보일러 튜브검사절차 개발을 위한 현장 적용

이동민(Dong Min Lee),김정빈(Jung Bin Kim),조홍석(Hong Seok Cho),이진우(Jin Woo Lee),정호현(Ho Hyun Jung),장재혁(Jae Hyuk Jang),김용권(Yongkwon Kim) 한국비파괴검사학회 2018 한국비파괴검사학회지 Vol.38 No.5

보일러는 화력발전소 운영에 핵심설비로 수많은 튜브들로 구성되어 있는데 튜브 손상이 발생하면 기동정지에 따른 정비비용이 크게 발생하기 때문에 정기적으로 비파괴검사를 수행하고 있다. 튜브검사를 위해 주로 육안검사를 수행하고 있으며 이상부위에 대해 추가적으로 두께검사를 수행한다. 그럼에도 불구하고 튜브 손상사례가 보고되고 있는데, 이는 튜브 내면을 검사할 수 없는 육안검사의 한계와 짧은 예방정비기간이 원인이라고 판단된다. 본 논문에서는 보일러 튜브를 빠르고 효율적으로 검사할 수 있는 비파괴검사 절차개발을 위해 다양한 검사기법을 이용하여 현장 시험을 수행한 결과를 소개하고자 한다. The boiler, consisting of many tubes, is a core component in the operation of a thermal power plant. Damage to tubes leads to an increase in the maintenance cost which leads to the shutdown of the power plants. Therefore nondestructive inspections are routinely performed according to the maintenance plan. However, tube inspection mainly involves visual inspection, and additional thickness inspection is only carried out for abnormal areas. In a visual examination, the inner surface of the tube cannot be inspected. Hence, several cases of tube damage have been reported, which may be owing to the limitations of visual examination and the short duration of an overhaul. In this paper, we provide the results of a field test using various inspection techniques to develop a nondestructive inspection procedure that can quickly and efficiently inspect boiler tubes.

석탄화력발전소 보일러 튜브 마모 문제에 관한 저온공기 속도 측정법 적용 및 검증

유기수(Kisoo Yoo),정권석(Kwon-Seok Jeong) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.6

비산회에 의한 보일러 튜브 마모 문제는 석탄화력 보일러 튜브 파손에 주요한 요인이 된다. 때문에 튜브 보호막이나 다공판 등이 마모 문제 완화를 위하여 사용되고 있다. 그러나 비산회에 의한 튜브마모 문제는 이런 방법을 통하여 완전히 해결될 수 없는데 이는 보일러 마다 유동 조건이 다를 뿐만 아니라 예상치 못한 위치에서 국부적으로 마모가 심화될 수 있기 때문이다. 문제는 보일러 내부 비대칭 유동과 국부적 유속 증가에서 기인함으로 튜브 마모 문제의 해결에 있어서 보일러 내부 유동을 명확히 파악하는 것이 무엇 보다 중요하다 하겠다. 본 연구에서는 튜브 마모 문제에 해결을 위해 사용되는 Cold Air Velocity Technique(CAVT)에 대하여 고찰하고 하동화력 2호기 보일러에 대하여 CAVT를 실제 적용함으로써 석탄화력 보일러에 있어서 CAVT 적용 가능성을 검증하였다. Fly ash erosion is a leading cause of boiler tube failure in PC boilers. Therefore, shields or baffle plates are installed in specific areas to mitigate fly ash erosion and prevent boiler tube failure. However, the tube failure problems caused by fly ash erosion cannot be eliminated with this solution alone, because each PC boiler has a different flue-gas flow pattern and erosion can become severe in unexpected zones. This problem is caused by an asymmetric internal flow velocity and local growth of the flue gas velocity. For these reasons, clearly defining the flow pattern in PC boilers is important for solving the problem of tube failure caused by fly ash erosion. For this purpose, the cold air velocity technique (CAVT) can be applied to the fly ash erosion problem. In this study, CAVT was carried out on the Hadong #2 PC boiler and the feasibility of application of CAVT to conventional PC boilers was validated.

