2. 냉각탑 팬의 큰 고장

Catastrophic Failure of a Cooling Tower Fan

 

Titus 발전소는 3개의 석탄 연소 증기발생 유니트가 있으며, 총 240 ㎿의 전력을 생산해 내는데 최근에 냉각탑 Fan이 크게 파손되어 그들의 수동식 휴대용 진동 자료 수집 프로그램의 신뢰성을 제고하게 되었다.

Titus 발전소는 연속적이며 휴대용 자료 수집기인 Bently Nevada의 Snapshot 시스템을 사용하고 있으며 하나의 증기터빈에는 연속적인 3300 감시 시스템이 설치되어 있고, 다른 2개의 유니트에도 3300 시스템을 곧 설치할 계획을 갖고 있었다. Titus 발전소측은 1980년대 중반부터 다른 중요기계에는 수동으로 자료를 수집하는 휴대용 Snapshot 시스템을 사용해 왔다. Titus 발전소는 Snapshot의 기능에 만족해 하지만 수동 자료 수집에 대한 한계를 잘 알고 있었다. 자료 양은 훈련된 인원의 활용성 때문에 제한을 받게 되고, 자료의 질은 자료 수집기를 작동하는 기술자들의 숙련도에 달려 있다.

 

2.1 冷却塔 (The Cooling Tower)

유인 통풍 냉각탑은 기계적인 주요 문제점을 안고 있었다. 냉각탑은 대형 쌍곡선 형 Shell을 가진 콘크리트 구조물로 높이가 45m 이다. Shell 내부에 8개의 전동기 구동 Fan이 있어 탑을 통해 공기를 보내준다. 각 Fan과 기어박스는 Fan Stack 내부에 위치해 있고 Stack 외부에 전동기가 장착되어 있으며, 길고 수평인 구동축은 각 Fan Stack을 지나 감속기 기어와 직각으로 물려있는 각각의 전동기와 연결되어 있고, 각 Fan은 기어 박스로부터 수직으로 나와있는 축에 직접 연결되어 있다. Fan 전동기는 Snapshot을 사용해서 한 달에 한 번씩 운전상태를 측정하고 있다. 각각의 Fan Stack 내부에 위치해 있는 Fan과 기어 감속기는 점검자들이 접근할 수 없는 위치이므로 운전상태를 수집할 수 없었다.

냉각탑의 특성상 휴대용 자료 수집기를 가지고 측정하는데 많은 어려움을 가지고 있다. Fan 전동기의 자료를 수집할 때는 방진마스크를 쓰고 냉각탑 구조물로 들어가야 하고 냉각 과정중의 증발로 인해 생기는 짙은 안개 때문에 때때로 1m 앞도 분간할 수 없게 된다. 동절기에는 Fan Stack과 Shell 사이의 통로에 얼음이 생기기도 하여 Titus 발전소의 책임자는 안전을 위해 Tower 상태에 따라 정기적으로 계획된 수동 자료 수집을 종종 며칠동안 연기시키기도 했다. 또한 인력 부족으로 인하여 더 많은 시간이 연기되기도 하였다.

그림 1-5 파괴된 냉각탑 Fan과 기어 감속기

 

Titus 발전소는 Fan을 고진동으로부터 보호하기 위하여 기계적 진동 스위치를 사용했다. 스위치는 전동기 가까이에 설치되어 있고, 자동정지를 위해 제어 회로에 전기적으로 연결되어 있다. 발전소 담당자들은 진동 스위치 사용에 2가지의 문제점을 인식했다. 하나는 스위치가 감속기와 Fan을 직접 감시할 수 있는 위치에 없다는 것이다. 스위치는 각 Fan 전동기에 설치되어 있고, 각 기어 감속기와 Fan으로부터 몇 미터 떨어져 있다. 이러한 설치 위치 때문에 Fan의 실질적인 운전상태에 따른 스위치의 작동이 불가능하여 큰 사고를 일으키기도 한다. 또 다른 하나는 스위치의 신뢰성이다. 냉각탑의 주변 환경이 나쁠 때는 스위치의 내부 메커니즘에 손상을 주어 진동 스위치 작동에 대한 Fan의 정지가 불가능하게 된다. 또한 진동 감지 요소가 정확히 동작하는지를 확인할 수 있는 방법이 없다.

