[논문]퍼지 논리를 이용한 원자력 발전소 고압터빈 밸브 고장진단

김연태; 정병욱; 백경동; 김성신

퍼지 논리를 이용한 원자력 발전소 고압터빈 밸브 고장진단
Fault Diagnosis for High Pressure Turbine Valve using Fuzzy Logic 원문보기

김연태 (부산대) , 정병욱 (부산대) , 백경동 (부산대) , 김성신 (부산대)

본 논문은 원자력 발전소의 주요 제어계통 중에서 터빈 조속기 제어계통에 관련한 성능평가를 목적으로 한다. 터빈 조속기 계통은 고압의 유압계통으로 구성되어 있어 구동설비가 복잡하다. 복잡한 기계설비는 운전 중 많은 오동작에 의한 고장을 일으키고, 유지보수에 어려움이 있다. 이러한 복잡한 기계설비에 있어 운전원에 의한 기계성능 평가는 불리한 점이 많다. 예를 들어 서로 다른 시간에서 일어나는 같은 상황에 대해 다른 판단을 내릴 수 있다는 점이다. 터빈 조속기 계통의 기계설비에 있어서 터빈 밸브 유압공급 및 구동장치는 각 터빈벨브 자체에 부착되어 있어 터빈벨브를 동작시킨다. 터빈벨브들은 구동기 유압 서보실린더(Actuator Hydraulic Servo Cylinder)에 의해 열리고 압축된 스프링에 의해 닫힌다. 이러한 시스템을 진단하기 위해서 본 논문에서는 밸브의 내부 압력의 특징정보를 입력으로 하는 퍼지이론을 적용하여 터빈 밸브 구동설비의 성능을 판단하고자 한다. 퍼지이론에 적용하기위해 터빈 조속기 제어계통의 고압 터빈 조절 벨브와 고압 터빈 정지 밸브의 압력변화 데이터를 이용한다. 퍼지이론의 적용과정에서 퍼지 Rule은 실제 운전원이 압력변화 데이터에 대한 판단기준을 근거로 하여 정하기로 한다. 그리고 퍼지이론에 적용한 결과를 분석하고 실제 터빈 조속기 계통의 전문가가 판단 결과와 비교하였다.

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문제 정의

최근에 와서 인공지능적인 기법 등을 이용하여 터빈 조속기의 고장 진단에 많은 연구가 이루어지고 있다[4]. 본 논문에서는 측정 가능한 신호를 이용해서 발전소의 주요 제어계통의 고장을 조기에 진단하여 효율적인 제어 시스템을 적용하고자 한다.
본 논문은 고리 원자력 발전소 고리 1, 2호기의 고압 터빈 밸브의 유압계 고장진단을 연구하였다. 고압터빈의 운전을 제어하는 밸브는 4개의 정지 밸브와 4개의 조절밸브로 구성되어 있으며 모든 밸브의 구동은 유압으로 이루어진다.
2(X)1 년부터 2005년 말까지 고리 2호기에서 동설비 고장이 약 30여 건 발생 하였고 정확한 고장 진단에 고심하고 있다. 본 논문은 고장진단에 퍼지논리를 사용하여 이를 통해 문제점을 진단하고 그 해결 방안을 찾고자 한다.
본 연구에서는 비슷한 구조를 가지는 고압 터빈 정지 밸브와 조절밸브의 상태를 진단한다. 4개의 각 고압 터빈 정지밸브 (stop valve) 와 조절밸브 (governing vavle)의 성능 평가는 퍼지논리로 평가한다.

