1. 진단 방법론

Diagnostic Methodology

 

1.1 槪要 (Introduction)

여기에 소개하고자 하는 진단 방법론은 BNC(Bently Nevada Corporation)의 MDS(Machinery Diagnostics Seminar)에서 다루었던 내용과 유사한 것으로서 다년 간의 발전설비 분야에서의 경험을 바탕으로한 것이다. 이 진단 방법론을 소개하는 의미는 이것이 세상에서 가장 좋은 진단방법론이거나 또는 결함이 없는 진단방법론 이라는 것이 아니라 남들이 기계상태를 진단할 때는 어떤 기법을 사용하고 있는지를 소개하고자 하는 것이다. 이 진단 방법론을 정확하게 적용하고, 계속해서 사용한다면 조사 결과는 보다 더 정확한 진단이 될 것이다. 만일 이 방법론을 적절히 사용하면 기계상태 진단시 중요한 사항을 실수로 빠뜨리게 되는 일이 줄어들게 될 것이다.

기본적인 진단방법은 다음과 같은 단계로 구성되어 있다.

(1) 문제가 무엇이고, 이미 알고 있는 사항은 무엇인가?

아마 당신은 기기이력과 설계, 공정 및 주변 상황에 대해 알고 있을 것이다. 문제를 어떻게 알게되었나? 발전소의 경우에는 작업지시서나 운전원들이 기록하는 Log 일지, 발전소에 근무하는 사람의 이야기를 통해서 또는 스스로 뭔가 이상한 점을 발견함으로 해서 문제점을 알아낼 수도 있다.

(2) 현재 가지고 있는 정보가 무엇을 말해주는가?

기계에 관련한 모든 정보를 논리적인 순서로 배열해야 한다. 이렇게 함으로서 적절한 분석을 할 수 있게 된다. 진동 분석자는 기계의 정상 운전상태를 잘 알고 있어야 하고, 상태가 변했을 때 그 변화를 인식할 수 있어야 한다. 또한 과도 및 정상상태 때의 Data Plot들을 해석할 수 있는 능력을 가지고 있어야 하고, 온도나 압력과 같은 다른 기계관련 정보와 이들 Data Plot들을 연관시켜 생각할 수 있어야 한다. 드물지만, 특정 문제점이 어떻게 전달되었고, 누가 알고 있었는지 또 언제 발생했는지에 대한 정보도 있다. 단지 경험만으로 진행되고 있는 상황에 대한 개념을 가지게 될 것이다.

(3) 분석 결과를 입증하기 위하여 추가자료가 필요한가?

기계상태에 대한 진단을 하다보면 때로는 선택의 기로에 서게되는 경우가 있는데 이럴 때 여러 가능성중에 어떤 것이 문제의 정확한 원인인지 분간하기 어렵게 된다. 이런 경우 자기가 진단한 것을 입증할 수 있는 추가 자료가 필요한데 발전소에는 스트립 차트, 컴퓨터 인쇄 출력물 및 운전원이 기록하는 Log Sheet 그리고 정비이력과 점검 보고서 등 방대한 양의 자료가 있다.

(4) 분석결과가 그 기계의 증상과 일치하는가?

발전소에서 운전되고 있는 대부분의 기계들은 그 특성이 잘 알려져 있다. 따라서 예상한 기계거동 형태별로 정의가 잘되어 있어 현재 나타나고 있는 기계거동이 전에 보았던 것과 일치하는지를 비교해 보면 분석결과가 맞는지 여부를 알 수 있다.

 

1.2 診斷 方法論의 活用 (Using The Diagnostic Methodology)

여기서 다루는 내용은 현장에서 볼 수 있는 어떤 기계에도 적용될 수 있다. 여기에서는 진단하는데 필요한 정보를 스스로 찾아내도록 유도하기 위해서 질문과 설명 형식을 사용하고 있다.

(1) 문제가 무엇이고, 이미 알고 있는 사항은 무엇인가?

진단문제에 접근할 때 어디서부터 시작해야 할 지 막연할 때가 종종 있는데 그 이유는 이전에 한번도 생각해본 적이 없는 기계와 상황에 대해 이미 알고 있는 것이 많기 때문이다.

