최근 들어 화력발전소는 잦은 기동과 부하 변동 하에서 안정적인 운전 및 관리에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 터빈, 보일러와 같이 고온 고압의 조건에서 운전되는 발전 설비의 경우 크리프 및 피로 손상의 영향으로 설비의 수명이 감소하게 된다. 보다 안전한 발전소 운영을 위해 설비의 정확한 수명평가가 중요하며 현재까지 다양한 방법이 개발되어 적용되고 있다. 그러나 현재까지는 표준화된 가이드라인이나 절차 없이 정성적/준정량적 분석에 의해 주요 설비의 수명을 평가하고 있다. 본 연구에서는 크리프 및 피로 손상기구에 근거하여 국내 화력발전 주요 설비의 수명 소비율을 평가하는 표준화된 기준을 개발하였고 실제 설비에 적용하여 평가 기준의 활용성을 검증하였다. 본 기준은 2010 전력기술기준에 수록될 예정으로 수명평가의 정확성 향상과 수명관리 표준화에 기여할 것이다.
최근 들어 화력발전소는 잦은 기동과 부하 변동 하에서 안정적인 운전 및 관리에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 터빈, 보일러와 같이 고온 고압의 조건에서 운전되는 발전 설비의 경우 크리프 및 피로 손상의 영향으로 설비의 수명이 감소하게 된다. 보다 안전한 발전소 운영을 위해 설비의 정확한 수명평가가 중요하며 현재까지 다양한 방법이 개발되어 적용되고 있다. 그러나 현재까지는 표준화된 가이드라인이나 절차 없이 정성적/준정량적 분석에 의해 주요 설비의 수명을 평가하고 있다. 본 연구에서는 크리프 및 피로 손상기구에 근거하여 국내 화력발전 주요 설비의 수명 소비율을 평가하는 표준화된 기준을 개발하였고 실제 설비에 적용하여 평가 기준의 활용성을 검증하였다. 본 기준은 2010 전력기술기준에 수록될 예정으로 수명평가의 정확성 향상과 수명관리 표준화에 기여할 것이다.
In view of the frequent start-ups and load changes in the recent past, there is a need for fossil-fuel power plants to be more efficient and reliable for long-term operation. Under high-temperature and high-pressure conditions, severe creep and fatigue damages can occur in major plant facilities, pa...
In view of the frequent start-ups and load changes in the recent past, there is a need for fossil-fuel power plants to be more efficient and reliable for long-term operation. Under high-temperature and high-pressure conditions, severe creep and fatigue damages can occur in major plant facilities, particularly, turbines and boilers. For highly stable operation and better maintenance, various techniques that facilitate a systematic assessment of the service life of critical facilities have been developed. However, to date, in Korea, to evaluate the remaining life of major facilities of fossil power plant, qualitative or semiquantitative analyses are carried out without following any standard guidelines or procedure. In this study, a standard code for assessing the remaining life of major plant facilities is proposed. This code takes into account creep and fatigue damage, which are generally accepted as dominant causes of damage to facilities. KEPIC (Korea Electric Power Industry code) is scheduled to include this guideline in 2010.
In view of the frequent start-ups and load changes in the recent past, there is a need for fossil-fuel power plants to be more efficient and reliable for long-term operation. Under high-temperature and high-pressure conditions, severe creep and fatigue damages can occur in major plant facilities, particularly, turbines and boilers. For highly stable operation and better maintenance, various techniques that facilitate a systematic assessment of the service life of critical facilities have been developed. However, to date, in Korea, to evaluate the remaining life of major facilities of fossil power plant, qualitative or semiquantitative analyses are carried out without following any standard guidelines or procedure. In this study, a standard code for assessing the remaining life of major plant facilities is proposed. This code takes into account creep and fatigue damage, which are generally accepted as dominant causes of damage to facilities. KEPIC (Korea Electric Power Industry code) is scheduled to include this guideline in 2010.
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문제 정의
현재까지는 국내 화력 발전설비 수명 평가 방법 및 절차에 대한 표준 가이드라인 없이 제작사나 해외 연구기관이 제시한 방법들을 따르거나 전문가의 판단에 따라 정성적인 방법과 준정량적인 방법이 사용되고 있다.(1-3) 본 연구에서는 이에 대한 대안으로 한국 화력 발전소 주요 설비에 대해 손상기구를 고려하여 표준화된 수명평가기준을 제안하고자 한다. 본 수명평가기준은 2010 년도 전력산업기술기준에 새롭게 수록될 예정이며 이 기준에서 제시하는 수명평가 지침 및 수행 방법은 보일러, 터빈 등 고온 고압에서 사용되는 화력 발전설비의 주요 기기에 적용하는 것으로 한정하여 개발되었다.
