1. 기계 관리를 위한 계장화

Instrumentation for Machinery Management

 

1.1 槪要 (Introduction)

Australia의 Incitec 회사에서는 예지정비의 성공적인 도입으로 정비 비용 절감 및 회전체의 수명 연장에 중요한 역할을 하였다. 현재 Incitec 회사에서는 다음과 같이 중요한 왕복동 압축기에 예지정비 기법을 확대, 적용하였다.

Incitec 회사는 암모니아, 화학요소 그리고 화학비료 공장으로 구성되어 있다. 화학요소 공장은 공정에 중요한 두 대의 왕복동 압축기를 가지고 있으며, 2대중 1대 정지시 공장의 생산율이 50%로 감소된다. Incitec 회사는 지속적인 개선책의 일환으로 압축기에 설치된 원래의 “오동작” 진동 스위치를 개선하기로 결정하였다.

2대의 압축기는 기본적으로 동일하고, 2단의 암모니아, 5단의 CO2로 구성되어 있으며 6대의 크랭크 샤프트로 운동하고 있다 (4번째 및 5번째 단은 복합적임. 그림 1-1 참조).

그림 1-1 변환기의 위치 및 회전방향이 표시된 전체 기기 배치도

 

1.2 Incitec 회사의 要求事項 (Incitec's Requirements)

Incitec 회사는 중요한 왕복동 압축기를 위해 기존의 예지정비 프로그램에 부합하는 감시와 진단설비 및 기기 관리를 위해 구체적인 자료가 필요했다. 또한 계획정비 기간중 시행한 정비작업이 기계상태를 주관적인 판단보다는 객관적인 판단에 근거한 것인지를 확인하기를 원했다.

감시 및 진단설비는 다음과 같은 기능을 수행할 수 있어야 한다.

• 주 베어링 및 끝단 베어링의 마멸과 같은 크랭크 샤프트와 관련한 결함의 확인.

• 압축기 각단의 감시, 피스톤 이완의 인지 및 갑작스런 피스톤 손상으로부터 보호.

• 각 압축기 단위 Rider Ring 마멸측정.

• 58개의 입구 및 출구측 밸브 감시.

더욱이 정비 작업자는 이 시스템이 특히 실린더 헤드 주위의 기계 정비에 간섭이 되지 않을 것을 강력히 주장하였다.

Incitec 회사는 1995년초 압축기 1대를 개조하기로 결정했으며 개조 작업이 성공할 경우 1996 년에 추가로 2번째 압축기를 개조할 예정이었다.

 

1.3 解決方案 (Solution)

Incitec 회사는 벤틀리 네바다 회사에 이러한 목적에 부합하는 시스템을 추천할 것을 질의하였으며, 1994년말에서 1995년초까지 벤틀리 네바다 기술진 및 판매진과 발전소 정비 작업자가 공동으로 시스템 설치 및 설계에 대해 면밀히 연구하였다.

① 속도계 XA Sensor를 이용한 크랭크 샤프트 결함 확인

압축기 샤프트 및 베어링 결함들은 수평면에서 측정한 크랭크 케이스 진동값으로 확인된다. Incitec 회사는 각 크랭크 케이스 끝단에 XA(Extended Application) Sensor를 하나씩 설치하였다. 둘 다 원래 설치된 오기능 검출기에 인접하여 크랭크 케이스 중심선에 수평으로 설치하였다.

XA Sensor의 4.5 ㎐~2 kHz의 주파수 응답은 330 rpm으로 회전하는 크랭크 샤프트에서 발생하는 진동측정에 적합하다. XA Sensor는 설치하기 쉽고 어떠한 기후 조건에도 견딜 수 있는 압전 속도 Sensor이다.

XA Sensor로부터의 신호는 벤틀리 네바다 3300/55 Dual Velocity Monitor에 의해 처리된다. 3300 감시설비는 벤틀리 네바다의 표준장비로서 현장에서 프로그램이 가능하고 많은 안전성을 가지고 있다. 크랭크 샤프트 진동을 연속 감시하는 3300/55 설비는 경보음, 기기보호를 위한 계전기 및 진단장비 연결용 버퍼 출력단자들이 있다.

② 가속도계로 각 압축기 단을 감시.

각 단락에서의 문제점을 확인할 수 있는 진동 정보는 6개의 가속도계에 의해 얻어진다. 가속도계는 Crossband Slipper Guides에 실린더를 연결하는 Transition Section에 수직으로 설치되었다 (그림 1-2 참조).

그림 1-2 수직으로 설치된 가속도계

 

Incitec 회사는 광대역 주파수 응답(10 ㎐~20 kHz)을 가져야 피스톤 로드 이완 및 노킹과 관련한 충격에 의해 발생되는 고주파 신호를 완전히 측정할 수 있기 때문에 벤틀리 네바다 23732 가속도계를 선정하였다. 4번째, 5번째 복합단 CO2 실린더는 1개의 가속도계로 감시되기 때문에 7개의 단을 감시하는데 단지 6개의 가속도계만 필요하였다. 가속도계는 3대의 3300/25 Dual Acceleration Monitor에 연결되었다.

