단할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 고장진단 장치(100)를 설명하기 위한 개념도이다.
에너지 시스템의 고장진단 장치는, 에너지 시스템(1000)을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산하는 RMF 연산부(110); 에너지 시스템을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하는 RDLC 연산부(120); 상기 상대적인 내부 손실일률(RMF)또는 상기 상대적인 손실비용흐름(RDLC)으로부터 성능저하 여부를 판단하는 판단부(130);를 포함한다.
RMF 연산부(110)는 상술한 고장진단 방법에서와 마찬가지로 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산한다. RDLC 연산부(120)는 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산한다. 판단부(130)는 RMF 또는 RDLC로부터 성능저하 여부를 판단하게 된다.이 경우 실시예로부터 각 구성기기의 상대적인 자체 손실일(RMF)이 2% 이상 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)이 2% 이상인 경우 성능저하 또는 고장으로 판단할 수 있다.
고장진단 장치(100)의 RMF 연산부(110), RDLC 연산부(120) 및 판단부(130)는 상술한 고장진단 방법의 제 1 단계, 제 2 단계 및 제 3 단계와 대응되는 구성으로서 통상의 기술자라면 필요에 따라 구성의 곤란성 없이 컴퓨터 하드웨어 또는 소프트웨어를 이용하여 장치적 구성으로 구현할 수 있을 것이라는 점은 자명하다. 고장진단 방법과 고장진단 장치의 기술적 사상은 실질적으로 동일한 바 구체적인 설명은 상술한 고장진단 방법과 동일하므로 생략한다.
한편, 고장진단 방법과 마찬가지로 고장진단 장치에서 에너지 시스템(1000)은 동력플랜트, 냉동플랜트 또는 화공플랜트일 수 있다. 동력플랜트의 경우 발전플랜트를 포함할 수 있으며, 발전플랜트의 경우 각 구성기기는 공기압축기, 가스터빈, 연소기, 연료예열기, 증기터빈, 응축기, 펌프, 배열회수 보일러 등을 포함할 수 있다. 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기의 입구 및 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 질량유속으로부터 엑서지 수지식을 구할 수 있다. 작동유체는 연료, 공기, 증기(또는 물)이 될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 본 발명의 실시예에서 더욱 자세히 상술한다.
<실시예>
이하에서는 본 발명의 실시예로 에너지 시스템인 300MW 복합발전플랜트를 대상으로 GE Software사에서 개발한 GateCycleTM이라는 에너지 균형 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션한 결과를 설명한다. 300MW 복합발전플랜트는 서인천복합발전 제3호기를 모델로 한 것이다.
본 발명에 의하면 에너지 시스템을 구성하는 각 구성기기의 입구, 출구에서의 작동유체의 질량유속, 압력, 온도의 데이터와 초기자본투자비용, 운전 및 유지비용을 알면 각 구성기기의 엑서지 수지식과 엑서지 비용수지식을 에너지 시스템의 각 구성기기에 적용하여 시스템의 엑서지 성능해석은 물론 전력 및 증기의 생산단가를 계산할 수 있다.
본 실시예에서 레퍼런스 운전 조건을 설정하기 위한 전부하(100%부하)시, 설계점의 온도 및 압력 등의 물성치는 발전회사에서 제공받은 설계치 값을 사용하였다. 발전플랜트의 성능은 ISO 표준 대기 조건인 288.15 K 및 1.013 bar에서 평가하였다. 또한, 연소기 출구의 온도는 일정하게 유지하였고, 공기압축기의 출구 온도는 공기 및 연료의 질량유량을 제어함으로써 일정하게 유지하였다. 고압, 중압, 저압 증기터빈의 등엔트로피 효율은 Spencer, Cotton 및 Cannon 방법(Cotton, K. Evaluating and Improving Steam Turbine Performance. Cotton Fact Inc., Rexford, New York, USA, 1998. )을 사용하여 계산되었다. 펌프의 입구 및 출구 압력은 질량유속에서 약간의 변화로 일정하게 유지될 수 있게 하였다. 가장 중요한 점으로 모든 경우에 발전플랜트에서 생성되는 전력은 거의 일정하게 유지하였다. 즉, 임의의 고정된 효율 및 성능 저하된 구성기기에서도 질량유량을 제어하여, 연료공급량을 증가시키는 방법으로 전력량을 거의 일정하게 유지하였다.
