KR20100117524A - 구조 안전성 모니터링 시스템 - Google Patents

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게리 랜들 반스
피터 앤터니 딜로렌조
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Abstract

구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 구조체(2)와, 상기 구조체에 장착되는 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)를 포함한다. 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25) 각각은 진동 응답 신호를 출력한다. 또한, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25) 각각에 작동식으로 연결되는 제어기(61)를 포함한다. 제어기(61)는 진동 모드 형상과 진동 응답 신호에 근거하여 예측되는 진동을 계산하도록 구성된다. 그 후에, 제어기(61)는 예측된 진동 응답을 측정된 진동 응답과 비교하여 구조체(2) 내의 변화를 검출한다.

Description

구조 안전성 모니터링 시스템{STRUCTURAL INTEGRITY MONITORING SYSTEM}
본 발명은 모니터링 시스템 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조 안전성 모니터링 시스템(structural integrity monitoring system)에 관한 것이다.
정기 점검을 실행하거나, 구조 안전성을 평가하기 위한 진동 시험을 수행하기 위해, 터보기계, 발전기 등과 같은 설비의 부품을 서비스 상태로부터 제거하는 것은 비용이 많이 든다. 수입의 손실 및 실제적인 분해의 관점에서 비용이 발생할 뿐만 아니라, 검사 및 시험 자체에 비용이 든다. 그러나, 검사, 특히 시험의 실행에 실패하면 상당하고 따라서 보다 고가의 실패를 야기할 수 있다. 즉, 통상적으로, 터보기계, 발전기 등은 심한 하중과, 극심한 작동 환경과, 시간이 흐르면서 특정 구성요소의 악화를 야기하는 조건을 겪는다. 이러한 악화의 검출에 실패하면 기계 고장을 야기할 수 있다. 기계의 중대한 고장은 검사 및 시험과 연관된 비용보다 훨씬 중요하다.
악화를 검출하는데 이용되는 하나의 방법은 시스템 구성요소의 구조 안전성을 시험하는 것이다. 구조 안전성 결함을 검출하는데 온라인 진동 모니터링이 보통 이용된다. 그러나, 온라인 진동 모니터링을 이용하는 경우, (증가 또는 감소하는) 진동의 변화가 구조체 상의 하중을 변화시킨 결과로서 구조체 내의 예견되는 변화의 결과인지 또는 구조체의 악화의 결과인지를 판정하는 것은 때때로 어렵다. 다른 방식의 구조 안전성 시험은 모드 진동 시험을 포함한다.
구조체의 모드 진동 시험은 시험될 구조체가 서비스 상태로부터 제거되는 것을 일반적으로 필요로 한다. 하나의 이러한 시험 기술에서, 작동 장치는 구조체에 영구적으로 장착된다. 작동 장치는 구조체를 기계적으로 가진(excite)하도록 작동된다. 일단 가진되면, 진동 측정 장치가 취해지고 베이스라인 측정 장치와 비교되어, 구조체의 안전성을 체크한다. 진동 시험의 또다른 형태는 진동 알람 레벨 및 운전 정지 레벨을 설정하는 단계를 포함한다. 그러나, 이러한 시스템은 하중의 변화의 결과로서 발생하는 진동과 구조체 내의 변화의 결과로서 발생하는 진동을 구분할 수 없다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 구조 안전성 모니터링 시스템은 구조체와, 상기 구조체에 장착되는 적어도 2개의 진동 모니터링 장치를 포함한다. 적어도 2개의 진동 모니터링 장치 각각은 진동 응답 신호를 출력한다. 또한, 구조 안전성 모니터링 시스템은 적어도 2개의 진동 모니터링 장치 각각에 작동식으로 연결되는 제어기를 포함한다. 제어기는 진동 모드 형상과 진동 응답 신호에 근거하여 예측되는 진동을 계산하도록 구성된다. 그 후에, 제어기는 예측된 진동 응답을 측정된 진동 응답과 비교하여 구조체 내의 변화를 검출한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 구조체의 구조 안전성을 판정하는 방법은 구조체로부터 적어도 하나의 모드 형상을 측정하는 단계와; 구조체에 장착된 적어도 2개의 진동 센서로부터 진동 데이터를 수집하는 단계와; 적어도 하나의 측정된 모드 형상과 수집된 진동 데이터에 근거하여 구조체의 예측되는 진동 응답을 계산하는 단계와; 예측된 진동 응답을 구조체의 측정된 진동 응답과 비교하여 비교 인자를 확립하는 단계와; 상기 비교 인자에 근거하여 구조체 내의 변화를 검출하여 구조체의 안전성을 판정하는 단계와; 구조체의 안전성을 디스플레이 상에 도식적으로 도시하는 단계를 포함한다.
