다축 터빈발전기의 축 정렬 방법{A Method for the Alignment of Axis in Multi-axis Turbine Generator}
본 발명은 다축 터빈발전기의 회전축을 정렬하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 정지상태의 다축 터빈발전기의 베어링 대(pedestal) 플렌지 면에 다수의 측정지점을 설정하여 높이를 측정하여 기준 값을 얻은 후, 운전상태에서 운전 조건의 변화에 따라 동일한 측정지점에서 높이를 측정하여 변화 값을 얻어 이를 상기 정지상태의 기준 값과 비교함으로써 그 차이를 정비 시 축 정렬에 반영하는 다축 터빈발전기 회전축 정렬 방법에 관한 것이다.
축은 산업현장에서 펌프, 압축기, 팬, 디젤 등의 장치에서 동력을 전달하는데 있어 중요한 역할을 하며, 장치들의 원활한 작동을 위해 이들 축의 정렬(Alignment = Centering)은 매우 중요한 근본적 기술 요소이다. 축의 오정렬(mis-alignment)은 장치 부품에 눈에 보이지 않는 불균형을 미쳐서 장치의 수명을 단축시키며, 각 부품 손상의 근원이 된다. 산업설비 중 터빈발전기는 시대적인 요구에 의하여 크기별로 소형, 중형, 대형으로 구분되고, 제작사의 설계기준에 따라 여러 유형이 존재하며, 또한, 사용유체에 따라 증기터빈, 가스터빈, 수차터빈 등으로 분류되고, 연료사용에 따라 원자력터빈 혹은 화력터빈 등으로 분류되기도 한다. 또한, 터빈발전기는 고압, 중압, 저압, 발전기, 여자기 등으로 이루어지며, 축이 길고 대형이고 고속으로 회전하는 동시에 여러 개의 축이 조합되어 장축으로 구성되어 운전되므로 안전운전을 위하여 축 설계과정에서 가요성 축(Flexible Rotor)으로 제작되어야 하며, 또한 가장 편안하고 안정한 운전상태로 유지되어야 하므로 축 정렬 기준(Alignment Curve)에 맞도록 정밀하게 정렬되어져야 한다. 터빈발전기의 축 배열 상태는, 도 1에 도시한 바와 같이, 빨래 줄이 중간에 처짐이 생기는 모형과 유사하다고 하여 현수선(Catenary Curve)이라 부른다. 이와 같은 축 배열 상태에 따라 여러 축이 결합되어 고속회전하면서 고온의 증기를 팽창시켜 기계적 에너지로 변환시키면 발전기에서 이를 전기적 에너지로 변환시키게 되며, 이때 터빈은 고열이 수반되는 부분과 진공이 형상되는 부분 등 매우 열악한 운전조건에서 운전되게 된다. 터빈발전 설비는, 도 2에 도시한 바와 같이, 매우 복잡하게 구성되어 있으며, 이러한 구성이 설비의 운전에 따라 초기 축 정렬을 변화시키는 요소로 작용한다. 설비의 축 정렬방법은 매우 다양하고, 많은 자료와 현장 경험, 그리고 기술적인 내용이 축적되어야 하며, 설비의 안전한 운전을 위하여, 운전 조건의 변화에 따라 달라진 축 정열 상태를 보정하여 이를 기준으로 실제 축 정렬 과정에 이를 반영 할 수 있어야 한다. 종래 축 정렬 기술에서는 단순히 정지 상태의 커플링(Coupling)에서 측정한 자료만을 기준으로 이용하였는데, 만약 한번 설치한 설비의 기초 및 구조물 그리고 축 정렬의 변화가 발생하지 않는다면, 수년 동안 분해정비가 필요 없을 것이며, 정기적인 정비와 점검은 필요 없을 것이다. 그러나 이러한 대형발전설비의 축 정렬 변화가 어느 현장에서나 반드시 발생하며, 정기적인 점검은 필수적이다. 