[논문]발전소용 가스터빈 회전축 온도 센서 융합연구

이정익; 나기수

doi:10.15207/jkcs.2019.10.12.293

발전소용 가스터빈 회전축 온도 센서 융합연구
A Convergency Study on the Gas Turbine Rotation Axis Temperature Sensor for Power Plants 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.10 no.12, 2019년, pp.293 - 298

이정익 (인하공업전문대학 기계설계과) , 나기수 ((주)센테크이엔지 연구소)

초록
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전 세계 발전소용 온도 센서 시장은 약 350억 원대로 추정되며 우리나라는 이 중 95% 이상을 수입제품에 의존하고 있다. 본 연구는 발전소용 가스터빈 회전체의 온도 측정장치이며 국내 가동되는 100MW급 가스터빈 발전기의 약 800개 이상에 적용 가능하다. 본 연구는 측정부의 형태, 연결부 구조 및 소재 변경 등을 통해 내구성을 향상 시킨것으로 정밀화학공정 및 플랜트 수출 산업에서 사용되는 습도, 가스, 유압 등의 다른 측정장치에서도 적용 가능한 요소 기술이다. 본 연구의 성과로는 발전소용 가스터빈 회전축 온도 측정을 위한 센서 3종으로 설계된 온도 센서는 0℃ - 300℃ 범위에서 Class 1등급 온도 정밀도를 만족하였으며 융합연구를 통하여 기존의 유사 제품들과 비교하여 내구성을 크게 향상시켰다.

Abstract ▼ AI-Helper

The global market for temperature sensors for power plants is estimated at around 35 billion won, of which South Korea relies on imported products for more than 95 percent. This study is that a temperature measurement device for gas turbine rotators for power plants and can be applied to more than 800 of 100 MW gas turbine generators operating in Korea. This study has improved durability by changing the shape of the measuring part, structure of the connecting part, and material changes, and is a component technology applicable to other measuring devices such as humidity, gas and hydraulic pressure used in precision chemical process and plant export industry. As a result of this study, temperature sensors designed as three types of sensors for measuring the temperature of the gas turbine for power plants met Class 1 temperature accuracy in the range of 0℃ to 300℃, and improved durability significantly compared to similar products.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Example of a previously developed rotating shaft bearing temperature sensor
그림 Fig. 2. Characteristics of electromotive force by thermocouple type
그림 Fig. 3. Design drawings for 40 mm measuring parts
그림 Fig. 4. Design drawings for 7.5 mm measuring parts
그림 Fig. 5. Design drawings for 3.3 mm measuring parts
그림 Fig. 6. Three stages output part drawing of SEN-120
그림 Fig. 7. Three stages output part photo of SEN-120
표 Table 1. Types and specifications of measuring parts
그림 Fig. 8. Three stages output part drawing of SEN-120D
그림 Fig. 9. Three stages output part photo of SEN-120D
그림 Fig. 10. Three stages output part drawing of SEN-120DO
그림 Fig. 11. Three stages output part photo of SEN-120DO
그림 Fig. 12. Mean temperature error and precision of SEN-120
그림 Fig. 13. Mean temperature error and precision of SEN-120D
그림 Fig. 14. Mean temperature error and precision of SEN-120DO

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 수력, 화력, 원자력 등과 같은 가스터빈 발전설비를 사용하는 산업현장에서 터빈의 회전축 내부의 베어링 및 유체 온도 등을 측정하여 발전설비의 제어 안정성 및 발전 효율 정밀 관리를 수행하는 0℃ - 300℃ 범위의 온도 측정이 가능한 Class 1등급을 만족하는 가스터빈 회전축 온도 센서를 개발하는 것이다. Fig.
가스터빈 회전체온도 센서의 특성은 현장의 구조 특성상 측정부와 데이터 취합 장소(PLC) 혹은 사용자 디스플레이 확인 장소가 멀리 떨어져 있는 경우가 많아서 유선으로 연결되는 구간에 대한 특별한 내구성 확보 방안이 필수적이며, 특히 Wire의 끼임이나 눌림 등으로 인한 단락 등 빈번하게 발생하므로 다단 커넥터 연결 구조 형태가 더 우수함을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 산업현장에서 가장 선호되는 다단 커넥터 연결 특성을 만족하기 위하여 가장 보편적인 특성을 갖는 3단 분리 형태를 적용한 3종류의 가스터빈 회전체 온도 센서를 시제품화 하였으며, 특히 국내에서 운영 중인 대표적인 100MW급(GE 제품) 가스터빈용 발전설비에 바로 적용할 수 있도록 현장 맞춤형으로 제작가능하다[13-15].

