3. 원격 진동 진단 시스템

The Application of a Remote Vibration Diagnostic System for Rotating Machinery of a Power Plant

 

3.1 槪 要 (Introduction)

발전설비를 포함한 자본 집약 산업에서의 세계적인 기술 추세는 Net-Work 기능을 구축하여 현장 기계의 운전 상태의 감시, 추적 관리 및 진단을 통해 기계의 사전 정비를 실시하여 비용을 최소로 절감하고, 자원을 최대한 활용하고, 노동 생산성을 증가하고, 설비의 신뢰성 향상과 가동시간을 증가시키기 위한 노력을 계속하고 있다.

이러한 세계적인 추세에 발맞추어 한국전력공사는 공사가 보유하고 있는 광통신망을 이용하여 발전소 주요 회전기계의 진동 상태를 한전 본사 진동 전문가들도 Online Real Time 분석이 가능하도록 1996. 12. 31일부터 회전기계 원격진단 Network의 구축이 완료되어 운영중에 있으며, 그 동안 프로그램 운영기술 향상과 진동 기술에 대한 저변 확대를 위해 원격진단용 프로그램 운영 지침서 번역 및 운영 기술을 전파하였으며 Network이 구축된 Unit를 대상으로 본사 진동 전문가들이 현장 출장을 가지 않고도 회전기계의 진동상태 감시, 분석 및 대책을 수립하는 등 직접 기술지원하므로서 최근 어려운 전력 수급 상황에도 불구하고 신속하게 발전소 주요 회전기계의 신뢰성을 향상시켜 전력 수급 위기 상황을 슬기롭게 극복하는데 크게 기여하고 있다.

 

3.2 遠隔 振動 診斷 시스템 (Remote Vibration Diagnostic System)

1) 진단 시스템의 제원

• 진동 분석 및 진단 Program Name : DM(Data Manager) 2000

※ 특징(TDM2 비교)

∙ 원격통신 : Modem 방식 → Network 방식

∙ DCS(Distributed Control System) 데이터 공유 가능 : 480 Point

∙ Network 사용자수 : 10 → 255 Users

∙ 진동 Trend 상호 비교 가능 : 8 Points

• Network 구축 완료일 : 1996. 12. 31(1단계)

• Network 구축 발전소 : 23개 사업소 59 Unit('98. 4 현재)

• 대상기기 : 터빈/발전기, BFP-T, BFP-M, CWP, FAN 류

그림 1-9 원격 진동 진단 설비 구축 현황 (‘98. 12월 현재)

 

3) 원격 진단 시스템 하드웨어 구성

그림 1-10 원격 진단 시스템 하드웨어 구성

 

3.3 泰安 2號基 發電機 베어링 振動 上昇 原因 糾明 및 對策 樹立(事例 1)
(Case 1 : Cause and Answer High Vibration in Taean #2 Unit Generator Bearing)

1) 운전 현황

‘95. 10 상업 운전 이후 발전기측 #7 베어링 축진동이 75 ㎛이하로 운전되어 오다가 ‘97년 3월 2일 주말정지 기동후 #7, 8 베어링 축진동이 20 ㎛ 정도 상승하였으며 그 이후 #7 베어링 축진동이 점진적으로 상승하여 '97. 3. 15에는 150 ㎛까지 상승(그림 1-11 참조)하여 원격 진단을 실시한 후 진동 상승의 원인과 대책을 수립하여 현장 기술지원함.

일자

베어링

97. 2. 28

97. 3. 2

97. 3. 11

97. 3. 13

97. 3. 15

비 고

#7

75

95

125

132

150

단위 : ㎛

X-abs

#8

48

65

92

97

97



그림 1-11 #7 베어링의 진동 Trend

 

2) 원인 검토

• Misalignment

발전기 전후측 베어링 메탈 Temp. 온도차가 9℃로 크게 나타나고, 특히 그림 1-12와 같이 #7 베어링에서의 Orbit이 큰 타원형인 것으로 보아 C-Coupling에서 Rim 및 Face Misalignment가 큰 것으로 판단됨.

