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KR101135168B1 - 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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KR101135168B1
KR101135168B1 KR1020090072892A KR20090072892A KR101135168B1 KR 101135168 B1 KR101135168 B1 KR 101135168B1 KR 1020090072892 A KR1020090072892 A KR 1020090072892A KR 20090072892 A KR20090072892 A KR 20090072892A KR 101135168 B1 KR101135168 B1 KR 101135168B1
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tube
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damage
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김범신
김봉수
송기욱
최우성
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한국전력공사
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Publication date
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Abstract

고온 열교환 증기 튜브의 파손 발생에 따른 플랜트 정지 손실 및 파급 고장을 예방하기 위하여 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명에 따르면, (a) 열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서로부터 측정된 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산하는 단계, (b) 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 스케일 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 누적 스케일의 두께를 측정하는 단계, (c) 상기 (a) 및 (b) 단계에서 파악된 정보를 참조하여 열전달 관계식에 의해 실시간 튜브 온도를 계산하는 단계, 및 (d) 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 계산된 실시간 튜브 응력 정보와 상기 (c) 단계에서 계산된 튜브 온도 정보를 이용하여 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
이에 의하면, 튜브의 손상을 정밀하게 측정하여 플랜트 정지 손실 및 파급 고장을 사전에 예방하게 됨으로써, 발전손실비용을 크게 절감하는 효과가 달성된다.
산업용 보일러, 증기 튜브, 크리프, 감육, 손상율, 열 전달량

Description

열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR INSPECTING CREEP AND THINNED DAMAGE IN HEAT EXCHANGER STEAM TUBE}
본 발명은 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 산업용 보일러 등에서 사용되는 고온 열교환 증기 튜브의 파손 발생에 따른 플랜트 정지 손실 및 파급 고장을 예방하기 위하여 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 보일러는 발전용 또는 산업용으로 필요한 증기를 발생시키는 장치로, 증기가 발생되는 본체 및 순환 계통과, 연료를 연소하는 연소장치, 연소공기의 공급 및 연소가스를 방출시키는 통풍장치, 기타 공기 예열기 및 보조기기로 구성된다. 보일러의 종류에는 드럼형, 관류형(아임계압 또는 초임계압), 유동층 보일러 등의 고온, 고압의 대형 발전용 보일러에서부터 산업용 보일러까지 다양한 형태의 보일러가 있으며, 석탄, 오일 등의 다양한 화석연료를 사용한다. 여기서, 통상 산업용 보일러는 튜브에 손상이 많이 발생하게 되는데, 튜브의 대표적인 손상은 장 시간 고온 운전으로 인한 크리프 손상과, 침식 및 부식으로 인한 튜브 두께의 감육 손상이 이에 해당된다. 통상, 튜브내면의 스케일은 튜브를 흐르는 증기와 튜브 재질과의 산화작용에 의해 발생하여 운전시간과, 튜브의 운전온도에 비례하여 두께가 성장하므로, 튜브내면에 스케일이 성장할수록 고온가스에서 증기로의 열전달 량이 감소하고 튜브의 운전온도가 증가하여 튜브의 크리프 손상이 가속된다.
이와 같은 튜브의 손상에 대하여 튜브의 건전성 평가가 이루어지는데, 전전성 평가는 첫째, 주로 직접 가열부의 튜브 표면에 열전대를 설치하여 튜브의 온도를 측정하는 방법을 이용하거나 둘째, 비가열부 튜브 표면에 열전대를 설치하여 증기의 온도를 측정함으로써 튜브의 과열여부를 확인할 수 있게된다. 상기 전자의 경우는 설치의 어려움과 내구성의 문제로 거의 사용되지 않고 있는 평가 방법이며, 후자의 경우는 설치의 용이성과 양호한 내구성으로 인해 널리 사용되고 있으나 실제 튜브의 과열정도를 예측하기 곤란하여 튜브의 손상이나 파열 등과 같은 고장 예방에 기여하는 바가 적은 것이 큰 단점으로 지적되어 왔다.
