ISSN 1225-7842 / eISSN 2287-402X http://dx.doi.org/10.7779/JKSNT.2016.36.3.181
1. 서 론
화력발전소의 보일러 내부에는 연소열을 고온 고압의 스팀으로 변환하기 위한 열교환 튜브 (tube)가 복잡한 형태로 배치되어 있으며, 이 튜
브는 화력발전소를 구성하는 주요 구성품 중 하 나로 고장 모니터링이 필요하다. 만약 보일러 튜 브에서 누설이 발생 시 500 MW급 화력발전소 기준으로 1일당 손실비용이 약 7억원이 발생하 며, 7일 연속 정지를 가정 시 약 50억원의 손실
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 Technology
이상범*✝, 노선만**
Sang Bum Lee*✝ and Seon Man Roh**
초 록 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 보일 러에서 다양한 크기(ⵁ2, ⵁ5, ⵁ10 mm)의 모의 누설시험을 실시하였으며, 그 결과 기존 시스템에서는 검출하 지 못하였던 미세누설(ⵁ2 mm, ⵁ5 mm)에 대해 개발된 시스템은 조기에 경보를 발생(18 dB 이상 신호 상승) 시킬 수 있음을 확인하였다.
주요용어: 음향방출, 튜브 누설, 미세누설, 보일러 튜브, 조기 탐지
Abstract 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.
Keywords: Acoustic Emission(AE), Tube Leak, Pin Hole, Boiler Tube, Early Detection
[Received: December 21, 2015, Revised: February 18, 2016, Accepted: March 9, 2016] *㈜렉터슨, **한국남동발전㈜
삼천포화력본부, ✝Corresponding Author: RECTUSON, Co., LTD, 59, Gwangnyeocheonnam-ro, Naeseo-eup, Masan Hoewon-gu, Changwon-si 51233, Gyeongsangnam-do, Korea (E-mail: [email protected])
ⓒ 2016, Korean Society for Nondestructive Testing
설 감시를 위한 모니터링 설비인 boiler tube leak detection system(BTLD)를 설치 및 운영 중에 있 어 보일러 튜브 누설 발생 여부를 온라인 모니터 링 중에 있다. 하지만, 현재 국내에 설치 운영 중 인 BTLD 시스템의 경우 대부분 초기 미세누설 에 대해서는 민감도가 떨어지며, 누설이 일부 진 행되어 파괴에 이르렀을 때 비로소 경보를 발생 시키게 된다. 이에 고장 수리에 많은 시간과 비 용이 발생하며, 사고 발생 인지 즉시(1~2일 이내) 보일러 기동을 정지해야 하기 때문에, 국내 전력 수급 계획에도 차질이 발생할 수 있어, 초기 미 세누설 발생 시부터 감지를 할 수 있는 시스템이 필요하다.
보일러 튜브 미세누설에 대한 유사한 연구로 Jirapoing Lim[2]은 heating coil tube의 normal 및 abnormal condition을 crest factor와 count rate를 이 용하여 small leak 실험연구에 중점을 두었으며, Lu Xueqin[3]은 water wall tube inspection의 비파 괴(NDT) 방식인 scanning system으로 corrosion과 erosion에 대한 연구를, Peng, Liansuo [4-6] 누설 신호를 수학적 계산법 기반의 다양한 알고리즘을 이용한 누설위치에 대한 연구를, Gao[7]은 온도, 압력, 유량을 통한 4개의 주요 튜브누설에 대한 연구가 최근 연구동향이며, 상기 연구는 4개의 주요 튜브가 아닌 한정된 튜브에 대한 수학적 알 고리즘의 적용 및 시험연구로서 누설평가에 대한 연구를 주로 하였다.
보일러가 운전 중일 때 관련된 데이터를 기반 으로 통합 누설 평가방법 및 누설 발생 시 해당 위치에 대한 정확성은 제시하지 못해 누설의 여 부만 파악할 수 있었다.
본 연구에서는 기존에 국내에서 설치 운영 중 인 BTLD의 문제점을 파악 한 후 초기 미세누설 발생 시 경보를 발생시켜, 최소의 비용과 시간으 로 고장 수리가 가능하고, 필요 시 누설 크기 정 도에 따라 발전 정지 일정을 조절하여 안정적인 전력 수급이 가능하게 할 수 있는 시스템을 개발 하고자 한다.
