Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 21, No. 3, pp. 91-100, 2017 91 Technical Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/kspe.2017.21.3.091 산업용가스터빈을위한정비지원시스템개발에관한연구 강명철 a, * 기자영 a A Development of EMAS (Easy Maintenance Assistance Solution) for Industrial Gas Turbine Myoungcheol Kang a, * Jayoung Ki a a Strategy Business Department/Technical Team, EGT Co., Ltd., Korea * Corresponding author. E-mail: m.c.kang@ezgtc.com ABSTRACT The solution was developed for the maintenance decision support of combined cycle power plant gas turbine. The developed solution was applied to MHI501G gas turbine and is, in present, on the process of field test at GUNSAN combined cycle power plant, South Korea. The developed solution provides the calculated result of optimal overhaul maintenance period through following modules: Real Time Performance Monitoring, Model-Based Diagnostics, Performance Trend Analysis, Optimal Overhaul Maintenance Interval, Compressor Washing Period Management, and Blade Path Temperature Analysis. Model-Based Diagnostics module analyzed the differences between the data of gas turbine performance model and the online measurement. Compressor washing management module suggests the optimal point of balancing between the compressor performance and the maintenance cost. 초 록 복합화력발전소의가스터빈정비의사결정을지원하기위한솔루션을개발하였다. 대상엔진은군산복합화력발전소에서사용하고있는 MHI 501G 가스터빈이다. 개발된솔루션은다음과같은모듈들을통해최적의정비주기계산결과를제공해주며, 각모듈에는실시간성능감시, 모델기반성능진단, 성능경향분석, 최적오버홀정비주기예측, 압축기최적세정주기관리, BPT (Blade Path Temperature) 분석기능이포함되어있다. 모델기반성능진단은실시간으로계측되는성능파라미터데이터와가스터빈시뮬레이션결과를비교하여그차이를분석하여진단을수행한다. 압축기세정주기분석은압축기성능과정비비용사이의최적점을제시한다. Key Words: Gas Turbine( 가스터빈 ), Engine Condition Monitoring( 엔진상태감시 ), Blade Path Temperature( 블레이드가스경로온도 ), Compressor Wash Interval( 압축기세정주기 ), Maintenance Interval( 정비주기 ) Received 12 May 2016 / Revised 15 February 2017 / Accepted 19 February 2017 Copyright C The Korean Society of Propulsion Engineers pissn 1226-6027 / eissn 2288-4548 Nomenclature This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org /licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
