2. 축진동 감시의 장점

Shaft Vibration Monitoring Detects Problems which Seismic Transducers do not

 

2.1 序論 (Introduction)

이 사례는 1987년에 78 ㎿급 가스터빈/발전기의 설치후 기동시에 발생한 2가지의 보기 드문 진동 문제를 기록한 것이다

이들 문제점은 베어링 메탈 온도를 감시하기 위한 열전대와 축진동 감시를 위한 와전류 변위 Probe를 사용하여 검출, 확인되었다.

이 사례에서 몇 가지 흥미롭고 중요한 사실이 밝혀졌다.

그중 2가지는 ① 공장 표준으로 베어링 캡에 부착된 지진계식 진동 변환기는 이들 문제에 대해 경보를 발생하지 않았다 ② 회전하는 중공축 안에 있는 어떤 물체는 항상 Shaft와 함께 회전되는 것은 아니며, 만일 이 물체가 갑자기 회전하게 되면 즉각적으로 불평형을 야기하거나 운전원을 당황스럽게 하는 결과를 초래한다는 것이다.

 

2.2 背景 (Background)

이 기계는 78 ㎿, 3600 rpm의 산업용 가스 터빈으로서 연소실에 증기분사시 출력이 증대되어 100 ㎿까지 출력을 낼 수 있는 수소 냉각 방식의 발전기를 구동한다. 터빈은 3개의 레디얼 베어링과 1개의 추력 베어링을 가지는 단일축으로 설계되었다. 또한 발전기 축은 2개의 레디얼 베어링으로 지지되며, 기동시 초기 모멘트를 받는 동안 축을 부상시키기 위하여 1500 psi의 유압 Lifting Pad를 장착한 형식으로 개조되었다. 터빈은 길이 8 ft, 외경 16 inch의 중공 커플링을 통해 발전기와 직접 연결되어 있다.

기본적인 진동 보호 감시 시스템은 제작자가 공급한 그대로 케이싱에 장착하는 지진계식 진동 변환기를 이용하고 있다. 그러나 사용자의 경험을 근거로하여 5개의 베어링에 반경 방향 축진동을 감시하는 X․Y쌍의 와전류 변위 Pickup를 설치하였으며(교체시 접근이 어려운 터빈 중앙 베어링에는 여분의 X․Y Probe 쌍이 설치됨), 추력 베어링에 2중의 축방향 변위 Probe, 진동 위상 분석을 위한 Keyphasor Probe를 설치하였다. 베어링 메탈 온도를 감시하기 위하여 한 쌍의 열전대가 각 베어링의 수하부에 장착되었다. 진동, 축방향 위치, 베어링 메탈 온도는 2개의 별도의 컴퓨터 시스템에 의해서 기록될 뿐만 아니라, 배전반에서 지속적으로 감시되고 이상 발생시 경보가 울린다. 가스 터빈과 발전기의 설치가 완료되고, 1987년 1월 기동시험이 시작되었다. 이 시험운전 기간동안에 2가지의 심각한 문제가 발생했다.

[1] 저속 회전시 발전기 베어링 고장

1월 26일 가스 터빈 과속도 시험후 유니트의 유압 Torque Converter에 문제가 발생되어 터빈 정지중 Slow Roll 상태로 유지하는데 실패했다. 운전원들은 야간에 터빈이 정지되기 전에 적당히 냉각이 되도록, 기동 전동기를 사용하여 유니트를 600 rpm으로 회전시키는 Rapid Crank을 시작했다.

터빈을 기동시키자마자 그림 2-11과 같이 발전기 외측 베어링(BTG21)의 X, Y 축진동 Probe에서 매우 높은 진폭의 진동이 검출되었다.

