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문제 정의
- 본 연구에서 냉수와 냉각수의 유량은 순환 펌프의 정격운전으로 인해 일정하고, 중온수 입구온도도 거의 일정한 온도로 공급되고 있으므로, 3가지 변수인 냉수와 냉각수 입구온도, 중온수 유량에 의해 시스템의 무고장 상태 기준 모델을 개발 할 수 있다.
- 본 연구에서는 앞서 설명한 고장현상 분석 시뮬레이션 대상과 동일한 1중 효용 중온수 흡수식 냉동기에 대해 고장검출 및 진단 그리고 에너지 성능평가를 위한 현장실증 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 흡수식 냉동기를 대상으로 고장모사 시뮬레이션을 수행하였으며, 고장이 발생하였을 때 흡수식 냉동기에 발생하는 고장현상을 분석하였다. 또한 흡수식 냉동기의 고장모사 실험을 통해 얻어진 데이터와 표준화 거리 기법(Normalized distance method)을 적용하였으며, 현장 데이터를 이용하여 고장진행에 따른 고장검출 성능과 고장진단을 수행하였다.
제안 방법
- 고장모사 실험을 위해 실제 현장에 있는 흡수식 냉동기에 고장을 유발시켜 운전하였을 경우 기기손상 등의 문제가 발생하므로, 본 연구에서는 Table 2에 정리되어 있는 냉각수 유량 감소(Fault 1)와 냉수 유량 감소(Fault 2) 만을 고장모사 하였다. 냉각수와 냉수 유량 감소 고장은 냉각수와 냉수 순환배관 밸브 개도를 조절하여 유량을 감소 시켰으며, 냉각수와 냉수 유량을 기준 설계조건에서 5~30% 감소 시켜 고장을 모사하였다.
- 그러나 유량측정이 온도측정에 비해 어려우므로, 중 온수 유량변화로 인해 재생량이 변하고, 이로 인해 흡수기의 성능 변화, 냉동용량의 변동이 발생하는 것을 고려하여 중온수 유량변화를 대신하는 독립변수로 냉각수 출구온도를 선정하였다. 그리고 냉수 입구온도 대신에 냉동기의 주요 제어점인 냉수 출구온도를 독립변수로 선정하였다.
- 그러나 유량측정이 온도측정에 비해 어려우므로, 중 온수 유량변화로 인해 재생량이 변하고, 이로 인해 흡수기의 성능 변화, 냉동용량의 변동이 발생하는 것을 고려하여 중온수 유량변화를 대신하는 독립변수로 냉각수 출구온도를 선정하였다. 그리고 냉수 입구온도 대신에 냉동기의 주요 제어점인 냉수 출구온도를 독립변수로 선정하였다. 따라서 본 연구에서는 흡수식 냉동기의 냉수 출구온도(Tchwo), 냉각수 입구온도(Tcwi), 냉각수 출구온도(Tcwo)를 독립변수(x1~x3)로 선정하여 식(4)와 같이 2차 다항식(Polynomial) 형태의 무고장 상태 기준 모델을 개발하였다.
- 고장모사 실험을 위해 실제 현장에 있는 흡수식 냉동기에 고장을 유발시켜 운전하였을 경우 기기손상 등의 문제가 발생하므로, 본 연구에서는 Table 2에 정리되어 있는 냉각수 유량 감소(Fault 1)와 냉수 유량 감소(Fault 2) 만을 고장모사 하였다. 냉각수와 냉수 유량 감소 고장은 냉각수와 냉수 순환배관 밸브 개도를 조절하여 유량을 감소 시켰으며, 냉각수와 냉수 유량을 기준 설계조건에서 5~30% 감소 시켜 고장을 모사하였다.
- 냉수, 냉각수, 중온수 입출구 온도는 정밀도 ±0.15℃인 백금저항온도센서(RTD PT100 Ω)를 설치하였고, 냉동기 증발온도, 응축온도, 흡수온도, 재생온도는 정밀도 ±0.5℃인 T형 열전대(T-type thermo couple)를 설치하였고, 냉수, 냉각수, 중온수 유량은 정밀도 ±1.0%인 볼텍스 유량계(Vortex flow meter)를 설치하여 측정하였다.
