2.1 핵주기 시설과 급배기팬

본 연구의 핵주기 시설은 국내 핵주기 시설 중 하나로서 방사선 안전을 위해 비관리구역의 청정구역부터 감시구역, 제한구역, 금지구역까지 주로 네 단계(등급)의 공조구역으로 구분되어 설계되고 각 공조구역은 서로 다른 부압과 환기 횟수 등의 공조환경으로 운영된다.

가장 낮은 등급의 공조구역인 청정구역은 일반 사무실 등의 비방사선관리구역에 해당되는 공조 구역으로서 나머지 구역에 비해 상대적으로 낮은 수준의 공조환경관리가 요구되는 곳이다. 이에 반해, 감시구역 및 나머지 공조구역은 모두 방사선 관리구역으로서 이들 중 감시구역은 일반적으로 작업자들의 원격 작업구역들이 해당된다. 가장 높은 등급의 공조구역인 금지구역은 고준위방사성 물질이 취급되는 공조구역으로서 가장 높은 등급의 부압과 환기 횟수 등으로 설계되며 4개의 공조구역 중 가장 엄격한 공조환경의 유지와 관리가 요구된다. 마지막으로, 제한구역은 감시구역과 금지구역의 중간 지대의 공조구역으로서 비상시 금지구역 내부로 접근하거나, 금지구역 내부로부터 반출된 물질 및 기기들의 제염, 유지보수 등을 수행할 수 있는 구역들이 해당된다. 이러한 공조구역의 구분 설계와 함께 핵주기 시설은 시설과 작업자의 안전을 위해 공조구역 등급이 높아지는 방향으로 단방향 유동 흐름 설계가 이뤄지며, 구역별 부압 차이를 통해 반대 방향으로의 역류는 불가능하도록 설계된다.

연구 대상의 국내 핵주기 시설 역시 상기한 공조 구역의 등급 설정과 설계가 이뤄졌고, 이를 구현하기 위해 급기팬 1세트, 중간배기(Medium Under Pressure; MUP)팬 1세트, 그리고 고배기(Deep Under Pressure; DUP)팬 1세트로 구성되어 있다. 급기팬은 총 2대로서 시설 외부로부터 청정구역과 관리구역으로 급기하고, MUP 팬은 총 3대로서 공조 구역별 공조 설계 및 운전조건의 유지를 위한 중간배기팬이며, DUP 팬은 총 2대로서 공조 흐름상 금지구역 최후단에 위치하여 금지구역 내부의 부압을 직접적으로 발생시키는 배기팬이다. 여기서, 급기팬과 MUP 팬은 근로 및 작업시간에 따라 미가동되기도 하지만 DUP 팬은 금지구역 부압 유지를 위해 2대의 교번 운전을 통해 연중 상시 가동되며, 이러한 이유에 의해 DUP 팬은 핵주기 시설에서 건전성 유지관리 및 CBM 도입의 우선순위가 가장 높다고 할 수 있다.

본 연구에서는 핵주기 시설의 고배기팬(DUP 팬)에 대한 CBM 시스템 도입과 효과를 평가하기 위해, 연구 대상 시설에서 DUP 팬의 구조와 형태가 동일한 급기팬에 대해 진동 기반의 설비 진단이 우선적으로 수행되었다. 진단 대상의 급배기팬은 Fig. 1(a)와 같이 모두 편측지지형(Overhung-type)의 원심형 팬이며 방진 스프링 마운트 위에 전동 모터와 함께 설비되어 있고 Fig. 1(b)와 같이 팬과 모터는 풀리 및 벨트 시스템을 통해 서로 연결되어 있다.

Fig. 1 Vibration-based diagnosis object: air-supply and exhaust fan systems(Photograph source of Fig 1(b): http://echungho.co.kr/).

