발전용 가스터빈 동압센서 성능평가장치 개발
발전용 가스터빈 동압센서 성능평가장치 개발
  • 윤창원 기자
  • 승인 2020.05.18 14:23
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가스터빈 연소기의 문제를 소리로 파악
인간의 청각은 주변 상황을 정밀묘사하는 센서역할을 수행

[한국에너지신문사] 일상생활의 시작과 함께 가장 먼저 인지하고, 사람의 의지와 관계없이 지속적으로 활동하는 감각이 바로 청각이다. 청각 자극은 외부의 음원으로부터 매질(공기)을 따라 음파가 이동하여 사람의 고막을 흔들고 감각세포로 전달되는 진동을 말한다. 
일반적으로 20~20,000Hz 대역을 사람의 가청 주파수대라고 한다. 이처럼 넓은 주파수 대역을 갖는 청각은 음의 주파수와 크기를 통해 사람이 주변의 내재적 상황을 충분히 인지할 수 있게 도와주며, 필요에 따라 다음 행동 방향을 결정짓는 중요한 지표의 역할을 수행한다.

기술설명사진

내연기관의 심장 연소파트, 소리를 통해 이상상태 파악할 수 있어…
내연기관은 연료와 공기의 연소반응을 통해 에너지를 얻으며, 본 연소현상은 높은 연소효율 확보와 기계부의 손상을 예방하기 위해 연소공간의 배기가스성분과 압력변동을 계측하며 운영되고 있다. 특히 발전용 가스터빈의 경우 연소공간이 고온/고압 상태이며, 공간 내부에서 적절히 혼합된 연료와 공기가 연소반응을 일으킨다. 연소에 따른 순간적인 발열량이 연소기 구조적 음향모드와 결부되어 공간의 압력변동을 유발한다. 연소현상에 따른 압력변동은 가스터빈 연소기부품에 지속적인 자극을 가하고, 일정수치 이상의 압력변동은 연소기 부품에 치명적인 파손을 입힐 수 있다. 가스터빈 연소기의 압력은 압축기로부터 공급되는 고온/고압의 공기로 인한 압력(정압)이 유지되고, 연소현상에 따른 미세한 압력변동을 연소동압이라 일컫는다.
발전용 가스터빈의 경우 운전에 따른 소음과 겉을 둘러싸고 있는 보온재로 인해 연소파트를 담당하는 연소기의 연소현상을 외부에서 관찰하기에는 현실적으로 불가능하다. 이를 극복하기 위해 가스터빈 연소기에 동압센서 계측 장비를 설치 하여 연소기의 연소동압을 계측한다. 동압센서의 주요 구성인자는 멤브레인과 압전소자를 들 수 있다. 멤브레인은 사람의 고막과 같이 매질의 진동에 의해 흔들리는 얇은 철판의 역할을 하며, 압전소자는 고막의 진동을 최종단의 청신경으로 전달하는 달팽이관의 역할을 담당한다. 동압센서는 압력의 변화에 따라 멤브레인의 변형이 발생하고 멤브레인과 연결된 압전소자에서 전기신호를 발생시켜 연소동압을 계측된다. 가스터빈 제어시스템은 실시간으로  연소동압을 계측하고, 주파수 분석과 세부 주파수 대역별 연소동압의 크기를 계산하여 연소기 부품에 기준 이상의 연소동압이 가해지지 않도록 실시간 감시한다. 
최근 LNG를 이용한 가스터빈 발전방식이 주목을 받고 있는 상황에서 가스터빈의 출력의 심장부인 연소기 부품의 안정적인 운영기술에 대한 연구는 더욱 주목을 받고 있다. 

가스터빈 핵심 계측장비 동압센서 일정기간 이후 단순교체 중…
앞서 설명한 동압센서의 경우 연소현상을 분석하는 최적의 계측장비로, 현재 국내에서 발전용으로 운용 중인 가스터빈에는 1기당 많게는 20개의 동압센서가 사용되고 있다. 그러나, 안정적인 가스터빈 운영을 위해 8~10년 마다 계획예방정비 기간에 동압센서 전량이 단순교체되고 있다. 동압센서는 1개당 많게는 약 3.5천만원에 달하는 고가의 계측장비로 분류되며, 발전용 가스터빈 1기의 유지보수 비용으로 연간 많게는 9천만원에 달하는 비용이 기본적으로 소진되고 있는 상황이다. 

동압센서 건전성평가장치
동압센서 건전성평가장치

발전용 가스터빈 동압센서 성능평가장치 개발 앞장서…
한전 전력연구원과 한국동서발전, 한국서부발전, 한국중부발전은 발전용 가스터빈 운용에 있어 동압센서 교체비용을 절감하고자, 사용중인 동압센서의 성능을 평가하여 동압센서의 교체여부를 정량적인 지표를 활용해 파악하고, 현장적용에 탁월한 동압센서 성능평가장치 개발에 관한 연구를 수행하고 있다. 본 평가장치는 울산복합(한국동서발전), 평택복합(한국서부발전), 서울복합(한국중부발전) 현장에 적용하는 것을 목표로 한다.
동압센서 성능평가장치는 크게 작동유체 공급장치, 동압을 발생시키는 작동유체 분사장치(센서장착부, 작동유체 분사장치, 어큐뮬레이터, 레귤레이터), 신/구품 동압센서의 신호를 분석하는 신호분석장치로 구분된다. 작동유체는 현장수급이 수월한 물을 사용한다. 
동압센서 성능평가장치의 작동원리는 제2차 표준기를 기반으로 하며, 첫째, 신/구품 동압센서와 연결된 튜브관 내부를 최대 2MPa로 가압을 한다. 

둘째, 가압된 튜브관 내부에 동일한 유체를 분사하여 압력파를 생성하고, 압력파가 튜브관을 따라 이동함과 동시에 신/구품 동압센서로 압력파를 계측한다. 
계측된 압력신호를 비교 분석하여 제작사로부터 검수받은 신품대비 구품의 성능을 평가한다. 신품대비 성능지표의 편차가 일정 기준을 벗어나면 해당 구품 동압센서를 비정상으로 파악하여 동압센서의 교체를 사용자에게 권고한다.

2020년 국내 가스터빈 발전소에 적용되어 유지보수 비용 절감 기대
개발 중인 동압센서 성능평가장치는 2020년 울산복합(한국동서발전), 평택복합(한국서부발전), 서울복합(한국중부발전) 발전소 현장에 적용할 계획이며, 현장적용을 통해 계획예방정비 기간 동안 사용중인 동압센서의 성능을 신속하게 평가할 수 있을 것으로 기대한다. 그 결과 동압센서의 오작동에 따른 가스터빈 연소기 연소현상의 왜곡된 분석과 연소기의 기계적 손상을 예방할 수 있어 궁극적으로 연소기 손상방지와 선택적 동압센서 교체를 통해 발전용 가스터빈의 유지관리 비용을 절감할 수 있다. 또한, 동압센서 성능평가장치는 동압센서 종류에 따라 설치부 설계만 변경하면 모든 동압센서에 호환이 가능하므로, 동압센서를 장착해 운용중에 있는 모든 국내 가스터빈 발전소에 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 
 


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