도 3는 300MW 복합발전플랜트의 구성을 나타내는 구성도이다.
300MW 복합발전 플랜트로는 서인천복합발전 제3호기로 가동중인 복합발전시스템을 모델로 하였다. 이 복합발전플랜트는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 공기압축기(1001) AC(Air Compressor), 가스터빈(1002) GT(Gas Turbine), 연소기(1003) COM(Combuster), 연료예열기(1004) FP(Fuel Preheater), 증기터빈(1005) ST(Steam Turbine), 응축기(1006) CON(Condenser), 펌프(1007) PP(Pump), 배열회수보일러(1008) HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등의 구성기기로 구성되어 있다.
본 발명을 실시하기 위하여 각 구성기기에 대한 엑서지 수지식을 수립할 필요가 있다. 이를 위해 복합발전플랜트의 각 구성기기에서의 작동유체흐름을 사용하여 엑서지 수지식을 수립하고자 한다. 각 구성기기 입구 및 출구에서 엑서지 흐름을 나타내기 위해 편의상 다음과 같이 각 작동유체흐름을 각 해당 구성기기에 들어오고 나가는 번호로 표기하기로 한다. 따라서, 엑서지 흐름을 나타내는 기호
Figure 112018078483980-pat00048
의 하첨자 a는 해석하고자 하는 구성기기로 들어오거나 나가는 곳의 위치를 나타내며,
Figure 112018078483980-pat00049
와 같이 괄호의 [b]는 해석하고자 하는 구성기기를 나타낸다. 이러한 관계를 적용하면 복합발전플랜트의 각 구성기기의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
공기압축기(1001) AC(Air compressor)
공기압축기(1001)는 가스터빈 출력의 일부를 투입하여 공기를 압축하는 것으로 공기의 기계적 엑서지를 높여주게 되므로 그에 따라 부가적으로 열엑서지가 증가하게 된다. 따라서 공기압축기에 적용되는 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00050
가스터빈(1002) GT(Gas turbine)
가스터빈(1002)은 연소가스가 가지고 있는 열 및 기계적 엑서지를 투입하여 터빈 축출력인 일로 변환시키는 것이 주된 기능이다. 따라서, 가스터빈의 엑서지 균형식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00051
연소기(1003) COMB(Combustor)
연소기(1003)는 공기압축기에서 압축된 공기와 연료예열기를 통한 연료가 서로 혼합하여 연소가 일어나는 곳으로 기체의 조성이 변하게 된다. 따라서 연소기에서는 화학적 엑서지 항을 고려하여야 하며, 이 화학적 엑서지가 가스의 열엑서지를 높여주게 된다. 따라서 연소기의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00052
연료예열기(1004) FP(Fuel preheater)
연료예열기(1004)는 배열회수보일러의 증기를 이용하여 연료와 분사물의 열엑서지를 증가시킨다. 연료예열기의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00053
증기터빈(1005) ST(Steam turbine)
증기터빈(1005)에서는 가스터빈과 같이 증기의 엑서지가 축출력으로 변환되어 산출된다. 그러므로, 증기터빈의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00054
응축기(1006) CON(Condenser)
응축기(1006)에서는 엑서지의 흐름이 증기에서 응축수로 전달 되어진다. 응축기의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00055
펌프(1007) PP(Pump)
펌프(1007)에서는 증기터빈의 생산전력을 이용하여 물의 압력을 높여준다. 펌프에서의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00056
배열회수보일러(1008) HRSG(Heat recovery steam generator)
배열회수보일러(1008)는 배기가스의 열엑서지를 열교환기의 물과 열교환을 통하여 증기를 생산하므로 증기의 열엑서지를 고려하여야 한다. 배열회수보일러의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00057
가스파이프 GP(Gas pipe)
가스파이프는 도 3에는 구체적으로 도시되지 않았지만 시스템 경계를 빠져나가는 작동유체흐름을 제외한 각 구성기기들을 연결시켜주는 구성기기이다. 그런데, 가스파이프는 투입된 엑서지를 전달받는 구성기기가 아니라 압력 손실로 인한 기계적 엑서지의 손실과 환경으로의 열전달로 인한 열엑서지의 손실이 있다. 따라서 가스파이프의 엑서지 수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00058
증기파이프 SP(Steam pipe)
증기파이프는 도 3에는 구체적으로 도시되지 않았지만 가스파이프와 마찬가지로 외부로부터 엑서지를 받지 않고, 단지 서로 다른 열엑서지 흐름들이 혼합되어 압력엑서지가 감소하거나 또는 환경으로의 열손실로 인한 열엑서지 감소만이 있게 된다. 그러나 내부적인 압력 손실로 인해 그 만큼의 열엑서지를 받게 되는 구성기기이다. 증기파이프의 엑서지 균형식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00059
각 구성기기의 엑서지 수지식으로부터 구성기기 자체의 성능저하에 의한 상대적인 내부 손실일률 RMF (Relative malfunction)는 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건을 수학식 9에 적용하여 구할 수 있다.
