미분기 기어박스 온라인 진단 시스템 개발

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미분기 기어박스 온라인 진단 시스템 개발

2008년 8월 2일 (토) 23:51:00 | 지면 발행 ( 2008년 7월호 - 전체 보기 )

미분기 기어박스 온라인 진단 시스템 개발케이티엠 엔지니어링㈜(www.ktme.com)이선휘 책임연구원(031)776-2200 / ktme@ktmeng.com연구 개발 1. 개요최근 발전 플랜트에서 설비가 대형·고출력화됨에 따라, 고장이 발생할 경우 안전에 위험을 초래할 뿐 아니라 전력생산이 감소됨에 따라 국가적으로도 막대한 경제적 손실을 입게 된다. 특히 전력 플랜트와 같은 국가기반 시설은 그 피해가 산업 전반에서 나타나게 되므로, 그 영향이 다른 플랜트보다 매우 크다. 이들 플랜트에서 가장 중요시되는 것은 설비의 안정적 운전과 신뢰성으로, 모든 설비는 시간의 경과에 따라 마모와 손상을 입게 되고 운전 상태의 변화 때문에 설비 전반에서 열화를 가져오게 된다. 이런 변화된 상태를 그대로 방치하거나 적절하게 설비 상태를 판단하지 못할 경우 설비 파손으로 이어져 심각한 손실을 가져오게 된다. 따라서 사전에 사고를 미리 예방하며, 만일 결함이 발생할 경우 설비가 가동될 수 있는 수명을 예측하고 이에 따른 적절한 대책을 세움으로써 안정되고 신뢰성 있는 설비가 되도록 하는 기술이 필요하다. 이에 케이티엠 엔지니어링㈜는 태안 화력의 주요 설비인 미분기에 이 기법을 적용하여 안정적이고 신뢰성 있는 운전을 할 수 있도록 미분기 기어박스 온라인(Gearbox On-Line) 진단 시스템을 개발했다. 2. 목적 및 필요성국내 기업의 미분기 기어박스 대부분은 설비의 열화와 고장 검출 등을 기술자의 경험이나 간단한 측정 장비에만 의존하기 때문에 신속하고 효과적인 대응이 어렵다. 또한 기술 인력 양성이 이루어지지 않고 있으며, 외국 기술이나 고가의 장비를 일부 들여와 사용하는 경우에도 현장 기술자들이 이해하기 어려워 효과를 얻지 못하고 있다. 이에 따라 국내 상황에 적합하고 현재 운전 중인 미분기 특성에 적합한 시스템의 요구가 필요해졌다. 3. 내용 및 범위⒧ 미분기 기어박스 온라인 모니터링 시스템① 미분기의 주요 구동부인 기어박스의 진동을 실시간으로 모니터링함으로써 기어(Gear)와 베어링(Bearing)의 결함을 조기에 검출한다.② 진동 특성에 적합한 고감도 센서를 기어박스에 설치함으로써 각 부품에서 발생하는 진동 결함 신호를 정확히 검출하도록 한다.③ 기어와 베어링의 초기 결함을 정확히 검출하기 위해 충격파 검출 기술(PeakVue 검출 기법)을 적용했으며 부품별, 장치별 알람 값을 설정함으로써 설비 특성에 적합한 경고를 운전자에게 알려주도록 프로그램을 설계했다.④ 컨트롤 룸(Control Room)에 서버를 설치하고, 기계 2부에 클라이언트(Client)를 설치함으로써 원격 감시 체계를 구축하여 운전자가 직접 설비 상태를 감시하고, 사무실에서는 설비 상태와 결함원인 분석을 수행하도록 했다.⑵ 설비 수명 예측 프로그램① 기어박스와 베어링의 진동 모드를 분석함으로써 결함의 진전 과정과 수명을 예측했다.② 베어링 수명 계산법을 통해 베어링 설계 팩터(Factor)와 현재 발생하고 있는 진동을 기초로 베어링 잔류 수명을 예측했으며, 베어링의 가속도 진폭, 크레스트 팩터(Crest Factor) 및 진동 경향 분석을 조합한 수명 예측기법을 개발했다.미분기 기어박스 온라인 진단 시스템1. 현재 운전 중인 미분기 설비상태 분석설비상태 분석은 미분기에 온라인 모니터링 시스템 설치를 위한 사전 분석 과정으로, 현재 운전되고 있는 미분기에 대한 정확한 상태 파악과 함께 어떠한 잠재적 결함을 갖고 있는지 알아내기 위해 실시하는 것이다. 또한 만약 결함 발생 시, 그 원인을 미리 파악함으로써 설비 고장을 예측하고, 중대 결함으로 진전되기 전에 원인을 제거함으로써 돌발적인 사고를 방지하여 설비가 원활하게 작동될 수 있도록 하기 위해 실시됐다.이 과정을 통해 현재 펄버라이저 기어박스(Pulverizer Gearbox)의 사양과 구조를 분석하여 결함 예상 진동 주파수를 계산하고 이에 따른 측정 파라미터를 설정했다.설비는 전체로 2스테이지(Stage)로 구성되어 있으며, 각각의 회전 요소에서 발생하는 진동 주파수는 구동 모터의 회전수와 기어의 입력 측 샤프트(Input Shaft)를 통해 첫 번째 스테이지의 베벨 기어(Bevel Gear)에 전달되어 기어 맞물림 주파수를 발생시킨다. 첫 번째 스테이지의 출력은 두 번째 스테이지 유성 기어(Planetary Gear)의 선 기어(Sun Gear)와 연결되어 2차 기어 맞물림 주파수를 발생하게 된다. 따라서 우선적으로 기어박스의 위치별 기어 맞물림 진동 주파수를 계산하는 것이 필요하다.미분기 기어박스 진동 분석 결과를 요약하면 다음과 같다.

