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발전설비 보일러 튜브와 탈질설비의 고장예지 및 건전성관리

Prognosis and Health Management of Boiler Tube and SCR for Fossil Power Plant

초록/요약

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.

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목차

목 차

표목차
그림목차
국문요약

제 Ⅰ 장 서론 1
1.1절 연구 배경 및 목적 1
1.1.1 기술적 배경 1
1.1.2 연구 목적 4
1.2절 연구내용 및 범위 14
1.2.1 보일러 압력부 14
1.2.2 보일러 비압력부 15
1.2.3 단계별 연구 절차 16

제 Ⅱ 장 관련 연구 18
2.1절 보일러의 기존 보전방식 18
2.1.1 압력부 신뢰성 평가 18
2.1.2 압력부 신뢰성 평가 기법 21
2.1.3 비압력부 신뢰성 평가 기법 29
2.2절 보일러 압력부의 보전연구 30
2.2.1 발전설비 보전 기법의 진화 30
2.2.2 압력부 진단 목적 및 방법 31
2.2.3 압력부 기존논문 조사 33
2.3절 보일러 비압력부의 보전연구 35
2.3.1 APH 폐쇄 메커니즘 및 대책 35
2.3.2 비압력부 기존논문 조사 38
2.4절 국내․외 기술 현황 42
2.4.1 해외 기술개발 현황 42
2.4.2 국내 기술개발 현황 43
2.4.3 국내 연구의 필요성 43
2.4.4 국내 기술수준 및 전망 44
2.4.5 수명관리 관련 Code 45
2.5절 기존연구의 문제점 및 연구방향 46
2.5.1 압력부의 문제점 46
2.5.2 비압력부의 문제점 52
2.5.3 기존의 진단/평가 연구 53
2.5.4 연구방향 54

제 Ⅲ 장 압력부 신뢰성 평가연구 56
3.1절 서론 56
3.2절 시험설계 57
3.2.1 시험소재 선정동기 57
3.2.2 시험재료의 특성 및 시편준비 57
3.2.3 시험재료의 물성측정 60
3.2.4 시험조건 64
3.3절 특성 평가 69
3.3.1 열화 단계별 미세조직 평가 69
3.3.2 열화 단계별 인장시험 평가 73
3.3.3 열화 단계별 경도시험 평가 79
3.3.4 열화 단계별 압입시험 평가 83
3.3.5 SA213-T23 크리프 특성 평가 89
3.4절 판정모형개발 및 신뢰성 평가 92
3.4.1 특성종합 및 요인분석 92
3.4.2 조직대비법에 의한 등급분류 97
3.4.3 총점기반의 판정모형 개발 99
3.4.4 MPHMEM-Model 활용 104
3.4.5 MPHMEM-Model의 타당성 검증 109
제 Ⅳ 장 비압력부 신뢰성 평가 연구 110
4.1절 탈질설비 개요 110
4.1.1 SCR 및 설치위치 110
4.1.2 모델선정 및 크기 112
4.1.3 입구덕트 형상 113
4.1.4 모델작성 116
4.1.5 해석 및 경계조건 117
4.2절 해석 및 검증 118
4.2.1 Model P14 해석 118
4.2.2 Model S12 해석 124
4.2.3 Model S34 해석 130
4.2.4 SCR 연구 결과 133