다만 본 실시예에서는 설명상의 편의를 위하여 각 구성기기의 엑서지 비용수지식을 먼저 수립한 이후 구성기기 자체의 성능저하에 의한 상대적인 내부 손실일률 RMF (Relative malfunction)과 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하도록 한다.
이하에서는 각 구성기기의 엑서지 비용수지식을 수립한다.
공기압축기(1001)는 앞에서 설명한 것과 같이 가스터빈 출력의 일부를 투입하여 공기를 압축하는 것으로 공기의 기계적 엑서지를 높여주게 되므로 그에 따라 부가적으로 열엑서지가 증가하게 된다. 그러므로 공기압축기의 기계적 엑서지 항에 단위비용 C 1P 가 추가되어 진다. 따라서 공기압축기의 엑서지 비용수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00060
가스터빈(1002) 은 연소가스가 가지고 있는 열 및 기계적 엑서지를 투입하여 터빈 축출력인 일로 변환시키는 것일 주된 기능이다. 따라서, 실제출력에 단위비용 CW을 고려하여야 한다. 한편, 이 출력으로 발전기를 구동하는 것이기 때문에 일엑서지 단위비용이 결국 전기생산단가와 동일한 값이 된다.
Figure 112018078483980-pat00061
연소기(1003)는 앞 절에서 설명한 것과 같이 공기압축기에서 압축된 공기와 연료예열기를 통한 연료가 서로 혼합하여 연소가 일어나는 곳으로 기체의 조성이 변하게 된다. 따라서 연소기에서는 화학적 엑서지 항을 고려하여야 하며, 이 화학적 엑서지가 가스의 열엑서지를 높여주게 된다. 그러므로, 새로운 비용변수 C 3T 가 추가되어 진다. 여기에서, 이 식의 C 0 는 연료의 화학엑서지 가격으로 초기값으로 주어지게 된다. 연소기에 대한 엑서지 비용수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00062
연료예열기(1004)는 배열회수보일러의 증기를 이용하여 연료와 분사물의 열엑서지를 증가시킨다. 그러므로 연료와 물의 열엑서지 비용변수 C 4T 를 추가하여야 한다. 연료예열기에 대한 엑서지 비용수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00063
증기터빈(1005)에서는 가스터빈과 같이 증기의 엑서지가 축출력으로 변환되어 산출되므로 축출력에 새로운 단가 D W 를 추가해야 한다. 이 단가가 증기터빈에서 생산한 전력의 단가이다. 증기터빈의 엑서지 비용수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00064
응축기(1006)에서는 엑서지의 흐름이 증기에서 응축수로 전달되므로 응축수의 엑서지에 새로운 변수 C 6BQ 가 추가되어 진다. 응축기의 엑서지 비용수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00065
펌프(1007)에서는 증기터빈의 생산전력을 이용하여 물의 압력을 높여주므로 물의 기계적 엑서지에 대한 새로운 변수 D 7P 가 추가 되어진다. 엑서지 비용수지식은 다음과 같다.