[그림 1] 펄버라이저 기어박스 진동 측정점

[그림 2] 펄버라이저 설비① 설비에 대한 정보를 수집하여 베어링과 기어 등 예상되는 결함 주파수를 미리 계산하고, 이들 주파수 특성이 잘 나타나는 위치를 선정하여 1차 측정을 실시했다. 또 펄버라이저 기어박스가 저속 회전을 하기 때문에 이에 적합한 PeakVue 분석법을 적용했다.② 기어 입력(Gear Input) 측(첫 번째 스테이지)에서 측정한 진동량도 낮게 나타났으며, 베어링 결함 주파수나 기어 결함 주파수는 발생하지 않아, 기어 상태는 양호한 것으로 판단된다. 기어박스의 공진주파수로 추정되는 341㎐ 성분이 기어박스 모든 측정점에서 발생하고 있어 지속적인 관찰이 요구된다.③ 유성 기어(두 번째 스테이지)에서 측정한 진동량 역시 낮은 값을 보이고 있다. 진동의 주성분은 입력 측 기어의 GMF 성분과 유성 기어의 GMF 성분으로 나타났다. 현재로는 진동량이 낮고, 시간 파형(Time Waveform) 분석결과도 결함 특성을 보이지 않고 있어 설비 자체는 안정적으로 판단되나 지속적인 관찰과 함께 진동 경향 분석을 실시해야 할 것이다.

