[논문]에너지산업 분야에의 고장진단 및 예지기술 적용 사례

윤병동

에너지산업 분야에의 고장진단 및 예지기술 적용 사례 원문보기

이 글에서는 고장진단 및 예지기술(PHM: Prognostics and Health Management)의 에너지산업 분야 적용 사례를 상세히 소개하고, PHM기술의 접목을 통한 에너지산업에의 기여와 예상되는 기술적 어려움, 그리고 향후 연구방향을 제시하고자 한다.

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문제 정의

본 연구팀에서는 발전소 회전체의 정상 및 이상상태를 구현하는 시험기를 구성하여 인가 상태별 거동데이터를 계측하고, 이에 대한 데이터 처리 및 분석 알고리즘을 연구하고 있다(그림 4). 터빈 회전체에서는 회전축의 진동이 변위로 측정되며, 변위계로 측정된 신호에는 진폭과 위상의 정보를 포함하고 있어 다양한 신호분석이 가능하다.
이에 반해 고장 진단 및 예지 기술을 적용한 상태기반정비는 시스템의 이상을 조기에 감지하고 미래에 발생될 고장을 미리 예측하여 사전조치를 취함으로써 적은 유지비용으로 안정적이고 신뢰성 있는 시스템 관리를 가능케 한다. 이 글에서는 에너지 산업분야와 관련된 고장 진단 및 예지 적용 사례를 소개하고, 이를 통해 PHM 기술의 접목을 통한 에너지 산업에의 기여와 예상되는 기술적 어려움, 그리고 향후 연구방향을 제시하고자 한다. 자세한 연구사례는 http://shrm.

제안 방법

따라서 사용자의 입장에서 직관성이 떨어질 뿐만 아니라 결과를 한 번 더 분석해야 하는 어려움을 가지고 있다. 때문에 다차원 데이터를 발전기 권선 건전성을 표현하는 하나의 건전성 지수로 바꾸는 것이 가장 중요한 문제이며, 본 연구실에서는 이 문제를 해결하기 위해 측정 위치에 따른 통계적 상관성과 흡습의 물리적인 현상에 대한 이해에 기반을 두어 방향성 마할라노비스(Directional Mahalanobis Distance, 이하 DMD) 거리를 건전성 지수로서 제안하였다. DMD는 다차원 데이터의 통계적 상관성을 풀어주며, 물리 현상에 따른 보정을 통해 흡습 발생 여부 진단의 정확도를 높이는 것이 특징이다.
OTDR과 DTS는 광섬유 내부에 레이저 펄스를 주입 하였을 때 후방으로 산란되는 신호의 시간차를 측정함으로써 광섬유가 설치된 대면적의 상태를 실시간으로 감시하는 장비이다. 또한 실제 극저온 배관계의 실험이 어려운 점을 해결하기 위해, 극저온 배관계의 열전달 및 유체 시뮬레이션 해석을 통하여 극저온 배관 및 밸브의 누설 시 발생하는 물리적 현상을 예측하였으며 누설 여부를 진단하기 위한 기준 값으로 활용하였다. 본 방법론은 소형 유사 극저온 배관계에서 누설을 실시간으로 감지해내는데 성공하였으며, 향후 실증 설비에서 추가 검증을 수행할 예정이다.
본 사례에서의 핵심기술은 데이터 관리법과 데이터 처리법이다. 대형 풍력단지에서 발생되는 운행정보는 너무나 방대하여 쉽사리 접근하지 못하고 있는 실정이다.
본 연구는 40~100개의 센서의 다차원 진동 데이터로부터 진동 발생 원리와 민감도 분석을 통해 변압기의 기계적 건전성을 나타내는 2개의 강건한 건전성 인자를 도출하였다. 이는 다양한 불확실성 하에서 강건한 고장 진단과 일차원 건전성 인자들을 통한 직관적 유지보수 결정을 가능케 하였다.
본 연구에서 개발된 이상감지기술은 대형 화력발전소 회전체 시스템의 이상상태를 조기에 감지하고 건전성 정도를 정량화하여 시스템 사용자에게 알려 준다. 특히, 실시간으로 측정되는 데이터분석을 통해 시스템 상태에 적합한 조치를 취함으로써 갑작스런 사고를 방지하여 안정적이고 신뢰성 있는 발전소 운영에 기여할 것으로 기대된다.
본 연구팀에서는 광섬유 기술을 이용한 극저온 플랜트의 실시간 누설 감지 기법을 개발하기 위해 테스트베드를 이용하여 광학적 시간 영역 반사계(OTDR: Optical Time Domain Reflectometer)과 대면적 온도 측정계(DTS: Distributed Temperature Sensing) 기반 온라인 누설 감지 기법의 실증시험을 수행하였다(그림 6). OTDR과 DTS는 광섬유 내부에 레이저 펄스를 주입 하였을 때 후방으로 산란되는 신호의 시간차를 측정함으로써 광섬유가 설치된 대면적의 상태를 실시간으로 감시하는 장비이다.
발전소 회전체를 모사하는 시험기에서는 발전소에서 발생되는 이상상태와 유사한 조건이 인가되고 그에 따른 거동데이터가 측정된다. 측정된 거동 데이터를 활용하여 시간, 주파수, 시간-주파수 영역의 신호처리를 통해 시스템의 물리적 특성(회전체 동특성)을 고려한 다차원 건전성데이터를 추출한다. 다차원의 건전성 데이터에는 회전체의 거동특성에 대한 많은 정보를 포함하고 있지만, 반드시 모든 데이터가 이상상태와 관련된 정보를 포함하지는 않는다.

