복합화력발전의 가스연료 공급계통에 대한 위험도 평가 기법 연구 (II) : 배관 시스템 응력 해석을 이용한 위험도 평가 Risk Assessment Technique for Gas Fuel Supply System of Combined Cycle Power Plants (II) : Based on Piping System Stress Analysis원문보기
복합화력발전 플랜트는 천연가스와 같은 연료로 가스 터빈을 작동시킨 후 잔류 열로 증기를 생산하는 사이클을 가지고 있다. 연료가스는 압축기 및 열교환기를 통해 4~5 MPa, $200^{\circ}C$ 수준의 상태로 가스터빈에 공급된다. 본 연구에서는 가스 연료공급 배관계통의 안전 운영 및 건전성 확보를 위해 배관 시스템 응력을 고려한 위험도 평가 기법 연구를 수행하였다. 위험도 평가 기법으로 잘 알려진 API 580/581 RBI 코드에서는 위험도에 배관 응력의 영향을 반영이 제한적이다. 따라서 배관 해석을 이용하여 배관의 시스템적 응력을 위험도의 파손확률로써 인자화하는 접근법을 제시하였다. 해석은 가상 발전 플랜트의 가스연료 공급 배관의 설계 데이터에 근거하여 배관 시스템 응력 해석을 수행하였다. API 코드에 의해서 평가된 파손확률 등급과 배관해석을 이용한 응력비 평가 결과를 비교하였다.
복합화력발전 플랜트는 천연가스와 같은 연료로 가스 터빈을 작동시킨 후 잔류 열로 증기를 생산하는 사이클을 가지고 있다. 연료가스는 압축기 및 열교환기를 통해 4~5 MPa, $200^{\circ}C$ 수준의 상태로 가스터빈에 공급된다. 본 연구에서는 가스 연료공급 배관계통의 안전 운영 및 건전성 확보를 위해 배관 시스템 응력을 고려한 위험도 평가 기법 연구를 수행하였다. 위험도 평가 기법으로 잘 알려진 API 580/581 RBI 코드에서는 위험도에 배관 응력의 영향을 반영이 제한적이다. 따라서 배관 해석을 이용하여 배관의 시스템적 응력을 위험도의 파손확률로써 인자화하는 접근법을 제시하였다. 해석은 가상 발전 플랜트의 가스연료 공급 배관의 설계 데이터에 근거하여 배관 시스템 응력 해석을 수행하였다. API 코드에 의해서 평가된 파손확률 등급과 배관해석을 이용한 응력비 평가 결과를 비교하였다.
The combined cycle power plant has a cycle of operating the gas turbine with fuel, such as natural gas, and then producing steam using residual heat. The fuel gas is supplied to the gas turbine at a level of 4 to 5 MPa, $200^{\circ}C$ through a compressor and a heat exchanger. In this stu...
The combined cycle power plant has a cycle of operating the gas turbine with fuel, such as natural gas, and then producing steam using residual heat. The fuel gas is supplied to the gas turbine at a level of 4 to 5 MPa, $200^{\circ}C$ through a compressor and a heat exchanger. In this study, the risk assessment method considering the piping system stress was carried out for safe operation and soundness of the gas fuel supply piping system. The API 580/581 RBI code, which is well known for its risk assessment techniques, is limited to reflect the effect of piping stress on risk. Therefore, the systematic stress of the pipeline is analyzed by using the piping analysis. For the study, the piping system stress analysis was performed using design data of a gas fuel supply piping of a combined cycle power plant. The result of probability of failure evaluated by the API code is compared to the result of stress ratio by piping analysis.
The combined cycle power plant has a cycle of operating the gas turbine with fuel, such as natural gas, and then producing steam using residual heat. The fuel gas is supplied to the gas turbine at a level of 4 to 5 MPa, $200^{\circ}C$ through a compressor and a heat exchanger. In this study, the risk assessment method considering the piping system stress was carried out for safe operation and soundness of the gas fuel supply piping system. The API 580/581 RBI code, which is well known for its risk assessment techniques, is limited to reflect the effect of piping stress on risk. Therefore, the systematic stress of the pipeline is analyzed by using the piping analysis. For the study, the piping system stress analysis was performed using design data of a gas fuel supply piping of a combined cycle power plant. The result of probability of failure evaluated by the API code is compared to the result of stress ratio by piping analysis.
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문제 정의
본 연구에서는 복합화력발전 플랜트 가스연료 공급 배관계에 대해 배관 시스템 응력을 고려한 위험도 평가 방법에 대해 연구하였다. 위험도 평가의 기존 API RBI 코드에서 고려하지 못한 손상을 고려하기 위해 배관의 시스템 응력해석 결과를 기반으로 위험도 평가 방법을 제시하였다.