92 강명철 기자영한국추진공학회지 BPT : Blade Path Temperature EGT : Exhaust Gas Temperature EOH : Equivalent Operation Hour GT : Gas Turbine 1. 서론최근기계산업의유지보수에대한관심이높아지면서제작사들은유지보수사업을단순한정비및부품지원에서전체수명주기동안의운용관리서비스까지확장하고있는추세이다. 이러한유지보수산업의영역확장은제품의수명증가, 신흥국의원가경쟁력향상을통해신제품수요가감소하는현상을극복할수있는수단으로인식되고있기때문이다. 가스터빈분야에서도이러한유지보수시장이커지고있으며엔진제작사들의경쟁도치열해지고있다. 항공용가스터빈제작업체인롤스로이스 (Rolls-Royce) 엔진의경우약 500개의항공사에서매일 4,000개가가동되고있고, 매일 6만 5,000시간분량의엔진가동데이터를분석하여엔진수리및부품교체여부를결정하는유지보수서비스를제공하고있다. GE의경우최근 10억달러를투자하여데이터분석소프트웨어센터를개소하였고, 비행기엔진, 발전플랜트, 의료기기등의분야에예방보수, 원격모니터링등의서비스를제공하고있다 [1]. 현재세계적으로산업용가스터빈시장은전체가스터빈시장의약 40% 규모이며, 2018년까지연평균 3.8% 의성장이기대된다. 현재전체가스터빈유지보수시장에서발전용가스터빈은약 78% 로가장크게형성되고있다 [1]. 가스터빈의유지보수서비스시장의상당수는제작사를중심으로형성되어있다. 이로인해실제운용사에서는가스터빈정비및운용에관한데이터관리가소홀해왔으며, 체계적인운용관리환경을반영하지못하고있다. 최근화석연료의고갈로전력생산단가가증가됨에따라가스터빈을운용하는발전사는운용비용의절감과효율적인발전소시스템운용을위해많은인력과자원을 투자하고있다. EMAS (Easy Maintenance Assistant Solution) 는이러한투자의일환으로개발되었으며, 가스터빈엔진의온라인상태감시, 성능저하율분석및성능경향분석, 경제성을고려한최적의압축기세정주기및최적오버홀주기예측모듈을포함하고있으며, 현재한국서부발전산하군산복합발전소에서시험운용중에있다. 이논문은 EMAS의개발과적용사례에대해기술한다. 2. EMAS (EASY MAINTENANCE ASSISTANCE SOLUTION) EMAS (Easy Maintenance Assistant Solution) 는 Fig. 1과같이 6개모듈로구성된다. 가스터빈으로부터직접측정되는데이터는데이터서버를통해입력되고, 사용자가직접입력하는데이터는각모듈에서입력되도록하였다. 데이터서버는대상엔진과 EMAS 시스템이설치되는발전소에따라수정및재사용이용이하도록설계되었다. 시스템은용도에따라 6개의모듈로나눠지고, 필요에따라서브모듈을갖도록설계하였다. 가스터빈에서직접측정되는실시간데이터는데이터서버에데이터베이스형태로저장되며, 모든모듈에서접근이가능하다. 각모듈은필요에따라독립적또는상호보완적으로기능을수행하며, 모듈간의인터페이스는프로그램의계산및데이터관리부하를고려하여최적화된설계를수행하였다. 모든화면구성은현장환경과사용자의의견을수렴하여설계하였으며, 가스터빈의전반적인상황을보여줄수있도록메인화면을구성하였다. 2.1 적용대상가스터빈현재개발되어시험운용중인 EMAS의대상가스터빈은 Mitsubishi 사 (MHI) 에서개발한 MHI501G 모델이다. 터빈입구온도를 1500 까지높인최신기술의엔진으로한국에서는군산발전소에서최초로도입하여운용중에있다.
제21권 제3호 2017. 6. 산업용 가스터빈을 위한 정비지원 시스템 개발에 관한 연구 93 Fig. 1 Configuration of 6 modules and data flow. 델의 입/출력 화면은 Fig. 3과 같다. 탈-설계점 성능 해석은 표준 대기조건과 대상 엔진이 설치된 군산의 1월과 8월의 평균 대기 조건에 대해 3가지 해석조건으로 수행하였으며, 제작사에서 제공한 주기계약서의 엔진 제작사 데이터 (출력 및 열 효율)와 비교하였다. 비교 결과는 Table 2, Fig. 4 및 5와 같다. 비교 결과, 최대 오차가 1.4%로서 모델링 오차가 비교적 적 음을 알 수 있었으며, 이로 인해 상당히 정확한 Fig. 2 MHI501G industrial gas turbine. 열역학적 성능 모델이 개발되었음을 확인할 수 있었다. MHI501G는 17단 Axial Compressor와 16개의 연소실로 구성된 Cannular Combustor, 4단 Axial turbine으로 구성된 One-Spool Type으로 3. 모듈 별 주요 기능 정격 출력은 258MW이다. MHI501G의 구성도는 Fig. 2와 같으며, 주기계약서 상의 주요 성능은 Table 1과 같다[2]. EMAS의 개발 목적은 사용자가 가스터빈의 성 능을 직관적으로 판단할 수 있도록 하는데 있다. 이를 위해 Main Window에서는 각 모듈에서의 2.2 기준 성능 가스터빈 모델 계산 결과를 요약하여 현재 대기상태, 기준 성능 EMAS는 Model-based 솔루션이다. 따라서 정 대비 현재 성능 변화율 분석, 오버홀 계획 및 예 확한 진단과 예측을 위해서는 대상 가스터빈의 측 일자, 주요 성능 감시 변수 알람, BPT (Blade 정확한 성능 모델링이 중요하다[3]. 개발된 성능 Path Temperature) 분포도, 압축기 효율 경향 분 모델의 적용 전에 신뢰성 검토를 위한 검증을 석 및 예측 세정주기 일자를 출력한다. Fig. 6은 수행하였으며, 이를 위하여 개발된 기준성능 모 EMAS의 Main Window의 예이다.
