[국내논문]음향방출법을 이용한 발전용 보일러 튜브 미세누설 조기 탐지 시스템 개발 및 성능 검증 Developing an Early Leakage Detection System for Thermal Power Plant Boiler Tubes by Using Acoustic Emission Technology원문보기
화력발전용 보일러 내부에는 연소열을 고온 고압의 스팀으로 변환하기 위한 열교환 튜브가 복잡한 형태로 배치되어 있다. 이 튜브에서 누설이 발생할 경우 고압의 스팀에 의해 치명적인 고장과 발전 정지를 초래하며, 누설 발생 여부를 조기에 검출하지 못할 경우 인근 튜브의 손상까지 연쇄적으로 발생하여 조기에 튜브 누설을 검출할 수 있는 기술 확립이 필요하다. 본 논문에서는 기존 보일러 튜브 누설 감시 설비(BTLD)에 음향방출(AE) 기술을 적용하여 기존 시스템 대비 미세누설을 검출하고 조기에 경보를 발생시킬 수 있는 시스템에 대해 개발을 하였다. 또한 이 시스템을 검증하기 위해 실제 운전 중인 560 MW급 화력발전소 보일러에서 다양한 크기(ⵁ2, ⵁ5, ⵁ10 mm)의 모의 누설시험을 실시하였으며, 그 결과 기존 시스템에서는 검출하지 못하였던 미세누설(ⵁ2 mm, ⵁ5 mm)에 대해 개발된 시스템은 조기에 경보를 발생(18 dB 이상 신호 상승)시킬 수 있음을 확인하였다.
화력발전용 보일러 내부에는 연소열을 고온 고압의 스팀으로 변환하기 위한 열교환 튜브가 복잡한 형태로 배치되어 있다. 이 튜브에서 누설이 발생할 경우 고압의 스팀에 의해 치명적인 고장과 발전 정지를 초래하며, 누설 발생 여부를 조기에 검출하지 못할 경우 인근 튜브의 손상까지 연쇄적으로 발생하여 조기에 튜브 누설을 검출할 수 있는 기술 확립이 필요하다. 본 논문에서는 기존 보일러 튜브 누설 감시 설비(BTLD)에 음향방출(AE) 기술을 적용하여 기존 시스템 대비 미세누설을 검출하고 조기에 경보를 발생시킬 수 있는 시스템에 대해 개발을 하였다. 또한 이 시스템을 검증하기 위해 실제 운전 중인 560 MW급 화력발전소 보일러에서 다양한 크기(ⵁ2, ⵁ5, ⵁ10 mm)의 모의 누설시험을 실시하였으며, 그 결과 기존 시스템에서는 검출하지 못하였던 미세누설(ⵁ2 mm, ⵁ5 mm)에 대해 개발된 시스템은 조기에 경보를 발생(18 dB 이상 신호 상승)시킬 수 있음을 확인하였다.
A thermal power plant has a heat exchanger tube to collect and convert the heat generated from the high temperature and pressure steam to energy, but the tubes are arranged in a complex manner. In the event that a leakage occurs in any of these tubes, the high-pressure steam leaks out and may cause ...
A thermal power plant has a heat exchanger tube to collect and convert the heat generated from the high temperature and pressure steam to energy, but the tubes are arranged in a complex manner. In the event that a leakage occurs in any of these tubes, the high-pressure steam leaks out and may cause the neighboring tubes to rupture. This leakage can finally stop power generation, and hence there is a dire need to establish a suitable technology capable of detecting tube leaks at an early stage even before it occurs. As shown in this paper, by applying acoustic emission (AE) technology in existing boiler tube leak detection equipment (BTLD), we developed a system that detects these leakages early enough and generates an alarm at an early stage to necessitate action; the developed system works better that the existing system used to detect fine leakages. We verified the usability of the system in a 560MW-class thermal power plant boiler by conducting leak tests by simulating leakages from a variety of hole sizes (ⵁ2, ⵁ5, ⵁ10 mm). Results show that while the existing fine leakage detection system does not detect fine leakages of ⵁ2 mm and ⵁ5 mm, the newly developed system could detect leakages early enough and generate an alarm at an early stage, and it is possible to increase the signal to more than 18 dB.