운전원들이 경보 내용을 조사한 결과, 터빈 회전수는 결코 1000 rpm을 초과하지 않았고 600 rpm에서 유지되었는데도 베어링 메탈 온도는 경보값을 상회하였으므로, 현장의 기동 Engineer들과 협의후 발전기를 정지하게 되었다. 발전기 베어링검사 결과, 베어링 하부에 있는 1500 psi의 유압 Lifting Pad의 부품하나가 풀려 기동시 Lifting Oil이 베어링에 유입되지 못했다는 사실이 발견되었다. 앞에서 언급하였듯이 이 78 ㎿의 터빈은 100 ㎿의 발전기와 연결되어 있다. 그런데 기동 전동기와 부속 기기는 발전기 용량에 비하여 작게 설계되었다. 이 문제의 해결책은 기동 전동기가 터빈 축을 잡고 있는 상태에서 최초 몇 바퀴 회전시키는 동안 2개의 발전기 베어링 하부의 Pad내로 유입된 작동유로 훨씬 무거운 발전기 축을 들어올리는 것이다.

그러나 이 Lifting Pad들은 Lift Oil이 없이 매우 낮은 속도에서 로터 중량을 지지할 수 없다. Lift Line의 고장으로 Oil이 Pad에 도달하지 못하자, 베어링 베비트는 가혹한 Wiping 현상이 발생되어, 두께 15 mils 정도의 베비트가 로터 저널 부위에 붙어 있었다. 크게 손상된 베어링은 분해 후 재생을 위해 제작사로 보내졌다. 그러나 축진동 및 베어링 메탈 온도 감시 시스템 때문에 발전기 축은 손상을 입지 않았다. 저널에 붙어 있던 연질의 베비트는 쉽게 제거되었으며, 예비품 베어링을 설치하여 며칠 후에는 유니트 재기동이 가능해졌다.

그림 2-11 속도, 발전기 베어링 메탈 온도, Seismic 진동치, 축진동 대 시간.
유니트 재기동시 베어링 온도와 축진동은 매우 높은데 비해, 발전기 베어링 캡에 부착된
지진계식 변환기는 600 rpm의 저속 회전시 어떤 문제점도 지시하지 않았다.

한편 그림 2-11에서 알 수 있듯이 발전기 베어링 캡에 장착된 지진계식 진동 변환기는 어떠한 징후도 나타나지 않았다. 무게 62,000 lb의 발전기 축은 거의 10 mils p-p로 진동을 일으켰지만, 이러한 저속도에서는 육중한 발전기 케이싱은 지진계식 변환기가 문제를 감지할 정도로 충분히 흔들리지 않은 것이 분명하다.

[2] Load Coupling 내부에서 요동하는 물체

터빈/발전기의 기동 시험이 1월초에 시작됐고 1987년 2월까지 계속됐다. 우리는 제작 공장에서 터빈을 시험하는 동안 진동을 분석, 기록하였기 때문에 그 진동의 특성과 여러 개의 임계속도가 어디에 위치해 있는지를 알고 있었다(이 유니트는 계산상으로 7차와 8차 임계속도 사이에서 운전된다). 발전기가 조립된 상태로는 공장에서 운전 시험을 할 수 없고, 최초로 이 발전소에서 78 ㎿의 가스 터빈에 100 ㎿ 발전기가 연결되어 기동하는 것이기 때문에 이들 자료는 매우 중요한 것이었다.

발전소에서 초기 시험 운전중에 터빈 진동값은 제작공장 시험에서 측정된 것보다도 높았으나, 우리는 이것을 터빈과 발전기가 연결되어 있기 때문인 것으로 판단했다. 우리가 합리적으로 설명하지 못한 것은 기동시마다 진동이 재현성이 없다는 것이었다.

그림 2-12는 1987년 2월 2일에 수집한 3개의 기동시의 진동 경향도이다. 세 번째 기동시 2460 rpm의 임계속도 응답이 사라졌다가, 네 번째 기동시에는 매우 높은 진폭으로 다시 나타났다. 그림 2-13을 보면 진동 위상각이 기동할 때마다 변하는 것을 알 수 있다. 로터 시스템에서 발란스 상태가 변하면 기동시마다 위상각이 변할 수 있다.