 

베어링

#5 베어링

#6 베어링

#7 베어링

#8 베어링

비 고

베어링 온도(℃)

87

88

80

89

500 ㎿('97. 3. 8)

 

 

그림 1-12 #7 베어링에서의 Orbit

 

• 베어링 조립 상태 불안정

상대 및 절대 진동 위상차는 적으나 진동값 차가 62 ㎛로 진동값 차가 10 ㎛이하인 타 베어링에 비해 크게 나타남.

• 발전기 내의 수소 운전 온도가 33℃로 다소 낮게 운전됨.

(운전 범위 : 30~46℃)

3) 대책 수립

가) 임시대책

운전중 부하 감발과 발전기 수소 온도 상향 조정으로 “C-Coupling”의 축정렬 상태를 개선하여 발전기 베어링 부하 안배를 보다 균등하게 함으로써 점진적인 진동 상승 현상이 멈추어 진동이 130 ㎛에서 안정되었고 1개월 후면 계획예방정비 시행 예정이므로 계속 운전할 것을 권고하였음.

나) 근본대책

• 터빈/발전기 축계 축정렬 조정.

• 발전기 베어링 정밀 점검(Pinch Clearance 및 Ball Seat Contact 개선)

• 발전기 Foot/Base간 선형 접촉 상태 개선.

• 터빈/발전기간 Centerline Key 정밀 점검.

(4) 계획예방정비후 진동 상태

• Rotor Alignment 교정(단위 : 1/100 ㎜)

- 설계치

 

- ‘97 분해시

 

- ‘97 조립시

 

※ 분해시 A, B, C 커플링 모두에서 Alignment 상태가 불량하여 조정 조립하였음.

• 베어링 조립 상태 개선

#7 하부 베어링 Ball Seat Contact 개선(10 → 90%)

• 기동후 진동 및 베어링 부하 분담 상태

- 진동 개선 : #7, 8 베어링 진동이 152 → 46 ㎛

베어링

부 하

#7 베어링

#8 베어링

비 고

O/H전 500 ㎿('97. 4. 11)

152 ㎛

98 ㎛

X-abs

Shaft

O/H후 500 ㎿('97. 6. 9)

46 ㎛

47 ㎛

 

- 베어링 부하 분담 상태 개선 : 계획예방정비전에 비해 #3, 4 베어링 및 #7, 8 베어링에서의 부하 분담이 평균화 됨.

부하

BEARING METAL TEMP

비 고

#1

#2

#3

#4

#5

#6

#7

#8

#9

1997.4.11 17:20

500 ㎿

92

93

99

89

87

88

80

89

63

O/H전

1997.6.9 10:00

500 ㎿

95

99

92

90

88

87

82

86

63

O/H후



3.4 嶺南 2號基 터빈 起動時 高振動 發生 原因 糾明 및 對策 樹立(事例 2)
(Case 2 : Cause and Answer of High Vibration in Young Nam Unit HIP Turbine Bearing during Start-up)

1) 운전 현황

영남 2호기 터빈은 ‘95. 11~’97. 4월까지 전 베어링의 진동치가 최대 53 ㎛ 이하로 양호하게 운전(그림 1-13 참조)되었으나 최근 4차례의 기동 및 정지시 HIP 터빈 베어링 진동이 상승된바 있으며 특이 사항은 다음과 같다.

그림 1-13 정상 기동시의 #2 베어링 Polar Plot (Full Scale : 50 ㎛)

 

• ‘97. 4. 14 06 : 40 터빈 Rolling후 계통병입 준비중 보일러수 순환펌프 정지로 인해 터빈 정지중 1750 rpm 부근에서 #2 베어링 진동이 200 ㎛ 이상으로 급상승함 (그림 1-14).

