KR102626130B1 - 튜브 고온 손상 예방을 위한 검사 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
보일러 튜브의 고온 손상을 예방하기 위한 검사를 최적으로 설계할 수 있는 검사 시스템이 개시된다. 상기 검사 시스템은, 튜브를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 센서계, 상기 센싱 정보를 수집하는 데이터 수집기, 및 통신망을 통해 상기 데이터 수집기에 연결되어 획득되는 상기 센싱 정보를 이용하여 금회 검사 결과를 생성하고 상기 금회 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
튜브의 운전정보를 이용하여 튜브의 손상을 평가하고 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하고 이를 Overhaul 계획수립 시 반영하도록 함으로써 정비 책임자가 적절한 교체물량을 확보하고 검사계획을 용이하게 수립할 수 있다.
튜브의 운전정보를 이용하여 튜브의 손상을 평가하고 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하고 이를 Overhaul 계획수립 시 반영하도록 함으로써 정비 책임자가 적절한 교체물량을 확보하고 검사계획을 용이하게 수립할 수 있다.
Description
본 발명은 튜브 검사 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 보일러 튜브의 고온 손상을 예방하기 위한 검사를 최적으로 설계하는 시스템 및 방법에 대한 것이다.
보일러 튜브는 보일러 구성설비 중 가장 빈번하게 고장이 발생하는 설비로 수천 개 이상의 막대한 수량과 튜브 1본 당 30 ~ 50m의 긴 길이로 인해 검사 및 진단에 많은 어려움이 발생하고 있다.
또한, 보일러의 대용량화와 고효율화가 진행되며 고장피해로 인한 경제적 손실과 전력수급 불안정 등의 문제가 발생하고 있으며, 이를 예방하기 위해 다양한 기술과 시스템이 적용되고 있으나 큰 실효를 거두지 못하고 있다.
부연하면, 보일러 튜브 3D CAD 모델링을 통해 사용자가 직관적으로 튜브위치를 찾아 검사정보를 쉽게 입력/조회를 하는 기술이 제안되다. 그러나, 이 경우, 튜브의 적정 검사시기/위치 및 교체시기/위치 제공이 불가하며, 다양하고 방대한 검사정보관리를 위한 지속적인 노력이 필요하다는 문제점이 있다.
또한, 보일러 튜브와 관련된 센서(출력, 과잉공기비, 각 튜브출구 온도센서, 증기압력 등)간의 상관도 및 정상 운전패턴을 학습하여 이상패턴발생 시 경보를 제공하는 기술이 제안되었다. 이 경우, 경보에 대한 심각도 및 고장정보(위치/종류)가 미제공되어 예방 정비 대책의 수립이 곤란하고, 점검(Overhaul)실시 후 운전상태 변화시 모델 재학습 필요로 지속적인 관리노력이 필요하다는 문제점이 있다.
또한, 점검(Overhaul) 기간 중 검사가 수행되기 위해서는 적어도 점검(Overhaul) 6개월 전 교체부위와 검사부위/방법이 결정되어 교체물량의 수급과 검사계약이 체결될 수 있다. 그러나, 모든 종래기술은 노후화 및 환경변화에도 불구하고 항상 동일한 부위에 대해 검사를 수행하며 교체물량은 검사 후 결정되기 때문에 보일러 정비책임자는 물량을 부족하게 준비하거나 과다하게 준비할 수밖에 없는 어려움이 있어 설비의 안정적 운영과 정비예산의 효율적 집행을 저해하고 있다.
일반적으로 보일러의 과열기, 재열기와 같은 고온손상에 노출된 튜브 모듈은 용량에 따라 다르지만 하나의 튜브 모듈당 대략 1,000개 내외의 튜브가 설치되어 있으며, 약 15 ~ 30개의 튜브가 모여 뱅크(Bank 또는 Panel)라는 단위를 이루고, 약 20 ~ 80개의 뱅크가 모여 하나의 과열기와 재열기가 된다.
고온에 노출된 과열기와 재열기에서 발생되는 대표적인 고온손상은 장기 크리프, 단기 크리프, 고온부식 손상이 있으며, 이 손상들은 주로 용접부위, 곡관부위, 두께 변화부위에서 발생하지만 운영 중인 보일러에서 손상을 찾아낼 수 있는 유일한 방법은 정지 중 비파괴 검사를 시행하는 방법외에는 없다.
한편, 보일러 튜브의 손상을 검사하는 비파괴 검사방법과 그 장단점은 다음과 같다.
튜브의 고온손상은 크리프 기공(장기/단기 크리프 손상) 발생 후 미세균열로 성장하고, 미세균열(㎛단위)이 생성되면 단기간에 파손될 가능성이 매우 높아 보통 크리프 기공이 발생되면 튜브를 교체한다.
고온부식의 경우 최초 미세 부식 피트(Pit)(㎛단위) 발생 후 미세균열로 성장하고, 미세균열(㎛단위)이 생성되면 단기간에 파손될 가능성이 매우 높다. 보통 부식 Pit가 mm이상 성장하거나 미세균열이 발생하면 튜브를 교체한다.
따라서 침투/초음파/자분탐상은 균열이 충분히 성장하여 튜브가 파손되기 직전에만 검사가 가능하므로 일반적으로 2년 단위의 보일러 점검(Overhaul) 시행 시에만 검사가 가능하므로 튜브파열을 예방하기에는 매우 제한적이다.
상기 검사방법 중 금속 조직 복제와 경도측정은 튜브의 초기결함 발생 단계부터 탐지 및 진전을 관리할 수 있으나 이 중 경도측정은 단독으로 검사 시 강도저하를 판단하기 어렵기 때문에 금속 조직 복제법과 병행하여 금속 조직 복제 결과를 보완하여 주로 사용한다.
금속 조직 복제법은 다양한 결함과 균열의 탐지가 가능하지만 매우 고가이며 탐지에 장시간이 소요되므로 제한된 Overhaul기간과 예산을 고려하면 보일러 튜브의 가장 취약부를 검사해야 하나 현재는 과거 유사형식의 보일러에서 발생된 사고부위 또는 현장 여건상 검사가 용이한 부위를 설정하여 검사가 이루어져 고장예방에 비효율적이다.