A thermal power plant has a heat exchanger tube to collect and convert the heat generated from the high temperature and pressure steam to energy, but the tubes are arranged in a complex manner. In the event that a leakage occurs in any of these tubes, the high-pressure steam leaks out and may cause the neighboring tubes to rupture. This leakage can finally stop power generation, and hence there is a dire need to establish a suitable technology capable of detecting tube leaks at an early stage even before it occurs. As shown in this paper, by applying acoustic emission (AE) technology in existing boiler tube leak detection equipment (BTLD), we developed a system that detects these leakages early enough and generates an alarm at an early stage to necessitate action; the developed system works better that the existing system used to detect fine leakages. We verified the usability of the system in a 560MW-class thermal power plant boiler by conducting leak tests by simulating leakages from a variety of hole sizes (ⵁ2, ⵁ5, ⵁ10 mm). Results show that while the existing fine leakage detection system does not detect fine leakages of ⵁ2 mm and ⵁ5 mm, the newly developed system could detect leakages early enough and generate an alarm at an early stage, and it is possible to increase the signal to more than 18 dB.
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문제 정의
본 연구에서는 기존에 국내에서 설치 운영 중인 BTLD의 문제점을 파악 한 후 초기 미세누설발생 시 경보를 발생시켜, 최소의 비용과 시간으로 고장 수리가 가능하고, 필요 시 누설 크기 정도에 따라 발전 정지 일정을 조절하여 안정적인 전력 수급이 가능하게 할 수 있는 시스템을 개발하고자 한다.
때문에, 현장에서는 신호가 기준 level에는 도달하지 않았으나, 지속적으로 증가하는 추세를 보인다면 경보를 발생시켜줄 것을 요구하고 있다. 이에, 본 시스템에서는 기울기를 분석하여 경보를 출력시킬 수 있는 시스템을 개발하였다.
제안 방법
각 주파수 band는 기존 30 kHz 이하의 모니터링 및 미세누설 시 고주파 민감도 등을 고려하여 1~30 kHz, 30~60 kHz, 60~90 kHz, 90~200 kHz로 구분하였고, 각 band별 alarm level을 설정하여 감시를 실시할 수 있게 구현하였다. Fig.
시험에 사용된 모의 누설 크기 및 압력은 아래 Table 2와 같으며, 각 조건에서 약 5분간 유지를 하고 다음 조건으로 변경하는 방식으로 시험을 진행하였다. 데이터 취득은 기존에 보일러 외벽에 설치된 센서와 header에 설치된 센서 신호의 주파수 대역별 신호 크기를 비교하는 것으로 수행하였다.
보일러 내부에 있는 튜브에서 미세누설 시 전달되는 음향방출 신호를 측정하기 위해서는 보일러 튜브에 직접 센서를 부착해야 하나, 현실적으로 한계가 있기 때문에, 각 튜브들이 모두 모이는 header에 센서를 설치하였다. 또한, 누설에 의한 신호가 전달되는 특성을 좋게 하기 위해서inlet header가 아닌 outlet header에 센서를 부착하였으며, 개념도 및 실제 설치 모습은 Fig. 2,Fig. 3과 같다.
발전소 보일러 튜브 미세누설 조기 검출을 위한 시스템 개발 및 현장 검증을 실시하였으며, 그 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
보일러 튜브 누설 시 신호의 주파수 특성은 누설 크기에 따라 변화하기 때문에, 미세누설 발생시 민감하고, 측정된 신호를 분석하여 대략적인 누설 크기를 추정하기 위해 측정된 신호에서 주파수대역을 4단계로 나누어 trend 관리를 수행하였다.
이에, 본 연구에서는 미세누설 조기 검출을 위해 후지세라믹사의 진동, 음향방출 복합센서를 사용하였다. 사용된 센서는 0 ~ 20 kHz의 진동 신호와 30 ~ 200 kHz의 음향방출 신호를 모두 수집할 수 있는 센서이며, 2가지 밴드의 센서 신호를 각각 다른 증폭비로 증폭하기 위한 전치증폭기 및 주 증폭기도 별도 설계 및 제작 되었다.
