KR102077865B1 - 저압터빈의 경년열화평가방법 - Google Patents

저압터빈의 경년열화평가방법 Download PDF

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KR102077865B1
KR102077865B1 KR1020130096120A KR20130096120A KR102077865B1 KR 102077865 B1 KR102077865 B1 KR 102077865B1 KR 1020130096120 A KR1020130096120 A KR 1020130096120A KR 20130096120 A KR20130096120 A KR 20130096120A KR 102077865 B1 KR102077865 B1 KR 102077865B1
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Abstract

본 출원은 저압터빈의 경년열화평가방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법은, 터빈부에 위치하는 센서를 이용하여 저압터빈의 운전에 대한 운전정보를 추출하는 운전정보추출단계; 상기 운전정보를 이용하여 상기 저압터빈의 압력비, 유량계수 및 효율 중 적어도 어느 하나를 경년지표로 계산하는 경년지표계산단계; 및 상기 경년지표에 대한 회귀분석을 이용하여, 상기 저압터빈의 경년열화정도를 판정하는 경년상태판정단계를 포함할 수 있다.

Description

저압터빈의 경년열화평가방법 {Method for evaluating age effect of low pressure turbine}
본 출원은 저압터빈의 경년열화평가방법에 관한 것으로서, 특히 저압터빈의 운전정보를 이용하여 경년열화정도나 위험도를 평가할 수 있는 저압터빈의 경년열화평가방법에 관한 것이다.
발전소 등 산업플랜트에는 다양한 종류의 터빈이 운전되고 있으며, 특히 석탄화력 등과 같이 발전용량이 큰 설비의 경우에는 터빈이 고장나는 등 대형사고가 발생하게 되면 상기 고장복구에 따른 피해비용보다 장기간의 발전 정지로 인한 발전손실비용이 더 크게 발생하게 된다. 따라서, 이러한 터빈 설비에 대한 장기간의 경년열화평가에 따른 효과적인 수명관리가 반드시 필요하다.
종래의 터빈설비에 대한 수명평가는 해당 설비의 모델링, 온도 및 응력해석을 통한 해석적 평가, 설비 조직복제를 통한 미세조직의 경년열화 평가, 비파괴시험을 통한 균열발생 여부 등을 종합적으로 평가하여 잔여수명을 평가하는 등의 방식으로 진행되고 있다. 다만, 발전소의 증기터빈 로터와 케이싱에 대한 모델링을 포함하는 해석적 평가와, 상기 조직복제에 의한 경년열화 평가 및 비파괴시험 등을 위해서는 많은 복잡한 절차의 계산과 자료처리가 요구되며 이로 인해 많은 노력과 시간이 소요되게 된다. 또한, 상기 해석적 평가 등에 따른 터빈설비에 대한 수명평가 등을 위해서는 전문적인 프로그램과 기술을 필요로 하므로, 상기 평가결과는 전문가의 계산경험, 데이터의 정확성 등에 의존하게 되는 등의 문제점을 포함하게 된다.
공개특허공보 10-2010-0033794 (2010.03.31)
본 출원은, 저압터빈의 운전정보를 이용하여 경년열화정도나 위험도를 평가할 수 있는 저압터빈의 경년열화평가방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법은, 터빈부에 위치하는 센서를 이용하여 저압터빈의 운전에 대한 운전정보를 추출하는 운전정보추출단계; 상기 운전정보를 이용하여 상기 저압터빈의 압력비, 유량계수 및 효율 중 적어도 어느 하나를 경년지표로 계산하는 경년지표계산단계; 및 상기 경년지표에 대한 회귀분석을 이용하여, 상기 저압터빈의 경년열화정도를 판정하는 경년상태판정단계를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법은, 상기 운전정보추출단계에서 추출한 운전정보 중에서, 상기 터빈부의 출력전력이 기 설정된 정규출력전력의 오차범위를 벗어날 때 추출된 운전정보는 제외하는 전처리단계를 더 포함할 수 있다.
여기서 상기 운전정보추출단계는, 상기 저압터빈으로 유입 또는 유출되는 증기의 온도, 압력 및 유량, 상기 저압터빈의 회전수 및 출력전력의 크기 중 적어도 어느 하나를 상기 운전정보로 추출할 수 있다.
