렐리아윈드(ReliaWind) 고객 사례

렐리아윈드(ReliaWind) 고객 사례

EU 컨소시엄 렐리아윈드, PTC Windchill Quality Solutions를 사용해 차세대 풍력 터빈 개선

렐리아윈드 로고렐리아윈드(ReliaWind)는 향후 육상 및 해상 풍력 터빈을 설계, 작동, 유지보수하기 위해 PTC Windchill Quality Solutions를 사용하고 있습니다.

렐리아윈드 콘소시엄(EU)

렐리아윈드(ReliaWind)는 차세대 풍력 터빈의 도구, 모델 및 설계 가이드라인을 개발하기 위해 풍력 가치 사슬의 주요 이해관계자를 하나로 모은 최초의 전 유럽 프로젝트입니다. 유럽연합(EU) 각료 이사회는 2007년 3월 재생 가능 에너지 검토를 위한 첫 회의를 소집한 자리에서 "2020년까지 EU의 에너지 수요 중 최소 20퍼센트를 재생 에너지로 대체한다"는 데 합의했습니다.

EU 각료 이사회는 이 목표뿐 아니라 에너지 효율을 높이고 이산화탄소 배출량을 20퍼센트 절감한다는 2020년 목표를 달성하는 데도 풍력이 중요한 역할을 하리라 믿고 10명의 업계 및 학계 지도자로 구성된 컨소시엄을 발족하여 신뢰성에 초점을 맞춰 풍력 터빈의 설계와 작동, 유지보수를 최적화하기 위한 방안을 연구할 것을 주문했습니다. 우수한 차세대 솔루션을 개발하기 위한 노력의 일환으로 콘소시엄 구성원들은 현재의 풍력 터빈에서 얻은 신뢰성 및 유지보수성 데이터를 분석하여 향후 시스템 설계를 개선할 방법을 파악하고자 PTC Windchill Quality Solutions를 사용했습니다.

사례

2020년까지 EU 에너지의 최소 20퍼센트를 재생 가능 에너지로 대체하기 위해서는 해상 풍력 발전 단지(wind farm)를 개발하는 것이 무엇보다 중요합니다. 그러나 극심한 기상 변화, 극한의 하중 상황, 해상 기후, 염수, 접근의 어려움 등이 모두 해상 풍력 터빈을 설치하고 작동하고 유지보수하는 데 따른 리스크를 가중시킵니다. 해상 풍력 발전 단지 투자의 정당성을 높이기 위해 EU 각료 이사회는 풍력 터빈의 전반적인 신뢰성과 유지보수성을 최적화하는 것이 중요하다는 점을 깨달았습니다.

신뢰성과 유지보수성을 최적화하는 일은 결코 간단한 작업이 아닙니다. 풍력 터빈을 해상에 설치하기 위해서는 첨단 부식 방지 기술을 적용해야 하고 환경의 영향을 받지 않는 통제된 구역에 전기 장치를 배치해야 합니다. 또한 수리 시간을 줄이면서 동시에 접근 방법을 개선할 수 있는 해상 서비스 및 수리 작업을 수행할 수 있도록 유지보수 전략을 세워 바람과 파도의 상황에 따른 영향을 줄일 수 있어야 합니다.

터빈"신뢰성이 보장되는 설계"를 위해 EU 각료 이사회는 렐리아윈드 컨소시엄을 구성해 여기에 참여하는 10개 조직에 3년 동안 550만 유로를 지급하고 풍력 터빈을 설계, 구축, 유지보수하는 방법을 개선할 수 있는 솔루션을 개발하도록 했습니다. 총 770만 유로의 예산이 투입된 렐리아윈드는 풍력 터빈과 관련한 신뢰성 모델을 개발해 풍력 에너지 부문의 모든 이해관계자에게 제공하는 임무를 맡았습니다.

렐리아윈드는 이러한 모델을 사용해 개발 활동에 신뢰성 중심의 접근 방식을 적용하는 방법을 이해관계자에게 교육하는 일 외에도, 이 같은 연구가 2015년 이후로 형성될 새로운 터빈 컨소시엄에 영향을 주었으면 하는 바람에서 컨퍼런스, 워크샵, 웹사이트 및 미디어 이니셔티브를 통해 다른 조직을 대상으로 연구 결과를 교육하는 일도 맡았습니다.

