발간 현황

현재 개발되어 시험 운용 중인 EMAS의 대상 가스터빈은 Mitsubishi사(MHI)에서 개발한 MHI501G 모델이다. 터빈 입구온도를 1500℃까지 높인 최신 기술의 엔진으로 한국에서는 군산 발전소에서 최초로 도입하여 운용 중에 있다.

MHI501G는 17단 Axial Compressor와 16개의 연소실로 구성된 Cannular Combustor, 4단 Axial turbine으로 구성된 One-Spool Type으로 정격 출력은 258MW이다. MHI501G의 구성도는 Fig. 2와 같으며, 주기계약서 상의 주요 성능은 Table 1과 같다[2].

Fig. 2 
MHI501G industrial gas turbine.

EMAS는 Model-based 솔루션이다. 따라서 정확한 진단과 예측을 위해서는 대상 가스터빈의 정확한 성능 모델링이 중요하다[3]. 개발된 성능 모델의 적용 전에 신뢰성 검토를 위한 검증을 수행하였으며, 이를 위하여 개발된 기준성능 모델의 입/출력 화면은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3 
Input/output display for base-line performance calculation.

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 적음을 알 수 있었으며, 이로 인해 상당히 정확한 열역학적 성능 모델이 개발되었음을 확인할 수 있었다.

Fig. 4 
Verification of base-line engine model(power).

Fig. 5 
Verification of base-line engine model(thermal efficiency).

가스터빈 성능감시 모듈은 가스터빈의 열역학적 모델의 시뮬레이션 성능과, 실제 계측되는 성능을 비교하여 시스템의 성능 저하 및 손상 여부를 감시한다. 이는 제작사에서 제공한 설계 성능 또는 사용자가 지정한 성능 대비 실제 운용 데이터의 차이를 분석하는 것이다. 주요 기능은 다음과 같다.

∙ 주요 구성품의 실시간 계측 성능 Display
∙ 현 운용 조건에서의 기준 성능 계산
∙ 기대 성능 대비 실제 운전 성능 차이 분석
∙ 임의 운용 조건(대기, 연료 조성비, 부하, 2차 흐름 성능 등) 변화에 대한 성능 예측

이러한 기능들은 실시간 시스템 성능 모니터링, MHI501G 성능 모델을 이용한 다양한 운용 조건에서의 성능 시뮬레이션, Model-based 성능 진단을 위한 기준 성능 계산, 기준 성능 대비 실제 시스템 성능의 차이 분석 등에 활용될 수 있다.

가스터빈 성능 진단은 실시간 운전 성능을 모니터링하고 정상범위를 벗어나게 되면 알람을 통해 시스템 운전 안정성을 감시한다(Fig. 7). 주요 기능은 다음과 같다.

∙ 압축기 효율 및 열효율의 추이 분석
∙ 주요 구성품 및 부품의 진동, 온도, 압력 계측값의 실시간 모니터링
∙ 정상 운용범위 이탈 알람

Fig. 7 
GT condition monitoring display.

이러한 기능들은 압축기 효율 경향 분석을 통한 압축기 성능 저하율 감시, 열효율 경향 분석을 통한 가스터빈 시스템 성능 저하율 감시, 추진계통 주요 부위 진동 모니터링을 통한 기계적 결함 감시, 시스템 주요부위 온도 및 압력 모니터링을 통한 과온/과부하, 압축기 서지 및 이상 유무 감시 등에 활용될 수 있다.

가스터빈 경향 분석의 개발 목적은 운전 이력 데이터 DB를 활용하여 시간에 따른 성능 변화 추이를 분석하고 계절별, 기간별, 정비 전/후 등 사용자가 원하는 조건에서의 가스터빈 성능 변화를 분석하는데 있다(Fig. 8). 주요 기능은 다음과 같다.

∙ 임의 운영 기간 동안의 주요 성능 변화 출력
∙ 특정 기간 사이의 성능 비교를 위한 데이터 저장
∙ 시간 대비 성능 변화 및 EOH 대비 성능 변화 비교

Fig. 8 
Performance trend analysis display.

이러한 기능들을 통해 과거에서부터 현재까지의 가스터빈 성능 변화를 분석하여 향후 성능 예측에 활용할 수 있고, 기간별 성능 비교를 통해 시스템 성능 변화 추이를 분석할 수 있다.

BPT 분석 모듈은 연소기를 통과한 연소가스의 온도 분석을 통해 연소기 성능을 감시하고 정상 운용범위 이탈에 대한 알람을 제공한다(Fig. 9). 주요 기능은 다음과 같다.

∙ 실시간 BPT 분포도 출력
∙ 출력 대비 Swirl Angle 계산
∙ 블레이드 별 측정 온도 및 분포도 출력
∙ 실시간 배기가스 온도 감시
∙ 배기가스 (NOx) 분석

Fig. 9 
BPT monitoring display.

실시간 BPT 모니터링을 통해 연소기 성능 이상 유무 판단, 출력에 따른 Swirl Angle 계산을 통한 손상 연소기 위치 파악, 배기가스 온도 감시를 통한 과온, 과부하 운용 상태 감시 등에 활용될 수 있다.