아래와 같은 과정을 통하면 진단하는데 있어서 생각을 정리하고, 이미 알고 있는 것을 더 유용하게 이용할 수 있도록 하는데 도움이 된다.

① 문제를 어떻게 알게되었나? 에서부터 출발한다.
작업지시서를 통해서 알게되었는가? 작업지시서는 누가 발행했는가? 그들과 대화할 수 있는가? 그들이 문제에 대해 알고 있는 것은 무엇이고, 그들이 문제의 원인이라고 생각하고 있는 것은 무엇인지 알 수 있는가? 그들은 그들이 생각하고 있는 것이 문제의 원인이라는 것을 어떻게 알아냈는가? 문제가 언제 발생되었는가? 문제를 탐지하기 위해 어떤 장비를 사용했는가? 보통 운전원들은 많은 정보를 가지고 있지만 자신들은 그들이 가지고 있는 정보가 중요한지 중요하지 않은지를 알지 못하고 있을지도 모른다. 남에게 질문할 때 주의할 점은 누군가의 잘못을 따지는 듯한 인상을 주게되면 보통 아무런 정보도 얻을 수 없게 된다는 것이다.

② 정기적인 자료수집의 결과로 문제점을 알게 된 경우
이것은 좋은 소식이다. 이것은 문제가 짧은 기간동안에 발생했는지 또는 점진적으로 발전했는지를 알 수 있는 경향자료가 있다는 것을 의미한다. 또 이 자료를 정기적으로 수집했던 사람으로부터는 자료 수집시 사용했던 변환기나 자료를 어떤 방법으로 수집했는지, 또 자료 수집시 다른 이상한 점은 없었는지 등에 대한 이야기를 들을 수 있게된다.

③ 현장 순회중 문제점을 알아챘거나 갑자기 무언가 옳지 않다는 것을 느꼈을 경우
무엇이 당신의 시선을 끌었는가? 무엇을 생각하고 있는가? 당신은 이미 문제에 대한 직관적인 이해와 정보를 가지고 있는 것이다. 이점은 매우 유익한 것이다. 이러한 이해를 이용하라. 당신의 시선을 끈 것이 무엇이었는지 자문해 보라. 무슨 생각이 그런 판단으로 이끌었는가? 당신의 두뇌는 이미 많은 자료를 처리한후 그런 결론에 도달했으므로 이런 생각들을 기록해 두면 나중에 다시 검토할 때 도움이 될 것이다. 문제를 알아차렸을 때 뭔가 이상한 소리를 들었거나, 뭔가 잘못된 것같은 느낌이 들었거나 혹은 이상한 냄새를 맡았었는가? 이런 것들이 바로 단서가 되는 정보이므로 잘 이용해야 한다.

④ 기기이력에 대해 이미 알고있는 사항은 무엇인가?
같은 문제가 이 기계나 또는 유사한 기계에서 발생한 적이 있었는가? 다른 사람들에게 물어보라. 만일 이전에 그런 문제가 있었다면 아마 그 문제에 대한 기록이 있을 것이고 또한 그 상황에 대해 이야기해줄 수 있을 만한 관여했던 사람들의 이름도 있을 것이다. 이 문제의 원인이 될만한 설비개선이나 정비작업이 있었는가? 아마 정비작업이나 설비개선에 대한 기록이 있을 것이다. 보고서를 읽어보고 사람들과 토의하라. 설비개선이나 정비작업이 수행될 때 사람들이 이 문제와 관련이 있을 수 있는 어떤 것을 알아챘는가? 이 문제를 일으킬 만한 어떤 단서가 있을 만한 것을 찾기 위해 이전 점검 및 정비보고서를 검토해 보라. 그 보고서에 당시에 거의 허용 공차(Tolerance)에 근접한 값을 가진 항목이 있어 이 값이 허용 공차범위를 벗어나 현재의 이 문제를 일으켰을 가능성이 있는 항목은 없는가? 이런 상황에 대한 판매자측의 발표내용은 없는가? 이 기계와 같은 기계를 사용하고 있는 다른 누군가가 동일한 문제를 경험했을 수도 있고, 만일 그 문제가 심각한 것이었다면 판매자측이 이에 대해 발표했을 수도 있다. 전기 생산업체간의 정보교환 시스템 같은 곳에서도 그에 대한 정보를 입수할 수 있는지 알아본다. 최근에 이런 문제를 일으킬 만한 Trip이나 시스템 난조같은 운전상의 문제는 없었는가?