해상 풍력 발전 단지의 이점

해상 풍력 발전 단지는 육상 풍력 발전 단지와 비교했을 때 다음을 포함한 수많은 이점을 제공합니다.

  • 해상은 육상에 비해 바람 패턴이 더욱 다양하므로 난기류의 일관된 특징을 파악하여 터빈 효율성을 개선할 수 있음
  • 해상은 낮 동안 바람의 양이 증가하는 경향이 있으므로 전력 수요가 많을 때 더 많은 전기를 생산할 수 있음
  • 인구 밀집 지역에 가까운 해상에 발전 단지를 개발할 수 있으므로 도심으로 전기를 전송하는 거리가 단축됨
  • 육상 풍력 발전 단지를 지원할 수 없는 EU 국가에 풍력 발전 기회를 제공할 수 있음
  • 조류 종에 미치는 환경적 영향이 감소함

해상 풍력 발전 단지의 신뢰성 과제

해상 단지는 중요한 이점을 제공하지만 다음과 같은 수많은 신뢰성 과제를 안고 있기도 합니다.

  • 육지에 비해 바람이 더 강하고 기후 변화가 심하므로 내구성이 더 강한 블레이드와 마스트, 기타 컴포넌트가 필요함
  • 신뢰성이 높은 컴포넌트만을 최소한으로 사용하는 설계가 필요하므로 전반적인 컴포넌트 수를 줄여야 함
  • 고장난 컴포넌트의 교체를 쉽게 하기 위해 모듈식 설계가 필요함
  • 표면과 내부 부품을 보호하기 위해 강력한 부식 방지 및 방수 기술이 필요함
  • 접근의 어려움과 비용으로 인해 서비스 횟수를 줄여야 하므로 가능한 한 많은 사전 예방적 차원의 유지보수를 자동화해야 함

목표

렐리아윈드의 주된 목표는 육상 풍력 발전 단지 구축에 비해 비용 면에서 우수한 해상 풍력 단지를 구축함으로써 풍력 산업을 발전시키는 것이었습니다. 육상 터빈의 경우 매년 한두 건의 고장이 통상적으로 발생하지만 해상 터빈은 다운타임 및 수리와 관련된 비용이 훨씬 높기 때문에 더욱 확실한 신뢰성이 보장되어야 합니다. 해상 풍력 발전 단지 개발에 대한 투자를 유치하기 위해서는 작동 가능성이 97퍼센트 이상이어야 합니다.

이 목표를 달성하기 위해 렐리아윈드는 육상 및 해상 터빈에 대해 다음과 같은 야심찬 정량적 신뢰성 목표를 세웠습니다.

  • 육상 터빈과 해상 터빈의 MTBF(평균 고장 간격)를 각각 10퍼센트와 20퍼센트씩 늘림
  • 육상 터빈과 해상 터빈의 MTTR(평균 수리 시간)을 각각 20퍼센트와 50퍼센트씩 줄임
  • 육상 터빈과 해상 터빈의 작동 가능성을 각각 97~98퍼세트에서 98~99퍼센트로, 85~90퍼센트에서 97~98퍼센트로 개선
  • CoE(에너지 비용)를 kwh 당 0.04유로 미만으로 절감

접근 방식

풍력 발전 터빈의 신뢰성에 대한 이해를 높이고 향후 설계에 긍정적인 영향을 미치기 위해 렐리아윈드는 현재의 시스템을 분석하고자 다음과 같은 통합된 접근 방식을 수립했습니다.

  1. 대표적으로 제조업체와 공급업체로부터 기존 터빈에 대한 고장 및 유지보수 데이터를 수집한 후 표준화하기 위해 PTC의 다양한 솔루션을 사용했습니다. PTC Windchill Prediction - 시스템 계층 구조를 정의하고 시스템, 서브시스템, 컴포넌트 수준에서 신뢰성 예측을 수행하여 고장률이 가장 높은 항목 파악
  2. PTC Windchill OpSim - RBD(신뢰성 블록 다이어그램)를 구성하고 수집한 데이터를 통합하여 작동 가능 시간, 작동 불가능 시간, MTBF, 고장률, 예상 고장 횟수, 평균 작동 불가능 시간, 총 다운타임, 고장 주기, 장애율 같은 성능 지표 계산
  3. PTC Windchill FMEA - 고장 형태, 원인 및 결과를 파악한 후 시스템에 미치는 잠재적 영향을 평가하여 위험도를 기준으로 허용 불가능한 영향을 제거 또는 최소화