이들 및 다른 장점 및 특징은 도면과 함께 하기의 상세한 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
본 발명은 명세서의 결말 부분의 특허청구범위에서 특히 지적되고 명백하게 청구된다. 본 발명의 상술한 특징 및 다른 특징과 장점은 첨부된 도면과 함께 하기의 상세한 설명으로부터 명백해진다.
본 발명에 의하면, 구조 안전성을 실시간으로 모니터링함으로써, 임의의 변화가 초기에 검출되어, 신속한 반응이 임의의 필요한 유지 보수 문제를 제기할 수 있습니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 구조 안전성 모니터링 시스템을 포함하는 발전기의 상부 우측 사시도,
도 2는 도 1의 발전기의 전방 정면도,
도 3은 예시적인 실시예에 따른 구조 안전성을 모니터링하는 방법을 도시하는 흐름도,
도 4는 다른 예시적인 실시예에 따른 구조 안전성을 모니터링하는 방법을 도시하는 흐름도.
상세한 설명은 도면을 참조하여 예시의 방법으로 장점 및 특징과 함께 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발전기의 형태로 도시된 구조체는 통상적으로 참조부호(2)로 도시된다. 물론, 구조체는 다양한 형태를 취할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 발전기(2)는 단부 권선(8)을 갖는 스테이터(6)가 그 내에 배치된 하우징(4)과, 로터(도시되지 않음)를 포함한다. 스테이터(6)는 발전기(2)의 작동시 발생하는 진동을 검출하기 위해 단부 권선(8)에 장착된 복수의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)를 포함한다. 추가적인 진동 모니터링 장치(도시되지 않음)가 발전기(2)의 다른 영역뿐만 아니라 스테이터(6)의 일부에도 장착된다.
각각의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)는 적어도 하나의 진동 센서를 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 진동 모니터링 장치(20)는 제 1 또는 반경방향 진동 센서(30)와 제 2 또는 축방향 진동 센서(31)를 포함한다. 유사하게, 진동 모니터링 장치(21)는 반경방향 진동 센서(34)와 축방향 진동 센서(35)를 포함하고, 진동 모니터링 장치(22)는 반경방향 진동 센서(38)와 축방향 진동 센서(39)를 포함하며, 진동 모니터링 장치(23)는 반경방향 진동 센서(42)와 축방향 진동 센서(43)를 포함하고, 진동 모니터링 장치(24)는 반경방향 진동 센서(46)와 축방향 진동 센서(47)를 포함하며, 진동 모니터링 장치(25)는 반경방향 진동 센서(50)와 축방향 진동 센서(51)를 포함한다. 진동 모니터링 장치(20 내지 25)는 변위 센서, 가속도계, 스트레인 게이지, 속도 센서 등의 형태를 취할 수 있다.
도시된 예시적인 실시예에 따르면, 발전기(2)는 스테이터(6)의 구조 안전성을 실시간으로 모니터링하는 구조 안전성 모니터링 시스템(60)을 포함한다. 물론, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 다른 영역인 발전기(2)의 구성요소를 모니터링하는데 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 복수의 진동 모니터링 장치(20 내지 25) 각각에 작동식으로 링크되는 제어기(61)를 포함한다. 하기에 보다 상세하게 서술되는 바와 같이, 제어기(61)는 베이스라인 모드 형상 데이터(64)와 실시간 진동 모니터링 데이터(66)를 수용한다. 제어기(61)는 모드 형상 데이터(64)와 실시간 진동 모니터링 데이터(66)를 사용하여 단부 권선(8)에서의 스테이터(6)의 구조 안전성 지표(74)를 판정한다. 구조 안정성 지표(74)는 구조 안전성 모니터링 시스템(60)에 작동식으로 연결된 디스플레이(78)에 선택적으로 출력된다. 구조 안전성 지표(74)에 근거하여, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 알람(81) 및/또는 운전 정지 시스템(84)을 작동시킨다.