2.2 급배기팬의 진동 측정 및 평가 기준

급배기팬에 대한 설비진단 표준으로는 우선 한국산업표준 KS B 6311(송풍기의 시험방법)이 있다. 본 표준은 산업용 송풍기의 시험과 검사 방법, 그리고 평가 기준에 대해 규정하고 있으며, 평가 물리량으로 송풍기 전압, 정압, 유량, 축동력, 전압 효율, 소음, 베어링 온도 등을 제시하고 있다. 그러나, 가장 최신의 2022년도 판⁽⁸⁾에서는 공조 팬의 진동 규정은 측정 및 판정 모호성에 의해 삭제되었기 때문에 현재는 공조 팬의 진동 진단 및 평가에 적합하지 않다.

두 번째 유관 표준으로서, ISO 20816-3은 정상 출력 15 kW 이상 그리고 120-30,000 RPM 사이로 구동하는 회전 기기에 대한 진동 진단 국제표준으로서⁽⁹⁾ 계측 기기부터 측정 절차, 설치 요건, 평가 기준까지 회전 기기의 진동 상태 진단에 대해 상세히 제시되어 있는 표준이며 국내에서는 한국산업표준 KS B ISO 10816-3으로 마련되어 있다. 본 표준에서는 Table 1과 같이 정격 출력 15 kW 초과 300 kW 이하의 중형 회전기기군에 대하여 진동 평가 기준치가 제시되어 있다. Table 1에서 정의된 평가영역 경계는 A부터 D까지 네 단계이다. 영역 A는 신규 설비들의 진동 상태, 영역 B는 장기 운전이 허용될 수 있는 정도의 진동 상태, 영역 C는 장기 연속 운전이 적절하지 않은 것으로 간주되는 진동 상태, 마지막으로 영역 D는 통상적으로 기계 손상 유발이 가능한 매우 가혹한 진동 상태로 정의되어 있다. 마지막으로, 급배기팬의 설계자 혹은 제조공급자가 제시하는 진동 허용값들이 진동 진단의 근거와 기준으로서 사용될 수 있다. 본 연구에서는 ISO 20816-3을 준수하여 진동 진단 시스템을 구성하였고 측정과 분석, 평가를 수행하였다.

2.3 급배기팬의 진동기반 FDD 기법의 개요

급배기팬을 포함한 회전기기의 진동 이상(결함)은 Table 2와 같이 크게 기계적 결함, 전기적 결함 그리고 유동학적 결함 세 가지로 분류한다.^(10-12) 기계적 결함은 팬 시스템을 구성하는 기계적 부품들의 구조적 결함으로 발생하며 주로 불평형, 편심, 회전축의 휘어짐, 공진, 벨트의 장력 저하 등이 있고, 전기적 결함은 주로 전동기에서 발생하며 전기적 불평형, 전류 불안정성 등이 존재한다. 마지막으로, 유동학적 결함에는 임팰러의 스톨(Stall), 서지(Surge), 공조라인에서의 와류 및 난류 등이 존재한다. 이렇게 다양한 유형의 결함을 검출하고 진단하는 FDD 기법(알고리즘)은 전통적으로 회전체동역학 및 기계진동학을 기반으로 하며 결함유형별 제각각 달리 나타나는 진동 특성(크기, 주파수, 파형, 변화 추세 등)을 분석하여 검출, 진단한다.^(10-12)

3.1 급기팬의 운전조건과 진동 측정 조건

국내 핵주기 시설의 고배기팬(DUP 팬)에 대한 진동 진단 시스템의 현장 도입에 앞서서 진동 기반의 설비 진단 성능과 효과를 평가하기 위해 DUP 팬의 구조와 형태가 동일하고 용량만 다른 급기팬에 대해 설비진단이 선행되었다. 급기팬 시스템은 정상 출력 55 kW급의 중형 팬 시스템이며 전동 모터는 1,150 RPM, 팬은 1,220 RPM으로 운전된다. 그러므로, 진단 대상의 급기팬은　ISO 20816-3의 진단 범위 및 규격과 Table 1의 진동 평가 기준에 해당된다.