또한, 점검(Overhaul) 기간 중 검사가 수행되기 위해서는 적어도 점검(Overhaul) 6개월 전 교체부위와 검사부위/방법이 결정되어 교체물량의 수급과 검사계약이 체결될 수 있다. 그러나, 모든 종래기술은 노후화 및 환경변화에도 불구하고 항상 동일한 부위에 대해 검사를 수행하며 교체물량은 검사 후 결정되기 때문에 보일러 정비책임자는 물량을 부족하게 준비하거나 과다하게 준비할 수밖에 없는 어려움이 있어 설비의 안정적 운영과 정비예산의 효율적 집행을 저해하고 있다.
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 보일러 튜브의 고온 손상을 예방하기 위한 검사를 최적으로 설계할 수 있는 검사 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 튜브의 운전정보를 이용하여 튜브의 손상을 평가하고 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하고 이를 점검(Overhaul) 계획수립 시 반영하도록 함으로써 정비 책임자가 적절한 교체물량을 확보하고 검사계획을 용이하게 수립할 수 있는 검사 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 튜브 상태진단의 정확도를 향상시켜 효과적으로 튜브의 예방정비를 수행하고 최적의 검사 및 교체비용을 집행할 수 있도록 하는 검사 시스템 및 방법을 제공하는데 또다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 보일러 튜브의 고온 손상을 예방하기 위한 검사를 최적으로 설계할 수 있는 검사 시스템을 제공한다.
상기 검사 시스템은,
보일러 및 튜브를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 센서계;
상기 센싱 정보를 수집하는 데이터 수집기; 및
통신망을 통해 상기 데이터 수집기에 연결되어 획득되는 상기 센싱 정보를 이용하여 금회 검사 결과를 생성하고 상기 금회 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센싱 정보는 상기 보일러 및 상기 튜브의 운전 정보를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 컴퓨터는, 상기 운전정보를 포함하는 상기 센싱 정보를 획득하는 획득 모듈; 상기 운전정보를 이용하여 상기 튜브의 손상 정도를 평가하는 분석모듈; 상기 금회 검사 결과 및 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 상기 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하는 계산모듈; 및 상기 결정에 따른 상기 정비 계획 정보를 알림 정보로 생성하는 알림 정보 생성모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 평가는 검사 생략을 나타내는 제 1 스테이지, 검사 검토를 나타내는 제 2 스테이지, 검사를 나타내는 제 3 스테이지, 검사 및 교체 검토를 나타내는 제 4 스테이지, 및 교체를 나타내는 제 5 스테이지 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브의 손상 정도의 평가는 크리프 손상도, 조직복제검사 및 경도 측정 정보를 이용하여 이루어지며, 상기 크리프 손상되는 상기 운전정보와 재료의 크리프 파괴실험에서 얻어진 크리프 손상 관계식을 이용하여 평가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 운전정보는 전회 계획예방정비공사 후 금회 계획예방정비공사 설계 전까지의 운전정보인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 조직복제검사 및 경도 측정 정보는 상기 전회 검사 결과를 사용하며, 금회 검사에서 크리프 보이드(Creep Void)가 검출되거나 조직열화등급이 E 또는 F이며 경도가 설계 강도 환산치의 30%이상 저하되는 경우는 상기 튜브는 결함으로 판단되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 크리프 손상 관계식은 상기 튜브의 온도 및 상기 튜브의 응력을 이용하여 산출되며, 상기 튜브의 온도의 산출은 상기 튜브에 흐르는 튜브의 유량을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브의 유량은 입구 헤더, 출구 헤더 및 다수의 튜브뱅크로 구성되는 보일러 튜브 모델을 이루는 각 튜브의 유량분포를 계산함으로써 산출되며, 상기 튜브 뱅크는 다수의 튜브로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브의 응력은 전체 튜브 모듈의 출구설계증기온도 또는 미리 설정되는 기간의 운전이력에서 계산되는 출구운전증기온도 중앙값과 표준편차를 미리 설정되는 허용온도 계산식을 이용하여 계산되는 상기 튜브의 허용온도에서의 허용응력인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브의 검사위치는 상기 크리프 손상 관계식 및 상기 운전이력을 이용하여 선정된 튜브 출구의 곡관부위, 용접부위, 및 두께변화부위 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 튜브의 중간부위에 상기 두께 변화부위 또는 상기 용접부위가 있는 경우, 상기 검사위치로 선정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 전회 공사에서 결함원인이 크리프로 판명되어 교체된 부위는 교체 후 최초 계획예방정비공사 시 상기 검사위치로 선정되며 검사결과 및 크리프 손상평가결과가 양호한 경우, 일정기간 동안 검사 대상에서 제외되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (a) 센서계가 튜브를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 단계; (b) 데이터 수집기가 상기 센싱 정보를 수집하는 단계; 및 (c) 통신망을 통해 상기 데이터 수집기에 연결되는 컴퓨터가 획득되는 상기 센싱 정보를 이용하여 금회 검사 결과를 생성하고 상기 금회 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브 고온 손상 예방을 위한 검사 방법을 제공한다.
