KR101409589B1 - 가스터빈 정비 지원 시스템 - Google Patents
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Abstract
이 발명은, 가스터빈의 성능감시, 성능분석, 세정주기 분석, BPT 분석 등을 통하여 가스터빈의 성능특성에 적합한 정비를 할 수 있도록 지원하는, 가스터빈 정비 지원 시스템에 관한 것으로서,
운전 데이터를 저장하는 DB 생성부와, 상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터를 입력받아서 사용자가 입력한 구간의 데이터와 기준치(Reference)를 비교하여 과거 운용 이력, 기준 대비 성능비교, 시간에 따른 성능 추이 그래프를 제공하는 경향분석부와, 상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터의 성능 저하율과 사용자가 입력한 가스터빈의 운용ㆍ성능 데이터, 과거 압축기 세정 일을 이용하여 압축기 세정주기, 세정주기에 따른 경제성 분석결과, 과거세정 기준 차회 세정 일을 제공하는 세정주기 계산부와, 측정 데이터 중 대기조건, 가스터빈 성능 데이터와 사용자가 입력한 연료 및 냉각을 위한 블리드(Bleed) 추출 공기유량 정보를 이용하여 열역학적 성능 모델을 계산하고 결과 값으로 현재 가스터빈 상태, 기준 성능 대비 변화량, 가스터빈 성능 데이터를 제공하는 성능감시부와, 가스터빈의 측정 데이터 중 진동, 온도, 압력을 입력값으로 하여 열역학적 성능 모델 계산 결과를 이용해 압축기 효율경향, 열효율 경향, 진동ㆍ온도ㆍ압력 측정치를 제공하는 성능진단부와, 측정 데이터 중 BPT, EGT, 부하(Load)를 입력 값으로 하여 BPT(Blade Path Temperature) 측정 데이터, BPT 분포, EGT 측정 데이터, 스월각(Swirl Angle) 계산 값, 점검 대상 연소기 정보를 제공하는 BPT 분석부를 포함하여 이루어진다.
운전 데이터를 저장하는 DB 생성부와, 상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터를 입력받아서 사용자가 입력한 구간의 데이터와 기준치(Reference)를 비교하여 과거 운용 이력, 기준 대비 성능비교, 시간에 따른 성능 추이 그래프를 제공하는 경향분석부와, 상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터의 성능 저하율과 사용자가 입력한 가스터빈의 운용ㆍ성능 데이터, 과거 압축기 세정 일을 이용하여 압축기 세정주기, 세정주기에 따른 경제성 분석결과, 과거세정 기준 차회 세정 일을 제공하는 세정주기 계산부와, 측정 데이터 중 대기조건, 가스터빈 성능 데이터와 사용자가 입력한 연료 및 냉각을 위한 블리드(Bleed) 추출 공기유량 정보를 이용하여 열역학적 성능 모델을 계산하고 결과 값으로 현재 가스터빈 상태, 기준 성능 대비 변화량, 가스터빈 성능 데이터를 제공하는 성능감시부와, 가스터빈의 측정 데이터 중 진동, 온도, 압력을 입력값으로 하여 열역학적 성능 모델 계산 결과를 이용해 압축기 효율경향, 열효율 경향, 진동ㆍ온도ㆍ압력 측정치를 제공하는 성능진단부와, 측정 데이터 중 BPT, EGT, 부하(Load)를 입력 값으로 하여 BPT(Blade Path Temperature) 측정 데이터, BPT 분포, EGT 측정 데이터, 스월각(Swirl Angle) 계산 값, 점검 대상 연소기 정보를 제공하는 BPT 분석부를 포함하여 이루어진다.
Description
이 발명은 가스터빈 정비 지원 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 가스터빈의 성능진단, 성능감시, 성능분석, 세정주기 분석, BPT 분석 등을 통하여 가스터빈의 성능특성에 적합한 정비를 할 수 있도록 지원하는, 가스터빈 정비 지원 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 화력발전소는 연료의 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 시설로서, 크게 보일러와 터빈(Turbine) 및 발전기로 구성되어 있다.
이중 터빈은 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 장치이며, 증기를 이용하면 증기터빈(Steam turbine)이고, 가스를 이용하면 가스터빈(Gas turbine)이라 한다.
상기한 가스터빈은 성능을 감시하여, 성능이 저하되는 경우에 정비를 필요로 한다.
참고로, 발전소 설비에 대하여, 정비관리부, 신뢰도 관리부 및 위험도 관리부의 설비분류체계를 표준화시켜 이들 상호 간의 정보의 연계를 원활하게 하고, 코스트-타임 분석부를 통해 정비 대상 설비 및 정비 대상 설비에 대한 최적 정비 시점을 판단할 수 있는 기술이 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1010717(공고일자 2011년 1월 24일)의 "상태기반 발전소 운전 및 정비 관리 시스템"에서 개시된 바 있다.