94 강명철 기자영한국추진공학회지 Fig. 3 Input/output display for base-line performance calculation. Ambient Compressor Table 1. Design point performance. Item Unit Value Temperature 15 Barometric Pressure kpa 101.3 Relative Humidity % 60 Inlet Air Flow Rate kg/s 586.1 Inlet Air Pressure Drop kpa 1.226 Inlet Air Pressure kpa 100.1 Outlet Temperature 451 Outlet Air Pressure kpa 2,059.4 Pressure Ratio - 20.57 Fuel Gas Flow kg/s 13.456 Combustor High Heat Value kj/kg 54,709 Inlet Gas Temperature 1,500 Turbine Inlet Gas Pressure kpa 1,961.3 Exhaust Gas Temperature 609.7 Exhaust Gas Pressure kpa 105.03 Gross Power Output MW 258.1 Thermal Efficiency % 35.06 STD Day (15 ) Cold Day (-0.4 ) Hot Day (26 ) Table 2. Off-design performance. Power (MW) Error (%) Thermal Efficiency (%) Error (%) 257.5 258.1 0.2 35.1 35.1-0.1 279.5 282.8 1.2 35.5 35.5-0.2 241.9 238.4-1.4 34.6 34.4-0.6 Cold day Hot day STD day Fig. 4 Verification of base-line engine model(power).
제 21 권제 3 호 2017. 6. 산업용가스터빈을위한정비지원시스템개발에관한연구 95 이를통해운용자는현재가스터빈의성능상태와정비정보를통합적으로파악하여정비에대한의사결정을할수있다. 다음각절에서는모듈별목적과기능, 활용방안에대해설명하였다. 3.1 실시간성능감시모듈가스터빈성능감시모듈은가스터빈의열역학적모델의시뮬레이션성능과, 실제계측되는성능을비교하여시스템의성능저하및손상여부를감시한다. 이는제작사에서제공한설계성 능또는사용자가지정한성능대비실제운용데이터의차이를분석하는것이다. 주요기능은다음과같다. 주요구성품의실시간계측성능 Display 현운용조건에서의기준성능계산 기대성능대비실제운전성능차이분석 임의운용조건 ( 대기, 연료조성비, 부하, 2차흐름성능등 ) 변화에대한성능예측이러한기능들은실시간시스템성능모니터링, MHI501G 성능모델을이용한다양한운용조건에서의성능시뮬레이션, Model-based 성능진단을위한기준성능계산, 기준성능대비실제시스템성능의차이분석등에활용될수있다. 3.2 가스터빈성능진단모듈가스터빈성능진단은실시간운전성능을모니터링하고정상범위를벗어나게되면알람을통해시스템운전안정성을감시한다 (Fig. 7). 주요기능은다음과같다. Fig. 5 Verification of base-line engine model(thermal efficiency). 압축기효율및열효율의추이분석 Fig. 6 EMAS main display.
96 강명철 기자영한국추진공학회지 주요구성품및부품의진동, 온도, 압력계측값의실시간모니터링 정상운용범위이탈알람이러한기능들은압축기효율경향분석을통한압축기성능저하율감시, 열효율경향분석을통한가스터빈시스템성능저하율감시, 추진계통주요부위진동모니터링을통한기계적결함감시, 시스템주요부위온도및압력모니 터링을통한과온 / 과부하, 압축기서지및이상유무감시등에활용될수있다. 3.3 경향분석모듈가스터빈경향분석의개발목적은운전이력데이터 DB를활용하여시간에따른성능변화추이를분석하고계절별, 기간별, 정비전 / 후등사용자가원하는조건에서의가스터빈성능변화를분석하는데있다 (Fig. 8). 주요기능은다음 Fig. 7 GT condition monitoring display. Fig. 8 Performance trend analysis display.