- 001에 해당하는 표준화 거리를 분석하였다. 따라서 본 연구에서는 고장판단 기준을 선행 연구를 통해 얻어진 표준화 거리 6으로 선정하였으며, 측정된 데이터의 표준화 거리가 6을 벗어나면 고장으로 판단하였다. Fig.
- 따라서 본 연구에서는 흡수식 냉동기의 냉수 출구온도(Tchwo), 냉각수 입구온도(Tcwi), 냉각수 출구온도(Tcwo)를 독립변수(x1~x3)로 선정하여 식(4)와 같이 2차 다항식(Polynomial) 형태의 무고장 상태 기준 모델을 개발하였다.
- 반면, 냉각수 유량 감소나 열교환기의 파울링과 같은 점차적인 고장은 고장이 진행되고 있더라도 검출하거나 진단하기 어려우며, 이로 인해 에너지 손실이 증가하고 결국 시스템의 손상까지 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 흡수식 냉동시스템의 점차적인 고장에 대한 고장검출 및 진단에 초점을 맞추었다.
- 또한 모델기반 고장검출 기법을 적용하여 흡수식 냉동시스템의 고장검출을 수행하였다.
- 본 연구에서는 흡수식 냉동기에 발생 할 수 있는 몇 가지 고장에 대해 고장모사 시뮬레이션을 수행 하였으며, 고장의 종류에 따라 흡수식 냉동기에서 발생하는 고장현상을 분석하였다. 또한 흡수식 냉동기의 고장모사 실험을 통해 얻어진 데이터를 이용하여 고장검출과 진단을 수행하였다.
- 또한 흡수식 냉동기의 고장모사 실험을 통해 얻어진 데이터와 표준화 거리 기법(Normalized distance method)을 적용하였으며, 현장 데이터를 이용하여 고장진행에 따른 고장검출 성능과 고장진단을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Table 2의 고장모사를 위하여 Table 1의 설계조건을 이용하여 해당 유량이나 측정온도만을 1%씩 감소시키면서 고장모사 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 연구에서는 현장 실험 데이터를 이용하여 고장의 원인에 따른 고장패턴 분석을 수행하였다. 또한 모델기반 고장검출 기법을 적용하여 흡수식 냉동시스템의 고장검출을 수행하였다.
- 본 연구에서는 흡수식 냉동기에 발생 할 수 있는 몇 가지 고장에 대해 고장모사 시뮬레이션을 수행 하였으며, 고장의 종류에 따라 흡수식 냉동기에서 발생하는 고장현상을 분석하였다.
- 2는 “ABSIM” 프로그램(6) 전체 구조 개략도이다. 시스템 시뮬레이션을 위하여 각 구성요소를 모델링 하였으며, 흡수기, 재생기, 응축기, 증발기 그리고 용액 열교환기의 시뮬레이션은 질량보존식(Mass balance), 에너지 보존식(Energy balance), 그리고 물질보존식(Species balance)을 이용하여 수행되었다.
- 모사된 고장은 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫째, 냉각수, 냉수, 온수 유량 감소와 같은 시스템적 고장과 둘째, 흡수식 냉동기의 중요한 제어점인 냉수 출구나 냉각수 입구의 온도센서 고장으로 인한 제어고장을 모사하여 시뮬레이션 하였다.
- 흡수식 냉동기의 운전시간대는 09：00~18：00이며, 9월 4일~24일 중 흡수식 냉동기가 가동된 데이터를 1분 간격으로 수집하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 10개의 온도와 3개의 유량을 포함한 총 13개 측정점에 대해 데이터를 수집하였다.
- 본 연구에서는 고장현상 분석을 위한 측정점을 흡수식 냉동기에서 일반적으로 얻을 수 있는 온도점으로 선정하였다.
- 본 연구의 현장실증 실험에 사용된 1중 효용 중온수 흡수식 냉동기는 건물 냉방을 위한 정풍량 공조시스템에 설치되어 운전 중인 냉동기이며, 주요 사양과 측정점은 Table 1과 Fig. 1과 같다. 본 연구에서는 10개의 온도와 3개의 유량을 포함한 총 13개 측정점에 대해 데이터를 수집하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Oak Ridge national laboratory에서 개발한 흡수식 냉동기 시뮬레이션 프로그램인 “ABSIM”을 이용하여 무고장 시뮬레이션과 고장 모사 시뮬레이션을 수행하였다.