보일러 튜브 누설 조기 검출을 위해 본 연구에 서는 최근 미세균열 모니터링에 사용되는 비파괴 검사 기술 중 하나인 음향방출 기법(acoustic emission)을 적용 하였다. 음향방출 기법을 이용 하여 튜브에서 발생하는 미세누설 신호를 측정하 고, 이를 분석하여 조기경보를 발생시키고 그 유 효성을 입증하기 위해 실제 운전 중인 발전소에 서 다양한 크기의 누설을 모의 실험하였다.
2. 적용된 신기술
2.1. 진동, 음향방출 복합센서
기존 BTLD 시스템의 경우 0 ~ 33 kHz, 혹은 가청주파수인 20 Hz ~ 20 kHz 영역을 주로 모니 터링 하였으나, 아래 실험 식(1)에 의해 계산된 Table 1의 hole size별 누설 중심주파수를 보면 0.5 ~ 2 mm의 pin hole의 경우 34 kHz ~ 137 kHz 의 고주파 신호가 지배적임을 확인할 수 있었다.
(1)
여기서, u = speed of sound, D = hole diameter 이에, 본 연구에서는 미세누설 조기 검출을 위 해 후지세라믹사의 진동, 음향방출 복합센서를 사용하였다. 사용된 센서는 0 ~ 20 kHz의 진동 신호와 30 ~ 200 kHz의 음향방출 신호를 모두 수 집할 수 있는 센서이며, 2가지 밴드의 센서 신호 를 각각 다른 증폭비로 증폭하기 위한 전치증폭 기 및 주 증폭기도 별도 설계 및 제작 되었다.
진동 영역의 신호는 기존 시스템과 동일한 신 호를 모니터링하고, 음향방출 영역의 신호를 이
3 mm 22 kHz
4 mm 17 kHz
5 mm 13 kHz
6 mm 11 kHz
8 mm 8.6 kHz
10 mm 6.9 kHz
용하여 튜브를 타고 전파되는 미세누설 신호를 측정하였으며, 사용된 센서의 형상 및 구조는 Fig. 1과 같다.
2.2. Header부 센서 적용
보일러 내부에 있는 튜브에서 미세누설 시 전 달되는 음향방출 신호를 측정하기 위해서는 보일 러 튜브에 직접 센서를 부착해야 하나, 현실적으 로 한계가 있기 때문에, 각 튜브들이 모두 모이 는 header에 센서를 설치하였다. 또한, 누설에 의 한 신호가 전달되는 특성을 좋게 하기 위해서 inlet header가 아닌 outlet header에 센서를 부착 하였으며, 개념도 및 실제 설치 모습은 Fig. 2, Fig. 3과 같다.
2.3. 주파수 Band별 감시
보일러 튜브 누설 시 신호의 주파수 특성은 누 설 크기에 따라 변화하기 때문에, 미세누설 발생 시 민감하고, 측정된 신호를 분석하여 대략적인 누 설 크기를 추정하기 위해 측정된 신호에서 주파수 대역을 4단계로 나누어 trend 관리를 수행하였다.
각 주파수 band는 기존 30 kHz 이하의 모니터 링 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 감 시를 실시할 수 있게 구현하였다. Fig. 4는 구현 된 주파수 band별 trend 화면의 예시이다. 전체 주 파수 대역에 대한 trend와 함께 확인이 가능하다.
2.4. 신호기울기 감시
일반적인 alarm 감시 기법은 기준 level을 설정 후 신호가 설정된 기준 level을 초과하면 경보를 발생시키는 방식으로 신호가 base level에서 서서
히 증가하면서 기준 level까지 도달할 때까지는 경보를 발생시키지 못하는 것이 일반적이다.