바꾸어 설명하면, 온도센서가 설치되는 가열부 튜브의 운전 환경은 600 ～ 1000 ℃의 고온유체와 직접 접촉해야 하는 가혹한 환경으로 인해 기동 정지 중 튜브의 팽창 또는 수축이 발생하여 센서의 설치가 쉽지않으며, 설사 센서가 설치되더라도 온도센서의 내구성이 보장되지 않고, 운전 중 온도센서가 탈락되면 고온가스 하류에 설치된 부품 및 설비의 파손과 고장이 빈번히 발생하는 문제점을 갖고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서를 이용하여 측정된 데이터 및 현장 측정 자료를 토대로 최종적으로 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산하여 국부적으로 상이한 튜브의 건전성을 보다 구체적으로 구분할 수 있게 되어 취약 튜브에 대한 정밀검사 수행과 사고발생 전 튜브의 교체를 통해 비계획정지로 인한 발전손실비용을 절감하는 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법으로서, (a) 열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서로부터 측정된 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산하는 단계, (b) 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 스케일 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 누적 스케일의 두께를 측정하는 단계, (c) 상기 (a) 및 (b) 단계에서 파악된 정보를 참조하여 열전달 관계식에 의해 실시간 튜브 온도를 계산하는 단계 및 (d) 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 계산된 실시간 튜브 응력 정보와 상기 (c) 단계에서 계산된 튜브 온도 정보를 이용하여 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 일 태양에 따르면, 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 시스템으로서, 열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서에서 수집된 실시간 운전정보를 디지털 신호로 변환하는 신호변환장치, 열교환 증기튜브의 정지 중 튜브 두께 및 튜브 내면 산화 스케일의 두께 측정과 운전 중 튜브 비가열부 온도, 증기유량, 운전압력 및 운전시간을 포함하는 운전정보를 이용하여 튜브 가열부에 온도센서를 설치하지 않고 튜브 가열부의 크리프 및 감육에 의한 손상을 실시간으로 예측 감시하는 튜브 손상 분석장치, 및 상기 튜브 손상 분석장치에 의해 계산된 실시간 누적 손상율 정보를 감시자가 볼수있도록 표시하는 감시 컴퓨터를 포함하는 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 튜브 손상 분석장치는, 열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서로부터 측정된 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산하는 열 전달량 계산부, 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 스케일 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 누적 스케일의 두께를 측정하는 스케일 두께 측정부, 상기 열 전달량 계산부 및 스케일 두께 측정부에서 파악된 정보를 참조하여 열전달 관계식에 의해 실시간 튜브 온도를 계산하는 튜브 온도 계산부, 및 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 계산된 실시간 튜브 응력 정보와 상기 튜브 온도 계산부에서 계산된 튜브 온도 정보를 이용하여 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산하는 손상율 계산부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 위와 같은 구성으로 튜브의 손상을 정밀하게 측정하여 플랜트 정지 손실 및 파급 고장을 사전에 예방하게 됨으로써, 발전손실비용을 크게 절감하는 효과가 달성된다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
튜브 손상 감시 시스템(100)의 예
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 감시 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 감시 시스템(100)은 열교환 증기 튜브(110), 신호변환장치(120), 튜브 손상 분석장치(130) 및 감시 컴퓨터(140)를 포함하여 구성된다.