결과

데이터 수집 및 표준화막대 그래프

  • 솔루션 소개 분석 결과를 좌우하는 것은 분석에 사용된 데이터의 품질입니다. 풍력 터빈 작동 가능 시간에 대한 과거의 연구는 품질이 의심스러운 개괄적 데이터만을 사용했기 때문에 현장의 터빈으로부터 양질의 고장 및 유지보수 데이터를 수집해서 준비하는 것이 급선무였습니다.
  • 활용 방법: 렐리아윈드는 풍력 발전 단지와 터빈 컴포넌트 제조업체로부터 데이터베이스, 고장 로그, 수작업 기록, 작업 오더, 월별 작동 보고서를 받은 후 표준 터빈 분류 체계와 공통 데이터 구조 서식을 개발했습니다.
  • 결과: 렐리아윈드는 데이터베이스를 생성하고 채운 후, 제조업체로부터 짧게는 1년에서 길게는 15년까지 운영되어 온 전 세계 250개 이상의 풍력 발전 단지에 관한 유효하고 유용한 현장 데이터를 얻었습니다. 290개 이상의 터빈에 대한 고장 데이터를 바탕으로 렐리아윈드는 터빈이 한 시간 이상 멈춰서 터빈을 재가동하려면 최소한 수동으로 재시작해야 하는 이상의 조치가 필요한 상황을 고장이라 정의했습니다. 고품질의 데이터를 확보하게 된 렐리아윈드는 PTC Windchill Quality Solutions를 사용하여 터빈 신뢰성을 분석하고 터빈 신뢰성에 대한 이해를 높일 수 있었습니다.

PTC Windchill Prediction

  • 솔루션 소개: 신뢰성 분석의 가장 일반적인 형태 중 하나인 신뢰성 예측은 부품 또는 컴포넌트의 고장률을 추산합니다. 이러한 고장률은 일반적으로 MIL-HDBK-217, Telcordia(과거의 Bellcore), IEC TR 62380과 같이 세계적으로 인정되고 있는 표준에서 얻은 계산 결과를 기반으로 합니다. 이러한 각각의 표준은 스트레스 강도, 부품 품질, 온도 및 기타 환경 요인으로 제공된 값을 토대로 컴포넌트 고장률을 계산할 수 있는 방정식, 다시 말해 고장률 모델을 제공합니다. 전체 시스템 고장률은 모든 컴포넌트 고장률을 합한 값입니다.
  • 활용 방법: 두 가지 일반 풍력 터빈 사양에 대해, 렐리아윈드는 12개의 개별 서브시스템을 시스템 정의로 통합한 후, 다양한 표준의 계산 모델을 비롯하여 동일/유사 컴포넌트의 현장 고장 데이터, 공급업체 데이터, 비 회로 및 기구 부품의 다양한 고장 데이터 안내서를 통합적으로 활용할 수 있는 PTC Windchill Prediction의 독보적인 기능을 사용해 예상 고장률을 계산했습니다.
  • 결과: 두 구성에서 고장률이 가장 높은 서브시스템은 로터 모듈, 피치 시스템, 파워 모듈, 나셀 모듈이었습니다. 이 정보를 가지고 렐리아윈드는 이러한 서브시스템을 변경해 신뢰성을 높일 방안을 조사하기 시작했습니다. 좀 더 신뢰성이 높은 컴포넌트를 사용하는 방안, 새로운 기술 또는 프로세스를 적용하는 방안, 전체 시스템 고장을 일으키는 단일 고장 지점을 없애는 방안 등이 고려되었습니다.

