A Study on the Seal Life Improvement of the Hydraulic Servo Actuator for Steam Control of Power Plants

(1)

http://dx.doi.org/10.7839/ksfc.2018.15.2.032

발전소 스팀제어용 유압서보 액추에이터의 씰 수명 향상에 관한 연구 A Study on the Seal Life Improvement of the Hydraulic Servo

Actuator for Steam Control of Power Plants

이용범

^1*

․이종직

¹

Yong Bum Lee and Jong Jik Lee

Received: 8 Mar. 2018, Revised: 19 Apr. 2018, Accepted: 26 Apr. 2018

Key Words：Power Plant(발전소), Hydraulic Servo Actuator(유압서보 액추에이터), Hydraulic Fluid(유압 작동유), Seal(씰), Air and Gas(기체)

Abstract: The power plants use turbine output control devices to supply or shut off steam to high pressure and low-pressure steam turbines connected to generators. This turbine output control device is driven by a hydraulic servo actuator. The gas flows into the hydraulic servo actuator during periodic inspection or normal operation, and the resulting adiabatic compression of the gas raises the internal temperature of the actuator to 500 ℃.

This temperature increase causes the seals to burn and show wear and tear, resulting in failure.

In this study, an air vent valve was installed to allow gas inside the hydraulic servo actuator to flow large quantities of air at the beginning of the operation and after the periodic inspection. Gas was passed through for only minute flow during normal operation of the power plant. By applying the air vent valve, it improves the reliability of the hydraulic servo actuator by discharge the gas appropriately to improve the life of the seal.

* Corresponding author: [email protected]

1 156 Gajeongbuk-Ro, Korea Institute of Machinery &

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://

creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

기호 설명

k

: 단열 지수 [공기, k=1.4]

P

: 압력 [MPa]

V

: 공기 부피 [cm

³

] T: 온도 [K 혹은 ℃]

하첨자

1 : 압축 전 2 : 압축 후

1. 서 론

원자력/화력 발전소의 발전기는 고압 및 저압증기 터빈들이 직렬로 연결되어 있으며, Fig. 1과 같이 터 빈출력제어장치(turbine power control device)에 의해 제어되는 증기량에 따라서 발전출력이 결정된다. 이 터빈출력제어장치는 유압서보 액추에이터(hydraulic servo actuator)로 열어(open) 스팀을 공급하고, 큰 강철 스프링의 힘으로 스팀을 차단(closed)하는 제어를 한다.

발전소의 유압서보 액추에이터는 주기적 정비를 할 때 존재하는 공기와 발전 중에 유압 작동유 내에 혼입되어 들어오는 기체(air & gas)가 배출되지 못하 고 씰(Seal) 부분에 누적되며, 작동 압력에 의한 기체 의 단열압축으로 온도가 상승하여 씰을 태우고 마찰 과 마모를 발생시켜 큰 고장의 원인이 되고 있다.

¹⁾

본 연구에서는 발전소용 유압서보 액추에이터에

누적되었던 공기를 저압에서 고유량으로 토출하고

고압에서는 저유량을 배출시키는 공기배출밸브(air

vent valve)를 적용하여 씰의 내구성을 향상시킴으로

써 유압서보 액추에이터의 신뢰성을 향상시켰다.

(2)

2. 본 론

2.1 발전소의 터빈출력제어장치 구성

원자력/화력 발전소에서는 고온 대유량의 증기를 고압터빈 및 저압터빈에 공급하는 터빈출력제어장치 를 다수 사용하고 있다. 한국 표준형 원자력발전소의 증기 터빈 구성을 보면, Fig. 2와 같이 고압(HP : High Pressure) 터빈과 저압(LP : Low Pressure) 터빈 이 동일 축선 상에 직렬로 연결되어 있다. 터빈 입구 측에 설치된 터빈제어 밸브는 정상 운전 중에는 증 기 발생기로부터 공급되는 증기량을 미세 조절하여 터빈 속도 및 발전기 출력을 조절하고, 비상시에는 터빈제어 밸브를 긴급하게 차단하여 고속으로 회전 하는 터빈을 안정적으로 정지할 수 있도록 보호하는 역할을 한다. 이러한 터빈제어 밸브는 역할에 따라 다음과 같이 구성되어 있다. 비상시나 정지 시에 고 압터빈에 공급되는 증기를 차단하는 주 증기 정지밸 브(MSV : Main Stop Valve) 4개, MSV와 고압터빈 사 이에 존재하여 유입되는 증기량을 미세하게 조절하 는 주 증기 조절밸브(CV : Control Valve) 4개, 비상 시나 정지 시에 저압 터빈에 유입되는 증기를 차단 하는 재열 증기 정지밸브 (ISV : Intercept Stop Valve) 6개 및 ISV와 저압터빈 사이에 존재하여 터빈 과속 을 방지하기 위한 재열 증기 제어밸브(IV : Intercept Valve) 6개가 있다.