또 다른 한편으로, 본 발명의 또 다른 일실시예는, (a) 컴퓨터가 실시간 튜브의 운전 상태 정보를 갖는 데이터베이스를 이용하여 튜부별 유량 분포를 계산하는 단계; (b) 상기 컴퓨터가 상기 튜부별 유량 분포를 이용하여 튜브별 온도 응력을 계산하는 단계; (c) 상기 컴퓨터가 상기 튜브별 온도 응력을 이용하여 튜브별 순시 손상값을 계산하는 단계; (d) 상기 컴퓨터가 상기 튜브의 순시 평균 운전값과 튜브 재질에 대한 크리프 파괴 실험 데이터에서 얻어진 응력-온도-수명 관계식을 통해 다수의 순시 손상을 계산하고 다수의 상기 순시 손상값을 누적하여 투브별 누적 손상값을 산출하는 단계; 및 (e) 상기 컴퓨터가 일정기간의 상기 투브별 누적 손상값을 이용하여 전회 정비에서 검사된 검사결과와 정비이력을 이용하여 특정의 상태 평가 지표와 교체대상 튜브를 선정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브 고온 손상 예방을 위한 검사 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 튜브의 운전정보를 이용하여 튜브의 손상을 평가하고 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하고 이를 Overhaul 계획수립 시 반영하도록 함으로써 정비 책임자가 적절한 교체물량을 확보하고 검사계획을 용이하게 수립할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 튜브 상태진단의 정확도를 향상시켜 효과적으로 튜브의 예방정비를 수행하고 최적의 검사 및 교체비용을 집행할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 현장의 센서와 운전 데이터만 있으면 원격 감시/진단 사업이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 검사 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 컴퓨터의 세부 구성 블럭도이다.
도 3은 도 2에 도시된 제어기의 세부 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 고온 손상 예방 정비 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 크리프 손상관계 테이블이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 운전조건에 의해 각 튜브뱅크의 유량분포를 계산하는 모델의 예시이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 질량 유량에 대해 실험과 계산의 오차를 비교한 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정압(static pressure)에 대해 실험과 계산의 오차를 비교한 결과 그래프이다.
도 9는 일반적인 튜브 운전온도 변동특성 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서를 이용한 검사 개념도이다.
도 11은 일반적인 대상 튜브의 단면을 확대하여 촬영된 화면예이다.
도 12는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 튜브 고온 손상 예방 정비 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 컴퓨터의 세부 구성 블럭도이다.
도 3은 도 2에 도시된 제어기의 세부 구성 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 고온 손상 예방 정비 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 크리프 손상관계 테이블이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 운전조건에 의해 각 튜브뱅크의 유량분포를 계산하는 모델의 예시이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 질량 유량에 대해 실험과 계산의 오차를 비교한 결과 그래프이다.
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도 11은 일반적인 대상 튜브의 단면을 확대하여 촬영된 화면예이다.
도 12는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 튜브 고온 손상 예방 정비 과정을 보여주는 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 도면에서 표시된 구성요소의 크기 및 상대적인 크기는 설명의 명료성을 위해 과장된 것일 수 있다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, “및/또는”은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함한다” 및/또는 “구성된다”는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
비록 제1, 제2 등의 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 대해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소와 구별하기 위하여 사용되는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제 1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 고온 손상 예방을 위한 검사 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 검사 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 검사 시스템(100)은 보일러 및/또는 튜브를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 센서계(110), 센싱 정보를 수집하는 데이터 수집기(120), 통신망(130), 통신망(130)을 통해 수집된 센싱 정보를 이용하여 검사 결과를 생성하고 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 컴퓨터(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
센서계(110)는 제 1 측정기(111), 제 2 측정기(112), 차압계(113), 센서(114) 등을 포함하여 구성될 수 있다. 제 1 측정기(111)는 입구 헤더 유량 측정기이고, 제 2 측정기(112)는 튜브 유로 유량 측정기이고, 차압계(113)는 헤더 및 튜브 뱅크 차압계가 될 수 있다. 센서(114)는 보일러 및/또는 튜브에 설치되는 센서로서 온도 센서 등이 될 수 있다.
일반적으로 보일러의 과열기, 재열기와 같은 고온손상에 노출된 튜브 모듈은 용량에 따라 다르지만 하나의 튜브 모듈당 대략 1,000개 내외의 튜브가 설치되어 있으며, 약 15 ~ 30개의 튜브가 모여 뱅크(Bank 또는 Panel)라는 단위를 이루고, 약 20 ~ 80개의 뱅크가 모여 하나의 과열기와 재열기가 된다.
고온에 노출된 과열기와 재열기에서 발생되는 대표적인 고온손상은 장기 크리프, 단기 크리프, 고온부식 손상이 있으며, 이 손상들은 주로 용접부위, 곡관부위, 두께 변화부위에서 발생하지만 운영 중인 보일러에서 손상을 찾아낼 수 있는 유일한 방법은 정지 중 비파괴 검사를 시행하는 방법외에는 없다.
따라서, 본 발명의 일실시예에서는 튜브의 운전정보를 이용하여 튜브의 손상을 평가하고 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 Overhaul 계획수립 전 결정하고 이를 Overhaul 계획수립 시 반영하도록 함으로써 보일러 정비책임자가 적절한 교체물량을 확보하고 검사계획을 용이하게 수립하도록 하며 튜브 상태진단의 정확도를 향상시켜 효과적으로 튜브의 예방정비를 수행하고 최적의 검사 및 교체비용을 집행할 수 있도록 한다.
도 1을 계속 참조하면, 데이터 수집기(120)는 센서계(110)로부터 생성되는 센싱 정보를 취합하여 통신망(130)을 통해 컴퓨터(140)에 전송하는 기능을 수행한다. 데이터 수집기(120)는 Data acquisition 장치가 될 수 있다. 데이터 수집기(120)는 통신망(130)과의 연결을 위해 통신 모듈을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 데이터 수집기(120)는 보일러(미도시)를 제어하는 운전 제어기(101)와 연결되어, 보일러 및/또는 튜브의 운전 정보를 획득할 수도 있다. 운전 제어기(101)는 마이크로프로세서, 마이콤, 스위칭 회로 소자 등을 포함하여 구성될 수 있다.
