발전설비 보일러 튜브와 탈질설비의 고장예지 및 건전성관리

Abstract

폭발적인 전력수요를 예상하지 못한 상태에서 공급 부족으로 2011년 9월 우리나라에서 대규모 정전사태가 발생되었다. 전력에너지 산업은 국가의 기간산업으로서 안정적인 전력공급이 절대적으로 중요한 분야이다. 국민생활이 향상되면서 전력에너지 용량이 더욱 증대되고 예측불허의 다양한 수요를 고려해 보면 에너지 설비의 신뢰도 문제는 더욱 중요하다고 볼 수 있다. 설비의 신뢰성을 보장하기 위한 기존의 평가 및 관리기법을 적용하고 있으나 부분적으로 과도한 유지정비 비용을 유발하고 돌발고장 및 사고를 근본적으로 예지하지 못하는 한계점이 있다.

본 연구에서는 발전소 및 산업설비에서 주로 사용되고 있는 보일러 튜브 고온재료(SA213-T12/23)에 대해서 가속열화시험을 하여 고온에서 2,000시간 까지 일정 시간대별로 기계적 물성을 평가하였으며, 평가결과를 기존의 신뢰성 평가기법에 적용, 상호 비교하여 기존평가법의 문제점을 도출하였다. 평가 신뢰성에 영향을 주는 인자를 찾아, 판정 모형을 만들었으며 이를 활용하여 재료의 열화등급 중/말기 이후의 상태를 보다 정량적으로 예측 관리하며 효율적이고 경제적인 설비운영은 물론 발전설비의 고장예지 및 건전성관리(PHM : Prognostics and Health Management)의 신뢰성을 높일 수 있는 있는 근거를 마련하였다.

또한 국민생활 향상과 산업사회의 고도화에 따라 화석 에너지 소모가 급증하면서 환경문제가 대두되고 있다. 화석 에너지는 대기오염물질을 배출하며, 이 중 NOx, SOx, 분진 등은 현재 제거대상 1순위의 환경오염 물질로서 발전설비에서 양적으로 많이 생성되고 있다. 질소산화물 제거기술은 통상적으로 SCR(Selective Catalytic Reduction)을 많이 채택하고 있다. SCR은 촉매에 암모니아(NH3), CO, 탄화수소 등의 환원제를 사용하여 NOx를 인체에 무해한 N2와 물(H2O)로 전환시키는 기술로서 SCR 반응단에 있어서 유동하는 매질의 입사각은 매우 중요한 변수이다. 환경법이 강화되면서 운영중인 발전설비에 추가적으로 SCR을 설치하는 것은 불가피한 현실이 되었고, 기존의 설비에 추가적으로 환경설비를 설치한다는 것은 반응단의 용량 증가와 공간제약으로 인해 덕트 형상이 급격하게 변하게 된다. 따라서 편류 방지를 위한 Guide Vane(GV)과 Guide Plate(GP)를 설치운영하고 있다. 하지만 이러한 설비들이 유동장에 있어서 최적화 되지 못한 편류로 NOx 저감효율 저하, 덕트․Vane 손상, Ash 축적, 암모니아 Slip에 따른 APH Plugging등의 심각한 고장원인이 되어 발전소 부하감발, 정지작업, 촉매수명 단축 등의 문제를 초래하고 있다. 이러한 문제점이 안정적인 발전설비 운영에 중대한 영향을 미치므로 최적화된 탈질 시스템 재설계와 성능개선이 요구되어 CFD를 이용하여 기존 SCR시스템의 유동장을 최적화하는 변수를 찾고 설비의 최적화가 가능함을 확인 할 수 있었다.

본 연구는 PHM을 에너지 산업 분야에 적용하는데 있어 각종 평가 기법의 신뢰성과 기술적 한계점을 도출하고 예측 신뢰도를 높여 양질의 전력에너지 공급과 산업발전에 기여 하고자 하며 고장예지 및 건전성관리 기술(PHM)을 발전설비에 확대 적용 할 필요가 있음을 강조한다.