⑤ 이런 기계의 설계에 대해서 이미 알고 있는 사항은 무엇인가?
이런 종류의 기계설계에 대해서 이미 어느 정도 지식을 가지고 있어 다행히도 어떤 문제들이 기계에 어떤 형태의 진동을 일으킬 수 있는지를 당신은 이해하고 있다. 기계진동이 이런 형태로 나타날 수 있는 것인지, 어떻게 그것이 가능한지, 기계진동이 이런 형태로 나타나려면 어떤 조건이 충족되어야 하는지, 공정중에 이런 현상이 나타났는지, 이런 현상은 꼭 나쁜 것인지 하는 것들을 자문해 보라. "기계의 진동이 이렇게 나타날 수 있는 것인지?"에 대해 자문해 볼 때 기계 자체뿐만 아니라 자료도 믿을 만한 자료인지 생각해 보아야 한다. 이는 실질적인 점검사항이며 그 상황에 대해서도 상당히 타당한 것이다. 잘못된 데이터로 인해 잘못된 결론에 도달하지 않도록 주의해야 한다.

⑥ 기계의 공정(Process)에 대해 이미 알고 있는 사항은 무엇인가?
공정상의 변화가 어떻게 이런 상황을 일으킬 수 있는가? 이런 문제를 일으킬 만한 공정상의 변화가 있었는가? 기계가 정상상태로 운전중인가? 기계가 설계와는 달리 운전되고 있는가? 이것은 정상인가? 기계가 제 성능을 다 발휘하고 있는가? 기계가 공급되는 증기유량에 합당한 출력을 내고 있는가? 발전소에서는 무엇인가가 방금 수리되었거나, 곧 고장나려고 하거나, 방금 교체되었거나, 마멸되었거나 등등 항상 무슨 일인가가 발생하고 있다. 누구나 좀더 많은 출력을 얻고자 노력하며 아무도 발전소가 정지되는 것을 원치 않는다. 이러한 모든 요소들이 발전소의 운전 및 정비방향에 영향을 미치고 또 문제의 원인을 진단할 때 빼놓을 수 없는 것들이다.

⑦ 문제의 진단 및 확인용 감시설비에 대해 알고 있는 사항은 무엇인가?
자료를 수집하는 사람의 질은 어떤가? 감시시스템은 정확히 작동하는가? 계기들은 교정되었는가? 변환기들은 제작 및 설치 제원에 맞게 제대로 사용되고 있는가? 자료를 수집하는 사람들은 이들 설비의 정확한 사용법을 알고 있는가? 당신은 어떤가? 기존자료를 검증하는데 이용할 수 있는 다른 시스템이나 변환기가 있는가? 당신은 기계의 진동응답을 측정하고 있다는 것을 기억하라. 측정한 응답은 기계 외부나 또는 내부에서 작용하는 힘에 의한 결과이다. 이러한 힘들은 항상 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있으며, 기계에 좋을 수도 있고 나쁠 수도 있으며, 기계의 상태나 기계가 연결되어 있는 공정의 상태를 나타내는 것일 수도 있고 아닐 수도 있다. 그러므로 진단을 수행하거나 확인하는데 도움을 줄 수 있는 모든 정보를 사용하는 것이 현명하다. 기계의 진단에 있어서 생각해야할 마지막이자 가장 중요한 사항은 어떤 사건들의 조합이 이런 문제를 발생시킬 수 있는가 하는 점이다. 보통 기계의 성능이 나빠질 때는 베어링 간극이 너무 크다거나, Seal Water 압력이 너무 높다거나, 커플링의 Misalignment 등과 같은 몇몇 요소들이 복합적으로 작용하여 만들어낸 결과이다. 어떤 것이던지 시스템의 동적 강성을 변화시키면 위상과 진폭이 변하게 된다.

(2) 이 정보가 무엇을 말해주는가?