여기서 상기 경년지표계산단계는, 상기 저압터빈의 유량계수를
Figure 112013073514301-pat00001
으로 계산하며, C는 상기 유량계수, w는 상기 저압터빈에서 흐르는 증기의 유량(lbm/hr), p는 상기 저압터빈에서의 압력(psia), v는 상기 저압터빈의 비체적(ft3/lbm)일 수 있다.
여기서 상기 경년지표계산단계는, 상기 저압터빈에서의 압력을
Figure 112013073514301-pat00002
로 보정하여 상기 유량계수를 계산하며, Pc는 상기 보정된 저압터빈의 압력, Pt는 상기 저압터빈에서 측정한 측정압력, Pd는 상기 저압터빈에 대한 설계압력, P0는 상수, vt는 상기 저압터빈에서 측정한 측정비체적, vd는 상기 저압터빈에 대한 설계비체적, vtr은 중압터빈 입구에서 측정한 측정비체적, vdr은 상기 중압터빈 입구에 대한 설계비체적일 수 있다.
여기서 상기 경년지표계산단계는, 상기 유량값을
Figure 112013073514301-pat00003
로 보정하여 상기 유량계수를 계산하며, wc는 상기 저압터빈에 흐르는 증기의 보정된 유량이고, wt는 상기 저압터빈에서 측정한 상기 증기의 측정유량일 수 있다.
여기서 상기 경년지표계산단계는, 상기 저압터빈의 저압터빈 입구부, 저압터빈의 제1 추기부, 제2추기부 및 제3추기부에서의 압력을 측정하고, 상기 입구부의 압력과 상기 제1 추기부의 압력의 비, 상기 제1 추기부와 상기 제2추기부의 압력의 비 및 제2추기부와 제3 추기부의 압력의 비를 계산하여 상기 터빈 압력비로 할 수 있다.
여기서 상기 경년상태판정단계는, 상기 경년지표에 대한 회귀분석을 실시하고, 상기 회귀분석 결과 얻어지는 시간에 따른 상기 경년지표의 추세선의 기울기에 따라, 상기 경년열화정도를 판별할 수 있다.
여기서, 상기 경년상태판정단계는 상기 압력비의 추세선의 기울기가 절대값 1E-05미만이면 "건전", 절대값 1E-05 이상 1E-04미만이면 "경년열화 초기", 절대값 1E-04 이상 5E-03미만이면 "경년열화 진행", 절대값 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별하고, 상기 유량계수의 추세선의 기울기가 절대값 1E-05미만이면 "건전", 절대값 1E-05 이상 1E-04미만이면 "경년열화 초기", 절대값 1E-04 이상 5E-03미만이면 "경년열화 진행", 절대값 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별하며, 상기 저압터빈의 효율의 추세선의 기울기가 1E-04미만이면 "건전", 1E-04 이상 1E-03미만이면 "경년열화 초기", 1E-03 이상 5E-02미만이면 "경년열화 진행", 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별할 수 있다.
여기서 상기 경년상태판정단계는, 상기 경년지표에 대한 회귀분석을 실시하고, 상기 회귀분석 결과에 대한 정규화(Normalization)를 수행하며, 상기 정규화된 경년지표의 표준편차를 기준으로 상기 경년열화정도를 판별할 수 있다.
여기서 상기 경년상태판정단계는, 상기 정규화된 경년지표의 표준편차가 2이면 "경년 열화 초기", 4이면 "경년 열화 진행", 6이상이면 "경년 열화 가속"으로 판별할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법에 의하면, 저압터빈의 운전정보로부터 경년지표를 산출하고, 상기 경년지표를 이용하여 경년열화평가를 수행하므로, 저압터빈의 경년열화에 대한 정확한 평가가 가능하다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법은, 상기 저압터빈의 경년열화에 따른 성능변화를 반영하는 경년지표를 이용하므로, 상기 경년열화정도에 대한 정량적인 평가가 가능하다.
도1은 증기 터빈을 이용한 발전 장치를 나타내는 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법을 나타내는 순서도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법에 따라 추출한 경년열화지표에 대한 회귀분석결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도1은 증기 터빈을 이용한 발전 장치를 나타내는 블록도이다.