정기적인 정비과정에서 필수적으로 수명한계에 다다른 부품의 교체와 취약한 부품의 교체는 물론이며, 축 정렬 변화과정을 새로운 기법으로 관리기법으로 정착시키는 과정이다. 이러한 기법은 일반적인 경험과 자료 분석으로는 불가한 내용이며, 측정자료 비교는 터빈발전기를 구성하는 구조물의 무게가 수천 톤이며, 수천 가지의 부품이 조립된 대형 회전설비의 축 정렬은 운전조건에 따라서도 민감한 반응을 나타내지만 경연변화가 심하게 발생하는 현황을 미리 분석하여 예방 점검 및 대책수립이 가능하므로 설비의 안전운전에 기여하고 있는 현황이다. 종래 기술에는 구조물 사이에 위치한 베어링 대를 측정하기 위하여는 측정기를 이동하면서, 측정공간이 허용되고 시야가 확보되는 지점으로 이동하여야 하고, 그에 따라 현장의 측정이 어려운 환경의 제약을 극복하는 과정에 장시간이 소요되며, 현장의 특성이 다른 사업장 마다 측정을 시도하려면 측정기 위치설정 및 측정방법을 새로 선정하는 번거로움이 수반되므로 축 정렬 작업에 많은 인원이 필요하고, 장시간에 걸쳐 작업을 해야 하는 번거로움 때문에 불편할 뿐만 아니라 측정값 의 정확도도 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 발전설비가 점차 고속화 및 대형화되고 있는 현 추세에서 이들 만으로는 정확한 축 정렬을 달성하기 어려우므로, 운전상태의 다양한 변화와 운전 조건에 따라 축 정렬 상태에 어떠한 변화가 발생하는 가를 판단하기 위한 자료를 얻어 이를 정비현장에 적용하기 위하여, 운전 중의 축 정렬 변화를 확인할 수 있는 방법을 찾기 위한 여러 연구가 지속되어 왔다.
따라서, 초대형 고속, 고온, 고압의 터빈 발전기 정비과정에서 보다 정밀한 축 정렬을 수행하기 위한 기술개발의 필요성이 대두되었고, 이를 이용한 현장 적응능력을 배양하는 것이 국가적인 기술개발 과제였다. 이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래의 문제점을 극복하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 여러 가지 축 정렬 기법 개발을 통하여 다축 대형 회전체의 축 정렬 상태인 정지과정에서 측정한 베어링대 위치 측정자료를 기준으로 운전조건 변화에 따른 베어링대 위치 변화를 근거로 미리 정비기간에 보정함으로써 가장 이상적인 축 정렬을 실시하는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명에서는 다축 터빈발전기의 축을 정렬하는 방법에 있어서, 정지상태의 다축 터빈발전기에서 베어링 대 플렌지 면에 측정지점 4곳을 선정하여 측정위치를 표시하고, 상기에서 표시된 각각의 측정지점에 측정 타깃을 수직으로 설치한 후, 타깃의 높이에 맞추어 일정거리에 측정기를 설치한 후, 상기 각각의 측정지점을 이동하면서 측정 타깃의 높이를 측정하여 기준 값을 얻는 단계; 상기 다축 터빈발전기의 운전상태에서 상기 정지상태에서와 동일한 각각의 측정지점에서 측정 타깃의 변화된 높이를 측정하여 변화 값을 얻는 단계; 및 상기 기준 값과 변화 값을 비교하여 축 정렬 기준 값을 보정하는 것을 특징으로 하는 다축 터빈발전기의 축 정렬 방법을 제공한다. 