먼저, 열교환 증기 튜브(110)에 대하여 설명하면, 본 발명의 열교환 증기 튜브(110)는 신호 전송선(116) 사이에 가스진행방향으로 배치된 다수의 튜브열 묶음(117)이 고온유체의 가스진행방향에 수직한 방향으로 배열될 경우에 운전제어를 위한 유량(F, 111), 온도(T, 112) 및 압력(P, 113) 감지센서가 가열부 외함(110A)의 비가열부에 설치되나, 수십 개의 튜브 묶음 중 3~5개의 튜브 묶음(117)에 대응하여 온도 및 압력 감지센서(112, 113)가 배치된다. 반면, 유량 감지센서(111)는 튜브 당 또는 튜브 묶음 당(117) 증기유량이 아닌 전체 증기유량을 측정할 수 있게끔 바가열부의 한곳에만 배치된다. 이럴 경우, 본 실시 예에서는 동일 또는 크기를 축소한 튜브와 헤더 또는 파이프 연결 모델을 제작하여 실험을 통해 각 튜브 유량을 측정하거나 또는 컴퓨터를 이용한 전산 해석을 통해 각 튜브 유량을 예측할 수 있으며, 이 때 각 튜브의 유량은 평균유량에 대해 전체유량이 변화하여도 일정한 비율로 유지되는 성질을 갖는다. 따라서 실험 또는 전산 해석을 통해 열교환기의 정상운전 중 유량을 측정하거나 예측하면 이를 평균유량에 대해 나누어 유량비를 계산하는 방식을 취하는데, 이를 유량불균형계수라 칭한다.
이와 같이, 각 튜브의 유량불균형계수가 파악되면, 설치된 온도와 압력 감지센서를 통해 일부 튜브의 열 흡수량을 계산할 수 있으며, 온도와 압력 감지센서가 설치되지 않은 튜브에 대해서는 계산된 열 흡수량을 보간함으로써 이후에 설명될 튜브의 손상을 예측하는 절차에 이용될 수 있다.
이 결과로, 본 발명의 신호변환장치(120)는 열교환 증기 튜브(110)의 비가열부에 배치된 유량 감지센서(111)에 의한 증기 유량정보뿐만 아니라 온도 및 압력 감지센서(112, 113)에 의한 증기 튜브의 입,출구 온도, 튜브의 입,출구 압력 및 운전시간 정보를 포함하는 운전정보를 실시간적으로 수집하는 기능과 디지털 신호로 변환하는 기능을 수행하게 된다.
본 발명의 튜브 손상 분석장치(130)는 열교환 증기튜브의 정지 중 튜브 두께 및 튜브 내면 산화 스케일의 두께 측정과 운전 중 튜브 비가열부 온도, 증기유량, 운전압력 및 운전시간을 포함하는 운전정보를 이용하여 튜브 가열부에 온도센서를 설치하지 않고도 튜브 가열부의 크리프 및 감육에 의한 손상을 실시간으로 예측 감시하는 기능을 수행하게 된다. 이러한 튜브 손상 분석장치(130)에 대하여 도 2를 참조하여 후술하기로 한다.
본 발명의 감시 컴퓨터(140)는 튜브 손상 분석장치에 의해 계산된 실시간 누적 손상율 정보를 감시자가 볼수있도록 표시하는 기능을 수행한다.
튜브 손상 분석장치(130)의 예
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 분석장치(130)을 예시적으로 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 다른 튜브 손상 분석장치(130)는 열 전달량 계산부(131), 스케일 두께 측정부(132), 튜브 온도 계산부(133), 손상율 계산부(134), 통신부(135) 및 제어부(136)를 포함하여 구성된다.
먼저, 본 발명의 열 전달량 계산부(131)는 열교환 증기 튜브(117)의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서(111, 112, 113)로부터 측정된 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산하는 역할을 수행하게 된다. 여기서, 실시간 운전정보라 함은, 유량, 압력 및 온도 감지센서(111, 112, 113)를 통해 증기 튜브의 입,출구 온도, 튜브의 입,출구 압력, 증기 유량 및 운전시간 정보뿐만 아니라 튜브 형상 및 재질의 열전달 특성, 고온유체의 온도 분포 특성 등, 운전 중에 측정 가능한 정보를 포함하는 넓은 개념으로 이해될 수 있다.
보다 구체적인 예로 설명하면, 본 발명의 열 전달량 계산부(131)는 감지센서에서 측정된 정략적인 정보와 운전정보 중 고온 유체의 온도분포 특성 정보을 고려하여 1차원 유한요소해석법에 의해 국부적 실시간 열전달 량으로 분배한 후, 상기 국부적 실시간 열전달 량을 시간별로 합한 결과로 국부적 누적 열 전달량을 계산할 수 있게 되는 것이다.