(a) 수평(Horizontal) 방향

(b) 축(Axial) 방향[그림 3] 펄버라이저 #1의 기어 입력 측 방향에서 진동 주파수

(a) 수직(Vertical) 방향

(b) 축(Axial) 방향 [그림 4] 펄버라이저 #1의 유성 기어에서 PeakVue 분석2. 온라인 진단 시스템 설치 및 운전온라인 진단 시스템은 태안 화력에서 운영되고 있는 미분기 설비 상태를 실시간으로 관찰하기 위해 대상 설비에 진동 센서를 설치하고, 측정된 신호들을 분석 진단하는 시스템이다. 시스템은 실제 데이터를 취득하는 센서부, 받아들인 데이터를 처리하는 연산 처리부(Signal Processing Unit), 분석된 데이터를 이용하여 설비의 이상 유무를 판단하고 수명을 예측하는 진단부, 진단 결과를 관찰하고 지식을 공유하기 위한 서버 및 클라이언트부 등으로 구성되어 있다. 2차례에 걸쳐 미분기에 대한 진동 측정을 실시했으며, 그 결과 저주파 고감도용 센서를 채택했다. 선정한 센서는 높은 감도를 갖는 저주파 고감도용 진동 센서로, 0.46~4000㎐까지 오차범위가 ±5% 이내이기 때문에 신뢰성 있는 데이터취득이 가능한 것으로 판단된다.미분기 기어박스에 설치된 진동 센서로부터 실시간으로 취득되는 데이터는 중앙제어실 메인 서버에서 감시 저장되고, 서버의 데이터는 동일하게 기계 2부 사무실의 클라이언트 컴퓨터를 통해 메인 서버와 똑같이 구현되도록 설계했다. 온라인 모니터링 시스템에서 중요한 기능은 사용자가 얼마나 빠르고 손쉽게 설비 상태를 감시할 수 있느냐에 달려있다. 사용자는 관리하고자 하는 대상 설비로부터 단지 전체(Overall) 값만의 모니터링 운영에서 벗어나, 설비와 공정의 특성에 따라 상태를 진단하고 예지 보전을 위한 다양한 정보들을 필요로 한다.또한 설비의 정밀 주파수 분석과 함께 중요한 것이 기계의 안정성 여부 판단이다. 이는 주파수 분석 결과와 함께 각종 정보들을 종합하여 설비 위험 정도를 평가하고, 가동 여부를 판단하기 위한 판정 기준선 설정이다. 시스템 사용자가 얼마나 손쉽고 빠르게 설비 상태를 파악할 수 있느냐는 온라인 진단 시스템에서 매우 중요한 요소로 작용한다. 본 과제의 시스템은 이러한 요구를 충족시키기 위해 진단적 개념의 ‘분석 파라미터(Analysis Parameter)’라는 기법을 도입했다. 이 분석 파라미터 설정은 사용자가 주파수 대역별(㎐), 회전 성분별(1X, 2X, 3X , …) 등 다양한 특정 성분의 모니터링이 가능하도록 했다.

[그림 5] 콜피더룸에 설치된 데이터 취득 장치

[그림 6] 중앙제어실의 모니터링 서버3. 온라인 진단 시스템 운영 결과 분석진단 시스템이 설치되고 운영 프로그램에 대한 모든 셋업(Set-up)이 완료되어 시스템에 대한 평가를 실시했다. 즉, 실제 데이터를 취득하고 이들 데이터를 근거로 미분기 기어박스를 올바르게 진단할 수 있는가에 대한 검증이 실시된 것이다. 시스템 설치 과정에서 진동 센서와 데이터 취득 시스템에 대한 교정 작업(Calibration)이 모두 완료된 상태이므로 시스템 전반에 관한 검증 방법을 선택했다. 가장 명확한 검증 방법으로는 동일 위치에서 정밀 진동 분석기로 취득한 진동 데이터와 온라인 시스템에서 취득한 데이터의 진동 레벨과 분석한 결과가 유사한 특성을 보이는지 검증하는 것이다.

[그림 7] 설비상태 모니터링 화면

[그림 8] 알람 파라미터를 통한 설비상태 관리⒧ 오프라인 데이터와 온라인 데이터의 비교 온라인 진단 시스템을 운영하여 현장 진동 데이터를 취득하고 분석한 결과를 오프라인 정밀 진동 분석기와 비교 평가했더니 동일한 특성을 보이고 있으며, 데이터 취득 면에 있어서는 더 우수한 성능을 보였다. 펄버라이저 #A에서 측정한 결과 진동량의 크기, 주파수 특성과 중요 주파수 성분들이 동일하게 나타나고 있음을 볼 수 있다. 축(Axial) 방향의 진동 특성도 주파수 성분과 측대파(Sideband) 성분 등이 동일한 형태를 취하고 있어 정밀 진동 분석기와 같은 성능으로 정밀한 진동 분석이 가능한 것으로 판단됐다.