제안 방법

1. 발전소용 가스터빈 회전축 온도 측정을 위한 센서 3종을 설계 제작하였으며 0℃-300℃ 범위에서 Class 1등급(±1.5℃)를 만족시킨다.
센서 3종은 각각 1, 2, 3단의 출력부 설계를 하여 Class 1등급을 만족시키도록 설계하였다. 1단계에서는 측정부 2개를 서로 다른 곳에 위치시켜 온도를 측정하도록 하였고, 2단계에서는 Wire 선의 안정된 고정을 위하여 커넥터 내부에 Epoxy 몰딩 처리를 했으며, 마지막 3단에서는 1 m 이상의 출력선을 가지며 선의 씹힘과 눌림을 방지하기 위해서 고장력 flexible로 출력선을 보호할 수 있도록 설계하였다.
2. 센서 3종은 각각 1, 2, 3단의 출력부 설계를 하여 Class 1등급을 만족시키도록 설계하였다. 1단계에서는 측정부 2개를 서로 다른 곳에 위치시켜 온도를 측정하도록 하였고, 2단계에서는 Wire 선의 안정된 고정을 위하여 커넥터 내부에 Epoxy 몰딩 처리를 했으며, 마지막 3단에서는 1 m 이상의 출력선을 가지며 선의 씹힘과 눌림을 방지하기 위해서 고장력 flexible로 출력선을 보호할 수 있도록 설계하였다.
5t×70mm)을 사용하여 구성하도록 설계하였다. 2단 연장부는 Wire 선의 안정된 고정을 위하여 커넥터 내부에 Epoxy 몰딩 처리를 하도록 설계하였으며 케이블은 내열 등급을 갖는 테프론으로 제작하였다. 3단 출력부는 14000mm 길이의 출력선을 가지며 선의 씹힘이나 눌림을 방지하기 위하여 고장력 Flexible로 출력선을 보호할 수 있도록 설계하였다.
2단 연장부는 Wire 선의 안정된 고정을 위하여 커넥터 내부에 Epoxy 몰딩 처리를 하도록 설계하였으며 케이블은 내열 등급을 갖는 테프론으로 제작하였다. 3단 출력부는 14000mm 길이의 출력선을 가지며 선의 씹힘이나 눌림을 방지하기 위하여 고장력 Flexible로 출력선을 보호할 수 있도록 설계하였다. SEN-120의 3단 출력부 설계도와 사진은 Fig.
M8 나사의 고정 유격을 위해 고탄성 스프링(4.8×3.6×0.5t×15mm)을 사용하였고 센서 출력선의 내구성을 보완하기 위하여 와이어 스프링(4×2.9×0.5t×70mm)을 사용하여 설계하였다.
M8나사의 고정 유격을 위해 고탄성 스프링(4.8×3.6×0.5t×15mm)을 사용하였고 센서 출력선의 내구성을 보완하기 위하여 와이어 스프링(4×2.9×0.5t×70 mm)을 사용하여 설계하였다.
5mm와 40mm 측정부가 각각 Double 구성되어 4곳의 온도를 동시측정이 가능하도록 설계하였다. SEN-120DO의 1-1단은 7.5mm 측정부 2개를 서로 다른 곳에 배치해 온도를 측정할 수 있도록 설계 제작하였으며, 1-2 단은 40mm 측정부 2개를 서로 다른 곳에 배치해 온도를 측정할 수 있도록 설계 제작되었다. M8 나사의 고정 유격을 위해 고탄성 스프링(4.
