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문제 정의
- 운전 초기 단계에서 튜브의 주된 파손 원인은 주로 용접불량 등 제작과정에서 일어나는 실수로 알려져 있지만, 일부는 제작과정의 오류로 인한 파손이 아닌 시스템적 문제에 기인한 파손 가능성도 배제할 수 없다. 본 연구는 수직형 배열회수보일러를 대상으로 운전 초기 단계에서 과열기 튜브 파손의 원인이 될 수 있는 시스템적 문제인 부하변동에 따른 튜브관군의 응력거동에 대해서 살펴보았다.
제안 방법
- ASME나 EN코드 등에서 압력용기의 응력평가를 위해 사용하고 있는 “Design By Analysis"방법을 적용하기 위해 계산된 응력을 선형화하였다.
- 과열기의 재질은 9Cr-1Mo강이며, 유한요소해석을 위한 모델링은 그림 7과 같이 Inlet/Outlet헤더, 튜브들 그리고 배관을 포함 하는 모듈전체를 대상으로 하였다. Shell, beam, solid요소를 조합하였으며, Outlet 쪽은 solid 요소를, Inlet부근은 shell 요소를, 그리고 Outlet과 Inlet 부근에 포함되지 않는 튜브는 beam요소를 사용하였다.
- 다음으로 튜브응력에 지배적인 영향을 미치는 원인을 찾아내기 위해 부분부하 운전인 Load case 1을 기준으로 압력만을 하중으로 주었을 경우, 그리고 측정된 튜브 온도를 Row 별로 평균하여 같은 Row에서는 튜브들의 온도가 같고 Row 별로는 온도가 다를 경우에 대해서 각각 응력해석을 수행하고, 두 해석 결과와 측정된 튜브 실제 온도를 이용해 응력해석을 수행한 결과와 비교해 보았다. 그림 13은 Row1의 튜브 응력 값을 보여 주고 있으며, 그림 14는 Row2, 그림 15는 Row3에 속한 튜브들의 응력 값을 보여 주고 있다.
- 배열회수보일러의 부분부하 운전에 대한 튜브들의 응력거동을 살펴보기 위해 실제발전소 운전데이터 측정 및 이를 이용한 응력 해석을 수행하고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 논문에서 다루는 헤더와 튜브의 연결부위 형상의 경우는 압력에 의한 1차 응력(primary stress)과 튜브 온도차이로 인한 상이한 열팽창에 의한 2차 응력(secondary stress)이 발생하기 때문에 계산된 응력을 2배의 항복응력과 비교할 수 있다.3)4)
- 한편 경계조건은 Inlet헤더 및 Outlet헤더와 연결된 배관의 끝에 모든 변위를 구속 하였으며, beam요소로 모델링된 튜브와 만나는 solid 및 shell로 모델링된 튜브의 끝 부분에서 blowoff 응력을 적용하였다. 또한 튜브의 처짐을 방지하기 위해 튜브에 설치된 8개의 tube sheet를 고려하였다.
- 획득한 운전온도 및 압력을 바탕으로 Load case 1과 Load case 2에 대한 온도와 압력을 하중조건으로 가공하였다. 그림 5, 6의 온도 값을 하중 조건으로 사용하였으며, 이때 Load case 1 및 Load case 2의 운전압력은 표 2와 같다.
대상 데이터
- 그림 2는 과열기의 형상을 보여주고 있다. Inlet헤더와 Outlet헤더의 원주방향으로 Row1, Row2, Row3 등 3개의 튜브 열이 있으며, 각 Row에 대해 헤더 길이 방향으로 105개의 튜브가 장착되어 총 315개의 튜브로 과열기 전열관군이 구성되어 있다.
- 과열기의 재질은 9Cr-1Mo강이며, 유한요소해석을 위한 모델링은 그림 7과 같이 Inlet/Outlet헤더, 튜브들 그리고 배관을 포함 하는 모듈전체를 대상으로 하였다. Shell, beam, solid요소를 조합하였으며, Outlet 쪽은 solid 요소를, Inlet부근은 shell 요소를, 그리고 Outlet과 Inlet 부근에 포함되지 않는 튜브는 beam요소를 사용하였다.
- 그림 2에서 보는 바와 같이 과열기를 구성하고 있는 3개 Row에서 1개 Row 당 동일 간격으로 8개씩의 열전대를 Inlet 측과 Outlet 측 튜브에 각각 설치하여 총 48곳의 온도 데이터를 수집하였다. 온도 데이터 수집을 위해 Yokogawa MW100 장비를 사용하였으며, 총 15일 동안 측정이 이루어 졌다.
- 부하변동 운전에 따른 과열기 튜브들의 온도 거동을 살펴보기 위해 수직형 배열회수보일러가 설치되어 있는 400MW급 복합화력발전소에서 과열기 튜브들을 대상으로 온도를 측정하였다.
- 그림 2에서 보는 바와 같이 과열기를 구성하고 있는 3개 Row에서 1개 Row 당 동일 간격으로 8개씩의 열전대를 Inlet 측과 Outlet 측 튜브에 각각 설치하여 총 48곳의 온도 데이터를 수집하였다. 온도 데이터 수집을 위해 Yokogawa MW100 장비를 사용하였으며, 총 15일 동안 측정이 이루어 졌다. 측정 기간 동안 반복되는 부분부하(Load case 1, 210MW) 및 전부하 (Load case 2, 360MW) 운전의 튜브 온도 데이터가 확보 되었다.
- 온도 데이터 수집을 위해 Yokogawa MW100 장비를 사용하였으며, 총 15일 동안 측정이 이루어 졌다. 측정 기간 동안 반복되는 부분부하(Load case 1, 210MW) 및 전부하 (Load case 2, 360MW) 운전의 튜브 온도 데이터가 확보 되었다. 그림 3은 획득한 데이터의 일부로, 3개의 Row 중에서 배가스와 가장 먼저 만나는 Row1 튜브들의 온도분포를 보여주고 있다.
데이터처리
- 부하변동 운전에 따른 과열기 튜브들의 응력거동을 살펴보기 위해 열전대로부터 얻은 튜브의 온도측정데이터와 발전소 운전 시스템으로부터 획득한 압력 데이터를 이용해 Load case 1과 Load case 2에 대한 응력해석을 상용 소프트웨어인 ANSYS 11로 수행하였다.
성능/효과
- (1) 부분부하 운전 시는 전부하 운전 시와 달리 튜브들 간의 온도차가 크게 발생하여 전부하 운전 시 보다 전반적으로 튜브에 높은 열응력이 발생한다.
- (3) 부분부하 운전 시 같은 Row에서 튜브들의 온도 차이는 특정 튜브에 피로응력을 발생시키므로 유동조절장치 개선 등을 통해 튜브간의 온도 불균일을 제거해야 한다.
- 즉 응력집중을 고려해야 하므로 현재 구해진 응력에서 응력집중계수를 곱해야 한다.2) 그러므로 현재 계산된 응력 보다 큰 응력이 작용할 것으로 판단되며, 또한 응력 계산 부위가 용접부 근처이므로 열피로에 의한 파손의 가능성이 훨씬 높다고 할 수 있다.
- 부하에 따라 각 튜브의 온도거동이 같음을 볼 수 있다. 이로부터 각 부하별로 한 시점씩만 선택해도 각 부하에 대한 대표성을 가질 수 있다는 것을 알 수 있었다.
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