최근 몇 달동안 볼트의 풀림, 전동기 베어링의 문제, 분할 Hub와 축의 휨 현상 등으로 인해 발생된 진동의 증가를 적어도 3번 정도 감지하지 못했다. 이러한 문제점들로 인해 중대한 사고를 방지하기 위해 발전소 구성원들은 냉각탑의 휴대용 자료 수집 프로그램에 추가 측정을 보완했다.

1992년 1월 발전소의 냉각탑 외부에서 일하고 있던 작업자들이 큰 소음을 듣고 운전부서에 연락하였다. 운전원들이 확인한 결과 냉각탑 Fan과 전동기, 기어박스가 지지대로부터 완전히 떨어져 나가있는 상태였고 Fan 조립체 전체가 Tower Deck 아래의 20m 웅덩이로 떨어져 있었다. 전동기를 지지하던 통로부분은 떨어져 나갔고, Gaping Hole만 남겨진 상태였다.

그림 1-6 Fan이 설치된 냉각탑의 단면도

 

2.2 問題點 分析 (Problem Analysis)

조사자들은 하나의 Fan Blade가 완전히 떨어져나가 심한 불평형 상태가 되었을 때 손상이 시작되었다고 판단했다. Fan의 진동 스위치가 Fan을 정지시키지 못했고 불평형 힘이 결국에는 냉각탑 전체를 파괴시켜 버린 것이다. 조사결과 스위치가 동작하지 못한 것은 케이싱내로 들어간 습기에 의한 부식 때문이었다. 이로 인해 진동 스위치가 불평형된 Fan에 의한 진동에 대응하지 못했다.

그림 1-7 전동기가 위치했던 Gaping Hole을 보여주는 Fan Stack

 

Titus 발전소의 감독부서와 정비 담당자로 구성된 조사팀은 조사후 유사 사고가 재발하지 않도록 다음의 3가지 방안을 제시했다.

(1) Fan 보호용 진동 스위치와 수동으로 자료를 수집하기 위해 Snapshot를 계속 사용한다. 자료의 수집 주기를 줄이고 정기적으로 진동 스위치를 시험한다.

장 점 : 초기 Hardware 비용을 최소로 할 수 있다.

단 점 : 진동값을 수집하고 진동 스위치를 시험하기 위해 전보다 기술자들이 자주 탑으로 들어가야 하므로 비효율적이며, 이 경우에도 중요한 진동 정보를 놓칠 수 있다.

(2) Fan에 영구적인 변환기를 설치하고 감시기에 연결해서 정확히 동작하는지를 계속해서 점검한다. 고진동이 감시되면 감시기가 자동으로 Fan을 정지시키도록 한다.

장 점 : 기본적이고 신뢰성 있는 보호체계로서 Fan의 심각한 손상을 막아준다.

단 점 : 초기 Hardware 비용이 많다. 기술자가 탑에 들어가지 않으면 진동을 분석하고 판독하는데 자료를 이용할 수 없다. 이 또한 비효율적이며 인력 낭비이다.

3) 영구적인 변환기와 감시기, Online Trending과 진단 시스템을 설치한다.

장 점 : Fan이 보호되고 진동 정보가 자동으로 수집되어 계속해서 진동 경향을 판단하고 진단할 수 있다. 이것은 초기 단계에서 Fan의 문제점을 진단할 수 있고 기술자들은 자료 수집을 위해 탑내에 들어가지 않아도 된다.

단 점 : 초기 감시 시스템의 자료 수집 Hardware 비용이 가장 크다. 일부 Online 진단 장치를 효과적으로 사용하는데 상당한 훈련이 필요하다.

 

2.3 實行 方案 (Implemented Solution)

조사팀은 Fan의 손상과 최근의 또 다른 냉각탑 Fan의 문제로 인해 Titus 발전소는 $ 300,000 이상의 비용이 들었다는 것을 알았고, 이러한 비용으로 미루어 볼 때 앞의 2번째와 3번째 안의 채택에는 크나큰 무리가 없음을 알았다. 계속된 연구와 비용 분석후에 장기적인 안목에서 3번째 안이 채택되었다.

