최종편집 : 2017.9.18 월 10:31
> 뉴스 > 연재 > 금주의 기획
       
“4차 산업혁명은 발전소 예측정비 시대 여는 핵심”
전기協·한전KPS, KEPIC 유지정비세미나 개최
PHM 기술·스마트 정보화플랫폼·RBM 등 발표
2017년 03월 10일 (금) 11:33:46 박기진 기자 kjpark@epnews.co.kr
   
▲ 전기협회와 한전KPS는 ‘4차 산업혁명과 발전소 유지정비’를 주제로 9~10일 대전 리베라호텔에서 ‘2017 KEPIC 유지정비 세미나’를 개최했다.

대한전기협회(회장 조환익)와 한전KPS(사장 정의헌)는 9~10일 대전 리베라호텔에서 발전소 유지정비 분야 전문가 약 300여명이 참석한 가운데 ‘2017 KEPIC 유지정비 세미나’를 개최했다.

이번 세미나는 4차 산업혁명이 이슈로 떠오른 가운데 정부 및 관련분야 전문가들이 모여 지능정보기술 발전에 따른 발전소 유지정비분야 신기술을 공유하기 위해 마련됐다.

최근 발전소 유지정비분야에도 정보통신기술(ICT)의 발전과 함께 인공지능 등을 활용해 고장 전에 조치하는 상태기반정비, 예측정비가 주목받고 있다.

이날 박중길 전기협회 상근부회장(직대)은 환영사를 통해 “발전소 유지정비 분야에 있어 4차 산업혁명은 진정한 예측정비 시대를 여는 핵심 열쇠”라며 “사물인터넷, 빅데이터, 인공지능의 발전은 상태감시와 예측정비를 가능하게 해 발전소 운영의 최적화를 실현시킬 것”이라고 강조했다.

맹동열 한전KPS 발전사업본부장도 “빠르게 발전하는 산업혁명에 맞춰 일부 발전소에서는 발전소 설계부터 폐지까지 전 주기에 대한 스마트 발전소 모델을 창출하고 해외진출을 위한 준비를 하고 있는 것으로 안다”며 “이러한 에너지업계의 노력은 국가경쟁력 제고에 기여하고 해외진출 기반을 마련함과 동시에 국내 현장에도 많은 변화를 가져오게 될 것”이라고 밝혔다.

9일 진행된 세미나에서는 윤병동 서울대 교수가 ‘Industry 4.0과 전력산업, 발전플랜트, 발전소 정비기술에의 응용’을 주제로 특강을 펼쳤다. 윤병동 교수는 특강을 통해 상태기반정비에 반드시 필요한 기술은 발전설비 건전성 상태를 사전에 예측하고 관리할 수 있는 ‘건전성 예측 및 관리(PHM)’기술이라고 지적하고, PHM 기술에 대한 이론과 산업적용사례(터빈, 발전기, 변압기, 리엑터, 풍력발전기 등)를 설명함으로써 발전산업에 4차 산업혁명이 얼마나 가까이 와 있는지를 살펴볼 수 있었다.

이어진 주제 발표 시간에는 △가스터빈 블레이드 국산화 및 현장 장착 사례(황재곤 한전KPS 수석) △선제적 안전관리를 위한 스마트 가스안전 플랫폼 기술(오정석 한국가스안전공사 박사) △화력발전 보일러 위험도 평가 신뢰도 제고를 위한 검사 및 운전정보 관리방안(김범신 한전 전력연구원 박사) △CFD(컴퓨터 기반 유동해석) 및 NN(신경망) 기술 활용 보일러 연소 진단 및 최적화 기술(이채수 두산중공업 수석) △화력발전플랜트 정비지원 정보화시스템 개발 및 실증(박창대 한국기계연구원 박사)을 주제로 발표 및 토론이 진행됐다.

10일에는 안창원 한국전자통신연구원 박사가 ‘모사현실, 우리 사회 미래를 탐색하는 마법의 구슬’을 주제로 특강에 이어 △KEPIC-MMV(진동기반 상태감시 및 평가) 소개 및 풍력발전기 상태감시·진단기술(김상렬 한국기계연구원 박사) △500MW급 표준화력 격상 성능개선(나충하 한국중부발전 부장) △전력계통 안정운영을 위한 발전소 파라미터 도출방법 및 진단사례(이용희 한전KPS 선임) △화력 발전설비 관리 최적화를 위한 위험도 기반 정비(최우성 한전 전력연구원 선임)를 주제로 발표가 진행됐다.
다음은 KEPIC 유지정비 세미나 주요 발표 내용.