^2-4)

Fig. 1 Configuration of the Thermal Power Generation System

2.2 유압서보 액추에이터의 고장

유압서보 액추에이터는 주기적으로 정비를 할 때 설치 구조상 유입된 공기의 배출이 불가능하고 발전 중에 미세하게 유입되는 기체 또한 Fig. 3과 같이 배 출되지 못하고 Sealing 부분에 누적된다.

Fig. 2 Configuration of Turbine Power Control Device in Nuclear Power Plant

이는 발전소의 운전 조건이 액추에이터의 변위가 크지 않고 매우 느려서 액추에이터 내부에 있는 전 량의 유압유가 배출되지 못하고 비중 차에 의해서 기체가 지속적으로 누적되는 현상이다.

액추에이터의 내부에 누적되는 기체는 식 (1)과 같 이 이상기체의 법칙에서 단열압축에 의한 온도가 높 게 상승하여 씰(seal)을 태우고 윤활 저하와 마찰을 가속시켜서 Fig. 4와 같이 마모 고장을 발생시킨다.

발전소에서 유압시스템의 유온은 50 ℃로 관리하 고 있으며, 비상 정지를 고려한 급속 닫힘 시험(quick closing test)을 할 때 쿠션 부분의 최고 압력은 21 Mpa 까지 상승되어서 서보 액추에이터 내부의 기체 는 약 500 ℃ 이상까지 높게 상승함으로써 씰을 태 워 손상시키고 마찰을 증가시킨다.

¹⁾

Fig. 3 Failure case of Hydraulic Servo Actuator



_

 

_

 

_



_



_



_

 

_

 ^ 

_



_



^^{  }^

(1)



_

   



^ 



^^{  }^

≒    ≒ ℃

(3)

(a) Seal damaged by burning

(b) Cylinder scratch by seal friction Fig. 4 Failure of Piston Seal & Tube

발전소에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 유 압서보 액추에이터의 고압 부분에서 저압 부분으로 고정 형 오리피스(Fixed type orifice)를 설치하여 상시 일정량의 누유가 존재하도록 하여 기체를 배출시키 고 있었다. 그러나 원자력발전소의 발전기 1기당 부 착된 20개의 유압서보 액추에이터에서 많은 유량을 상시 누유 시킴으로서 큰 동력 손실과 유압 펌프를 빈번하게 on-off 작동시켜서 전기모터의 과열로 인한 고장과 공급 밸브의 막힘 고장 등이 추가적으로 발 생한다.

⁵⁾

2.3 고정 형 오리피스의 해석

기존 유압서보 액추에이터는 잔존하는 공기와 발 전을 위한 작동 중 발생되는 공기를 배출하기 위해 Fig. 5와 같이 고정 형 오리피스를 내장하여 헤드부 에 공급되는 고압의 유압유를 로드부로 누유 시켰다.

현재 발전소 현장에서 유압서보 액추에이터에 고정 형 오리피스(0.6 mm)를 설치하여 상시 누유를 허용 하고 있으므로, Fig. 6과 같이 모델링을 한 후 Fig. 7 과 같이 시뮬레이션을 하여 압력별 통과 유량을 산 출하였다.

