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문제 정의
- 본 논문에서는 원자력발전소 중점관리 기기 중 하나인 정지형 여자기를 대상으로 상태기반 정비 기법을 강화하여 다음과 같이 정비 프로그램을 표준화하고 최적화된 예방정비 기준을 개발하였으며 표준화된 예방정비 기준을 통해 대상 기기에 적용하고 향후 추가 건설되는 신규원전의 여자기 정비에도 활용하고자 한다.
- 본 논문은 각각의 원자력발전소에서 수행하고 있는 여자기 예방정비 기준을 분석하여 차이점을 도출하고 체계적인 기능적 중요도 결정을 통한 기기 분류, 대상 기기에 대한 고장모드 및 영향분석을 통해 전략적인 정비를 수행할 수 있는 정비직무와 주기를 최적화한 예방정비기준을 개발한 내용이다. 기존의 시간기준 정비 보다는 상태기반 정비를 강화하였으며 전사적으로 표준화 및 최적화된 예방정비 기준을 적용할 수 있도록 개발되었다.
- 기존의 시간기준 정비 보다는 상태기반 정비를 강화하였으며 전사적으로 표준화 및 최적화된 예방정비 기준을 적용할 수 있도록 개발되었다. 원자력발전소 여자기의 예방정비 기준 개발 및 적용을 통해 여자기에 대한 정비 수준을 향상시키는 기술기반을 구축하였으며 앞으로 건설되는 신규원전의 여자기 정비에도 활용하고자 한다.
제안 방법
- 각 직무에 대한 주기는 기존의 가동원전 예방정비 프로그램 및 EPRI PMBD 주기를 고려하여 선정하였다. 1차적으로 열화상분석(3Month), 운전원 순시점검(1Day), 정밀점검 및 성능시험(1Fuel Cycle)로 적용하였으나 전문가 패널회의 결과 여자기는 발전정지 유발기기로 중요성을 감안, 운전원 순시점검 주기를 1S(Shift)로 적용하여 상태감시 직무를 강화하였다.
- 본 논문은 각각의 원자력발전소에서 수행하고 있는 여자기 예방정비 기준을 분석하여 차이점을 도출하고 체계적인 기능적 중요도 결정을 통한 기기 분류, 대상 기기에 대한 고장모드 및 영향분석을 통해 전략적인 정비를 수행할 수 있는 정비직무와 주기를 최적화한 예방정비기준을 개발한 내용이다. 기존의 시간기준 정비 보다는 상태기반 정비를 강화하였으며 전사적으로 표준화 및 최적화된 예방정비 기준을 적용할 수 있도록 개발되었다. 원자력발전소 여자기의 예방정비 기준 개발 및 적용을 통해 여자기에 대한 정비 수준을 향상시키는 기술기반을 구축하였으며 앞으로 건설되는 신규원전의 여자기 정비에도 활용하고자 한다.
- 넷째, 고장모드 및 영향분석을 수행한 결과를 기반으로 열화 메커니즘을 예방하거나 열화 상태를 확인, 완화할 수 있는 정비항목을 도출하여 표준화된 직무 설명서를 개발하였다.
- 다섯째, 예방정비 기준 개발의 각 단계별로 전문가 패널 회의를 하여 정확한 정보수집 및 현장경험을 반영하여 신뢰도를 제고한 예방정비 기준을 최종 개발하였다. 동일한 기기 임에도 불구하고 원자력발전소 정지형 여자기의 정비방법과 정비주기 등이 상이했던 기존의 정비체계를 최적화하여 체계적인 정비수행 및 정비 표준화를 가능케 했으며 향후 기기 신뢰도 및 발전소 이용률을 향상시킬 수 있는 기반을 구축하였다.
- 다섯째, 예방정비 기준 개발의 각 단계별로 전문가 패널 회의를 하여 정확한 정보수집 및 현장경험을 반영하여 신뢰도를 제고한 예방정비 기준을 최종 개발하였다. 동일한 기기 임에도 불구하고 원자력발전소 정지형 여자기의 정비방법과 정비주기 등이 상이했던 기존의 정비체계를 최적화하여 체계적인 정비수행 및 정비 표준화를 가능케 했으며 향후 기기 신뢰도 및 발전소 이용률을 향상시킬 수 있는 기반을 구축하였다.
- 둘째, 대상 기기에 대한 기능적 중요도 결정(FID : Function Importance Determination)을 통해 기기의 중요도, 운전빈도, 운전환경 등을 체계적으로 분류하여 기기의 중요도를 객관적으로 분류하였다. 여자기는 발전소 정지를 유발할 수 있는 중요 기기로 중요도 C(Critical), 발전소 운전 기간 중 항상 운전되는 기기이므로 운전빈도 H(High), 기기 위치가 진동에 영향을 받는 위치이기 때문에 운전환경 S(Severe)를 적용하여 FID 분류를 CHS(Critical, High, Severe)로 표준화하여 결정하였다.