제안 방법

조절밸브의 상태를 진단한다. 4개의 각 고압 터빈 정지밸브 (stop valve) 와 조절밸브 (governing vavle)의 성능 평가는 퍼지논리로 평가한다. 퍼지 멤버쉽 함수는 고압터빈 정지 밸브와 조절 밸브의 입력파형을 관찰하여 얻는다.
또한 덤프 솔레노이드 코일 단선에 의한 밸브 긴급닫힘, 펌프 구동용 모터 마그넷 계전기 고장에 의한 펌프 정지, 서보밸브 내부 이물질에 의한 밸브 스윙 등 다양한 고장에 의해 밸브가 닫히거나 순간적으로 스윙한 후 그 증상 이사라지는 등 원인 파악이 어렵다. 복잡한 구동 설비에 대한 계측과 고장진단은 simulator 및 유압조절, 실린더 누설 오일 등급, 각종 구동설비 자료도면 분석 등을 통해 판단한다. 2(X)1 년부터 2005년 말까지 고리 2호기에서 동설비 고장이 약 30여 건 발생 하였고 정확한 고장 진단에 고심하고 있다.
본 연구에서 고압터빈 밸브의 성능 판단을 위한 특징 정보로 일반적으로 사용되는 loading 시간과 unloading 시간 그리고 새로이 unloading의 패턴을 이용하였다. 그러나 기존에 성능 평가지수로 사용되었던 loading 시간은 그림 4와 같이 정지, 조절 밸브 두 밸브에서 동일하게 좋지 못한 분별력을 가짐을 볼 수 있었다.
이들 밸브로부터 얻을 수 있는 계측 정보는 한정적으로 내부 유압계의 압력의 변화만을 관찰 할 수 있었다. 이러한 압력 정보의 분석을 통해 정지밸브와 조절 밸브의 운용을 위한 내부 유압계의 노후정도 혹은 고장을 퍼지 논리를 이용하여 추론 하였다. 퍼지 논리를 이용하기 위한 입력 변수로 기존의 전문가의 밸브 성능판별 요소인 압력의 loading/unloading 시간의 관찰 방법이 아닌 밸브의 내부 압력의 unloading 시간 관찰과 함께 unloading 패턴을 사용하여 압력 누출을 간접적으로 추론 할 수 있었다.
그러나 기존에 성능 평가지수로 사용되었던 loading 시간은 그림 4와 같이 정지, 조절 밸브 두 밸브에서 동일하게 좋지 못한 분별력을 가짐을 볼 수 있었다. 이러한 이유로 본 논문에서는 unloading 시간과 unloading 패턴을 퍼지논리의 입력변수로 정하였으며. 이를 이용하여, 압력계의 상태를 진단하겠다.
이는 벨브에서 loading완료 직후의 최고압력 포인트와 최저압력 포인트를 직선으로 연결했을 때의 삼각형면적과 삼각형면적을 뺀 실제 그래프에서 면적의 나머지를 비율로 수치화한다. 이를 고장진단을 위한 퍼지 로직읠 입력으로 사용하였다.
이러한 이유로 본 논문에서는 unloading 시간과 unloading 패턴을 퍼지논리의 입력변수로 정하였으며. 이를 이용하여, 압력계의 상태를 진단하겠다.

이론/모형

있다. 여기서 추론방법은 Mamdani를 사용하였으며, de-fuzzification하기 위한 방법으로는 COA(Centroid Of Area)방법을 사용하였다. 그림 7은 정지밸브의 de-fuzzy 결과는 값이 작은 어두운 영역이 누설량이 작고 설비의 건전함이 양호함을 나타낸다.

성능/효과

이를 이용하여 고압터빈의 정지밸브와 조절 밸브의 상태진단이 효과적으로 이루어 질 수 있음을 실험적으로 중명 하였다. 본 연구에서 제시한 진단알고리즘의 응용으로, 밸브 구조 변화에 따른 밸브 성능 변화를 즉각적으로 판별할 수 있게 도와줌으로써, 밸브 유압계 누설을 줄일 수 있는 실험과 성능 검증을 보다 더 정확하고, 빠르게 진행 할 수 있는 좋은 도구로 사용 될 수 있음을 보여주었다.
퍼지 논리를 이용하기 위한 입력 변수로 기존의 전문가의 밸브 성능판별 요소인 압력의 loading/unloading 시간의 관찰 방법이 아닌 밸브의 내부 압력의 unloading 시간 관찰과 함께 unloading 패턴을 사용하여 압력 누출을 간접적으로 추론 할 수 있었다. 이를 이용하여 고압터빈의 정지밸브와 조절 밸브의 상태진단이 효과적으로 이루어 질 수 있음을 실험적으로 중명 하였다. 본 연구에서 제시한 진단알고리즘의 응용으로, 밸브 구조 변화에 따른 밸브 성능 변화를 즉각적으로 판별할 수 있게 도와줌으로써, 밸브 유압계 누설을 줄일 수 있는 실험과 성능 검증을 보다 더 정확하고, 빠르게 진행 할 수 있는 좋은 도구로 사용 될 수 있음을 보여주었다.
이러한 압력 정보의 분석을 통해 정지밸브와 조절 밸브의 운용을 위한 내부 유압계의 노후정도 혹은 고장을 퍼지 논리를 이용하여 추론 하였다. 퍼지 논리를 이용하기 위한 입력 변수로 기존의 전문가의 밸브 성능판별 요소인 압력의 loading/unloading 시간의 관찰 방법이 아닌 밸브의 내부 압력의 unloading 시간 관찰과 함께 unloading 패턴을 사용하여 압력 누출을 간접적으로 추론 할 수 있었다. 이를 이용하여 고압터빈의 정지밸브와 조절 밸브의 상태진단이 효과적으로 이루어 질 수 있음을 실험적으로 중명 하였다.

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