원자력발전소에서 110 bar 의 압력으로 유압서보 액추에이터를 운전하고 있는 것을 고려하여 시뮬레 이션 한 결과 1 개의 오리피스에서 약 1.52 L/min이 누유가 되며, 원자력발전소 발전기 1기당 20개의 유 압서보 액추에이터를 사용함으로써 발전기 1기당 최 대 30.4 L/min의 누유가 되고, 화력발전소 발전기 1

Fig. 5 Fixed type Orifice

Fig. 6 Modeling of Fixed type Orifice

Fig. 7 Simulation result of Fixed type Orifice

기당 10개의 유압서보 액추에이터를 사용함으로써 발전기 1기당 최대 15.2 L/min의 누유가 되는 것을 확인하였다.

¹⁾

2.4 공기배출밸브의 설계 및 해석

유압서보 액추에이터의 정비 후 누적되어 있는 많

은 량의 공기를 발전 초기에 배출하고, 발전 중에는

유입되는 적은 량의 기체를 배출하는 압력 감응 형

공기배출밸브를 Fig. 8과 같이 설계하였다. 공기배출

밸브의 작동은 스프링 힘에 의하여 초기에 열린 상

태에서 스풀의 양측 단면적 차에 압력을 곱한 힘과

밸브의 작동은 스프링 힘에 의한 균형을 깨고 스풀

이 스프링을 압축하면서 작동된다. 이는 설계 압력

12 bar 이하에서 오리피스 지름에 비례하여 많은 유

(4)

량을 통과시켜 빠르게 기체를 배출하고, 설정 압력을 초과하면 통과 유량을 차단하고 밸브 스풀의 노치 (notch)를 통하여 미량의 유량만 배출함으로써 발전 소의 유압시스템 계통의 유량 손실을 최소화하였다.

Fig. 8 Design of the air vent valve for turbine power control device

Fig. 9 Modeling of the Air Vent Valve

Fig. 10 Simulation Result of Air Vent Valve

해석 모델은 압력을 받는 3개의 단면과 스풀의 질 량, 밸브의 압력 설정값을 결정하는 스프링 특성과 댐핑 기능 및 밸브의 유량 특성을 결정하는 스풀과 하우징 사이의 틈새와 오리피스의 직경 및 노치 등 의 파라미터를 변화가 가능하도록 Fig. 9와 같이 모 델화하고 시뮬레이션을 통해서 각각의 설계 변수에 대한 검토를 수행하였다.

^6-7)

모델의 최적화는 오리피스 수량을 1개로 했을 때 와 4개로 했을 때의 유량 특성을 Fig. 10과 같이 분 석하였다.

2.5 공기배출밸브의 시험장치

공기배출밸브의 시험을 위해서는 유압동력발생장 치(Hydraulic Power Unit)로부터 유압 동력을 공급받 아 ① servo valve를 이용하여 압력을 정밀 제어하여 증가 또는 감소시키도록 하였다. ② flow sensor는 공 기배출밸브의 전단부에 설치되어 서보밸브를 통하여 공급되는 유량을 측정할 수 있도록 하였다. ③ pressure sensor는 공기배출밸브의 작동 압력을 측정 할 수 있도록 하였으며, 시험용 시료를 장착하기 위 해 ④ test block을 제작하여 쉽게 교체하여 성능시험 을 할 수 있도록 Fig. 11과 같이 구성하였다.

Fig. 11 Test equipment of the Air Vent Valve

2.6 공기배출밸브의 시험결과

공기배출밸브의 성능시험은 servo valve를 PID 제 어하여 입구 압력을 설정 시간 동안 설정 압력까지 선형적으로 상승시키도록 하였으며, 공기배출밸브의 스프링 선경을 0.8 mm, 0.9 mm 및 1.0 mm로 3 종류 의 성능시험을 수행하였다.

Fig. 12와 같이 공기배출밸브의 입구 압력을 서서

히 증가시키면 압력에 따라 유량도 서서히 증가하는

것을 알 수 있다. 스프링 선경 0.8 mm의 공기배출밸

브는 (a)와 같이 입구 압력이 25.1 bar에서 밸브가 닫

혀 유량은 차단되는 것을 확인하였고 밸브가 닫히기

전 최대 유량은 1.351 L/min로 유압서보 액추에이터

내의 기체를 충분히 배출하다가 공기배출밸브가 닫

(5)

히는 압력 이상에서는 유량을 차단하고 노치에 의한 적은 량의 유량(약 0.07 L/min)만 배출하는 것을 확인 하였다. 또한 0.9 mm, 1.0 mm의 스프링 선경을 교체 하여 공기배출밸브의 성능시험을 진행하였으며 결과 값은 Table 1 과 같았다.