음향방출법을 이용한 발전용 보일러 튜브 미세누설 조기 탐지 시스템 개발 및 성능 검증

이상범(Sang Bum Lee),노선만(Seon Man Roh) 한국비파괴검사학회 2016 한국비파괴검사학회지 Vol.36 No.3

화력발전용 보일러 내부에는 연소열을 고온 고압의 스팀으로 변환하기 위한 열교환 튜브가 복잡한 형태로 배치되어 있다. 이 튜브에서 누설이 발생할 경우 고압의 스팀에 의해 치명적인 고장과 발전 정지를 초래하며, 누설 발생 여부를 조기에 검출하지 못할 경우 인근 튜브의 손상까지 연쇄적으로 발생하여 조기에 튜브 누설을 검출할 수 있는 기술 확립이 필요하다. 본 논문에서는 기존 보일러 튜브 누설 감시 설비(BTLD)에 음향방출(AE) 기술을 적용하여 기존 시스템 대비 미세누설을 검출하고 조기에 경보를 발생시킬 수 있는 시스템에 대해 개발을 하였다. 또한 이 시스템을 검증하기 위해 실제 운전 중인 560 MW급 화력발전소 보일러에서 다양한 크기(ⵁ2, ⵁ5, ⵁ10 mm)의 모의 누설시험을 실시하였으며, 그 결과 기존 시스템에서는 검출하지 못하였던 미세누설(ⵁ2 mm, ⵁ5 mm)에 대해 개발된 시스템은 조기에 경보를 발생(18 dB 이상 신호 상승) 시킬 수 있음을 확인하였다. A thermal power plant has a heat exchanger tube to collect and convert the heat generated from the high temperature and pressure steam to energy, but the tubes are arranged in a complex manner. In the event that a leakage occurs in any of these tubes, the high-pressure steam leaks out and may cause the neighboring tubes to rupture. This leakage can finally stop power generation, and hence there is a dire need to establish a suitable technology capable of detecting tube leaks at an early stage even before it occurs. As shown in this paper, by applying acoustic emission (AE) technology in existing boiler tube leak detection equipment (BTLD), we developed a system that detects these leakages early enough and generates an alarm at an early stage to necessitate action; the developed system works better that the existing system used to detect fine leakages. We verified the usability of the system in a 560MW-class thermal power plant boiler by conducting leak tests by simulating leakages from a variety of hole sizes (ⵁ2, ⵁ5, ⵁ10 mm). Results show that while the existing fine leakage detection system does not detect fine leakages of ⵁ2 mm and ⵁ5 mm, the newly developed system could detect leakages early enough and generate an alarm at an early stage, and it is possible to increase the signal to more than 18 dB.