통신망(130)은 복수의 단말 및 서버들과 같은 각각의 노드 상호 간에 정보 교환이 가능한 연결 구조를 의미하는 것으로, 공중교환 전화망(PSTN), 공중교환 데이터망(PSDN), 종합정보통신망(ISDN: Integrated Services Digital Networks), 광대역 종합 정보 통신망(BISDN: Broadband ISDN), 근거리 통신망(LAN: Local Area Network), 대도시 지역망(MAN: Metropolitan Area Network), 광역 통신망(WLAN: Wide LAN) 등이 될 수 있다, 그러나, 본 발명은 이에 한정되지는 않으며, 무선 통신망인 CDMA(Code Division Multiple Access), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband), WiFi(Wireless Fidelity), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access) 망, 블루투스(bluetooth), NFC(Near Field Communication) 네트워크, 위성 방송 네트워크, 아날로그 방송 네트워크, DMB(Digital Multimedia Broadcasting) 네트워크 등이 될 수 있다. 또는, 이들 유선 통신망 및 무선 통신망의 조합일 수 있다.
컴퓨터(140)는 센싱 정보를 이용하여 검사 결과를 생성하고 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 부연하면, 컴퓨터(140)는 튜브의 운전정보를 이용하여 튜브의 손상을 평가하고, 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하고 이를 점검(Overhaul) 계획수립시 반영하도록 함으로써 보일러 정비책임자가 적절한 교체물량을 확보하고 검사계획을 용이하게 수립하도록 하며 튜브 상태진단의 정확도를 향상시켜 효과적으로 튜브의 예방정비를 수행하고 최적의 검사 및 교체비용을 집행할 수 있도록 한다.
컴퓨터(140)는 PC(Personal Computer) 또는 서버가 될 수 있다. 컴퓨터(140)에는 데이터베이스(141)가 구축될 수 있다. 데이터베이스(141)에는 센싱정보, 보일러, 튜브 등에 대한 식별 정보등도 저장될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 컴퓨터(140)의 세부 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 컴퓨터(140)는, 센싱 정보를 이용하여 검사 결과를 생성하고 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 제어기(210), 통신망(130)과 연결되어 센싱 정보를 획득하는 통신부(220), 통신부(220)를 통해 획득되는 센싱 정보를 저장하는 저장부(230), 구성요소들에 전원을 공급하는 전원부(240), 사용자의 명령을 입력하는 입력부(250), 정비 계획 정보를 출력하는 출력부(260) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
제어기(210)는 센싱 정보를 이용하여 검사 결과를 생성하고 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 구성요소들과 신호를 주고 받으며, 제어를 수행한다.
통신부(220)는 통신망(130)과 통신 연결을 수행하며, 데이터 수집기(120)와 컴퓨터(140) 간 통신을 연결하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 통신부(220)는 유선 또는 무선 모뎀, 랜카드, 마이크로프로서등을 포함하여 구성될 수 있다.
저장부(230)는 데이터베이스(141)를 저장하는 기능을 수행한다. 또한, 저장부(230)는 센싱 정보를 이용하여 검사 결과를 생성하고 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 알고리즘을 갖는 프로그램, 소프트웨어, 데이터 등을 저장한다.
이를 위해 저장부(230)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD(Secure Digital) 또는 XD(eXtreme Digital) 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 인터넷(internet)상에서 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage), 클라우드 서버와 관련되어 동작할 수도 있다.
전원부(240)는 구성요소들에 전원을 공급하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 파워 서플라이, 레귤레이터, AC(Alternating Current)-DC(Direct Current) 컨버터 등을 포함하여 구성될 수 있다.
입력부(250)는 사용자의 명령을 입력하는 기능을 수행한다. 따라서, 마우스, 키보드, 마이크 등으로 포함하여 구성될 수 있다.
출력부(260)는 설정 화면, 처리 정보 화면 등을 출력하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 출력부(260)는 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode) 디스플레이, PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic LED) 디스플레이, 터치 스크린, CRT(Cathode Ray Tube), 플렉시블 디스플레이, 마이크로 LED, 미니 LED 등이 될 수 있다. 터치 스크린의 경우, 입력 수단으로 사용될 수 있다. 또한, 출력부(260)는 사운드 시스템을 포함하여 구성될 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 제어기(210)의 세부 구성 블럭도이다. 도 3을 참조하면, 제어기(210)는, 튜브의 운전정보를 포함하는 센싱 정보를 획득하는 획득 모듈(310), 운전정보를 이용하여 튜브의 손상 정도를 평가하는 분석모듈(320), 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하는 계산모듈(330), 결정에 따른 정비 계획 정보를 알림 정보로 생성하는 알림 정보 생성모듈(340) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
분석모듈(320)은 튜브의 운전정보를 이용하여 튜브의 손상을 평가하는 기능을 수행한다.
계산모듈(330)은 데이터베이스에 미리 저장되어 있는 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하고 이를 점검(Overhaul) 계획수립시 반영하도록 하는 기능을 수행한다.
알림 정보 생성 모듈(340)은 보일러 정비 책임자가 적절한 교체물량을 확보하고 검사계획을 용이하게 수립하도록 알림 정보로 생성하는 기능을 수행한다. 따라서, 튜브 상태진단의 정확도를 향상시켜 효과적으로 튜브의 예방정비를 수행하고 최적의 검사 및 교체비용을 집행할 수 있도록 한다.
도 3에 도시된 "획득 모듈", "분석 모듈", "계산 모듈", 알림 정보 생성모듈" 등은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 고온 손상 예방 정비 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 튜브상태 평가 및 교체물량 예측 단계(S410)에서 운전상태 분석 단계(S481)까지 순환적으로 진행되어 직선적이며 일회적인 종래의 체계와는 차별화된다.