미세구조 열화와 이에 따른 모재의 열적인 연화는 다양한 강종에서 탄화물간의 간격, 크기, 구조, 페라이트 조성, 고용 강도, 상자 상수 변화와 같은 미세구조의 변화를 수반한다. 따라서, 설비 수명평가를 위한 금속학적 방법들은 위 현상들에 대한 열화정보를 도출하기 위해 개발되었다. 한편 추출복제를 통해 분석되는 탄화물은 고온에 민감한 대표적인 열화 정도를 나타내지만 결정립 방향의 변화를 예측하는데 어려움이 있어서 아직까지 수명 평가에 범용으로 적용되지는 못한다.
본 연구에서는 한국 화력발전 설비의 신뢰성 있는 수명 평가를 위해 표준화된 평가 기준을 제안하였다. 설비의 크리프 및 피로 수명 평가를 평가하기 위해 단순 계산법을 사용해서 응력 및 변형률을 구하는 해석적 방법과 미세조직의 특성을 분석하는 금속학적 방법이 제안되었다.
제안 방법
고압에서의 장시간 운전으로 인해 터빈 로터에 균열이 발생되기 전까지 터빈 로터가 받게 되는 손상을 평가한다. 터빈 로터의 주요 손상기구는 저주기피로 및 크리프이며 Fig.
고온배관의 직관 및 곡관부에 작용하는 정상상태와 천이상태에서의 열응력을 계산하여 크리프 및 피로수명을 예측하는 방법을 제공한다. 실제 현장 에서는 Hanger 설치 상태 및 지침 상태를 점검하고 오동작 Hanger 에 대한 정비 대책을 세우는 과정을 포함한다.
3.2 고온헤더
고온에서 장시간 운전되는 보일러 헤더가 받게 되는 손상을 평가하기 위해서 정상상태에서의 응력과 천이상태에서의 열응력을 계산하여 크리프 및 피로수명을 예측한다. 이때 고온헤더가 파손할 때까지의 수명을 기준으로 평가하며 튜브와 마찬가지로 고온에서 장기간 사용한 고온 헤더의 경우 이미 균열이 발생되었을 수 있으므로 별도로 비파괴검사를 병행하여 균열의 유무를 탐지한다.
노후 터빈 로터에 대한 정확한 형상 정보 취득이 쉽지 않아서 Fig. 3에서 제시한 간략 수명평가 절차에 따라 수명평가를 수행하였다. 원심응력은 3600 RPM 의 고속 회전에 의해서 발생하고 크리프 수명을 결정하는 주요 인자로 사용된다.
설비의 크리프 및 피로 수명 평가를 평가하기 위해 단순 계산법을 사용해서 응력 및 변형률을 구하는 해석적 방법과 미세조직의 특성을 분석하는 금속학적 방법이 제안되었다. 또한 실제 설비에 대해 해석적인 방법으로 수명평가를 수행함으로써 평가 기준의 활성 및 신뢰성을 확인하였다. 화력 발전설비 수명평가 절차가 KEPIC 에 제정되는 2010 년 이후에는 보다 많은 활용 사례 분석과 지속적인 유지 관리를 통해 발전설비 수명 평가의 정확성 향상과 수명관리의 표준화에 기여할 것으로 예상한다.
또한 이 기술들은 크리프 손상을 고려한 수명평가와 관련되어 있으며, 피로 손상에 대한 수명평가는 각각 분리해서 이루어져야 한다. 본 수명평가 기준에서는 Fig. 6과 같이 고장이력 및 운전자료를 조사한 후 설비특성과 손상기구를 고려하여 진단계획을 수립하고 평가 방법에 따라 검사 및 평가를 각각 수행한다. 표면복제나 탄화물 추출을 통해서는 크리프 수명 소비율을 계산할 수 있고, 재료 강도 측정시험을 통해서는 열화에 의한 복합적인 수명 소비율을 계산할 수 있다.