- 또한 만약 Table 3과 같이 고장의 진행방향이 결정되면 이를 이용해 고장원인을 진단할 수 있다. 본 연구에서는 Rossi and Braun(8)이 제안한 식(3)을 사용하여 고장원인을 진단하였다. 식(3)은 현재 발생된 고장이 j번째 고장원인에 의한 잔차의 진행방향과 유사할 확률을 계산한 식이다.
- 본 연구에서는 고장 검출을 위하여 표준화 거리 기법(Normalized distance method)을 적용하였으며, 고장모사 실험을 통해 고장진행에 따른 고장검출 성능을 확인하고 적용가능성을 검토하였다.
- 10은 식(2)를 이용하여 무고장 현장 데이터의 표준화 거리를 나타내었다. 본 연구에서는 고장판단 표준화 거리 기준을 기존 연구(8)와 선행 연구(7, 9)를 통해 사전에 선정하였다. 기존 연구에서는 무고장과 고장잔차 분포의 교차면적인 분류오차(Classification error)관계식을 적용하여, 측정 잔차 분포의 분류오차 값이 0.
성능/효과
- (1) 냉수 유량 감소 고장과 냉각수 유량 감소 고장의 경우, 고장이 발생하였을 때 잔차의 가장 큰 변화를 보이는 고장검출 인자는 응축온도였으며, 두 고장의 종류를 분류할 수 있는 주요 인자는 냉수 입구온도이다. 하지만 냉수 유량 감소 고장의 경우, 전체 측정점의 증가폭은 냉각수 유량 감소 고장보다 크지 않다.
- (2) 온수 유량 감소 고장의 경우, 온수 유량 감소로 인한 재생기의 열전달 성능이 감소하게 되고 농용액의 농도 감소로 고장진행에 따라 잔차의 가장 큰 변화를 보이는 고장검출 인자는 재생온도이다.
- (3) 흡수식 냉동기의 제어점인 냉수 출구온도와 냉각수 입구온도 센서의 민감도 저하로 인해 모든 고장검출 인자의 잔차는 감소하였으며, 두 고장의 종류를 분류할 수 있는 주요 인자는 냉수 입구온도이다.
- (4) 무고장 현장 데이터를 이용한 고장검출 기준모델을 개발하였으며, 이 때 사용된 모든 무고장 데이터의 표준화거리가 6 이하로 분포하고 있어서 무고장으로 잘 판단하였다.
- (5) 냉각수 유량 감소 고장의 경우 냉각수 유량이 19.3%정도 감소하였을 때 최초 고장으로 검출 할 수 있었으며, 냉수 유량 감소 고장의 경우 냉수 유량이 17.8%정도 감소하였을 때 최초 고장으로 검출할 수 있었다.
- (6) 냉각수 유량 감소 고장의 경우 무고장 상태의 흡수식 냉동기 COP보다 6.8% 감소하였을 때, 냉수 유량 감소 고장의 경우 무고장 상태의 흡수식 냉동기COP보다 4.7% 감소하였을 때 각각 최초 고장으로 검출 하였다.
- (7) 고장예측 확률법을 이용한 고장진단에서 5가지 고장에 대한 분류 예측 값 중 각 고장에 대한 고장예측 확률이 가장 큰 값으로 나타나서 고장의 원인에 대한 진단이 가능하였다.
- 4의 시뮬레이션 결과를 비교해보면, 냉수 유량감소 고장을 검출하는데 주요한 고장검출인자는 냉수 입구온도와 응축온도이며, 고장검출인자의 변화폭이 시뮬레이션에 비하여 크게 보이는 것은 각 고장검출인자의 잔차를 표준편차로 나누어 표준화 잔차(Normalized residual)로 나타내었기 때문이다. 냉수 유량감소 고장검출은 냉수 유량이 17.8% 정도 감소하였을 때 최초 고장으로 검출 할 수 있었다.
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