전기구동밸브의 원격감시 진단 시스템전기구동밸브는 발전소나 화학공장 등에서 유체의 흐름을 제어하는 데 사용되는 부품으로 안전관련이나 공장의 운영효율에 중요한 전기구동밸브의 경우 작동성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 이러한 전기 구동밸브를 지금까지는 현장에서 각종 센서를 직접 부착하여 진단을 수행해 왔는데 진단에 많은 비용과 인력, 그리고 시간 등이 소요되었다. 이에 전기구동밸브의 성능을 효과적이며 경제적으로 평가하기 위하여 원격에서 상태를 진단할 수 있는 기술이 요구되어 왔다. 본 논문에서는 전기 구동밸브 진단에 중요한 신호인 모터 토크 신호와 스템에 가해지는 스템 쓰러스트 신호를 검출하는 방법을 소개하며 검출한 신호를 이용하여 구동부의 효율 및 조립 상태 감시 그리고 제어 스위치 관리 등 상태 진단에 대하여 논의한다.서론전기구동밸브는 발전소, 화학공장, 그리고 대형 배관 시스템에서 유체의 흐름을 제어하는 데 필수적으로 사용되어지는 부품이다. 특히 안전에 관련되는 계통에서 사용되는 전기구동밸브의 작동실패는 대형사고의 원인이 될 수 있다. 따라서 이러한 안전관련 전기구동밸브의 작동실패를 미연에 방지하기 위해서 전기구동밸브의 성능을 평가하고 상태를 감시하는 것이 요구되고 있다.지금까지는 전기구동밸브의 진단을 위해서 현장에서 전기구동밸브에 센서를 부착하고 직접 진단 신호를 취득하여 분석하는 방법을 주로 사용하였다. 그러나 원자력 발전소나 화학공장에서는 방사능이나 독성물질의 오염 등으로 현장에서 작업하는 데 많은 어려움이 있고 대형배관 시스템에서는 전기구동밸브가 지역적으로 상당히 먼 곳에 설치되어 있어서 측정을 위하여 현장에 가는 것이 현실적으로 불가능하였다. 이러한 현장 측정방법의 한계와 단점들을 극복하고 더욱 효율적인 진단을 위해서 원격에서 진단하는 방법이 요구되고 있다. 그런데 전기구동밸브를 원격에서 진단을 수행한 경우와 달리 측정할 수 있는 신호가 모터에 공급되는 전류와 전압신호로 한정된다. 이에 이러한 제약상황하에서 진단을 수행할 수 있는 방법에 대하여 몇 기관에서 연구 개발이 이루어졌다. 미국의 Oak Ridge National Lab.에서는 모터의 입력 전력을 기준으로 전기구동밸브 진단에 중요한 진단 변수인 스템 쓰러스트를 구하는 방법이 연구되었다. 그리고 이 방법은 미국의 Liberty사에서 MPM(Motor Power Monitor)이란 방법으로 상용화되기도 하였다.(7) 또한 미국의 Crane사에서는 모터의 사양과 토크를 예측하여 진단에 이용하였다. 이 방법은 MC2 방법으로 상용화되어 미국의 일부 원자력 발전소에서 사용되고 있다.(7)그러나 모터의 효율이 모터 부하의 변화에 따라 변동하기 때문에 모터의 입력 전력은 모터의 부하에 비례하지 않는다. 따라서 모터의 입력 전력으로 스템 쓰러스트를 예측하는 MPM 방법은 오차가 크게 발생하여 실제 적용하는데 어려움이 있다. 그리고 모터의 토크를 예측하는 MC2 방법은 많은 정보를 요구하고 정보가 없으면 모터 토크를 예측하지 못하는 한계를 보이고 있다.이에 국내에서는 기존 외국의 방법인 MC2 방법에서와 같이 많은 정보가 필요없는 모터 토크 계산방법인 NEET(Non-intrusive Evalution of Electric Torque)방법과 부하에 비례하여 변하는 모터 토크를 이용하여 스템 쓰러스트를 예측하는 방법인 NEST(Non-intrusive Evalution of Stem Thrust) 방법을 개발하였다.