복합화력 발전소의 가스터빈 정비 의사 결정을 지원하기 위한 솔루션을 개발하였다. 대상 엔진은 군산 복합화력 발전소에서 사용하고 있는 MHI 501G 가스터빈이다. 개발된 솔루션은 다음과 같은 모듈들을 통해 최적의 정비주기 계산 결과를 제공해주며, 각 모듈에는 실시간 성능 감시, 모델기반 성능진단, 성능 경향분석, 최적 오버홀 정비주기 예측, 압축기 최적 세정주기 관리, BPT (Blade Path Temperature) 분석 기능이 포함되어 있다. 모델 기반 성능진단은 실시간으로 계측되는 성능 파라미터 데이터와 가스터빈 시뮬레이션 결과를 비교하여 그 차이를 분석하여 진단을 수행한다. 압축기 세정주기 분석은 압축기 성능과 정비비용 사이의 최적 점을 제시한다.
복합화력 발전소의 가스터빈 정비 의사 결정을 지원하기 위한 솔루션을 개발하였다. 대상 엔진은 군산 복합화력 발전소에서 사용하고 있는 MHI 501G 가스터빈이다. 개발된 솔루션은 다음과 같은 모듈들을 통해 최적의 정비주기 계산 결과를 제공해주며, 각 모듈에는 실시간 성능 감시, 모델기반 성능진단, 성능 경향분석, 최적 오버홀 정비주기 예측, 압축기 최적 세정주기 관리, BPT (Blade Path Temperature) 분석 기능이 포함되어 있다. 모델 기반 성능진단은 실시간으로 계측되는 성능 파라미터 데이터와 가스터빈 시뮬레이션 결과를 비교하여 그 차이를 분석하여 진단을 수행한다. 압축기 세정주기 분석은 압축기 성능과 정비비용 사이의 최적 점을 제시한다.
The solution was developed for the maintenance decision support of combined cycle power plant gas turbine. The developed solution was applied to MHI501G gas turbine and is, in present, on the process of field test at GUNSAN combined cycle power plant, South Korea. The developed solution provides the...
The solution was developed for the maintenance decision support of combined cycle power plant gas turbine. The developed solution was applied to MHI501G gas turbine and is, in present, on the process of field test at GUNSAN combined cycle power plant, South Korea. The developed solution provides the calculated result of optimal overhaul maintenance period through following modules: Real Time Performance Monitoring, Model-Based Diagnostics, Performance Trend Analysis, Optimal Overhaul Maintenance Interval, Compressor Washing Period Management, and Blade Path Temperature Analysis. Model-Based Diagnostics module analyzed the differences between the data of gas turbine performance model and the online measurement. Compressor washing management module suggests the optimal point of balancing between the compressor performance and the maintenance cost.
The solution was developed for the maintenance decision support of combined cycle power plant gas turbine. The developed solution was applied to MHI501G gas turbine and is, in present, on the process of field test at GUNSAN combined cycle power plant, South Korea. The developed solution provides the calculated result of optimal overhaul maintenance period through following modules: Real Time Performance Monitoring, Model-Based Diagnostics, Performance Trend Analysis, Optimal Overhaul Maintenance Interval, Compressor Washing Period Management, and Blade Path Temperature Analysis. Model-Based Diagnostics module analyzed the differences between the data of gas turbine performance model and the online measurement. Compressor washing management module suggests the optimal point of balancing between the compressor performance and the maintenance cost.
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문제 정의
EMAS의 개발 목적은 사용자가 가스터빈의 성능을 직관적으로 판단할 수 있도록 하는데 있다. 이를 위해 Main Window에서는 각 모듈에서의 계산 결과를 요약하여 현재 대기상태, 기준 성능 대비 현재 성능 변화율 분석, 오버홀 계획 및 예측 일자, 주요 성능 감시 변수 알람, BPT (Blade Path Temperature) 분포도, 압축기 효율 경향 분석 및 예측 세정주기 일자를 출력한다.
본 연구에서는 산업용 가스터빈의 정비 의사 결정을 지원하기 위한 시스템을 개발하였다. 이를 위하여 대상 가스터빈의 기준 성능 모델을 개발하고, 정비 의사결정에 필요한 정보를 제공하기 위한 솔루션을 개발하였다.
EMAS (Easy Maintenance Assistant Solution)는 이러한 투자의 일환으로 개발되었으며, 가스터빈 엔진의 온라인 상태감시, 성능 저하율 분석 및 성능 경향 분석, 경제성을 고려한 최적의 압축기 세정주기 및 최적 오버홀 주기 예측 모듈을 포함하고 있으며, 현재 한국서부발전 산하 군산 복합발전소에서 시험운용 중에 있다. 이 논문은 EMAS의 개발과 적용사례에 대해 기술한다.
제안 방법
2013년 5월말에 가스터빈에서 연료량 증가에 비해 출력이 증가되지 않은 현상이 발생되어 긴급점검을 수행하였다. 문제는 압축기 오염으로 인한 전체 출력이 저하되었고, 이에 따라 제작사의 제어기는 출력을 제한했던 것이다.