튜브상태 평가 및 교체물량예측 단계(S410)에서는 과거 튜브의 결함 원인 분석(S460)에 따른 결함 원인 분석 정보, 검사결과 및 정비이력(S471)에 따른 검사결과 및 정비 이력 정보, 및 계획예방 정비공사 후 현재까지의 운전이력을 이용한 운전상태분석(S481)에 따른 운전상태분석 정보를 종합하여 튜브의 상태를 1 ~ 5 단계(즉, 스테이지)로 평가하고 이 중 가장 상태가 심각한 5 스테이지에 해당하는 튜브에 대해 교체를 권고하고 4 스테이지에 대해서는 차차기 계획예방정비시기 도래(4년 후) 이전에 5 스테이지에 이르는 경우에 대해 교체를 권고한다. 5 스테이지를 보면 다음과 같다.
| 스테이지 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 조차사항 | 검사생략 | 검사검토 | 검사 |
검사 및
교체검토 |
교체 |
위 표에서 1 스테이지는 금회 계획예방정비공사시 검사를 생략해도 무방하며, 2 스테이지는 공사기간 및 예산규모에 따라 검사를 시행하거나 차기 검사로 연기가 가능하다. 3 스테이지 및 4 스테이지는 금회 계획예방정비공사에서 필수적으로 검사를 수행하여야 하며, 4 스테이지인 경우 검사결과에 따라 교체가 필요할 수 있으므로 교체물량을 준비하거나 2년 주기의 계획예방정비공사 사이에 간이정비공사가 예정된 경우 교체를 1년 연기할 수 있다. 5 스테이지에 해당하는 경우, 필수적으로 교체물량을 확보하여야 하며 데이터의 수집이 필요할 경우 검사를 시행할 수 있다.튜브상태평가는 단계 S460,S461,S470,S471,S480,S481에 의해 생성되는 정보를 통합해야만 정확한 결과를 얻을 수 있으나, 과거 단계 S461과 S471을 수행하지 않은 경우, 단계 S481에 의해 생성되는 정보는 확보하여야 평가를 수행할 수 있다. 보통 신규로 보일러 튜브 고온손상 예방정비기법을 적용하거나 시스템을 설치한 경우 단계 S461과 S471에 따른 정보를 얻을 수 없으나 단계 S481에 따른 정보는 대부분의 보일러에 설치된 센서에 의해 취득되므로 튜브상태평가가 불가능한 경우는 찾아보기 어렵다.
튜브상태평가는 다음의 평가절차에 의해 결정된다. 크리프 손상도는 전회 계획예방정비공사 후 금회 계획예방정비공사 설계 전까지의 운전정보와 Larson-Miller Parameter 등 재료의 크리프 파괴실험에서 얻어진 크리프 손상관계식을 이용하여 평가할 수 있다. 조직복제검사와 경도측정은 일반적으로 전회 검사결과(S400)를 사용하며 금회 검사에서 Creep Void가 검출되거나 조직열화등급이 E 또는 F이며 경도가 설계강도환산치의 30%이상 저하되는 경우는 결함으로 판단하여(SS460), 교체를 권고한다.
단계 S461,S471,S481는 단계 S410을 수행하기 위해 필요한 정보를 제공하는 단계로 단계 S461은 검사위치 선정시 과거 결함위치를 반영하며 단계 S471는 튜브의 상태평가를 위한 검사결과와 튜브 정비이력을 통해 사용시간 및 과거 산화스케일 두께 등 튜브온도계산에 필요한 정보를 제공하고 단계 S481은 튜브의 크리프 손상평가를 위한 핵심적인 운전정보를 제공하는 단계로 보일러 튜브 출구 비가열부에 설치된 온도센서 데이터와 증기유량, 압력 등의 운전정보를 포함할 수 있다.
또한, 단계 S420는 단계 S410의 결과를 현장에 반영하는 단계로 계획예방정비공사 설계서에 검사개소, 위치, 방법과 검사를 위한 비계/발판 설치위치 등 정보를 제공하며 손상발생가능성이 매우 높은 튜브들을 선별하여 교체물량을 산정하고 공사 전 발주하도록 하여 공사수행에 차질이 없도록 하는 단계이다.
한편, 단계 S410에서 단계 S471의 절차는 일반적으로 단계별 독립적으로 진행되나 전체 단계 또는 일부 단계를 전산시스템으로 처리할 수 있으며 단계와 단계를 자동으로 연계하기 위한 추가적인 작업이 필요하다. 특히 S471 단계에서 처리하는 데이터는 시계열 데이터로서 시간의 흐름에 따라 연속적으로 기록되는 값이기 때문에 이를 관리하기 위해서는 특별한 데이터베이스가 필요하며 일반적인 관계형 데이터베이스를 사용하는 경우 활용에 어려움이 따르게 될 수 있다.
실시간데이터베이스는 시계열 데이터 관리를 위한 특수한 데이터베이스로 상용화된 제품이 있으며 S410 단계의 복잡한 계산을 지원하기 위해 다양한 인터페이스를 지원하고 있다. 그러나 오픈소스 실시간 데이터베이스의 경우 인터페이스 지원이 매우 제한적이기 때문에 사용자가 개발해야 하는 어려움이 있어 거의 사용되고 있지 않다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 크리프 손상관계 테이블이다. 도 5를 참조하면, 크리프 손상도는 단계 S410 및 S481에 의해 산출되며, 조직복제검사는 단계 S461,S471에 의해 산출되며, 경도측정 정보는 단계 S461,S471에 의해 산출된다. 도 5에 표시된 *는 특이검사결과로 추가검사를 시행하거나 발췌하여 Creep 파괴실험을 수행함을 나타내고, **는 단기과열이 의심되므로 추가검사를 시행하거나 발췌하여 Creep 파괴실험을 수행함을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 운전조건에 의해 각 튜브뱅크의 유량분포를 계산하는 모델의 예시이다. 일반적으로, 보일러 튜브의 상태평가 요소 중 크리프 손상평가결과는 입력 데이터의 정확도와 평가기법의 적절성에 의해 결정되나 종래의 제시된 입력데이터와 평가기법은 실제 보일러의 운전특성과 부합하지 않거나 임의적으로 선정하는 등 신뢰하기에 어려움이 있으며 이를 해결하기 위한 개선방법은 아래와 같다.
