2.9 증기터빈 윤활계통 유지 정비

Maintaining Steam Turbine Lubrication System

 

터빈 발전기의 윤활 계통은 모든 운전 조건하에서 Thrust 및 저널 베어링에 Oil을 공급한다. 몇 년동안 Trouble없이 운전되다가도 윤활 계통은 윤활유 질의 저하나 기계 전기 부품의 고장, 또는 비상 전원 계통의 Trouble로 인하여 갑자기 고장날 수 있다. 윤활 계통의 고장은 잘 발생되지는 않지만, 한번 발생되면 터빈 베어링과 Rotor에 큰 손상을 야기 시킨다. 이것은 정비를 위한 발전소의 정지기간을 연장시키는 결과가 되므로, 윤활 계통의 각 요소들을 정기적으로 검사하고, 정비하는 것이 필수적이다. 증기 터빈 윤활 계통의 유지 정비를 위한 지침은 저자의 협회에서 대형 발전소의 터빈을 위해 개발되었다. 다음 페이지에서는 이들 지침에 상세히 기술된 Oil의 상태를 감시하는 몇 가지 방법에 초점을 맞추어 설명한다.

2.9.1 檢査 및 維持 整備가 必要한 理由: 蒸氣 터빈 Oil (Testing and Maintenance Requirements : Steam Turbine Oils)

요즈음의 터빈 Oil은 광물질을 고도로 정제한 수준의 Oil 규격과 특정한 Oil 특성을 강화하거나 추가하기 위한 여러 가지 첨가제를 공식화하였다. 이러한 양질의 Oil은 열적, 또는 산화로 인한 열화를 방지하고, 녹이나 부식을 억제하고, 만족스러운 윤활과 부하를 받는 부품을 냉각시키며, 거품의 방지, 양호한 수분 분리 특성을 가지도록 하기 위해 필요하다. 사용하는 동안, 이러한 특성들이 오랜 기간에 걸쳐 서서히 나빠질 수도 있다. 따라서 터빈 운전원이 Oil의 상태를 감시할 수 있도록 Sampling과 분석 계획을 확립하는 것이 중요하다. Oil 견본의 분석으로부터 얻어지는 정보는 Oil의 적합 여부를 판단하는 근거를 제공할 뿐만 아니라, 다른 방법으로는 감지할 수 없는 냉각수의 누설, 과도한 마모, 과열 등과 같은 윤활 계통의 문제점을 확인할 수 있다.

2.9.2 規格 (Specifications)

새 윤활유의 규격(Specification)은 제조업자, Oil 공급업자, 터빈 윤활 분야에서 활동하는 기술 협회 등에 의해 공식화된다. 최소한의 규격 지침이 American Society for Testing and Materials(ASTM)에 의해 “Standard Specification for Mineral Lubrication Oil Used in Steam and Gas Turbines(D 4304)”이라는 표제로 발표되어 왔다.

2.9.3 添加劑 (Additives)

최소한, 터빈 Oil에는 산화 발생을 저지시키기 위한 내산화제와 철이 주성분인 금속을 보호하기 위한 녹방지제가 포함되어 있다. 그밖에 거품 방지제와 금속 분해제가 첨가될 수도 있다. Oil에 포함되어 있는 광물질의 특성에 따라, 필요한 성능 특성을 얻기 위하여 다른 기능을 가진 첨가제가 사용될 수도 있다.

오랜 기간에 걸쳐, 몇몇 첨가제가 계통내의 물질이나 오염 물질의 흡착작용이나 화학반응에 의한 질의 저하, 윤활유의 열화 등으로 인해 소모될 수 있다. 이러한 소모량은 주기적인 보충유의 첨가로 전체 또는 부분적으로 상쇄될 수 있다. 터빈 Oil을 15~20년 동안 계속해서 사용하는 것도 보기 드문 경우가 아니다. Makeup이 용이하지 않은 터빈 윤활 계통에서는 어떤 성능이 감소되었는가를 정확하게 확인할 수 있도록 Oil의 특성이 감시될 수 있어야 한다. 첨가제를 혼합하여 Oil의 억제 작용을 다시 제공하는 것이 가능한 경우에도, 이러한 작업은 신중하게 검토되어야 하며, 터빈 Oil 공급자와 면밀한 상담을 한 후에 행해져야 한다.