◆ 가스터빈 블레이드 국산화 및 현장 장착 = 국내에서 발전용으로 운영 중인 대부분의 대용량 가스터빈 발전소는 미국의 GE, 독일의 Siemens, 일본의 MHPS에서 제작했다. 가스터빈 발전소는 건설비가 원자력이나 화력발전소 대비 저렴하고 건설 기간이 짧다는 장점이 있는 반면 운전 중 부품을 자주 교체해야 하는 단점도 있다. 원자력이나 화력터빈의 운전 온도는 540℃ 이하이나 가스터빈 운전 온도는 약 1500℃에 이르고 있으며 최근에는 1600℃ 까지 운전 온도가 상승했다. 이는 운전 온도가 높을수록 가스터빈의 효율이 올라가기 때문에 제작사들은 가스터빈의 운전 온도를 높이려고 시도하고 있으나, 운전 온도가 높아질수록 가스터빈 부품의 운전 수명이 줄어들고 부품을 제작하는데 그만큼 어려움이 수반되고 있다.
가스터빈은 운전 온도가 높기 때문에 주기적으로 부품을 교체해 주어야 하는데 이들 부품 교체 비용이 고가이기 때문에 저렴한 발전소 건설비 대비, 운영비를 많이 필요로 하고 있다. 문제는 주기적으로 교체해야 하는 핵심 부품중 하나인 블레이드(Blade)는 전량 해외 제작사로부터 수입에 의존하고 있다. 아직 국내에서는 이들 부품을 제작할 기술력을 갖추지 못한 시점에 한전KPS와 국내 주조회사가 공동으로 가스터빈용 블레이드 제작을 수행했으며 실제 운전 중인 발전소에서 최초로 실증 실험까지 수행함으로써 국내에서도 가스터빈용 블레이드를 제작할 수 있는 기술력을 보유하게 됐다.

◆ 보일러 위험도 평가 신뢰도 제고를 위한 검사 및 운전정보 관리방안 = RBI(Risk Based Inspection, 위험도기반 검사)는 미국 API(America Petrochemical Industry, 미국석유화학산업협회)가 제시한 설비관리방법론으로 석유화학 플랜트의 검사대상 설비의 고장발생확률과 고장으로 인한 피해규모를 평가해 위험도를 산출하고 위험도의 크기에 따라 검사의 우선순위와 검사시기, 방법, 범위를 결정한다. RBI의 적용으로 인해 미국 석유화학산업의 심각한 고장들이 급감했으며 RBI는 정유 및 일반 화학 플랜트 산업으로 전파됐다. 우리나라에는 2000년도 초 화학플랜트 분야에 도입됐으며 화력발전분야에는 2000년도 후반에야 적용되기 시작했다.
국내 화력발전사는 한국동서발전이 최초로 RBI를 전사적 시스템으로 구축했으며 뒤이어 한국남동발전 등 4개사가 RBI를 전사적 시스템으로 구축 운영 중이다. 화력발전설비 중 RBI를 적용하고 있는 설비는 보일러, 증기터빈, 발전기가 있으며 이 중 보일러가 가장 활발하게 RBI를 적용하고 있다. KEPIC에서도 화력발전분야의 RBI를 활성화하기 위해 MMI 표준을 제정·운영 중이며 MMI에는 RBI 일반절차 뿐만 아니라 설비별 상세 평가절차와 방법에 대한 표준도 제정해 운영 중이다.
국내 화력발전분야의 RBI는 아직 기술이 정착돼 가는 단계로 기술의 활용 측면에서 보완해야할 미흡한 점들이 나타나고 있다. 대부분의 미흡한 점들은 검사 및 운전정보의 관리와 KEPIC 표준 적용이 적절치 못한 때문이다. 예를 들면 아직까지도 대부분의 발전소에서는 경험이나 과거사례를 기준으로 검사계획을 수립하고 있다. 이로 인해 위험도 평가 대상설비를 검사대상 설비로 고려하지 못할 수 있어 정작 평가에 필요한 검사정보가 누락될 수 있다. 또한 정확한 설비상태를 평가하기 위해 KEPIC에는 장기간의 운전정보를 사용하도록 규정하였는데 임의로 설계치를 사용하거나 운전정보의 평균값을 사용해 위험도 평가 결과의 신뢰도를 저하시킨다.

