KR20230058405A - 작동 중인 디젤 발전기 기술적 조건 모니터링 기법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기술적 진단법에 관한 것이다. 기법은 디젤 발전기의 모니터링 지점들에 설치된 진동 센서를 사용하여 3개의 상호 직교 평면에서 진동 가속도 값을 측정하는데 있다. 정상동작이 확인되었으며 양호한 디젤 발전기의 모니터링 지점들에서 진동 가속도를 측정한 다음 디젤 발전기가 작동 중일 때 디젤 발전기의 동일한 모니터링 지점들에서 규정된 주기로 진동 가속도를 측정하는 것이다. 상기 모니터링 지점들에서 온도와 초음파 신호 강도도 추가로 측정하고 초음파 신호 강도, 온도와 진동 가속도의 제곱 평균값을 구하는 것이다. 측정된 진동 가속도 값을 기반으로 진동 속도 및 진동 변위의 제곱 평균값을 계산하고 이전 측정 클러스터들 간의 거리를 결정하여 디젤 발전기의 작동 상태에 대한 결론을 도출한다. 기술적 결과는 측정을 주기적으로 수행하고 얻어진 산정 결과를 서로 대비하여 디젤 발전기의 작동상 이상을 적시에 발견할 수 있게 됨으로써 플랜트의 기술적 장비의 안전을 확보하는데 있다.

Description

작동 중인 디젤 발전기 기술적 조건 모니터링 기법

본 발명은 기술적 진단법, 특히 디젤 발전기를 포함하는 왕복동식 장비를 비롯한 대상물의 기술적 조건을 진단하는 기법에 관한 것으로서 전동장비, 디젤 발전기, 핵연료 교환기, 원자력 발전 시설의 제어 및 보호 시스템의 구동장치 등에 대한 제어, 파라미터에 대한 진단과 검사, 검사결과의 처리와 제출, 디젤 발전 장비의 수리에 관한 권장사항과 지침의 발행 등을 위해 사용될 수 있다.

공정 제어 장치의 상태를 판정하기 위해 진동에 대한 데이터를 사용하기 위한 기법과 장치(러시아연방 발명 특허 2640387호)는 공지되어 있다. 이 기법에서는 보정 때에 공정 제어 장치의 상태를 판정하기 위해 진동에 대한 데이터가 사용되는데 진동에 대한 초기 데이터를 기반으로 제어 장치의 작동 임계값이 계산되고 제어 장치에 관한 작동 데이터가 수집되는 것이다. 작동에 대한 데이터는 제어장치와 관련된 내구성을 가리킨다. 그 다음에 작동 임계값은 작동에 대한 상기 데이터에 기초하여 업데이트된다. 업데이트된 작동 임계값은 제어 장치와 관련된 잔여 내구성의 감소를 나타낸다. 그 다음에는 진동 모니터링 회로가 보정된 후 제1센서로부터 진동에 대하여 2차적 데이터가 수집되고, 진동에 대한 2차적 데이터가 업데이트된 작동 임계값을 초과할 경우에 공정 제어 장치의 상태가 판정된다. 공지된 발명은 공지된 기법과 유사하며 기술된 기법들과 마찬가지로 센서부터 수신기로 데이터를 전송하는 일련의 동작과 기법을 기반으로 고전 기술에 소속하는 공정에 대한 아무 제어문제나 다 해결한 것이다.

공지된 기법은 작동 중인 디젤 발전기의 부품들에 대하여 진동에 기초한 측정과 분석을 수행함으로써 유지보수를 수행할 필요성을 평가할 수 있게 해 주는 것이 아니다.

터보 과급기 하우징, 엔진의 크랭크축, 엔진의 가스 배기 및 흡기 시스템의 요소들, 엔진 받침대, 발전기 베어링 하우징, 발전기 받침대, 디젤 발전기의 지지대와 기초 등 지점에 설치된 센서들부터 전송되는 진동 가속도, 진동 속도와 진동 변위의 값, 수직 방향, 축 방향과 횡단 방향에 따른 진동신호를 측정해서 처리한 다음에 측정된 신호를 진동 가속도, 진동 속도와 진동 변위의 협대역 스펙트럼으로 변환시켜 진동 파라미터가 작업수준의 한계치를 초과하는 부위를 검출하는 것을 포함하는 것으로서 작동 중인 선박용 디젤 발전기의 기술 조건을 모니터링하는 기법(러시아연방 발명특허 2682839호)은 출원된 기술적 솔루션에 가장 근사한 유사물이 된다.