조사팀은 다양한 Online Monitoring과 진단 장치에 대해 연구했고 시스템의 초기 Hardware와 설치 비용을 비교했으며, 또 그 시스템을 운용하는데 필요한 훈련량도 비교했다. 그들은 Titus 발전소가 진보적인 예방정비 프로그램을 계획하고 있었기 때문에 시스템을 얼마나 쉽게 확대 적용할 수 있는가를 조사했다. 조사팀은 저가인 89129 가속도계와 1900 Series 모니터와 함께 Online Trendmaster 2000 시스템을 사용하기로 결정했다. 그 시스템은 1994년 초에 8개의 냉각탑 Fan에 설치되었다 (그림 1-8).

그림 1-8 냉각탑의 외벽에 설치된 전천후형 케이싱 내에 있는
Trendmaster 2000 TIM과 1900 Series 감시기

 

Trendmaster 2000은 컴퓨터를 기초로한 Online System으로 운전 및 경향 자료를 시스템에서 매 Point마다 수집한다. 또한 경제적 비용으로 설치, 사용, 확장할 수 있게 설계되었고, 쉽게 설치할 수 있는 저렴한 가격의 구성품들을 사용한다. 이것은 독특한 Multi-drop 구성으로 하나의 케이블에 256 Point까지 설치할 수 있다. 데이터를 얻는 컴퓨터는 총 2048 Point를 가지는 8 개의 케이블로 되어 있다. 하나의 전송기에 각각 연결되어 있는 시스템들과 비교해볼 때 Trendmaster 2000은 설치 비용이 훨씬 적게 든다. 확장시키는 방법은 새로운 전송기를 현재 있는 케이블에 연결시키거나 새로운 위치에 케이블을 증설하면 된다. Trendmaster 2000의 운용체계 Software를 사용하는데는 그다지 많은 훈련이 필요하지는 않다.

89129 진동 가속도계는 비용면에서 속도 변환기와 거의 비슷하고 기계적으로 동일한 Micro-machined Silicon Sensor를 사용한다. Bently Nevada의 1900 Series 모니터는 비용이 경제적이며 Single Channel이며, 기본적이고 일반적인 기계류의 지속적인 Monitor에 사용된다. Titus 발전소가 선택한 1900 Series 모니터는 Trendmaster 2000 Interface가 내장되어 있다.

각 냉각탑 Fan은 2개의 영구적인 진동 가속도계를 가지고 있으며, 하나는 감시기에 하나는 기어 감속기에 설치되어 있다. 각 기어 감속기에 설치한 가속도계는 1900 Series 감시기에 연결되어 고진동시 Fan을 정지시키도록 되어있다. 1900 Series 감시기 8개 모두가 하나의 Trendmaster 2000 신호 케이블에 직접 연결되어 있다. 이 케이블은 각각의 Fan 전동기를 통해서 8개의 Transducer Interface Modules(TIM) 통해서 각각의 Fan 전동기에 있는 진동 가속도계에 연결되어 있다. 하나의 케이블이 냉각탑에서 Engineering Room으로 연결되어 있고, 이곳에서 Online Trendmaster 2000 시스템 컴퓨터에 연결되어 있다. 각 Fan의 1900 Series 모니터와 TIM은 전천후형 NEMA 4 Housing에 함께 설치되어 있다. 전천후형의 각 Housing은 Fan 감시기 가까이의 냉각탑 벽에 설치되어 있다.

 

2.4 向後計劃 (Future Plans)

Titus 발전소는 Trendmaster 2000 시스템을 보일러 급수펌프, F.D Fan, I.D Fan에 확대 설치할 계획을 가지고 있으며, 이렇게 추가로 설치된 것은 보호프로그램 역할뿐만 아니라 기계적 문제가 발생할 때 사전에 인식할 수 있는 예방정비 프로그램의 역할을 하게 된다. 초기에 문제점을 발견하면 Titus 발전소나 그 고객 모두에게 비용을 절감할 수 있게 된다.

 

2.5 要約 (Summary)

휴대용 자료 수집기나 기계적 진동 스위치로는 냉각탑 Fan을 신뢰성 있게 운전할 수 없으므로 "Shut-Down" 기능을 가지며 영구적인 모니터와 Online 진단 및 경향을 판단하는 연속적인 감시 시스템이 냉각탑 Fan을 안정적으로 운전할 수 있는 최선의 선택이다. 냉각탑이 설계 성능 한계점에 이르러서 운전되고 그로 인해 냉각능력 손실이 전력생산 능력에 영향을 미칠 때 Trendmaster 2000 시스템은 한층더 신뢰될 수 있다.

 

TRAC Mark INCOSYS