그러나, 상기한 바와 같은 특허 등록번호 10-1010717의 기술은, 가스터빈의 성능 특성에만 맞춘 것이 아니기 때문에 가스터빈의 정비 운용에는 상대적으로 적합도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가스터빈의 성능진단, 성능감시, 성능분석, 세정주기 분석, BPT 분석 등을 통하여 가스터빈의 성능특성에 적합한 정비를 할 수 있도록 지원하는, 가스터빈 정비 지원 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 운전 데이터를 저장하는 DB 생성부와, 상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터를 입력받아서 사용자가 입력한 구간의 데이터와 기준치(Reference)를 비교하여 과거 운용 이력, 기준 대비 성능비교, 시간에 따른 성능 추이 그래프를 제공하는 경향분석부와, 상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터의 성능 저하율과 사용자가 입력한 가스터빈의 운용ㆍ성능 데이터, 과거 압축기 세정 일을 이용하여 압축기 세정주기, 세정주기에 따른 경제성 분석결과, 과거세정 기준 차회 세정 일을 제공하는 세정주기 계산부와, 측정 데이터 중 대기조건, 가스터빈 성능 데이터와 사용자가 입력한 연료 및 냉각을 위한 블리드(Bleed) 추출 공기유량 정보를 이용하여 열역학적 성능 모델을 계산하고 결과 값으로 현재 가스터빈 상태, 기준 성능 대비 변화량, 가스터빈 성능 데이터를 제공하는 성능감시부와, 가스터빈의 측정 데이터 중 진동, 온도, 압력을 입력값으로 하여 열역학적 성능 모델 계산 결과를 이용해 압축기 효율경향, 열효율 경향, 진동ㆍ온도ㆍ압력 측정치를 제공하는 성능진단부와, 측정 데이터 중 BPT(Blade Path Temperature) , EGT, 부하(Load)를 입력 값으로 하여 BPT 측정 데이터, BPT 분포, EGT 측정 데이터, 스월각(Swirl Angle) 계산 값, 점검 대상 연소기 정보를 제공하는 BPT 분석부를 포함하여 이루어지면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 경향 분석부는, 동작이 시작되면 사용자 입력을 받으면서 대기를 하고, DB 생성부로부터 이력 데이터를 입력받아서 압축기 성능과 터빈 성능을 계산하고, 사용자가 선택한 구간의 데이터의 변화 추세를 분석함으로써 경향분석을 하고, 데이터 베이스의 데이터가 사용자가 선택한 구간 범위의 데이터인지 판단하여 사용자 선택범위가 아닐 경우에 경향분석 결과를 출력하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 압축기 성능은 다음의 수식을 이용하여 계산하면 바람직하다.
여기서, ηcomp은 압축기 성능이고, T1 은 압축기의 입구의 온도이고, T2 은 압축기의 출구의 온도이고, P1 은 압축기의 입구의 압력이고, P2 은 압축기의 출구의 압력이고, γ는 가스 단열비이다.
이 발명의 구성은, 상기한 터빈 성능은 다음의 수식을 이용하여 계산하면 바람직하다.
여기서, ηturb은 터빈 성능이고, T3 은 터빈의 입구의 온도이고, T4 은 터빈의 출구의 온도이고, P3 은 터빈의 입구의 압력이고, P4 은 터빈의 출구의 압력이고, γ는 가스 단열비이다.