성능/효과

1) 데이터기반 고장진단 및 예지에서의 방대한 데이터 양 - 수명주기가 긴 시스템의 정확한 상태를 추적하기 위해서는 많은 센서들로부터의 거동 데이터의 축적과 사용이력 관리가 필수적이지만, 모든 실시간 진단 및 분석 자료를 축적하는 것은 방대한 데이터의 용량으로 인하여 상당한 어려움이 예상된다.
3) 물리기반 고장해석 모델의 부정확도 - 물리기반의 고장해석 모델의 예측 정확도는 매우 낮다. 이러한 낮은 예측 정확도를 높이기 위해서는 고장물리(Physics of failure)에 대한 이해도를 높이고, 모델 정확도를 높일 수 있는 모델 검증법(model validation) 등이 개발되어야 한다.
권선의 권선은 전류력, 철심은 자기변형력에 의해 진동이 발생하며, 이 힘들은 각각 전류와 전압의 자승에 비례한다. 결과적으로 두 전류, 전압 주파수 60Hz의 두 배인 120Hz의 진동이 발생하며, 철심의 경우 구조적 복잡성에 의해 조화 주파수(240Hz, 360Hz, ...) 신호도 함께 나타난다. 따라서 기계적 고장이 주로 발생하는 권선과 철심의 건전성을 진단하기 위해서는 120Hz와 그 조화 주파수의 신호를 활용해야 하며, 만약 120Hz 진동이 증가한다면 권선의 고장을, 조화 주파수 진동이 증가하면 철심의 고장을 유추할 수 있다.
일반적으로 통용되는 다양한 건전성 인자에 대해 민감도 분석을 시행한 결과 평균이 가장 작은 민감도를 나타냈다. 다채널 진동 신호의 120Hz와 240Hz 신호 각각에 대해 평균을 취하여 건전성 인자를 도출하였으며, 운행 연수가 짧은 변압기는 그 값이 모두 작으며 오래된 변압기는 그 크기가 모두 크되 특정 변압기는 240Hz 신호가 유독 큰 양상을 보였다. 분석 결과로부터 평균이라는 건전성 인자가 다양한 변압기에 일반적으로 적용되어 운행에 따른 건전성 저하를 잘 나타내 줌을 알 수 있다.
본 연구팀에서 제안하는 OTDR 및 DTS 기반 극저온 배관계의 누설감지 기법을 통해 방대한 양의 대점 센서를 단 몇 가닥의 광섬유로 대체함으로써 비용절감 효과를 기대할 수 있으며, 데이터 처리에 드는 비용과 시간 또한 현저히 줄일 수 있다.
다채널 진동 신호의 120Hz와 240Hz 신호 각각에 대해 평균을 취하여 건전성 인자를 도출하였으며, 운행 연수가 짧은 변압기는 그 값이 모두 작으며 오래된 변압기는 그 크기가 모두 크되 특정 변압기는 240Hz 신호가 유독 큰 양상을 보였다. 분석 결과로부터 평균이라는 건전성 인자가 다양한 변압기에 일반적으로 적용되어 운행에 따른 건전성 저하를 잘 나타내 줌을 알 수 있다.
이에 기반을 두어 연구의 궁극적 목표인 권선의 흡습 관련 건전성 예측이 가능하며, 이는 잔여 유효 수명을 통해 정량적으로 나타낼 수 있다. 예측 결과 중 잔여 유효 수명이 0으로 나타난 권선의 경우에는 이후 실제 고장이 발생한 권선임을 확인함으로써 해당 예측 결과가 잘 맞아 떨어진 것으로 확인할 수 있었다.
또한 다차원 데이터를 일차원으로 바꿔줌으로써 권선의 보수 및 교체 필요 여부를 직관적으로 파악할 수 있는 장점을 가지고 있다. 제안한 방법을 적용한 결과, 기존 방법들에 비해 직관적이고 사용자의 이해를 돕는 건전성 지수 값을 도출할 수 있었으며, 문제가 있던 권선의 DMD가 상대적으로 높은 값을 가진다는 것을 관찰할 수 있었다. 이에 기반을 두어 연구의 궁극적 목표인 권선의 흡습 관련 건전성 예측이 가능하며, 이는 잔여 유효 수명을 통해 정량적으로 나타낼 수 있다.