제 Ⅴ 장 결론 135
5.1절 압력부 135
5.2절 비압력부 139

참 고 문 헌 140

Abstract 148

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목차

표 목 차

<표 1.1> 연도별 전력수급동향 (한국전력거래소 자료) 1
<표 1.2> 발전원별 고장정지 현황 (단위 : 건) 3
<표 1.3> 주요 에너지원별 설비용량 (‘13.10월 기준) 3
<표 1.4> 대용량 석탄 보일러 고장분석 (‘14.02월 기준, 4년간 종합) 6
<표 1.5> 튜브 강종별 화학성분 8
<표 1.6> 설계 압력 온도에 따른 재료 (영흥 화력 발전소) 9
<표 1.7> 압력부의 설비별 수명 10
<표 1.8> 분석 및 방향설정 13
<표 2.1> 설비진단에 적용 가능한 수명평가 방법 18
<표 2.2> 장기운영 발전소 수명진단 기준 (화력기준) 21
<표 2.3> 금속학적 재질열화 등급 분류표 23
<표 2.4> 유동해석 시뮬레이션 절차 30
<표 2.5> 보일러 튜브의 주요 진단 방법 32
<표 2.6> 발전설비 환경오염물질 배출 허용기준 (‘11.12월 기준) 37
<표 2.7> 일본에서 적용되고 있는 수명진단의 기법 44
<표 2.8> SA213-T12/T23 등급별 신뢰성 검증 48
<표 2.9> SA213-T12/T23 열화 시간별 신뢰성 검증 49
<표 2.10> 측정기의 종류에 따른 경도값 분석 50
<표 2.11> SA213-T12 경도값 신뢰성 분석 50
<표 2.12> SA213-T23 경도값 신뢰성 분석 51
<표 2.13> SA213-T12/T23의 기계적 물성 비교분석 52
<표 2.14> 국내 발전사의 연구개발 현황 53
<표 3.1> 시험소재의 국제사양 및 권장 운전온도 58
<표 3.2> SA213-T12/T23 기계적 특성 58
<표 3.3> SA213-T12/T23 온도별 최대허용 응력 59
<표 3.4> SA213-T12/T23의 화학성분 59
<표 3.5> 시험 강종 신재의 경도 측정 결과 및 규격치 60
<표 3.6> 시험 강종 신재의 인장 물성 측정 결과 및 규격치 61
<표 3.7> SA213-T12/T23의 열화시험 시간 및 온도 65
<표 3.8> 인장강도(σut) 및 항복강도(σys) 결과 (SA213-T12, 720°C/740°C) 73
<표 3.9> 인장강도(σut) 및 항복강도(σys) 결과 (SA213-T23, 720°C/740°C) 76
<표 3.10> 열화시험 단계별 경도 측정결과 (SA213-T12, 720°C/740°C) 79
<표 3.11> 열화시험 단계별 경도 측정결과 (SA213-T23, 720°C/740°C) 81
<표 3.12> 열화시험 단계별 기계적 물성 값 (SA213-T12, 720°C/740°C) 83
<표 3.13> 열화시험 단계별 기계적 물성 값 (SA213-T23, 720°C/740°C) 86
<표 3.14> SA213-T23 크리프 시험 Data (650°C) 89
<표 3.15> SA213-T23 Creep 시험 결과 91
<표 3.16> SA213-T12 시험결과 종합 92
<표 3.17> SA213-T12 시험결과 Graph 93
<표 3.18> SA213-T12 열화등급별 LMP 곡선 93
<표 3.19> SA213-T23 시험결과 종합 94
<표 3.20> SA213-T23 종합 분석 Graph 95
<표 3.21> SA213-T23 열화등급별 LMP 곡선 95
<표 3.22> “복합고장예지평가법”의 개발 절차도 99
<표 3.23> “복합고장예지평가법”의 MPHMEM-Model 102
<표 3.24> “복합고장예지평가법”의 MPHMEM-T12 Model 103
<표 3.25> 경도물성의 등급범위 결정(예) 105
<표 3.26> 시험데이터를 MPHMEM-T12 Model에 의한 평가 106
<표 3.27> MPHMEM-T12 Model의 활용(T12) 108
<표 3.28> MPHMEM-T12 Model에 의한 예측결과 109
<표 3.29> 표 3.29 MPHMEM-T12 Model에 의한 예측결과 109
<표 4.1> 모델의 크기 (단위 : m) 113
<표 4.2> 유동해석을 위한 경계조건 117
<표 4.3> 개선 후의 운전 온도 분포(P14:Unit #1～#4) 122
<표 4.4> Model S12의 해석 결과 검증 129