이 발명의 구성은, 상기한 가스 단열비(γ)는 정압비열(Cp)/정적비열(Cv)로 산출되면 바람직하
이 발명의 구성은, 상기한 경향분석 결과는 압축기 효율, 터빈 효율, 출력, 배기가스 온도, 연료 소모율, 입구안내깃(Inlet Guide Vane. IGV) 각도를 포함하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 세정주기 계산부는, 운용비용, 발전비용, 세정비용에 대한 데이터를 입력받아서 전력생산비용과 연료소모비용, 기타 비용 및 손실연료 소모비용을 계산하여 오프라인 세정횟수별 지출비용과 기대수입비용을 계산하고, 횟수별 오프라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 세정횟수를 계산하고, 전력생산비용과 연료소모비용, 기타비용 및 손실연료 소모비용을 계산함으로써 온라인 세정횟수별 지출비용과 기대수입비용을 분석하고, 횟수별 온라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 세정횟수를 계산하여 세정주기 계산결과를 출력하고, 경향분석부로부터 경향분석결과를 입력받아서 데이터를 선택하여 오프라인 세정횟수별 비용을 분석하는 단계와, 오프라인 최적 세정주기를 계산하고, 온라인 세정횟수별 비용을 분석하여 온라인 최적 세정주기를 계산하고, 세정주기 계산결과를 출력하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 순이익은 (청결엔진 수익 - 성능저하엔진 수익)으로 계산되고, 상기한 청결엔진 수익은 (전력생산비용 - 연료소모 비용)으로 계산되고, 상기한 전력생산비용은 (주출력×세정주기시간×전기 단가)로 계산되고, 상기한 연료소모비용은 (연료량×총운용시간×연료가격)으로 계산되고, 상기한 기타비용은 (세정비용+정지시간 비용)으로 계산되고, 상기한 세정비용은 (세정액가격×세정시간 + 물비용×물사용시간)으로 계산되고, 상기한 정지시간 비용은 (전기료×출력손실)로 계산되면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 성능감시부는, 운전 데이터를 입력받아서 사용자 입력 데이터를 분류하고 선택하고, 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능을 계산하고, 압축기 모델, 연소기 모델, 터빈 모델의 열역학적 성능을 계산하고, 압축기, 연소기, 터빈 모델의 성능이 에러 허용범위 인지를 판단하여 에러 허용범위인 경우에 실제 성능과 모델 성능을 비교하여 성능의 변화량을 그래프로 출력하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 성능진단부는, 운전 데이터와 함께 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능에 대한 데이터를 입력받아서 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능과 제작사에서 제공한 정상범위인 제어한계치를 비교하고, 가스터빈의 현재상태가 정상범위인지를 판단하여 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 제어 한계치는 진동은 0.125mm 이하이고, 로터 냉각 공기 온도는 275℃ 이하이고, 디스크 캐버티 온도는 460℃ 이하이고, 연료 가스 온도는 도 8의 그래프의 아래 범위이고, 베어링 드레인 온도는 77℃ 이하이고, 베어링 메탈 온도는 107℃ 이하이고, 연소기 입력 스팀 온도는 도 9의 그래프의 아래 범위이고, 연소기 출력 스팀 온도는 도 10의 그래프의 아래 범위이고, 가스터빈 이력 필터 내부 압력은 150mmAq 이하이고, 배기가스 덕트 압력은 680mmAq 이하이고, 연료가스 공급 압력은 37kg/cm2g 이상이고, 가스터빈 냉각 스팀 입력 필터 압력은 0.5kg/cm2 이하이면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 BPT 분석부는, 운전 데이터를 입력받아서 압축기, 연소기, 터빈의 운전데이터와 제어한계치를 비교하고, BPT의 현재상태가 정상범위인지를 판단하여 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력하고, 현재의 출력값과 배기가스의 온도분포를 이용하여 이상 연소기를 계산하고, 알람 및 점검요망 연소기를 표시하면 바람직하다.
이 발명의 구성은, 상기한 BPT의 정상범위는 다음과 같이 설정되면 바람직하다.
BPT 전체평균 - 30 ≤ BPT의 정상범위 ≤ BPT 전체평균 + 20
이 발명은, 가스터빈의 성능감시, 성능분석, 세정주기 분석, BPT 분석 등을 통하여 가스터빈의 성능특성에 적합한 정비를 할 수 있도록 지원하는, 효과를 갖는다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 구성도이다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 DB 생성 동작 흐름도이다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 경향분석 동작 흐름도이다.
도 4는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 세정주기계산 동작 흐름도이다.
도 5는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능감시 동작 흐름도이다.
도 6은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능감시 동작 흐름도이다.
도 7은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 BPT 분석 동작 흐름도이다.
도 8은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 연료가스 온도의 그래프이다.
도 9는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 베어링 드레인 온도의 그래프이다.
도 10은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 연소기 출력온도의 그래프이다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 DB 생성 동작 흐름도이다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 경향분석 동작 흐름도이다.
도 4는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 세정주기계산 동작 흐름도이다.
도 5는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능감시 동작 흐름도이다.
도 6은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능감시 동작 흐름도이다.
도 7은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 BPT 분석 동작 흐름도이다.
도 8은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 연료가스 온도의 그래프이다.
도 9는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 베어링 드레인 온도의 그래프이다.
도 10은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 연소기 출력온도의 그래프이다.
이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.
참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 제시된 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.
또한, 본원의 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 정의된 것으로서, 통상적이거나 사전적인 의미로만 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 일예로서, 방향에 관한 용어는 설명상의 편의를 위하여 도면상에 표현된 위치를 기준으로 설정하기로 한다.
도 1은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 구성은, DB 생성부(1)와, 경향분석부(2)와, 세정주기 계산부(3)와, 성능감시부(4)와, 성능진단부(5)와, BPT 분석부(6)를 포함하여 이루어진다.
상기한 DB 생성부(1)는 운전 데이터를 모두 데이터 베이스(DB)로 저장한다.