Figure 112018078483980-pat00066
배열회수보일러(1008)는 배기가스의 열엑서지를 열교환기의 물과 열교환을 통하여 증기를 생산하므로 증기의 열엑서지단가에 새로운 변수를 추가할 수 있다. 배열회수보일러는 증기생산 항과 증기터빈의 작동유체흐름을 동시에 수행할 수 있게 되어 있다. 또한, 도 3에서 보여지듯이 일반적으로 그 내부에서 추가적인 연소가 일어나는 경우를 포함한 해석을 하였다. 이 경우 엑서지를 주는 쪽은 가스터빈에서의 배기가스와 배열회수보일러 내부에서 연소반응으로 인한 연료의 화학엑서지이다. 그 중 가스터빈의 배기가스는 이 구성기기를 나가는 온도보다 더 높은 엑서지만을 증기에게 주게 된다. 엑서지를 받는 물질은 증기와 연소가스가 된다. 이 구성기기에 대한 해석은 공기 냉각기와 같은 방법으로 할 수 있다. 즉, 먼저 받은 엑서지 가격을 구한 다음에 증기터빈 작동유체의 경우 그 엑서지 가격을 열적/기계적 엑서지 가격으로 분리한다. 배열회수보일러의 엑서지 비용수지식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00067
가스파이프는 시스템 경계를 빠져나가는 작동유체흐름을 제외한 각 구성기기들을 연결시켜주는 구성기기이다. 그런데, 가스파이프는 투입된 엑서지를 전달받는 구성기기가 아니라 압력 손실로 인한 기계적 엑서지의 손실과 환경으로의 열전달로 인한 열엑서지의 손실이 있다. 그러나 기계적 엑서지의 손실된 만큼 열엑서지는 증가하게 되므로 열엑서지를 받는다고 할 수 있으므로 열엑서지 항에 새로운 변수를 추가할 수 있다. 따라서 가스파이프의 엑서지 비용수지식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00068
증기파이프는 가스파이프와 마찬가지로 외부로부터 엑서지를 받지 않고, 단지 서로 다른 열엑서지 흐름들이 혼합되어 압력엑서지가 감소하거나 또는 환경으로의 열손실로 인한 열엑서지 감소만이 있게 된다. 그러나 내부적인 압력 손실로 인해 그 만큼의 열엑서지를 받게 되는 구성기기이다. 따라서 열엑서지 항에 비용 변수를 추가할 수 있다. 증기파이프의 엑서지 비용수지식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00069
배열회수보일러의 엑서지 비용수지식에는 유입/유출되는 물과 증기의흐름을 고려하였다. 그리고 가스파이프와 증기파이프의 엑서지 비용수지식에서는 가스파이프 내와 증기파이프 내에서의 압력강하와 열손실을 고려하였다.
위에서 10개의 엑서지 비용균형식을 얻었다. 하지만,
Figure 112018078483980-pat00070
같은 15개의 미지수가 있으므로 5개의 추가 수식이 필요하다. 우선 5개의 추가 수식은 같은 종류의 엑서지가 모이고 흩어지는 Junction과 Branch역할을 하는 가상의 구성기기를 고려하여 가스터빈의 작동유체인 가스와 증기터빈의 작동유체인 열 및 기계적 엑서지에 대한 엑서지 비용수지식에서 4개의 수식을 구할 수 있다.
가스 흐름으로부터,
Figure 112018078483980-pat00071
Figure 112018078483980-pat00072
증기 흐름으로부터,
Figure 112018078483980-pat00073
Figure 112018078483980-pat00074
또한, 발전시스템 경계를 들어오고 나가는 엑서지에 대한 수지식으로부터 1개의 수식을 더 구할 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00075
위에서
Figure 112018078483980-pat00076
는 발전소 건설에 필요한 발전소의 건설비용, 토지 매입비용 등이 포함된다. 앞에서 얻어진 각각의 구성기기에 대한 엑서지 비용균형식들을 더하면 당연한 결과인 복합발전플랜트에 대한 전체 엑서지 비용 수지식과 같음을 볼 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00077
중요한 점은 각 구성기기에 대한 비용 균형식을 모두 더할 경우 위의식과 같은 전체 시스템에 대한 엑서지 비용수지식이 나와야 한다.
위의 각 구성기기의 엑서지 비용수지식들을 정리하면 다음과 같이 정리할 수 있으며, 도 4은 이를 행렬식으로 표현한 것이다.
