1. 발전기 로터의 불평형 분석

Analysis of Generator Rotor Unbalance

 

Edison 발전소의 Major Overhaul후 3호기를 현장 발란싱한 결과 일관성 및 반복성이 없는 결과를 갖게 되었다. 여러 가지 중요한 자료의 분석결과 저압 터빈의 Bore Plug가 제자리를 벗어나 저압터빈과 발전기간의 커플링의 "Spacer Gear" Bore안으로 떨어졌다는 결론에 도달하게 되었다. 이 사례는 문제점을 설명하며 불평형의 주원인 인 Bore Plug를 설치하는데 이용된 기술을 언급한다.

Edison 발전소는 두 대의 Turbogenerator Set가 있는데 2호기는 335 ㎿짜리 Steam-Driven, Cross Compound, 13 베어링을 가지는 반면에 3호기는 Tandem Compound, 491 ㎿ Steam-Driven, 12 베어링 유니트이다. 그림 2-1은 3호기의 배치도 이다.

그림 2-1 Turbogenerator Machine Train Diagram

1991. 5. 17일 3호기는 Major Overhaul후 운전이 재개되었는데 정지중 작업 내용은 Bently Nevada 3300 터빈 감시 계측설비를 설치했으며 저압 터빈 로터의 Boresonic 검사와 새로운 Steam Seal 즉 가변간극 Packing을 설치했다.

이 3300 감시 시스템은 X, Y 방향으로 각 베어링에 Dual Probe(Proximity와 속도 변환기)로 구성되었다. 자료가 수집되고 표시되었으며 Bently Nevada System 64를 이용해 저장되었다. 이 시스템은 Online 진단과 Trend 기능을 수행할 수 있는 Computer-Based 감시 시스템이다.

이 시스템을 이용하여 운전원들은 처음으로 유용하고 이해하기 쉬운 형식으로 실시간 진동 자료를 감시하고 수집할 수 있었다. 또한 이 시스템은 운전원들로 하여금 위험한 진동 상태로부터 유니트를 보호할 뿐만 아니라 입수된 정보로 진동문제를 진단하고 시기적절한 조치를 취할 수 있도록 하였다.

 

1.1 事例 (Case History)

1991년 5월 20일 3호기가 재가동된후 곧 진동 감시기의 경보 상태는 위험수위가 되었다. 그림 2-2에서 전체 진동치를 볼 수 있으며 #9 베어링이 고진동을 나타내고 있었다.

그림 2-2 System 64로 검출한 #7 및 #9 베어링의 전체 진동

동기 즉 1× 주파수 성분(그림 2-3)을 운전원이 보았을 때 #9 베어링이 진동을 일으키는 주원인임을 알 수 있었다. 그들은 1× 진동을 낮출 의도로 불평형 교정 Weight (Balance Shot)를 발전기 로터에 설치하기로 결정하였다.

그림 2-3 System 64에 나타난 진폭대 위상 (1× 성분)

 

5월 23일 Balance Shot을 계산하여 교정 Weight를 발전기 로터내에 설치하였다. 그림 2-4에서 보여주듯이 발란싱 결과 #9 베어링의 1× 진동은 경보치 이하로 내려간 반면에 #10 베어링은 경보상태에 있게되었다. 진동을 허용치 이하로 낮추기 위해 5월 26일 또 다른 Balance Weight를 설치하였다. 이번 Balance Shot는 기대한 대로 이행되었으며 유니트의 전체 진동치가 유익한 효과를 얻게된 것으로 모든 사람들은 느꼈다.

2차 발란싱 후에 이 유니트는 진동과 관계없는 조건으로 정지된 바 있었다. 그런데 재기동시에 발전기 베어링(#10)에서 또다시 고진동이 나타나게 되었는데 이번 진동은 과도상태에서 아주 분명했으며 1× 성분이 우월하였다. 그러나 이번 진동의 주원인은 불평형이라고 생각되지 않았다.

그림 2-4 1차 발란싱후의 진폭대 위상

그림 2-5와 2-6은 터빈과 발전기의 1× 진폭 및 위상의 경향도 인데 이들 그림에서 발전기 베어링(#10)의 진동은 로터의 불평형 때문이 아니라 터빈 Steam Seal Rub(그림 2-5)에 의한 것으로 결론 지었다. 이들 그림은 1× Vector가 어떻게 반대방향으로 나갔다가 다시 원래의 위치로 돌아오게 되었는지를 보여준다. 이것은 어떻게 Steam Seal Rub이 시작되고 없어지는지를 보여주는 하나의 실례이다.

그림 2-5 터빈의 1× 진폭 및 위상 경향도

 

그림 2-6 발전기의 1× 진폭 및 위상 경향도

발전기가 3차 공진속도(그림 2-7)에 부근에서 운전하고 있었기 때문에 심지어는 #2 베어링에서의 어떤 부가적인 가진도 증폭된 응답을 초래할 수 있었다. 이것이 #2 베어링보다 #10 베어링이 Rub에 더 큰 응답을 가지게 된 이유이다.