2.9.4 汚染 物質 (Contamination)

터빈 Oil 계통내의 오염 물질들은 내부에서 생성되거나 Seal이나 Vent 등의 통로를 통하여 주변환경으로부터 계통 내로 빨려 들어온다. 외부의 오염 물질은 공기중의 먼지, 모래, 석탄 입자, 수분 등이다. 내부에서 생성되는 오염 물질은 어느 정도까지는 일정하게 생성되고 있는 마모 금속입자, 냉각수의 Leak, 슬러지와 같은 Oil 열화 생성물, 녹 입자 등이다. 그림 3-71은 고체 오염 물질의 양과 크기로써 터빈 Oil의 상태를 나타낸 일반적인 도표이다.

오염 물질의 생성이 과도하거나 억제되지 않을 때는 터빈 운전원이 그 원인을 확인하여 조치를 취하고, Oil 정화 장치나 계통의 여과기가 적정하게 운전되고 있는지를 확인할 수 있도록 경보가 발생되어야 한다.

2.9.5 分析 (Analyses)

운전중 터빈 Oil의 상태감시는 다음과 같은 특성에 초점을 맞추어야 한다.

• 녹방지 보호 작용.

• Oil의 잔존 수명(산화 안정성).

• 점도.

• 전산가(Total Acid number).

• 청결도.

• 거품의 생성 경향.

• 색상/외관.

• 수분 함유.

• 인화점(Flash Point).

 

다음 단락에서 ASTM에 의해 개발 및 입증되어 발표된 추천할만한 검사 절차와 함께, 처음 두 가지의 특성의 중요성에 대해 논의된다.

터빈 Oil 계통 내에는 녹에 대해 보호가 필요한 수많은 철금속이 있다. 이러한 보호 작용의 대부분은 Oil 속에 존재하는 녹방지 첨가제에 의해 가능하다. 새로운 Oil이나 사용하던 Oil을 계속해서 사용하려면 ASTM Method D 665-83 Procedure A, 또는 D 3603-82를 통과하여야 한다. 이것은 운전중에 물이 Oil과 섞이게 되는 경우, 철금속 부품에 녹이 생기는 것을 방지하기 위하여, 증기터빈 Oil의 성능을 평가할 수 있도록 고안된 Dynamic Test이다.

이 방법에서 원통모양의 Steel 견본을 300 ml의 시험유와 온도가 140℉(60℃)인 30 ml의 증류수가 들어있는 비이커에 담근다. 이 혼합물은 시험이 진행되는 동안 휘저어지며, 시험은 보통 24시간 정도 소요된다. Steel 견본의 녹 발생 상황은 시험후 육안 점검으로 측정한다.

Oil의 잔존 수명은 극심한 열적/산화에 의한 열화에 대해 Oil이 얼마만큼 더 견딜 수 있는가를 측정한다. Oil의 잔존 사용가능 수명은 Oil 내의 내산화제 잔존 농도와 밀접한 관계가 있다. 신유의 산화 안정도는 일반적으로 ASTM Method D 943-81에 의해 측정된다. 그러나 이 방법은 비교적 시간이 많이 소요되기 때문에(6주 이상), 운전중 Oil 상태 감시에는 적용되지 않는다. 이 용도로는 Rotating Bomb Oxidation Test(RBOT)인 ASTM Method D 2272-84가 더 많이 사용된다.

구리 촉매 코일이 들어있는 작은 유리 용기에 50 gr의 시험유 Sample과 5.0 ml의 물을 담아, 이 용기를 90 psi(620 kPa)의 산소가 가압되어 있는 Metal Oxidation Bomb에 넣고, 이 Bomb를 302℉(150℃)의 항온 Bath에 넣는다. Bomb는 Bath내에서 수평면과 30°의 각도를 이루면서 100 rpm으로 회전된다. 산소압력은 시험 중에 연속적으로 감시되며, 산소의 압력이 최대 압력으로부터 25 psi(172 kPa)이상 떨어지면 시험이 종료된다. 이것은 일반적으로 시험유의 산화가 가속화되었다는 것을 나타내며, 산화가 가속화되기 전까지 소요된 시간을 신유의 RBOT Data와 비교하여, 운전중인 Oil의 잔존 산화수명의 측정치가 얻어진다.