하지만, 보일러 튜브 누설의 경우 미세한 pin hole에서는 신호가 아주 낮은 값을 유지하고 있 다가 hole size가 증가함에 따라 그 값도 서서히 증가하기 때문에 누설신호가 기준 level을 통과하 Fig. 1 Vibration, acoustic emission complex sensor
Fig. 2 Install concept to header part sensor
Fig. 3 Install photo to header part sensor
Fig. 4 Example for frequency band trend
기까지는 수 시간에서 수일까지 소요될 수도 있 다. 때문에, 현장에서는 신호가 기준 level에는 도 달하지 않았으나, 지속적으로 증가하는 추세를 보인다면 경보를 발생시켜줄 것을 요구하고 있 다. 이에, 본 시스템에서는 기울기를 분석하여 경 보를 출력시킬 수 있는 시스템을 개발하였다.
3. 현장 실증시험
3.1. 현장 설치
보일러 튜브 미세누설 검출을 위해 개발된 본 시스템은 한국남동발전 삼천포화력발전소 제1호 기에 시범 설치하였다.
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. 5와 같이 배치하였으며, 센 서를 지그재그로 설치한 것은 3차원 위치 추정을 수행하기 위함이다.
3.2. 모 의 누설시험
현장에 설치된 시스템의 성능을 확인하기 위한 가장 좋은 방법은 실제 보일러 내부 튜브에서 미 세누설이 발생하고, 이를 이용하여 검증하는 것 이나, 현실적으로 운전 중인 발전소 보일러 튜브
에 누설을 발생시킬 수는 없기 때문에, 모의로 누설을 유발시키고, 이를 측정하는 방식으로 시 험을 실시하였다.
시험은 삼천포화력발전소 1호기에서 실시되었 으며, 시험을 위해 사용된 모의 미세누설의 크기 는 3가지 종류로 2 mm, 5 mm, 10 mm 직경의 누 설시편을 이용하였고 Fig. 6과 같다. 또한, 누설에 사용된 steam은 실제 보일러 내부 튜브를 흐르는 steam 중 division SH에의 출력에서 뽑아 사용하 였고, 시험 시 steam의 압력은 안전을 고려하여 20 kgf/cm2 ~ 최대 30 kgf/cm2을 사용하였다.
실제 보일러 튜브가 아닌 임의의 튜브에 모의 누설을 발생시킬 경우 실제 보일러 튜브의 미세 누설 검출을 위해 header에 설치된 센서가 설계 의도대로 동작을 수행할 수 없기 때문에, header 에 설치된 센서를 가정하기 위해 모의 누설튜브 에 별도로 waveguide를 설치하여 센서를 설치하 였다. Fig. 7은 모의 누설튜브에 waveguide를 설 치한 모습이다.
5mm
Fig. 6 Simulated leakage tube
Fig. 7 Installed waveguide Fig. 5 Arrangement of the sensor
시험은 모의 누설튜브에 steam을 이용하여 압력을 인가하고, 2 mm, 5 mm, 10 mm로 가공된 모의 누 설에 의해 steam이 보일러 내부로 누설 될 때 발 생하는 신호를 기존 시스템과 본 연구에서 신규로 개발된 시스템에서 각각 데이터를 수집하여 그 반 응도를 비교 분석 하는 방식으로 수행하였다.
운전 중인 보일러 내부에 모의 누설된 튜브를 삽입하기 위해 보일러에 기설치되어 있는 점검창 을 이용하였고, 모의 누설튜브에 인가되는 압력 을 확인하기 위해 튜브에 압력계를 설치하여 누설 시 압력을 확인하면서 시험을 실시하였다.
Fig. 8은 시험을 수행할 당시 현장 사진이다.
3.3. 모 의 누설시험 결과
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 외벽 에 설치된 센서와 header에 설치된 센서 신호의 주파수 대역별 신호 크기를 비교하는 것으로 수 행하였다.
시험 결과 전체 주파수 대역에서는 wall에 설치 된 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.
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 반 응을 보임을 확인할 수 있었다.
각 시험조건별 반응 정도는 위 Table 3과 같으 며, 정상운전 시 신호 크기 대비 모의 누설 시 신호 크기 변화를 dB로 나타내었다. 각 조건별 취득된 신호의 trend 그래프는 Fig. 9와 같다.
이번 결과를 통해 튜브 누설 시 wall에 부착된 센서에 비해 header에 설치된 센서가 미세누설에 대해 더욱 민감하게 반응하는 것을 확인할 수 있 었으며, 누설 시 발생하는 신호의 주파수 특성을 추가적으로 확인하기 위해 주파수 대역별 trend 를 추가적으로 분석해 보았다.