- 전문가 패널회의를 통해 각 발전소의 예방정비 현황 데이터 베이스를 구축하고 발전소별 차이점을 도출하여 도출된 결과를 최적화하는 작업을 수행하였다. 또한 예방정비기준 초안에 대한 검토와 각각의 직무항목에 대한 필요성과 주기를 검토하였다.
- 본 논문의 예방정비 기준 개발 범위는 발전기 전압을 일정하게 유지하는 역할을 수행하는 전압 조절 제어기(제어카드 포함), 정류기, 정류기를 냉각하는 냉각팬, AC/DC 모선, 여자기 패널 필터, 각종 퓨즈로 정의하였다. 기존의 정비사례를 분석한 결과, 고장발생의 대부분이 제어카드의 열화 또는 동작불능에 의해 여자기 전체 설비가 정지되는 사례가 가장 많았으며 이외에 냉각팬 고장에 따른 정류기 정지 사례 등이 조사되었다.
- 최적화된 직무별 상세 정비내용을 도출하기 위하여 가동원전 예방정비 현황 및 주기, 최근 3년간 정비사례, 시험 및 정비절차서, 제작사 매뉴얼, IEEE Standards, EPRI Technical Report 등의 분석을 수행하였다. 상태감시 직무에는 운전원 순시점검 외에 가동원전에서 수행하지 않는 열화상 분석을 추가하여 예방정비 본래의 취지인 상태감시를 강화하였으며 주기정비 직무는 정밀점검 후 여자기 전체 성능을 확인할 수 있는 성능시험을 추가하여 설비 신뢰성을 향상 시키도록 하였다. EPRI PMBD의 경우 주기정비 직무를 일반점검과 정밀점검으로 구분하였으나 정밀점검의 내용이 계자차단기 분해점검 등 본 예방정비 기준 기기 범위가 아니기 때문에 적용하지 않았으며 일반점검의 내용이 기존 가동원전 예방정비 활동의 정밀점검과 부합되어 일반점검 항목을 정밀점검으로 대체하였다.
- 여자기 예방정비 기준 기기범위에 해당하는 부분에 대하여 고장모드 및 영향분석을 수행하였다. 전압 조절 제어기, 정류기, 정류기 냉각팬, AC/DC 모선, 여자기 패널 필터, 각종 퓨즈에 대한 고장부위, 성능저하 메커니즘, 성능저하 원인, 발견/예방기회 및 시간코드(고장이 발생하는데 까지 걸리는 기기의 운전된 시간)에 대하여 분석하였다.
- 여자기는 발전소 정지를 유발할 수 있는 중요 기기로 중요도 C(Critical), 발전소 운전 기간 중 항상 운전되는 기기이므로 운전빈도 H(High), 기기 위치가 진동에 영향을 받는 위치이기 때문에 운전환경 S(Severe)를 적용하여 FID 분류를 CHS(Critical, High, Severe)로 결정하였다. Table 2는 예방정비 기준의 FID 분류 예시를 나타낸다.
- 둘째, 대상 기기에 대한 기능적 중요도 결정(FID : Function Importance Determination)을 통해 기기의 중요도, 운전빈도, 운전환경 등을 체계적으로 분류하여 기기의 중요도를 객관적으로 분류하였다. 여자기는 발전소 정지를 유발할 수 있는 중요 기기로 중요도 C(Critical), 발전소 운전 기간 중 항상 운전되는 기기이므로 운전빈도 H(High), 기기 위치가 진동에 영향을 받는 위치이기 때문에 운전환경 S(Severe)를 적용하여 FID 분류를 CHS(Critical, High, Severe)로 표준화하여 결정하였다.
- 예방정비 기준 개발의 각 단계별로 전문가 패널 회의를 하여 정확한 정보수집 및 현장경험을 반영하였고 예방정비 기준의 신뢰도를 제고하였다. 전문가 구성은 발전소에서 여자기 설비를 실제 운영하는 기기담당자, 정비를 수행하는 정비 전문가, 여자기 제작사의 설계자, 여자기에 대한 연구 및 엔지니어링 업무를 수행하는 연구원과 기술원의 전문가로 구성하였다.
- 운전빈도는 연속적으로 운전되는 경우에는 High, 대기 운전되는 경우에는 Low로 분류하며, 운전환경은 비정상적인 온도 환경, 진동 등에 영향을 받는 경우에는 Severe, 청결지역인 경우 Mild로 분류하여 구분한다. 이러한 세 가지의 분류 항목을 조합하여 8가지 유형의 매트릭스 기능적 중요도 결정 항목을 개발하였다.