검수대상인 파라미터가 변경되는 경향을 결정함으로써 디젤 발전기의 조건을 평가할 가능성이 없는 점은 가장 근사한 유사물의 단점이 된다.

출원된 발명이 달성한 목적은 디젤 발전기를 수리하지 않고 계속 사용할 가능성을 분석하기 위해 디젤 발전기의 기술적 조건을 밝혀내는 것뿐만 아니라 해당한 유형의 장비에 대해 이전에 기록된 데이터를 고려하여 본질이 서로 다른 진단적 데이터에 대한 공통 분석으로 디젤 발전 장비의 오작동이 발생하는 조기에 검출하는 효율성을 높이는 것에 있다.

본 발명에 의하여 달성되는 기술적 결과는 측정을 주기적으로 수행하고 얻어진 계산 결과를 서로 비교하여 디젤 발전기의 작동상 이상을 적시에 검출할 수 있게 됨으로써 플랜트의 기술적 장비의 산업적 안전을 확보하는데 있다.

본 발명의 본질은 모니터링 지점들에 설치된 진동 센서를 사용하여 3개의 상호 직교 평면에서 진동 가속도 값을 측정하는데 있는 작동 중인 디젤 발전기의 기술적 조건을 모니터링하는 기법의 범위 안에서 정상동작이 확인되었으며 양호한 디젤 발전기의 모니터링 지점들에서 진동 가속도 값에 대한 1차적 측정을 먼저 수행한 다음에 디젤 발전기가 작동 중일 때 디젤 발전기의 동일한 모니터링 지점들에서 규정된 주기로 진동 가속도 값에 대한 후속 측정을 수행하는 동시에 상기 모니터링 지점들에서 온도와 초음파 신호 강도의 값도 추가로 측정하고 초음파 신호 강도, 온도와 진동 가속도의 제곱 평균값을 구하고 또한 측정된 진동 가속도 값을 기반으로 진동 속도와 진동 변위의 제곱 평균값을 계산하고 얻어진 값들을 행렬 형태로 표현한 다음에 얻어진 제곱 평균값들을 정규화하고 공분산 행렬들에 대해 계산과 특이치 분해를 수행하여 고유 벡터들과 고유치들을 구한 다음에 얻어진 데이터를 주성분 공간의 각 지점에서 측정값에 해당하는 클러스터를 형성하게끔 주성분에 투영한 다음에 이전 측정 클러스터들 간의 거리 범위로서 형성된 표준 간격을 결정해서 현재 측정 클러스터들 중 50% 이상이 표준 간격에 속할 경우에 디젤 발전기가 완전히 양호하다는 결론을 내리며 50%미만의 현재 측정 클러스터들이 표준 간격에 속할 경우에 디젤 발전기의 작동에서 이상이 있다는 결론을 내리며 클러스터들 중 50% 이상이 표준 간격의 경계선 이하에 속할 경우에 디젤 발전기의 오작동에 대한 결론을 내리는데 있다.

또한 디젤 발전기에 진동 센서들을 설치하기 위한 모니터링 지점들을 디젤의 지지대와 고정점, 디젤 하우징 그리고 디젤, 터보 과급기, 물 펌프, 기름 펌프 등의 지지대에 가까운 곳 그리고 발전기의 지지대, 지지대 프레임과 베어링 어셈블리에서 선정할 것이 제안된다.

초음파 신호 강도의 값을 측정하기 위한 추가적 모니터링 지점들을 주로 실린더와 실린더의 고압 연료 펌프, 메인 베어링 앵커타이, 캠축 플레인 베어링, 발전기, 물 펌프, 기름 펌프 등에서 선정할 것이 제안된다.

온도 값을 측정하기 위한 추가적 모니터링 지점들을 발전기 베어링, 실린더 배기관, 고압 연료 펌프, 보임창, 디젤 냉각수 펌프, 충전 공기 냉각수 펌프, 오일 펌프와 발전기 등의 하우징에서 선정할 것이 제안된다.

또한 열화상 카메라를 사용하여 온도를 측정하고 진동 가속도, 온도와 초음파 신호 강도의 값을 3개월에 한 번씩 측정할 것이 제안된다.

제시되는 기법은 다음과 같은 방식으로 실천된다.

우선 진동 센서를 사용하여 정상동작이 확인되었으며 양호한 디젤 발전기의 3개의 상호 직교 평면에서 진동 가속도 값에 대하여 1차적 측정을 수행하고 또한 온도와 초음파 신호 강도의 값을 측정한다.

이 측정의 결과가 기록되어야 하는 것은 차후에 얻어질 측정 결과와 비교될 것이기 때문이다.