◆ 전산유동(CFD) 해석기술과 자기학습 기술을 이용한 보일러 화로 연소 진단 및 최적화 = 발전용 보일러 화로는 연료를 연소시킴으로써 터빈을 구동하는 증기를 생산하는데 필요한 에너지를 제공한다는 점에서 매우 중요한 설비지만 동시에 미세먼지와 공해물질을 생산한다는 측면에서 운전에 세심한 주의가 필요한 설비다. 더욱이 국내 발전용 보일러의 경우 사용하는 석탄의 질이 낮아지면서 운전상의 어려움이 한층 더해지고 있다.
일반적으로 보일러에 설치돼 있는 센서에는 과열기 및 재열기 출구 증기 온도, Secondary 와 Over Firing Air(OFA) 유량, 연료 공급량, SCR 입구 가스 조성 정도이다. 이들은 모두 운전용으로 설치된 센서들로 화로 내부의 연소 상태를 진단하고 최적화하기에는 부족하다. 때문에 광학 및 음파 측정기술을 이용한 연소진단기술들이 개발되어 왔으며, 최적연소 운전조건을 찾아내기 위한 ICT Solution들도 속속 소개되고 있다.
두산중공업에서는 대향류 보일러의 경우 버너를 통해 유입된 연료와 연소 공기가 하나의 연소 스트림(Stream)을 형성하고 주변의 연소 스트림과 큰 확산(혼합)없이 보일러 출구로 빠져나간다는 특성을 이용해 화로 내부의 연소 상태를 예측·진단하고 최적화할 수 있는 솔루션을 개발하고 있다. 전산유동(CFD) 해석 기술 기반의 Combustion Tuning Navigator는 화로 내 연소 불균형을 진단하고 문제가 되는 Burner/OFA의 위치와 버너/OFA의 Air Damper 조절 방향을 제공하며, 자기학습 기술 기반의 Combustion Optimizer는 최적의 연소상태가 되는 Air Damper의 제어량을 실시간으로 제공한다.

◆ IoT 기술로 구현하는 플랜트 정비지원 스마트 정보화플랫폼 구축 = 한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실 박창대 책임연구원 연구팀이 전통적인 기계기술과 IoT기술을 융합한 ‘화력발전 플랜트 현장 정비지원 기술정보화 시스템 플랫폼’ 구축에 성공했다.
이번에 개발된 플랫폼은 발전플랜트에서 정비점검을 수행할 때 신속하고 정확하게 정비를 수행해 고장은 줄이고 가동율은 향상시키는 시스템으로 지난해부터 한국남동발전 여수화력발전본부에서 현장 적용을 위한 실증에 착수했다. 이를 적용하면 연간 발전소 1기 당 정비비용 약 700억원의 5%에 달하는 35억여원을 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다.
화력발전 플랜트 현장 정비 지원기술정보화 시스템 플랫폼은 정비 대상과 관련된 정보가 집적된 데이터베이스와 대상의 구조를 3D로 들여다볼 수 있는 기술정보시스템, 정비자가 현장에서 이런 정보를 직접 확인할 수 있는 스마트 정비지원 장치, 외부의 전문가와 안전하게 통신할 수 있는 정비 지원 통신망 등 4부분으로 구성됐다.
연구팀은 국내 발전소 정비시장의 규모가 지난 2005년 기준 5688억원에서 2010년 7000억여원까지 점차 성장하는 상황에서 보다 효율적인 플랜트 정비 플랫폼이 요구되면서 연구에 착수했다. 지금까지 화력발전 플랜트 점검은 복잡한 발전 플랜트 설비의 고장이나 정비 내역에 대한 체계적인 관리가 미흡하고 보안 상 이유로 통신이 어려워 현장에서 실시간으로 정보를 확인하는데 어려움이 있었다.
기술정보시스템은 현장 설비의 고장 및 정비이력을 데이터베이스화한 PPMDB(Power Plant Maintenance Database) 시스템이다. 플랜트 설비 및 기기의 3차원 형상정보, 관련 도면 등 다양한 기술문서를 DB화한 3DTIS(3-Dimension Technical Information System)이 핵심이다.
스마트정비지원장치(SMIS, Smart Maintenance Information System)는 정비 현장에서 진동, 온도, 압력 등 8종류 물리량을 측정할 수 있는 장비로 디스플레이를 통해 기술정보시스템의 다양한 정보를 확인할 수 있다. 기존 장비는 장볼 때 쓰는 카트처럼 끌고 다녀야 해 이동에 제약이 많았지만 SMIS는 크기를 1/4 수준으로 줄여 가방처럼 들고 다닐 수 있게 됐다. 또 발전 플랜트에서 고장이 자주 발생하는 보일러 튜브의 두께를 효율적으로 측정할 수 있는 SMAT(Smart Multi Ability Terminal), 고온 및 협소한 구간의 육안점검을 위한 내열내시경(HIID, Heating-prove Industrial Inspection Device) 등으로 구성됐다.
플랫폼의 마지막 구성요소인 현장 정비지원망은 현장에서 계측한 데이터를 원격지와 주고받으며 협업을 진행할 수 있는 통신망이다. 발전 플랜트는 일반 공장보다 보안이 엄격하기 때문에 유·무선 네트워크를 신설하는데 어려움이 많다. 연구팀은 기존의 유선 네트워크에 독자적으로 개발한 허브망을 붙여 정비지원망으로 쓸 수 있도록 했다. 이를 활용하면 발전소 내에서 돌발 상황이 발생하거나 정비에 필요한 의사결정을 보다 빠르고 정확하게 내릴 수 있다.
한편 이번 연구는 지난 2011년 12월에 산업통상자원부 전력기반센터의 지원으로 플랫폼 개발에 착수했으며 기계연구원을 비롯해 남동발전, 포미트, 보강하이텍 등이 함께 참여하고 있다.