예를 들어 방금 어떤 설비에 대한 작업지시를 받았다고 가정하자. 이 작업 지시서에 따르면 이 설비는 현재 보통 때와는 다르게 운전되고 있으며 진동치도 정상보다 더 높다고 한다. 당신은 이 설비에 친숙하지 않은 상태이기 때문에 기계 제원 및 운전조작에 대해 자세히 알아보기 위해 기계 설명서를 읽을 것이다. 그 다음에는 작업을 지시한 사람에게 작업 지시서에 이 기계는 통상 지금처럼 운전되지 않았다고 쓰여 있는데 왜 그렇게 생각하는지 물어보고 그들이 어떤 상태를 정상적인 상태라고 판단하는지 알아보아야 한다(이 경우에는 비정상 운전 상태를 보여주는 스트립 차트가 있다). 작업 지시서에 적힌 진동 상승에 대해서도 물어본다(운전원의 이야기는 단지 진동이 조금 더 높은 것 같다고 이야기함).

이제 기계의 정상운전 조건이나 상태, 기계에 설치된 진동 측정계기 및 진동이 정상시보다 더 심한 것 같다는 것에 대해 조금 알게되었다. 이제부터는 현장으로 가서 기계를 둘러보고 기계가 Manual에서 지시한대로 설치되어 있는지 확인해 보고 작업 지시서에 나타난 “고진동”의 실체를 실제 확인해 본다. 최근에 기계를 정비한 흔적이 있는지, 진동을 측정하는 변환기가 제대로 연결되어 있는지 그리고 그 외에 달리 잘못된 것은 없는지 점검해 보아야 한다. 기계는 적절하게 설치되었다고 가정하자. 주목할 만한 정도의 진동이 있지만 이 진동이 어느 정도 높은 것인지는 알 수 없다. 최근에 기계를 정비한 흔적이 없으며 일상적인 진동 자료 수집을 위해 기계에 설치되어 있는 진동 변환기는 2년전에 교정되었음을 알리는 스티커가 붙어있고 그 외에 모든 것은 정상인 것 같다.

이제 기계설치는 대략 제대로 된 것을 알게 되었다. 진동이 약간 높은 것 같으며 그 변화 추이를 검토해볼 수 있는 진동 자료가 있을 것이다. 또 최근에 이 기계의 상태를 변화시킬 만한 정비는 없었다. 다음으로는 지금까지 수집한 진동 자료를 검토해 보고 실제로 진동이 변했는지 확인하기 위해 현재 진동상태를 다시 한번 측정해주도록 요청한다. 제어부에가서 변환기 교정 관련사항 및 기타 변환기 시스템에 대해 궁금한 사항을 물어본다. 제어부와 대화하는 과정에서 이 변환기들은 보통 교정을 잘하지 않는다는 것을 알게 되었으며 지금 변환기를 점검해 달라고 요청한다. 진동자료 점검결과 진동치는 지난 3년 동안 변화가 없었으며 현재의 진동치는 과거 진동치의 2배라는 검토 결과를 통보 받았으며 변환기 시스템은 현재 교정중이라는 연락을 받았다.

이제 기계에 문제가 있다는 것을 알게되었다. 계측설비가 교정되었기 때문에 측정한 진동값을 Manual에 나와있는 설계치와 비교해볼 수 있고 기계 거동이 바람직한 경우와 다른 점은 무엇인지를 파악한다. 기계의 기본 설계 및 거동에 대해 알기 때문에, 이제는 무엇이 잘못되었는지 판단할 수 있고 그것을 증명하기 위한 시험방법을 생각해 봐야 한다.

(3) 진단 결과를 입증하기 위하여 어떤 추가자료가 필요한가?

이 단계는 이미 알고 있는 것을 분석할 때 자연스레 뒤따르는 것이다. 중요한 것은 기계의 이상상태를 진단하는 것이다. 일단 분석을 수행한 후에는 진단 결과를 어떻게 확인할 것인가를 결정하는 것이 필요하다. 스스로에게나 다른 사람들에게 “만일 이것이 원인이라면 그 다음은 무엇을 해야할 것인가?”에 대해서 질문해 보아야 한다. 예를 들면, “터빈 동익이 탈락되었다면 터빈에서 나오는 신호가 어떻게 변할 것인가?”하는 것과 “터빈 동익이 탈락되었는지 알아보기 위해 어떤 시험이 수행되어야 하는가?”, “동익이 탈락되었을 경우에 절대로 있을 수 없는 현상은 무엇인가?” 등이다. 진단 결과를 증명하거나 반증하기 위해 필요한 자료수집을 시작하라. 진폭 및 위상 변화가 없을 경우에는 동익이 탈락되었을 가능성을 배제할 수 있다.

