Technical Report

불시에 찾아오는 냉각탑 기계 고장예방법

냉각탑 기계 부품이 스트레스를 받고 성능이 저하되는 원인 중 두 가지는 하중 변화와 회전하는 대형 팬 날개다. 무선 진동 기술은 잠재적인 문제점을 확인하고, 유지보수 일정을 관리하여, 예측하지 못한 가동 중단을 예방할 수 있다.

Cranford Johnstone, Reliability Solution Manager
에머슨 프로세스 매니지먼트

에머슨의 CSI 9420 무선 진동 트랜스미터

냉각탑과 환풍기는 발전소와 정유공장, 석유화학공장 내에서 재사용되는 공정 용수를 냉각시키는 데 널리 사용되는 중요한 자산이다. 냉각탑은 냉각액을 증발시켜 열을 식힌다. 냉각액은 냉각탑 상단에서 통풍 선반들을 따라 폭포처럼 흘러내린다. 환풍기는 이 선반을 통해 떨어지는 물 사이로 신선한 공기를 끌어들인다. 공기는 모이고, 걸러지고, 운반 시스템으로 돌아가 열기가 가득한 액체를 차게 식힌다.

일반적으로 냉각탑은 AC 모터와 환풍기를 가동하는 기어박스와 그와 연결되는 긴 샤프트(shaft)로 구성된다. 환풍기와 구동부는 냉각탑의 다른 부품보다 마모가 더 심하다. 이 두 부분은 다양한 하중 조건에서 가동되는데, 어떨 때는 짧은 시간 동안 절정 하중에서 가동되기도 하고 장시간에 걸쳐 다양한 하중을 받기도 한다. 이 때문에 기계 부품의 성능이 저하되고 고장으로 이어지기도 한다. 그 외에 회전하는 장비와 베어링 및 기어 고장, 어긋난 구동축, 과잉 진동 등은 흔히 발생하는 고장이다.

냉각탑의 성능 및 상태에 대한 예측 정보도 그만큼 부족하다. 진동 모니터링은 점점 커져가는 문제를 진동을 통해 ‘듣기’ 위한 중요한 방법이고, 진동 모니터링을 위해 가장 널리 사용되는 방법은 주기적으로 수동 측정하는 방식이다. 데이터를 검토해 줄 분석 담당자가 있으면 이런 주기적인 점검을 통해 많은 고장을 미리 탐지할 수 있다. 그러나 이런 작업을 하는 담당자는 측정 중간에 불시에 일어나는 장애와 그로 인해 가용성과 수익성에 나타나는 심각한 변화에 취약한 플랜트에 상시 대기하며 관리할 수 없다.

냉각탑이 가동 중일 때는 설계상의 문제 때문에 유지보수 인력이 접근할 수 없어 기어박스에서 상태 정보를 수집할 수가 없다. 이는 곧 오랫동안 잠재적으로 문제를 일으킬 수 있는 결함이 간과될 수 있음을 의미한다.

냉각탑이 가동 중일 때는 기어박스에 접근이 어렵기 때문에 보통 진동 데이터 분석이 모터 문제를 해결하는 유일한 방법이다. 이 때문에 기계 전체를 아우르는 정보를 얻는 데 한계가 생기고 장비 상태를 보여주는 정확한 그림이 그려지지 않는다. 한정된 진단 데이터로는 근본 원인 분석이 어렵고 불완전한 데이터로는 유지보수 계획을 세우기가 어렵다. 특히 생산 일정, 예산, 허가, 부품 주문 등을 고려해야 할 때 그 한계는 더욱 크게 드러난다.

유지보수는 냉각탑 가동이 중단될 때만 수행할 수 있으므로 잠재적 결함을 사전에 알아차리는 것이 중요하다. 이 데이터를 이용하여 유지보수 작업 일정을 잡고 생산에 상당한 영향을 미칠 수 있는 예측하지 못한 가동 중단을 피할 수 있다.

온라인 모니터링

온라인 모니터링은 진동의 상태를 지속적으로 모니터링하여 정기 점검 사이에 생긴 문제를 관리한다. 이 정보는 이력 관리되어 유지보수 부서와 제어실 운전자들에게 제공된다.

온라인 모니터링 솔루션을 이용해 냉각탑의 상태를 판단할 수 있다 해도 많은 문제가 감시의 사각지대로 남겨지는데, 모니터링 시스템을 늘리기 위해 새로 장착되는 장비의 높은 가격 때문에 방치되는 영역이다. 무선 기술이 보다 비용효율적인 실행 솔루션으로 주목받게 되는 지점이 바로 여기다.

무선 모니터링은 제작, 시굴 및 배선 비용을 줄이거나 아예 제거한다. 또한 지지형 케이블 인프라가 없는 곳에서도 측정치를 얻을 수 있다. 잘 만들어진 무선 인프라는 비용효율적이고, 확장 가능하고, 설정하기 쉬운 솔루션을 제공하여 기존 제어 및 자산 관리 네트워크에 완벽하게 통합시킨다.