- 전문가 구성은 발전소에서 여자기 설비를 실제 운영하는 기기담당자, 정비를 수행하는 정비 전문가, 여자기 제작사의 설계자, 여자기에 대한 연구 및 엔지니어링 업무를 수행하는 연구원과 기술원의 전문가로 구성하였다. 전문가 패널회의를 통해 각 발전소의 예방정비 현황 데이터 베이스를 구축하고 발전소별 차이점을 도출하여 도출된 결과를 최적화하는 작업을 수행하였다. 또한 예방정비기준 초안에 대한 검토와 각각의 직무항목에 대한 필요성과 주기를 검토하였다.
- 여자기 예방정비 기준 기기범위에 해당하는 부분에 대하여 고장모드 및 영향분석을 수행하였다. 전압 조절 제어기, 정류기, 정류기 냉각팬, AC/DC 모선, 여자기 패널 필터, 각종 퓨즈에 대한 고장부위, 성능저하 메커니즘, 성능저하 원인, 발견/예방기회 및 시간코드(고장이 발생하는데 까지 걸리는 기기의 운전된 시간)에 대하여 분석하였다. 고장모드 및 영향분석을 통해서 열화 메커니즘을 예방하거나 열화 상태를 확인/완화할 수 있는 정비항목이 도출되어 진다.
- 직무별 상세 내용을 기술하기 위하여 열화상 분석, 운전원 순시점검, 정밀점검, 성능시험에 대하여 직무명, 직무 목적, 직무수행시 기기이용 불가능 여부, 직무내용, 주요 고장부위 및 원인, 시간에 따른 성능저하의 진전 등이 포함된 직무설명서를 개발하였다.
- 첫째, 최적의 예방정비 기준을 개발하기 위해 각 발전소의 여자기 예방정비 현황(예방정비 항목, 주기 및 정비이력)을 파악하고 EPRI Preventive Maintenance Basis Database와의 편차를 분석하였다. 기존의 예방 정비 프로그램은 상태기반 정비나 예측정비가 아닌 일정한 주기에 따라 정비를 수행하는 시간기준 정비 위주로 구성되어 있음을 확인하였으며 동일 기기임에도 불구하고 정비항목 및 정비주기가 서로 일치하지 않음을 확인하였다.
- 최적의 예방정비 기준을 개발하기 위해 각 발전소의 여자기 예방정비 현황(예방정비 항목, 주기 및 정비이력)을 파악하고 EPRI의 예방정비 기초자료인 PMBD(Preventive Maintenance Basis Database)와의 편차를 분석하였다 [10,11].
- 고장발견 직무는 통상 기기의 주기적 육안점검 등을 통해 수행하는데 여자기의 경우 상태감시 및 주기정비 직무의 운전원 순시점검과 성능시험으로 고장발견 직무를 대체할 수 있으므로 별도로 고장발견 직무를 수행하지 않는 것으로 결정하였다. 최적화된 직무별 상세 정비내용을 도출하기 위하여 가동원전 예방정비 현황 및 주기, 최근 3년간 정비사례, 시험 및 정비절차서, 제작사 매뉴얼, IEEE Standards, EPRI Technical Report 등의 분석을 수행하였다. 상태감시 직무에는 운전원 순시점검 외에 가동원전에서 수행하지 않는 열화상 분석을 추가하여 예방정비 본래의 취지인 상태감시를 강화하였으며 주기정비 직무는 정밀점검 후 여자기 전체 성능을 확인할 수 있는 성능시험을 추가하여 설비 신뢰성을 향상 시키도록 하였다.
성능/효과
- 분석 결과, 가동원전의 여자기 예방정비 프로그램의 경우, Table 1과 같이 동일한 기기에도 불구하고 예방정비 항목 및 주기가 발전소별로 상이하게 운영되는 사례가 발견되었으며 기존의 예방정비 프로그램은 상태기반 정비나 예측정비가 아닌 일정한 주기에 따라 정비를 수행하는 시간기준 정비 위주로 구성되어 있음을 확인하였다. EPRI PMBD와 가장 큰 차이점은 기기범위 및 직무구분으로 기기범위는 본 예방정비 기준 기기범위에서 제외한 계자차단기, 여자변압기, CT/PT 등에 대한 정밀점검(10Y)을 수행하고 있으며 열화상분석을 통한 상태감시 직무를 강화하고 있는 것으로 분석되었다.