센서는 보일러 외벽(waterwall part)에 20개, header부에 8개를 설치하였으며, header부는 총 4 종류의 outlet header(division SH, platen SH, platen RH, finishing RH)부에 각 2개씩 설치하였다. 센 서 설치 위치는 Fig.
시험에 사용된 모의 누설 크기 및 압력은 아래 Table 2와 같으며, 각 조건에서 약 5분간 유지를 하고 다음 조건으로 변경하는 방식으로 시험을 진행하였다. 데이터 취득은 기존에 보일러 외벽에 설치된 센서와 header에 설치된 센서 신호의 주파수 대역별 신호 크기를 비교하는 것으로 수행하였다.
시험은 모의 누설 튜브에 steam을 이용하여 압력을 인가하고, 2 mm, 5 mm, 10 mm로 가공된 모의 누설에 의해 steam이 보일러 내부로 누설 될 때 발생하는 신호를 기존 시스템과 본 연구에서 신규로 개발된 시스템에서 각각 데이터를 수집하여 그 반응도를 비교 분석 하는 방식으로 수행하였다.
실제 보일러 튜브가 아닌 임의의 튜브에 모의누설을 발생시킬 경우 실제 보일러 튜브의 미세누설 검출을 위해 header에 설치된 센서가 설계의도대로 동작을 수행할 수 없기 때문에, header에 설치된 센서를 가정하기 위해 모의 누설튜브에 별도로 waveguide를 설치하여 센서를 설치하였다. Fig.
운전 중인 보일러 내부에 모의 누설된 튜브를 삽입하기 위해 보일러에 기설치되어 있는 점검창을 이용하였고, 모의 누설튜브에 인가되는 압력을 확인하기 위해 튜브에 압력계를 설치하여 누설 시 압력을 확인하면서 시험을 실시하였다. Fig.
보일러 튜브 누설 조기 검출을 위해 본 연구에서는 최근 미세균열 모니터링에 사용되는 비파괴검사 기술 중 하나인 음향방출 기법(acousticemission)을 적용 하였다. 음향방출 기법을 이용하여 튜브에서 발생하는 미세누설 신호를 측정하고, 이를 분석하여 조기경보를 발생시키고 그 유효성을 입증하기 위해 실제 운전 중인 발전소에서 다양한 크기의 누설을 모의 실험하였다.
이번 결과를 통해 튜브 누설 시 wall에 부착된 센서에 비해 header에 설치된 센서가 미세누설에 대해 더욱 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있었으며, 누설 시 발생하는 신호의 주파수 특성을 추가적으로 확인하기 위해 주파수 대역별 trend를 추가적으로 분석해 보았다.
진동 영역의 신호는 기존 시스템과 동일한 신호를 모니터링하고, 음향방출 영역의 신호를 이용하여 튜브를 타고 전파되는 미세누설 신호를 측정하였으며, 사용된 센서의 형상 및 구조는 Fig. 1과 같다.
현장에 설치된 시스템의 성능을 확인하기 위한 가장 좋은 방법은 실제 보일러 내부 튜브에서 미세누설이 발생하고, 이를 이용하여 검증하는 것이나, 현실적으로 운전 중인 발전소 보일러 튜브에 누설을 발생시킬 수는 없기 때문에, 모의로 누설을 유발시키고, 이를 측정하는 방식으로 시험을 실시하였다.
대상 데이터
보일러 튜브 미세누설 검출을 위해 개발된 본 시스템은 한국남동발전 삼천포화력발전소 제1호기에 시범 설치하였다.
시험은 삼천포화력발전소 1호기에서 실시되었으며, 시험을 위해 사용된 모의 미세누설의 크기는 3가지 종류로 2 mm, 5 mm, 10 mm 직경의 누설시편을 이용하였고 Fig. 6과 같다. 또한, 누설에사용된 steam은 실제 보일러 내부 튜브를 흐르는 steam 중 division SH에의 출력에서 뽑아 사용하였고, 시험 시 steam의 압력은 안전을 고려하여20 kgf/cm2 ~ 최대 30 kgf/cm2을 사용하였다.