그림 2-12 기동시마다 커플링 내부에서 이물체의 위치가 바뀌면서 재현성이 없는 진동 양상을 보여주는
3개의 기동시 #3 터빈 베어링 1× 축진동 경향.

그림 2-13 2번의 기동시 3개 베어링에서의 축진동 위상각 변화. 이물체는 기동시마다 위치를 바꾸었다.

우리는 무엇인가가 느슨한 곳이 있다고 의심은 했지만 무엇인지는 알 수 없었다. 커플링 플랜지의 볼트(혹시 Rabbet Fit가 느슨한가)에서부터 발전기 축에 부착된 Balance Weight의 위치(혹시 부착된 Weight중의 하나가 풀려 Balancing Groove안에서 움직이는 것이 아닌가)까지 모든 것을 검사했다. 그러나 잘못된 점을 발견할 수 없었다.

그러다가 2월 10일에 정말로 놀라운 일이 발생했다. 유니트를 기동하여 적당한 진동 수준으로 정격 속도에 도달하였는데, 그림 2-14에서와 같이 정격속도에 도달한지 약 40초 후에 5개 베어링의 X, Y Probe에서 진동이 갑자기 뛰었다. 진동은 실제 상황이었으며 발전기 베어링중 하나가 2.5 mils에서 5.5 mils까지 증가되었다. 문제를 정확히 파악하기 위해 속도를 약간 상승시켰다가 감소시킨 다음 유니트를 정지시켰다. 그림 2-14에 나타난 진동 경향을 보면 정지시와 기동시의 로터 응답이 서로 다르다는 것을 알 수 있다. Tape에 기록된 데이터를 분석해 본 결과, 5개 베어링 모두가 같은 순간에 진동치가 뛰었다는 것을 알 수 있었으며, 진동의 주성분은 1×였다. 진동은 그림 2-15에서와 같이 증가한 후 축이 한바퀴 회전하는 동안에 안정되었다. 무엇인가 갑자기 이동되어 로터 발란스가 변하였는데, 3600 rpm에서 40초를 기다린 다음에 16~17 ms 이내에 발생되었다.

그림 2-14 ‘87.2.10일 정상적으로 기동되었는데 #3 베어링에서 갑자기 1× 진동이
상승되고(위 그림), 정지중 임계속도(2475 rpm) 통과시 진동이 더 높아짐.

그림 2-15 진동상승은 축이 1회전하는 시간 이내에 발생했다.

이러한 현상이 발생되는 동안 베어링 캡의 지진계식 변환기는 0.28 in/sec를 초과하지 않았고, 대부분 0.15~0.2 in/sec 범위에 있었다. 제작사 추천 경보치는 0.31~0.5 in/sec이고 정지값은 1.0 in/sec인데, 지진계식 변환기는 제작사 설계 제어 시스템에 묶여 있는 방식이기 때문에 진동 신호를 휴대용 분석기에 입력하여 분석하는 것이 불가능하다. 축진동을 감시하는 와전류 Probe가 아니었다면 스펙트럼 데이터를 얻을 수 없었을 것이다.

한번더 철저히 검사한 다음 이 유니트는 2월 17일에 재기동되었다. 데이터 분석결과 문제가 있는 부위는 #3 터빈 베어링과 터빈/발전기 사이에 있는 Load Coupling으로 추정되었다. 2시간 동안의 Slow Roll 상태를 유지하는 동안 미세한 Cold Bow 현상이 나타나기는 했지만, 2월 10일에 측정한 진동 변화정도를 일으킬 만한 것은 발견되지 않았다. 그러나 2월 17일 기동시에는 정격속도 도달후 40분 후에 진동 변화가 생겼다. 2일간 운전되는 동안 진동은 일정하게 유지되었다.

폐열 보일러 문제를 수리하기 위해 정지한 후, 2월 20일에 재기동하였다. 그런데 이때는 진동치가 낮게 유지되고 뛰지도 않는 놀라운 일이 발생되었다. 3일간 운전되는 동안 진동 변화는 일어나지 않았으며 전반적으로 낮게 유지되었다. 이 현상을 어떻게 설명할 수 있겠는가!