진동 기반의 설비진단을 위해 사용된 계측기인 가속도계는 ISO 20816-3의 계측기 배치 권고를 따라 베어링, 전동 모터, 지지대 상에 각각 수직(V), 수평(H) 방향으로 1개씩이 설치되었고 100 mV/g의 민감도와 1.5-13,000 Hz의 측정주파수 대역을 갖는다. 진동 신호는 급기팬 정상 상태의 운전조건에서 측정되었으며 측정 주파수 범위와 라인수는 각각 5-5,000 Hz와 12,800 개이다. 또한, 주파수 분석을 위해 신호 평균화와 Hanning 윈도우가 적용되었다.

3.2 진동 속도 측정 결과

급기팬에 대한 진동 속도 측정 결과로서, 전동 모터 부하측(Drive End; DE)의 수직 및 수평값은 각각 최소 7.9 - 최대 9.1 mm/s(rms), 최소 4.6 - 최대 5.5 mm/s(rms)이고, 반부하측(Non-Drive End; NDE)의 수직 및 수평값은 각각 최소 6.4 - 최대 7.8 mm/s(rms), 최소 6.0 - 최대 7.2 mm/s(rms)로 확인되었다. 또한, 팬 부하측 베어링의 수직 및 수평값은 각각 2.9 mm/s(rms), 2.2 mm/s(rms)이고, 지지대의 수직값은 3.3 mm/s(rms)로 확인되었다. 따라서, ISO 20816-3을 근거로 하여 급기팬에서 베어링의 진동은 장기 운전의 허용 범위 내외로 확인되나 전동 모터가 고진동 현상을 겪고 있는 것으로 확인되었다.

3.3 주파수 분석 결과

측정된 전동 모터의 주파수 분석 결과는 Fig. 2와 같다. Fig. 2(a)는 전동 모터의 DE측 수직 및 수평 방향 결과이며, 상단 스펙트럼은 진동 크기가 최대일 때이고 하단 스펙트럼은 진동 크기가 최소일 때이다. Fig. 2(b)는 NDE측 수직 및 수평 방향 결과이며, 상하단 스펙트럼은 Fig. 2(a)와 같이 최대, 최소 진동의 스펙트럼이다.

Fig. 2 Measured frequency spectrum of the electric motor vibration((a): drive end(DE), (b): non-drive end(NDE)).

속도 rms 측정 결과와 함께 주파수 분석 결과로부터 파악할 수 있는 첫 번째 진동 특성은 전동 모터와 팬의 회전주파수 1X 성분이 고진동 문제에 주요하게 기여하고 있다는 것이다. Fig. 2(a)와 Fig. 2(b)에서 볼 수 있듯이 19.1 Hz와 20.3 Hz 주파수 성분은 각각 전동 모터와 팬의 1X 성분이며 운전 RPM과 정확히 일치하였다. 따라서 전동 모터의 고진동 문제는 상기한 원인들 중 하나인 것을 잠정적으로 추정할 수 있었다.

두 번째 파악할 수 있는 점은 팬 베어링과 지지대의 진동이 정상 범위 내외인 점과 비교하여 모터의 진동이 상대적으로 대두된다는 것이며 이는 전동 모터와 관련된 진동을 의심할 수 있는 사항이었다. 마지막 특징으로서 전동 모터 및 팬의 1X 성분이 아닌 25.4 Hz 성분의 진동이 확인된다는 점이다. 이 성분은 50-60초 주기를 바탕으로 Fig. 2(a)와 Fig. 2(b)에서 나타내었듯이 신호 크기가 홀로 크게 변동한다는 것이 특징이며 이를 통해 25.4 Hz 성분이 전동 모터의 속도 rms 값 변동에 직접적으로 기여하고 있음을 알 수 있었다.