후속연구

또한 실제 극저온 배관계의 실험이 어려운 점을 해결하기 위해, 극저온 배관계의 열전달 및 유체 시뮬레이션 해석을 통하여 극저온 배관 및 밸브의 누설 시 발생하는 물리적 현상을 예측하였으며 누설 여부를 진단하기 위한 기준 값으로 활용하였다. 본 방법론은 소형 유사 극저온 배관계에서 누설을 실시간으로 감지해내는데 성공하였으며, 향후 실증 설비에서 추가 검증을 수행할 예정이다.
본 연구를 통해 발전기에서 흡습으로 발생하는 사고를 미연에 방지할 수 있으며, 사고 등으로 인한 갑작스런 전력 공급 중지 등으로 인한 사회적, 경제적 비용을 최소화할 수 있을 것으로 기대 된다. 뿐만 아니라 이는 최근 급격히 사회적 관심을 받고 있는 전력 수급과 관련이 깊은 문제로 기존 발전기들의 안정적인 운영을 가능케 함으로써 긍정적인 효과 역시 기대해볼 수 있다.
이는 다양한 불확실성 하에서 강건한 고장 진단과 일차원 건전성 인자들을 통한 직관적 유지보수 결정을 가능케 하였다. 이를 통해 변압기의 효율적 건전성 관리는 물론 갑작스런 변압기 기계적 고장 진단을 통해 신뢰도 향상과 동시에 유지보수 비용의 절감 효과가 기대된다.
본 연구에서 개발된 이상감지기술은 대형 화력발전소 회전체 시스템의 이상상태를 조기에 감지하고 건전성 정도를 정량화하여 시스템 사용자에게 알려 준다. 특히, 실시간으로 측정되는 데이터분석을 통해 시스템 상태에 적합한 조치를 취함으로써 갑작스런 사고를 방지하여 안정적이고 신뢰성 있는 발전소 운영에 기여할 것으로 기대된다.
향후에는 고장진단 및 예지기술의 실증 및 건전성 등급 부여를 통해 개발 기술에 대한 현장 적용성을 높이기 위한 노력과 함께 실시간 진단결과에 대한 추적 및 관리 시스템에 대해 활발한 연구가 진행될 전망이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

주기기반정비의 단점은 무엇인가?

이처럼 에너지산업은 국가의 기간산업으로서 안정적 공급이 절대적으로 중요한 분야이고, 향후 에너지산업의 용량이 더욱 증대되고 그 복잡도가 증가할 것을 고려하면 에너지 설비의 신뢰도 문제는 정말로 중요하다고 볼 수 있다. 설비의 신뢰성을 보장하기 위한 기존의 관리 시스템은 일정 기간마다 점검을 수행하는 주기기반정비를 수행해 왔으나, 이는 과도한 유지비용을 유발하고 갑작스런 시스템의 고장 및 사고를 예방하지 못하는 한계점이 있다. 이에 반해 고장 진단 및 예지 기술을 적용한 상태기반정비는 시스템의 이상을 조기에 감지하고 미래에 발생될고장을 미리 예측하여 사전조치를 취함으로써 적은 유지비용으로 안정적이고 신뢰성 있는 시스템 관리를 가능케 한다.

2011년 9월 국내 순환단전이 초래한 경제적 손실은?

2011년 9월에 발생한 대한민국 대규모 정전 사태에서 전력 당국은 예상치 못한 폭발적인 전기 수요로 인한 공급 부족을 겪게 되었고, 대한민국 사상 처음으로 지역별 순환단전이라는 극단적 조치를 단행하였다. 당시 예상치 못한 순환단전으로 인해 600억 원이 넘는 경제적 손실이 야기되었으며, 비록 발전 설비의 이상이 원인이 되어 발생한 사건은 아니었지만 갑작스런 전력 공급 장애가 다시는 발생하지 말아야 할 치명적 문제라는 것을 반증하는 큰 사건이었다. 이처럼 에너지산업은 국가의 기간산업으로서 안정적 공급이 절대적으로 중요한 분야이고, 향후 에너지산업의 용량이 더욱 증대되고 그 복잡도가 증가할 것을 고려하면 에너지 설비의 신뢰도 문제는 정말로 중요하다고 볼 수 있다.

관리 시스템의 점검을 위한 상태기반정비 방법의 특징은 무엇인가?

설비의 신뢰성을 보장하기 위한 기존의 관리 시스템은 일정 기간마다 점검을 수행하는 주기기반정비를 수행해 왔으나, 이는 과도한 유지비용을 유발하고 갑작스런 시스템의 고장 및 사고를 예방하지 못하는 한계점이 있다. 이에 반해 고장 진단 및 예지 기술을 적용한 상태기반정비는 시스템의 이상을 조기에 감지하고 미래에 발생될고장을 미리 예측하여 사전조치를 취함으로써 적은 유지비용으로 안정적이고 신뢰성 있는 시스템 관리를 가능케 한다. 이 글에서는 에너지 산업분야와 관련된 고장 진단 및 예지 적용 사례를 소개하고, 이를 통해 PHM 기술의 접목을 통한 에너지 산업에의 기여와 예상되는 기술적 어려움, 그리고 향후 연구방향을 제시하고자 한다.

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