확률분포 모델을 이용한 보일러 수냉벽 튜브 감육예측 연구

김범신,송기욱 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.12

The abolition of coal-fired power plants that have been in operation for more than 30 years is being driven to achieve carbon neutrality and eco-friendly energy utilization by 2050. However, 37 coal-fired power plants are scheduled to be operated after 2034. Until the abolition of coal-fired power plants in the future, an efficient operation plan is required to reduce environmental pollutant emissions and breakdowns while optimizing additional facility investment and operational costs. Domestic 500 MW standard coal-fired boilers have adopted advanced combustion technology to minimize NOx emissions. Consequently, tube thinning has been occurring since 2010 because of the extensive sulfur corrosion in waterwall tubes in the boiler burner area. It is necessary to replace the tube before the tube thickness decreases to the minimum thickness, which can cause damage, to prevent the damage to the waterwall tube attributed to sulfuric corrosion. The results of this study shows that the Gumbel distribution model is more suitable than the Weibull distribution model as a probabilistic model for representing the waterwall wastage data. Furthermore, the future waterwall wastage and replacement time were predicted using the Gumbel distribution model. 2050 탄소중립과 친환경 에너지에 대한 요구로 30년 이상 운전된 석탄화력발전소 폐지가 추진되고 있으나, 2034년 이후에도 37기의 석탄화력발전소가 운영될 예정이다. 향후 석탄화력발전소 폐지 시까지 추가적인 설비투자 및 운영비용을 최적화하면서 환경오염물질 배출과 고장을 감소시킬 수 있는 효율적인 운영방안이 필요하다. 국내 500 MW 표준석탄화력 보일러는 NOx 저감을 위한 연소기술 채택으로 2010년 이후 보일러 버너영역의 수냉벽 튜브에서 광범위한 황화부식과 부식으로 인한 튜브감육이 발생하고 있다. 황화부식으로 인한 수냉벽 튜브의 파손사고를 예방하기 위해서는 튜브 두께가 파손이 발생할 수 있는 최소두께까지 감소하기 전 튜브를 교체하는 것이 효과적이다. 본 연구에서는 수냉벽 튜브 감육 데이타를 잘 대표하는 확률모델을 알아내기 위해 와이블 분포모델과 검벨 분포모델을 비교하여, 검벨 분포모델이 확률모델로 더 적합함을 확인하였다. 또한 미래의 튜브 감육량과 교체시기를 검벨분포모델을 사용하여 예측하였다.

음질분석을 이용한 기력발전소 보일러 튜브 누설 진단기술 개발 및 적용 연구

윤동석(Dong Seok Yun),김하용(Ha Yong Kim),신상두(Sang Doo Shin) 한국비파괴검사학회 2020 한국비파괴검사학회지 Vol.40 No.4

석탄화력발전소에서 고온·고압의 과열증기를 안정적으로 만들기 위해서는 보일러 튜브 건전성 확인이 무엇보다도 중요하다. 그러나 최근 저품위탄 혼합연소 비율 증가와 연료 다변화로 인한 연소환경이 악화됨에 따라 보일러 튜브 누설이 빈번하게 발생하여 발전소 비계획정지로 인한 인력 및 비용손실이 증가하고 있다. 때문에 보일러 튜브의 상태를 실시간으로 진단하는 기술에 대한 관심과 연구가 점차 증대되고 있다. 본 연구에서는 보일러에서 발생하는 소리를 분석하여 튜브 누설 발생 여부를 조기에 진단하는 시스템을 개발하였으며, 500 MW급 초초임계압 석탄화력발전소에 본 시스템을 적용하여 고장진단 유효성을 검증하였다. 실증결과 기존에 운영되고 있는 시스템보다 조기진단이 가능함을 확인하였으며, 본 시스템을 적용하면 발전설비의 신뢰도 향상에 기여할 것으로 기대한다. In order to ensure the stable production of high-temperature and high-pressure superheated steam in a coal-fired power plant, it is important to check the integrity of the boiler tube. However, the combustion environment has worsened owing to the increased low-calorie coal consumption ratio and diversification of fuel. As a result, cost and manpower losses are increasing due to unplanned power plant shutdowns. For this reason, research on technologies for nondestructive and real-time diagnosis of the state of the boiler tube are gradually increasing. In this study, a system for early diagnosis of leakage was developed by analyzing sound quality from boilers. The proposed system was applied to 500 MW ultra-supercritical coal-fired power plants to verify the validity of fault diagnosis. It was confirmed that early diagnosis is possible compared with existing systems. The proposed system is expected to contribute to improving the reliability of power plants.