이와 비교되는 종래에서는 튜브 내면 스케일의 두께 성장을 튜브 운전온도와 운전시간의 함수로 나타내어 튜브의 운전온도 이력과 운전시간이 알려지면 튜브 내면의 스케일 두께를 예측하였고, 튜브 내면 스케일의 두께를 운전온도와 운전시간의 함수로 나타내기 위해서는 튜브의 각 운전온도에 대해 일정시간 동안 동일하게 운전온도를 유지하여 튜브내면 스케일의 두께를 측정하려고 하였으나, 운전변수를 의도적으로 제어할 수 있는 실험실과는 달리 현장에서는 튜브의 실제 운전온도를 일정하게 유지하거나 측정할 수 없어 튜브내면 스케일의 두께를 운전온도와 운전시간의 함수로 나타내는 것은 불가능하였다.
이러한 단점을 극복하기 위하여, 본 발명의 열 전달량 계산부(131)는 스케일 두께를 운전온도와 운전시간의 함수로 나타내지 않고 운전온도 및 운전시간 특성을 모두 포함하고 있는 누적 열전달 량의 함수로 계산할 수 있게 함으로써, 종래 기술의 단점을 극복하였다.
다음으로, 본 발명의 스케일 두께 측정부(132)는 열교환 증기 튜브(110)의 현장에서 측정 가능한 현장 측정 자료를 별도로 제공받아 현장 측정 자료중 튜브 내면의 스케일 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 누적 스케일의 두께를 측정하는 기능을 수행하게 된다. 이때, 현장 측정 자료는 튜브의 물성 정보로, 튜브 형상 및 재질에 따른 튜브 공칭외경, 튜브 설계 두께, 튜브 길이 및 재질의 열 전달 특성, 고온 유체의 온도 분포 선도 특성 등을 현장에서 측정한 정보이다.
다음으로, 본 발명의 튜브 온도 계산부(133)는 상술한 열 전달량 계산부(131) 및 스케일 두께 측정부(132)에서 파악된 정보, 예컨대, 튜브의 형상 및 두께, 열전달 특성 및 누적 열 전달량, 스케일의 두께 정보를 참조한 열전달 관계식에 의해 실시간 튜브 온도를 계산하는 기능을 수행한다. 여기서, 실시간 튜브 온도를 계산하는데 이용되는 열전달 관계식은 원관 내부 비압축성 난류유동에 대한 대류열전달 관계식과 스케일 박막 및 원관 튜브에 대한 전도 열전달식들을 연립하 여 지배방정식을 구성하고, 원관 튜브와 스케일 박막간에 존재하는 접촉열저항은 스케일 박막의 전도열전달계수에 포함시켜 계산하며, 열전달 관계식 계산을 통해 기지의 튜브 입열량으로부터 튜브의 평균온도를 예측하여 튜브의 크리프 손상량계산에 활용하고 튜브 내면온도를 계산하여 튜브 내면의 산화스케일 성장량을 계산한다. 튜브의 입열량은 튜브 입출구의 비가열부에 설치된 온도센서로부터 취득된 튜브 입출구의 온도차와 압력센서로부터 취득된 압력차 및 실험 및 해석에 의해 얻어진 유량불균형계수와 유량센서로부터 얻어진 유량정보를 이용하여 계산된다.
다음으로, 본 발명의 손상율 계산부(134)는 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 실시간 튜브 응력을 계산하는 기능을 수행하고, 아울러 계산된 실시간 튜브 응력 정보와 상술한 튜브 온도 계산부(133)에서 계산된 튜브 온도 정보를 이용하여 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산하는 기능을 수행하게 된다. 이때, 실시간 튜브 응력은 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 내부의 증기 압력과 튜브 시간당 감육율을 추정한 결과로 획득되어 질 수 있다.