(a) 오프라인 데이터

(b) 온라인 데이터[그림 9] 펄버라이저 #A의 기어 인보드 축(Gear Inboard Axial)에서 진동 주파수⑵ 온라인 시스템 데이터 취득 안정성 데이터 취득의 안정성 평가를 위한 분석으로 AC 그로스 스캔(Gross scan), 스펙트럼(Spectrum) 및 시간 파형(Time waveform)과 워터풀 스펙트럼(Waterfall Spectrum)을 비교했다. 비교 분석의 결과 데이터 취득의 안정성이 유지되고 있으며, 이때스펙트럼 변화가 없어 데이터 취득에 높은 신뢰성이 있는 것으로 평가됐다. 진동 센서가 기어박스 본체에서 분리되었을 때의 데이터 취득 결과를 분석하면, 분리된 진동 센서는 기어박스의 특성 진동을 감지하지 못하므로 AC 그로스 스캔 값은 0으로 나타나고, 스펙트럼 및 시간 파형 값도 거의 0에 가까운 진동 값을 보이고 있다. 워터풀 스펙트럼 역시 저주파의 매우 낮은 진동을 보이고 있으며, 미분기 기어박스의 특성 주파수는 전혀 나타나지 않고 있다. 또한 가동 중인 설비와 정지 상태의 설비를 구별하기 위해 각각의 설비에서 취득한 데이터를 분석했다. 가동 정지의 설비 취득 데이터를 살펴보면, 외부 영향이 없을 때 AC 그로스 스캔 값은 0을 나타내다가 외부 영향을 받으면 순간적으로 상승한다. 스펙트럼 및 워터풀 스펙트럼 값도 외부 영향이 없을 때는 거의 0에 가깝다가 외부 미분기의 영향을 받게 되면, 그 설비의 진동 성분이 미세하게 나타나고 있음을 볼 수 있다. 이는 정상 가동 설비와 진동 데이터 면에서 뚜렷한 차이를 보이고 있어, 작업자들이 쉽게 정지 설비를 인식할 수 있음을 보여주고 있다.

(a) AC 그로스 스캔 및 주파수 파형

(b) 워터풀 스펙트럼[그림 10] 온라인 시스템 데이터 취득 안정성 결과 비교4. 온라인 진단시스템을 이용한 미분기 진단온라인 진단 시스템에 대한 검증 결과 우수한 것으로 판단되어, 이 시스템을 이용하여 2006년 10월 21일부터 11월 8일까지 취득한 데이터를 근거로 가장 진동이 높은 펄버라이저 기어박스에서 진단을 실시했다. 진동이 높게 발생하고 있는 곳은 입력 측 샤프트 래디얼(Input shaft radial) 방향으로 전체 진동 값이 2.98㎜/sec이며, 이 중 첫 번째 스테이지의 GMF 성분인 221.8㎐가 2.39㎜/sec로 전체 진동의 80%를 차지하며 미분기 중 가장 높은 진동 값을 보였다. 모든 측정위치에서 입력 측 샤프트의 회전 성분이 넓게 분포되고 있고, 기어박스 축 방향과 수평 방향에서 시간 파형을 분석한 결과 입력 측 샤프트의 회전 성분이 충격파 형태로 나타나고 있어, 축 정렬 불량이 베벨 기어의 결합에 영향을 미치고 있는 것으로 판단됐다. 축 정렬 불량의 영향을 확인하기 위해 PeakVue 분석을 실시했다. 모든 측정 위치에서 입력 측 샤프트의 회전 성분이 타 설비에 비해 상대적으로 높게 발생하고 있으며 특히, E05(기어박스 수평 방향)에서는 가장 높은 값을 보였다.