이제 스테이터(6)의 구조 안전성을 판정하기 위해 구조 안전성 모니터링 시스템(60)에 의해 이용되는 방법(200)을 기술하는 도 3을 참조한다. 초기에, 베이스라인 모드 형상 데이터(64)는 블록(204)으로 도시된 바와 같이 스테이터(6)에 대해 판정된다. 보다 상세하게는, 모드 해석 시험이 스테이터(6) 상에서 실행된다. 모드 해석 시험은 스테이터(6)를 가진시키는 단계와, 진동 모니터링 장치(20 내지 25)에서의 진동 응답 신호를 측정하는 단계를 포함한다. 공지된 가진 입력 신호(excitation input signal)로서 작용하는 계기 해머(instrumented hammer) 또는 전자기 또는 유압 가진기(electromagnetic or hydraulic shaker)로 스테이터(6)에 충격이 가해진다. 공지된 가진 입력 신호(해머 또는 가진기로부터의 힘)와 진동 모니터링 장치(20 내지 25)에서 측정된 진동 응답 신호 양자는 시간 영역에서 측정된다. 상기 신호는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier transform; FFT)을 이용하여 주파수 영역으로 변환되며, 각각의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)에 대해 전달 함수(transfer function)를 생성하도록 분할(응답/입력)된다. 표준 모드 해석법을 이용하면, 전달 함수로부터 고유 주파수 및 모드 해석이 얻어진다. 고유 주파수 및 모드 해석은 구조 안전성 모니터링 시스템(60)에 대한 모드 형상 데이터(64)로서 입력된다.
일단 베이스라인 데이터가 블록(204)에서 얻어지면, 발전기(2)가 서비스 상태가 되고, 블록(206)으로 도시된 바와 같이 진동 모니터링 장치(20 내지 25)를 통해 진동 신호가 실시간으로 캡쳐된다. 검지된 진동은 블록(208)으로 도시된 바와 같은 하중 조건과, 블록(210)으로 도시된 바와 같은 로터 불균형 또는 다른 인접한 구성요소로부터 전달된 진동으로 인한 힘과 같은 다른 외부 영향에 근거한다. 진동 신호는 블록(220)으로 도시된 바와 같이 측정되며, 블록(230)으로 도시된 바와 같이 예측 과정이 하나씩 진동 신호 상에 실행된다. 하나씩 예측하는 과정은 식 1.1에 개략적으로 기술된 행렬에서 [u]행과 [v]열을 하나씩 소거함으로써 복수의 진동 모니터링 장치(20 내지 25) 각각에 대한 예측되는 진동 레벨을 계산한다. 새로운 세트의 계수[C]는 행렬 내의 나머지 요소에 근거하여 계산된다. 새로운 계수[C]는 행렬[u] 내의 각각의 모드로부터 제공되는 예측 과정이다. 새로운 세트의 계수[C]는 특정 진동 모니터링 장치(20 내지 25), 즉 제거된 특정 요소[v]에 대한 진동 레벨을 예측하는데 사용된다. 그 후에, 예측된 값은 블록(220)의 진동 레벨에 대한 대응하는 측정된 모드 형상 데이터와 비교되어, 비교 인자를 결정한다. 제거된 각각의 요소[v]에 대한 진동을 예측하기 위해 모드 형상 데이터를 사용하는 것은 구조체의 모드 형상이 변하지 않는 한 외측 조건으로부터 가해진 임의의 하중 또는 외측 조건으로부터의 임의의 가진에 유효하다. 임의의 센서에서의 진동 레벨과 상기 센서에서의 측정된 진동 레벨 사이의 상당한 차이는 구조체의 모드 형상이 변하여 구조체 내의 변화가 발생했음을 나타내는 경우에만 발생할 수 있다. 이러한 방법은 실시간으로 구조 안전성의 지속적인 모니터링을 가능하게 한다. 구조 안전성을 실시간으로 모니터링함으로써, 임의의 변화가 초기에 검출되어, 신속한 반응이 임의의 필요한 유지 보수 문제를 제기할 수 있도록 한다.
