HBM의 수력 발전소 모니터링: 터빈 블레이드의 효율 측정

수력 발전소의 효율을 높이고 친환경 에너지의 성장에 기여

다음은 최신 스트레인 게이지 기술과 PMX 측정 시스템을 사용하여 기존 수력 발전소의 효율을 10% 높인 사례입니다. Iron Gate I (Djerdap Gorge) Hydroelectric Power Station은 다뉴브강에서 가장 큰 댐이며, 유럽에서 가장 큰 수력 발전소 중 하나입니다. 이 발전소는 루마니아와 세르비아 사이에 있는 Iron Gate 협곡에 위치합니다.

1964년에 루마니아와 유고슬라비아 정부가 공동으로 양국에서 이용할 대형 댐을 다뉴브강에 건설하는 합작 공사를 시작했습니다. 1972년에 완공할 당시 이 댐은 세계 최대의 수력 발전소 중 하나로, 12개 유닛에서 2,052MW를 발전하며, 양국에 각각 1,026MW씩 전력을 공급했습니다.

The "Iron Gate" / Djerdap Gorge 댐 출처: Shutterstock

기존 기계화 시스템의 한계점

30년 이상 가동한 후에 6개 터빈의 재활 공사가 2009년 세르비아에서 시작되었습니다. 그 목표는 발전량과 효율을 10% 높이는 것이었습니다. Đerdap1에 설치된 터빈은 조절식 블레이드가 있는 구형 Kaplan 터빈이었기 때문에 그 모양을 변경하고 최적화해야 했습니다. 목표는 가동 상태에 대한 광범위한 테스트를 통해 생산되는 전기와 물 사용량의 비율이 가장 큰 부분을 찾는 것이었습니다. 이를 위해 IEENT(The Institute of Nikola Tesla in Belgrade: 벨그라드 Nikola Tesla 연구소), MFB(The Faculty of Mechanical Sciences, University of Belgrade: 벨그라드 대학 기계과학부), TRC PRO(Technical Research Center: 기술 연구 센터)가 함께 작동 상태에서 실시간으로 효율을 측정하는 방법에 관한 개념을 설계했습니다. 최고의 답력을 얻기 위해 터빈의 발전량과 터빈 블레이드의 기계 디자인을 최신 표준에 따라 계산하고 설계했습니다.

Measurement experts during their work
측정을 실시하는 기술 전문가 팀. 사진: TRC
Turbine runner
터빈 러너를 준비하여 새 블레이드로 다시 제작하는 모습. 출처: TRC

신뢰할 수 있는 센서 기술

터빈 휠 입력단에 직접 설치한 스트레인 게이지가 기본 측정 도구입니다. 스트레인 게이지는 장기간 안정성이 뛰어나다는 장점이 있습니다. 이것은 발전소에서 거의 쉬지 않고 작동하며, 재교정을 위해 터빈을 멈추는 것은 효율적이지 않기 때문에 이 공사에서 중요한 장점입니다.

  • 첫 번째 스트레인 게이지는 토크를 측정합니다.
  • 두 번째 스트레인 게이지는 입력단의 터빈에서 축방향 힘과 속도를 측정했습니다.

토크 및 축방향 힘 측정용 스트레인 게이지를 터빈 휠과 발전기 사이의 샤프트에 배치했습니다(터빈 휠 위쪽과 발전기 아래쪽). 4개 축에 설치했습니다(위에서 볼 때 4개 지점이 원주를 따라 일정한 간격으로 배치되어 있습니다).

토크 측정을 위해 엔지니어들은 스트레인 게이지 유형 HBM XY41-3/700 을 사용하기로 결정했습니다. 2개의 스트레인 게이지 풀 브릿지가 병렬로 연결된 상태로 작동합니다. 

축방향 힘 측정에는 스트레인 게이지 유형 XY31-3/350을 선택했습니다. 여기서는 4개의 스트레인 게이지 풀 브릿지가 병렬로 연결된 상태로 작동합니다.

Strain gauge installed on axis 1
Axis 1
Strain gauge installations on axis 2
Axis 2
Strain gauge installations on axis 3
Axis 3
Strain gauge installations on axis 4
Axis 4

스트레인 게이지를 샤프트에 설치한 후에 특수 커버로 전기 장치를 보호했습니다. 이 혹독한 환경에서 전자파 간섭(EMI)으로부터 스트레인 게이지 측정 장치를 보호하기 위해 측정 영역에 최종 커버를 씌웠습니다.

터빈 샤프트가 작동 상태에서 회전하기 때문에 엔지니어들은 스트레인 게이지의 미세한 신호를 PMX 측정 앰프 시스템으로 전송할 수 있는 안전한 방법을 찾아야 했습니다. 그리고 측정 신호를 회전하는 샤프트에서 수신기까지 원격으로 보내는 텔레메트리 시스템도 설치했습니다.

HBM 제품을 통한 설치 및 실행

Shaft connecting turbine wheel and generator
터빈 휠과 발전기(스트레인 게이지가 설치된)를 이어주는 샤프트

빠르고 확실한 측정, 간편한 설정, 실시간 계산, 진단 정보, 소프트웨어 추가 설치 불필요, 효율적인 가격 등과 같은 여러 요구를 충족하는 측정 및 제어 시스템이 필요합니다. PMX 측정 및 제어 시스템으로 이 모두를 충족할 수 있습니다.