(2) (4) 또한 개발된 진단 방법을 현장에 적용하기 위해서는 반드시 검증이 필요하므로 이를 위해서 전기구동밸브를 다양한 환경에서 반복적으로 실험하여 검증되었으며 정확도가 구해졌다.(1) (4)본 논문에서는 이와 같이 개발되고 검증된 원격 진단 기술인 NEET 방법과 NEST 방법을 간략하게 소개하고 이 방법을 이용하여 전기구동밸브를 원격에서 진단하는 기술을 실험실과 실제 현장에서의 시험결과를 바탕으로 소개하였다.전기구동밸브의 구성과 작동원리구성 전기구동밸브는 크게 모터와 구동부 그리고 밸브로 구성된다. <그림1>은 실제 현장에 가장 많이 설치되어 있는 3상 유도 전동기, Limitorque사 SMB-00 구동기 그리고 게이트 밸브로 구성된 전기구동밸브를 보여준다. <그림1>에서 보는 바와 같이 피니언, 헬리컬, 웜과 웜기어, 스템과 스템 너트, 드라이브 슬리브 그리고 스프링 팩으로 구성되어 있다. 일반적으로 전기구동밸브는 닫힘과 열림시의 거동을 제어하기 위해서 두 개의 스위치 즉 리밋 스위치와 토크 스위치로 조절되고 열림시는 정해진 위치에서 밸브 작동이 멈추도록 리밋 스위치를 사용하여 조절하도록 되어 있다. 또한 스템의 수동 조작을 위한 디클러치 레버와 핸드휠이 있다.작동원리전기구동밸브 동력 전달계의 작동원리는 다음과 같다. 최초의 동력원인 모터의 회전으로부터 피니언과 헬리컬을 통하여 웜으로 동력이 전달된다. 웜은 웜기어를 회전시키고 웜 기어에 있는 블록이 드라이브 슬리브의 블록과 마주치게 되면 (이것을 hammer blow effect라한다) 드라이브 슬리브가 스템 너트를 회전시켜 스템을 움직이게 한다. 이때 스템과 스템너트는 마찰을 하게 되며 마찰 상태에 따라 스템 토크에서 스템 쓰러스트로 전환되는 양이 크게 변하게 된다. 밸브가 완전히 닫히면 웜 기어는 더 이상 회전을 하지 못하게 되지만 모터는 계속적으로 회전하므로 웜이 웜 축(shaft)을 따라 움직이게 되고 스프링 팩을 압축시키게 된다. 스프링 팩이 압축되면 압축 거리에 따라 작동하는 토크 스위치가 모터의 전원을 차단시켜 구동을 멈추게 한다. 이러한 작동 구조 때문에 토크 스위치는 스템 쓰러스트가 아닌 스템 토크를 기준으로 작동하게 된다. 따라서 토크 스위치가 정확한 기준 스템 토크에서 작동하여도 스템과 스템 너트 사이의 마찰 상태에 따라 스템 쓰러스트는 크게 변할 수 있으므로 전기구동밸브 작동에 실패를 가져올 수 있다. 따라서 스템 쓰러스트를 구하는 것이 전기구동밸브 진단에 가장 중요하다.모터 토크 검출 방법NEET 방법은 3상 유도 전동기를 모델링하여 모터 토크를 구한다.(2) 이는 고정자의 전압과 전류를 이용하여 토크를 계산할 수 있는 방법으로 CRANE사 MC2 방법의 모터토크 방법과는 달리 모터 성능 곡선 등 많은 정보를 이용하지 않아 적용범위가 넓다. NEET 방법으로 계산된 결과를 검증하기 위하여 <그림2>와 같은 실험 장치를 구성하였다. 모터 축에 걸리는 토크를 직접 측정하기 위하여 모터와 부하 시뮬레이터 사이에 토크 센서를 삽입하였으며, 부하 시뮬레이터는 다양한 실험 환경을 제공하기 위하여 장치하였다. 모터는 3상, 60 Hz, 460 V, 0.75 HP와 0.37 HP를 사용하였다. 공급 전압의 변화에 따른 영향을 살펴보기 위하여 공급 전압을 380 V, 435 V, 460 V 그리고 475 V로 변경시키면서 각 전압별로 125회의 실험을 수행하였다. 실험 수행시 부하 시뮬레이터로 부하를 변경시켜서 모터 축에 다양한 토크를 공급하고 토크 센서를 이용하여 모터 토크를 측정하였다. 