3.4 충격 시험(Impact Testing) 및 설비진단 결과

관찰된 진동 특성 및 분석 결과와 함께 1X 성분이 발생하는 주요 기계적 결함 유형 중 더욱 세분화된 결함을 검출 및 구분하고 이를 위해 일차적으로 급배기팬 시스템의 공진주파수를 파악할 수 있는 충격시험(Impact testing)이 추가적으로 수행되었다. Fig. 3(a), Fig. 3(b)는 급기팬 시스템에 대한 수직 및 수평 방향 충격시험의 주파수응답함수(Frequency Response Function; FRF) 결과이다.

FRF 결과로부터 도출된 첫 번째 결과는 모든 FRF 결과 상에서 25.4 Hz의 고유진동수가 확인되었다는 것이다. 그러므로, 모터 진동에서 관찰되는 25.4 Hz의 성분은 팬 시스템의 공진 성분임을 명확하게 파악할 수 있었다. 또한, 50-60 초 간격으로 크기가 변동하는 맥동(Pulsation)의 특징을 근거하여 급기팬의 유량 변동과 같은 유동 특성에 연관된 것으로 분석되었으며 결국 유동과 관련된 광대역적 가진원(Excitation source)에 의해 공진(증폭)되는 것으로 판단되었다.

더불어, Fig. 3(b)에서 21.2 Hz의 고유진동수 성분이 확인되었고 이는 모터에서 확인되는 두 종류의 1X 진동 성분에 매우 인접한 것으로 확인되었다. 따라서, 1X 진동 성분이 발생하는 주요 기계적 결함 중 불평형과 편심 결함 등은 일차적으로 시스템의 공진 영역 외에서 구조적 결함 자체에 의해 고진동 현상을 발생시켜야 하므로 모터 고진동의 직접적 유발 원인은 공진 현상인 것으로 추정할 수 있었다. 더불어, Fig. 2의 주파수 스펙트럼 결과 상에서 2X 및 3X 성분이 거의 발생하지 않았다는 진동학적 특징을 근거로 하여 오정렬(Misalignment) 결함의 가능성은 배제하였고, 미약하지만 모터 측의 불평형 문제가 이차적 영향으로 기여할 가능성 역시 존재하는 것으로 판단되었다. 결과적으로, 방진 스프링 마운트 상에 설비된 팬 시스템의 고유진동수 대역에서 급기팬의 회전수가 운전되고 있기 때문에 공진 현상에 의해 모터의 진동이 증폭되는 것으로 확인되었으며 이외 베어링, 풀리, 벨트와 같은 다른 부품의 건전성과 상태는 정상인 것으로 파악되었다. 따라서, 모터 진동을 저감시키기 위해서는 공진 회피가 일차적으로 필요할 것으로 사료되었다.

Fig. 3 Measured FRF results of the air-supply fan system((a): vertical impact, (b): horizontal impact).

회전체의 공진 문제는 불평형과 오정렬과 함께 매우 빈번히 일어나는 고장 유형 중 하나이며⁽¹²⁾, 이러한 진동 기반의 설비진단 실제 사례는 산업계 전반의 다양한 회전기기들을 통해 다년간 검증된 기술인만큼 국내 핵주기 시설의 급기팬에서도 고진동 문제의 검출과 함께 공진 현상과 같은 구체적 결함 유형 판별이 동일하게 적용가능하다는 것을 다시 한 번 입증하는 결과이다. 따라서, 이러한 분석을 바탕으로 DUP 팬에 대한 진동 진단 시스템의 현장 도입 검토를 추가적으로 수행하였다.