- EPRI(Electric Power Research Institute)에서 분석한 기기의 고장유형을 보면 전체 고장의 90%가 불시고장 유형으로 분석되어 일정 시간의 경과에 따라 주기적으로 정비를 수행하는 주기정비는 역효과를 줄 가능성이 있는 것으로 분석되었으며 분해정비 후에는 정비오류 또는 교체부품의 결함 등에 따른 조기고장의 확률이 오히려 증가하는 것으로 나타났다 [3]. 특히, 최근의 설비 또는 기기의 구성은 예전과 다르게 다양하고 복잡해지고 있기 때문에 불시고장의 유형이 늘어나고 있다.
- 첫째, 최적의 예방정비 기준을 개발하기 위해 각 발전소의 여자기 예방정비 현황(예방정비 항목, 주기 및 정비이력)을 파악하고 EPRI Preventive Maintenance Basis Database와의 편차를 분석하였다. 기존의 예방 정비 프로그램은 상태기반 정비나 예측정비가 아닌 일정한 주기에 따라 정비를 수행하는 시간기준 정비 위주로 구성되어 있음을 확인하였으며 동일 기기임에도 불구하고 정비항목 및 정비주기가 서로 일치하지 않음을 확인하였다.
- 분석 결과, 가동원전의 여자기 예방정비 프로그램의 경우, Table 1과 같이 동일한 기기에도 불구하고 예방정비 항목 및 주기가 발전소별로 상이하게 운영되는 사례가 발견되었으며 기존의 예방정비 프로그램은 상태기반 정비나 예측정비가 아닌 일정한 주기에 따라 정비를 수행하는 시간기준 정비 위주로 구성되어 있음을 확인하였다. EPRI PMBD와 가장 큰 차이점은 기기범위 및 직무구분으로 기기범위는 본 예방정비 기준 기기범위에서 제외한 계자차단기, 여자변압기, CT/PT 등에 대한 정밀점검(10Y)을 수행하고 있으며 열화상분석을 통한 상태감시 직무를 강화하고 있는 것으로 분석되었다.
- 3과 같이 전통적인 시간기준의 정비를 수행할 경우 기기의 분해정비 후 발생하는 정비오류 또는 교체 부품의 결함 등으로 정비 후 조기고장의 확률이 오히려 증가하는 것으로 분석 [6] 되었으며 이로 인해 조기고장으로 인한 시간기준 정비의 역효과를 인식하기 시작하였다. 불시고장 유형의 고장은 주기정비 보다는 상태감시 결과에 따라 기기의 상태가 악화되어 필요한 경우에만 정비를 수행하는 상태기준 정비가 비용, 효과는 물론 기기의 이용률과 신뢰도 측면에서 적합하다는 인식을 갖게 되었다.
- 셋째, 정지형 여자기에 대한 고장모드와 영향분석을 수행하여 전압 조절 제어기(제어카드 포함), 정류기, 정류기를 냉각하는 냉각팬, AC/DC 모선, 여자기 패널 필터, 각종 퓨즈에 대한 고장부위, 성능저하 메커니즘, 성능저하 원인, 발견/예방기회 및 시간코드(고장이 발생하는데 까지 걸리는 기기의 운전된 시간)에 대하여 분석하여 각 구성품의 정비를 위한 직무설명서의 자료로 활용할 수 있는 기반을 마련하였다.
- 4와 같이 순간적으로 발생하지 않고 상태가 악화되어 감지 가능한 P점을 지나 고장점 F에 까지 이르게 되는데 대상 기기에 대한 상태 감시의 주기를 P-F Interval 이내로 설정을 할 경우에는 불시 고장에 대한 적절한 대처가 가능하다 [7]. 이에 따라 원전 정지형 여자기의 예방정비 기준의 개발방향은 주기적으로 수행하는 시간기준 정비를 줄이고 설비의 상태에 따라 정비를 수행하는 상태기준 정비를 강화하는 것으로 개발하였다.
후속연구
- 발전소 대부분의 기기고장 형태가 불시고장 유형으로 나타나는 상황에서 일방적인 주기정비 방법은 과다정비로 인한 비용증가, 잦은 분해점검에 따른 정비 오류 가능성 증가로 정비 후 고장 발생률이 증가할 수 있는 역효과를 가져올 수 있으며, 동일한 기기에도 불구하고 발전소별 정비방법 및 정비주기가 상이할 경우에는 체계적인 기기관리가 어렵고 최적화된 정비전략을 구축하기 어려울 것이다. 따라서 각 발전소의 동일한 기기나 설비에 대하여 정비주기와 정비방법을 표준화하고 체계적인 정비 프로그램을 구축한다면 정비비용 절감, 고장률 감소 등의 효과로 이어질 것이다.
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