본 발명에서 다축 터빈발전기라 함은 도 3에 도시한 표준 원자력 터빈발전기와 같이 다수의 발전기 구성요소들이 축으로 연결되어 있는 터빈발전기를 의미한다. 본 발명에서 베어링 대(pedestal)이라 함은 도 2에 도시한 바와 같이 터빈발전기 내에서 베어링을 하부에서 지지하고 있는 받침대 구조물을 의미한다. 본 발명에서는 정지상태에서 잘 조정한 여러 개의 베어링 대의 위치가 운전과 더불어 축이 고열에 의하여 팽창하고, 동시에 모든 구조성 품 자체도 열 성장(Heat Growth)으로 팽창이 이뤄지므로 어떠한 경향으로 변화하는가를 확인하고, 이러한 구조물의 변화에 따른 축 정렬 변화를 가장 이상적으로 관리하기 위하여, 다축 터빈발전기의 운전 전 정지상태에서 각 베어링 대 마다 수평 플렌지 면에 측정지점 4 곳을 선정하여, 측정기를 이용하여 높이를 측정하여 기준값을 얻고, 다축 터빈발전기의 운전 중 동일한 측정지점에서의 베어링 대 플렌지 면의 높이를 측정 하여 변화 값을 얻어 이들을 비교하여 기초 자료를 구축하고, 정비과정의 축 정렬 관리에 사용할 수 있다. 우선, 정지상태의 다축 터빈발전기에서 베어링 대의 높이 측정이 가능한 기계 가공된 플렌지 면을 선정하여 정확하고 반복적인 측정이 되도록 측정지점 4곳을 선정하고 측정위치를 표시한다. 이어서, 상기에서 표시된 각각의 측정지점에 측정 타깃을 설치하게 되며, 이 때 타깃이 항상 수직 상태로 설치되어야 하기 때문에 측정 타깃의 기부(foot)를 손상이나 돌출 부분이 없는 곳을 선택하여 설치한다. 또한, 측정 타깃을 수직으로 설치하기 위하여 현장 상황에 맞는 기부를 제작하여 설치할 수 있고, 보조 장치를 사용할 수도 있다. 측정 타깃을 설치한 후, 해당 높이에 맞추어 삼각 설치대의 높이를 조절하여 측정기를 설치하고, 완전한 수평이 되도록 한다. 이어서, 각 베어링 대에 선정된 측정지점을 이동하면서 측정 타깃의 높이를 측정한다. 설치 거리는 측정기를 통해 육안으로 측정한 거리이면 되고, 이 때 정확한 측정을 위하여 시야가 확보되어야 하기 때문에, 측정기를 옮기면서 시야 확보가 가장 용이한 지점을 확보한다. 측정이 어려운 장소는 레퍼런스 지점을 설정하고 측정 및 결과를 계산한다. 측정기를 여러차례 이동하면서 측정하여도 전체적으로 기준점에서 측정된 것과 같은 측정 높이가 계산가능하기 때문이다. 또한 타깃의 바코드 주위에는 일정이상의 조명이 확보되어야 한다. 실내이거나 어두운 장소라면 전등을 준비하여야 측정이 가능하다. 운전 상태에서 다축 터빈발전기의 높이를 측정하여 변화 값을 얻는 단계도 상기한 바와 동일한 순서로 수행된다. 이렇게 얻은 기준 값과 변화 값을 비교하여 다축 터빈발전기를 정비할 때 축 정렬 기준 값을 보정하여 축 정렬을 실시할 수 있다. 터빈 발전기 회전체인 로터는 길이가 약 50m이상이며, 6개의 대형 로터가 결합되어 한 축으로 고속회전한다. 측정기로는, 상기한 바와 같은 40m 이상 원거리에서도 백분의 1mm정도를 유지하는 장비를 구입하면 문제없으나, 측정지점에 설치하는 측정 타깃은 현장에 맞도록 개발하여야 하며, 측정기를 여러 장소로 이동하면서 측정하므로 측정오차를 최소화하기 위하여 측정지점을 중첩하여 측정하고, 그 결과를 산출하여 신뢰성을 확보하여야 한다. 