2. 0.5X 진동문제의 원격진단

Remote Diagnosis of a Pure 1/2× Vibration Problem

 

Balleylumford 발전소는 25년 이상 운전되었으며 120 ㎿ 3대와 200 ㎿ 3대 총 960 ㎿ 용량의 증기터빈을 가지고 있다. 이 내용은 200 ㎿ 터빈중 하나에서 발생한 문제를 다룬 것으로 그림 5-17은 기계 배열도 이며, 모든 축들이 견고하게 연결되어 있다.

그림 5-17 기계 배열도

1993년의 Overhaul후, 고압 터빈 #1 베어링의 수평 방향의 축진동 값이 정상보다 높았다. 300 ㎛ p-p의 진동 진폭이 1× 운전속도에서의 값이었다. 그러나 약 7개월 동안 이 기계는 이 정도의 진동에서 별문제 없이 운전되었다. 상대적인 축의 움직임은 #1 베어링의 중심에서 약 150 ㎜ 떨어진 Carrier Ring에 설치한 Proximity Probe로 측정되고 있다. #1 베어링은 케이싱이 팽창되거나 수축될 때 자유롭게 축 방향으로 미끄러지는 페데스탈 속에 장착되어 있다.

1993년 3월 어느 주말동안, 그 기계는 정지되었다. 터빈 작업은 없었지만, 재기동했을 때 진동값이 변동되었다. 수평방향 축진동값이 430 ㎛에 달했으며 이중 1× 값은 300 ㎛, 정확히 0.5× 값은 260 ㎛이었다 (그림 5-18).

그림 5-18 #1 베어링에서의 고진동을 나타내는 스펙트럼

발전소 기술자는 Bently Nevada사에 전화를 하고 Transient Data Manager(TDM)에서 출력한 Plot을 Machinery Diagnostic Services(MDS)로 팩스를 보냈다.

정확히 0.5× 운전속도에서의 일반적인 진동원인은 1/2 운전속도 이상이나 이하의 부근에서의 공진(임계속도라고 불리기도 함)과 더불어, 이완과 Rub의 영향이다. 이 기계의 기동 자료가 없으므로, MDS는 #1 베어링을 먼저 점검하도록 권고했다. 터빈을 정지시키고 베어링을 검사한 결과 간극은 만족할 만 했다.

재기동한 결과 같은 문제들이 발생했고 추가 Plot들을 팩스를 통해 MDS로 보냈다. 24시간의 전체 진동 경향도(그림 5-19)는 진동값이 어떻게 변했는가를 보여준다. 경향도의 3개의 선(실선, 가는 점선, 긴 점선)은 최대치, 평균치, 최저치를 각각 나타낸다. 30 ㎿에서 0.5× 진동은 없었고 전체 축진동 값은 대략 270 ㎛ 정도였다. 1× 진동 성분은 부하 증가와 더불어 증가했고, 40 ㎿에서 0.5× 성분이 260 ㎛로 나타났다. 1× 진동성분은 400 ㎛로 증가했다. 두 성분은 합쳐서 전체 축진동이 450에서 500 ㎛의 수준이었다.

그림 5-19 부하가 걸렸을 때 #1 베어링의 전체 진동의 24시간 경향도

1× 진동 성분은 기계가 운전속도에 도달했을 때 커진 것이 아니라 부하증가와 더불어 상승하였기 때문에 높은 1× 값의 원인으로 불평형은 제외되었다. Alignment 문제가 의심되었다.

0.5× 성분은 부하가 90 ㎿로 증가할 때까지 계속 발생했다. 90 ㎿ 부하에서 고압터빈 페데스탈이 미끄럼 면을 따라 앞으로 점프를 했고, 0.5× 성분은 사라지고 진동값은 400 ㎛ 떨어졌다. 터빈은 증기입구 온도가 20℃ 변동폭이 발생하기 전까지 12시간동안 370에서 400 ㎛의 진동치로 운전했다. 0.5× 성분이 다시 나타났고 HP 진동값은 다시 500 ㎛로 증가했다.

0.5× 성분은 더 이상의 온도변화가 발생했을 때까지 계속 유지되었다. 페데스탈이 다시 움직였고 0.5× 성분은 사라졌다. 축진동은 약 400 ㎛로 감소되었다. 터빈은 보일러 관의 누설로 인해 정지될 때까지 이 진동수준으로 운전하였다. 그림 5-20은 0.5× 성분이 존재할 때 Unfiltered Orbit와 파형이다.