비선형 초음파를 이용한 화력발전소 Platen Super Heater 튜브의 고온 열화 손상 분석

김종범,오세범,박진근,김축복,윤동석 한국비파괴검사학회 2022 한국비파괴검사학회지 Vol.42 No.3

초임계압 표준 석탄 화력발전소는 증기온도 540℃의 고온의 환경에서 운전되고 있다. 일반적인 표준석탄 화력발전소의 설계 수명은 30년으로 수명관리의 목적으로 10만 시간 초과 또는 20년 이상의 설비에 대하여 진단 시 현장에서는 육안검사, 두께 측정, 경도측정 등의 방법을 사용하여 보일러 튜브의 열화 정도를 평가함으로써 수명진단을 주기적으로 실시하고 있다. 본 연구에서는 화력발전소에서 약 20년(약 16만 시간) 동안 운전한 보일러 튜브의 샘플을 여러 위치에서 확보하여 보일러 튜브의 위치에 따른 열화 정도를 표면파 비선형 초음파기법을 활용하여 평가하였고, 이를 인장시험 결과와 비교하였다. 보일러 튜브 샘플의 위치에 따라 초음파 비선형 파라미터와 인장강도, 항복강도의 변화가 높은 상관성을 보였으며, 이러한 결과로부터 보일러 튜브의 열화에 따른 기계적 특성의 변화를 비선형 초음파기법으로 평가할 수 있음을 확인하였다.

보일러 고온튜브의 크리프 위험도 평가

김범신,송기욱,김희선 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.8

The risk of boiler damage is increasing due to the continuous use of large thermal power plants for over 20 years. In the case of a boiler tube, failure accidents can occur in different locations due to the changes in the operation condition, it is therefore necessary to establish an efficient maintenance plan to prevent breakdowns. To prevent failure, a risk-based maintenance technology that systematically analyzes and lowers the risk of equipment failure is important. Various research studies on risk-based inspection technology have been conducted at the domestic and international levels and registered in the Electric Power Industry Technical Standard (KEPIC), however, they have not been widely used in the field due to a lack of field cases and experts. In this study, the creep damage risk for a thermal power plant boiler tube was evaluated using a semi-quantitative risk assessment method based on the “KEPIC MMI-1” standard, and efficient maintenance was performed. Therefore, the results can be used as a reference for risk-based maintenance technology. 대형 화력발전소가 20년 이상 장기사용되어 보일러 손상이 증가하고 있다. 보일러 튜브의 경우 운전조건 변경으로 사용온도가 변화되어 기존과는 다른 위치에서 파손사고가 발생하고 있어 고장방지를 위한 효율적인 정비계획 수립이 필요하다. 고장을 예방하기 위해서는 설비의 위험도를 체계적으로 분석하여 설비 고장위험을 낮추는 위험도기반검사 기술이 중요하다. 위험도기반검사 기술은 국내외에서 많은 연구가 수행되었고 전력산업기술기준(KEPIC)에 등재되었으나 활용사례 및 전문가 부족으로 현장에서 크게 활용되지 못하고 있다. 본 논문에서는 “KEPIC MMI-1”을 기반으로 준 정량적 위험도 평가방법을 이용하여 크리프 손상을 받는 화력발전소 보일러 튜브 위험도를 평가하고 효율적 정비를 수행하여 위험도 기반 정비기술의 성공적인 현장 활용사례를 구축하였다.