디젤 발전기에는 예를 들어서 디젤의 지지대와 고정점, 디젤 하우징 그리고 디젤, 터보 과급기, 물 펌프, 기름 펌프 등의 지지대에 가까운 곳 그리고 발전기의 지지대, 지지대 프레임과 베어링 어셈블리 등 디젤 발전기에 위치한 모니터링 지점들에 진동 센서들을 설치한다. 무선 3차원 센서로서는 예를 들어서 ≪VS-3D≫형의 센서가 사용될 수 있다. 센서를 설치할 때에 신호의 유무를 확인해야 하고 적어도 1초 동안 기록을 수행해야 한다.

제안된 기법은 또한 베어링 위치에 가까운 하우징 부위에서 터보 과급기, 물 펌프, 기름 펌프 등 부착되는 장비에 대한 모니터링을 규정한다.

디젤의 직렬 제조방식은 실린더가 1렬(15D-100호, AS-803호와 AS-808호 등) 또는 2렬(ASD-5600호, DG-4000호 등)로 배치딘 것을 의미한다. 상부 및 하부 크랭크축의 베어링은 메인 베어링이 좌우측에 위치한 영역의 엔진 하우징에서 검사할 수 있다. 진단 시 고압 연료펌프, 인젝터, 실린더 등을 직접 투시창을 통해 검사할 수 있다.

디젤 발전 장비의 일부인 발전기는 움직이지 않는 고정자와 플레인 베어링에서 회전하는 회전자로 구성된 동기기이다. 모든 동기기의 것과 마찬가지로 회전자는 정류자와 브러쉬 부품을 통해 직류전원부터 전력이 공급되는 전자석이다. 전기 기계의 양호함은 주로 고정자 권선과 베어링의 상태에 따라 결정된다. 동기기를 운영할 때 정류자와 브러쉬 부품을 통한 회전자의 전력공급에 문제가 있는 경우가 많아서 이를 또한 모니터링할 필요가 있다.

진동 모니터링은 장비의 운영 가능성 관점에서 장비에 대한 전반적인 점검을 위한 것이다. 모니터링 지점들에서 진동수준에 대해 수행되는 진동 모니터링은 그 파라미터를 특정한 구조의 기계에 적용하여 규정된 기준치와 차후에 비교하는 것과 더불어 장비의 후속 운영 가능성에 대한 결론을 내릴 수 있게 해 준다. 진동 신호는 모니터링되고 있는 장비의 로컬 진동 프로세스뿐만 아니라 장비의 모든 프로세스에도 민감하여 종합적 지표가 된다.

디젤 엔진에 대한 온도 모니터링을 수행하는 것은 디젤 엔진의 필요한 작업 프로세스를 확보하지 못하는 연료 주입 시스템 구성 부분들의 결함들을 적시에 검출할 수 있게 해 준다. 모니터링은 디젤 엔진의 필요한 동력, 경제 및 환경 관련 성능을 신속하게 복원할 수 있게 해 준다. 또한 연료 주입 시스템 구성 부분들에 대한 운영 모니터링은 수리의 품질을 평가할 수 있게 해 주며 필요한 경우에 디젤 엔진의 기술적 상태를 개선하기 위하여 적절한 조지를 취할 수 있게 해 주는 것이다. 실린더 배기관의 온도 또는 배기 가스의 온도, 작동 매체의 온도 등의 모니터링, 각 실린더 내 최대 연소 압력 등은 실린더들의 작업상 균일성과 디젤 엔진 전체의 효율을 나타낸다. 디젤 엔진의 프레임과 그 주요 장치들의 온도 상태 모니터링은 분명히 디젤 엔진에서 결합되는 어셈블리 장치들과 부품들에서 과잉 저항력(마찰력)의 여파가 되는 것으로서 온도 프로파일의 뚜렷한 변화가 있는 부위를 검출할 수 있게 해 준다.

온도는 열화상 카메라(예: Testo 890-2)를 사용하여 발전기 베어링, 실린더 배기관, 고압 연료 펌프, 보임창, 디젤 냉각수 펌프 하우징, 충전 공기 냉각수 펌프 하우징, 기름 펌프, 발전기 등이 설치된 영역을 겨눈 다음에 자동으로 또는 수동으로 초점을 맞추고 열화상 이미지를 장치 메모리에 저장하는 방법으로 측정되는 것이다. V자형 및 직렬 디젤 엔진의 크랭크축 베어링의 열화상 모니터링은 크랭크축 베어링을 윤활하기 위해 공급되는 오일이 감돌아 흐르는 보임창들의 온도에 따라 감시하는 것이 충분하다.