상기한 경향분석부(2)는 DB 생성부(1)로부터 이력 데이터를 입력받아서 사용자가 입력한 구간의 데이터와 기준치(Reference)를 비교하여 과거 운용 이력, 기준 대비 성능비교, 시간에 따른 성능 추이 그래프를 제공한다.
상기한 세정주기 계산부(3)는 DB 생성부(1)로부터 이력 데이터의 성능 저하율과 사용자가 입력한 가스터빈의 운용ㆍ성능 데이터, 과거 압축기 세정 일을 이용하여 압축기 세정주기, 세정주기에 따른 경제성 분석결과, 과거세정 기준 차회 세정 일을 제공한다.
상기한 성능감시부(4)는 측정 데이터 중 대기조건, 가스터빈 성능 데이터와 사용자가 입력한 연료 및 냉각을 위한 블리드(Bleed) 추출 공기유량 정보를 이용하여 열역학적 성능 모델을 계산하고 결과 값으로 현재 가스터빈 상태, 기준 성능 대비 변화량, 가스터빈 성능 데이터를 제공한다.
상기한 성능진단부(5)는 가스터빈의 측정 데이터 중 진동, 온도, 압력을 입력값으로 하여 열역학적 성능 모델 계산 결과를 이용해 압축기 효율경향, 열효율 경향, 진동ㆍ온도ㆍ압력 측정치를 제공한다.
상기한 BPT 분석부(6)는 측정 데이터 중 BPT, EGT, 부하(Load)를 입력 값으로 하여 BPT(Blade Path Temperature) 측정 데이터, BPT 분포, EGT 측정 데이터, 스월각(Swirl Angle) 계산 값, 점검 대상 연소기 정보를 제공한다.
도 2는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 DB 생성 동작 흐름도이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 DB 생성은, 동작이 시작되는 단계(S11)와, 대략 30분 정도의 일정한 시간 동안 대기를 하는 단계(S12)와, 운전 데이터를 입력받는 단계(S13)와, DB에 저장을 하고 위 과정을 반복수행하는 단계(S14)를 포함하여 이루어진다.
도 3은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 경향분석 동작 흐름도이다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 경향분석은, 동작이 시작되는 단계(S21)와, 사용자 입력을 받으면서 대기를 하는 단계(S22)와, DB 생성부(1)로부터 이력 데이터를 입력받는 단계(S23)와, 압축기 성능을 계산하는 단계(S24)와, 터빈 성능을 계산하는 단계(S25)와, 사용자가 선택한 구간의 데이터의 변화 추세를 분석함으로써 경향분석을 하는 단계(S26)와, 데이터 베이스의 데이터가 사용자가 선택한 구간 범위의 데이터인지 판단하는 단계(S27)와, 사용자 선택범위가 아닐 경우에 경향분석 결과를 출력하는 단계(S28)를 포함하여 이루어진다.
상기한 압축기 성능을 계산하는 단계(S24)에서는 다음의 수식을 이용한다.
여기서, ηcomp은 압축기 성능이고, T1 은 압축기의 입구의 온도이고, T2 은 압축기의 출구의 온도이고, P1 은 압축기의 입구의 압력이고, P2 은 압축기의 출구의 압력이고, γ는 가스 단열비이다.
상기한 터빈 성능을 계산하는 단계(S25)에서는 다음의 수식을 이용한다.
여기서, ηturb은 터빈 성능이고, T3 은 터빈의 입구의 온도이고, T4 은 터빈의 출구의 온도이고, P3 은 터빈의 입구의 압력이고, P4 은 터빈의 출구의 압력이고, γ는 가스 단열비이다.
상기한 수학식 1과 수학식 2의 가스 단열비(γ)는 정압비열(Cp)/정적비열(Cv)로 산출된다.
상기한 경향분석 결과는 압축기 효율, 터빈 효율, 출력, 배기가스 온도, 연료 소모율, 입구안내깃(Inlet Guide Vane. IGV) 각도를 포함한다.
도 4는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 세정주기계산 동작 흐름도이다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 세정주기 계산은, 동작이 시작되는 단계(S11)와, 운용비용, 발전비용, 세정비용에 대한 데이터를 입력받는 단계(S32)와, 전력생산비용과 연료소모비용, 기타 비용 및 손실연료 소모비용을 계산하여 오프라인 세정횟수별 지출비용과 기대수입비용을 계산하는 단계(S33)와, 횟수별 오프라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 세정횟수를 계산하는 단계(S34)와, 전력생산비용과 연료소모비용, 기타비용 및 손실연료 소모비용을 계산함으로써 온라인 세정횟수별 지출비용과 기대수입비용을 분석하는 단계(S35)와, 횟수별 온라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 세정횟수를 계산하는 단계(S34)와, 세정주기 계산결과를 출력하는 단계(S37)와, 사용자 입력을 대기하는 단계(S38)와, 경향분석부(2)로부터 경향분석결과를 입력받아서 데이터를 선택하는 단계(S39)와, 오프라인 세정횟수별 비용을 분석하는 단계(S40)와, 오프라인 최적 세정주기를 계산하는 단계(S41)와, 온라인 세정횟수별 비용을 분석하는 단계(S42)와, 온라인 최적 세정주기를 계산하는 단계(S43)와, 세정주기 계산결과를 출력하는 단계(S44)를 포함하여 이루어진다.
