4. 진동 벡터 증가의 중요성

The Importance of Vibration Vector Monitoring

 

이 사례는 열병합 발전 플랜트의 터빈․발전기에 관한 것이다. 1기의 증기 터빈은 100 ㎿의 전기를 생산하고 2기의 가스 터빈은 각각 70 ㎿의 전기를 생산한다. 가스 터빈에 의해 발생한 남은 열은 증기 터빈용 증기를 생산한다 (그림 1-19).

그림 1-19 복합 사이클의 전기 발전기기의 배열

 

이 가스터빈은 각 레디얼 베어링에 수직으로 설치된 벤틀리 네바다의 Dual Probe Transducer가 장착되어 있다. 이 진동감시 시스템은 축의 절대 움직임(Dual Probe 모니터에서 축의 상대 움직임과 베어링 하우징의 움직임의 벡터 합)을 나타낸다.

몇 달 동안 가스 터빈 Train중 하나가 진동문제로 골칫거리 이었다. 이 글은 문제에 대해 성공적인 검출과 해결을 가져온 상세한 분석을 정리한 것이다.

발전기와 여자기는 1년이 넘도록 진동 문제를 겪어 왔다. 진동 변화와 결부된 발란싱 문제로 철저한 기계 검사를 하였으나 주목할 만한 문제가 발견되지 않아 기계는 다시 조립되었다. 또한 궁극적으로 만족할 만한 발란싱 조건이 얻어진다 할지라도 여자기를 발란싱하는 것은 어렵다는 것이 판명되었다. 이 당시에 장비 제작자(Original Equipment Manufacturer: OEM)는 이 기기에 대한 일차적인 책임을 가지고 있었다.

아직 문제가 존재한다고 의심되기 때문에 사용자는 기계의 철저한 진동 분석을 하기 위하여 벤틀리 네바다의 기기 진단 서비스(Machinery Diagnostic Service)를 요청했다. 초기 진단결과 기계에 아무 이상도 발견하지 못했다. 그러나 아직 문제가 감지되고 있기 때문에 벡터 모니터링 프로그램 사용을 권고했다. 사용자에게 1× 진동 진폭과 위상을 주기적으로 기록하도록 하였다. 이것은 모니터와 연결된 벤틀리 네바다 디지털 벡터를 사용하여 정비요원들에 의해 수행되었다.

그후 몇 달 동안 일련의 실질적인 벡터 이동이 있었다. 여자기가 진동 변화를 보여줄 때 발전기 내측 베어링과 가스 터빈 압축기 베어링에 유사한 벡터 이동이 있었다. 발전기 외측 베어링과 가스 터빈의 고열 끝단에서는 작은 변화만 있었다.

처음에 진동 벡터 이동은 설명이 불가능 하고 예측 불가능한 것으로 보였다. 그러나 진동 특성의 패턴이 분명해 지기 시작했다. 우리는 몇 달후 새로운 문제(라 추정되는)를 개선하기 위하여 이전에 설치된 발란싱 웨이트를 제거했을 때 2가지 눈에 띠는 운전 모드를 알아냈다. 설명하기 위하여 2가지 모드를 모드 A와 모드 B로 언급한다.

모드 A에서 모드 B로의 벡터 변화 상태를 보면 거의 크기는 같고 방향은 반대였다. 그림 1-20과 1-21은 전형적인 벡터 형태도이며 이와 관련된 모드 A와 모드 B에 대한 축의 Mode Shape이다.

이 벡터 그림에서 전체(Overall) 진동 변화는 실제 진동 벡터(진폭과 위상각) 이동에 비하여 아주 작다. 이것은 특히 전체 진동 진폭이 아주 작은 변화를 보였을때 상당한 진동 이동이 발생한 여자기와 발전기의 내측 베어링에 있어 특히 뚜렷했다. 특별히 여자기의 모드 A와 모드 B 사이의 전체 진폭 차이가 1 mil 보다 훨씬 적었다. 그러나 진폭의 실제 벡터 변화는 대략 8 mils 였다.

이 설비는 단지 전체 진동 진폭에 의지하기 때문에 운전원은 모니터 값에서(있더라도) 단지 작은 변화만 눈치 챌 수 있었을 것이다. 결과적으로 실질적인 문제의 심각성은 눈치챌 수 없었을 것이다.

우리는 각기 모드에서 운전하고 있을 때 완벽한 진동 분석을 하게 되었다. 이 테스트의 막바지 과정에서 발전기의 전부하 차단 시험을 실행함으로써 모드 이동의 실질적인 결과가 얻어졌다. 기동 및 정지시의 데이터의 결과는 그림 1-22의 도면에 나타내었다. 여기서 우리가 즉시 알아낸 사실 중 한가지 지적할 만한 것은 진동 진폭의 이동은 Full Speed에서 발생하지 않았으며, 기계 손상이 2000 rpm 아래에서 발생했다는 것이다.