그림 5-20 0.5× 진동성분이 있었을 때 Unfiltered Orbit과 Timebase Plot

#1 베어링의 간극은 양호했고, 다른 이완의 원인도 없었다. 0.5×의 성분은 온도와 고압터빈 페데스탈의 움직임과 관련되었다. 0.5× 성분이 생기는 가장 가능성 있는 원인은 고압터빈 페데스탈이 이의 미끄럼 판에 고착됐을 때 고압터빈 케이싱이 변형됐기 때문에 생기는 로터와 케이싱간의 반경방향 Rub이었다. Orbit의 모양을 보면 Rub는 케이싱의 왼쪽 즉 기계의 구동기측으로부터 보아 9시 방향에서 발생하고 있었다.

그림 5-21과 5-22는 0.5× 진동이 사라질 때부터 기계가 정지될 때까지의 고압터빈 수평방향 축진동과 페데스탈의 총 진동 경향도 이다.

그림 5-21 0.5× 진동이 사라질 때부터 정지할 때까지의 축진동 경향도

그림 5-22 0.5× 진동이 사라질 때부터 정지할 때까지의 페데스탈 진동 경향도

3월 10일 약 3시경, #1 베어링에서의 평균 축진동 값은 약 370 ㎛인 반면, 페데스탈의 진동값은 16 ㎛로 축과 페데스탈의 진동변위비는 23:1이었다. 이 종류의 베어링 페데스탈은 높은 기계적 Impedance를 가지지 않는 것이 잘 알려진 사실임으로 이 비율은 높은 것으로 간주되었다. 따라서 축의 진동 진폭이 큼에도 불구하고 단지 작은 양의 힘이 베어링 유막을 통해 페데스탈로 전달되어 졌다고 결론 지었다.

또한 축의 움직임에 의해 베어링 간극 이상으로 증가함에 따라 페데스탈로 전달되는 힘이 불균일하게 증가했다는 것도 주목할 만한 일이다. 오후 6시에 축진동은 390 ㎛로 5.5% 증가했다. 그러나 페데스탈 진동은 24 ㎛로 44% 증가했다. 유용한 정보를 바탕으로, MDS는 #1 베어링이 낮게 Misalign 되었다고 결론지었다. 따라서 베어링은 고압 축을 적절하게 지지하지 못하고 있었다.

발전소 기술자와의 전화통화에서, MDS는 Rub와 #1 베어링의 Alignment에 관한 그들의 결론에 대해 의논했다. 그 기술자는 원래의 Alignment Catenary 수치를 검토한 결과 Overhaul 이후 #1 베어링이 낮았다는 것을 확인하였다. 그 다음 주말 정지기간중에 고압터빈 페데스탈을 0.5 ㎜ 만큼 들어 올렸다. 고압터빈 케이싱은 페데스탈에 부착되어있기 때문에 이동작업이 축과 고압터빈 케이싱 사이의 내부 Alignment에 영향을 미치지는 않았다.

터빈이 다시 기동되었을 때 Rub는 일부 기동시간 동안 여전히 발생했지만 1× 진동값은 페데스탈의 이동 결과로 약 20 ㎛(0.8 mils) 낮았다 (그림 5-23, 5-24).

그림 5-23 페데스탈 이동이후 낮은 진동치를 보여주는 전체 진동 경향도

그림 5-24 페데스탈 이동이후 낮은 진동치를 보여주는 1× 진동 경향도

이 새로운 자료로 인해 초기의 결론이 변경되지는 않았다. 발전소 기술자와 더 의논한 후 터빈을 정지하여 다음 조치를 취했다.

• 베어링 부하를 더 주기 위해 고압터빈 페데스탈을 0.5 ㎜ 더 올렸다.

• #1 베어링 끝에 있는 고압터빈 Casing Gland 상반부를 취외한 결과, Unfiltered Orbit에서 예측했던 데로 9시 방향에서 Rub 흔적이 보였다.

• 축과 케이싱의 왼쪽면 사이의 간극을 증가시키기 위해 #1 베어링을 오른쪽으로 0.25 ㎜ 옮겼다.

결론

이동한 이후 터빈은 전체 진동 및 1× 진동값은 200 ㎛로 운전되었다 (그림 5-23, 5-24). 고압터빈 페데스탈 수평방향 진동값은 25 ㎛이었다. 차동기 진동은 발생하지 않았고, 큰 진동의 변화 없이 부하는 필요한 만큼 변화될 수 있었다. 수직 Alignment의 변화로 높은 1× 진동이 감소되었고 베어링의 수평 방향 이동으로 0.5× 성분이 제거되었다. 문제는 진동전문가를 발전소로 보내지 않고서도 해결되었다. TDM 시스템에 의해 수집하고 그려진 Online Data가 MDS Engineer들로 하여금 원거리에서 문제를 해결할 수 있도록 하였다.

 

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