음향방출을 이용한 보일러튜브 누설평가

이상국 한국비파괴검사학회 2004 한국비파괴검사학회지 Vol.24 No.1

발전소 보일러튜브는 장시간 동안 고온고압의 기혹한 조건으로 운전됨에 따라 크리프, 열피로와 같은 각종 열화에 의해 누설손상이 발생하고 있다. 이러한 누설손상을 실시간 감시하고 진단하기 위하여 음향방출기술을 이용한 현장적용 연구를 수행하였다. 또한 고장예측 진단기술, 튜브의 수명관리 및 설비 감시에 활용할 수 있도록 음향방출 진단시스템을 개발하여 현장에 설치하고, 보일러 운전상태에 따른 신호측정 및 평가, 누설위치 판별 등에 대해 고찰하였다. 누설감지는 저주파 및 고주파대역의 누설로 구분하여 음향방출신호를 각각 측정 및 평가하였다. 현장적용 연구결과로부터 실시간으로 보일러튜브 상태감시와 누설위치 추적이 가능하였으며, 향후 본 기술을 이용하면 발전설비 안전운전과 발전소 정지에 따른 경제적 손실 예방에 크게 기여할 것으로 기대된다. Boiler tubes in power plants are often leaked due to various material degradations including creep and thermal fatigue damage under severe operating conditions such as high temperature and high pressure over an extended period of time. To monitor and diagnose the tubes on site and in real time, the acoustic emission (AE) technology was applied. We developed an AE leak detection system, and used it to study the variation of AE signal from the on-site tubes in response to the changes in the boiler operation condition and to detect the locations of leakage based on it. Detection of leak was performed by acquiring and evaluating the signals in separate regimes of high and low frequency signal. As a result of these studies, we found that on-line monitoring and detection of leak location for boiler tubes is possible using the developed system. Thus, the system is expected to contribute to the safe operation of power plants, and prevent economic losses due to potential leak.

마할라노비스 거리를 이용한 증기보일러 튜브의 고장탐지방법

유정원(Jungwon Yu),장재열(Jaeyel Jang),유재영(Jaeyeong Yoo),김성신(Sungshin Kim) 한국지능시스템학회 2016 한국지능시스템학회논문지 Vol.26 No.3

화력발전소의 설비들은 매우 높은 온도와 압력의 환경에서 운전되므로, 설비고장은 상당한 인적·물적 손실로 이어진다. 그러므로 발전설비의 비정상정인 동작 상태를 사전에 확인할 수 있는 고장탐지 시스템이 필수적이다. 본 연구에서는, 화력발전소 증기보일러의 고장탐지를 위해서 마할라노비스 거리(Mahalanobis distance, MD)를 이용하였다. MD 기반의 고장탐지방법에서는, 비정상샘플은 정상샘플들로부터 멀리 떨어져 있다고 가정한다. 정상상태로 동작중인 대상시스템으로부터 수집된 다변량 샘플을 이용하여 평균벡터와 공분산행렬을 계산하고, MD값의 문턱값을 설정한다. 검증단계에서는, 평균벡터와 검증샘플들 간의 MD를 구한 후, 계산된 MD 값이 미리 설정된 문턱값보다 높으면 알람신호가 발생하게 된다. MD 기반의 고장탐지방법의 성능을 검증하기 위해서, 200MW 유연탄 화력발전소의 증기보일러 튜브누설로 인해서 발전정지 된 사례를 사용하였다. 실험결과는 MD 기반의 고장탐지기법이 발전정지가 발생하기 이전의 이상징후를 성공적으로 탐지할 수 있음을 보여준다. Since thermal power plant (TPP) equipment is operated under very high pressure and temperature, failures of the equipment give rise to severe losses of life and property. To prevent the losses, fault detection method is, therefore, absolutely necessary to identify abnormal operating conditions of the equipment in advance. In this paper, we present Mahalanobis distance (MD) based fault detection method for steam boiler tube in TPP. In the MD-based method, it is supposed that abnormal data samples are far away from normal samples. Using multivariate samples collected from normal target system, mean vector and covariance matrix are calculated and threshold value of MD is decided. In a test phase, after calculating the MDs between the mean vector and test samples, alarm signals occur if the MDs exceed the predefined threshold. To demonstrate the performance, a failure case due to boiler tube leakage in 200MW TPP is employed. The experimental results show that the presented method can perform early detection of boiler tube leakage successfully.

보일러튜브 용접부 비파괴검사를 위한 컴퓨터화 방사선투과시험 적용 연구

박상기(S. K. Park),안연식(Y. S. Ahn),길두송(D. S. Gil) 한국동력기계공학회 2009 동력시스템공학회지 Vol.13 No.5