1과 같이 6개 모듈로 구성된다. 가스터빈으로부터 직접 측정되는 데이터는 데이터 서버를 통해 입력되고, 사용자가 직접 입력하는 데이터는 각 모듈에서 입력되도록 하였다. 데이터 서버는 대상 엔진과 EMAS 시스템이 설치되는 발전소에 따라 수정 및 재사용이 용이하도록 설계되었다.
가스터빈에서 직접 측정되는 실시간 데이터는 데이터 서버에 데이터베이스 형태로 저장되며, 모든 모듈에서 접근이 가능하다. 각 모듈은 필요에 따라 독립적 또는 상호 보완적으로 기능을 수행하며, 모듈 간의 인터페이스는 프로그램의 계산 및 데이터 관리 부하를 고려하여 최적화 된 설계를 수행하였다. 모든 화면 구성은 현장 환경과 사용자의 의견을 수렴하여 설계하였으며, 가스터빈의 전반적인 상황을 보여줄 수 있도록 메인 화면을 구성하였다.
1 ~ 3과 같다. 각 식은 GE 사의 수명저하 인자 및 저하계수 적용 방식[4]을 바탕으로 실제 성능 저하 경향 데이터를 적용한 경험식 형태로 개발되었다.
가스터빈으로부터 직접 측정되는 데이터는 데이터 서버를 통해 입력되고, 사용자가 직접 입력하는 데이터는 각 모듈에서 입력되도록 하였다. 데이터 서버는 대상 엔진과 EMAS 시스템이 설치되는 발전소에 따라 수정 및 재사용이 용이하도록 설계되었다.
하지만 운용사인 한국 서부발전 군산발전처는 오버홀 이후 수행하는 연소기 튜닝 결과를 통해 정상 운용 범위를 결정하여 사용하고 있다. 따라서 본 시스템에서 운용자의 의견을 반영하여 연소기 튜닝 후 일주일간의 데이터를 분석하여 얻은 결과를 정상 운용 범위로 설정하였다. 이를 바탕으로 향후 좀 더 빠른 점검을 할 수 있을 것으로 기대된다.
각 모듈은 필요에 따라 독립적 또는 상호 보완적으로 기능을 수행하며, 모듈 간의 인터페이스는 프로그램의 계산 및 데이터 관리 부하를 고려하여 최적화 된 설계를 수행하였다. 모든 화면 구성은 현장 환경과 사용자의 의견을 수렴하여 설계하였으며, 가스터빈의 전반적인 상황을 보여줄 수 있도록 메인 화면을 구성하였다.
시스템은 용도에 따라 6개의 모듈로 나눠지고, 필요에 따라 서브 모듈을 갖도록 설계하였다. 가스터빈에서 직접 측정되는 실시간 데이터는 데이터 서버에 데이터베이스 형태로 저장되며, 모든 모듈에서 접근이 가능하다.
이러한 기능들은 통해 현재 시스템 상태를 반영한 예측 오버홀 주기와 비교, 분석을 통해 제작사에서 제공한 오버홀 주기의 타당성을 검증하고 최적 정비주기 모델을 수립한다. 또한 최적 시스템 정비 관리를 통해 발전 효율과 가동율을 최대화하는데 활용될 수 있다.
본 연구에서는 산업용 가스터빈의 정비 의사 결정을 지원하기 위한 시스템을 개발하였다. 이를 위하여 대상 가스터빈의 기준 성능 모델을 개발하고, 정비 의사결정에 필요한 정보를 제공하기 위한 솔루션을 개발하였다.
정비주기 예측 모듈은 A, B, C급 오버홀의 대상 정비 구성품의 성능 분석을 통해 최적의 오버홀 주기를 예측하기 위해 개발되었다(Fig. 11). 주요 기능은 다음과 같다.
탈-설계점 성능 해석은 표준 대기조건과 대상 엔진이 설치된 군산의 1월과 8월의 평균 대기 조건에 대해 3가지 해석조건으로 수행하였으며, 제작사에서 제공한 주기계약서의 엔진 제작사 데이터 (출력 및 열 효율)와 비교하였다. 비교 결과는 Table 2, Fig.
프로그램은 기능의 확장성을 고려하여 각 기능별로 모듈화 하였으며 대상 가스터빈 변경 시 프로그램의 수정 및 재사용이 용이하도록 설계하였다. 현재 개발된 EMAS는 군산 복합 발전소에 설치되어 시험 운용 중이며, 추가적인 모듈에 대한 적합성 테스트를 수행 중이다.
대상 데이터
현재 개발되어 시험 운용 중인 EMAS의 대상 가스터빈은 Mitsubishi사(MHI)에서 개발한 MHI501G모델이다. 터빈 입구온도를 1500℃까지 높인 최신 기술의 엔진으로 한국에서는 군산 발전소에서 최초로 도입하여 운용 중에 있다.