여기서, 튜브 두께의 감육발생 요인은 연소가스 내 입자상에 의한 침식과 튜브 간 간섭에 의한 마멸, 튜브 내외면의 산화 등 화학적 반응에 의한 부식 등이 있으며 각 요인들은 보일러 가스유로내의 유속분포, 연료의 조성 및 미분도(고체연료), 연소공기 내 습분, 연소상태 등 다양한 환경적 요인에 의해 영향을 받으므로 튜브의 감육율을 해석적 방법으로 예측하는 것은 매우 어렵다. 따라서 과거 정지 중 검사 시 측정한 운전시간과 튜브의 두께 감육량의 관계를 토대로 선형 또는 비 선형 회귀추정을 통해 외삽하여 미래의 감육량을 예측할 수 있게 되는 것이다.
다음으로, 본 발명의 통신부(135)는 다른 장치와 인터페이스 되도록 튜브 손상 분석장치(130)가 신호변환장치(120), 감시 컴퓨터(140) 등과 각종 데이터를 송,수신하는 기능을 수행하며, 본 발명의 제어부(136)는 열 전달량 계산부(131), 스케일 두께 측정부(132), 튜브 온도 계산부(133) 손상율 계산부(134) 및 통신부(135) 간의 데이터 흐름을 제어하는 기능을 수행한다.
튜브 손상의 감시 방법 예
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 튜브 손상 분석장치(130)에 의한 튜브 손상의 감시 방법을 예시적으로 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 감시 방법(S200)은 (a) 단계에서 (k) 단계의 과정을 통하여 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하는 기능을 수행한다.
먼저, 본 발명의 (a) 단계(S205)에서는 현장측정 장비 또는 유량, 압력 및 온도 감지센서(111, 112, 113)를 이용하여 튜브 공칭외경, 튜브 설계 두께, 튜브 길이 및 재질의 열전도 특성 및 고온유체 온도분포 특성을 포함하는 튜브 형상 및 재질의 열전달 특성 및 그리프의 파괴 특성과 관련한 정보를 측정, 수집하는 과정을 진행한다.
이어서, 본 발명의 (b) 단계(S210)에서는 튜브 형상 및 재질의 열전달 특성 및 그리프의 파괴 특성과 관련한 정보를 참조하여 튜브 입,출구 온도, 튜브 입,출구 압력, 증기 유량 및 운전시간 정보를 포함한 실시간 운전정보를 별도로 수집한 후, (c) 단계(S215)에서는 (b) 단계(S210)에서 측정된 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산할 수 있게 된다. 여기서, 국부적 누적 열 전달량을 계산은 감지센서에서 측정된 정보와 고온유체의 온도분포 특성을 고려하여 1차원 유한요소해석법에 의해 국부적 실시간 열전달 량으로 분배한 후, 상기 국부적 실시간 열전달 량을 시간별로 합한 결과이다.
다른 방편으로, 본 발명의 (d) 단계(S220)에서는 튜브 형상 및 재질의 열전달 특성 및 그리프의 파괴 특성과 관련한 정보를 토대로 튜브의 누적 스케일 두께를 추정하고자 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 스케일 두께 및 측정시의 운전시간을 별도로 구분하여 수집하는 과정을 진행한다.
이 결과로 본 발명의 (e) 단계(S225)에서는 (c) 단계(S215)의 계산된 누적 열 전달량 정보와 (d) 단계(S220)의 수집된 튜브 내면의 스케일 두께 및 측정시간을 이용하여 튜브 누적 열 전달량에 의한 누적 스케일 두께를 추정할 수 있게 되는 것이다. 이후, 본 발명의 (f) 단계(S230)에서는 (e) 단계(S225)의 추정된 결과를 참조하여 열전달 관계식으로 실시간 튜브 온도를 계산할 수 있게 된다.
또 다른 방편으로, 본 발명의 (g) 단계(235)에서는 튜브 형상 및 재질의 열전달 특성 및 그리프의 파괴 특성과 관련한 정보를 토대로 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 수집하는 과정을 진행한다. 이어서, 본 발명의 (h) 단계(S240)에서는 (g) 단계의 수집된 정보로 튜브 시간당 감육율을 추정할 수 있게 되고, (i) 단계(S245)에서는 튜브 시간당 감육율의 추정으로 실시간으로 튜브의 응력을 계산할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 (j) 단계(S250)에서는 (f) 단계(S230)와 (i) 단계(S245)에 의해 획득된 정보를 이용하여 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산할 수 있게 되는 것이다. 이후, 본 발명의 (k) 단계(S255)에서는 (j) 단계(S250)에서 계산된 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 감시자의 컴퓨터에 표시할 수 있게 된다.