 

그림 1-14 정지시 #2 베어링 진동이 임계속도 부근(1750 rpm)에서 200 ㎛까지 상승함.

• ‘97. 4. 20 17 : 35 터빈 승속중 1758 rpm에서 DEHC Speed Control 시스템 제어 불량으로 2분간 Holding되자 #2 베어링 진동이 55 ㎛에서 200 ㎛까지 상승하였으며, 정지후 재기동하였어도 진동이 계속 증가하였음 (그림 1-15).

그림 1-15 기동시 #2 베어링 진동이 임계속도 부근(1758 rpm)에서 200 ㎛까지 상승함.

 

(2) 원인 검토

DM 2000 시스템은 기동, 정지시 또는 정상 운전중 진동 상승에 의한 경보 취명시 데이터가 자동 수집되는 기능이 있다. 기동, 정지시 1차 임계속도 또는 그 이하 속도에서 Rubbing 발생시에는 국부적인 High Spot가 발생되고 새로운 High Spot 발생없이(즉, 위상각 변화없음) 1× 진동 진폭이 크게 상승한다. 1차 임계속도 이상에서 Rubbing 발생시에는 새로운 High Spot가 계속 발생하고(즉, 위상각이 계속적으로 변함) 1× 진동 진폭 상승폭이 크지 않다.

영남 2호기의 경우 기동 또는 정지시 진동 급상승으로 인해 자동 수집된 Transient Data중 Polar Plot 및 Bode Plot 자료 검토시 1차 임계속도(1700~1800 rpm : 그림 1-16 참조) 부근에서, 그림 1-14, 1-15에서와 같이 1× 성분 진동이 위상각 변화없이 급상승하는 것으로 보아 Rubbing에 의한 진동 상승임을 판단할 수 있으며, Rubbing 발생 원인을 파악하기 위해 운전변수 자료를 요청하여 검토한 결과 터빈 Water Induction 관리 기준인 HIP 터빈 케이싱 상하 온도차 증가에 대한 경보 회로(30℃)가 구축되어 있지 않았다.

HIP 터빈 케이싱 상하 온도차가 그림 1-17 및 1-18과 같이 72~75℃로 경보치를 초과한 상태로 기동하여 케이싱 팽창이 불균일한 상태에서 임계속도 부근에서 장시간 운전으로 인한 Rubbing 발생이 그 원인임.

그림 1-16 HIP 터빈 #1 베어링 임계속도 : 1700~1800 rpm 부근

 

그림 1-17 ‘97. 4. 14 06:40 기동시 HIP 터빈 상․하부 케이싱 온도차 Chart (72 ℃)

 

그림 1-18 ‘97. 4. 20 17 : 35 기동시 HIP 터빈 상․하부 케이싱 온도차 Chart (75 ℃)

 

3) 대책

○ Water Induction 관리 기준인 HIP 상, 하 케이싱 온도차 상승에 대한 경보 회로를 구축(30℃)하고 케이싱 온도차가 30℃ 이내에서 기동.

○ HIP 및 LP1 로터의 임계속도가 1700~1800 rpm 부근에서 나타나고 있으므로 기동시 DEHC Speed Target를 1600 rpm → 1300 rpm으로 프로그램 변경하고 임계속도 부근에서 승속율을 Fast Mode로 운전.

○ 기동 또는 정지시 이상 진동이 발생하면 DM 2000 프로그램 Bode 및 Polar Plot를 통해 진동 원인 분석한 후 Rubbing임이 확인(1차 임계속도 이하에서 위상각 변화가 없이 1× 진동이 증가)되면 감속후 바로 재 기동하면 진동이 감소하지 않으므로 터닝 기어를 최소한 2시간 이상 운전하여 Rubbing에 의한 로터 Thermal Bow 현상을 제거한 후 재기동함이 바람직함.

 

TRAC Mark INCOSYS