그러나 운전 중에는 측정기 설치 지반의 진동과 측정지점의 진동, 그리고 주위의 열악한 환경조건에 의한 측정오차를 최소화하는 과제는 지속적으로 보완해야 한다. 본 발명에서 사용한 측정기는 일반적으로 토목과 건축에서 빈번하게 사용되는 것으로 1～2mm정도의 오차는 특별히 문제가 없으나 정밀 기계장치에서는 0.01mm를 적용하므로 현장 특성에 맞도록 적용하는 것이 가장 중요하다. 정확한 측정을 실시하고자 하는 경우 레벨 트랜싯 대신 레이저 빔 측정장치 또는 3차원 측정 장치를 사용할 수 있으며, 이에 대한 현장에 적용과정의 연구개발도 수년간 지속적으로 수행되고 있다. 도 9는 측정지점을 선정하고 여러 방향으로 이동하면서 시야가 확보된 위치에서 측정하는 방법을 간단히 예시한 것이다. 도 10은 각 베어링 대마다 좌우 각 2지점씩 총 4 곳의 현장측정지점이며, 이는 케이싱과 케이싱 중간에 설치된 베어링 대 높이 변화 측정 장소로 현장 환경이 복잡하여 측정이 어려운 관계로 여러 지점을 이동하는 이유이다. 도 11에 도시한 바와 같이, 레벨 트랜싯을 사용하여 베어링 대의 높이를 측정하기 전에 바코드가 장착된 측정 타깃을 측정 지점에 수직으로 설치하여야 한다. 측정 타깃에서 바코드는 우측의 노란색 스태프(Staff) 내부에 고정되어 있으며, 측정지점이 수평면이면 항상 접촉부는 볼 포인트(Ball Point) 점접촉으로 정확성을 유지되도록 측정지점에 수직으로 세운 후 측정해야 한다.
상기와 같은 본 발명의 방법에 따르면, 보다 상세한 축 정렬 변화 자료를 획득하여 축 정렬을 보정함으로써 터빈발전기 운전의 안전을 도모하고, 신뢰성을 구축하며, 정비 품질을 향상시키는 동시에 정비 인원 및 시간을 단축시켜 설비의 운전 및 관리를 효율적이고 경제적으로 수행할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태를 보다 구체적으로 설명한다. 하지만 이로써 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 방법에 따라, 표준원자력 1000MW 터빈발전기의 정지상태에서 10개 모든 베어링 대 각각 마다 기계 가공된 수평 플렌지 4곳에 측정지점의 높이를 측정하였다(도 4 참조). 도 3에 도시한 바와 같이, 4곳의 측정지점에 5 mm 크기로 “O" 표시를 하였다. 하나의 베어링 대에 측정지점을 기호를 부여하면 “A", "B"는 좌측 2곳의 측정지점이며, ”C", "D"는 우측 2곳의 측정지점이다(도 5 참조). 측정지점에 타깃을 설치한 후, 측정기로서 디지털 레벨 트랜싯(Digital Level Transit)을 사용하여 높이를 측정하여 기준 값을 얻어 이들의 평균값을 산출하였다. 상기의 디지털 레벨 트랜싯을 사용함으로써 0.01mm까지 정확한 측정이 가능하다. 예시로 2번 베어링 대 측정 결과를 분석하면 도 5의 4지점을 정지상태에서 측정결과 A : 100.25mm, B : 100.20mm, C : 100.35mm, D : 100.40mm이면 평균은 100.30mm였다. 이어서, 다축 터빈발전기의 운전상태에서 상기에서와 동일한 방법으로 동일한 측정지점에서 베어링 대의 높이를 측정하여 위치변화에 따른 변화 값을 얻었다. 정상운전 중에 동일한 지점에 동일한 방법으로 측정한 결과는 A : 100.50mm, B : 100.60mm, C : 100.70mm, D : 100.60mm이면 평균은 100.60mm이었다. 