튜브상태평가 방법은 전통적인 크리프 손상평가기법을 따르나 튜브의 온도를 계산하는 단계와 튜브 응력을 계산하는 단계가 종래의 방법과는 크게 다르다. 종래의 튜브의 온도를 계산하는 방법은 각 튜브에 흐르는 유량이 동일하고, 그 값은 평균값으로 가정하여 튜브의 온도를 계산하나 실제 튜브는 입, 출구 헤더의 증기유입, 유출방향과 개수 및 튜브와 헤더의 연결형태에 따라 각 튜브의 유량이 결정된다. 일반적으로 튜브의 최대유량과 최소유량은 10 ~ 20%의 차이를 나타내기 때문에 튜브의 유량을 계산하는 과정은 매우 중요하다.
보일러 튜브와 같이 복잡한 배관망의 유량을 계산하는 이론적인 방법은 유로망 해석방법 또는 이와 유사한 상용 소프트웨어가 될 수 있다. 이러한 튜브의 유량을 계산하는 과정은 다음과 같다.
①. 튜브 1개 유로의 구성요소에 대한 압력손실계수식 또는 선도를 이용하여 가능한 온도, 압력, 유량범위 등의 운전조건에 대해 유로 전체의 압력손실계수식 또는 선도를 계산한다. 배관내 압력손실계수의 일반형은 다음 수학식과 같다.
여기서, f:마찰계수, L:배관길이, D:배관직경이다. 마찰계수는 다음과 같다.
즉 난류유동에 대한 Filonenko의 식이다.
여기서, Re:배관유동의 레이놀즈수이다. Re는 다음 수학식과 같다.
여기서, μ:유체의 점성계수, ρ:유체의 밀도, v: 유체의 속도 D:배관직경이다.
②. 유로망 해석 또는 이와 유사한 기능을 수행하는 상용 소프트웨어를 이용하여 다수의 튜브로 구성되는 튜브뱅크(또는 패널, 번들)에 대해 절차 ①에서 계산된 각 유로의 압력손실계수식 또는 선도와 가능한 운전조건에 의해 압력손실계수식 또는 선도와 각 튜브 유로의 유량분포를 계산한다.
③. 유로망 해석 또는 이와 유사한 기능을 수행하는 상용 소프트웨어를 이용하여 입, 출구 헤더와 다수의 튜브뱅크로 구성되는 보일러 튜브 모델에 대해 절차 ②에서 얻어진 튜브뱅크의 압력손실계수식 또는 선도와 가능한 운전조건에 의해 각 튜브뱅크의 유량분포를 계산한다.
④. 단계 3의 튜브뱅크별 유량분포와 절차 ②의 뱅크내 각 튜브의 유량분포를 이용하여 보일러 튜브모델을 구성하는 각 튜브의 유량분포를 계산한다.
도 6은 상기의 절차 ① 내지 ③의 사례를 제시한 것으로, 절차 ①과 절차 ②는 상용 유로설계 소프트웨어인 Flowmaster를 이용하여 단일 튜브유로와 튜브 뱅크의 압력손실계수를 계산하였으며 절차 ③은 유로망 해석법을 이용하여 계산하였다. 투브 유로 압력 손실 계산 단계(S610), 튜브 뱅크 압력 손실 계산 단계(S620), 및 튜브 모듈 유량 분포 계산 단계(S630)로 구성된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 질량 유량에 대해 실험과 계산의 오차를 비교한 결과 그래프이다. 도 7을 참조하면, 분배 헤더 출구(Divide header outlet)에서 질량 유량(710) 및 결합 헤더 출구(Combine header outlet)에서 질량 유량(720)이 실험과 계산의 경계에 밀집된다. 즉, 실험과 계산의 오차를 비교한 결과로서 양호한 유량 결과를 보여준다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 정압(static pressure)에 대해 실험과 계산의 오차를 비교한 결과 그래프이다. 도 8을 참조하면, 분배 헤더 출구에서 정압(810) 및 결합 헤더 출구에서 정압(820)이 실험과 계산의 경계에 밀집된다. 즉, 실험과 계산의 오차를 비교한 결과로서 양호한 정압 결과를 보여준다.
도 9는 일반적인 튜브의 운전온도 변동특성 그래프이다. 도 9를 참조하면, 일반적으로 튜브의 크리프 손상을 평가하기 위한 튜브에 작용하는 응력을 계산하는 종래의 방법은 튜브 내부를 흐르는 증기의 압력을 이용한 후프응력을 계산하는 방법과 운전온도를 이용한 허용응력을 계산하는 방법이 제시되어 있다. 전자의 방법은 ASME( American Society of Mechanical Engineers) 및 KEPIC(Korea Electric Power Industry Code, KEPIC) 등 산업계 표준 코드에서 제시되나 계산되는 손상의 값이 너무 작아 튜브간의 변별력이 없어지는 단점이 있으며, 후자의 방법은 도 9에 도시된 바와 같이 튜브의 운전온도(Outlet tube metal temp)의 변동특성이 너무 커 실제 적용하기 어려운 단점이 있다. 또한 이 두 값을 비교하여 큰 값을 선택한다 하더라도 손상을 평가하는 응력이 일관성을 유지하지 못하여 실제 운전현상과 일치하지 못하는 어려움이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 국제적인 압력용기 코드인 TRD 300과 IBR(Indian Boiler Regulation)에서 제시하는 허용온도 계산방법에 기반한 다음과 같은 절차를 통해 튜브의 응력을 계산한다.
①. 전체 튜브 모듈의 출구설계증기온도 또는 1년 이상의 운전이력(계절변화에 따른 보일러의 운전특성을 고려)에서 출구운전증기온도 중앙값과 표준편차를 계산한다.
②. 출구설계증기온도가 얻어진 경우 TRD300의 허용온도계산식을 이용하여 튜브의 허용온도를 계산하거나 출구운전증기온도 중앙값과 표준편차를 계산한 경우 IBR의 허용온도계산식을 변경한 계산식을 사용하며, 튜브손상의 변별력과 정비의사결정의 안정성을 보장하기 위해 두 개의 허용온도 중 낮은 값을 허용온도로 결정한다.
출구설계증기온도 및 출구운전증기온도 조건을 보면 다음과 같다.