4.1 시스템 구성

본 연구에서 현장 도입이 고려된 고배기팬(DUP 팬)의 진동 진단 시스템은 크게 가속도계, 디지털 진동신호수집장치, 분석진단 소프트웨어로 구성된다. 여기서, 가속도계는 Fig. 1(b)에서와 같이 베어링, 모터, 지지대 상에 각각 1개씩 설치되어 DUP 팬 1세트에 모두 설치되었으며, 100 mV/g의 민감도와 1.5-13,000 Hz의 측정주파수 대역을 형성하므로 ISO 20816-3에서 제시되는 10-1,000 Hz의 측정기기 성능 규정을 충족한다. 진동신호수집장치는 25,600 Hz의 수집이 가능하고 16채널 동시측정이 가능하다. 마지막으로, Fig. 4는 분석진단 소프트웨어의 홈화면을 보여주고 있으며 DUP 팬의 진동 감시 위치와 진동 상태를 직관적으로 나타내고 있다.

4.2 진동 상태감시 및 분석 기능

감시 조건으로서 진동신호수집장치에서 실시간으로 진동 신호의 rms 값을 계산하여 소프트웨어 상에서 1초 간격으로 출력 및 저장된다. 여기서, 진동 신호의 rms 값으로서, ISO 20816-3에서 제시되는 주파수 측정 대역을 근거로 하는 ISO-RMS부터 1-10 kHz의 고주파수 대역만을 감시하는 HIGH-RMS 기능, 가속도 rms 계산 기능들이 구현되었고 Fig. 4(a) 및 Fig. 4(b)에서 확인할 수 있다.

또한, 진동 신호의 분석을 위해 모든 채널의 Raw 데이터는 1시간 간격으로 5초간 수집(Sampling)하여 누적 저장되며 Fig. 4(b) 하단부에서 볼 수 있듯이 진동 시간 이력과 함께 주파수 분석 결과가 동시에 제시된다. 주파수 분석에서는 차수 분석(Order analysis) 기능이 구현되어 1X, 2X, 3X 등의 회전주파수 성분들의 특성 감시를 할 수 있고 이를 통해 일차적 FDD가 가능함을 확인하였다.

Fig. 4 CBM system for DUP fan system((a): layout, (b): frequency spectrum and order analysis).

4.3 도입 검토 결과

현장 도입이 검토된 진동 진단 시스템을 통해 DUP 팬의 진동을 실시간으로 감시하고 변화 추세와 특성을 확인함으로써 팬 시스템의 건전성과 운전 상태를 직관적으로 확인할 수 있었다. 또한, 주파수 분석 및 차수 분석 기능 등을 통해 일차적인 FDD가 가능함을 파악하였고, 이를 통해 DUP 팬의 이상 추세 발견시 고장 유형에 따른 사전 대처와 대응이 가능할 것으로 사료되었다.

더불어, 베어링과 같은 부품에 대한 잔류수명(Residual Useful Life; RUL) 예측 기술은 진동 진단 시스템을 통해 베어링의 진동 신호가 자동으로 누적되고 DUP 팬은 휴지기 없이 연속 상시 운전되기 때문에, 장기간 운전에 따라 충분히 누적된 대량의 진동 데이터를 바탕으로 딥러닝 기반의 RUL 예측진단 기술 개발에 직접적으로 활용할 수 있을 것으로 평가되었다.^(13,14)

마지막으로, 진동 기반의 상태진단기법은 시설 전체의 전역적 공조설비 진단이 아닌 국부적 단일기기인 급배기팬으로만 한정되는 한계가 있다. 다시 말해, 댐퍼 개도 이상, 덕트 누설, 열교환기 성능 저하, 필터 오염과 같은 전역적 공조설비의 결함들은 팬 측의 단일 진동 측정만으로 진단하는 것은 사실상 불가능하다. 그러므로, 전역적 공조설비의 결함 및 성능열화 진단을 위해서는 유량, 차압, 온도 등의 다양한 운전데이터 기반 융복합진단 기술, 전역적 공조설비의 전산모델링, 시스템 레벨 진단 기법 등의 연구가 추가적으로 필요할 것이다.