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전기협회ㆍ한전KPS 공동, ‘KEPIC 유지정비 세미나Ⅱ’[다음은 이번 ‘KEPIC 유지정비 세미나’에서 소개된 주제발표 내용을 요약했다.]

◆딥러닝 기반 발전소 터빈설비 진단기술=송주환 원프레딕트 선임연구원
최근 다양한 영역에서 보여준 딥러닝의 가능성에 의해 기계 영역으로의 딥러닝 도입이 고무적으로 검토되고 있다. 이번 발표에서는 원프레딕트가 산업 현장에 적용한 딥러닝 기술 적용 사례를 소개한다. 원프레딕트는 고장 예지 진단 기술인 PHM 솔루션을 제공하는 업체로서, 산업 설비에서 발생하는 신호를 바탕으로 설비의 상태를 진단하고 잔여 수명을 예측하는 소프트웨어인 가디원을 제공하고 있다.
이전까지 PHM 기술은 설비의 물리적 현상에 대한 전문가의 깊은 이해도를 바탕으로 각 설비마다 최적화 과정이 필요했다. 그러나 이번 원프레딕트가 적용한 딥러닝 기반 발전소 터빈설비 진단기술은 실험 설비에서 학습한 진단 모델을 실제 산업 설비에도 그대로 적용 가능하며, 유의미한 예측결과를 보여주었다.
산업 설비에서 발생하는 데이터에 딥러닝을 적용하기 위해서는 설비와 신호의 특성, 그리고 딥러닝 알고리즘의 구조를 고려한 전처리 과정이 필요하며, 터빈설비 진단기술에서는 ODR를 기반으로 한 진동 신호 이미지화 기술이 사용되었다.
터빈 의외에 다른 설비의 고장 예지 진단에 딥러닝이 적용될 경우 일어날 결과는 희망적이나, 산업 현장에서 딥러닝이 적용되기 위해서는 데이터 수집과 연산을 위한 준비가 필요한 상황이다.

◆증기터빈 Retrofit 유로설계기술 적용사레=오승태 한전KPS 선임전문연구원
화력 발전설비의 핵심 구성품 중 하나인 증기터빈의 설계 기술은 주요 설계 제작사들만이 보유 중인 설계 노하우로 오랜 경험을 통해 축적된 핵심기술이다. 설계 및 제작 과정에서 누적된 핵심기술은 제작사의 핵심기술로 간주되어 주요 기술에 대한 접근과 이해가 쉽지 않은 실정이다. 증기 터빈의 설계 기술 중에서도 가장 핵심은 증기 유로 설계기술로서 발전설비 열기관의 열유체기술을 대표하는 기술이다. 본 발표내용은 노후화 되고 있는 증기터빈 성능 개선 발전시장의 신규 사업 진출 및 당사가 보유 중인 증기유로에 대한 기본설계 결과를 소개하고 그 접근 방법을 고찰함으로써 증기터빈 유로 설계 역량을 증진시키고 기술자립을 위한 토대를 마련하고자 하였다. 따라서 본 발표의 목적은 노후화된 증기터빈 성능 개선을 위한 설계 방법과 사례를 소개하고 해당 노후설비에 대한 개선방안을 공유하여 설비개선에 대한 소요를 강구하고자 한다. 노후설비에 대한 수명연장과 효과적인 운영 측면에서 보다 경제적인 투자로 발전소를 운영하고자 하는 발전설비 담당자들에게 증기터빈 성능 개선 사례를 소개하고 그 활용성을 제안하고자 한다. 노즐과 버켓으로 구성되어 있는 증기통로를 해석하는데 요구되는 오일러 방정식과 증기터빈 설계에 사용되는 무차원 수를 활용한 프로그램을 활용하여 성능 개선효과를 제안하고자 한다.