지속적인 기계 상태 정보

기계 상태에 대한 지속적인 정보를 통해 기계에 결함이 생기기 전에 문제를 감지한다. 에머슨의 스마트 무선(Smart Wireless) 솔루션인 CSI 9420 무선 트랜스미터는 냉각탑 기어박스와 모터 상태에 대한 이해를 돕는다. CSI 9420은 별도로 케이블을 연결하지 않고도 설치가 가능하며 기계 부품 성능에 대한 실시간 예측 진단을 보여준다. 진동 데이터는 자체 편성형 스마트 무선 네트워크를 통해 전달되어 케이블 설치 관련 비용을 절감한다.

진동 데이터와 경계 등급을 비교해 보면 자산 상태가 악화될 때 경고 표시와 함께 문제의 근본 원인이 표시된다.

트렌드 값은 해당 경계 등급에 따라 운전자에게 기어박스 또는 모터 상태의 악화를 알리고 근본 원인 분석을 지원한다. 자세한 정보는 고해상도 스펙트럼과 파형 자료를 통해 확인할 수 있다.

베어링의 질이 저하되면 냉각탑 기어박스와 모터가 고장 날 수 있다. 냉각탑에서 베어링에 가해지는 힘 때문에 결함은 급속도로 진행되고 급기야 마찰, 손상, 고장으로 이어진다.

에머슨의 PeakVue 기술은 전체 진동 및 온도 측정치를 이용해 베어링 결함을 조기에 찾아내고 장비에 생기는 추가적인 손상을 예방한다. 베어링과 기어박스 마모를 조기에 식별하기 위해 사용자는 PeakVue 기술을 이용하여 전체 진동 자료에서 stress waves 만 따로 분리할 수 있다.

필수 자산 모니터링

무선 장치로 다양한 데이터를 수집해 냉각탑의 상태를 파악하는 것도 가능하다. 예를 들어, 냉각수가 증발되면 불순물의 농도는 짙어진다. 불순물 농도가 짙어지면 침전물이 쌓인다.

무선 전도성 트랜스미터는 불순물의 농도를 표시하여 배출량 조절을 가능하게 한다. 고성능 유량 계측기는 냉각탑 운전에 대한 이해를 돕고, 냉각수 공급 및 환원수는 냉각탑의 성능을 나타내며 관련 펌프 문제를 표시한다.

무선 DP 유량계는 유량을 추가로 측정할 필요가 있을 때 사용한다. 정확하고 믿을 수 있는 온도 계측은 냉각탑과 환풍기에서의 열 전달 효율을 결정하는 데 매우 중요하며 무선 온도 트랜스미터는 낮은 설치 비용으로 냉각탑의 성능을 최적화할 수 있다.

에머슨의 냉각탑 상태 모니터링 솔루션으로 진동, pH, 유량 및 온도 측정값을 같은 무선 네트워크 상에 공유하여 활용할 수도 있다.

사례연구: 화학 플랜트 냉각탑 모니터링

포르투갈 석유화학공장은 무선 진동 모니터링이 적용되어 냉각탑 환풍기와 펌프에 생길 잠재적 문제를 관리하고 있다. 이 플랜트의 냉각탑은 9개의 셀로 이루어져 있는데 각 셀마다 모터와 환풍기, 기어박스, 물 펌프 8개를 포함하고 있다. 이 탑은 제조 공정 및 보조 시스템에 매우 중요하며 가동되는 셀의 수를 수요에 따라 유연하게 결정하고 있었다.

냉각탑 내의 펌프와 환풍기는 온라인 모니터링 시스템에 연결되어 있지 않았었는데 진동 데이터를 얻기 위해 2주마다 휴대용 장치를 손에 들고 수동으로 계측하고 오프라인으로 데이터를 분석했다. 환풍기 모니터링은 냉각탑이 가동 중일 때 유지보수 팀이 셀에 들어갈 수가 없어서 특히 어려웠다.

회사는 자동화 상태 모니터링 시스템을 설치하여 이 문제를 극복하기로 했다. 미리 정해진 시간 간격 내에 데이터를 수집하고 전채 영역과 평균 및 최대 진동 값을 제시하여 잠재 결함을 식별하기로 하고 유선 및 무선 모니터링 솔루션과 유/무선 혼합이 모두 고려하였다.

새로운 배선에는 시간과 비용이 너무 많이 소요되어 다양한 시스템을 비교해 본 후  회사는 에머슨의 무선 진동 모니터링 솔루션을 선택했다. 사전 계획에 따라 공장 가동을 중단시키고 송풍기 8대와 펌프 9대에 진동 센서를 3개씩 설치했고(총 51개) 에머슨의 CSI 9420 무선 진동 트랜스미터 34대(환풍기/펌프 당 2대)를 각 센서에 연결시켰다.

무선 트랜스미터에서 게이트웨이를 통해 기존 DCS로 데이터가 전송되면 제어실의 운전자는 기기 전체의 진동 및 PeakVue 값을 볼 수 있다. 경보음을 설정할 수 있어 운전자는 잠재적 장비 상태 문제를 통보 받고 유지보수 팀이 파견되어 검사 및 필요한 수리를 수행한다. 운전자는 또한 무선 시스템 상태 데이터와 통신 및 일반 시스템 고장 경보, 배터리 경보 등에 관한 정보를 제공받는다.

현재 회사는 유용한 데이터를 많이 수집하고 있으며, 더욱 핵심적 결과는 냉각탑 장비 상태를 제어실 안에서 간편하게 육안으로 확인할 수 있게 되었다는 점이다.