다양한 데이터 형식에 적용 가능한 증기터빈 잔존유효수명 예측 방법론

Abstract

최근 발전사간 경쟁이 치열해짐에 따라 발전 산업에서는 운전 비용을 절감하고 핵심 설비의 수명을 연장하는데 많은 노력을 기울이고 있다. 한편 운전 시간이 설계 수명에 근접함에 따라 증기터빈과 같은 핵심 설비의 열화가 가속되고 크고 작은 고장이 많이 발생하고 있다. 가속화된 열화나 예기치 못한 손상으로 발전소가 정지되면 막대한 경제적 손실과 국가적인 재해를 야기할 수 있다. 이에 따라 안정적인 설비의 운전을 가능케 하는 다양한 기술들이 개발되고 있으며 최근 들어 더욱 많은 각광을 받고 있는 시스템 건전성 관리 기술은 효과적으로 시스템의 상태를 감지, 진단, 그리고 예지하여 관리자가 유지 보수에 있어 필요한 결정을 내릴 수 있도록 도와준다. 특히 최적 유지정비 관점에서 적합한 방법론을 통해 예측된 잔존유효수명은 설비 수명에 정확한 정보를 기반으로 효과적인 유지 정비를 가능하게 한다. <br/> 증기 터빈은 발전소 수명을 결정하는 핵심 설비이기 때문에 발전소의 최적 운영을 위해 활용 가능한 정보를 최대한 활용하여 운전 중인 증기터빈의 잔존유효수명을 정확하게 예측하는 방법론의 개발이 매우 중요하다. 이에 본 박사학위 논문에서는 (1) 증기 터빈에 대한 고장모드영향분석과 연계한 잔존유효수명 예측 프레임워크, 그리고 이를 바탕으로 한 (2) 손상 성장 모델 (데이터 기반 방법론), (3) 크리프-피로 손상 상호작용을 고려한 모드 의존 손상 모델 (모델 기반 방법론) 등의 연구를 제안한다.<br/> <br/> 첫 번째 연구에서는 고장모드영향분석에 기반하여 증기터빈의 잔존유효수명을 예측하는 프레임워크를 제안한다. 프레임워크는 측정된 데이터에 기반한 방법론과 손상 모델에 기반한 방법론으로 구성된다. 오프라인이나 온라인과 같이 다른 목적으로 잔존유효수명을 예측할 때 불확실도를 평가하고 감소시킬 수 있도록 불확실도를 정량화하는 절차를 포함하였다.<br/> <br/> 두 번째 연구에서는 데이터 기반 방법론을 이용해 증기터빈의 잔존유효수명을 평가할 수 있는 손상 성장 모델의 개발을 목적으로 한다. 잔존유효수명은 손상 인자로부터 손상 성장 모델을 연계하여 예측한다. 현장에서 측정된 경도값으로부터 손상인자의 확률분포를 추정하고 손상의 성장을 평가할 때 불확실도를 고려하기 위해 베이지안 방법을 사용하였다. 제안된 손상 성장 모델을 통해 기저부하나 첨두부하에 사용되는 증기터빈의 종류에 상관없이 정확한 잔존유효수명 예측이 가능하다는 것을 검증하였다.<br/> <br/> 마지막 연구에서는 모델 기반 방법론을 이용해 크리프와 피로 상호작용이 고려된 모드 기반 손상모델을 제안하였다. 손상기구에 따른 재료 데이터를 통계적 기법으로 분석하고 실 증기터빈의 형상 정보와 운전정보를 이용해 기저부하와 첨두부하 터빈을 대상으로 크리프 및 피로 손상율을 계산하였다. 각각 계산된 손상율 결과와 크리프-피로 상호작용 모델을 통해 운전모드 또는 손상모드에 따른 증기터빈에서의 크리프와 피로 상호작용 효과를 분석하였다. <br/>