초음파 신호 강도의 모니터링은 실린더, 실린더의 고압 연료 펌프, 메인 베어링 앵커타이, 캠축 플레인 베어링, 발전기, 물 펌프, 기름 펌프 등에서 측정을 수행함으로써 실시된다. 기록은 모니터링 지점들에 초음파 장치 SDT-270호의 감지 툴을 설치함으로써 수행된다.

실린더가 V 자형으로 배열된 디젤 엔진들(12ZV40/48+S2445-12호, ZVEZDA-6000BC-MTU호 등 유형의 디젤 엔진 장치)에서는 크랭크 메커니즘에서 발생하는 모든 진동이 엔진 하우징으로 감지된다. 크랭크축은 스터드로 엔진 하우징에 부착된 메인 베어링의 캡에 배치되어 있으며 엔진 하우징 하부의 강도를 높이기 위해 각 메인 베어링의 평면에 횡단 앵커타이가 위치한다. 엔진 하우징의 좌측과 우측에는 가스 분배 메커니즘의 캠축이 있다. 크랭크축 베어링에 대한 초음파 모니터링은 한 측에서 수행될 수 있으며, 이는 크랭크축 프레임 베어링의 하중을 감지하는 앵커타이를 통해 수행하는 것이 편리한다. 좌측과 우측에 있는 캠축 베어링의 초음파 파라미터는 엔진 하우징(골격)에서만 모니터링할 수 있다. V자형 디젤 엔진의 구조는 좌측과 우측에 위치한 각 고압 연료 펌프와 실린더 부싱에 대한 초음파 모니터링을 할 수 있게 한다.

1차적 측정을 수행한 다음에는 작동 중인 디젤 발전기의 동일한 모니터링 지점들에서 진동 가속도, 온도와 초음파 신호 강도의 값에 대하여 운영하는 조직의 내규에 의하여 규정된 주기(예: 3개월에 1번씩)로 후속 측정을 수행한다.

각 모니터링 부위에서의 진동 기록 시간은 디젤 샤프트의 정격 회전수에 의해 결정된다. 구조적 요소들에 대한 신빙성 있는 모니터링을 확보하기 위해서는 기록하는 시간 동안 회전수가 10회를 초과해야 한다. 권장되는 기록시간은 1초이다.

모니터링은 장비가 정격 전력으로 작동하는 동안 수행된다. 대표적인 장비군에 해당하는 2~3종의 기술적 조건 관련 파라미터를 동시에 기록하는 것은 n차원 영역에서 데이터를 표현하며 데이터 클러스터 중심 및 중심간 거리를 계산함으로써 종합적인 평가를 내릴 수 있게 해 주는 것이다. 서로 다른 시간에 기록된 데이터 샘플 사이의 거리 값은 장비 상태 변화에 대해 종합적인 지표가 된다.

상기 측정을 수행한 다음에는 초음파 신호 강도, 온도와 진동 가속도의 평균 제곱 값을 계산한다. 그 다음에는 진동 가속도를 측정한 값을 기반으로 진동 속도와 진동 변위의 평균 제곱 값을 계산한다.

얻어진 값을 하기의 예와 같은 행렬로 표현한다:

여기서

은 장비의 3개 상호 직교 평면에 위치하며 동일한 지점들에서 여러 번 기록된 진동 속도의 평균 제곱 값과 최고치인데 Ｋ는 측정 회수이며 L은 지점들의 개수이다.

온도와 초음파 신호 강도의 값도 동일한 행렬의 형태로 표현된다.

그 다음에는 각 열에서 기대값이 0에 해당하며 분산이 1에 해당하게끔 파라미터가 정규화되며 공분산 행렬을 계산한다.

공분산 행렬을 특이치 부해법으로 분해하여 고유 벡터와 고유 값을 구한다.

여기서 U_n은 고유벡터(최대 분산 방향)이며 λ_n 은 고유값(해당한 벡터 방향으로 파라미터의 분산 비율)이다.

그 다음에는 주성분 공간의 각 지점에서 측정값에 해당하는 클러스터를 형성하게끔 얻어진 데이터를 주성분에 투영한다. 그 다음에는 이전 측정 클러스터들 간의 거리 범위로서 형성된 표준 간격을 결정해서 현재 측정 클러스터들 중 50% 이상이 표준 간격에 속할 경우에 디젤 발전기가 완전히 양호하다는 결론을 내리며 50%미만의 현재 측정 클러스터들이 표준 간격에 속할 경우에 디젤 발전기의 작동에서 이상이 있다는 결론을 내리며 클러스터들 중 50% 이상이 표준 간격의 경계선 이하에 속할 경우에 디젤 발전기의 오작동에 대한 결론을 내린다.