◆ KEPIC-MMV(진동기반 상태감시/평가) 및 풍력발전기 상태감시·진단 기술 = 최근 발전설비가 노후화됨에 따라 일부 주요 설비의 고장으로 발전 정지가 발생하고 그로 인한 경제적 손실이 커짐에 따라 기계시스템의 신뢰성을 확보하기 위한 효과적인 유지보수 전략 수립이 요구되고 있다. 이에 기계 상태를 실시간으로 분석해 결함 및 고장을 초기에 진단하는 기술을 개발해 유지보수 비용을 절감하려는 노력이 활발히 진행되고 있으며 실제 현장에서 적용되는 감시시스템 구축기술은 높은 기술 성숙도를 보이는 반면 고장진단 및 수명예측 기술의 성숙도는 낮은 것으로 평가되고 있다.
관련 기술의 객관적 적용 방법을 확립하기 위해 국제 표준의 제·개정 작업이 국제표준위원회 ISO/TC 108 SC5를 중심으로 일반 기계시스템을 대상으로 진행되고 있으며, 상태감시 방법, 진단, 예측방법, 운영과 정비 지원 등 관련 핵심주제가 다뤄지고 있다. 장기적 차원에서 국내 기술의 자립을 위해 전력 관련 사업장내 활용되고 있는 전력기기의 신뢰성 확보, 기계시스템 고장으로 인한 안전사고 예방, 효율적인 유지보수 계획 수립 및 적용을 통한 비용 절감에 요구되는 진동기반 상태 감시 기준을 정립할 필요가 있어 전기협회에서는 전력산업기술기준 KEPIC-MMV ‘진동기반 상태감시 및 평가’를 기존 국내외 관련 규격을 참조 반영해 개발했다. KEPIC-MMV 기준에는 상태감시를 위한 센서의 선정에서부터 부착, 신호 측정 및 신호처리 방법, 상태감시 및 고장진단 방법, 그리고 상태감시 시스템의 요구사항 등이 규정되어 있으며 실제 몇 가지 상태감시 시스템 사례가 수록돼 있다.