그 림 목 차

<그림 1.1> 인구 1인당 전기 사용량(‘10년)국가별 비교 (단위:Kwh/년) 2
<그림 1.2> 화력발전소의 압력부 및 비압력부 5
<그림 1.3> 보일러 튜브의 위치별 온도 (1000MW) 7
<그림 2.1> 표면복제 기법의 개략도 22
<그림 2.2> "A" Parameter 와 손상율의 관계 24
<그림 2.3> "A" Parameter 측정 25
<그림 2.4> MLAS법 단계 구분 26
<그림 2.5> 손상 구분과 크리프파단 수명소비율의 관계 27
<그림 3.1> 인장 시험편 제작도 60
<그림 3.2> 광학현미경 조직그림 (SA213-T12) 61
<그림 3.3> 광학현미경 조직그림 (SA213-T23) 62
<그림 3.4> SEM 조직그림 (SA213-T12) 63
<그림 3.5> SEM 조직그림 (SA213-T23) 63
<그림 3.6> 신재료의 EDS 성분 분석 결과 (SA213-T12) 64
<그림 3.7> 신재료의 EDS 성분 분석 결과 (SA213-T23) 64
<그림 3.8> 단계별 인공열화시편 (SA213-T12, 720℃) 66
<그림 3.9> 단계별 인공열화시편 (SA213-T12, 740℃) 66
<그림 3.10> 단계별 인공열화시편 및 조직관찰, 경도/압입시험용 시편 (SA213-T23, 720℃) 67
<그림 3.11> 단계별 인공열화시편 및 조직관찰, 경도/압입시험용 시편 (SA213-T23, 740℃) 67
<그림 3.12> 열화단계별 인장시험 결과 그림 (SA213-T12, 720℃) 68
<그림 3.13> 열화단계별 인장시험 결과 그림 (SA213-T12, 740℃) 68
<그림 3.14> 열화단계별 인장시험 결과 그림 (SA213-T23, 720℃) 68
<그림 3.15> 열화단계별 인장시험 결과 그림 (SA213-T23, 740℃) 69
<그림 3.16> 열화단계별 광학현미경과 SEM 그림 (SA213-T12) 71
<그림 3.17> 열화단계별 광학현미경과 SEM 그림 (SA213-T23) 72
<그림 3.18> SA213-T12의 열화시간에 따른 인장강도값 변화 74
<그림 3.19> SA213-T12의 열화시간에 따른 항복강도값 변화 74
<그림 3.20> SA213-T12 열화시간에 따른 인장강도값 변화와 LMP와의 관계 75
<그림 3.21> SA213-T12 열화시간에 따른 항복강도값 변화와 LMP와의 관계 75
<그림 3.22> SA213-T23 열화시간에 따른 인장강도값 변화 77
<그림 3.23> SA213-T23 열화시간에 따른 항복강도값 변화 77
<그림 3.24> SA213-T23 열화시간에 따른 인장강도값 변화와 LMP와의 관계 78
<그림 3.25> SA213-T23 열화시간에 따른 항복강도값 변화와 LMP와의 관계 78
<그림 3.26> SA213-T12 열화시간에 따른 경도값 변화 80
<그림 3.27> SA213-T12 열화시간에 따른 경도값 변화와 LMP와의 관계 80
<그림 3.28> SA213-T23 열화시간에 따른 경도값 변화 82
<그림 3.29> SA213-T23 열화시간에 따른 경도값 변화와 LMP와의 관계 82
<그림 3.30> SA213-T12 열화시간에 따른 압입 인장강도값 변화 84
<그림 3.31> SA213-T12 열화시간에 따른 압입 항복강도값 변화 84
<그림 3.32> SA213-T12 열화시간에 따른 압입 인장강도값 변화와 LMP의 관계 85
<그림 3.33> SA213-T12 열화시간에 따른 압입 항복강도값 변화와 LMP의 관계 85
<그림 3.34> SA213-T23 열화시간에 따른 압입 인장강도값 변화 87
<그림 3.35> SA213-T23 열화시간에 따른 압입 항복강도값 변화 87
<그림 3.36> SA213-T23 열화시간에 따른 압입 인장강도값 변화와 LMP의 관계 88
<그림 3.37> SA213-T23 열화시간에 따른 압입 항복강도값 변화와 LMP의 관계 88
<그림 3.38> 라손-밀러 파라미터 그래프 (SA213-T23) 89
<그림 3.39> 조직대비법 수명평가 (SA213-T12) 97
<그림 3.40> 조직대비법 수명평가 (SA213-T23) 98
<그림 3.41> 비화염부와 화염부의 보일러 튜브 금속조직 그림 (SA213-T12) 107
<그림 4.1> 화력발전소의 SCR 설치위치 111
<그림 4.2> HRSG의 SCR 설치위치 112
<그림 4.3> Model P14 평면도(좌측) 및 측면도(우측) 114
<그림 4.4> Model S12 평면도(좌측) 및 측면도(우측) 114
<그림 4.5> Model S34 평면도(좌측) 및 측면도(우측) 115
<그림 4.6> SCR 입구 덕트 확장 및 가이드 플레이트 115
<그림 4.7> Model P14 Mesh 116
<그림 4.8> Model S12 Mesh 116
<그림 4.9> Model S34 Mesh 116
<그림 4.10> GV 1개 설치시 해석 상태 119
<그림 4.11> GV 2개 설치시 해석 상태 119
<그림 4.12> SCR 입구 GV 각도 및 길이 120
<그림 4.13> SCR 입구 GV 각도 및 길이 (500㎜ 길게 함) 120
<그림 4.14> 최적 모델 속도분포 프로파일 121
<그림 4.15> SCR 입구 온도 분포 L/H(전), R/H(후) 121
<그림 4.16> 해석에 의한 가이드 베인 최적화 및 제작 설치 (P14:Unit #4) 122
<그림 4.17> 개선 전,후 운전 중 온도 변화 상태 (P14:Unit #4) 123
<그림 4.18> 개선 후 SCR 입구 온도 분포 (P14:Unit #1～#4) 123
<그림 4.19> Model P14 #4의 개선 전,후 온도편차 범위 124
<그림 4.20> Model P14 #4의 개선 전,후 온도편차 범위의 산포도 124
<그림 4.21> Model S12의 Guide Plate 위치 및 부여 No. 125
<그림 4.22> SCR 상부 유속 빠른 곳(B), 유속 낮은 곳(A) 126
<그림 4.23> SCR 상부 유속 빠른 곳의 Equal Baffle Plate 마모 126
<그림 4.24> SCR 상부 유속 느린 곳의 Equal Baffle Plate 상부 Ash 축적 127
<그림 4.25> 현재상태의 속도분포 127
<그림 4.26> GP1 4/8, GP2 5/9, GP3 3/8 제거시 속도분포 128
<그림 4.27> GP1 4/8, GP2 5/9, GP3 4/8 제거시 속도분포 128
<그림 4.28> GP1 6/8, GP2 5/9, GP3 4/8 제거시 속도분포 129
<그림 4.29> Model S34의 압력 및 속도 합성분포 130
<그림 4.30> 덕트 확장부의 SCR 입구 Grid 및 암모니아 Pipe 마모상태 130
<그림 4.31> SCR 입구 덕트의 Grid 정상상태 131
<그림 4.32> 유동 편류에 의한 암모니아 슬립으로 APH 엘리멘트 막힘 132

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