IBR의 원래 식은 와 이며 Tmx는 예상되는 최대증기온도이다.
위 식에서 Td는 출구설계증기온도, Tm는 출구운전증기온도 중앙값, Tsd는 출구운전 증기온도 표준편차, n은 보일러 형식 및 튜브모듈의 위치에 따라 결정되는 값으로 1, 1.5, 2 중 한 개의 값을 선택한다. 기본값은 1.5이며 복사과열기는 보일러 노 출구에 가까울수록 큰 값을 대류과열기는 멀수록 큰 값을 적용한다.
일반적으로 보일러의 출구설계증기온도는 최종과열기 및 최종재열기에만 주어지며 1차, 2차 과열기와 재열기에는 주어지지 않으므로 출구운전증기온도 조건을 적용해야한다.
③. 절차 ②에서 계산된 튜브의 허용온도에서 허용응력을 튜브에 작용하는 응력으로 결정한다. 이 결정방법은 보일러 제작사에서 튜브의 수명을 결정하는 방법과 개념적으로 부합하며 출구설계증기온도를 확보하지 못하더라도 압력용기관련 국제적인 코드와 운전이력 및 통계적 방법을 통해 합리적으로 평가함으로써 다양한 튜브모듈에 대한 손상평가가 가능하다.
한편, 종래의 튜브 검사위치 선정방법은 과거 사고사례와 보일러 튜브 정비 가이드라인에 의해 일괄적으로 결정하여 보일러의 운전이력 및 특성을 고려하지 않고 동일한 위치만을 검사토록 하였다. 그러나 실제 보일러 튜브의 사고위치는 일괄적으로 정해진 위치와 일치하지 않는 경우가 다수 발생하여 종래 방법의 문제점이 인지하고 있으나 개선된 방법은 제시된 사례가 없었다.
본 발명의 일실시예에서는 개선된 튜브 검사위치 선정 개념을 제시한다. 새로운 튜브 검사위치 선정방법은 개선된 튜브 크리프 손상기법과 보일러 튜브 정비 가이드라인에서 제시하는 취약부를 고려하여 다음 절차에 따라 선정한다.
①.개선된 튜브 크리프 손상기법과 운전이력을 이용하여 센서가 설치된 튜브의 손상도를 평가하며 튜브상태가 3 스테이지 이상으로 평가되는 경우 검사대상으로 선정한다.
*②.센서가 설치되지 않은 튜브 중 인근의 튜브상태가 3 스테이지 이상으로 평가되는 경우는 동일한 뱅크 내의 센서가 설치된 튜브가 3 스테이지 이상으로 평가되거나, 이웃하는 뱅크의 동일한 열 위치에 센서가 설치된 튜브가 3 스테이지 이상으로 평가되는 2가지 경우 중 하나이면 모두 검사대상에 포함시킨다.
③.절차 ②에서 상태평가 스테이지가 3 스테이지 이상인 튜브와 동일한 뱅크에 센서가 설치되지 않은 튜브들이 있는 경우 대상 튜브들 중 가장 유량이 작아 연소가스 온도변화에 민감하므로 고온에 노출될 확률이 가장 큰 튜브를 검사대상으로 선정한다.
④.절차 ① ~ 절차 ③에 선정된 튜브 출구의 곡관부위, 용접부위, 두께 변화부위를 검사대상으로 선정하며, 곡관부위는 외호면(extrados), 용접부위는 인근 열영향부 및 모재부를 포함하여 검사위치를 선정한다. 만약 튜브 출구에 직관부위만 존재할 경우는 가장 고온부를 검사부위로 선정하며 고온부를 결정한다. 고온부위를 결정하는 방법은 다음과 같다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센서를 이용한 검사 개념도이다. 도 10을 참조하면, 온도센서(1021,1022)가 설치된 증기 인입 헤더(1011) 및 증기 출구 헤더(1012)측 최장열 튜브 출구의 3/4 Run 부위를 중심으로 10cm간격으로 상단 인클로즈(1031)과 하단 인클로즈(1032)사이의 산화스케일을 연소 가스 흐름(1001)에 따라 10개 이상 측정하여 가장 산화스케일 두께가 두꺼운 부위에 대해 검사(조직복제 및 경도측정)위치로 선정하며, 온도센서가 설치되지 않은 대상 튜브도 동일한 위치를 검사위치로 선정한다.
⑤.절차 ① ~ 절차 ③에 선정된 튜브의 중간부위에 두께 변화부위 또는 용접부위가 있는 경우 검사위치로 선정한다.
⑥.전회 공사에서 결함원인이 크리프로 판명되어 교체된 부위는 교체 후 최초 계획예방정비공사 시 검사위치로 선정하며 검사결과 및 크리프 손상평가결과가 양호한 경우 4년까지 검사에서 제외된다.
한편, 절차 1에서 절차 4의 단계에 의해 검사를 수행하며 검사결과 결함이 발견되면 결함부를 중심으로 절차 3과 같은 방법으로 추가적인 검사위치를 선정한다.
도 11은 일반적인 대상 튜브의 단면을 확대하여 촬용된 화면예이다. 도 11을 참조하면, 튜브의 상태평가지표는 크리프에 의한 손상뿐만 아니라 고온부식에 의한 손상도 감지가 가능하기 때문에 동일한 방법을 이용하여 예방정비가 가능하다. 튜브의 고온부식은 강종별로 활성화되는 온도가 다르지만 공통적으로 튜브의 온도에 비례하여 부식손상의 범위와 결함발생확률이 증가한다. 다만 부식손상을 확인하기 위해서는 대상튜브를 발췌하여 단면을 확대하여 관찰하여야 한다. 도 11에는 건전부의 단면(1110) 및 손상부의 단면(1120)기 도시된다. 건전부의 단면(1110)은 전처리 표면이 매끈하며, 손상부의 단면(1120)는 전처리 표면에 구멍(Pit)가 존재한다.