◆ 보령화력3~6호기 격상성능개선 추진 = 한국중부발전 보령화력3~6호기는 국내 500㎿급 한국형 표준석탄화력의 효시로서 최초의 국내기술로 건설된 발전소로 1993년 준공 이래 안정적 전력수급 및 국가경제 발전에 견인차 역할을 수행해 왔다.
특히 보령화력 3호기는 2014년 12월에 세계 3대 기록인증기관인 미국 월드레코드아카데미(WRA)로부터 5,000일 무고장 운전기록 인증과 2016년 9월 27일부로 세계 최장기 6000일 무고장운전을 달성한 바 있다.
보령화력 3~6호기는 준공 후 약 24년간 운전됨에 따라 경년열화에 따른 설비의 성능 및 신뢰성 저하가 진행되고 있어 격상성능개선을 통한 설비의 성능을 초초임계압급으로 대폭 격상하고 환경설비를 최신기술로 전면 교체해 미세먼지 등 대기오염물질 저감을 위한 대대적 성능개선사업을 진행 중에 있다.
보령화력 3호기는 국책과제 실증사업(R&D)으로 격상성능개선을 진행 중에 있으며 2018년 8월부터 2019년 5월까지 약 10개월간 성능개선공사를 완료하고 후속기인 4~6호기는 2021년 2월부터 2022년 12월까지 순차적으로 완료할 예정이다.
중부발전은 이번 사업을 통해 발전기 1기당 정격출력은 500㎿에서 550㎿로 기존 대비 10% 증대, 발전플랜트 효율은 현재 보다 3.4%p 개선함으로써 온실가스를 연간 27만톤 감축, 대기오염물질은 현재 보다 84% 저감하는 고효율 친환경 발전설비로 거듭나게 되며, 향후 진행될 국내 표준석탄화력 20기에 대한 후속사업의 선도모델로써 자리매김해 국가 경제발전 및 전력수급 안정에 크게 기여할 것으로 기대된다.

◆ 화력발전 설비관리 최적화 위한 위험도 기반 정비 = 현재 발전회사는 안정적 전력공급과 기업의 경쟁력 제고를 위해 발전설비를 효율적으로 운영해 적은 유지정비비용으로 고장이 없는 최고의 상태를 유지하기를 원한다. 설비의 건전성을 향상시키고 정비비용을 절감하기 위해서는 과학적인 기술적 근거에 기초해 설비의 점검보수, 정비계획, 교체시기 등에 대한 최적화와 체계적 관리가 필요하다.
선진국의 정비관리 기술은 최근 화두가 되고 있는 Industry 4.0의 흐름에 맞춰 AI 기술을 이용한 빅데이터 분석 기술, Digital twin 기술 및 On-line Monitoring & Real Time Simulation 등을 접목해 정비 가치를 더욱 높이는 방향으로 발전하고 있다.
현재 국내 발전사들은 설비의 안정적 운영과 체계적 관리를 위해 정비관리시스템을 구축하고 위험도 기반 진단 기술(RBI, RCM)을 이용해 주요 기기의 중요도와 손상확률을 모두 고려하는 정비기술을 적용하고 있다.
위험도 기반 정비기술(RBM)은 설비의 위험도를 기준으로 정비의 중요도, 긴급도를 평가하고 정비우선순위를 부여하며 정비를 수행하는 기술로 각 기기의 중요도와 고장확률을 모두 반영하기 때문에 안전성과 경제성을 동시에 고려할 수 있다.
위험도 기반 정비를 위해서는 제작사의 지침에 따라 일률적으로 수립하는 정비계획 대신 정비담당자가 설비의 상태를 평가하고 정비를 결정할 수 있는 시스템 구축이 필요하며, 이와 병행해서 설비의 위험도 평가를 위한 표준화된 기준 또는 지침이 필요하다.
KEPIC에서는 이러한 필요성을 인식하고 2010년 KEPIC-MMI(위험도 기반 검사계획)를 제정했으며, 2013과 2014년에는 국내 발전소 현장에서 활용하기 위해 보일러/배관 위험도평가 절차서인 KEPIC-MMI-1와 터빈 위험도 평가 절차서인 KEPIC-MMI-2를 한전 전력연구원과 함께 표준으로 개발해 국내 산업계에 보급하고 있다.

박기진 기자의 다른기사 보기  
ⓒ 한국전력신문(http://www.epnews.co.kr) 무단전재 및 재배포금지 | 저작권문의  

     
전체기사의견(0)  
 
   * 200자까지 쓰실 수 있습니다. (현재 0 byte/최대 400byte)
   * 욕설등 인신공격성 글은 삭제 합니다. [운영원칙]
전체기사의견(0)
신문사소개기사제보광고문의불편신고개인정보취급방침청소년보호정책이메일무단수집거부
우) 137-060 서울 서초구 방배동 935-12번지 제보 및 문의 02-561-3524 | 팩스 02-522-0130
상호 : (주)한국전력신문사 | 사업자등록번호 : 215-86-22032 | 개인정보책임자 : 신홍주 | 청소년보호책임자 : 신홍주
Copyright 2006 한국전력신문. All rights reserved. mail to webmaster@epnews.co.kr