상기한 순이익은 (청결엔진 수익 - 성능저하엔진 수익)으로 계산된다.
상기한 청결엔진 수익은 (전력생산비용 - 연료소모 비용)으로 계산된다.
상기한 전력생산비용은 (주출력×세정주기시간×전기 단가)로 계산된다.
상기한 연료소모비용은 (연료량×총운용시간×연료가격)으로 계산된다.
상기한 기타비용은 (세정비용+정지시간 비용)으로 계산된다.
상기한 세정비용은 (세정액가격×세정시간 + 물비용×물사용시간)으로 계산된다.
상기한 정지시간 비용은 (전기료×출력손실)로 계산된다.
도 5는 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능감시 동작 흐름도이다.
도 5에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능감시는, 동작이 시작되는 단계(S51)와, 운전 데이터를 입력받는 단계(S52)와, 사용자 입력 데이터를 분류하고 선택하는 단계(S53)와, 압축기의 실제성능을 계산하는 단계(S54)와, 연소기의 실제성능을 계산하는 단계(S55)와, 터빈의 실제성능을 계산하는 단계(S56)와, 압축기 모델의 열역학적 성능을 계산하는 단계(S57)와, 연소기 모델의 열역학적 성능을 계산하는 단계(S58)와, 터빈 모델의 열역학적 성능을 계산하는 단계(S59)와, 압축기, 연소기, 터빈 모델의 성능이 에러 허용범위 인지를 판단하는 단계(S60)와, 압축기, 연소기, 터빈 모델의 성능이 에러 허용범위인 경우에 실제 성능과 모델 성능을 비교하는 단계(S61)와, 성능의 변화량을 그래프로 출력하는 단계(S62)와, 데이터 분류 및 선택 단계(S53)로 되돌아가기 위하여 대기하는 단계(S63)를 포함하여 이루어진다.
상기한 압축기의 실제성능을 계산하는 단계(S54)에서는 위에서 언급한 수학식 1을 이용한다.
상기한 압축기, 연소기, 터빈 모델은 엔진의 설계점 또는 인수시험을 기준으로 엔진의 최적상태를 모사하여 제작된다.
상기한 에러허용범위는 이전 계산값을 비교하여 차이가 0.001 이하일 때 수렴했다고 판단하여 데이터를 사용한다.
상기한 터빈의 실제성능을 계산하는 단계(S56)에서는 위에서 언급한 수학식 2를 이용한다.
도 6은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능감시 동작 흐름도이다.
도 6에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 성능진단은, 동작이 시작되는 단계(S71)와, 운전 데이터를 입력받는 단계(S72)와, 성능감시부(4)로부터 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능에 대한 데이터를 입력받는 단계(S73)와, 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능과 제작사에서 제공한 정상범위인 제어한계치를 비교하는 단계(S74)와, 가스터빈의 현재상태가 정상범위인지를 판단하는 단계(S75)와, 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력하는 단계(S76)와, 운전 데이터를 입력받는 단계(S72)로 되돌아가기 위하여 대기하는 단계(S77)를 포함하여 이루어진다.
상기한 제어 한계치는 진동은 0.125mm 이하이고, 로터 냉각 공기 온도는 275℃ 이하이고, 디스크 캐버티 온도는 460℃ 이하이고, 연료 가스 온도는 도 8의 그래프의 아래 범위이고, 베어링 드레인 온도는 77℃ 이하이고, 베어링 메탈 온도는 107℃ 이하이고, 연소기 입력 스팀 온도는 도 9의 그래프의 아래 범위이고, 연소기 출력 스팀 온도는 도 10의 그래프의 아래 범위이고, 가스터빈 이력 필터 내부 압력은 150mmAq 이하이고, 배기가스 덕트 압력은 680mmAq 이하이고, 연료가스 공급 압력은 37kg/cm2g 이상이고, 가스터빈 냉각 스팀 입력 필터 압력은 0.5kg/cm2 이하이다.
도 7은 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 BPT 분석 동작 흐름도이다.