Figure pat00001
또는
[식 1.1]
Figure pat00002
비교 인자는 평가를 위한 디스플레이(78)에 도식적으로 출력된다. 예측된 값이 대응하는 측정된 진동 데이터와 일치하지 않음을 비교 인자가 나타내는 경우, 측정된 모드 형상은 스테이터(6)가 구조 안전성의 변화를 받는 것을 나타내는 실제적인 진동 응답을 더 이상 나타내지 않는다. 구조 안전성의 변화를 검출하면, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 알람(81)에 신호를 전송한다. 구조 안전성의 변화가 사전결정된 값을 초과하는 경우, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 운전 정지 시스템(84) 신호를 보내 발전기(2)의 작동을 중단시킨다. 알람 또는 운전 정지를 초기화시키는 사전결정된 값은 모니터링된 특정 구조체, 작동 조건, 경험, 일반적인 변화, 측정된 진동 신호의 노이즈에 근거한다.
이제 다른 예시적인 실시예에 따른 스테이터(6)의 구조 안전성을 판정하기 위해 구조 안전성 모니터링 시스템(60)에 의해 이용되는 방법(300)을 기술하는 도 4를 참조한다. 상술된 방식과 유사한 방식으로, 초기에, 베이스라인 모드 형상 데이터(64)는 블록(304)으로 도시된 바와 같이 스테이터(6)에 대해 판정된다. 보다 상세하게는, 모드 해석 시험이 스테이터(6) 상에서 실행된다. 그러나, 상기 실행된 모드 해석 시험과는 다르게, 예시적인 실시예에 따른 모드 해석 시험이 발전기(2)의 작동의 진동을 이용한다. 보다 상세하게는 외측 가진력 대신에, 발전기(2)가 시동되고, 블록(306)으로 도시된 바와 같은 하중력과 블록(308)으로 도시된 바와 같은 다른 외부 영향이 블록(310)으로 도시된 바와 같은 진동 모니터링 장치(20 내지 25)에 의해 검출된다. 진동 모니터링 장치는 블록(320)으로 도시된 바와 같이 시간 영역에서 측정된 진동 응답 신호를 출력한다. 상기 신호는 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용하여 주파수 영역으로 변환된다. 표준 출력 단일 모드 해석법을 이용하면, 측정된 진동 레벨로부터 고유 주파수 및 모드 해석이 얻어진다. 고유 주파수 및 모드 해석은 구조 안전성 모니터링 시스템(60)에 대한 모드 형상 데이터(64)로서 입력된다.
일단 베이스라인 데이터가 블록(304)에서 얻어지면, 발전기(2)가 서비스 상태가 되고, 블록(310)으로 도시된 바와 같이 진동 모니터링 장치(20 내지 25)를 통해 진동 신호가 실시간으로 캡쳐된다. 상술된 방식과 유사한 방식으로, 검지된 진동은 블록(306)으로 도시된 바와 같은 하중 조건과, 블록(308)으로 도시된 바와 같은 다른 외부 영향에 근거한다. 진동 신호는 블록(320)으로 도시된 바와 같이 측정되며, 블록(330)으로 도시된 바와 같이 예측 과정이 하나씩 진동 신호 상에 실행된다. 또한, 상술된 방식과 유사한 방식으로, 하나씩 예측하는 과정은 식 1에 개략적으로 기술된 행렬에서 [u]행과 [v]열을 하나씩 소거함으로써 복수의 진동 모니터링 장치(20 내지 25) 각각에 대한 예측되는 진동 레벨을 계산한다. 새로운 세트의 계수[C]는 행렬 내의 나머지 요소에 근거하여 계산된다. 새로운 계수[C]는 행렬[u] 내의 각각의 모드로부터 제공되는 예측 과정이다. 새로운 세트의 계수는 특정 진동 모니터링 장치(20 내지 25), 즉 제거된 특정 요소[v]에 대한 진동 레벨을 예측하는데 사용된다. 그 후에, 예측된 값은 대응하는 측정된 블록(220)의 진동 레벨과 비교되어, 비교 인자를 결정한다.
