진동 및 공정 데이터를 통한 터보 팽창기 문제 해결

진동 및 공정 데이터를 통한 터보 팽창기 문제 해결

출처: 위키피디아, 터보 팽창기(Turboexpander)

많은 산업 공정에서는 냉동 작업이 요구되며, 천연 가스에서 에탄 및 NGL(천연 가스액)을 추출하는 공정 역시 그러하다. 위키피디아에서는 터보 팽창기(turboexpander)를 다음과 같이 설명하고 있다.
“터보 팽창기 혹은 팽창 터빈으로 칭해지는 본 장치는 작업 생성을 위해 내부에서 고압가스가 팽창되는 원심/축류 터빈으로, 압축기 구동에 빈번히 사용된다.”
터보 팽창기에 대해 언급한 이유는 몇 년 전 에머슨의 Randal Doss가 작성한 백서에 대해 논의하기 위해서이다.
‘터보 팽창기 사례 고찰: 터보 기계류 상태 지식을 기반으로 한 공정 의사 결정(Turbo-Expander Case History: Knowledge of Turbomachinery Health Make Process Decisions)’이라는 제목의 백서는, 가스 처리 시설에서 터보 팽창기에 발생했던 문제의 사례에 대해 기술하고, 기계의 공정 및 진단 정보를 통해 해당 문제를 해결하는 방안에 대해 설명했다.
백서 내에서, Randal은 다음에서 설명할 두 가지 사례를 기록하고 있다.
2008년 5월, 캐나다 남부의 한 가스 처리 시설에서는 8100 RPM 및1500 HP 급의 새로운 터보 팽창기를 시운전하게 되었다. 참고로, 해당 시설에서는 예비로 팽창기 하나를 더 구비하고 있었다. 터보 팽창기의 초기 시운전이 진행되는 동안, 진동 보호 모니터가 기기의 작동을 중지시키는 문제가 발생했고, 기기 상태 모니터링 장치가 부재했기 때문에, 어쩔 수 없이 기기를 재시동해야 한다는 결정이 내려지게 되었다.
2009년 9월, 터보 팽창기에 대한 기기 상태 정보가 수집되었는데, 전반 진동 수준이 1.4 milPP(최고점에서 최저점까지 변위가 1/1000 인치 단위에 해당: peak-to-peak displacement in thousandths of inches)으로 판독됨에도 불구하고, 이 중요 기기가 심각한 생산 손실 위험을 초래할 수 있다는 점을 발견하게 되었다.
Randall은 이 터보 팽창기의 첫 번째 설치 사례에 대해 다음과 같이 설명했다.
시운전을 하는 동안 원인 불명의 고진동이 발생해서, 기기 보호 모니터가 기기의 작동을 중지시키는 트립(trip)이 유발되었다. 따라서, 기기 트립 이전에 진행된 모든 공정 및 진동 데이터가 검토되었고, 기기에 눈에 띄는 손상은 없었지만 내부 검사의 수행 없이 재시동 결정이 내려졌다. 아웃보드 베어링(outboard bearing) 위치에서 상승된 전반 진동 수준(최대 1.4 milPP)은 재시동 이후에 주지되었다. 본 진동 수준이 일부 우려를 초래했지만, 뚜렷한 공정 영향력은 관찰되지 않아 기기의 가동을 진행하라는 결정이 수반되었다.
두 번째 사례인 2009년 프로젝트는 다음과 같이 전개되었다.
지속적인 상승 진동의 원인을 파악하기 위한 노력으로, 기기 예측 모니터가 설치되었다. 이 예측 모니터는 기기 보호 모니터에서 버퍼링된 출력 정보를 활용하여 설치되었기 때문에, 작동 상태인 기기의 분리를요구하지 않았다.
이 모니터링 장치로 얻은 결과는 다음과 같다.
본 예측 모니터는 아웃보드 베어링 위치에서 상당한 하위 동기 진동이 발생된다는 것을 드러냈다(그림 2, 3 참조). 동기 데이터는 안정적으로 나타났지만, 매우 불안정한 하위 동기 요소로 인해 기기에 현저한 진동을 유발하는 진동 수준을 초래한 것이다. 이는 보호 모니터에서는 표시되지 않은 사안이다.

진동 데이터는 동일한 기간 동안 공정 데이터와 비교되었으며, 다음과 같은 분석 정보를 산출했다.
아웃보드 허니콤(honeycomb: 벌집 구조) 가스 밀봉 장치 상의 밀봉 퍼지(seal purge) 가스 압력은 최대 1.5 PSI로, 지정된 범위인 4~6 PSI와 비교해 현저히 낮은 수준으로 나타났다.
이 상태는 기기에 장착된 압력 게이지의 육안 검사로도 검증되었으며, 밀봉 퍼지 가스 압력을 상승하려는 시도는 실패로 귀결되었다.
모든 가용 데이터에 대해 철저히 검토해 본 결과, 하위 동기 진동은 ‘가스 선회(gas whirl)’라고 알려진 상태가 유발하는 것으로 확인되었는데, 이는 저널 베어링(journal bearing)의 ‘오일 선회(oil whirl)’와 유사한 상태였다. 이후, 기기 점검을 위해 가동을 중지시켜 분리되었고, 기기의 후속 분해 검사 동안 진단 내역이 정확하다는 것을 확인할 수 있었다.
더불어 유지 보수 담당자는, 진동으로 인해 아웃보드 휠(outboard wheel)이 밀봉 표면과 접촉하고 추가적인 틈을 생성하여, 밀봉 퍼지 가스 압력의 유지를 불가능하게 한다고 추정하게 되었다.
터보 팽창기는 추가 손상을 막기 위해, 일단 가동 중지시켜 분리한 뒤 다시 조립되도록 보내졌다. 결과적으로, 기기 보호/예측 모니터는 이의 가치를 입증하였고, 현장에서 영구적 장치로 고정되게 되었다.

[2] 하위 동기 진동 요소를 나타내는 스펙트럼[3] 하위 동기 진동 요소를 나타내는 궤도 데이터

자료제공: 한국 에머슨 프로세스 매니지먼트

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 진동 및 공정 데이터를 통한 터보 팽창기 문제 해결