◆HRSG LP EVA FAC 손상진단 및 설비개선=원종필 한전KPS 책임전문연구원
HRSG(배열회수보일러, Heat Recovery Steam Generator)는 가스터빈 등 내연기관에서 어느 정도의 열에너지를 보유한 상태로 배기되는 폐가스의 열을 회수하여 계통에서 필요한 증기를 생산하는 폐열회수용 보일러설비이다.
HRSG 본체는 과열기, 증발기, 절탄기, 증기드럼 및 탈기기 등으로 구성되며, 고온상태에서 부품의 내부유체 유동특성과 부식환경으로 인해 유동가속부식(FAC, Flow Accelerated Corrosion) 손상이 발생되고 있다.(HRSG 전체 고장원인의 약 35%) 
이번 사례는 전력과 열원을 동시에 생산하는 열병합 발전설비의 HRSG LP Evaporator FAC 손상을 조기에 진단하고 설비개선을 수행한 몇가지 특징적 사례가 있어서 소개하고자 한다.
첫째 전문가에 의한 주기적인 HRSG 점검을 통해 FAC 진행을 조기에 예측했으며, 둘째 FAC 손상범위 및 경향파악을 위한 정확한 진단과 검사를 수행하여 최적의 정비범위와 시기을 결정했다. 셋째, 콤팩트한 모듈방식(제작사가 HRSG를 조립된 상태로 현장에 설치 및시공방법)으로 설치된 협소한 정비공간 확보를 위해 새로운 기법을 고안했다. 마지막으로 정확한 시공관리와 품질관리를 통해 계획공정 대비 약 12일의 공기를 단축하여 고객의 이윤창출에 크게 기여했다.

◆딥러닝 기법을 활용한 발전설비 고온부품 열화평가 기법=최우성 한전 전력연구원 선임연구원
화력발전전소 보일러 튜브 및 배관은 높은 온도, 압력의 혹독한 조건에서 장시간 운전되기 때문에 재료의 미세 조직이 변하고 강도가 저하되는 열화, 주로 크리프 손상을 받는다. 열화 손상에 따른 고온 부품 수명 소비로 인한 불시 고장을 방지하고 안정적인 설비 운영을 위해 고온 부품의 상태를 정확하게 평가하고 관리하는 것이 필요하다. 현재는 주기적인 정비 기간 동안 발전소 현장에서 재질의 손상부위를 필름으로 표면복제하고 실험실에 갖고 와서 현미경을 사용해 관찰하고 등급 기준을 참조해 전문가가 직접 육안으로 평가하는 표면조직복제방법이 가장 많이 사용된다. 그러나 표면조직 복제법은 측정 환경 및 평가자의 주관에 따른 불확실도가 높기 때문에 평가기준에 활용되는 등급간 명확한 구별이 불가하다. 따라서 보다 정량적이며 정확한 객관적인 열화 평가방법이 필요하다.
 본 발표에서는 이미지 분류에 특화된 심층학습 알고리즘인 합성곱 신경망을 이용해 발전설비 고온 부품의 열화등급을 평가하는 방법을 제안한다. 또한 미세 조직 이미지에 적합한 히스토그램 균일화(CLAHE)를 이용함으로써 측정 및 분석 환경의 변화로 인해 발생하는 불확실성을 보완하는 방법을 제안한다. 딥러닝 기반 열화평가 모델은 새롭게 취득한 데이터의 열화 등급을 판정하는 것으로 그 유효성을 검증했다.