기동시 터빈과 발전기 Alignment 상태는 “Theodolite"를 사용하여 계속적으로 감시되었다. 이러한 Optical Alignment법은 터빈과 발전기에 장착된 표적을 보는 두 개의 Optical 형식의 Transit를 사용했다. 표적의 X, Y, Z Position은 절대 좌표내에서 여러 표적의 Position을 3각 측정할 수 있는 소형 Computer로 Theodolite 센서에 의해 자동 입력된다. 이러한 장비와 컴퓨터 시스템을 이용하여 기동중 가열되는 동안에 발전기와 터빈의 Alignment 상태 변화를 생생하게 감시할 수 있다. 검사 결과 기동중 Alignment 상태는 양호하였으며, 갑작스런 Alignment 변화는 발생되지 않았다.

3월 1일에 마침내 문제의 원인을 발견했다. 폐열 보일러 때문에 다시 한번 정지한 후 기동하기 전에 50 rpm으로 저속회전 도중 운전원은 Load Coupling에서 어떤 소리가 나는 것을 들었다. 무엇인가 중공 커플링 내에서 구르는 소리였다.

발전기측 커플링을 풀고 8 feet 길이의 중공 커플링 내에 내시경을 넣어 점검한 결과 1.75 lbf의 강과 황동의 Alignment Shim이 발견되어 이것을 끄집어냈다.

이 Shim은 Alignment 작업중에 터빈 Flange에 볼트로 고정되어 있던 것이었다. 다이얼 지시치를 읽기 위해 발전기 로터를 돌릴 때 터빈과 발전기 Flange 면이 분리되었고, Alignment 완료후 Shim이 제거되고 플랜지 면은 볼트로 체결되었다. 분명히 Shim이 볼트로 체결되지 않았기 때문에 중공 Load Coupling내로 떨어졌음이 틀림없다. 누군가 그 사실을 알고 있었는지 모르지만 이것은 보고되지 않았다.

그림 2-17은 터빈 기동시의 두개의 진동 추이를 비교해 준다. 위의 것은 진동이 뛰지 않은 2월 12일 기동할 때이며, 밑의 것은 3월 5일 커플링으로부터 이물체를 제거한 후 측정한 동일 Probe에서의 진동 상황이다. 분명히 커플링 내에 1.75 lbf의 물체가 있었는데도 2월 12일 기동시는 커플링이 3600 rpm으로 회전할 때 불평형력이 생기지 않았다. 원심력 계산(F=mrΩ2)은 3600 rpm으로 회전되는 커플링의 6.85 inch 내측 반경에서 1.75 lbf의 무게는 4425 lbf의 반경방향 불평형력을 발생시킨다는 것을 보여준다. 회전하는 커플링 내에서 어떻게 불평형력을 발생시키지 않았을까?

믿기 어렵기는 하지만 그 질문에 대한 유일한 해답은 때때로 그 물체가 커플링과 함께 회전하지 않았다는 것이다. 아마도 그것은 커플링 내면에서 물체를 끌어올리려는 마찰력이 아주 낮은 부위에서 자중에 의해 물체를 끌어내리는 힘과 정확히 같은 위치에서 평형을 이루면서 미끄럼 운동을 한 것으로 생각된다.

커플링 내부의 내시경 검사 결과 마찰로 인해 내측 표면이 부드럽게 닳은 흔적이 있었다. 그림 2-12의 2월초에 경험한 비반복적인 진동으로 인해 2월 10일 기동에 앞서 이 터빈은 50 rpm에서 14시간 Slow Roll 했다. 그림 2-14와 같이 진동이 뛰는 현상은 2월 10일 기동중에 처음 발생되었다. 커플링이 저속으로 14시간 회전하는 동안 그 Alignment Shim이 안정 위치를 찾아 그곳을 Polishing하여 커플링 내부 표면을 매끄럽게 만든 것으로 생각된다. 터빈의 Thermal Growth를 고려하여 발전기가 더 높게 정렬되기 때문에 커플링은 #3 베어링쪽으로 기울어져 있다. Shim이 발견된 곳은 #3 베어링 옆이었으며, 커플링의 기울기 때문에 그 위치에 계속 위치해 있었다.