제 21 권제 3 호 2017. 6. 산업용가스터빈을위한정비지원시스템개발에관한연구 97 과같다. 임의운영기간동안의주요성능변화출력 특정기간사이의성능비교를위한데이터저장 시간대비성능변화및 EOH 대비성능변화비교이러한기능들을통해과거에서부터현재까지의가스터빈성능변화를분석하여향후성능예측에활용할수있고, 기간별성능비교를통해시스템성능변화추이를분석할수있다. 3.4 BPT (Blade Path Temperature) 감시모듈 BPT 분석모듈은연소기를통과한연소가스의온도분석을통해연소기성능을감시하고정상운용범위이탈에대한알람을제공한다 (Fig. 9). 주요기능은다음과같다. 실시간 BPT 분포도출력 출력대비 Swirl Angle 계산 블레이드별측정온도및분포도출력 실시간배기가스온도감시 배기가스 (NOx) 분석실시간 BPT 모니터링을통해연소기성능이상유무판단, 출력에따른 Swirl Angle 계산을 통한손상연소기위치파악, 배기가스온도감시를통한과온, 과부하운용상태감시등에활용될수있다. 3.5 압축기세정주기관리모듈압축기세정주기관리모듈은시스템운용비용, 압축기세정비용, 효율저하에따른손실비용, 세정후효율상승에따른수익을비교하여가장경제적인세정주기를계산한다 (Fig. 10). 주요기능은다음과같다. 시스템운용에따른압축기성능변화 전력생산비용및수익등다양한변수를고려한압축기온 / 오프라인세정주기예측 압축기성능변화실시간 Display 현재가스터빈운용비용 ( 연료비, 정비비용, 손실비용등 ) 및판매단가를고려한최적세정주기를계산하고, 제작사에서제공한세정주기및압축기세정비용의경제적타당성을검토하는데활용될수있다. 3.6 정비주기관리모듈정비주기예측모듈은 A, B, C급오버홀의대상정비구성품의성능분석을통해최적의오버홀주기를예측하기위해개발되었다 (Fig. 11). 주요기능은다음과같다. Fig. 9 BPT monitoring display.
98 강명철 기자영한국추진공학회지 오버홀대상주요정비구성품의성능변수최근경향추이분석 현성능변화율을반영한주요구성품수명저하율예측 계획오버홀일자대비최적예측오버홀일자비교 차회오버홀까지잔여일수 Display 3년간오버홀계획일자 Display 수명저하인자의저하계수계산 압축기 : 압축기의수명저하는압축기의성능, 압축기의공기유량으로계산 (1) 여기서, Compeffi = 압축기효율, CompNDMF = 압축기유량함수 각구성품의수명저하예측의수학적모델은 Eq. 1 ~ 3과같다. 각식은 GE 사의수명저하인자및저하계수적용방식 [4] 을바탕으로실제성능저하경향데이터를적용한경험식형태로개발되었다. 터빈 : 터빈의수명저하는터빈의성능, 터빈의공기유량으로계산 (2) Fig. 10 Input/output display for compressor washing interval calculation. Fig. 11 Input/output display for calculation of each class overhaul.