(1-3) 본 연구에서는 이에 대한 대안으로 한국 화력 발전소 주요 설비에 대해 손상기구를 고려하여 표준화된 수명평가기준을 제안하고자 한다. 본 수명평가기준은 2010 년도 전력산업기술기준에 새롭게 수록될 예정이며 이 기준에서 제시하는 수명평가 지침 및 수행 방법은 보일러, 터빈 등 고온 고압에서 사용되는 화력 발전설비의 주요 기기에 적용하는 것으로 한정하여 개발되었다. 한편 평가기준의 활성을 보기 위하여 실제 운전중인 터빈 설비에 대해서 수명평가를 수행하였다.
본 절차에서 크리프 및 피로 수명평가는 주요 터빈 설비인 고압터빈 로터 및 케이싱을 대상으로 해석적인 방법을 이용하여 수명소비율을 계산하는 절차를 따른다.
고온에서 장시간 운전되는 보일러 헤더가 받게 되는 손상을 평가하기 위해서 정상상태에서의 응력과 천이상태에서의 열응력을 계산하여 크리프 및 피로수명을 예측한다. 이때 고온헤더가 파손할 때까지의 수명을 기준으로 평가하며 튜브와 마찬가지로 고온에서 장기간 사용한 고온 헤더의 경우 이미 균열이 발생되었을 수 있으므로 별도로 비파괴검사를 병행하여 균열의 유무를 탐지한다.
터빈 설비에 대한 크리프 및 피로 수명을 정확하게 평가하기 위해서는 설비에서 발생하는 최대 응력과 변형률을 평가 위치에 따라 정확하게 계산해야 한다. 이를 위해 설비의 기하학적 형상 정보를 바탕으로 실제 설비와 동일하게 모델링하고, 운전조건과 재료의 거동 특성을 고려한 유한요소 해석을 수행해야 한다. 유한요소해석을 통해 최대 응력 및 변형률을 구하면 손상특성을 고려하여 설비의 수명을 계산한다.
그러나 탄성 해석과 비교할 때 모델 형상에 따라 계산 시간이 과도하게 걸리고 계산시 수렴성에 제한이 있어 케이싱이나 밸브와 같이 복잡한 형상의 설비를 해석하는 데에는 한계가 있다. 이에 대한 대안으로 탄성해석을 수행하고 해당 결과에 탄소성 거동을 고려하는 방법을 사용할 수 있다.(5,6)
일반적으로 증기터빈 로터에서 증기가 유입되는 1 단부에서 크리프 및 피로 손상이 주요한 것으로 알려져 있기 때문에 본 평가에서도 Fig. 8 과 같이 고중압부 터빈 로터의 1 단 groove 영역 및 중심축을 기준으로 수명을 평가하였다. Fig.
보일러 튜브의 경우 표면복제, 스케일측정에 의해 사용온도를 예측하고 이를 통하여 튜브의 크리프 수명을 예측하는 방법을 제공한다. 주요 평가 대상은 보일러의 주증기 및 재열증기 튜브이며 튜브 및 산화스케일의 두께 변화와 미세조직에서 탄화물 분포 변화를 분석한다.
크리프와 저주기 피로가 주로 발생하는 위치가 다르고, 손상 기구에 영향을 주는 응력이나 변형률의 특성이 다르기 때문에 크리프 수명평가와 저주기피로 수명평가는 기본적으로 다른 절차를 갖는다. 크리프 수명 평가 관점에서 형상 정보 및 회전속도를 고려한 관계식을 이용해 터빈 로터 중공축에서의 원심응력, 케이싱 플랜지 부와 케이싱 볼트의 응력을 계산한다.(4) 저주기피로 수명 평가 관점에서는 무차원 변형률 곡선 및 무차원 응력 곡선을 이용해서 터빈 로터와 케이싱 1 단 groove 에서의 열응력 또는 열변형량을 계산한다.
저주기 피로 수명은 실제 현장으로부터 측정한 경도값을 활하여 정확도를 향상시킬 수 있다. 크리프 수명의 경우에는 로터 회전에 의해 원심응력이 발생하는 중심축에 대해 크리프 물성 데이터를 이해 평가하였다. 터빈의 실제 형상을 정확하게 모델링하고 시간에 따른 운전조건 및 경계조건을 고려하여 유한요소해석을 수행한다면 보다 정확한 수명평가 결과를 얻을 수 있다.
한국 화력 발전설비의 수명평가 기준에 따라 주요 발전 설비 중에서 터빈 로터의 수명소비율을 평가하였다. 대상설비는 1997 년에 준공되어 10 년 정도 운전된 국내 “U”복합 발전소의 증기터빈 3 호기이며 시간 경과에 따른 전형적인 기동 곡선은 Fig.