SEN-120D는 서로 다른 길이를 갖는 3.3mm와 7.5mm 측정부가 각각 Double 구성되어 4곳의 온도를 동시측정이 가능하도록 설계하였다. SEN-120D의 1-1단은 3.
SEN-120은 구조가 가장 간단한 기본형이며 서로 다른 길이를 갖는 2개의 동일 측정부로 2곳의 온도를 동시측정이 가능하도록 설계하였다. SEN-120의 1단은 40mm 측정부 2개를 서로 다른 곳에 위치시켜 온도를 측정할 수 있도록 설계 제작하였으며 M8 나사의 고정 유격을 위해 고탄성 스프링(4.
SEN-120의 1단은 40mm 측정부 2개를 서로 다른 곳에 위치시켜 온도를 측정할 수 있도록 설계 제작하였으며 M8 나사의 고정 유격을 위해 고탄성 스프링(4.8×3.6×0.5t ×15mm)을 사용하였고 센서 출력선의 내구성을 보완하기 위하여 와이어 스프링(4×2.9×0.5t×70mm)을 사용하여 구성하도록 설계하였다.
열전대 시즈는 공정 작업도, 가용 온도 및 가격 등을 고려하는 3Ø로 결정하였으며 안정성과 보완성을 고려하여 소선은 2Wire Double을 선정하였다. 본 연구에서는 가격 및 기전력 특성, 온도 특성을 고려해 Class 1등급 정밀도 특성이 가능하도록 소선을 K-타입으로 결정하고 열전대 센서 모듈을 설계한다[11,12].
센서 구조의 요구조건인 과 삽입방지 고정부와 출력선의 단락방지(씹힘 및 찍힘) 확보를 위한 스프링 구조를 포함한 내구성 확보 방안을 적용하였다. 홀 고정나사는 가장 일반적인 가스터빈 인입구 홀 고정나사 Size인 M8×1.
시제품 SEN-120DO는 서로 다른 길이를 갖는 7.5mm와 40mm 측정부가 각각 Double 구성되어 4곳의 온도를 동시측정이 가능하도록 설계하였다. SEN-120DO의 1-1단은 7.
열전대 시즈는 공정 작업도, 가용 온도 및 가격 등을 고려하는 3Ø로 결정하였으며 안정성과 보완성을 고려하여 소선은 2Wire Double을 선정하였다.
열전대는 여러 가지의 종류가 있지만, 사용장소, 용도에 따라서 적정한 것을 선정하는 것이 중요하며 온도를 정확하게 측정하기 위해서는 열전대의 선정의 내열, 내식, 내진동성을 고려한 보호관 등의 선정, 구조 및 부착방법(위치), 온도 범위별 기전력 특성 등을 고려해야 한다. 열전대 온도 범위가 0℃-300℃이므로 T Type, J Type, K Type, E Type 열전대이며 4개의 열전대 특성을 테스트한 후에 특성이 좋은 열전대 1개를 선택하여 열전대 센서 모듈을 설계, 제작한다. 열전대 시즈는 공정 작업도, 가용 온도 및 가격 등을 고려하는 3Ø로 결정하였으며 안정성과 보완성을 고려하여 소선은 2Wire Double을 선정하였다.
측온점의 접점 형태는 고속으로 흘러가는 유체의 흐름에 강인한 삼각형(118°) 구조로 설계 및 제작하였으며, 센서부와 측온점 사이는 절연을 고려한 3mm 간격을 유지하도록 제작하여 응답속도 대비 내구성을 확보하도록 하였다.