하지만 API 코드에서 제시되는 방법은 복합발전 플랜트의 기동 정지 시 발생하는 배관의 시스템 응력에 의한 손상을 반영하지 않고 있으므로, 이를 반영할 필요성이 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 이를 보완하기 위해 배관 시스템 응력과 운전온도에서의 재질 항복강도의 비율로 하는 응력비를 통해 배관의 위험도를 평가하는 방법을 제시하였다.
제안 방법
(2) 복합화력발전 플랜트의 가스연료 공급 배관을 대상으로 배관해석을 수행하였다. 동절기와 하절기의 운전에 대해 해석조건을 설정하였다.
위험도 평가의 기존 API RBI 코드에서 고려하지 못한 손상을 고려하기 위해 배관의 시스템 응력해석 결과를 기반으로 위험도 평가 방법을 제시하였다. 대상이 되는 복합화력발전 플랜트 가스연료 공급 배관의 자료를 기반으로 배관해석을 수행하여, 응력과 응력비, 발생 위치를 평가하였다. 그 결과 얻은 결론은 다음과 같다.
지지대 대부분은 축방향으로의 변위가 자유롭고 상하좌우를 구속하는 가이드(guide) 유형이 적용되고 있으며, 일부 지지대는 단순 자중을 지지하는 슈(shoe)와 로드 행거(rod hanger)가 사용되었다. 배관과 설비의 연결부는 앵커(anchor)를 적용하였으며, 실제 설비가 배관을 완전 구속하기는 어려우므로 일부 신축이 가능한 구속조건을 적용하였다. 배관 전체적으로 대부분 A106-B 강재이며, 가스터빈에 인입 전에 일부구간에서는 A312-TP304 강재가 사용되었다.
실 운전 시에는 운전모드에 따른 연료 가스 유량에 큰 차이가 발생될 수 있으나, 배관해석에 가스 유량이 큰 영향을 미치지 않으므로 고려를 생략하였다. 배관해석은 각 해석 조건에서 정적해석을 수행하였다.
운전 중의 배관에서는 자중, 열팽창에 의한 열하중, 내압에 의해 배관계 전체적으로 영향을 받는 복잡한 조합응력이 발생된다. 본 연구에서는 배관 시스템 응력 해석을 위해 상용 솔버인 AutoPIPE V8i 소프트웨어를 사용하였으며, 해석을 위해 배관 코드로는 ASME B31.1 Power Piping 코드와 ASME B31.8 Gas Transmission and Distribution Piping system 코드를 적용하였다. 배관에 발생되는 시스템 응력 Von Mises 등 가응력으로 평가하였다[6,11-13].
본 연구에서는 복합화력발전 플랜트의 가스연료 공급 배관의 안전 운용을 위한 위험도 평가 기법에 대한 연구를 위해 배관 시스템 응력 해석을 이용하여 배관의 취약부의 위험도를 정량화하였으며, 기존 API RBI코드 기반 위험도 평가 결과와 비교하였다. 이를 위해 한 복합화력발전 플랜트의 설계 자료를 사용하여 가스 연료 공급 배관을 대상으로 배관 시스템 응력 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 복합화력발전 플랜트 가스연료 공급 배관계에 대해 배관 시스템 응력을 고려한 위험도 평가 방법에 대해 연구하였다. 위험도 평가의 기존 API RBI 코드에서 고려하지 못한 손상을 고려하기 위해 배관의 시스템 응력해석 결과를 기반으로 위험도 평가 방법을 제시하였다. 대상이 되는 복합화력발전 플랜트 가스연료 공급 배관의 자료를 기반으로 배관해석을 수행하여, 응력과 응력비, 발생 위치를 평가하였다.
는 비틀림에 의한 전단 응력이다. 응력해석 결과로부터 전체 배관에 발생되는 응력을 표준화하기 위해 응력비 평가를 제안하였다. 시스템 응력에 평가식은 다음과 같다[6].
본 연구에서는 복합화력발전 플랜트의 가스연료 공급 배관의 안전 운용을 위한 위험도 평가 기법에 대한 연구를 위해 배관 시스템 응력 해석을 이용하여 배관의 취약부의 위험도를 정량화하였으며, 기존 API RBI코드 기반 위험도 평가 결과와 비교하였다. 이를 위해 한 복합화력발전 플랜트의 설계 자료를 사용하여 가스 연료 공급 배관을 대상으로 배관 시스템 응력 해석을 수행하였다.
54 MPa, 200 ℃로 비교적 고압, 고온의 상태임을 알 수 있다. 해석케이스로는 동절기의 열전용 운전과 하절기의 전기전용 운전으로 두 경우를 설정하였다. 실 운전 시에는 운전모드에 따른 연료 가스 유량에 큰 차이가 발생될 수 있으나, 배관해석에 가스 유량이 큰 영향을 미치지 않으므로 고려를 생략하였다.