기술된 기법은 신 보로네즈, 스몰렌스크, 로스토프 등 원자력 발전소들에서 운영되고 있는 15D-100호, 12ZV40/48+S2445-12호, ZVEZDA-6000BC-MTU호 등 유형의 디젤 엔진 장치를 진단했을 때 활용된 바가 있으며 다른 원자력 발전소들에서 운영되고 있는 ASD5600호, DG-4000호, AS-803호, AS-808호 등 유형의 디젤 엔진 장치를 진단할 때에 활용될 수도 있다.

출원되는 기법을 활용하는 것은 디젤 발전기의 기술적 조건을 진단하고 이 작동에 있어서의 이상을 신속하게 적시에 검출할 수 있게 해 주는 것이다.

Claims (6)

1. 디젤 발전기의 모니터링 지점들에 설치된 진동 센서를 사용하여 3개의 상호 직교 평면에서 진동 가속도 값을 측정하는데 있으며 정상동작이 확인되었으며 양호한 디젤 발전기의 모니터링 지점들에서 진동 가속도의 값에 대한 1차적 측정을 먼저 수행한 다음에 디젤 발전기가 작동 중일 때 디젤 발전기의 모니터링 지점들에서 규정된 주기로 진동 가속도의 값에 대한 후속 측정을 수행하는 동시에 동일한 모니터링 지점들에서 온도와 초음파 신호 강도의 값도 추가로 측정하고 초음파 신호 강도, 온도와 진동 가속도의 제곱 평균값을 구하고 또한 측정된 진동 가속도 값을 기반으로 진동 속도와 진동 변위의 제곱 평균값을 계산하고 얻어진 값들을 행렬 형태로 표현한 다음에 얻어진 제곱 평균값들을 정규화하고 공분산 행렬들에 대해 계산과 특이치 분해를 수행하여 고유 벡터들과 고유치들을 구한 다음에 얻어진 데이터를 주성분에 투영하여 주성분 공간의 각 지점에서 측정값에 해당하는 클러스터를 형성한 다음에 이전 측정 클러스터들 간의 거리 범위로서 형성된 표준 간격을 결정해서 현재 측정 클러스터들 중 50% 이상이 표준 간격에 속할 경우에 디젤 발전기가 완전히 양호하다는 결론을 내리며 50%미만의 현재 측정 클러스터들이 표준 간격에 속할 경우에 디젤 발전기의 작동에서 이상이 있다는 결론을 내리며 클러스터들 중 50% 이상이 표준 간격의 경계선 이하에 속할 경우에 디젤 발전기의 오작동에 대한 결론을 내리는 것을 특징으로 하는 작동 중인 디젤 발전기의 기술적 조건을 모니터링하는 기법.
2. 제 1 항에 있어서, 디젤 발전기에 진동 센서들을 설치하기 위한 모니터링 지점들을 디젤 엔진의 지지대와 고정점, 디젤 엔진의 하우징 그리고 디젤 엔진, 터보 과급기, 물 펌프, 기름 펌프 등의 지지대에 가까운 곳 그리고 발전기의 지지대, 지지대 프레임과 베어링 어셈블리에서 선정하는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 기술적 조건을 모니터링하는 기법.
3. 제 1 항에 있어서, 초음파 신호 강도의 값을 측정하기 위한 추가적 모니터링 지점들을 주로 실린더, 실린더의 고압 연료 펌프, 메인 베어링 앵커타이, 캠축 플레인 베어링, 발전기, 물 펌프, 기름 펌프 등에서 선정하는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 기술적 조건을 모니터링하는 기법.
4. 제 1 항에 있어서, 온도의 값을 측정하기 위한 추가적 모니터링 지점들을 발전기 베어링, 실린더 배기관, 고압 연료 펌프, 보임창, 디젤 냉각수 펌프, 충전 공기 냉각수 펌프, 오일 펌프와 발전기 등의 하우징에서 선정하는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 기술적 조건을 모니터링하는 기법.
5. 제 1 항에 있어서, 온도를 열화상 카메라로 측정하는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 기술적 조건을 모니터링하는 기법.
6. 제 1 항에 있어서, 진동 가속도, 온도와 초음파 신호 강도의 값을 3개월에 1번씩 측정하는 것을 특징으로 하는 디젤 발전기의 기술적 조건을 모니터링하는 기법.