Table 2 Test condition
Step Hole Size Pressure Duration
1 2 mm 20 kgf/cm2
5min
2 30 kgf/cm2
3 5 mm 20 kgf/cm2
4 30 kgf/cm2
5 10 mm 20 kgf/cm2
6 23 kgf/cm2
Table 3 Difference signal level by overall frequency
Test Step(Condition)
Signal difference (Compared to the normal
Operation)
Wall Header
1 (ⵁ2 mm, 20 kgf/cm2) No change 9 dB 2 (ⵁ2 mm, 30 kgf/cm2) No change 12 dB 3 (ⵁ5 mm, 20 kgf/cm2) 1 dB 15 dB 4 (ⵁ5 mm, 30 kgf/cm2) 1 dB 16 dB 5 (ⵁ10 mm, 20 kgf/cm2) 3 dB 17 dB 6 (ⵁ10 mm, 23 kgf/cm2) 4 dB 18 dB
Fig. 9 Signal trend for overall frequency Fig. 8 Test for simulated leakage by inspection door
주파수 대역별 trend에서는 wall에 부착된 센서 의 경우 1~30 kHz의 저주파 대역에서만 반응을 보였으며, 30 kHz 이상에서는 전혀 반응을 보이 지 않았다. 반면, header에 설치된 센서의 경우 2 mm 미세누설에서는 1 ~ 30 kHz의 저주파 대 역보다 오히려 60 kHz 이상의 고주파 대역에서 더욱 민감하게 반응을 보였으며, 누설 크기가 증 가함에 따라 고주파에서는 신호 크기가 크게 증 가하지 않지만, 저주파 대역에서 신호가 크게 증 가하는 것을 확인할 수 있었다.
이는 30 kHz 이하를 모니터링 하는 시스템에 서는 10 mm 이상의 누설에 대해 검출이 가능하 며, 5 mm이하의 미세누설을 모니터링 하기 위해 서는 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. 10에 정리하였다.
누설 크기에 따른 신호 특성의 차이를 보다 직 관적으로 확인하기 위해 Fig. 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 저주 파 신호가 5 mm에서는 약 3%, 10 mm에서는 약 6%로 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이
Fig. 10 Signal trend for frequency band
Table 4 Difference signal level by frequency band Test
Step
Signal difference (Wall installed sensor) 1~30 kHz 30~60 khz 60~90 kHz 90~200 kHz 1 2dB No change No change No change 2 2dB No change No change No change 3 10dB No change No change No change 4 12dB No change No change No change 5 20dB No change No change No change 6 21dB No change No change No change Test
Step
Signal difference (Header installed sensor) 1~30 kHz 30~60 khz 60~90 kHz 90~200 kHz
1 20 dB 37 dB 43 dB 43 dB
2 22 dB 41 dB 47 dB 45 dB
3 39 dB 45 dB 51 dB 48 dB
4 41 dB 47 dB 53 dB 50 dB
5 50 dB 50 dB 53 dB 51 dB
6 52 dB 51 dB 54 dB 55 dB
Fig. 11 Low frequency rate by leak hole size
는 누설 크기가 증가함에 따라 저주파 신호가 탁 월해짐을 나타내며 또한 미세누설에서는 고주파 신호가 지배적임을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
4. 결 론
발전소 보일러 튜브 미세누설 조기 검출을 위 한 시스템 개발 및 현장 검증을 실시하였으며, 그 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 미세누설 검출을 위해 고주파 신호를 측정할 수 있는 음향방출 기술을 적용하였으며, 효율 적인 신호 검출을 위해 header부에 센서를 직 접 설치하였고, 주파수 대역을 4단계로 나누 어 30 kHz 이상의 고주파 신호들이 미세누설 에 보다 민감하게 반응함을 확인하였다.
2) 2 mm, 5 mm, 10 mm의 모의 누설에 대해 운 전 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.
후 기
본 연구가 성공적으로 이루어 질 수 있도록 현 장 설치 및 시험을 위해 여러 방면으로 지원을 아 끼지 않으신 한국남동발전 삼천포화력본부 제1발 전소 임직원 여러분께 감사의 말씀을 드립니다.
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