본 수명평가기준은 2010 년도 전력산업기술기준에 새롭게 수록될 예정이며 이 기준에서 제시하는 수명평가 지침 및 수행 방법은 보일러, 터빈 등 고온 고압에서 사용되는 화력 발전설비의 주요 기기에 적용하는 것으로 한정하여 개발되었다. 한편 평가기준의 활성을 보기 위하여 실제 운전중인 터빈 설비에 대해서 수명평가를 수행하였다.
대상 데이터
대상설비는 1997 년에 준공되어 10 년 정도 운전된 국내 “U”복합 발전소의 증기터빈 3 호기이며 시간 경과에 따른 전형적인 기동 곡선은 Fig. 7 과 같다.
이론/모형
최종적으로 탄소성변형률 εt 을 구하면 대표적인 피로 수명 관계식인 Mansion-Coffin 식을 이용해 수명을 평가한다.
후속연구
해석적 평가를 통해서는 위치에 따른 크리프 및 저주기 피로 수명소비율을 구할 수 있다. 현재까지 최종적인 설비의 수명평가는 동일 설비에서 가장 보수적인 평가 결과를 따르지만 향후에는 평가 결과 및 설비 수명의 상관관계를 분석하여 평가 방법 별 가중치를 적용하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화력발전설비와 같이 고온 설비의 수명을 평가하는 방법에는 어떠한 것들이 있는가?
화력발전설비를 비롯한 고온 설비의 수명을 평가하는 방법에는 설비에서 미세조직을 직접 복제하는 표면복제법, 설비 표면의 강도를 측정하는 경도 측정법, 탄화물 추출복제법 및 크리프와 피로 수명에 대한 해석적 평가법이 있다. 저합금강에서 파괴를 일으킬 수 있는 크리프 손상의 원인으로 장시간 사����에 따른 연속적인 크리프 강도 감소, 미세구조 열화와 결정립계의 크리프 기공을 들 수 있다.
화력발전소의 잦은 기동과 부하 변동 하에서 수명이 감소하게 되는 이유는 무엇인가?
최근 들어 화력발전소는 잦은 기동과 부하 변동 하에서 안정적인 운전 및 관리에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히 터빈, 보일러와 같이 고온 고압의 조건에서 운전되는 발전 설비의 경우 크리프 및 피로 손상의 영향으로 설비의 수명이 감소하게 된다. 보다 안전한 발전소 운영을 위해 설비의 정확한 수명평가가 중요하며 현재까지 다양한 방법이 개발되어 적용되고 있다.
타당성 평가의 신뢰도를 향상시키기 위해 필요한 것은 무엇인가?
타당성 평가는 핵심 설비의 수명예측과 중요 설비의 신뢰성평가를 통해 설비의 교체시기와 범위를 결정하고 성능개선표와 방안을 제시하여 성능 개선시 경제적 효과를 결정하는 것이다. 따라서 타당성 평가의 신뢰도를 향상시키기 위해 설비 수명평가의 정확도를 높이는 것이 필요하다. 현재까지는 국내 화력 발전설비 수명 평가 방법 및 절차에 대한 표준 가이드라인 없이 제작사나 해외 연구기관이 제시한 방법들을 따르거나 전문가의 판단에 따라 정성적인 방법과 준정량적인 방법이 사����되고 있다.
참고문헌 (13)
SPRINT Project SPI 249.
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TRD-Codes 300/301.
Song, G., Choi, W., Kim, B., Hyun, J. and Heo, J., 2010, "Life Assessment Procedure for Fossil Power Plant," KEPIC 2010, submitted.
Choi, W., Fleury, E., Kim, B. and Hyun, J., 2008, " JSME Int. J.A-Solid M. 2, pp. 478-486.
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Gonyea, D.C., 1976, "Thermal Stress Concentration Factors in Large Shaft," Thermal Fatigue of Materials and Components, ASTM STP612, pp. 30-37.
Choi, W. and Fujiyama, K. and Kim, B., 2010, "Thermal Stress Concentration Factors(TSCFS) in Turbine Casing and Valves for Life Assessment," International Journal of Pressure Vessel and Piping, submitted.
Choi, W., 2008, "Life Assessment for Ulsan Steam Turbine Rotor," KEPRI report TM.T07.1243.
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