이때 함께 측정한 전류와 전압으로부터 모터 토크를 계산하여 측정한 결과와 서로 비교 검증하였다. 실험을 통하여 구한 정확도를 <표1>에 나타내었고 이를 외국의 진단 방법인 MC2 방법과 비교하기 위해 MC2 방법의 정확도도 같이 표시하였다. MC2 방법보다 매우 정확하다는 것을 알 수 있다.스템 쓰러스트 검출방법NEST 방법은 모터 토크와 구동부의 효율을 통하여 스템 쓰러스트를 구한다. 모터 토크는 NEET 방법을 이용하여 구해진 값을 사용한다. 구동부 효율은 모터 토크로부터 스템 쓰러스트까지 동력이 전달되는 과정의 전체 효율을 의미한다. 동력 전달시 효율은 동력 전달구조가 받는 부하 상태에 따라서 변하게 되므로 전기구동밸브의 작동 중 부하 변화 상태를 알 수 있는 모터 토크를 분석하여 구동부 효율을 구한다. NEST 방법으로 계산된 결과를 검증하기 위하여 <그림3>과 같은 실험 장치를 구성하였다. 스템에 걸리는 힘을 직접 측정하기 위하여 스템 사이에 힘 센서를 삽입하였다. 또한 실제 현장에서 가장 많이 사용되어지는 Limitorque사 SMB-00 구동기와 Rotork사 7NA 구동기를 사용하였다.토크 스위치의 변화에 대한 영향을 고려하기 위하여 3가지의 스위치 설정치에 따라서 45회의 실험을 수행하여 각 실험에 대한 5개의 검증 구간 총 225개의 실험 데이터를 얻었다. 실험 수행시 패킹 부하를 변경시켜서 스템에 다양한 부하를 공급하고 힘 센서를 이용하여 스템 쓰러스트를 측정하였다. 이때 함께 측정한 전류와 전압으로부터 모터 토크를 구하고 구동부 효율을 예측하여 스템 쓰러스트를 계산하고 계산 결과를 측정한 결과와 서로 비교 검증하였다. 실험을 통하여 구한 정확도를 <표2>에 표시하였다. 그리고 이를 외국의 진단방법인 MPM 방법과 MC2 방법과 비교하기 위하여 이들의 정확도도 같이 표시하였다. 외국의 방법들보다 매우 정확하다는 것과 적용 가능 구간도 더 크다는 것을 알 수 있다.신호분석전기구동밸브의 상태 감시는 원격에서 측정하거나 검출한 신호를 분석하여 수행할 수 있다. 이를 위하여 신호 분석을 수행할 수 있는 방법을 개발하였고 이러한 방법을 진단 수행자가 쉽게 이용할 수 있도록 소프트웨어로 구현하였다. 다음은 개발된 소프트웨어를 이용하여 실험실과 실제현장에서 신호 분석을 수행한 결과이다.구동부 효율 상태 감시전기구동밸브의 전체 효율을 감지하여 효율지수라는 형태로 전기구동밸브의 효율상태를 표시한다. 전기구동밸브의 효율과 효율지수의 관계는 다음의 식들로 정의된다.<그림4>는 시험시간에 따라 효율지수가 변하는 상태를 보여준다. 이 효율 지수의 변화를 통하여 전기구동밸브의 전체적인 효율상태 변화를 파악하여 정비 및 수리 등의 정보로 사용할 수 있다.웜과 웜 기어 정렬 불량<그림5>는 열림행정(Close 쭻 Open)시의 검출된 모터 토크를 시간에 따라서 나타낸 그래프이다. <그림5>에서 나타나는 모터 토크의 출렁임은 웜 기어가 1회전하는 주기와 동일하다. 이러한 현상은 웜과 웜기어의 정렬상태가 좋지 않기 때문에 나타나는 것으로 현재 전기구동밸브의 상태를 알 수 있다.스템 휨 판별<그림6>은 닫힘 행정(OPEN 쭻 Close)과 열림 행정(Close 쭻 Open)시의 검출된 모터 토크를 시간에 따라서 나타낸 그래프이다. <그림6>에서 보듯이 닫힘 행정 중간 부분에서는 모터토크가 증가하며 열림행정중간부분에서는 모터 토크가 감소하고 있음을 알 수 있다. 