도1을 참조하면, 증기 터빈을 이용한 발전장치는, 고압터빈(11), 중압터빈(12), 저압터빈A(13a), 저압터빈B(13b), 크로스오버(14, crossover), 발전기(20) 및 복수기(30)를 포함할 수 있다.
이하, 도1을 참조하여 증기 터빈을 이용한 발전장치를 설명한다.
증기 터빈은 증기를 작동유체로 하는 열기관으로, 상기 증기 터빈은 상기 증기의 열에너지를 로터(rotor)를 회전시키는 기계 에너지로 변환시킬 수 있으며, 상기 기계 에너지는 다시 발전기(20)에 의하여 전기 에너지로 변환될 수 있다.
구체적으로, 보일러 등에 의하여 가열된 고온, 고압의 주증기(main steam)는 상기 증기 터빈의 고압터빈(11)으로 공급되고, 상기 고압터빈(11)으로 공급된 주증기는 상기 고압터빈(11) 내부의 다이어프램(diaphram) 등을 통과하면서 팽창되어 높은 운동에너지를 가지게 된다. 상기 팽창된 주증기는 상기 로터에 부착된 날개(bucket)와 충돌하여 상기 로터(rotor)를 회전시키고, 상기 주증기는 저온 재열증기(Cold Reheat)가 되어 재열기로 공급된다.
이후, 상기 재열기로 공급된 상기 저온 재열증기는 다시 가열되어 고온 재열증기(Hot Reheat)가 되고, 상기 고온 재열증기는 중압터빈(12)에서 기계에너지로 변환되어 상기 로터를 회전시킬 수 있다. 한편, 상기 중압터빈(12)에서 사용된 재열증기는 크로스오버(14)를 통하여 저압터빈A(13a) 및 저압터빈B(13b)으로 공급되며, 상기 저압터빈A(13a) 및 저압터빈B(13b)은 상기 공급되는 재열증기의 열에너지를 기계에너지로 변환하여 상기 로터를 회전시킬 수 있다.
다만, 상기 증기 터빈은 고온, 고압의 가혹한 조건에서 지속적으로 회전운동을 하므로, 사용연한에 따른 열화가 진행될 수 있으며, 특히 증기 터빈에 의한 발전장치의 경우 발전용량이 크기 때문에 고장 등 사고가 발생하게 되면, 고장복구에 따른 피해비용보다 장기정지로 인한 발전손실비용이 더 크게 발생할 수 있다. 따라서, 상기 증기 터빈에 대한 경년열화 정도를 미리 판정하여, 상기 증기 터빈에 대한 고장관리, 정비 등을 효율적으로 수행할 필요가 있다.
특히, 종래에는 저압터빈의 경우 고위험설비임에도 불구하고 진단 및 평가절차가 정립되지 않았거나 표준화되지 않았기 때문에, 설비 상태에 따른 정비계획수립에 많은 어려움이 있었다. 따라서, 저압터빈(13a, 13b)에 대한 운전정보를 이용하여 경년열화의 정도를 평가할 수 있는 경년지표를 도출하고, 상기 경년지표를 이용하여 경년열화 및 정량적인 위험도를 평가할 수 있는 방법에 대한 개발이 요구되고 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법을 나타내는 순서도이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법은, 운전정보추출단계(S10), 전처리단계(S20), 경년지표계산단계(S30) 및 경년태판정단계(S40)를 포함할 수 있다.
이하, 도2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 저압터빈의 경년열화평가방법을 설명한다.
운전정보추출단계(S10)는, 고압터빈, 중압터빈 및 저압터빈을 포함하는 터빈부에 위치하는 센서를 이용하여 저압터빈의 운전에 대한 운전정보를 추출할 수 있다. 상기 운전정보에는 상기 터빈부 내부의 증기의 온도, 압력, 유량과 같은 열유체 관련 정보가 포함될 수 있으며, 상기 터빈부의 진동과 같은 기계관련 정보도 포함될 수 있다. 특히, 상기 운전정보에는 상기 저압터빈으로 유입 또는 유출되는 증기의 온도, 압력 및 유량이 포함될 수 있으며, 상기 저압터빈의 로터 회전수나 발전기에서의 출력전력이 포함될 수 있다. 상기 운전정보는 상기 터빈부의 동작시에 실시간으로 추출할 수 있다.