성능/효과
4 및 5와 같다. 비교 결과, 최대 오차가 1.4%로서 모델링 오차가 비교적 적음을 알 수 있었으며, 이로 인해 상당히 정확한 열역학적 성능 모델이 개발되었음을 확인할 수 있었다.
후속연구
이러한 기능들은 통해 현재 시스템 상태를 반영한 예측 오버홀 주기와 비교, 분석을 통해 제작사에서 제공한 오버홀 주기의 타당성을 검증하고 최적 정비주기 모델을 수립한다. 또한 최적 시스템 정비 관리를 통해 발전 효율과 가동율을 최대화하는데 활용될 수 있다.
현재 개발된 EMAS는 군산 복합 발전소에 설치되어 시험 운용 중이며, 추가적인 모듈에 대한 적합성 테스트를 수행 중이다. 또한, 상태 진단 및 예측을 위한 DB를 생성 중에 있어 구성품 수명 예측 모듈을 추가 개발할 예정이다.
이러한 기능들은 실시간 시스템 성능 모니터링, MHI501G 성능 모델을 이용한 다양한 운용 조건에서의 성능 시뮬레이션, Model-based 성능 진단을 위한 기준 성능 계산, 기준 성능 대비 실제 시스템 성능의 차이 분석 등에 활용될 수 있다.
이러한 기능들을 통해 과거에서부터 현재까지의 가스터빈 성능 변화를 분석하여 향후 성능 예측에 활용할 수 있고, 기간별 성능 비교를 통해 시스템 성능 변화 추이를 분석할 수 있다.
따라서 본 시스템에서 운용자의 의견을 반영하여 연소기 튜닝 후 일주일간의 데이터를 분석하여 얻은 결과를 정상 운용 범위로 설정하였다. 이를 바탕으로 향후 좀 더 빠른 점검을 할 수 있을 것으로 기대된다.
현재 가스터빈 운용 비용(연료비, 정비비용, 손실비용 등) 및 판매 단가를 고려한 최적 세정주기를 계산하고, 제작사에서 제공한 세정주기 및 압축기 세정 비용의 경제적 타당성을 검토하는데 활용될 수 있다.
프로그램은 기능의 확장성을 고려하여 각 기능별로 모듈화 하였으며 대상 가스터빈 변경 시 프로그램의 수정 및 재사용이 용이하도록 설계하였다. 현재 개발된 EMAS는 군산 복합 발전소에 설치되어 시험 운용 중이며, 추가적인 모듈에 대한 적합성 테스트를 수행 중이다. 또한, 상태 진단 및 예측을 위한 DB를 생성 중에 있어 구성품 수명 예측 모듈을 추가 개발할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
EMAS(Easy Maintenance Assistant Solution)는 어떤 모듈을 포함하고 있는가?
EMAS (Easy Maintenance Assistant Solution)는 이러한 투자의 일환으로 개발되었으며, 가스터빈 엔진의 온라인 상태감시, 성능 저하율 분석 및 성능 경향 분석, 경제성을 고려한 최적의 압축기 세정주기 및 최적 오버홀 주기 예측 모듈을 포함하고 있으며, 현재 한국서부발전 산하 군산 복합발전소에서 시험운용 중에 있다. 이 논문은 EMAS의 개발과 적용사례에 대해 기술한다.
유지보수 산업의 영역 확장되는 이유는 무엇인가?
최근 기계 산업의 유지보수에 대한 관심이 높아지면서 제작사들은 유지보수 사업을 단순한 정비 및 부품지원에서 전체 수명 주기 동안의 운용관리 서비스까지 확장하고 있는 추세이다. 이러한 유지보수 산업의 영역 확장은 제품의 수명 증가, 신흥국의 원가 경쟁력 향상을 통해 신제품 수요가 감소하는 현상을 극복할 수 있는 수단으로 인식되고 있기 때문이다.
가스터빈의 유지보수 서비스 시장이 제작사를 중심으로 형성되어 운용사에 어떤 영향을 주는가?
가스터빈의 유지보수 서비스 시장의 상당수는 제작사를 중심으로 형성되어 있다. 이로 인해 실제 운용사에서는 가스터빈 정비 및 운용에 관한 데이터 관리가 소홀해 왔으며, 체계적인 운용 관리 환경을 반영하지 못하고 있다. 최근 화석연료의 고갈로 전력 생산 단가가 증가됨에 따라 가스터빈을 운용하는 발전사는 운용비용의 절감과 효율적인 발전소 시스템 운용을 위해 많은 인력과 자원을 투자하고 있다.
참고문헌 (5)
Korea Institute of Machinery & Materials Strategy Research, "Trends analysis and implications for machinery industry," KIMM, Issue No. 69, pp. 72-82, 2013.
Korea Western Power, "MHI501G Performance Contract," TR-M03-S2010-1566, 2010.
Walsh, P.P. and Fletcher, P., Gas Turbine Performance, 2nd ed., Blackwell Science, 2004.
David Balevic, Steven Hartman, Ross Youmans, "Heavy-Duty Gas Turbine Operating and Maintenance Considerations," GER-3620L.1, GE Energy, 2010.
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