제 21 권제 3 호 2017. 6. 산업용가스터빈을위한정비지원시스템개발에관한연구 99 여기서, Turbeffi = 터빈효율, TurbNDMF = 터빈유량함수 연소기 : 연소기의수명저하는연소기에서발생된온도분포불균형을이용하여계산 (3) 여기서, BPTRatio = 터빈출구경로온도분포비율, factor의값이 1이상이면제작사가제공한수명보다짧은 OH일자계산, factor의값이 1이하이면제작사가제공한수명보다긴 OH일자계산 4. 현장적용사례 EMAS는 2012년 7월부터한국군산복합발전소에서테스트운용중에있다. 주요테스트내용으로는시스템안정성확인, 데이터베이스생성및분석을통한시스템신뢰성확인, 제작사에서제시한각종알람값과운용자의경험및환경에의한설정값현실화등이있다. 현재시스템안정성은발전소서버와의네트워크인터페이스수정을통해상당부분안정화단계에이르렀다. 신뢰성부분은주기적인데이터분석및업데이트를통해향상되고있다고판단된다. 저하계수를이용한정비일자계산 연소부수명 연소부예측수명 = 연소기수명저하계수 고온부예측수명 = 고온부수명 연소기 터빈수명저하계수 엔진예측수명 = 엔진수명 연소기 터빈 압축기수명저하계수 이러한기능들은통해현재시스템상태를반영한예측오버홀주기와비교, 분석을통해제작사에서제공한오버홀주기의타당성을검증하고최적정비주기모델을수립한다. 또한최적시스템정비관리를통해발전효율과가동율을최대화하는데활용될수있다. 4.1 BPT 알람기준변경현재제작사에서는 BPT에대한정상범위를전체평균의 -30~20 로제안하고있다 [5]. 하지만운용사인한국서부발전군산발전처는오버홀이후수행하는연소기튜닝결과를통해정상운용범위를결정하여사용하고있다. 따라서본시스템에서운용자의의견을반영하여연소기튜닝후일주일간의데이터를분석하여얻은결과를정상운용범위로설정하였다. 이를바탕으로향후좀더빠른점검을할수있을것으로기대된다. 4.2 압축기성능저하에따른세정주기예측기준변경 2013년 5월말에가스터빈에서연료량증가에비해출력이증가되지않은현상이발생되어긴급점검을수행하였다. 문제는압축기오염으로 Fig. 12 Compressor efficiency. Fig. 13 Deviation of compressor efficiency.
100 강명철 기자영한국추진공학회지 인한전체출력이저하되었고, 이에따라제작사의제어기는출력을제한했던것이다. 당시본시스템은운용중이었음에도불구하고감지되지않았다. 데이터베이스분석결과 Fig. 12 및 13 과같이기준성능대비성능저하가뚜렷하게나타났음에도불구하고느슨한기준으로인해알람을제공하지않았던것으로나타났다 [5]. 이후알람기준을성능저하 3% 에서 2.5% 로변경하였고, 2% 에서예비알람을추가하도록하였다. 후기본연구는한국에너지기술평가원지원청정화력핵심기술개발사업 (20151120200070, 산업용가스터빈의운영효율향상을위한스마트기기연동정비지원시스템개발 ) 의일환으로수행되었음. References 5. 결론본연구에서는산업용가스터빈의정비의사결정을지원하기위한시스템을개발하였다. 이를위하여대상가스터빈의기준성능모델을개발하고, 정비의사결정에필요한정보를제공하기위한솔루션을개발하였다. 프로그램은기능의확장성을고려하여각기능별로모듈화하였으며대상가스터빈변경시프로그램의수정및재사용이용이하도록설계하였다. 현재개발된 EMAS는군산복합발전소에설치되어시험운용중이며, 추가적인모듈에대한적합성테스트를수행중이다. 또한, 상태진단및예측을위한 DB를생성중에있어구성품수명예측모듈을추가개발할예정이다. 1. Korea Institute of Machinery & Materials Strategy Research, Trends analysis and implications for machinery industry, KIMM, Issue No. 69, pp. 72-82, 2013. 2. Korea Western Power, MHI501G Performance Contract, TR-M03-S2010-1566, 2010. 3. Walsh, P.P. and Fletcher, P., Gas Turbine Performance, 2 nd ed., Blackwell Science, 2004. 4. David Balevic, Steven Hartman, Ross Youmans, Heavy-Duty Gas Turbine Operating and Maintenance Considerations, GER-3620L.1, GE Energy, 2010. 5. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., MHI501G Operation Manual, MHI, Ltd., Japan, 2010.