또한, 상기 운전정보는 상기 저압터빈의 경년열화정도를 판정하기 위한 경년지표를 계산하기 위한 것이므로, 상기 경년지표 계산에 필요한 정보는 상기 운전정보에 모두 포함될 수 있다. 예를들어, 경년지표에 해당하는 압력비를 계산하기 위하여, 상기 운전정보에는 저압터빈의 입구부, 첫번째 추기 위치, 두번째 추기 위치, 복수기에서의 압력을 상기 운전정보로 추출할 수 있으며, 경년지표에 해당하는 유량계수를 계산하기 위하여, 저압터빈이 1단 또는 2단에서의 유량, 압력, 비체적을 상기 운전정보에 포함할 수 있다. 나아가, 경년지표에 해당하는 저압터빈의 1단 또는 2단의 효율을 측정하기 위하여 필요한 정보도 상기 운전정보에 포함될 수 있다.
다만, 상기 저압터빈의 경년상태를 정확하게 반영하고, 물리적으로 의미있는 경년지표를 분석하기 위해서는 상기 운전정보추출단계(S10)에서 추출한 상기 운전정보를 가공할 필요가 있다. 예를들어, 상기 터빈부의 출력전력이 기 설정된 정규출력전력의 오차범위(±10%)를 벗어나는 경우와 같이 상기 터빈부가 비정상적으로 동작하는 경우에 측정된 운전정보는, 상기 저압터빈의 경년상태를 정확하게 반영하는 것으로 볼 수 없으므로, 이 때 측정된 운전정보에 대하여는 삭제하는 등의 가공이 필요하다. 따라서, 전처리단계(S10)에서는 상기 운전정보추출단계(S10)에서 추출된 운전정보를 가공하여, 상기 저압터빈의 경년상태를 정확하게 반영하는 운전정보를 제공하도록 할 수 있다.
앞서 살핀 바와 같이, 상기 전처리단계(S10)는, 상기 운전정보추출단계(S10)에서 추출한 운전정보 중에서, 상기 터빈부의 출력전력이 기 설정된 정규출력전력의 오차범위를 벗어날 때 추출된 운전정보는 제외할 수 있다. 또한, 측정된 운전정보 중에서 "Out of Range" 등 불필요한 데이터를 제외하거나, 상기 저압터빈의 계획예방정비 기간을 전후하여 측정된 운전정보는 구분하여 저장할 수 있다.
나아가, 상기 전처리단계(S10)에서는 상기 계획예방정비 기간 중에 수행된 주요부품의 교체나 설비의 보수와 관련된 정보를 데이터 베이스에 저장할 수 있다. 이후, 상기 교체되거나 보수된 부품, 설비에 의한 영향을 분석하고, 상기 분석결과를 상기 저압터빈의 경년열화를 평가할 때 반영하도록 할 수 있다.
상기 전처리단계(S20)에서 처리가 끝난 운전정보는 이후 경년지표 계산을 위하여 ASCII 또는 CSV 파일의 형태로 저장될 수 있다.
경년지표계산단계(S30)는, 상기 운전정보를 이용하여 상기 저압터빈의 압력비, 유량계수 및 효율 중 적어도 어느 하나를 경년지표로 계산할 수 있다. 상기 경년지표는 저압터빈의 경년상태를 반영하는 것으로서, 외부조건에 의하여 상기 저압터빈의 출력전력 등이 변동하더라도 그의 평균값은 변하지 않는 변수를 상기 경년지표로 할 수 있다. 예를들어, 상기 경년지표는, 상기 터빈부에 공급되는 주증기의 유량이 변화하더라도 그 값이 변하지 않는 대신에, 상기 저압터빈에 경년열화에 의한 이상이 발생하면 상기 경년지표가 상기 일정한 값에서 벗어나게 될 수 있다. 상기 저압터빈의 경년열화에 대한 경년지표와 관련하여는, 저압터빈의 압력비, 저압터빈 1단의 유량계수 및 상기 저압터빈의 1단 및 2단의 효율을 활용할 수 있다.