이론/모형
보일러 튜브 누설 조기 검출을 위해 본 연구에서는 최근 미세균열 모니터링에 사용되는 비파괴검사 기술 중 하나인 음향방출 기법(acousticemission)을 적용 하였다. 음향방출 기법을 이용하여 튜브에서 발생하는 미세누설 신호를 측정하고, 이를 분석하여 조기경보를 발생시키고 그 유효성을 입증하기 위해 실제 운전 중인 발전소에서 다양한 크기의 누설을 모의 실험하였다.
이에, 본 연구에서는 미세누설 조기 검출을 위해 후지세라믹사의 진동, 음향방출 복합센서를 사용하였다. 사용된 센서는 0 ~ 20 kHz의 진동 신호와 30 ~ 200 kHz의 음향방출 신호를 모두 수집할 수 있는 센서이며, 2가지 밴드의 센서 신호를 각각 다른 증폭비로 증폭하기 위한 전치증폭기 및 주 증폭기도 별도 설계 및 제작 되었다.
성능/효과
1) 미세누설 검출을 위해 고주파 신호를 측정할 수 있는 음향방출 기술을 적용하였으며, 효율적인 신호 검출을 위해 header부에 센서를 직접 설치하였고, 주파수 대역을 4단계로 나누어 30 kHz 이상의 고주파 신호들이 미세누설에 보다 민감하게 반응함을 확인하였다.
2) 2 mm, 5 mm, 10 mm의 모의 누설에 대해 운전 중인 발전소를 대상으로 시험 결과 기존 시스템에서는 10 mm 누설에 대해서만 누설을 검출하였으며, 신규 개발된 시스템은 2 mm 누설까지도 효과적으로 검출할 수 있었음을 확인하였다.
3) 미세누설 시 60 kHz 이상의 신호가 민감하게 반응하였으며, 누설 크기가 증가함에 따라 30 kHz 이하의 저주파에서 민감하게 반응함을 확인하였다.
4) 현장 실증 시험을 통해 개발된 시스템이 기존 시스템에 비해 미세누설(2 mm)에 민감하게 반응하였고, 이를 통해 본 시스템이 발전소 보일러 튜브 미세누설을 조기 검출하기 위해 적합한 시스템임을 확인하였다.
11에서 전체 신호에 대해 저주파(1~30 kHz) 신호가 차지하는 비중을 누설 크기에 따른 변화 곡선으로 나타내었다. 그 결과 2 mm 누설에서는 약 0.5%만 차지하던 저주파 신호가 5 mm에서는 약 3%, 10 mm에서는 약 6%로 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 누설 크기가 증가함에 따라 저주파 신호가 탁월해짐을 나타내며 또한 미세누설에서는 고주파 신호가 지배적임을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
부터 3 dB 정도 증가하여 반응을 보이기 시작하였다. 반면 header에 설치된 센서의 경우 2 mm, 20 kgf/cm2에서부터 약 9 dB 상승하였으며, 10 mm 23 kgf/cm2에서는 18 dB가 상승하는 등 미세누설부터 10 mm 누설까지 아주 민감하게 반응을 보임을 확인할 수 있었다.
주파수 대역별 trend에서는 wall에 부착된 센서의 경우 1~30 kHz의 저주파 대역에서만 반응을 보였으며, 30 kHz 이상에서는 전혀 반응을 보이지 않았다. 반면, header에 설치된 센서의 경우 2 mm 미세누설에서는 1 ~ 30 kHz의 저주파 대역보다 오히려 60 kHz 이상의 고주파 대역에서 더욱 민감하게 반응을 보였으며, 누설 크기가 증가함에 따라 고주파에서는 신호 크기가 크게 증가하지 않지만, 저주파 대역에서 신호가 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
보일러가 운전 중일 때 관련된 데이터를 기반으로 통합 누설 평가방법 및 누설 발생 시 해당 위치에 대한 정확성은 제시하지 못해 누설의 여부만 파악할 수 있었다.
시험 결과 전체 주파수 대역에서는 wall에 설치된 센서는 2, 5 mm 20 kgf/cm2 , 30 kgf/cm2에서는 반응이 거의 없었으며, 10 mm 20 kgf/cm2부터 3 dB 정도 증가하여 반응을 보이기 시작하였다.