또한 마지막 단계로는 실현 가능성 점검으로 분석 및 진단이 상식적으로 이해되고 물리적인 의미를 부여하는지, 만약 그렇게 진단했을 시 응답이 현실과 같이 나타날 가능성이 있을 것인가를 가정해 보아야 한다.

 

1.3 事例硏究 (Case Study)

다음의 예는 발전소에서 실제로 일어난 일이다. 발전기 하나가 갑자기 정격출력을 발생할 수 없게 되었다. 문제가 무엇인지 규명하기 위해 이 진단기법이 적용되었다. 다음은 그 진단의 상세 내용이다.

(1) 이미 알고 있는 사항은 무엇인가?

∙ 정격부하 : 272 ㎿

증기조건 : 주증기 - 177.5 ㎏/㎠,540℃

재열증기 - 540℃

배기압 : 2.5“Hg abs

수소압력 : 3.2 ㎏/㎠

∙ 현재 최대출력 : 250 ㎿

증기조건 : 주증기 - 177.8 ㎏/㎠, 539.5℃

재열증기 - 541.13℃

배기압 : 2.61“HG ABS

수소압력 : 3.03 ㎏/㎠

∙ 이번 사건과 관련하여 터빈과 발전기에서 정비작업은 없었다.

∙ 운전에 무슨 문제가 있었다는 보고는 없었다.

∙ 제어 시스템에 표시되는 출력과 실제 출력은 서로 일치한다.

∙ 지난밤에는 전출력 운전을 했었다.

∙ 이 문제는 운전 감독자가 보고했었다.

∙ 당시의 근무조는 3조였다.

∙ 이런 문제는 전에는 없었다.

∙ 이 문제에 대한 사전 징후는 없었다.

(2) 위의 정보가 무슨 의미를 가지고 있는지 분석한다

분석후 확인된 결과는 다음과 같다.

∙ 유입 증기 조건, 발전기 상, 전류 및 무효전력, 발전기 가스 압력, 코어 상태 감시기 등의 수치는 정상으로 나타났으나 증기유량에 대한 언급은 없었다.

∙ 출력이 약10% 감소되었는데 특히 이것이 동익 통로 손상으로 인한 문제라면 이것은 심각한 문제다.

∙ 정비작업이 없었다는 것은 최근의 정비작업으로 인한 것이 아니라는 것을 의미한다. 계기는 교정되었는가?

∙ 주증기 압력표시는 정확한가?

∙ 출력 표시계기는 적절히 작동하고 있는가? 다른 표시계의 지시치와 비교하여 점검한다.

∙ 문제가 저녁 피크이후 발생했기 때문에 아마 누군가는 유용한 정보를 기억하고 있을 것이다. 운전원에게 어떤 특별한 일은 없었는지 물어보고 Log Sheet를 점검해 본다.

∙ 운전 감독자와 대화하라. 그는 문제에 대한 어떤 의견을 가지고 있을 것이다.

∙ 당시 제어실 운전원으로 근무했던 사람은 유능한 사람이므로 문제는 아마 운전잘못으로 인한 것은 아닐 것이다.

∙ 문제의 원인은 아마 갑작스런 고장일 것이다.

(3) 분석을 위한 추가 정보가 수집되었다.

∙ 증기유량 표시기 눈금의 해상도가 나쁘지만 증기유량이 약 10% 감소되었다. 급수유량은 정격부하 상태에 비해 약 5% 감소된 것 같이 보이나 증기온도 조절용 Spray Water량은 정상때보다 많다. 증기온도 조절용 Spray Water 공급을 차단한 상태에서 급수유량을 조사할 필요가 있다.

∙ 터빈 내에 심각한 손상이 있다면 진동의 진폭과 위상각이 어제와는 달라져야 하는데 진동의 진폭과 위상각이 어제 전출력 시의 값과 동일했다.

∙ 주증기 압력 게이지의 교정은 아무 문제없이 수행되었다. 컴퓨터에 나타나는 주증기압력 과 압력계로 읽은 압력값이 서로 일치하며, 컴퓨터에 나타나는 주증기 압력은 별도의 트랜스미터로부터 신호를 받아 표시되기 때문에 맞을 것으로 판단된다.