(a) AC 그로스 스캔 및 주파수 파형

(b) 워터풀 스펙트럼[그림 11] 분리된 센서에서 취득한 진동 파형 5. 수명예측 프로그램 개발설비의 효율적 관리를 위해서는 관리 항목 중에서 설비 상태 관리뿐만 아니라 설비의 열화를 예측하는 것도 중요하다. 왜냐하면 열화 예측으로 고장 발생 시기를 아는 것은 물론, 예측에 의해 발생할 수 있는 현상을 상정할 수 있으며 이에 따라 고장으로 인한 영향도 예측이 가능하기 때문이다. 즉, 고장발생시기와 함께 고장발생 시 안전 대책까지 도출할 수 있다. 전력 플랜트는 환경이나 사회에 미치는 영향이 매우 크므로 사고 발생에 대한 충분한 예방 대책이 필요하다. 특히 전력 플랜트는 설비가 다양하고 온도나 압력 등 사용 조건이 가혹한 경우가 많으므로 다른 플랜트에 비해 열화 예측을 체계적으로 실시해야 한다.국내의 경우 전력 설비들이 장시간 연속 운전을 하기 때문에 점검이나 보수 등에서 얻은 데이터를 근거로 설비의 열화를 예측하고 설비의 취약점을 개선하는 정도의 관리를 실시하고 있다. 하지만 다양한 열화 상태에 대한 실험적 데이터가 적고 고장 발생 시 결함 원인의 명확한 규명보다는 교체 보수에 우선을 두었기 때문에 열화 상태를 수식화하여 정량적인 열화 모델을 구축하지 못한 실정이다. 펄버라이저 설비는 열화 모델의 구축이 매우 어렵고 열화 상태를 측정하기 위한 수시 검사가 불가능하여 열화 모델을 이용한 수명 예측보다는 설비 결함 모드에 따른 수명 예측 프로그램을 개발하게 됐다.마무리 본 연구는 태안 화력에 운전되고 있는 미분기 설비에 대한 신뢰성 있는 관리를 위해 설비에서 발생할 수 있는 결함 원인을 조기에 진단하고 열화 상태를 미리 예측하기 위한 온라인 진단 시스템을 개발한 것이다. 이를 위해 먼저 가동되고 있는 미분기 설비에 대해 진동 특성 및 발생 주파수들을 분석했고, 결함의 종류와 그 특징을 파악했다. 그 결과에 따라서 이에 가장 적합한 시스템을 구축하고 신뢰성을 평가했으며 결함 원인과 진전 과정 및 수명을 예측할 수 있는 프로그램을 개발하여 적용 가능성을 검토했다. 1. 온라인 진단 시스템 개발 및 평가① 오프라인 정밀 진동 분석기와 동일한 조건에서 비교 분석한 결과 동등 이상의 성능을 얻을 수 있었다.② 데이터의 안정성과 일관성에서 매우 우수한 특성을 보이며, 진동 센서의 이탈이나 설비의 가동 정지 시에 정상 데이터와 명확한 구별이 되고 있음을 확인할 수 있었다. ③ 온라인 진단 시스템으로 측정한 데이터를 근거로 미분기 설비를 진단한 결과 펄버라이저 #B, #C, #E에서 설비 이상이 검출됐고, 이 중 펄버라이저 #E에서 주의가 요구되는 단계의 이상이 나타났다. 이것은 기존 진단 기술로는 검출하기 어려운 부분으로써 온라인 진단 시스템 성능의 우수성을 증명하고 있다.2. 수명 예측 프로그램 개발① 기존 열화 모델을 이용한 수명 예측 방법과는 달리, 설비의 고장 모드에 따른 수명 예측 알고리즘을 개발하고 수명 평가 요소들의 조합에 따른 수명 예측을 실시했다. 수명평가 요소들은 각각 별도로 수명을 예측하는 수단으로 널리 활용되고 있는 기술이며, 본 연구에서는 이들을 종합한 새로운 알고리즘을 개발하고 독자적인 수명 예측 방법을 채택하여 신뢰성 높은 수명예측 프로그램을 개발했다. ② 이 프로그램은 단지 수명 예측뿐만 아니라 결함 메커니즘 분석, 결함 시나리오 작성 등 결함의 원인과 결과인 고장 모드까지 체계적으로 분석할 수 있도록 설계했으므로 향후 지식 기반 설비 관리 프로그램으로 그 응용성이 매우 높을 것으로 기대된다.이선휘(李善徽)1957년생. 1980년 한양대학교 공학사. 1982년 한양대학교 대학원 공학석사. 1992년 한국기계 연구원 회전기계 설계 및 설비진단 연구원. 현 케이티엠엔지니어링㈜ 이사 및 책임연구원.미분기(Differentiator)아날로그 컴퓨터 연산기의 하나. 적분기와는 반대로 궤환 임피던스에 저항을 사용하고, 주어진 전압의 미분값에 비례하는 전압을 얻는 것을 목적으로 한다. 그러나 안정도, 잡음, 오차 등 여러 가지 점에서 다른 연산기에 비해 특성이 떨어지므로 실제로는 그 사용을 되도록 피하고 있다. 진동주파수(Oscillation Frequency) 단위 시간에 이루어지는 진동 횟수를 말하며 진동 주기의 역수에 해당한다.보통은 단위 시간을 초, 진동 주파수 단위는 [㎐]로 표시한다.펄버라이저(Pulverizer)석탄을 분쇄하는 기계. 타쇄식(打碎式), 마모식(磨耗式), 전마식(轉磨式), 관식(管式) 따위가 있다. 기어박스(Gear Box)기어케이스. RC 버기카 등 인라인 방식. 엔진 배치의 차에 잘 사용되고 있는 베벨기어 케이스. 먼지나 흙 등 이물질로부터 기어를 보호하고 베벨기어의 배열각도, 윤활성 등을 적절하게 유지하기 위해 필요하다.