Figure 112018078483980-pat00078
Figure 112018078483980-pat00079
Figure 112018078483980-pat00080
Figure 112018078483980-pat00081
Figure 112018078483980-pat00082
Figure 112018078483980-pat00083
Figure 112018078483980-pat00084
Figure 112018078483980-pat00085
Figure 112018078483980-pat00086
Figure 112018078483980-pat00087
Figure 112018078483980-pat00088
Figure 112018078483980-pat00089
Figure 112018078483980-pat00090
Figure 112018078483980-pat00091
Figure 112018078483980-pat00092
표 1은 도 3에 도시된 복합발전플랜트가 완공되고 시운전을 거쳐 최적의 상태로 되었을 당시의 각 구성기기의 입구와 출구에서 작동유체의 질량유속, 온도, 압력 값들과 이를 이용하여 구한 단위질량당 열엑서지(
Figure 112018078483980-pat00093
), 기계적 엑서지(
Figure 112018078483980-pat00094
)를 나타내며 이는 각 구성기기들의 성능저하 또는 고장 여부를 판단하기 위한 레퍼런스 운전 조건이 된다.
표 2에는 레퍼런스 운전 조건에서 복합발전시스템의 각 구성기기에서 엑서지 흐름량이 나와 있다. 이 계산에서 연료의 단가는 $0.02/MJ로 하였다. 엑서지 값 중 양의 값은 “생산(산출)”의 엑서지 유량을 나타내며, 음의 값은 “연료(투입)”의 엑서지 유량을 나타낸다. 각 구성기기의 손실일률은 엑서지 균형식에서 "생산량"으로 나타내어 진다. 또한 각 구성기기에서 엑서지 흐름의 합산된 양을 볼 때 투입 엑서지, 산출엑서지 및 손실엑서지의 합은 0이 되는 것을 알 수 있어 엑서지 비용 수지식이 정확히 맞음을 알 수 있다.
표 1
Figure 112018078483980-pat00095
Figure 112018078483980-pat00096
Figure 112018078483980-pat00097
Figure 112018078483980-pat00098
표 2
Figure 112018078483980-pat00099
표 3에는 복합발전플랜트의 각 구성기기에 대한 초기 투자비용과 유지비용을 고려한 연가등가액과 이에 대응되는 연간비용흐름이 나와 있다. 토지 비용, 부지 준비 및 건설 공사로 구성된 총 건설 비용은 “경계” 구성 요소의 비용 계산에 포함시킬 수 있다. 발전소에서 소비된 연료의 발열량 대비 탄소 함량에 비례하는 이산화탄소 배출비용은 연료비에 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 연간등가비용을 Moran(J. Moran, 1982, "Availabililty Analysis - A Guide to Efficient Energy Use," Prentice-Hall Inc, pp. 199-215.)에 의해 제안된 계산방법을 적용하였다.
표 4에는 전(100%)부하 조건에서의 구성기기별 엑서지 흐름과 기기의 비용흐름이 표시되어 있다. 그리고, 표 2에 표시된 엑서지 흐름의 변화량에 적용한 바와 같이 생성 및 투입과 관련된 비용흐름에 대해서도 동일한 부호 규칙을 사용하였다. 그러나, 구성기기에서 손실일에 대한 손실비용흐름은 앞에서 논의한 바와 같이 투입비용이지 생산비용이 아니라는 점이다. 표 4에서 볼 수 있듯이 발전소의 각 구성기기의 비용흐름의 합은 0이 됨을 알 수 있으며 이는 엑서지 비용수지식이 각 구성기기별로 성립함을 보여주는 것이다.
또한 표 2나 표 4의 값들은 각 구성기기들의 성능저하 또는 고정 여부를 판단하기 위한 레퍼런스 운전 조건이 된다.
표 3
Figure 112018078483980-pat00100
표 4
Figure 112018078483980-pat00101
만약 발전플랜트의 일부 구성기기에서 결함이 발생하여 출력이 저하되는 경우 기존 출력을 유지하기 위하여 자동제어시스템이 개입하여 연료 유량 및 이에 따른 공기 유량을 증가시키게 된다. 발전플랜트의 자본비용흐름과 연료 단가는 변하지 않는다고 가정하고, 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건 사이의 복합화력발전플랜트 비용수지식의 차이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018078483980-pat00102
이는 구성기기의 결함으로 인한 연료 유량의 증가가 생산 단가 상승을 초래한다는 것을 나타낸다. 본 발명의 실시예에서는 블레이드의 부식으로 인한 공기압축기, 가스터빈, 증기터빈의 결함과 배열회수보일러의 열교환기의 파울링으로 인한 결함에 대해 개별적으로 결함이 발생하는 경우에 대해서 고장표시기로 사용되는 상대적인 내부 손실일률(RMF) 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)의 변화를 이용하여 진단을 하였다.