구체적으로, 상기 저압터빈 1단의 유량계수(flow coefficient)는,
Figure 112013073514301-pat00004
을 이용하여 계산할 수 있다. 여기서, C는 상기 유량계수, w는 상기 저압터빈의 1단에서 2단으로 흐르는 재열증기의 유량(lbm/hr), p는 상기 저압터빈 1단에서의 압력(psia), v는 상기 저압터빈 1단의 비체적(ft3/lbm)이다. 터빈부의 유량계수는 터빈부의 출력이 변하여도 일정하게 유지되므로, 각 터빈부의 각 단별로 거의 동일한 값을 유지하게 된다. 그러므로, 상기 저압터빈 1단의 유량계수를 상기 경년지표로 활용할 수 있다.
여기서, 상기 저압터빈에서의 압력은
Figure 112013073514301-pat00005
로 보정하고, 상기 유량값은
Figure 112013073514301-pat00006
로 보정하여 상기 유량계수를 계산할 수 있다. 여기서, Pc는 상기 보정된 저압터빈 1단의 압력, Pt는 상기 저압터빈 1단에서 측정한 측정압력, Pd는 상기 저압터빈 1단에 대한 설계압력, P0는 기 설정된 상수, vt는 상기 저압터빈 1단에서 측정한 측정비체적, vd는 상기 저압터빈 1단에 대한 설계비체적, vtr은 중압터빈 입구에서 측정한 측정비체적, vdr은 상기 중압터빈 입구에 대한 설계비체적이며, wc는 상기 저압터빈 1단에서 2단으로 흐르는 증기의 보정된 유량이고, wt는 상기 저압터빈 1단에서 2단으로 흐르는 증기를 측정한 측정유량이다.
또한, 상기 저압터빈의 압력비를 상기 경년지표로 활용할 수 있다. 구체적으로, 상기 저압터빈의 저압터빈 입구부(E4), 저압터빈의 제1 추기부(E3), 제2추기부(E2), 제3추기부(E1) 및 복수기(E5)에서의 압력을 각각 측정한 후, 상기 입구부와 상기 제1 추기부의 압력비(E4/E3), 상기 제1 추기부와 상기 제2추기부의 압력의 비(E3/E2) 및 제2추기부와 제3 추기부의 압력의 비(E2/E1)를 계산하여 상기 터빈 압력비로 할 수 있다.
경년상태판정단계(S40)는, 상기 경년지표에 대한 회귀분석을 이용하여, 상기 저압터빈의 경년열화정도를 판정할 수 있다. 즉, 상기 경년지표인 상기 저압터빈의 유량계수, 압력비 및 효율 각각에 대하여 1차 선형회귀분석을 수행할 수 있다.
도3(a)는 저압터빈의 압력비에 대한 회귀분석결과를 나타내는 그래프에 해당한다. 먼저, E3/E2는 시간 경과에 불구하고 항상 일정한 값을 유지하고 있으나, E2/E1의 값은 시간의 경과에 따라 뚜렷한 변동이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 상기 E1의 압력에 해당하는 제3추기부의 날개 등에 성능상의 변화가 있는 것으로 판별할 수 있다. 특히, 경년열화에 의한 성능 열화인지 여부는 경년지표의 일시적인 변화여부가 아니라 일정한 패턴에 따라 상기 경년지표의 값이 변화하는지 여부를 통하여 확인할 수 있다. 나아가, 상기 터빈부에 대한 정비를 수행한 경우에는, 상기 정비를 수행한 시점을 전후하여 상기 경년지표의 값이 변화하는 지 여부를 통하여, 상기 저압터빈의 경년열화 상태가 변경된 것을 확인할 수 있다.
도3(b)는 저압터빈의 유량계수에 대한 회귀분석결과를 나타내는 그래프이다. 도3(b)에 도시된 바와 같이, 상기 유량계수는 발전수의 출력과 무관하게 거의 일정한 값을 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 다만, 도3(b)에는 상기 유량계수의 값이 튀는 현상을 포함하고 있으나, 이는 유량계수의 계산 과정 중에 들어가는 변수값에 일시적인 오류가 발생하는 등의 경우에 해당하는 것으로서, 전체적인 유량계수의 흐름을 통하여 상기 저압터빈의 경년상태를 분석할 수 있다.