진동 데이터는 여러 단계의 부하와 오일 온도에서 수집됐으나 중요한 변화는 보지 못했다. 단지 2000 rpm이하의 운전에서만 진동 이동이 있었다. 우리는 1×와 2×의 과도상태 데이터, Slow Roll 정보, 특별히 축 균열 가능성에 주의하면서 정상상태의 데이터를 분석했다. 이 데이터를 분석한 결과 축균열의 증거는 전혀 없음을 나타냈다.

이쯤에서 모든 사람들은 이 문제가 심각할 수도 있기 때문에 기계적인 점검을 위하여 정지하여야 한다는데 동의했다. 전번 여자기의 점검시에 좀체 가시지 않는 불확실성이 있었는데, 특히 여자기는 아직도 고장 원인의 첫째 순위라고 생각했기 때문이었다. 그러나 터빈과 발전기의 전체를 점검하는 데는 많은 비용이 들기 때문에 사용자는 가장 문제가 되는 영역으로 문제를 좁혀 초점을 맞춘 점검 절차를 요구했다.

진동 이동의 원인을 찾아내기 위하여 모든 유효한 기계 정보를 수집하였다. 이의 관련 구성원은 발전기의 전기적인 고장에 대해 상당한 의견을 개진했다. 그러나 축 Mode Shape와 2가지 운전의 기계 모드의 반복성 때문에 우리는 여자기나 발전기의 일차 원인으로 전기적인 원인은 제외했다.

모드 A와 모드 B 사이의 1× 진동 벡터가 거의 정확하게 반복되기 때문에 이것은 하나의 기기 운전 모드에서 다른 모드로 변화시킬 수 있는 교번하는 큰 힘에서 올 수 있다고 가정했다. 우리는 이 정보를 토대로 진동 이동은 기계적인 불평형에 의해 초래될 수 있다고 가정했다.

터빈은 몇 가지 이유로 원인 규명 대상에서 제외되었다. 첫째로 가스 터빈의 압축기 부분에서 발생하는 어떤 질량 이동은 터빈 진동에 실질적인 영향을 줄 수 있는데 이것이 발생하지 않았다. 둘째로 터빈에 취부된 발란스 웨이트는 일반적으로 압축기에는 많은 영향을 주었으나 발전기와 여자기에는 거의 영향을 주지 않았다. 또한 우리가 비슷하게 설계되고 건설된 가스 터빈에서 불평형의 큰 변화를 관찰할 때 이러한 변화는 정지시의 과도상태에서 뚜렷하게 나타났다. 이러한 이유가 결론적이지는 않지만 가스 터빈은 고려대상에서 제외시키는 게 적절하다고 느꼈다.

그림 1-20 모드 A와 모드 B에서 여자기와 발전기 내측 베어링의 진동 벡터

그림 1-21 Mode Shape

 

그림 1-22 기동, 정지중 여자기 #5 베어링의 Polar Plot. Full Scale
5 mils pp, 1× Filtered Comp., 반시계 회전 방향

 

그래서 관심은 질량 이동이 발생하는 발전기와 여자기 부분의 기계적 불평형의 가능성에 모아졌다. 과거 이 기계에 발란스 웨이트들이 부착되었고 각 발란스 과정에 대한 진동 응답이 잘 보고서화 되었기 때문에 우리는 이전의 각 발란스 과정의 영향과 이 기계에서 관찰된 데이터를 비교할 수 있었다.

여자기에 웨이트 부착에 의한 영향은 이 문제에서 보고서화 된 진동 이동과 비슷하지 않았다. 그리하여 여자기에서 가장 큰 진동 진폭이 발생하고 있었음에도 진동의 주요 원인에서는 제외되었다.

발전기에 대한 발란스 웨이트의 효과 벡터 데이터는 없었다. 그러나 제작자는 비슷한 기계에 대한 데이터를 제공했다. 그림 1-23의 그래픽은 이 기계에서 우리가 보았던 제시된 발전기 웨이트 효과와 상당히 유사함을 보여주고 있다. 이 정보로 발전기의 한쪽 끝이나 다른 쪽에서 원인 파악을 하게끔 점검범위가 좁혀졌다. 또한 이로 인해 비슷한 결과를 나타낼 수 있는 보정 웨이트의 계산을 할 수 있게 되었다.