다축 터빈발전기에서 여자기 측의 베어링은 특별히 관리할 필요가 없는 형식이므로 측정항목에서 제외하였다. 상기 도 4에 도시한 10 개의 베어링의 정지상태와 운전상태에서 각각 4지점의 평균 높이를 비교하여 도 6에 그래프로 도시하였으며, 이로부터 베어링 대 위치변화를 알 수 있으므로 간접적인 축 정렬 변화를 알 수 있다. 도 7에 그래프로 나타낸 바와 같이, 이는 케이싱을 포함한 베어링 대을 모두 측정한 결과를 나타낸 현장의 예시로서, 4지점의 개별변화는 A : 0.25mm, B : 0.40mm, C : 0.35mm, D : 0.20mm 임을 알 수 있다. 상기와 같은 측정 자료를 축 정렬 보정을 위한 기초 자료로 활용할 수 있는 매우 중요한 자료이다. 이와 같은 방법으로 모든 베어링의 대의 변화를 찾아낼 수 있고 이를 통해 상기와 같은 데이터로 미리 축 정렬 기준치를 보정함으로써, 정비과정에서 설계 값으로 베어링을 완벽하게 조절하여도 운전상태에서 수많은 운전 특성변수에 의하여 변화가 발생하는 데 따른 문제점을 충분히 해결할 수 있게 된다. 또한 운전시간 경과에 따른 구조물 변형이나 기초침하 등 여러 문제점을, 상기의 데이터를 기준으로 경연(硬鉛) 변화 과정을 추적하면 대형 회전체인 터빈발전기 축 정렬 변화의 중요한 정보를 제공받게 되므로 국가 산업설비의 보호측면에서 매우 유익하다.
본 발명의 방법에 따라 다축 대형회전체의 축 정렬상태인 정지과정에서 측정한 베어링 대 높이 측정 자료를 기준으로 운전 상태에 따른 베어링 대 높이 변화를 확인하므로 가장 안전한 상태의 축 정렬을 실시할 수 있는 자료를 얻을 수 있다. 또한, 베어링 대 자체의 변화, 즉 4 곳의 측정지점에서 측정한 값을 각각 상호 비교하면 대 자체 기울기, 비틀림 여부도 확인할 수 있고, 베어링 대 내부에 조립된 베어링 위치변화 여부도 간접적으로 확인하는 정보를 제공 받게 된다. 본 발명에 따른 방법은 발전설비 안전적 운영에 기여하는 실제적인 기술로서, 이러한 측정기법 개발로 전국 모든 발전설비사업장에서 취약설비로 문제가 발생하는 사업장에 적용하여 그 진가를 발휘하고 있으며, 향후 필요한 사업장에 점차 확대 적용할 수 있다.
도 1은 터빈발전기의 현수선(Catenary Curve) 형태의 축 정렬 방식을 예시한 도이다. 도 2는 표준원자력 1000MW 터빈발전기의 축 정렬 곡선을 예시한 도이다. 도 3은 발전설비 구조물 구성 및 축 정렬 변화 요소를 개략적으로 예시한 도이다. 도 4는 전체 베어링의 대 수평 플렌지 면에 선정된 측정지점의 지정을 나타낸 도이다. 도 5는 하나의 베어링 대 수평 플렌지 면에 선정된 4 곳의 측정 지점을 선정해 놓은 상태를 나타낸 도이다. 도 6은 각각 정지상태 및 운전상태의 다축 터빈발전기의 베어링 대에서 측정한 높이 값의 평균을 비교한 그래프이다. 도 7은 정지상태의 다축 터빈발전기에서 각각 베어링 대와 케이싱에서 측정한 높이 값을 나타낸 그래프이다. 도 8은 다축 터빈발전기의 베어링 대의 높이 변화를 측정하기 위한 현장의 사진다. 도 9는 현장의 측정위치 선정 및 측정 위치 이동을 예시한 도이다. 도 10은 다축 터빈발전기의 베어링 대의 측정지점 현장을 나타낸 사진이다. 도 11은 레벨 트랜싯과 측정 타깃을 나타낸 사진이다. |