도 4a 및 도 4b는 개선된 튜브 내면 스케일의 두께 선도와 종래의 튜브 내면 스케일의 두께 선도를 나타낸 그래프로서, 본 발명의 도 4a에서는 운전온도 및 운전시간 특성을 모두 포함하고 있는 누적 열 전달량의 함수로 나타내어 간단하게 스케일의 두께 선도를 계산할 수 있으나, 종래의 도 4b에서는 운전온도와 운전시간의 함수를 통해 복잡한 스케일 두께 선도를 나타내고 있으므로 서로 차이가 있음을 충분히 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 분석장치와 정비작업 관리 장치간 튜브 관리 업무 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 분석장치(130)는 자체 내에서 튜브 누적 열 전달량 계산, 튜브 내면 누적 스케일의 두께 계산, 튜브 온도, 두께, 응력 계산 및 튜브 손상율을 계산한 결과를 정비작업 관리 장치(180)로 전송한다. 따라서, 본 발명의 정비작업 관리장치(180)는 튜브 손상 분석장치(130)에서 보내온 데이터를 참조하여 튜브의 손상 정도를 파악하여 검사계획을 수립 시행하고, 검사를 통해 측정된 튜브의 두께 감유량과 튜브 내부 산화스케일 두께 증가량을 측정하여 정보를 갱신하고, 그 결과를 튜브 검사/측정 데이터 베이스(170)에 저장할 수 있게 된다. 이와 같이, 본 발명의 정비작업 관리장치(180)는 튜브 손상 분석장치(130)로부터 제공받은 정보를 이용하여 손상 정도를 파악하고, 이를 열교환기에 대한 검사, 정비 또는 교체계획을 수립하는데 이용할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 튜브 손상 분석장치(130)는 실시간 운전 데이터베이스(150), 튜브 물성 데이터베이스(160) 및 튜브 검사/측정 데이터베이스(170)와 연동 될 수 있는데, 실시간 운전 데이터베이스(150)는 앞서 설명한 운전 정보를 저장하며, 튜브 물성 데이터베이스(160)는 튜브 형상 및 재질의 열전달 특성 및 그리프의 파괴실험 데이터와 같이 튜브 물성 정보가 저장될 수 있다. 데이터베이스에 저장된 결과는 튜브 손상 분석장치(130)의 요청에 대응하여 튜브 손상 분석장치로 전송한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 감시 시스템(100)을 예시적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 분석장치(130)을 예시적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 튜브 손상 분석장치(130)에 의한 튜브 손상의 감시 방법을 예시적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4a 및 도 4b는 개선된 튜브 내면 스케일의 두께 선도와 종래의 튜브 내면 스케일의 두께 선도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 튜브 손상 분석장치와 정비작업 관리 장치간 튜브 관리 업무 흐름을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 튜브 손상 감시 시스템 110 : 열교환 증기 튜브
120 : 신호변환장치 130 : 튜브 손상 분석장치
131 : 열 전달량 계산부 132 : 스케일 두께 측정부
133 : 튜브 온도 계산부 134 : 손상율 계산부
140 : 감시 컴퓨터

Claims (10)

  1. 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 방법으로서,
    (a) 열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서로부터 측정된 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산하는 단계,
    (b) 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 산화스케일 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 누적 산화스케일의 두께를 측정하는 단계,
    (c) 상기 (a) 및 (b) 단계에서 파악된 정보를 참조하여 열전달 관계식에 의해 실시간 튜브 온도를 계산하는 단계, 및
    (d) 열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 계산된 실시간 튜브 응력 정보와 상기 (c) 단계에서 계산된 튜브 온도 정보를 이용하여 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산하는 단계
    를 포함하고
    상기 (a) 단계는,
    상기 감지센서에서 측정된 정보와 고온유체의 온도분포 특성을 고려하여 1차원 유한요소해석법에 의해 국부적 실시간 열전달 량으로 분배한 후, 상기 국부적 실시간 열전달 량을 시간별로 합한 결과로 국부적 누적 열 전달량을 계산하는 것이고,
    상기 (c) 단계는,
    열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 산화스케일 두께 및 측정시의 운전시간과 상기 누적 열 전달량을 이용하여 튜브 내면의 산화스케일 성장량을 추정한 결과로 실시간 튜브 온도를 결정하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 증기 튜브의 입,출구 온도, 튜브의 입,출구 압력, 증기 유량 및 운전시간 정보를 포함하는 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산하는 것인 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계는,
    열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 내부의 증기 압력과 튜브 시간당 감육율을 추정한 결과로 실시간 튜브 응력이 결정되는 것인 방법.