대상 데이터

12, 13, 14에 나타내었다. 시료는 3종 18개로 하고 SEN-120, SEN-120D, SEN-120DO 각각 6개씩으로 하였다.
홀 고정나사는 가장 일반적인 가스터빈 인입구 홀 고정나사 Size인 M8×1.25P을 적용하였다.

이론/모형

측온점의 접점 형태는 고속으로 흘러가는 유체의 흐름에 강인한 삼각형(118°) 구조로 설계 및 제작하였으며, 센서부와 측온점 사이는 절연을 고려한 3mm 간격을 유지하도록 제작하여 응답속도 대비 내구성을 확보하도록 하였다. 출력의 안정적인 이중확보를 위하여 pair선(관리자 Display용 및 보조 PLC용)을 제품군(SEN-120D 및 SEN-120DO)에 적용하여 설계하였다.

성능/효과

4. 설계된 가스터빈 회전체의 온도 측정장치의 설계 노하우를 이용하면 정밀 화학 공정, 플랜트 수출 산업에서 습도, 가스, 유압 등의 측정장치에도 적용 가능하며, 식품, 약품, 중화학 공정, 철강 제련 등과 같은 진공, 클린, 고위험군 설비 등에서도 사용가능하다.
발전소용 가스터빈 회전축 온도 측정을 위한 센서 3종으로 설계된 온도 센서는 0℃ - 300℃ 범위에서 Class 1등급 온도 정밀도를 만족하였으며, 융합연구를 통하여 기존의 유사 제품들과 비교하여 내구성을 크게 향상시켰다. 이에 대한 결론은 다음과 같다
정밀 제어 산업현장에서 제품의 질적 향상 및 설비의 안정성을 도모하기 위해서는 반드시 온도 측정장치가 필요하다[4,5]. 발전용 산업현장에서 요구되는 온도 센서는 UL/IEC/EN 61010-1(UL 873) 규격을 만족해야 하며 가장 열악한 산업현장을 기준으로 평균 가용수명 6개월(Life cycle)과 40s(열 시정수(1T))대의 응답속도를 갖는 것으로 평가된다. 국내에서 운영되고 있는 기존의 100MW급 이상 가스터빈용 발전설비는 95% 이상 GE, 지멘스 및 MHPS 등 해외 유명 기업의 제품들을 사용하고 있으며 소모품을 포함한 제어 기반 요소 부품들 또한 설계 적용된 국외 제품을 현장에서 100% 사용되는 실정이다[6,7].
시제품 3종에 대한 0℃- 300℃ 온도 범위에서 3 포인트 온도 기준점(0, 150, 300)을 대상으로 온도 정밀도 시험을 한 결과 SEN-120의 18개 포인트의 평균 오차는 0℃에서 0.35, 150℃에서 0.52, 300℃에서 1.0℃로 측정되었으며, SEN- 120D는 18개 포인트에서 평균 오차는 0℃에서 0.37, 150℃에서 0.65, 300℃에서 1.0℃로 측정되었고, SEN-120DO의 18개 포인트의 평균 오차는 0℃에서 0.30, 150℃에서 0.65, 300℃에서 0.83℃로 측정되어 총 56개 포인트 모두 Class 1 등급(±1.5℃)을 만족함을 보여주었다.

후속연구

3. 설계된 3종 센서는 국내 운영 중인 800개 이상의 가스터빈 발전기에 적용 가능하고 부가 산업의 품질안정과 기술력 확보에 크게 기여할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온도 측정장치가 필요한 이유는?	정밀 제어 산업현장에서 제품의 질적 향상 및 설비의 안정성을 도모하기 위해서는 반드시 온도 측정장치가 필요하다[4,5]. 발전용 산업현장에서 요구되는 온도 센서는 UL/IEC/EN 61010-1(UL 873) 규격을 만족해야 하며 가장 열악한 산업현장을 기준으로 평균 가용수명 6개월(Life cycle)과 40s(열 시정수(1T))대의 응답속도를 갖는 것으로 평가된다.
	발전용 산업현장에서 사용되는 온도 측정장치의 규격과 특징은?	정밀 제어 산업현장에서 제품의 질적 향상 및 설비의 안정성을 도모하기 위해서는 반드시 온도 측정장치가 필요하다[4,5]. 발전용 산업현장에서 요구되는 온도 센서는 UL/IEC/EN 61010-1(UL 873) 규격을 만족해야 하며 가장 열악한 산업현장을 기준으로 평균 가용수명 6개월(Life cycle)과 40s(열 시정수(1T))대의 응답속도를 갖는 것으로 평가된다. 국내에서 운영되고 있는 기존의 100MW급 이상 가스터빈용 발전설비는 95% 이상 GE, 지멘스 및 MHPS 등 해외 유명 기업의 제품들을 사용하고 있으며 소모품을 포함한 제어 기반 요소 부품들 또한 설계 적용된 국외 제품을 현장에서 100% 사용되는 실정이다[6,7].
	온도 센서의 역할은?	Fig. 1과 같은 온도 센서는 식품, 약품, 중화학 공정 및 철강 제련 등과 같이 진공, 클린, 고위험군 설비 등을 사용하는 산업 현장에서 배관의 표면, 배관 내부의 유체 온도 및 회전축 베어링 내부의 온도 등을 측정하여 제어의 안정성 및 제품의 정밀 품질 관리를 수행하는 매우 중요한 제어 요소이다[1-3].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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