유니트 기동시 이 Shim이 커플링 내에서 안정된 평형 상태로 미끄러질때는 1.75 lbf의 무게는 매우 무거운 커플링에 비해 무시될 정도의 양이다. 그러나 때때로 어떠한 이유로 인해 그 물체가 갑자기 고정되고 순간적으로 커플링과 함께 회전하게 되면 4425 lbf의 불평형력이 발생할 것이며, 유니트가 정지되어 그것이 미끄러져 내릴때까지 진동이 높게 유지될 것이다. 진동의 비재현성은 그 물체가 커플링과 함께 회전할 때마다 잔류 불평형에 대해 다른 위치에 자리잡은 때문이다. 이 물체가 커플링으로부터 제거된 이후에는 진동은 뛰지 않았고 진폭은 낮게 유지됐으며, 이것이 범인이었다.

축진동 감시결과 지진계식 속도계로는 알 수 없는 기기의 다른 특성을 나타냈다. 예를 들어 그림 2-16에 있는 발전기 진동과 발전기 권선 온도간의 직접적인 상관관계를 주목해보자. 그 상관관계는 진동과 출력을 비교할 때 확연해진다. 우리는 발전기 로터가 단락된 경우를 의심하게 되었으며, 이를 검사하는 방법을 알아내기 위해 노력해왔다. Rotor Bar에 전류가 증가되면 Bar가 균일하게 가열되지 않아 로터가 열적으로 휘게되고 1× 진동이 발생될 것이다. 전류가 줄어들고 Bar가 냉각되면 로터는 다시 곧게 펴지며 진동은 떨어진다. 단락 현상이 있다하더라도 더 악화되지 않는다면 크게 문제되지는 않는다. 장시간에 걸쳐 특정 부하대에서의 진동을 비교해 보면 어떤 변화에 대한 충분한 경고를 얻을 수 있다.

그림 2-16 ‘87. 2. 17일 기동시 발전기 베어링 축진동은 갑자기 상승하였고, 흥미로운 것은 축진동과 발전기
권선온도(출력)와의 관계임. 이것은 이물체와는 관계없는 것이지만 아마도 층간단락에 의해 나타나는 현상임.

그림 2-17 커플링 내부에 이물체가 들어 있었지만 진동 상승현상이 발생하지 않은 경우(‘87.2.12)와
이물체가 제거된 후(’87.3.5)의 #3 베어링 축진동 비교. 진동 양상이 거의 비슷한 것으로 보아
이물체가 항상 커플링과 함께 회전한 것이 아니라는 사실을 보여줌.

 

2.3 結論 (Conclusions)

① 대형 가스 터빈은 증기 터빈과 원심형 압축기와 유사한 방식으로 진동한다. 가스 터빈에서도 Unbalance, Rub, 이완, Misalignment와 같은 문제가 발생되며, 와전류 Probe를 이용한 축진동 감시 시스템은 Shut Down 보호는 물론 필요한 진단자료를 제공할 수 있다.

② 대형 가스터빈 발전기에서 지진계식 진동 측정기는 기기 상태의 측정에 훨씬 덜 민감하여 와전류 Probe가 할 수 있는 진단 데이터를 제공해 주지 못한다.

③ 베어링 Whirl이나 Blade Rub 또는 다른 기타 문제가 아닌 갑작스런 불평형이 생기는 고진동이 발생될 때는 Alignment의 변화와는 관계가 없다.

④ 발생된 문제가 진동분석가에게는 흥미있는 일이기는 하지만, 기계 설치도중에 기기 내부에 공구나 다른 물체들을 남겨두지 않도록 주의해야 한다.

 

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