공기압축기(1001)에서 성능저하가 발생하여 공기압축기의 등엔트로피 효율이 0.5% 저하되었음에도 발전플랜트가 100% 부하 운전을 하는 실제 운전 조건을 시뮬레이션 하였을 때, 도 3에 도시된 각 구성기기의 위치에서 작동유체의 질량유속, 압력, 온도와 이를 이용하여 구한 단위질량당 열엑서지(
Figure 112018078483980-pat00103
), 기계적 엑서지(
Figure 112018078483980-pat00104
) 값이 표 5에 표시되어 있으며, 이는 고장 진단을 위한 실제 운전 조건이 된다.
표 5
Figure 112018078483980-pat00105
Figure 112018078483980-pat00106
Figure 112018078483980-pat00107
Figure 112018078483980-pat00108
표 6은 표 5와 같은 실제 운전 조건에서 100% 부하 운전을 하는 경우 복합화력발전플랜트의 각 구성기기의 엑서지 수지 즉 각 구성기기의 엑서지 흐름의 변화량이 나와 있다. 또한, 표 6 마지막 열에는 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건 간의 손실일률의 차이도 나와 있다. 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건 간의 손실일률의 차이(
Figure 112018078483980-pat00109
)에서 보는 바와 같이 공기압축기 성능저하로 인해 595 kW의 추가 엑서지가 발전소에서 소멸되었고, 공기압축기(AC)에서 448.7 kW, 가스터빈(GT)에서 90.5 kW, 증기터빈(ST)에서 42.1 kW, 배열회수보일러(HRSG)에서 57.4 kW, 응축기(CON)에서 32.5 kW의 손실일률이 발생한 것을 볼 수 있다.
표 6
Figure 112018078483980-pat00110
표 7은 공기압축기에서 등엔트로피 효율이 0.5% 저하 된 경우의 실제 운전 조건과 기준 운전 조건에서의 각 구성기기에 대한 연료와 생산된 엑서지량, 산출엑서지와 투입엑서지의 비의 차이, DYS0, MF 및 RMF값이 나타나 있다. 공기압축기(AC)에서의 RMF값은 약 4.5%에 해당하여, 다른 구성기기의 RMF값 보다 상당히 크게 초과하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 표 7에서 보는 것과 같이 연소기(COM)의 MF값이 구성기기 중 가장 높게 나오더라도 상대적인 증가량인 RMF값은 작게 나오는 것을 확인할 수 있다. 따라서 RMF 값이 높게 나타나는 구성기기가 실제 성능저하가 발생한 구성기기라는 것을 확인할 수 있다. 특히 정상으로 작동하는 구성기기는 RMF가 2%를 넘지 않았고, 성능저하가 발생한 구성기기만이 2% 이상임을 확인할 수 있다.
표 7
Figure 112018078483980-pat00111
Figure 112018078483980-pat00112
표 8에는 표 7에 주어진 엑서지 흐름에 대응되는 비용흐름이 나와 있다. 또한, 각 구성기기에 대해 계산된 실제운전조건과 레퍼런스 운전조건 사이의 상대적인 손실비용흐름(RDLC)은 표 8의 마지막 열에 정리되어 있다. 표 8에서 볼 수 있는 바와 같이 공기압축기와 가스터빈에서의 RDLC는 각각 5.14%, 1.51%로 계산되었다. 따라서 RDLC 값이 높게 나타나는 구성기기가 실제 성능저하가 발생한 구성기기라는 것을 확인할 수 있다. 특히 정상으로 작동하는 구성기기는 RDLC 값이 2%를 넘지 않았고, 성능저하가 발생한 구성기기의 RDLC 값만이 2% 이상임을 확인할 수 있다.