그림 1-23 발란싱 웨이트에 기인한 벡터이동

 

모달 이론과 유효한 과도상태 데이터를 사용함으로써 이 원인 파악이 발전기의 내측으로 더욱 더 좁혀졌다. 발전기는 2번째 공진 속도 가까이에서 운전되었기 때문에 이 Mode Shape는 2번째 모드 응답과 거의 비슷했다. 모달 분석으로 다른 모드와는 무관하게 축의 각 모드에 영향을 주는 웨이트 위치를 선택하게 되었다. 이러한 모드의 분석은 넓게는 일련의 다면 기계 발란싱에 사용되고 웨이트 교정 기술과 함께 사용된다.

이러한 분석 기법을 사용하여 실제 관찰된 축의 응답을 재현하는 이론적인 모달 교정 웨이트를 결정했다. 이 경우에 대칭인 발전기 축의 한쪽 끝에서의 웨이트의 취부는 첫 번째와 두 번째 발란스 Mode Shape 모두에 영향을 미칠 수 있다. 우리는 발전기 양쪽 끝에서 첫 번째와 두 번째 모드 응답의 위상 관계를 비교함으로써 각 모드에 미치는 영향을 예측했다. 이 결과 불평형의 원인으로 발전기의 내측 끝쪽을 지적하게 됐다. 이 데이터로부터 우리는 또한 각도위치가 잘못된 것을 예측했다. 이 시점에서 발전기 축은 철저한 기계 점검을 위해 공장으로 보내졌다.

이 점검 기간 동안에 제작자는 발전기(그림 1-24)의 내측끝의 권선 끝에 위치한 원주형 Spacing Block이 풀려진 것을 발견하였다. 이 블록은 리테이닝링(Retaining Ring: 보통 검사하는 동안에 제거되지 않음) 아래에 위치하고 있고 무게는 대략 1.6 ㎏ 정도였다.

그림 1-24 기계 점검시 발견된 풀려진 스페이싱 블록의 상세도

 

권선과 저널 사이에 위치하고 있는 리테이닝 링은 블록이 축에서 빠지지 않도록 유지시켜 주나 이 블록은 축의 중앙으로 총 75 ㎜ 만큼 30도 원주 내에서 움직일 수 있다. 축이 정격 속도에 있을 때는 이 블록은 원심력에 의해 새로운 위치로 자리 잡는다. 터닝 기어 운전시에는 원심력이 무시할 정도로 작기 때문에 이 블록이 자유롭게 움직여서 새로운 위치로 스스로 이동한다.

이는 기계적 이동은 힘이 최대가 되는 높은 속도에서 보다 낮은 속도에서 발생하는 것을 설명해 준다. 이 움직이는 블록의 각도 위치와 계산된 원심력은 예측 된 값과 거의 비슷했다. 이러한 결함을 점검하지 않고 방치하여 놓으므로써 이 블록은 결국 권선 아래로 움직였고 따라서 문제를 초래 할 만큼 커다란 힘을 발생시켰다. 이 경우 다행이도 고장이 기계에 어떤 손상을 입히기 전에 발견되어 고쳐졌다.

이 사례가 진동 분석의 일반적인 진단 능력을 묘사하고 있지만 진동 벡터 측정(진폭과 위상)이 심각한 기계 문제를 발견하는 데 중요한 역할을 했다는 것을 주목해야 한다. 이 프로젝트 과정 동안 제어반 운전원들은 여러 번 있어온 진동의 심각한 변화를 눈치 채지 못했을 것이다 (단지 진동 모니터의 전체 진폭만을 보았을 것이다). 그러나 같은 기간동안 주기적인 벡터 측정을 행하고 관찰한 정비 관계자들은 이 변화를 볼 수 있었다. 이 것은 진폭이 거의 변화가 없는 상태에서 위상 변화에 의해 진동에 커다란 변화가 있었던 한 예이다. 이 문제는 단지 진동 진폭만을 보는 것으로는 알아 낼 수 없었던 것이다.

이 진동 사례에 있어 벡터 모니터링은 설비 관계자들에 의해 수동으로 행해졌는데, 주기적으로 정비 요원들은 모니터 시스템에 디지털 벡터 필터 장비를 연결하여 수작업으로 1× 진폭과 위상 값을 기록할 수 있었다.

더 쉽고 더욱 신뢰성 있는 방법은 벡터 모니터를 사용하는 것이다. 벤틀리 네바다 3300/60 벡터 모니터는 진동 진폭과 위상 혹은 어느 한 쪽 값이 미리 결정된 영역(허용 영역: Acceptance Region 이라 불림)의 한도를 넘는 것은 경보하여 회전 기기를 항상 보호하여 준다.

벡터 모니터링은 특히 불안정한 발란스 이력을 갖고 있는 기계와 축에 균열이 가기 쉽다고 증명된 모든 중요 기기에 응용할 수 있는 하나의 기술이다.

 

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