풍력 터빈의 예방정비에 활용되는 열화상 기술

풍력 발전 단지가 노후화되고 보증 기간이완료됨에 따라 소유자와 운영자가 예방 유지보수를 수행해야 하는 중요성이 높아지고 있습니다. 만약 운영자가 임박한 구성요소 고장을 사전에 찾아낼 수 있다면 비용이 많이 드는 고장 수리 및 가동 중단 시간을 피할 수 있습니다. 열화상 기술은 이러한 고장을 한 눈에 감지하는 데 효과적이며 심지어 작동 중에도 가능합니다.

풍력은 여러 해 동안 호주의 발전량에서 한 몫을 단단히 하고 있습니다. 풍력은 호주의 주요 재생 가능 에너지원 중 하나로 국가 총 전기 수요의 7.1%에 해당하는 충분한 전기를 생산하고 있습니다. 2018년 말, 호주는 94개의 풍력 발전 단지에서 6GW에 달하는 전력량을 공급했습니다.

최근 몇 년간 풍력 발전량의 폭발적인 증가세에 힘입어 그 수가 급격하게 늘어난 터빈의 제조업체 보증 기간 만료가 다가오고 있습니다. 이런 상황은 운영과 유지보수를 비용 효율적으로 해야 하는 소유주에게 불가피한 재정적 위험이 됩니다.

효율적인 예방 유지보수

풍력 터빈 설치의 안정성과 수익성을 재고하려면 보증 기간이 끝난 후에도 유지보수는 필수적입니다. 유지보수 비용을 줄이고 비용 효율성을 높이기 위해 최근 점점 더 많은 운영자들이 유지보수 활동을 사후 대응 방식에서 예방 유지보수 방식으로 전환하고 있습니다.

풍력 터빈 구성요소는 마모에 약하며 이로 인해 고장이 날 수 있습니다. 그래서 예방 유지보수와 정기 검사가 매우 중요합니다. 안타깝게도 유지보수 비용이 많이 들 수 있으므로 예방 검사 체계는 최대한 효율적으로 만들어야 합니다. 운영 및 유지보수 비용은 풍력 터빈의 수명 동안 발생되는 kWh당 총 비용의 20~25%를 쉽게 차지할 수 있습니다.

열화상 카메라

열화상 방식은 작업자가 풍력 터빈과 주변 전기 시스템의 모든 전기 및 기계 구성요소를 검사할 수 있는 유일한 기술입니다. 일반적으로 전기 부품과 기계 부품은 모두 구성요소가 고장나기 전에 뜨거워집니다. 열화상 카메라는 고장이 발생하기 전에 이러한 온도 상승을 감지합니다. 이러한 과열 지점은 열화상 이미지에서 명확하게 보입니다.

열화상 카메라는 샤프트 부정합을 포함한 변속기 및 모터 문제뿐만 아니라 느슨한 연결부 및 부하 불균형과 같은 찾기 힘든 전기적 문제까지 보여줍니다. 이렇게 다양한 열화상 카메라의 기능을 통해 유지보수 작업자는 운영 중인 예방 유지보수 프로그램을 최대한 활용할 수 있습니다.

사례: 데드브레이크 엘보의 잠재적 고장 방지

데드브레이크 엘보 종단부는 보통 풍력 발전 단지 및 유틸리티 장비, 변압기, 정션박스 및 절연 스위치에 사용됩니다. 이런 유형의 종단부에 고장이 발생하면 인접 장비 손상 및 서비스 중단으로 인해 매우 위험하고 비용이 많이 들 수 있습니다.

아래는 고장난 데드브레이크 연결부의 예입니다. 이 경우, 손상된 구성요소가 약 15시간 동안 잠재적으로 25MW의 발전 손실을 유발할 수 있습니다.

1850KVA 변압기의 고장난 데드브레이크 엘보

종단부 고장은 조립 불량, 설치자 미숙 또는 엄격한 지침 미준수로 인해 발생할 수 있습니다. 환경 조건으로 인한 물질의 팽장, 수축 또는 이동도 종단부 고장으로 이어질 수 있습니다. 종단 접속부 단자함 아래의 사공간으로 얼음이 누적해서 형성되면 케이블을 짓 눌러 케이블에 응력을 가하게 됩니다. 겨울철, 장비에 동상융기가 발생하면 케이블 이동의 원인이 되어 잠재적 고장으로 이어질 수도 있습니다.