③ 로드 낙하측정과 Rider Ring 마멸 확인

로드 낙하측정은 Rider Ring을 가지고 있는 모든단(5번째, CO2단은 제외)에서 이루어진다. 각각의 실린더에 11 ㎜ Proximity Probe가 Crosshead Oil Wiper Stuffing Box 상에 수직으로 설치되어 있어 여기서 피스톤 로드의 상대 위치를 측정한다. Keyphasor 변환기는 크랭크 샤프트의 Notch를 감시한다. 로드 낙하 및 Keyphasor 변환기로부터의 신호는 로드 낙하 감시기에 의해 처리된다.

로드 낙하 변환기는 고정된 탐촉자 및 움직이는 피스톤 로드 사이의 거리를 측정하는 Proximity Probe이다 (그림 1-3 참조). 이 측정거리는 Rider Ring의 마멸에 따라 변한다. 로드낙하 감시기는 탐촉자와 피스톤 로드의 거리라기 보다는 Rider Ring 의 실제 마멸량을 나타낸다. Keyphasor 신호는 로드낙하 측정을 위한 피스톤 행정중 가장 좋은 지점을 확인하는데 사용한다.

그림 1-3 로드낙하 탐촉자 설치

 

④ 온도측정을 통한 밸브상태 감시

밸브상태는 58개의 각각의 흡입측과 배기측 밸브 주위의 가스 온도에 의해 지시된다. 각 밸브 주위에 돌출된 열전대는 가스 온도를 측정한다. 각각의 열전대는 스테인레스 스틸 나사 중심부 구멍을 통해 설치되어 있다. 나사 및 열전대 뭉치는 각각 밸브 커버의 잭 나사 위치에 설치되어 있다 (그림 1-4 참조).

58개의 열전대는 2대의 왕복동 압축기 밸브 온도 감시기(3300/75)에 연결되어 있다. 각각의 감시기는 열전대 또는 열저항 온도계 (RTD)로부터 신호를 32개까지 감시할 수 있다. 각각의 열전대는 모듈변환기(TIM : Transducer Interface Module)에 부착되어 있다. 열전대는 32개의 모듈변환기까지 5심 케이블을 통해 연결되어 있으며, 온도 감시기는 계속해서 모듈 변환기를 조사하고 있는데, 32개의 모듈 변환기 조사하는데 약 5초 걸린다.

그림 1-4 밸브 커버 및 잭나사에 설치된 열전대 모습

 

1.4 補修 容易性 (Maintainability)

Incitec 회사는 압축기 정비에 간섭을 일으키지 않는 왕복동 압축기 감시설비를 원했다. 조심해서 설치한 결과 XA 속도 감시기, 23732 가속도계 및 로드 낙하 탐촉자는 압축기를 유지 정비하는데 간섭을 주지 않았다. 그러나 58개의 열전대는 새로운 설치방법이 필요했다. 각각의 열전도계는 Quick-Release 방식으로 연결되도록 하여 정비작업이 필요할 때 재빨리 연결을 해제할 수 있었다.

실린더 측면을 따라 신호선을 보내는 스틸 덕트는 접는 방식으로 고안되었다. 대규모 정비가 필요할 때 열전대 연결을 신속하게 해제하여 같이 묶어서 스틸 덕트로 접어 바닥 그레이팅 아래로 내려놓을 수 있다. 이 새로운 방법은 정비시 짧은 시간 내에 실린더로부터 모든 계측장비를 제거하기 쉬우며, 기계 정비는 제약없이 접근 가능하다.

 

1.5 온라인 診斷 시스템 (Online Diagnostic System)

Incitec 회사는 벤틀리 네바다 TDM 2(Transient Data Manager) 온라인 진단 시스템에 의해 중요한 압축기를 성공적으로 관리하고 있다. TDM 2는 정상상태 및 과도상태 경보음이 발생했을 때 또한 미리 설정된 주기에 따라 자동적으로 자료를 수집하고 저장한다. TDM 2 는 신속하고 정확하게 기계진단 결과를 여러 가지 형태로 그래프를 그린다. Incitec 회사는 진동 자료를 추적하고 기계의 경보음이 발생했을 때 자료 수집 능력에 따라 왕복동 기계 관리가 성공적으로 수행될 것으로 확신했다.

따라서 Incitec 회사는 벤틀리 네바다의 DDI(Dynamic Data Interface) 및 SDI (Serial Data Interface)를 포함한 3300 감시설비를 설치하였다. DDI는 진동경향의 편집 및 경보음이 발생하였을 때 자료 수집하는 TDM 2와 감시설비 간의 자료를 전송한다. SDI는 감시설비 자료를 발전소 분배제어계통(Distributed Control System)에 보내고 따라서 운전원은 진동 및 온도자료를 감시한다.

 

1.6 機械管理를 위한 計裝化 (Instrumented for Machinery Management)

Incitec의 새로운 감시설비는 현재 화학요소 발전소 운전관리에 중요한 도구이다. 감시설비는 큰 사고로부터 기계를 보호한다. TDM 2 온라인 진단설비는 기계의 수명 연장, 정비기간의 단축 및 비용절감 등으로 기계를 관리하는데 도움을 준다. Incitec 회사는 현재 화학요소 공장의 다른 중요한 왕복동 압축기에도 개조를 계획하고 있다.

 

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