도3(c)는 저압터빈의 효율에 대한 회귀분석결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, A는 저압터빈 1단에서의 효율, B는 저압터빈 2단에서의 효율을 나타낸다. 도3(c)에 도시된 바와 같이, 상기 효율에 대한 그래프는 압력비나 유량계수에 비하여 등락폭이 다소 존재하지만, 상기 터빈 효율의 전체적인 흐름을 통하여 상기 저압터빈의 경년상태를 분석하는 것도 충분히 가능하다.
상기 도3의 저압터빈의 압력비, 유량계수 및 효율에 대한 회귀분석 결과와 관련하여, 아래와 같이 표1 내지 표3으로 정리하는 것도 가능하다. 상기 경년지표에 대한 일반적인 1차선형회귀분석을 수행하였으며, 유의수준 5%를 기준으로 가설판정을 위한 t통계량과 신뢰구간 상한 및 하한 95%를 기준으로 가설판정을 위한 p값을 계산하였다.
<압력비에 대한 회귀분석 결과>
기울기(시간-1) 표준 오차 t 통계량 P - 값 하위 95% 상위 95%
E4/E3 -9.9E-06 4.15E-07 -23.9873 4.5E-126 -1.1E-0.5 -9.1E-06
E3/E2 4.55E-06 3.63E-07 12.53232 6E-36 3.83E-06 5.26E-06
E2/E1 0.000168 1.99E-06 84.79481 0 0.000165 0.000172
<유량계수에 대한 회귀분석 결과>
기울기(시간-1) 표준 오차 t 통계량 P - 값 하위 95% 상위 95%
C -3.8E-05 2.27E-06 -16.7543 9.53E-63 -4.2E-0.5 -3.4E-05
<저압 터빈의 효율에 대한 회귀분석 결과>
기울기(시간-1) 표준 오차 t 통계량 P - 값 하위 95% 상위 95%
1단 -0.0013 2.84E-05 -45.8486 0 -0.00136 -0.00125
2단 0.000497 1.15E-05 43.23117 0 0.000474 0.000519
압력비의 경우, 터빈부의 상태가 정상인 경우에는 적어도 1E-05 이하의 기울기를 가지며, 이는 4년간 절대값으로 0.1정도의 수준으로 변동함을 의미한다. 압력비는 일반적으로 2~5 정도를 유지하기 때문에 4년간 이 정도 수준의 변동은 변화가 없는 것으로 볼 수 있다. 다만, E2/E1의 경우 1E-04 이상의 기울기를 가지고 있으므로, 상기 E1의 압력에 해당하는 저압터빈 입구부에서 경년열화가 진행하고 있는 것으로 볼 수 있다.
즉, 상기 경년상태판정단계(S40)는, 상기 압력비에 대한 회귀분석 결과 얻어지는 시간에 따른 추세선의 기울기를 이용하여, 상기 저압터빈의 경년열화정도를 판별하는 것이 가능하다. 구체적으로, 상기 압력비의 추세선의 기울기가 절대값 1E-05미만이면 "건전", 절대값 1E-05 이상 1E-04미만이면 "경년열화 초기", 절대값 1E-04 이상 5E-03미만이면 "경년열화 진행", 절대값 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별할 수 있다.
또한, 압력비에 대한 회귀분석 결과에 대하여 정규화(Normalization)을 수행하고, 상기 정규화된 압력비의 표준편차를 기준으로 상기 경년열화정도를 판별하는 것도 가능하다. 즉, 상기 정규화된 압력비의 표준편차가 2이면 "경년열화 초기", 4이면 "경년열화 진행", 6이상이면 "경년열화 가속"으로 판별할 수 있다. 상기 정규화는 상기 경년지표의 값에서 상기 경년지표의 평균값을 빼고, 표준편차로 나눈 값을 의미한다.
유량계수의 경우에도, 터빈부의 상태가 정상이면 적어도 1E-05 이하의 기울기를 가지며, 이는 4년간 절대값으로 0.1정도의 수준으로 변동함을 의미한다. 일반적인 유량계수는 1.5 정도를 유지하므로, 4년간 0.1정도의 변동은 변화가 없는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 상기 유량계수를 경년지표로 활용할 수 있으며, 상기 유량계수의 변화정도를 통하여 상기 저압터빈의 경년열화여부를 판정하는 것이 가능하다.