1850KVA 풍력 터빈 변압기에서 도체 안정화에 사용된 지지대

열화상 카메라로 시각화하면 데드브레이크 엘보의 이상이 열 손실로 명확하게 보입니다.

1850KVA 풍력 터빈 변압기에서 정기 IR 스캔 중 발견된 이상

아래 예제에서는 결함이 있는 종단부의 노출된 경우와 노출되지 않은 경우 간의 온도 차이를 확인할 수 있습니다. 첫 번째 테스트는 종단부를 의도적으로 손상시키고 75분간 100A의 전류를 가했습니다. 두 번째 이미지는 두 경우 간의 발열 패턴과 델타를 보여주기 위해 설치된 차폐 부트가 있는 동일한 종단부를 보여줍니다.

15분간 100A로 테스트. 베어 커넥터 44.2°C 대 차폐 부트 26.9°C~ΔT 17.3°C

45분간 100A로 테스트. 베어 커넥터 69.6°C 대 차폐 부트 35.7°C~ΔT 33.9°C

75분간 100A로 테스트. 베어 커넥터 72.3°C 대 차폐 부트 40.9°C~ΔT 38.4°C

사례: 터빈 블레이드 검사

풍력 발전기 블레이드는 복합 재료로 제조되며 가볍고 매우 견고합니다. 그러나, 제조 및 테스트 공정 중에 지속적으로 상당한 양의 스트레스를 받게 되면 균열이 발생할 수 있습니다. 최악의 경우, 블레이드가 작동 중에 고장나 로터에서 분리되어 생명을 위협하는 사고를 초래할 수도 있습니다.

열화상 카메라를 사용하면 작동 중에도 블레이드를 검사할 수 있습니다. 균열과 같은 결함은 물질의 열 특성을 바꿀 수도 있습니다. 이런 식으로, 육안 검사로는 찾을 수 없는 터빈 블레이드 복합재의 작은 변화를 적외선으로는 검출할 수 있습니다.

열화상 기술을 사용하면 분리, 번개로 인한 결함, 손상된 팁 및 광케이블 문제를 비롯한 다양한 이상을 감지할 수 있습니다. 또한 열화상 카메라를 사용하면 보닝 문제, 접착 누락 접합부, 블레이드 피치 오류까지 찾아낼 수 있습니다. 이러한 이상이 커지기 전에 초기 단계에서 감지하면 비용을 줄이고 심각한 손상을 방지할 수 있습니다.

열화상 방식의 장점

열화상 방식은 풍력 터빈의 열 특성에 대한 개괄적인 영상을 즉각적으로 제공하여 작업자가 결함을 한 눈에 볼 수 있습니다. 열화상 카메라를 사용하면 타워를 오를 필요 없이 지상에서도 검사를 할 수 있습니다.

정확성은 유지보수 작업자가 열화상 기술을 선택하는 가장 큰 이유일 것입니다. 열화상 카메라를 사용하면 블레이드의 외부 표면뿐만 아니라 블레이드 내부 더 깊은 곳의 결함까지 확인할 수 있습니다. 이런 결함은 궁극적으로 문제가 지속될 경우 고장의 원인이 되는 내부 결함입니다.

열화상 기술을 사용하면 검사자가 멀리서도 넓은 영역을 커버할 수 있습니다. 이렇게 되면 최소한 물리적/시각적 검사 횟수를 줄이고, 유지보수 작업의 속도를 높일 수 있으며, 보다 비용 효과적이 됩니다.

예방 유지보수용 FLIR 카메라

열화상 기술을 예방 유지보수 검사 루틴에 통합하면 풍력 발전 단지 회사들이 작동 조건 하에서 언제든지 장비를 모니터링할 수 있습니다. 예방정비일정에 열화상 영상 기기를 추가하면 많은 비용이 드는 예기치 않은 가동 중단으로 이어지기 전에 전기 및 기계적 문제를 포착하여 효율성을 개선하고 수익성을 극대화할 수 있습니다.

온도 이상의 경우, FLIR T1040 HD 열화상 카메라와 같은 휴대용 열화상 영상 기기를 사용하면 효율적으로 그 위치를 찾을 수 있습니다. 이 카메라는 가장 선명한 이미지와 가장 정확한 온도 그리고 최고의 유연성을 제공합니다. FLIR T1040 HD는 MSX®(Multi-Spectral Dynamic Imaging)와 UltraMax® 이미지 향상 기술, 그리고 적응형 필터링 알고리즘의 고유한 조합을 통해 사용자가 가장 자연스럽고 가장 상세한 이미지를 기록할 수 있습니다.