도 7에 도시되어 있는 바와 같이 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 제어방법의 BPT 분석은, 동작이 시작되는 단계(S81)와, 운전 데이터를 입력받는 단계(S82)와, 압축기, 연소기, 터빈의 운전데이터와 제어한계치를 비교하는 단계(S83)와, BPT의 현재상태가 정상범위인지를 판단하는 단계(S84)와, BPT의 현재상태가 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력하는 단계(S85)와, 현재의 출력값과 배기가스의 온도분포를 이용하여 이상 연소기를 계산하는 단계(S86)와, 알람 및 점검요망 연소기를 표시하는 단계(S87)와, 운전 데이터를 입력받는 단계(S82)로 되돌아가기 위하여 대기하는 단계(S88)를 포함하여 이루어진다.
상기한 BPT의 정상범위는 다음과 같이 설정된다.
BPT 전체평균 - 30 ≤ BPT의 정상범위 ≤ BPT 전체평균 + 20
상기한 구성에 의한, 이 발명의 일 실시예에 따른 가스터빈 정비 지원 시스템의 작용은 다음과 같다.
DB 생성부(1)는 운전 데이터를 모두 데이터 베이스(DB)로 저장하는데, 동작이 시작되면(S11), 대기를 한 뒤에(S12), 운전 데이터를 입력받아서(S13), DB에 저장을 한다(S14).
경향분석부(2)는 DB 생성부(1)로부터 이력 데이터를 입력받아서 사용자가 입력한 구간의 데이터와 기준치(Reference)를 비교하여 과거 운용 이력, 기준 대비 성능비교, 시간에 따른 성능 추이 그래프를 제공하는데, 동작이 시작되면(S21), 사용자 입력을 받으면서 대기를 하고(S22), DB 생성부(1)로부터 이력 데이터를 입력받아서(S23), 압축기 성능을 계산하고(S24), 터빈 성능을 계산하고(S25), 사용자가 선택한 구간의 데이터의 변화 추세를 분석함으로써 경향분석을 한다(S26). 이어서, 데이터 베이스의 데이터가 사용자가 선택한 구간 범위의 데이터인지 판단하여(S27), 사용자 선택범위가 아닐 경우에 경향분석 결과를 출력한다(S28).
세정주기 계산부(3)는 DB 생성부(1)로부터 이력 데이터의 성능 저하율과 사용자가 입력한 가스터빈의 운용ㆍ성능 데이터, 과거 압축기 세정 일을 이용하여 압축기 세정주기, 세정주기에 따른 경제성 분석결과, 과거세정 기준 차회 세정 일을 제공하는데, 동작이 시작되면(S11), 세정비용에 대한 데이터를 입력받아서(S32), 전력생산비용과 연료소모비용, 기타 비용 및 손실연료 소모비용을 계산하여 오프라인 세정횟수별 비용을 분석한다(S33). 이어서 횟수별 오프라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 주기를 도출함으로써 오프라인 최적 세정주기를 계산하고(S34), 전력생산비용과 연료소모비용, 기타비용 및 손실연료 소모비용을 계산함으로써 온라인 세정횟수별 비용을 분석하고(S35), 횟수별 온라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 주기를 도출함으로써 온라인 최적 세정주기를 계산하고(S34), 세정주기 계산결과를 출력한다(S37). 다음에, 사용자 입력을 대기하여(S38), 경향분석부(2)로부터 경향분석결과를 입력받아서 데이터를 선택하고(S39), 오프라인 세정횟수별 비용을 분석하여(S40), 오프라인 최적 세정주기를 계산하고(S41), 온라인 세정횟수별 비용을 분석하여(S42), 온라인 최적 세정주기를 계산한 뒤에(S43), 세정주기 계산결과를 출력한다(S44).
성능감시부(4)는 측정 데이터 중 대기조건, 가스터빈 성능 데이터와 사용자가 입력한 연료 및 냉각을 위한 블리드(Bleed) 추출 공기유량 정보를 이용하여 열역학적 성능 모델을 계산하고 결과 값으로 현재 가스터빈 상태, 기준 성능 대비 변화량, 가스터빈 성능 데이터를 제공하는데, 동작이 시작되면(S51), 운전 데이터를 입력받아서(S52), 사용자 입력 데이터를 분류하고 선택한다(S53).
다음에, 압축기의 실제성능을 계산하고(S54), 연소기의 실제성능을 계산하고(S55), 터빈의 실제성능을 계산한다(S56).
이어서, 압축기 모델의 성능을 계산하고(S57), 연소기 모델의 성능을 계산하고(S58), 터빈 모델의 성능을 계산한다(S59).
압축기, 연소기, 터빈모델을 위한 성능계산은 탈설계 모델을 이용하며 그 절차는 다음과 같다
가. 압축기
- 부하율(%)를 “Handle”로 선정하고 ‘Guess’로 압축기의 임의의 압력비 값(P2/P1; 일반적으로 설계점 압력비 값을 적용 또는 beta 값 적용)을 가정.