표 8
Figure 112018078483980-pat00113
펌프(1007)에서 성능저하가 발생하여 펌프의 등엔트로피 효율이 1% 저하되었음에도 발전플랜트가 100% 부하 운전을 하는 실제 운전 조건을 시뮬레이션 하였을 때, 도 3에 도시된 각 구성기기의 위치에서 작동유체의 질량유속, 압력, 온도와 이 데이터를 이용하여 구한 단위질량당 엔트로피, 열엑서지(
Figure 112018078483980-pat00114
), 기계적 엑서지(
Figure 112018078483980-pat00115
) 값이 표 9에 표시되어 있으며, 이는 고장 진단을 위한 실제 운전 조건이 된다.
표 9
Figure 112018078483980-pat00116
Figure 112018078483980-pat00117
Figure 112018078483980-pat00118
Figure 112018078483980-pat00119
표 10은 표 9와 같은 실제 운전 조건에서 100% 부하 운전을 하는 경우 복합화력발전플랜트의 각 구성기기의 엑서지 수지 즉 각 구성기기의 엑서지 흐름량과 손실일률이 나와 있다. 또한, 표 10 마지막 열에는 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건 간의 손실일률의 차이도 나와 있다.
표 10
Figure 112018078483980-pat00120
표 11에는 펌프에서 등엔트로피 효율이 1.0% 저하 된 경우의 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건에서의 각 구성기기에 대한 연료와 생산된 엑서지량, 산출엑서지와 투입엑서지의 비의 차이, DYS0, MF 및 RMF값이 나타나 있다. 펌프의 RMF 값은 4.27%로서 RMF 값이 높게 나타나는 구성기기가 실제 성능저하가 발생한 구성기기라는 것을 확인할 수 있다. 특히 정상적으로 작동하는 구성기기는 RMF가 2%를 넘지 않았고, 성능저하가 발생한 구성기기만이 2% 이상임을 확인할 수 있다. 다만 스팀 파이프의 경우 RMF 값이 4.57%로서 높게 나타났으나, 이 경우에는 MF 값이 마이너스(-) 이어서 성능 저하로 판단할 수 없다.
표 11
Figure 112018078483980-pat00121
표 12에는 표 11에 주어진 엑서지 흐름에 대응되는 비용흐름이 나와 있다. 또한, 각 구성기기에 대해 계산된 실제 운전조건과 레퍼런스 운전조건 사이의 상대적인 손실비용흐름(RDLC)은 표 12의 마지막 열에 정리되어 있다. 표 12에서 볼 수 있는 바와 같이 펌프의 RDLC는 각각 4.74%로 계산되었다. 따라서 RDLC 값이 높게 나타나는 구성기기가 실제 성능저하가 발생한 구성기기라는 것을 확인할 수 있다. 특히 정상인 구성기기는 RDLC 값이 2%를 넘지 않았고, 성능저하가 발생한 구성기기의 RDLC 값만이 2% 이상임을 확인할 수 있다.
표 12
Figure 112018078483980-pat00122
가스터빈(1002)에서 성능저하가 발생하여 가스터빈의 등엔트로피 효율이 2% 저하되었음에도 발전플랜트가 100% 부하 운전을 하는 실제 운전 조건을 시뮬레이션 하였을 때, 도 3에 도시된 각 구성기기의 위치에서 작동유체의 질량유속, 압력, 온도와 이 데이터를 이용하여 구한 단위질량당 엔트로피, 열엑서지(
Figure 112018078483980-pat00123
), 기계적 엑서지(
Figure 112018078483980-pat00124
) 값이 표 13에 표시되어 있으며, 이는 고장 진단을 위한 실제 운전 조건이 된다.
표 13
Figure 112018078483980-pat00125
Figure 112018078483980-pat00126
Figure 112018078483980-pat00127
Figure 112018078483980-pat00128
표 14는 표 13와 같은 실제 운전 조건에서 100% 부하 운전을 하는 경우 복합화력발전플랜트의 각 구성기기의 엑서지 수지 즉 각 구성기기의 엑서지 흐름량이 나와 있다. 또한, 표 14 마지막 열에는 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건 간의 손실일률의 차이도 나와 있다.