  6. 열교환 증기 튜브의 크리프 및 감육 손상을 감시하기 위한 시스템으로서,
    열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서에서 수집된 실시간 운전정보를 디지털 신호로 변환하는 신호변환장치,
    열교환 증기튜브의 정지 중 튜브 두께 및 튜브 내면 산화스케일의 두께 측정과 운전 중 튜브 비가열부 온도, 증기유량, 운전압력 및 운전시간을 포함하는 운전정보를 이용하여 튜브 가열부에 온도센서를 설치하지 않고 튜브 가열부의 크리프 및 감육에 의한 손상을 실시간으로 예측 감시하는 튜브 손상 분석장치, 및
    상기 튜브 손상 분석장치에 의해 계산된 실시간 누적 손상율 정보를 감시자가 볼수있도록 표시하는 감시 컴퓨터
    를 포함하고,
    상기 튜브 손상 분석장치는,
    열교환 증기 튜브의 비가열부에 배치된 유량, 압력 및 온도 감지센서로부터 측정된 실시간 운전정보를 이용하여 튜브 열 전달량 및 누적 열 전달량을 계산하는 열 전달량 계산부,
    열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 산화스케일 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 누적 산화스케일의 두께를 측정하는 스케일 두께 측정부,
    상기 열 전달량 계산부 및 스케일 두께 측정부에서 파악된 정보를 참조하여 열전달 관계식에 의해 실시간 튜브 온도를 계산하는 튜브 온도 계산부, 및
    열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 계산된 실시간 튜브 응력 정보와 상기 튜브 온도 계산부에서 계산된 튜브 온도 정보를 이용하여 실시간 튜브 손상율 및 누적 손상율을 계산하는 손상율 계산부
    를 포함하고,
    상기 열 전달량 계산부는,
    상기 감지센서에서 측정된 정보와 고온유체의 온도분포 특성을 고려하여 1차원 유한요소해석법에 의해 국부적 실시간 열전달 량으로 분배한 후, 상기 국부적 실시간 열전달 량을 시간별로 합한 결과로 국부적 누적 열 전달량을 계산하는 것이고,
    상기 튜브 온도 계산부는,
    열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 내면 산화스케일 두께 및 측정시의 운전시간과 상기 누적 열 전달량을 이용하여 튜브 내면의 산화스케일 성장량을 추정한 결과로 실시간 튜브 온도를 결정하는 것인 시스템.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 열 전달량 계산부는,
    상기 증기 튜브의 입,출구 온도, 튜브의 입,출구 압력, 증기 유량 및 운전시간 정보를 포함하는 실시간 운전정보를 이용하는 것인 시스템.
  9. 삭제
  10. 제6항에 있어서,
    상기 손상율 계산부는,
    열교환 증기 튜브의 현장 측정 자료 중 튜브 두께 및 측정시의 운전시간을 이용하여 튜브 내부의 증기 압력과 튜브 시간당 감육율을 추정한 결과로 실시간 튜브 응력을 결정하는 것인 시스템.
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