- 대기온도 Ta와 압축기1 입구온도 T1은 같다고 가정
⇒ 무차원 회전수 N/√T1 계산
- 베타(beta) 값과 무차원 회전수 N/√T1를 이용하여 압축기 맵에서 유량함수 W*√T1/P1, 압력비 P2/P1 및 압축기 효율 ηc을 읽어 들임
나. 연소기
- 부하 입력에 따른 연료량 및 연공비 계산 ⇒ T31(연소기 입구온도) 계산
- 연소기 압력 손실에 따른 P31(연소기 입구압력) 계산
- 연료유량과 터빈 스테이터 냉각 유량에 때한 출구 유량 W31 계산
다. 터빈
- 터빈 성능맵으로부터 부하 및 회전수 입력에 따른 NDMF(무차원 유량), PR(압력비), ηt(열효율)를 읽어 들임
- 터빈 통과 유량 W31 = W1 Wbleed(블리드 유량) + Wf(연료유량)
- 다음의 수식으로부터 요구동력 계산
상기한 바와 같이 압축기, 연소기, 터빈 모델의 성능을 계산한 뒤에, 압축기, 연소기, 터빈 모델의 성능이 에러 허용범위 인지를 판단하여(S60), 압축기, 연소기, 터빈 모델의 성능이 에러 허용범위인 경우에 실제 성능과 모델 성능을 비교한 후에(S61), 성능 변화량을 출력하고(S62), 데이터 분류 및 선택 단계(S53)로 되돌아가기 위하여 대기를 한다(S63).
성능진단부(5)는 가스터빈의 측정 데이터 중 진동, 온도, 압력을 입력값으로 하여 열역학적 성능 모델 계산 결과를 이용해 압축기 효율경향, 열효율 경향, 진동ㆍ온도ㆍ압력 측정치를 제공하는데, 동작이 시작되면(S71), 운전 데이터를 입력받고(S72), 성능감시부(4)로부터 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능에 대한 데이터를 입력아서(S73), 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능과 제어한계치를 비교하여(S74), 가스터빈의 현재상태가 정상범위인지를 판단한 후에(S75), 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력하고(S76), 운전 데이터를 입력받는 단계(S72)로 되돌아가기 위하여 대기를 한다(S77).
BPT 분석부(6)는 측정 데이터 중 BPT, EGT, 부하(Load)를 입력 값으로 하여 BPT(Blade Path Temperature) 측정 데이터, BPT 분포, EGT 측정 데이터, 스월각(Swirl Angle) 계산 값, 점검 대상 연소기 정보를 제공하는데, 동작이 시작되ㅁ면(S81), 운전 데이터를 입력받아서(S82), 압축기, 연소기, 터빈의 운전데이터와 제어한계치를 비교한 후에(S83), BPT의 현재상태가 정상범위인지를 판단하여(S84), BPT의 현재상태가 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력한다(S85). 다음에, 현재의 출력값과 배기가스의 온도분포를 이용하여 이상 연소기를 계산하고(S86), 알람 및 점검요망 연소기를 표시한 후에(S87), 운전 데이터를 입력받는 단계(S82)로 되돌아가기 위하여 대기를 한다(S88).
1 : DB 생성부 2 : 경향 분석부
3 : 세정주기 계산부 4 : 성능 감시부
5 : 성능 진단부 6 : BPT 분석부
3 : 세정주기 계산부 4 : 성능 감시부
5 : 성능 진단부 6 : BPT 분석부
Claims (13)
- 운전 데이터를 저장하는 DB 생성부와,
상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터를 입력받아서 사용자가 입력한 구간의 데이터와 기준치(Reference)를 비교하여 과거 운용 이력, 기준 대비 성능비교, 시간에 따른 성능 추이 그래프를 제공하는 경향분석부와, 상기한 DB 생성부로부터 이력 데이터의 성능 저하율과 사용자가 입력한 가스터빈의 운용ㆍ성능 데이터, 과거 압축기 세정 일을 이용하여 압축기 세정주기, 세정주기에 따른 경제성 분석결과, 과거세정 기준 차회 세정 일을 제공하는 세정주기 계산부와,
측정 데이터 중 대기조건, 가스터빈 성능 데이터와 사용자가 입력한 연료 및 냉각을 위한 블리드(Bleed) 추출 공기유량 정보를 이용하여 열역학적 성능 모델을 계산하고 결과 값으로 현재 가스터빈 상태, 기준 성능 대비 변화량, 가스터빈 성능 데이터를 제공하는 성능감시부와,
가스터빈의 측정 데이터 중 진동, 온도, 압력을 입력값으로 하여 열역학적 성능 모델 계산 결과를 이용해 압축기 효율경향, 열효율 경향, 진동ㆍ온도ㆍ압력 측정치를 제공하는 성능진단부와,
측정 데이터 중 BPT, EGT, 부하(Load)를 입력 값으로 하여 BPT(Blade Path Temperature) 측정 데이터, BPT 분포, EGT 측정 데이터, 스월각(Swirl Angle) 계산 값, 점검 대상 연소기 정보를 제공하는 BPT 분석부를 포함하여 이루어지며,
상기한 경향 분석부는, 동작이 시작되면 사용자 입력을 받으면서 대기를 하고, DB 생성부로부터 이력 데이터를 입력받아서 압축기 성능과 터빈 성능을 계산하고, 사용자가 선택한 구간의 데이터의 변화 추세를 분석함으로써 경향분석을 하고, 데이터 베이스의 데이터가 사용자가 선택한 구간 범위의 데이터인지 판단하여 사용자 선택범위가 아닐 경우에 경향분석 결과를 출력하며,
상기한 압축기 성능은 다음의 수식을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템.