표 14
Figure 112018078483980-pat00129
표 15에는 가스터빈에서 등엔트로피 효율이 2.0% 저하 된 경우의 실제 운전 조건과 레퍼런스 운전 조건에서의 각 구성기기에 대한 연료와 생산된 엑서지량, 산출엑서지와 투입엑서지의 비의 차이, DYS0, MF 및 RMF값이 나타나 있다. 가스터빈의 RMF 값은 2.94%로서 RMF 값이 높게 나타나는 구성기기가 실제 성능저하가 발생한 구성기기라는 것을 확인할 수 있다. 특히 정상적으로 작동하는 구성기기는 RMF가 2%를 넘지 않았고, 성능저하가 발생한 구성기기만이 2% 이상임을 확인할 수 있다.
표 15
Figure 112018078483980-pat00130
표 16에는 표 15에 주어진 엑서지 흐름에 대응되는 비용흐름이 나와 있다. 또한, 각 구성기기에 대해 계산된 실제 운전조건과 레퍼런스 운전조건 사이의 상대적인 손실비용흐름(RDLC)은 표 16의 마지막 열에 정리되어 있다. 표 16에서 볼 수 있는 바와 같이 가스터빈의 RDLC는 각각 4.74%로 계산되었다. 따라서 RDLC 값이 높게 나타나는 구성기기가 실제 성능저하가 발생한 구성기기라는 것을 확인할 수 있다. 특히 정상적으로 작동하는 구성기기는 RDLC 값이 2%를 넘지 않았고, 성능저하가 발생한 구성기기의 RDLC 값만이 2% 이상임을 확인할 수 있다.
표 16
Figure 112018078483980-pat00131
이상에서는 공기압축기와 펌프와 가스터빈의 성능저하를 실시예로 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 여타 구성기기의 성능저하에 대해서도 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것임은 자명하다. 또한 통상의 기술자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 고장진단 장치
110 : RMF 연산부
120 : RDLC 연산부
130 : 판단부
1000 : 에너지 시스템
1001 : 공기압축기 AC(Air Compressor)
1002 : 가스터빈 GT(Gas Turbine)
1003 : 연소기 COM(Combuster)
1004 : 연료예열기 FP(Fuel Preheater)
1005 : 증기터빈 ST(Steam Turbine)
1006 : 응축기 CON(Condenser)
1007 : 펌프 PP(Pump)
1008 : 배열회수보일러 HRSG(Heat Recovery Steam Generator)

Claims (8)

  1. 복수의 구성기기로 구성되는 에너지 시스템의 고장진단 방법에 있어서,
    각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산하는 제 1 단계;
    각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하는 제 2 단계;
    상기 상대적인 내부 손실일률(RMF) 또는 상기 상대적인 손실비용흐름(RDLC)으로부터 성능저하 여부를 판단하는 제 3 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 성능저하 여부는 각 구성기기의 상대적인 자체 손실일(RMF)이 2% 이상 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)이 2% 이상인 경우 성능저하 또는 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건은 각 구성기기의 입구 및 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 질량유속인 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 에너지 시스템은 동력플랜트, 냉동플랜트 또는 화공플랜트인 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 방법.
  5. 복수의 구성기기로 구성되는 에너지 시스템을 진단하기 위한 에너지 시스템의 고장진단 장치에 있어서,
    에너지 시스템의 고장진단 장치는,
    에너지 시스템을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 각각의 구성기기에 대한 상대적인 내부 손실일률(RMF)을 연산하는 RMF 연산부;
    에너지 시스템을 구성하는 각각의 구성기기에 대하여 각 구성기기의 엑서지(Exergy) 비용수지식에 에너지 시스템의 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건을 적용하여, 상대적인 손실비용흐름(RDLC)을 연산하는 RDLC 연산부;
    상기 상대적인 내부 손실일률(RMF) 또는 상기 상대적인 손실비용흐름(RDLC)으로부터 성능저하 여부를 판단하는 판단부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 판단부는 각 구성기기의 상대적인 자체 손실일(RMF)이 2% 이상 또는 상대적인 손실비용흐름(RDLC)이 2% 이상인 경우 성능저하 또는 고장으로 판단하는 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 레퍼런스 운전 조건과 실제 운전 조건은 각 구성기기의 입구 및 출구에서 작동유체의 온도, 압력, 질량유속인 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 에너지 시스템은 동력플랜트, 냉동플랜트 또는 화공플랜트인 것을 특징으로 하는 에너지 시스템의 고장진단 장치.
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