구체적으로 상기 유량계수에 대한 회귀분석 결과 얻어지는 시간에 따른 추세선의 기울기가 절대값 1E-05미만이면 "건전", 절대값 1E-05 이상 1E-04미만이면 "경년열화 초기", 절대값 1E-04 이상 5E-03미만이면 "경년열화 진행", 절대값 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별할 수 있다.
마찬가지로, 상기 유량계수에 대한 회귀분석 결과에 대하여 정규화를 수행하여, 정규화된 유량계수의 표준편차를 기준으로 상기 저압터빈의 경년열화정도를 판별하는 것도 가능하다. 예를들어, 상기 정규화된 유량계수의 표준편차가 2이면 "경년열화 초기", 4이면 "경년열화 진행", 6이상이면 "경년열화 가속"으로 판별할 수 있다.
한편, 저압터빈의 효율은, 발전소의 출력조건이 변화하면 대응하여 변동되므로 엄밀하게는 경년지표로 활용할 수 없다. 예를들어, 발전소가 최대 출력으로 발전하는 경우와 70%의 출력으로 발전하는 경우를 비교하면, 상기 각각의 경우의 효율은 서로 상이하기 때문이다. 다만, 일반적으로 대용량 화력발전소는 대부분의 시간을 100%의 출력으로 운전하며, 이 경우 상기 저압터빈의 효율은 일정하게 유지되므로, 상기 저압터빈의 효율을 상기 경년지표로 활용하는 것이 가능하다. 구체적으로, 상기 발전소가 최대출력으로 발전하는 경우에는 상기 저압터빈의 효율은 70%를 상회하고, 상기 효율의 기울기가 1E-04 이하인 경우에는 상기 저압터빈의 효율은 연간 1% 정도의 변화가 발생하는 정도에 불과하다. 따라서, 상기 저압터빈의 효율을 이용하여 상기 저압터빈의 경년열화여부를 판정하는 것이 가능하다.
앞서 살핀 바와 같이, 상기 저압터빈의 효율에 대한 추세선의 기울기가 1E-04미만이면 "건전", 1E-04 이상 1E-03미만이면 "경년열화 초기", 1E-03 이상 5E-02미만이면 "경년열화 진행", 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별할 수 있다. 또한, 상기 저압터빈의 효율에 대한 회귀분석 결과에 대한 정규화를 수행하고, 상기 정규화된 저압터빈의 효율의 표준편차가 2이면 "경년열화 초기", 4이면 "경년열화 진행", 6이상이면 "경년열화 가속"으로 판별할 수 있다.
도시하지는 않았으나, 상기 저압터빈 경년열화판정방법은 상기 경년상태판정단계(S40)에서 판정된 경년열화정도를 데이터베이스부에 전송할 수 있다. 상기 데이터베이스부에 저장된 상기 저압터빈의 경년열화정도는 위험도 평가 항목 중 하나가 되어, 고장확률(POF: Probability of Failure)이나 고장피해(Consequece of Failure) 등을 평가할 수 있다.