∙ 제어실 운전원의 말에 의하면 그날 저녁에 출력을 증가시킬 수 없었던 것만 제외하면 다른 모든 것은 정상이었던 것 같다고 한다. 제어 방식을 자동으로 설정하면 잘 운전되었는데 수동으로 설정하면 제대로 되지 않았다.

∙ 문제는 “출력 표시상의 오류”가 아니라 실제적인 문제이다.

∙ Log Sheet 상으로는 특이할 만한 일이 없었으며 운전원들도 어떤 특별한 사항을 보거나 감지하지 못했다.

∙ 운전 감독자는 무엇이 문제인지에 대해 뾰족한 생각이 없다고 말했다. 운전 감독자의 의견으로는 증기유량과 급수유량이 서로 맞지 않는다는 것이다. 현재의 부하(250 ㎿)에서 실재 증기유량 및 급수 유량은 설계조건과 일치한다. 운전 감독자의 생각으로는 진동 상태와 축의 위치가 변화하지 않은 것으로 봐서 터빈 내부에 손상이 있다고는 믿기 어렵다는 것이다. 터빈손상을 일으킬 만한 운전상의 어떤 문제점도 보고되지 않았다. 육안으로나 소리 그리고 계기를 이용한 점검 결과 발전기는 제대로 운전되고 있는 것 같다. 제어 및 전기 감독자는 전력계통 안정화 장치(Power System Stabilizer)가 제 기능을 발휘하지 못해 전압조정기가 제대로 동작하지 못하고 있는 것이라고 생각한다. 전기원이 전압조정기와 전력계통 안정화 장치를 점검하고 있다.

운전 감독자와의 대화로부터 다음과 같은 사항이 결론 지어졌다.

∙ 발전기는 제한범위 내에서 운전중이다.

∙ 운전상의 문제는 없었다.

∙ 계측설비와 관련된 문제는 아니다.

∙ 터빈 내부손상은 아닐 것이다.

∙ 문제와 직접적으로 관련있는 것은 “증기 및 급수유량이 줄어든 것”으로 보인다. 이 부분에 대해서는 더 자세한 조사가 필요하다.

∙ 비록 가능성은 희박하지만, 전력계통 안정화 장치가 제 기능을 발휘하지 못하고 있다는 의견에 대해서도 더 조사가 필요하다.

(4) 결론

터빈이 전출력을 내기 위해서는 증기 유량이 불충분하다는 견해가 있었고 또한 전압조정기에 문제가 있다는 견해가 있어 두 문제 모두 조사되었다. 현재 발전기 출력에 상응하는 증기량이 실재로 터빈에 공급되고 있는지 여부와 추기 증기량이 제대로 형성되고 있는지 여부를 확인하기 위해 현재 출력상태에서의 증기유량을 추기 증기량과 비교하여 점검하였다. 만일 터빈 내부에 큰 손상이 있었다면 손상부위 이후에 위치한 추기관에서의 추기 증기유량은 당초 설계치보다 더 많아질 것이다. 그러나 실재 추기 증기량과 압력은 해당 출력에서의 설계 추기 증기량이나 압력과 일치했다. 추기 증기량이 설계치와 동일한 것으로 보아 터빈 내부에는 큰 손상이 없다고 보고, 적절히 동작하지 않으면 증기유량을 감소시킬 가능성이 가장 큰 Main Steam Control Valve의 작동상태를 점검해보기로 결정하였다. 점검결과 3번 Control Valve의 스템이 절단되어 Control Valve가 열리지 않은 것으로 판명되었고 절단된 Control Valve의 Stem이 교체된 후 터빈은 전출력을 낼 수 있었다.

여기서 이야기하고 싶은 것은 어떤 종류든지 체계화된 나름대로의 진단 기법을 이용하는 것이 아무런 원칙없이 문제에 접근하는 것보다 훨씬 효과적이라는 것이다. 객관적이고 이성적인 접근 대신에 주관적인 감정의 개입이나 잘못된 자료에 의한 오판으로 인해 시간과 돈을 낭비하게 되는 일을 방지하려면 위와 같이 체계화된 진단기법을 활용해야 한다.

 

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