대상 데이터
배관과 설비의 연결부는 앵커(anchor)를 적용하였으며, 실제 설비가 배관을 완전 구속하기는 어려우므로 일부 신축이 가능한 구속조건을 적용하였다. 배관 전체적으로 대부분 A106-B 강재이며, 가스터빈에 인입 전에 일부구간에서는 A312-TP304 강재가 사용되었다.
복합화력발전 플랜트의 전형적인 가스연료 공급 배관을 예시로 설정하였다. 해석 대상 배관의 범위와 해석 케이스는 각각 Fig.
본 연구에서는 가스터빈 2기가 운용되는 복합화력발전 플랜트 가스연료 배관을 대상으로 하였으며, 밸브나 압축기 등의 설비에 연결되는 연료 배관만을 고려하였다. 정압기지로부터 공급되는 천연가스는 압축기를 통해 적정 압력으로 승압된다.
총 응력계산은 815개 지점에 대해 수행되었다. 해석 조건 1과 2에 대한 결과 중 높은 결과로 정리된 응력비 분포를 Fig.
이론/모형
8 Gas Transmission and Distribution Piping system 코드를 적용하였다. 배관에 발생되는 시스템 응력 Von Mises 등 가응력으로 평가하였다[6,11-13].
성능/효과
(1) 정유플랜트, 석유화학플랜트 등 공정플랜트에서 주로 적용되는 API 580/581 RBI 코드를 복합화력발전 플랜트의 가스연료 공급 배관에 적용함에 있어서 주요 손상기구를 유효하게 사용할 수 있다. 하지만 API 코드에서 제시되는 방법은 복합발전 플랜트의 기동 정지 시 발생하는 배관의 시스템 응력에 의한 손상을 반영하지 않고 있으므로, 이를 반영할 필요성이 있음을 확인하였다.
(3) 배관해석 결과와 API RBI 코드의 파손확률 평가결과를 비교하였으며, 코드에 의한 평가 시 고응력이 발생되는 배관부의 손상평가가 제한적임을 확인하였다. 두 방법의 상호보완적인 평가가 수행되어야 신뢰성 있는 위험도 평가가 수행될 수 있다.
2, 3등급의 7개 세그먼트들은 진동이 발생될 수 있는 설비 부근으로 피로에 대한 손상인자가 높게 평가되었다. 해당 세그먼트들에 포함된 지점에서의 배관해석 결과 응력비는 모두 0.
두 병렬배관의 양 끝단 쪽에서 길이방향 신축을 구속하는 지지조건이 형성되어 있으며, 배관 재질이 스테인리스강으로 변경되고 있다. A106-B 강재에 비해 A312-TP304 강재는 고온에서의 항복강도가 낮으므로, 응력비가 높게 평가되었다. 배관 전체적으로 발생되는 응력은 운전온도에서의 항복강도보다 낮으므로, 건전성을 가지고 있다고 판단된다.
코드에 의한 위험도 평가는 세그먼트 단위에서 수행되며, 연료 가스의 유로 분기 및 기계적 관점에서 세그먼트가 정의되었다. 총 452개의 세그먼트에 대한 결과를 나타내고 있으며, 대부분 안전한 PoF인 1등급에 해당하고 있으며, 가장 높은 파손확률은 3등급으로, 4개의 세그먼트가 평가되었다.
가스터빈 인입 전 각 배관에서는 열교환기를 통해 연료 가스를 승온시킨다. 최종적으로 가스터번에 인입될 때의 압력과 온도가 4.54 MPa, 200 ℃로 비교적 고압, 고온의 상태임을 알 수 있다. 해석케이스로는 동절기의 열전용 운전과 하절기의 전기전용 운전으로 두 경우를 설정하였다.
(1) 정유플랜트, 석유화학플랜트 등 공정플랜트에서 주로 적용되는 API 580/581 RBI 코드를 복합화력발전 플랜트의 가스연료 공급 배관에 적용함에 있어서 주요 손상기구를 유효하게 사용할 수 있다. 하지만 API 코드에서 제시되는 방법은 복합발전 플랜트의 기동 정지 시 발생하는 배관의 시스템 응력에 의한 손상을 반영하지 않고 있으므로, 이를 반영할 필요성이 있음을 확인하였다. 본 연구에서는 이를 보완하기 위해 배관 시스템 응력과 운전온도에서의 재질 항복강도의 비율로 하는 응력비를 통해 배관의 위험도를 평가하는 방법을 제시하였다.