추가적으로, 상기 저압터빈 경년열화판정방법은, 상기 저압터빈 이외에 발전소의 회전체 설비에도 적용될 수 있으며, 운전데이터를 취득할 수 있는 전력설비에 적용하여 상기 전력설비에 대한 고장감시 및 경년열화 평가 등을 수행할 수 있다. 나아가, 실시간으로 취득하는 운전데이터 이외에도, 정기적인 예방정비시에 취득하게 되는 운전데이터를 이용하여 상기 저압터빈의 경년열화 나 특성의 저하에 영향을 주는 인자들을 추출하는 것도 가능하다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
11: 고압터빈 12: 중압터빈
13a: 저압터빈A 13b: 저압터빈B
14: 크로스오버 20: 발전기
30: 복수기
S10: 운전정보추출단계 S20: 전처리단계
S30: 경년지표계산단계 S40: 경년상태판정단계

Claims (11)

  1. 터빈부에 위치하는 센서를 이용하여 저압터빈의 운전에 대한 운전정보를 추출하는 운전정보추출단계;
    상기 운전정보를 이용하여 상기 저압터빈의 압력비, 유량계수(flow coefficient) 및 효율 중 적어도 어느 하나를 경년지표로 계산하는 경년지표계산단계; 및
    상기 경년지표에 대한 회귀분석을 이용하여, 상기 저압터빈의 경년열화정도를 판정하는 경년상태판정단계를 포함하고,
    상기 경년지표계산단계는,
    상기 저압터빈의 유량계수를
    Figure 112019103379287-pat00013

    으로 계산하며, C는 상기 유량계수, w는 상기 저압터빈에서 흐르는 증기의 유량(lbm/hr), p는 상기 저압터빈에서의 압력(psia), v는 상기 저압터빈의 비체적(ft3/lbm)인 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전정보추출단계에서 추출한 운전정보 중에서, 상기 터빈부의 출력전력이 기 설정된 정규출력전력의 오차범위를 벗어날 때 추출된 운전정보는 제외하는 전처리단계를 더 포함하는 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 운전정보추출단계는
    상기 저압터빈으로 유입 또는 유출되는 증기의 온도, 압력 및 유량, 상기 저압터빈의 회전수 및 출력전력의 크기 중 적어도 어느 하나를 상기 운전정보로 추출하는 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 경년지표계산단계는
    상기 저압터빈에서의 압력을
    Figure 112019103379287-pat00008

    로 보정하여 상기 유량계수를 계산하며, Pc는 상기 보정된 저압터빈의 압력, Pt는 상기 저압터빈에서 측정한 측정압력, Pd는 상기 저압터빈에 대한 설계압력, P0는 상수, vt는 상기 저압터빈에서 측정한 측정비체적, vd는 상기 저압터빈에 대한 설계비체적, vtr은 중압터빈 입구에서 측정한 측정비체적, vdr은 상기 중압터빈 입구에 대한 설계비체적인 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 경년지표계산단계는
    유량값을
    Figure 112020500487291-pat00009

    로 보정하여 상기 유량계수를 계산하며, wc는 상기 저압터빈에 흐르는 증기의 보정된 유량이고, wt는 상기 저압터빈에서 측정한 상기 증기의 측정유량인 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 경년지표계산단계는
    상기 저압터빈의 저압터빈 입구부, 저압터빈의 제1 추기부, 제2추기부 및 제3추기부에서의 압력을 측정하고, 상기 입구부의 압력과 상기 제1 추기부의 압력의 비, 상기 제1 추기부와 상기 제2추기부의 압력의 비 및 제2추기부와 제3 추기부의 압력의 비를 계산하여 상기 저압터빈의 압력비로 하는 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 경년상태판정단계는
    상기 경년지표에 대한 회귀분석을 실시하고, 상기 회귀분석 결과 얻어지는 시간에 따른 상기 경년지표의 추세선의 기울기에 따라, 상기 경년열화정도를 판별하는 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 경년상태판정단계는
    상기 압력비의 추세선의 기울기가 절대값 1E-05미만이면 "건전", 절대값 1E-05 이상 1E-04미만이면 "경년열화 초기", 절대값 1E-04 이상 5E-03미만이면 "경년열화 진행", 절대값 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별하고,
    상기 유량계수의 추세선의 기울기가 절대값 1E-05미만이면 "건전", 절대값 1E-05 이상 1E-04미만이면 "경년열화 초기", 절대값 1E-04 이상 5E-03미만이면 "경년열화 진행", 절대값 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별하며,
    상기 저압터빈의 효율의 추세선의 기울기가 1E-04미만이면 "건전", 1E-04 이상 1E-03미만이면 "경년열화 초기", 1E-03 이상 5E-02미만이면 "경년열화 진행", 5E-03 이상이면 "경년열화 가속"으로 판별하는 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 경년상태판정단계는
    상기 경년지표에 대한 회귀분석을 실시하고, 상기 회귀분석 결과에 대한 정규화(Normalization)를 수행하며, 상기 정규화된 경년지표의 표준편차를 기준으로 상기 경년열화정도를 판별하는 저압터빈의 경년열화 평가방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 경년상태판정단계는
    상기 정규화된 경년지표의 표준편차가 2이면 "경년 열화 초기", 4이면 "경년 열화 진행", 6이상이면 "경년 열화 가속"으로 판별하는 저압터빈의 경년열화 평가방법.
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