이는 30 kHz 이하를 모니터링 하는 시스템에서는 10 mm 이상의 누설에 대해 검출이 가능하며, 5 mm이하의 미세누설을 모니터링 하기 위해서는 60 kHz ~ 200 kHz 대역을 모니터링 할 수 있는 음향방출 센서를 header에 설치해야 함을 확인할 수 있었다. 주파수 대역별 신호 차이는 Table 4에 정리하였으며, 이때의 신호 trend를 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화력발전용 보일러 내부에는 무엇이 배치되어 있는가?
화력발전용 보일러 내부에는 연소열을 고온 고압의 스팀으로 변환하기 위한 열교환 튜브가 복잡한 형태로 배치되어 있다. 이 튜브에서 누설이 발생할 경우 고압의 스팀에 의해 치명적인 고장과 발전 정지를 초래하며, 누설 발생 여부를 조기에 검출하지 못할 경우 인근 튜브의 손상까지 연쇄적으로 발생하여 조기에 튜브 누설을 검출할 수 있는 기술 확립이 필요하다.
열교환 튜브에서 누설 발생시 피해는 어느정도인가?
화력발전소의 보일러 내부에는 연소열을 고온 고압의 스팀으로 변환하기 위한 열교환 튜브(tube)가 복잡한 형태로 배치되어 있으며, 이 튜브는 화력발전소를 구성하는 주요 구성품 중 하나로 고장 모니터링이 필요하다. 만약 보일러 튜브에서 누설이 발생 시 500 MW급 화력발전소 기준으로 1일당 손실비용이 약 7억원이 발생하며, 7일 연속 정지를 가정 시 약 50억원의 손실비용이 발생한다. 이러한 튜브 누설 사고는 국내 화력발전소에서 매년 연간 수회 ~ 수십 회 이상 발생하고 있어 그 손실비용은 수백 ~ 수천억 원의 경제적 손실이 발생하고 있다[1].
튜브에서 누설이 발생할 경우 어떤 문제가 발생하는가?
화력발전용 보일러 내부에는 연소열을 고온 고압의 스팀으로 변환하기 위한 열교환 튜브가 복잡한 형태로 배치되어 있다. 이 튜브에서 누설이 발생할 경우 고압의 스팀에 의해 치명적인 고장과 발전 정지를 초래하며, 누설 발생 여부를 조기에 검출하지 못할 경우 인근 튜브의 손상까지 연쇄적으로 발생하여 조기에 튜브 누설을 검출할 수 있는 기술 확립이 필요하다. 본 논문에서는 기존 보일러 튜브 누설 감시 설비(BTLD)에 음향방출(AE) 기술을 적용하여 기존 시스템 대비 미세누설을 검출하고 조기에 경보를 발생시킬 수 있는 시스템에 대해 개발을 하였다.
참고문헌 (7)
D. H. Kim and S. B. Lee, "Development of precise source location and leak monitoring technique 3D point location method for power plant boiler structure," 31st Conference of the European Working Group on Acoustic Emission - Th.2.A.3 (2014)
J. Lim and T. Kaewkongka "Leakage evaluation of heating coil tube in thermal oil boiler by using acoustic emission and data classification technique," IMTC 2008 - IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference proceedings, pp. 1659-1662 (2008)
L. Xueqin, L. Gang and L. Shangqing, "The development of the boiler water wall tube inspection," Proceedings of the Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT 2008), pp. 2415-2420 (2008)
P. Wang, L. An, G. Jiang, G. Shen and Y. Lu, "Notice of Retraction Boiler tube leakage acoustic localization error analysis," Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference, pp. 1-4 (2010)
L. An, P. Wang, G. Shen, J. Shi and Q. Feng, "Boiler tube leakage location optimization via adaptive gaussian mutation," Proceedings of the 8th World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA), pp. 15-19 (2010)
P. Wang, L. An, G. Shen, J. Shi and Y. Lu, "Boiler tube leakage acoustic localization base on AGA," Proceedings of the 8th World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA), pp. 3179-3183 (2010)
G. Jianquiang, Y. Xianglei and H. Zhifu, "Research on fuzzy recognition method of boiler four-tube leakage," the 2nd International Conference on Intelligent Control and Information Processing, pp. 391-393 (2011)
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