발전소에서는 여러 가지 공정 변수를 추적하기 위해 System 64를 이용하였다. 부하 변화가 Rub 현상을 일으킨다고 생각하였는데 #10 베어링의 진동과 부하 경향을 비교한 후에는 이러한 생각은 없어지게 되었다.

그림 2-7 기동시의 Polar Plot

Rub 작용이 끝난 후에 이 유니트는 비교적 문제없이 운전되었으며 #.3 유니트의 과속도 Trip Test 가 6월 17일로 계획되었다. 발전기 로터는 이전의 발란싱 시행결과 만족스럽게 응답하였기 때문에 반경 203 ㎜에서 여자기와 발전기간의 커플링에 교정 Weight를 취부하므로써 또 한번 Balance Shot이 시도되었다. 여자기 커플링에 비교적 적은 교정 Weight(142 gr)를 취부했는데 그 결과는 완전히 예상 밖이었다. 발전기 진동이 이전의 Balance Sensitivity(그림 2-8)와는 다르게 높은 수준으로 올라갔다.

이것은 이 발전소의 운전원에게 발전기에 잠재한 문제점이 있음을 경고해 주었다. 그래서 이러한 불일치한 결과를 확인하기 위해 6월 20일 또 한번 Balance Shot를 시도하기로 결정하였다. 그 결과 또한 예상한 응답(그림 2-9)과 일치하지 않았다. 이 유니트의 운전조건을 계속해서 감시하면서 발란싱을 계속하기 위한 결정이 내려졌다.

그림 2-8 여자기 커플링의 발란싱 결과(1차)

 

그림 2-9 여자기 커플링의 발란싱 결과(2차)

이 시점에서, 이전의 발란싱 시행으로 얻은 Balance Sensitivity를 관찰할 필요가 있다. 최초의 Balance Shot에서 얻은 Sensitivity 는 155˚에서 6.4 gr/㎛였다. 이것은 이러한 형태의 로터에서는 흔히 있는 값이었다. 여자기 커플링에 142 gr을 변화시켰더니 Sensitivity는 105˚에서 1.33 gr/㎛가 변했다. 142 gr의 Weight가 56,246 ㎏ 로터에 이러한 크기의 영향을 준다는 것은 거의 불가능한 것처럼 보였다. 이러한 모순점은 6월 20일 Balance Shot에서 확인되었다. 발란싱 결과 Sensitivity가 123˚에서 2.2gr/㎛였다.

다음 단계는 무엇이 Balancing에 대해 이러한 예측할 수 없는 응답을 발생시켰는가를 찾는 것이었다. 층간 단락의 가능성을 확인하기 위해 발전기에 대한 Flux Test가 시행되었다. 또한 Monitor에서 기록된 과도상태의 자료에서는 발전기 공진이 1× 진동 Vector를 변화시키는 원인이라고 나타내지 않았다. 다음에 검사할 것은 각 발란싱 시의 Sensitivity 였다. 1× 진동 Vector를 변화시키는 것은 발전기 로터의 Balance Plane에서 406 ㎜ 반경에서 907 gr과 동등한 무게를 가진 불평형의 결과라고 확인하였다. #9 베어링에서 "변동하는 1× 진동 Vector"는 항상 #10 베어링에 영향을 주기 때문에 변동하는 질량은 발전기 로터의 커플링 끝쪽에 위치한다고 결론 지었다.

유니트를 정지하고 재기동할 때마다 발전기나 저압터빈 “B"의 어떤 내부 부품의 위치가 변동하고 있다는 것이 명백하였다. 철저히 조사를 한 결과 발란싱할 때마다 큰 진동을 일으키는 충분한 질량을 가지는 두 로터의 내부 부품은 저압터빈의 Bore Plug 이었음을 알아냈다. 이러한 결론은 6월 18일 과속도 시험중에 수집된 자료에 의해 얻어졌다. 속도와 출력은 일정하게 유지되는 반면에 진동은 큰 계단식 변화가 있었음을 알았다. 이 계단식 변화는 Bore Plug가 빠진 위치와 상응한다. Stress/Strain 분석결과 과속도 상태에서 Bore Plug가 빠질 수 있다는 것이 확인됐다.

 

1.2 結論 (Conclusions)

1991년 9월 23일 저압터빈과 발전기간의 커플링을 완전 분해한 결과 예상했던 대로 저압터빈 로터의 Bore Plug가 Coupling Spacer Gear의 Bore에서 발견되었다. 그림 2-10은 Bore Plug가 어떻게 커플링 Bore에 조립되는지를 보여준다.

System 64에서 얻은 정보는 이러한 문제를 정확히 진단하도록 하는데 중요한 역할을 하였다. Bore Plug를 재설치한 결과 진동치는 허용수준으로 되돌아 왔다. 이러한 사례는 전통적인 감시 시스템과 함께 연계하여 Computer화된 감시 시스템을 이용하는 것의 중요성을 보여준다.

그림 2-10 Bore Plug가 커플링 Bore에 어떻게 조립되는가를 보여주는 그림

 

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