첫 단계에서 PMX를 전압 입력용 4채널 앰프로 사용했습니다. 첫 번째 입력은 터빈에 설치된 스트레인 게이지를 사용하여 토크를 측정하기 위한 텔레메트리 시스템의 전압이었습니다. 두 번째 입력은 터빈에서 축방향 힘을 측정하기 위한 텔레메트리 시스템이었고, 세 번째 입력은 회전 속도였습니다. 넓은 측정 대역폭과 측정 신호의 평가를 보장하기 위해 모든 신호를 19.2kHz로 샘플링했습니다.

PMX 시스템의 모든 조정은 표준 이더넷 인터페이스와 내장 PMX 웹서버를 통해 처리됩니다. 이 솔루션은 머신 네트워크를 통해 또는 추가 Wi-Fi가 제공되는 경우는 원격으로 조절할 수 있다는 장점이 있습니다. 따라서 각 엔지니어가 실시간으로 테스트 상태와 애플리케이션을 볼 수 있었습니다. 통합 오퍼레이터 컨트롤을 통해 무단 작동을 방지했습니다.

Protected measuring point
Protected measuring point (one out of four) with telemetry system.
Electric cabinet with HBM
Electric cabinet with PMX

PMX "Smart 함수"를 이용한 실시간 계산

두 번째 단계에서는 필요한 관련 정보를 실시간으로 계산해야 했습니다. PMX의 Smart 함수를 사용하여 계산할 수 있는데, 이것은 광범위한 소프트웨어 지식이 없는 조작자도 아주 쉽게 사용할 수 있습니다. Smart 함수에는 포켓 계산기, 논리 함수 같은 여러 수학 함수가 있으며 PID 컨트롤러 같은 컨트롤러 함수까지 평가합니다.

기계력을 계산할 때 다음 공식을 사용할 수 있습니다.

 

단위: P: W, M: Nm, n: rpm. 

PMX Screenshot Webserver
측정 신호, 계산된 신호 및 I/O 신호가 있는 PMX 웹서버 개요.
PMX web server: Power calculations
PMX 웹 서버의 힘 계산

안전한 설치와 진단

먼지와 EMI를 추가로 차단하기 위해 PMX 앰프를 캐비닛 안에 설치했습니다. 그 안에는 텔레메트리 시스템 공급 장치도 포함되어 있습니다. 

캐비닛의 유리를 통해 PMX와 진단 LED 표시등을 직접 볼 수 있습니다. 이를 통해 장치의 잠재적 오류와 측정 상태를 빠르고 간편하게 확인할 수 있습니다. 추가 테스트 장비를 사용하지 않고 정보를 빠르게 얻을 수 있다는 점에서 이것은 서비스 엔지니어들에게 큰 장점입니다.

상세한 심층 진단이 PMX 로그 파일에 저장됩니다. 이 파일은 PMX의 내장 메모리에 저장됩니다. 장치 및 측정의 모든 향후 오류는 물론 조작자의 매개변수화 변경사항도 저장됩니다. 따라서 전체 테스트 및 측정 과정을 100% 담을 수 있습니다.

TRC PRO의 Hotimir Licen은 “PMX 웹 서버의 매개변수화, 설정 및 제어 기능은 매우 유용했습니다. 추가 소프트웨어가 필요 없었으며, PC, 태블릿 또는 스마트폰에서 표준 웹브라우저를 사용할 수 있었습니다. 그리고 전체 발전소 영역에서 실시간으로 상시 사용할 수 있다”고 말했습니다.

공정 데이터 수집 및 평가

요구사항에서 엔지니어 팀은 사용이 간편하고, 견고하며, 강력한 DAQ 및 평가 소프트웨어를 정의했는데, 이 소프트웨어로 PMX 시스템에서 계산된 채널뿐만 아니라 모든 측정 신호도 최대 속도로 수집해야 합니다. 이러한 채널은 실시간으로 계산되기 때문에 측정 신호와 같은 속도로 계산됩니다. 그리고 이 소프트웨어로 모든 데이터를 시각화하고 저장하며, 필요 시 인쇄용 보고서도 생성해야 합니다.

HBM의 catman 데이터 수집 소프트웨어로 모든 데이터를 수집했습니다.

catman data acquisition software screenshot
PMX로 데이터를 수집할 때의 토크 및 축방향 힘 측정용 HBM catman 애플리케이션 스크린샷
Screenshot of the catman software
PMX로 데이터를 수집할 때의 토크 및 축방향 힘 측정용 HBM catman 애플리케이션 스크린샷
Recording in catman (Screenshot)
터빈 A4 가동 시 HBM catman에 기록되는 내용: 토크, 축방향 힘, 회전 속도 및 계산된 전력

A4 공사가 완공된 후에 효율성 테스트를 실시하여 새로운 터빈 특성을 확인했습니다.

Turbine and generator number A4
측정이 실시된 터빈과 발전기 번호 A4(출처: TRC PRO)
Team of technical experts
측정 전문 팀의 계측 작업

HBM 측정 솔루션의 특징 총정리

  • 빠르고 간편한 배치
  • 간편한 설정과 유용한 진단
  • 높은 해상도, 정확도, 속도
  • 장치 내부에서 채널 계산:
    • 동적 신호와 필터링된 신호
    • 변형률 측정으로 토크 계산
    • 변형률 측정으로 힘 계산
    • 토크 및 회전 속도 측정으로 힘 계산
    • PC 없이 데이터를 저장하고, PC, 태블릿 또는 스마트폰(웹 브라우저가 있는 모든 장치)에 시각적으로 표시할 수 있는 웹 시각화 애플리케이션 개발
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