압축기 세정주기 관리 모듈은 시스템 운용 비용, 압축기 세정 비용, 효율 저하에 따른 손실 비용, 세정 후 효율 상승에 따른 수익을 비교하여 가장 경제적인 세정주기를 계산한다(Fig. 10). 주요 기능은 다음과 같다.

∙ 시스템 운용에 따른 압축기 성능 변화
∙ 전력 생산 비용 및 수익 등 다양한 변수를 고려한 압축기 온/오프라인 세정주기 예측
∙ 압축기 성능 변화 실시간 Display

Fig. 10 
Input/output display for compressor washing interval calculation.

현재 가스터빈 운용 비용(연료비, 정비비용, 손실비용 등) 및 판매 단가를 고려한 최적 세정주기를 계산하고, 제작사에서 제공한 세정주기 및 압축기 세정 비용의 경제적 타당성을 검토하는데 활용될 수 있다.

정비주기 예측 모듈은 A, B, C급 오버홀의 대상 정비 구성품의 성능 분석을 통해 최적의 오버홀 주기를 예측하기 위해 개발되었다(Fig. 11). 주요 기능은 다음과 같다.

∙ 오버홀 대상 주요 정비 구성품의 성능 변수 최근 경향 추이 분석
∙ 현 성능 변화율을 반영한 주요 구성품 수명 저하율 예측
∙ 계획 오버홀 일자 대비 최적 예측 오버홀 일자 비교
∙ 차회 오버홀까지 잔여 일수 Display
∙ 3년간 오버홀 계획 일자 Display

Fig. 11 
Input/output display for calculation of each class overhaul.

각 구성품의 수명저하 예측의 수학적 모델은 Eq. (1) ~ 3과 같다. 각 식은 GE 사의 수명저하 인자 및 저하계수 적용 방식[4]을 바탕으로 실제 성능 저하 경향 데이터를 적용한 경험식 형태로 개발되었다.

∙ 수명저하 인자의 저하 계수 계산

▪ 압축기 : 압축기의 수명저하는 압축기의 성능, 압축기의 공기 유량으로 계산

여기서, Comp_effi = 압축기 효율, Comp_NDMF = 압축기 유량함수

▪ 터빈 : 터빈의 수명저하는 터빈의 성능, 터빈의 공기 유량으로 계산

여기서, Turbeffi = 터빈 효율, TurbNDMF = 터빈 유량함수

▪ 연소기 : 연소기의 수명저하는 연소기에서 발생된 온도분포 불균형을 이용하여 계산

여기서, BPTRatio = 터빈 출구 경로 온도 분포 비율, factor의 값이 1이상이면 제작사가 제공한 수명보다 짧은 OH일자 계산, factor의 값이 1이하이면 제작사가 제공한 수명보다 긴 OH일자 계산

∙ 저하 계수를 이용한 정비 일자 계산

▪ 연소부 예측수명=연소부수명 EOH연소기수명저하계수
▪ 고온부 예측수명=고온부수명 EOHSelect연소기, 터빈 수명저하계수
▪ 엔진 예측수명=엔진수명 EOHSelect연소기, 터빈, 압축기수명저하계수

이러한 기능들은 통해 현재 시스템 상태를 반영한 예측 오버홀 주기와 비교, 분석을 통해 제작사에서 제공한 오버홀 주기의 타당성을 검증하고 최적 정비주기 모델을 수립한다. 또한 최적 시스템 정비 관리를 통해 발전 효율과 가동율을 최대화하는데 활용될 수 있다.

현재 제작사에서는 BPT에 대한 정상 범위를 전체 평균의 -30~20℃로 제안하고 있다[5]. 하지만 운용사인 한국 서부발전 군산발전처는 오버홀 이후 수행하는 연소기 튜닝 결과를 통해 정상 운용 범위를 결정하여 사용하고 있다. 따라서 본 시스템에서 운용자의 의견을 반영하여 연소기 튜닝 후 일주일간의 데이터를 분석하여 얻은 결과를 정상 운용 범위로 설정하였다. 이를 바탕으로 향후 좀 더 빠른 점검을 할 수 있을 것으로 기대된다.

2013년 5월말에 가스터빈에서 연료량 증가에 비해 출력이 증가되지 않은 현상이 발생되어 긴급점검을 수행하였다. 문제는 압축기 오염으로 인한 전체 출력이 저하되었고, 이에 따라 제작사의 제어기는 출력을 제한했던 것이다. 당시 본 시스템은 운용 중이었음에도 불구하고 감지되지 않았다. 데이터베이스 분석 결과 Fig. 12 및 13과 같이 기준성능 대비 성능저하가 뚜렷하게 나타났음에도 불구하고 느슨한 기준으로 인해 알람을 제공하지 않았던 것으로 나타났다[5]. 이 후 알람 기준을 성능저하 3%에서 2.5%로 변경하였고, 2%에서 예비 알람을 추가하도록 하였다.

Fig. 12 
Compressor efficiency.

Fig. 13 
Deviation of compressor efficiency.