비교 인자는 평가를 위한 디스플레이(78)에 대한 도식적인 출력이다. 예측된 값이 대응하는 측정된 진동 레벨 데이터 포인트와 일치하지 않음을 비교 인자가 나타내는 경우, 측정된 모드 형상은 스테이터(6)가 구조 안전성의 변화를 받는 것을 나타내는 실제적인 진동 응답을 더 이상 나타내지 않는다. 구조 안전성의 변화를 검출하면, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 알람(81)에 신호를 전송한다. 구조 안전성의 변화가 사전결정된 값을 초과하는 경우, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)은 운전 정지 시스템(84) 신호를 보내 발전기(2)의 작동을 중단시킨다.
이러한 점에서, 정상 상태의 동적 힘 또는 과도한 동적 힘을 겪는 구조체의 실시간 구조 안전성 모니터링을 제공하는 시스템 및 방법을 예시적인 실시예가 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 구조체 모델과 같은 모드 형상 데이터를 사용함으로써, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)이 작동 비용 및 유지 보수 비용을 절감하는 작동시 구조체의 구조 안전성의 변화를 모니터링할 수 있도록, 변화하는 하중 조건 등으로 인한 외측 진동이 걸러진다. 또한, 발전기 구성요소의 구조 안정성의 시험과 관련하여 도시되고 기술되었지만, 구조 안전성 모니터링 시스템(60)이 구조체의 넓은 범위와 관련하여 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 단지 제한된 수의 실시예와 관련하여 상세하게 기술되었지만, 본 발명은 이러한 개시된 실시예에 한정되지 않는다는 것이 용이하게 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 이전에 기재되지 않은 임의의 수의 변형, 변경, 대체 또는 동등한 배열을 포함하지만 본 발명의 정신 및 범위과 상응하도록 수정될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 다수의 실시예가 기재되었지만, 본 발명의 실시형태는 단지 몇몇의 기술된 실시예를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 따라서, 본 발명은 상술한 상세한 설명에 의해 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위의 범위에 의해서만 한정된다.
2 : 발전기 4 : 하우징
6 : 스테이터 8 : 단부 권선
20 내지 25 : 진동 모니터링 장치
30, 34, 38, 42, 46, 50 : 반경방향 진동 센서
31, 35, 39, 43, 47, 51 : 축방향 진동 센서
60 : 구조 안전성 모니터링 시스템 61 : 제어기
64 : 모드 형상 데이터 66 : 실시간 진동 모니터링 데이터
78 : 디스플레이

Claims (8)

  1. 구조 안전성 모니터링 시스템(structural integrity monitoring system)(60)에 있어서,
    구조체(2)와,
    상기 구조체(2)에 장착되고, 각각 진동 응답 신호를 출력하는 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)와,
    상기 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25) 각각에 작동식으로 연결되고, 진동 모드 형상 및 상기 진동 응답 신호에 근거하여 예측되는 진동 응답을 계산하도록 구성되며, 상기 예측된 진동 응답을 측정된 진동 응답과 비교하여 상기 구조체(2) 내의 변화를 검출하는 제어기(61)를 포함하는
    구조 안전성 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)는 적어도 하나의 변위 센서를 포함하는
    구조 안전성 모니터링 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 진동 모니터링 장치는 적어도 하나의 가속도계(30)를 포함하는
    구조 안전성 모니터링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)는 적어도 하나의 스트레인 게이지(30)를 포함하는
    구조 안전성 모니터링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)는 적어도 하나의 속도 센서(30)를 포함하는
    구조 안전성 모니터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    복수의 진동 모니터링 장치(20 내지 25)는 변위 근접 프로브(displacement proximity probe), 가속도계 및 스트레인 게이지(30, 31) 중 적어도 2개를 포함하는
    구조 안전성 모니터링 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기(61)에 작동식으로 링크되고, 상기 구조체(2)의 구조 안전성의 표시를 도식적 형태로 제공하는 디스플레이(78)를 더 포함하는
    구조 안전성 모니터링 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조체는 발전기(2)인
    구조 안전성 모니터링 시스템.
KR1020100037382A 2009-04-24 2010-04-22 구조적 완전성 감시 시스템 KR101674686B1 (ko)

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