이러한 현상은 스템이 휘어졌기 때문에 나타나는 것이다.패킹 관리전기구동밸브의 패킹 힘은 초기 정비 후 시간이 지남에 따라 변화하게 된다. 이러한 패킹 힘의 변화는 밸브 누설 등을 방지하기 위해 지속적인 감시가 필요하다. 이러한 패킹 힘의 변화를 모터 토크를 이용하여 감시할 수 있다. <그림7>은 동일 전기구동밸브에 대한 닫힘 행정 시 모터 토크를 함께 나타낸 것이고 <그림8>은 이 모터 토크들의 런닝 구간 모터 토크값의 변화를 나타낸다. 이와 같이 시간에 따른 런닝 구간의 모터 토크값 변화를 통해 패킹 힘의 변화를 감시할 수 있다.제어 스위치 관리전기구동밸브는 제어 스위치에 의해 제어가 이루어지지 때문에 제어 스위치의 작동성은 매우 중요하다. 제어 스위치는 초기 설정 후 계속적인 작동 등으로 인해 작동점이 변하게 되므로 지속적인 감시가 요구된다. 이러한 제어 스위치 작동점의 변화를 모터 토크를 이용하여 감시할 수 있다. <그림9>는 동일 전기구동밸브에 대한 시팅시 모터 토크를 함께 나타낸 것이고 <그림10>은 시팅시 모터 토크값의 변화를 나타낸다. 시간에 따른 제어 스위치 작동점의 변화를 알 수 있다. 기어상태관리전기구동밸브이 구동부를 구성하는 주요부품은 각종 기어열이며 이러한 기어열의 원활한 맞물림이 전기구동밸브의 원활한 작동을 가져오기 때문에 기어의 상태를 관리하는 것은 중요하다. 주파수 분석 기능을 이용하여 각종 기어열의 맞물림 특성 변화를 감지하여 기어의 상태를 관리할 수 있다. <그림11>은 동일 전기구동밸브에 대한 주파수 분석 결과이며 <그림12>는 기어열의 맞물림 주파수 성분의 변화를 보여주고 있다.결론원자력 발전소, 발전소, 화학공장 등의 운영과 안전에 직결되는 전기구동밸브를 원격에서 진단하기 위한 기술을 개발하였다. 진단 시 필요한 모터 토크와 스템 쓰러스트 신호를 원격에서 검출하는 NEET 방법과 NEST 방법을 개발하였으며 이 방법을 이용하여 구한 모터 토크와 스템 쓰러스트를 분석하여 상태를 진단하는 기술을 개발하였다. NEET 방법과 NEST 방법은 3상 유도 전동기로 구성된 전기구동밸브에 적용이 가능하여 적용 대상이 한정되어 있는 외국의 진단 방법인 MPM 방법이나 MC2 방법보다 넓은 범위에 적용이 가능할 뿐 아니라 정확도도 NEET 방법은 ∠20% Start Torque에서 ±1.91% FS 그리고 20%~100% Start Torque에서 ±3.94% Reading이며 NEST 방법은 ±(5.03% rd+2.6% FS)로 외국의 방법들 보다 훨씬 정확하다. 또한 이와 같이 정확한 방법을 바탕으로 검출된 모터 토크와 스템 쓰러스트를 분석하면 구동부 효율상태 감시, 웜과 웜 기어 정렬 불량, 스템 휨 판별, 시팅 없이 닫힘 행정 종료, 구동기와 밸브 정렬불량, 패킹 관리, 제어스위치관리, 기어 상태 관리 등을 원격에서 수행 할 수 있어 더욱 효율적이면서도 정확한 상태 진단까지 수행할 수 있다.따라서 개발한 원격진단기술을 이용하면 원격에서 비침투적으로 측정 가능한 전압과 전류를 이용하여 전기구동밸브의 분해 조립없이 전기구동밸브의 상태진단에 필요한 신호를 추출해내고 이를 바탕으로 전기구동밸브에 발생한 결함 등의 상태를 정확히 진단할 수 있다. 따라서 이러한 진단기술을 원자력 발전소나 화학공장 등에 설치되어 있는 전기구동밸브에 적용하면 설비의 안정적인 운영을 효과적으로 수행할 수 있다.
<Energy News>
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