2.9.6 터빈의 Severity Level (Turbine Severity Level)

건설 및 운전기간 동안에 발생된 상황이 각기 독특하기 때문에, 각각의 터빈/발전기 윤활 계통은 독특한 특성을 가지고 있다. 이러한 상황들은 새로 채워진 신유가 산화 저항성을 잃게 되는 비율을 결정짓게 된다. 사용중인 Oil의 잔존 산화 저항성을 감시할 때, 이러한 상황들을 고려하기 위하여 터빈 Severity Level(B)이라고 불리는 한 특성(Property)이 확립되었다(DenHarder and Vienna). “B”는 터빈/발전기 윤활 계통에서의 Oil 반응으로 인해 매년 없어지는 신유 산화 저항성의 %로 정의된다. “B”는 다음 세 가지 요소를 고려에 넣는다.

• Oil의 산화 저항성을 보충하기 위해서 윤활 계통에 첨가되는 보충유의 양

• Oil이 사용된 시간

• RBOT, ASTM D 2272-84에서 정해진 것과 같은 잔존 산화 저항성

 

식(2)는 터빈 Severity "B"를 계산하는 식이다.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (2)

여기서,

M = 매년 계통으로 보충되는 Oil의 양을 원래 계통 내에 있던 전체 Oil량에 대한 %로 나타낸 값( % / year ).

X = Oil 속에 남아 있는 산화 저항성의 양을 원래의 Oil의 산화 저항성에 대한 %로 나타낸 값(신유에 대한 %).

t = 원래의 Oil이 사용된 년수

 

매년 25%의 Severity Level을 가지고 있는 터빈에서 Oil 열화에 대한 보충율의 영향, M이 그림 3-100에 나타나 있다.

특수한 윤활 계통에서의 Severity Level은 최초 운전이나 신유가 충진된 시점에서 얼마의 기간 내에 결정되어야 한다. 보충유 양의 정확한 기록이 필수적이며, RBOT가 1~2년 동안 3~6개월의 간격으로 수행되어야 한다. Oil 보충량과 시간에 따른 Oil의 열화정도를 알면, 그 Oil에 대한 터빈 Severity를 그림 3-101에서 알 수 있다.

그림 3-100 Oil 열화에 대한 보충율의 영향 (터빈 Severity, B = 25%/year).

 

그림 3-101 Oil 열화에 대한 터빈 Severity(B)와 보충율(M)의 영향. 점선은 터빈 Severity, B의 값이 얻어지는 과정을 보여준다.
예로서 터빈 Oil은 5년 동안 사용되었고, 연간 보충율은 15%이다. 회전식 Bomb Test로부터 얻어진 잔존수명은
처음 1,700분에서 350분으로(79.5% 없어짐) Oil이 열화되었다. 시간축에서 5년에서 시작하여 위로 올라가면 15%의
보충 곡선과 만나는 점이 결정되면, B/(100X)까지 좌측으로 평행하게 선을 그린다. B/(100X)축 위의 점과 Oil 산화 % 축
위의 79.5%에 해당하는 점 사이에 직선을 그리면, 22%/year의 터빈 Severity Scale와 교차하게 된다.

 

높은 Severity Level을 가지고 있는 윤활 계통은 잦은 보충이나 완벽한 신유 충진이 필요한 반면, 낮은 Severity Level을 가진 윤활 계통은 일상적인 보충으로도 문제가 생기지 않을 것이다. 최신 설계된 터빈/발전기는 1965년 이전에 설치된 것보다 더 높은 “B” Level을 가지고 있다. 윤활 계통의 온도가 증가되어 최근 설계된 터빈의 “B” Level이 더 높아진 것이 아닌가 생각된다. 보다 대형화된 축, Turning 기어, Coupling, 그리고, 더욱 작아진 Oil Tank의 체적은 시간당 Oil 냉각기를 통과하여야 하는 Oil 갤런당 열의 양을 증가시키게 되었다. 또한 압입 통풍형 보일러에서 새어나온 석탄 분말과 Fly Ash에 의한 Oil의 오염도 한 인자가 되어 왔다.

 

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