후속연구
두 방법의 상호보완적인 평가가 수행되어야 신뢰성 있는 위험도 평가가 수행될 수 있다. 배관해석의 결과인 응력비를 API RBI 코드의 파손확률의 손상인자로서 효과적으로 포함시켜 위험도를 평가하는 것이 효율적인 RBI 평가가 될 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 초기 설계단계에서의 도면을 기반으로 모델링 및 해석이 되었으므로, 실제 위험도 평가 적용을 위해서는 현장 설치된 배관 및 배관 요소와의 비교에 의한 보완이 필요하다. 배관 해석 결과로의 배관 하중을 경계조건으로 이용하여 배관 요소의 상세 응력 해석, 피로해석 등을 수행할 수 있다.
배관과 특정 설비의 연결부위를 모사하는 앵커부는 완전 구속 조건으로 설정할 경우 비정상적인 과도한 응력이 발생하므로, 실제 특정 플랜트를 대상으로 RBI 해석을 수행할 때에는 앵커부의 현장 조건이 정확히 반영되는 해석이 필요하다. 본 연구의 배관해석은 초기 설계 자료에 기반하고 있으므로 실제 설비에 적용하기 위해서는 정확한 현장 조건들을 반영하여 평가가 수행되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가스터빈을 작동시키기 위한 대표적인 연료
복합화력발전 플랜트의 경우 천연가스 등의 연료를 이용하여 가스터빈을 통한 발전과 가스터빈 작동 후 잔열을 이용하여 배열회수보일러에서 발생된 증기로 증기터빈으로의 발전시키는 사이클을 가지고 있다. 가스터빈을 작동시키기 위해서 대표적인 연료로는 천연가스가 사용된다. 연료가스 정압기지로부터 2~3 MPa 수준의 비교적 고압으로 공급되며, 발전소 내에서 압축기 및 열교환기를 통해 4~5MPa, 200℃ 상태까지 승압, 승온 된다.
복합화력발전 플랜트의 사이클은?
최근 국내 발전 산업에 복합화력발전 플랜트의 운용 및 건설이 확장되고 있다. 복합화력발전 플랜트의 경우 천연가스 등의 연료를 이용하여 가스터빈을 통한 발전과 가스터빈 작동 후 잔열을 이용하여 배열회수보일러에서 발생된 증기로 증기터빈으로의 발전시키는 사이클을 가지고 있다. 가스터빈을 작동시키기 위해서 대표적인 연료로는 천연가스가 사용된다.
기존의 발전플랜트와는 차별적으로 고온 고압의 연료가스에 대해 신뢰성 높은 위험도 평가를 통한 안전관리가 필요한 이유는?
가스터빈을 작동시키기 위해서 대표적인 연료로는 천연가스가 사용된다. 연료가스 정압기지로부터 2~3 MPa 수준의 비교적 고압으로 공급되며, 발전소 내에서 압축기 및 열교환기를 통해 4~5MPa, 200℃ 상태까지 승압, 승온 된다. 고압의 내부 가스는 배관에 높은 내압응력 발생을 수반하며, 상온보다 높은 온도에서 사용되는 배관은 열팽창에 의해 열응력이 발생된다. 또한 플랜트의 운영 특성 상 잦은 기동, 정지가 발생된다면 피로에 대한 주의 및 관리가 필요하다. 따라서 기존의 발전플랜트와는 차별적으로 고온 고압의 연료가스에 대해 신뢰성 높은 위험도 평가를 통한 안전관리가 필요하다[1-2].
참고문헌 (13)
Bang, H. J., et al., 2017, Integrated Safety Management of Combined Power Plant, Proceeding of the Conference of KIGAS, pp. 180-180
Kim, M. W., et al., 2017, A Study on the Risk Assessment Method for Safety Management of the Combined Cycle Power Plant, Proceeding of the Conference of KOSEE, No. 4 pp. 31-31
Shim, S. H., et al., 2002, Development of a RBI Procedure and Implementation of a Software Based on API Code (I) - Qualitative Approach", KOSOS, Vol. 17, No. 3, pp. 66-72, 2002
Song, J. S., et al., 2002, Development of RBI Procedures and Implementation of a Software Based on API Code (II) - Semi-Quantitative Approach", KOSOS, Vol. 17, No. 4, pp. 110-118
Choi, J. W., 2009, A Study on Risk Based Management Procedure for Fossil Power Plant, Chung-Ang University, Ph. D. Dissertation (in Korean)
Jeong, S. Y., et al., 2013, Structural Integrity Evaluation by System Stress Analysis for Fuel Piping in a Process Plant, KOSOS, Vol. 28, No. 3, pp. 44-50
Park, D. J., et al., 2014, A Study on System Stress Analysis of High Temperature Plant Piping with Expansion Joints and Load Hangers, KOSEE, Vol. 23, No. 3, pp. 116-124
Yoon, K. B., et al., 2015, Stress Relaxation Cracking in 304H stainless steel weld of a chemical reactor serviced at $560^{\circ}C$ , Engineering Failure Analysis, Vol. 56, pp. 288-299
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