Table 1 The test result of the Air Vent Valve Spring Wire Diameter 0.8 mm 0.9 mm 1.0 mm Pressure [bar] 25.1 29.9 31.6 Flow [L/min] 1.351 1.735 1.842

(a) Spring wire diameter 0.8 mm

(b) Spring wire diameter 0.9 mm

(c) Spring wire diameter 1.0 mm

Fig. 12 The test results of the air vent valve

발전소의 정비를 할 때 존재하는 많은 량의 공기 는 공기배출밸브가 저압에서 많은 유량을 통가 시켜 서 빠르게 배출하고 정상 운전 중에 미세하게 유입 되는 공기는 공기배출밸브를 닫고 노치에 의해서 미 세 유량만 배출하는 압력 감응 형 공기배출밸브를 적용하여 발전 중에 통과 유량을 크게 감소시킬 것 으로 기대한다.

3. 결 론

본 연구에서는 원자력/화력발전소의 핵심설비인 터빈출력제어장치용 유압서보 액추에이터의 주 고장 모드인 씰(seal)의 원인을 유압유에 누적되는 기체(air + gas) 분석하고, 정기적인 정비 후에 혼입되는 공기 와 정상 운전에서 유입되는 기체를 압력 감응 형 공 기배출밸브를 설계하여 고장 원인을 해소하였다.

1) 공기배출밸브의 유량 특성은 공기배출밸브의 크기가 동일할 때, 3 종류의 스프링 선경에 대한 유 량 특성시험을 통해 스프링 선경에 영향을 받는 것 을 확인하였다.

2) 압력 감응 형 공기배출밸브 설계하고 모델링 및 시뮬레이션을 해석을 통하여 최적화하고 밸브를 제 작하여 실험 결과 저압에서 1.351 ~ 1.842 L/min 수 준의 많은 량이 배출되었고, 고압 0.07 L/min 수준의 미세 량이 배출되었다.

3) 유압서보 액추에이터에 공기배출밸브를 설치함 으로써 액추에이터 내부에 잔류하는 기체를 배출함 으로써 Seal burning, 마찰 및 마모 등의 주요 고장모 드를 근본적인 해결을 할 수 있었다.

후 기

이 연구는 "다이어프램형 흡.배기 밸브용 축압기의 신뢰성 향상(과제번호: MO8320)"의 연구비 일부지원 으로 수행되었음을 밝힙니다.

References

1) Y. B. Lee and J. J. Lee, "A Study on the Air Vent Valve of the Hydraulic Servo Actuator for Steam Control of Power Plants," Trans. Korean Soc. Mech.

Eng. B, Vol. 40, No. 6, pp. 397~402, 2016.

(6)

2) I. K. Choi, J. A. Kim, J. H. Woo and M. S. Shin,

"Selection of Operating Parameters and Management of Operation Console for Protection and Control of Steam Turbine in a Korea Standard Type Nuclear Power Plant," Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, Vol. 25, No. 4, pp. 71∼78, 2011.

3) Y. B. Lee and D. S. Jung, "Secure Reliability of Turbine Power Control Actuator for Power Plants,"

Journal of Drive and Control, Vol. 7, No. 1, pp.

22~26, 2010.

4) J. H. Roh, S. H. Kim, D. I. Lee, C. K. Yang, Y. Y.

Shin and J. W. Jung, "The development of turbine

valve actuator efficiency analysis system for the standard power plants," Trans. of the KIEE, Vol. 25, No. 2, pp. 537~541, 2002.

5) Y. B. Lee, "Performance characteristics analysis of the hydraulic system when hydraulic fluid contains a gas," Proceedings of the KSME Annual Meeting (fall), pp. 770~772, 2013.

6) Y. B. Lee and Y. H. Yoon, "Modeling & Simulation of a Hydraulic Servo Actuator Cushion for Power Plants," J. Korean Soc. TriboL Lubr. Eng., Vol. 29, No. 1, pp. 7~12, 2013.