여기서, ηcomp은 압축기 성능이고, T1 은 압축기의 입구의 온도이고, T2 은 압축기의 출구의 온도이고, P1 은 압축기의 입구의 압력이고, P2 은 압축기의 출구의 압력이고, γ는 가스 단열비이다. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기한 가스 단열비(γ)는 정압비열(Cp)/정적비열(Cv)로 산출되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기한 경향분석 결과는 압축기 효율, 터빈 효율, 출력, 배기가스 온도, 연료 소모율, 입구안내깃(Inlet Guide Vane. IGV) 각도를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기한 세정주기 계산부는, 운용비용, 발전비용, 세정비용에 대한 데이터를 입력받아서 전력생산비용과 연료소모비용, 기타 비용 및 손실연료 소모비용을 계산하여 오프라인 세정횟수별 지출비용과 기대수입비용을 계산하고, 횟수별 오프라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 세정횟수를 계산하고, 전력생산비용과 연료소모비용, 기타비용 및 손실연료 소모비용을 계산함으로써 온라인 세정횟수별 지출비용과 기대수입비용을 분석하고, 횟수별 온라인 세정주기의 순이익을 계산하여 최대순이익 세정횟수를 계산하여 세정주기 계산결과를 출력하고, 경향분석부로부터 경향분석결과를 입력받아서 데이터를 선택하여 오프라인 세정횟수별 비용을 분석하는 단계와, 오프라인 최적 세정주기를 계산하고, 온라인 세정횟수별 비용을 분석하여 온라인 최적 세정주기를 계산하고, 세정주기 계산결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템. - 제 7항에 있어서,
상기한 순이익은 (청결엔진 수익 - 성능저하엔진 수익)으로 계산되고, 상기한 청결엔진 수익은 (전력생산비용 - 연료소모 비용)으로 계산되고, 상기한 전력생산비용은 (주출력×세정주기시간×전기 단가)로 계산되고, 상기한 연료소모비용은 (연료량×총운용시간×연료가격)으로 계산되고, 상기한 기타비용은 (세정비용+정지시간 비용)으로 계산되고, 상기한 세정비용은 (세정액가격×세정시간 + 물비용×물사용시간)으로 계산되고, 상기한 정지시간 비용은 (전기료×출력손실)로 계산되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기한 성능감시부는, 운전 데이터를 입력받아서 사용자 입력 데이터를 분류하고 선택하고, 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능을 계산하고, 압축기 모델, 연소기 모델, 터빈 모델의 열역학적 성능을 계산하고, 압축기, 연소기, 터빈 모델의 성능이 에러 허용범위 인지를 판단하여 에러 허용범위인 경우에 실제 성능과 모델 성능을 비교하여 성능의 변화량을 그래프로 출력하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템. - 제 1항에 있어서,
상기한 성능진단부는, 운전 데이터와 함께 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능에 대한 데이터를 입력받아서 압축기, 연소기, 터빈의 실제성능과 제작사에서 제공한 정상범위인 제어한계치를 비교하고, 가스터빈의 현재상태가 정상범위인지를 판단하여 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템. - 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기한 BPT 분석부는, 운전 데이터를 입력받아서 압축기, 연소기, 터빈의 운전데이터와 제어한계치를 비교하고, BPT의 현재상태가 정상범위인지를 판단하여 정상범위가 아닌 경우에 얼람을 출력하고, 현재의 출력값과 배기가스의 온도분포를 이용하여 이상 연소기를 계산하고, 알람 및 점검요망 연소기를 표시하는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템. - 제 12항에 있어서,
상기한 BPT의 정상범위는 다음과 같이 설정되는 것을 특징으로 하는 가스터빈 정비 지원 시스템.
BPT 전체평균 - 30 ≤ BPT의 정상범위 ≤ BPT 전체평균 + 20
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