고온부식을 평가하기 위해서는 크리프 손상지표와 발췌튜브 단면의 관찰정보가 필요한 반면 튜브 표면 조직복제 및 경도측정은 불필요한다. 그러나 고온부식과 크리프는 동시에 발생하는 경향이 강하며 상호작용하여 파손에 이르는 시간이 감소되는 특징이 있으므로 튜브상태평가 지표가 4 스테이지에 해당하는 경우 일부 튜브는 발췌하여 표면검사를 시행한 후 구멍(Pit)나 홈(Groove) 등과 같은 결함이 발견되면 당회 계획예방정비공사 또는 적어도 차회 예방정비공사에서는 튜브를 교체하도록 권고할 수 있다.
따라서, 고온부식에 의한 손상을 예방하는 경우에도 원래의 지표를 변경할 필요는 없으며 추가적으로 튜브발췌시험을 수행하여 정비여부를 결정할 수 있다. 튜브발췌시험의 결과는 부식손상이 있는 경우 즉시 교체를 권고해야하나 발췌시험기간이 수 일 이상 소요되기 때문에 교체기간이 확보되지 않는 경우는 차기 간이정비 또는 차기 계획예방정비공사에서 교체하도록 권고하여야 한다.
검사비용 절감을 위해 국내 IPP(Industry Professional Practice)나 검사기술수준이 낮아 조직복제검사가 원활하지 않은 중동이나 동남아시아 화력발전소의 경우 경도만 측정하거나 조직복제검사와 경도 모두 시행하지 않으며 대신 PT(Liquid Penetration Test)/MT(Magnetic Particle Testing)/UT(Ultrasonic Testing)를 시행하는 경우가 있다. 이러한 경우 튜브의 상태평가는 크리프 손상도에 의해서 결정되기 때문에 검사범위와 검사위치도 크리프 손상도에만 의존하게되는 차이점이 있으나 전체적인 예방정비방법은 기존의 방법과 절차를 따르며 기존의 방법과 다른 점은 다음과 같다.
도 12는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 튜브 고온 손상 예방 정비 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 12를 참조하면, S1210, S1220단계는 앞서 기술한 방법으로 튜브별 유량분포를 계산하는 단계이며, S1230은 TRD 300 및 IBR 코드의 개념에 기반한 새로운 응력 계산법에 의해 튜브 응력을 계산하고 에너지 정산 방법을 이용하여 온도를 계산한다.
S1240단계에서는 순시(1시간 ~ 2시간) 평균 운전값과 튜브 재질에 대한 Creep 파괴 실험 데이터에서 얻어진 응력-온도-수명 관계식을 통해 손상을 계산한다. S1250 단계는 튜브들의 순시손상값을 운전시간별로 저장하며 각 튜브별 순시손상값들을 모두 합하여 누적손상값을 얻어 역시 운전 시간별로 저장한다.
S1260 단계에서는 정비 6개월 전 튜브별 누적손상(크리프 손상)을 조회한 후 전회 정비에서 검사된 검사결과와 정비이력정보를 이용하여 최신의 상태평가지표와 교체대상 튜브를 선정한다. S1270단계에서는 과거 결함위치 및 원인분석정보와 S1260단계의 튜브 상태평가 지표를 이용하여 튜브의 검사위치를 선정한다. S1260과 S1270단계의 결과물을 종합하여 S1280단계의 비파괴 검사 및 정비계획을 수립한다.
한편, S1220에서 S1250까지의 단계로 튜브의 손상을 실시간으로 감시할 수 있는 시스템을 개발할 수 있다. 또한, S1201,S1202, S1210, S1280단계를 시스템으로 구축 시 각 단계별 연계 및 세부기능수행 절차를 나타낸 것으로 S1220 단계에서 실시간 운전 정보를 갖는 DB를 이용하여 관리하게 되면 Java, C, C#, VB등으로 개발된 프로그램과 데이터를 연계할 수 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
*100: 검사 시스템
110: 센서계 120: 데이터 수집기
130: 통신망 140: 컴퓨터
310: 획득 모듈 320: 분석 모듈
330: 계산 모듈 340: 정보 알림 생성 모듈
1011: 증기 인입 헤더 1012: 증기 출구 헤더
1021,1022: 온도센서
1031: 상단 인클로즈
1032: 하단 인클로즈
Claims (1)
- 보일러 및 튜브를 센싱하여 센싱 정보를 생성하는 센서계(110);
상기 센싱 정보를 수집하는 데이터 수집기(120);
통신망(130)을 통해 상기 데이터 수집기(120)에 연결되어 획득되는 상기 센싱 정보를 이용하여 금회 검사 결과를 생성하고 상기 금회 검사 결과에 따른 튜브 상태를 평가하여 정비 계획 정보를 생성하는 컴퓨터(140);
상기 센싱 정보는 상기 보일러 및 상기 튜브의 운전 정보를 포함하며,
상기 컴퓨터(140)는,
상기 금회 검사 결과 및 데이터베이스(141)에 미리 저장되어 있는 고장이력과 전회 검사결과를 이용하여 상기 튜브의 검사 및 교체여부를 점검(Overhaul) 계획수립전 결정하는 계산모듈(330);를 포함하고,
상기 튜브의 손상 정도의 평가는 조직복제검사 및 경도 측정 정보를 이용하여 이루어지며,
상기 조직복제검사 및 경도 측정 정보는 상기 전회 검사 결과를 사용하며, 금회 검사에서 크리프 보이드(Creep Void)가 검출되거나 조직열화등급이 E 또는 F이며 경도가 설계강도환산치의 30%이상 저하되는 경우는 상기 튜브는 결함으로 판단되고,
상기 튜브의 손상 정도의 평가는 검사 생략을 나타내는 제 1 스테이지, 검사 검토를 나타내는 제 2 스테이지, 검사를 나타내는 제 3 스테이지, 검사 및 교체 검토를 나타내는 제 4 스테이지, 및 교체를 나타내는 제 5 스테이지 중 어느 하나로 평가하는 것을 특징으로 하는 튜브 고온 손상 예방을 위한 검사 시스템.
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