◆배관지지 장치 관리지침 개발현황=현중섭 한전 전력연구원 책임연구원
발전, 열병합, 원자력 등 국내 대형 전력산업 설비들은 전기를 생산하기 위해 다양한 크기와 형상의 배관들이 설치되어 있다. 이러한 배관에는 다수의 배관지지 장치가 설치되어 있는데, 배관의 자중과 운전 중 열팽창 하중을 지지하여 설계에 반영된 배관 허용응력 내에서 정상적으로 배관이 운전되도록 설계되어 있으나, 배관지지 장치의 진단, 정비 등 관리 부족으로 인해 많은 고장이 발생되고 있다.
따라서 배관지지 장치의 종류와 기능, 설계, 진단, 정비 및 관리 등 전반적인 사항에 대해 표준화와 유지관리 전파를 위하여 2018년 “MMH 배관 및 지지 장치 유지관리” 개발을 하고 있으며, 본 세미나를 통해 그간의 개발현황을 소개하고자 한다.
이번 발표는 부록 포함 총 6개의 파트로 구성된다. 먼저, 배관지지 장치 종류와 기능은 다양한 종류의 배관지지 장치에 대해 쉽게 이해할 수 있도록 기능을 설명하고 있으며, 배관 및 지지 장치 설계는 기본이론과 프로그램을 활용한 변위 및 응력해석을 수록하고 있고, 배관지지 장치 진단, 관리 및 정비에서는 각 배관지지 장치 별로 진단을 하는 방법, 표준점검 시트, 문제점에 대한 해결방안, 배관지지 장치의 정비방법 등을 수록하여 발전소 운전원이 진단에서부터 정비까지 관리하는 전반적인 내용을 설명하고 있다.
발전소 배관은 초기 건설시 설계와 다른 배관지지 장치들이 시공되거나 설계오류로 인해 운전 초기에 배관 균열, 지지 장치 탈락 등 다양한 손상이 발생되고 있으며, 또한 장기 운전되는 발전소가 증가되어(국내 화력발전소의 경우, 70%이상이 20년 이상 운전) 배관지지 장치들이 노후화 되어 배관을 지지하는 하중 저하 발생 등 문제점이 급증하고 있는 실정이다. 그 원인은 대부분 배관의 중요성과 다양한 종류의 배관지지 장치에 대한 이해 부족이 크며, 이로 인해 설비 운영 시 정기적인 진단과 조정이 이루어지지 않고 있기 때문이다. 따라서 이러한 발전소 배관지지 장치 관리지침이 발전소 현장 설비담당자들이 손쉽고 다양하게 활용할 수 있도록 2018년 발간을 목표로 “배관지지 장치 관리지침(KEPIC MMH)”을 개발하고 있다.

◆발전기 Retrofit 기술 및 수명연장사례=황두현 한전KPS 책임전문원
1980년대 경제성장과 더불어 전력수요 급증으로 많은 발전소가 건설되었으며, 현 시점으로 20년 넘게 운전되어 성능이 저하되고 주요 부품의 절연재 경년열화로 인한 고정자와 회전자 사고가 빈번하게 발생하고 있다. 한전KPS는 전력의 안정적 공급을 위한 플랜트 정비서비스를 제공하는 기업으로서, 성능저하 된 발전기를 수명연장, 출력증대, 효율향상 시키는 성능개선(Retrofit) 기술을 자립하여 수행하고 있다.
발전기의 성능개선은 고정자와 회전자로 구분하여 수행한다. 일반적으로 고정자는 철심의 상태는 양호하나 권선의 절연열화로 설계수명까지 사용하지 못하는 사례가 많은데, 이와 같은 경우 권선만 교체하고 철심을 재사용하므로 발전기 전체를 교체하는 것보다 훨씬 비용이 적게 들어 경제적이다. 회전자의 경우 권선의 절연재가 열화 돼 접지나 층간단락 사고가 많이 발생한다. 이와 같은 경우 권선은 재사용하고 절연재만 교체하여 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 회전자 권선이 부분적으로 변형 또는 과열된 경우에는 손상부분만 정비하여 재사용 하며, 경우에 따라 심하게 변형된 권선은 교체를 수행한다. 이 경우 회전자 축(shaft)과 권선을 재사용할 수 있으므로 회전자 전체를 교체하는 것보다 경제적이다.
한전KPS는 정밀진단장비와 전문화된 기술인력을 확보하여 다양한 제작사와 모델에 대한 성능개선 경험이 풍부하며, 핵심부품의 역설계를 통하여 OEM(Original Equipment Manufacturer)에 상관없이 언제든지 신속한 대응이 가능하다. 상태진단, 설계, 부품별 제작사와 MOU를 통한 제작, 시공 및 최종시험까지 발전기 성능개선 전 과정을 체계적으로 수행 가능한 One Stop Retrofit System을 갖추고 있으며, 지속적으로 기술을 향상시켜 안정적인 전력공급에 기여하고자 한다.

한국원자력신문  knp@knpnews.con

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