PTC Windchill OpSim(Optimization and Simulation)차트

  • 솔루션 소개 신뢰성 블록 다이어그램(RBD)은 포괄적인 신뢰성 및 유지보수성 측정 지표를 구하고자 정교한 수학 알고리즘을 사용하여 분석한 복잡한 시스템을 시각적으로 표현한 것입니다. 신뢰성 예측은 모든 컴포넌트가 연쇄적으로 구성된다고 가정하지만 RBD는 이중 시스템, 백업 시스템과 같은 내결함성 메커니즘을 고려할 수 있습니다.
  • 활용 방법: PTC Windchill OpSim에서는 병렬 및 연쇄 이중 시스템 및 백업 시스템을 쉽게 추가할 수 있으므로 렐리아윈드는 균형점을 찾는 연구를 실시해 이러한 시스템 설계 변경이 추가 컴포넌트와 유지보수 비용, 복잡성 가중이 확실시 될 만큼 작동 가능성에 영향을 줄 것인지 평가했습니다.
  • 결과: 일 년 동안 매달 결과를 도출하여(작동 시간: 8760시간) 연쇄 블록의 RBD를 구성한 렐리아윈드는 터빈의 시스템 고장률이 시간에 따라 일정하다는 것을 알 수 있었습니다. MTTR(평균 수리 시간)의 네 배에 해당하는 시간이 지나자 작동 가능성이 안정된 상태에 이르렀고, 이는 분석 측면에서의 작동 가능성 정의와도 일치했습니다. 렐리아윈드는 PTC Windchill OpSim의 고급 시뮬레이션 및 최적화 기법을 사용하여 이중 시스템과 예비 컴포넌트 같은 복잡한 시스템 시나리오를 분석했습니다. 그리고 터빈의 향후 상황을 예측할 수 있게 되면서, 작동 및 유지보수 비용을 줄이고 터빈의 가용성을 높이기 위해서는 유지보수 계획 및 리소스 일정 수립의 효율성과 사전 대비 능력을 얼마나 높여야 할지 파악할 수 있었습니다.

PTC Windchill FMEA

  • 솔루션 소개: FMEA(고장 형태 및 영향 분석)는 특정 시스템 수준에서 상향식 접근 방식으로 시스템 설계 및 성능을 분석하는 것을 말합니다. 여기에는 모든 잠재적 고장 형태를 파악하고, 각 형태의 최종 결과를 확인하며, 각 결과에 내포된 위험 요소를 평가해 제거하거나 예측 불가능한 위험 요소를 최소화하는 작업이 포함됩니다.
  • 활용 방법: 렐리아윈드는 컴포넌트 수준에서 시작하여 형태 심각도를 고려하는 부품 FMEA를 구성하면서 PTC Windchill FMEA와 함께 MIL-STD-1629를 사용했습니다. MIL-STD-1629는 전 세계 정부, 군사 및 상업 조직에서 고장 형태 위험도를 계산하고자 오랜 기간 사용해 온 표준입니다. 렐리아윈드는 순위 형태를 통해 터빈의 작동 가능성에 가장 많은 영향을 미친 고장 형태의 예측 불가능한 결과를 제거하거나 최소화하는 데 집중할 수 있었습니다.
  • 결과: 각 고장 형태의 발생 확률과 심각도 분류를 기준으로 확인된 81가지 형태를 위험도 측정 기준으로 나눈 렐리아윈드는 위험이 가장 높은 형태를 쉽게 파악함으로써 이러한 형태의 발생을 제거하거나 축소하는 데 필요한 수정 조치를 수립하는 데 초점을 맞출 수 있었습니다. 수정 조치에는 고장 감지 방법과 대재앙 수준의 위험한 형태를 보상할 수 있는 대안을 모색하여 신뢰성, 컴포넌트 수명, 터빈 작동 가능성을 극대화하는 작업이 포함되었습니다. 전력 생산과 중요 컴포넌트에 가해지는 하중을 최적화하기 위해서는 관리상의 제어, 진단, 예후를 위한 최고의 감지 기술을 구축해야 했습니다.

제공된 결과물

3년 프로젝트를 끝내기 전 렐리아윈드는 다음을 통해 제공 목표를 달성했습니다.

  • 여러 터빈 제조업체와 고객 간의 상호 작동 가능성이 보장되도록 공통된 프로토콜 및 표준 제공
  • 기술과 방법, 응용 프로그램을 일관된 원격 제어 및 모니터링 도구로 통합
  • 작동과 유지보수를 최적화하는 일관된 응용 프로그램을 개발하여 터빈 작동 가능성 극대화 및 풍력 에너지 비용 최소화
  • 신뢰성 중심의 접근 방식을 향후 설계 활동을 적용하는 데 필요한 도구에 대해 파트너와 기타 이해관계자에게 교육 제공
  • 컨퍼런스, 워크샵, 웹사이트, 미디어 이니셔티브를 통해 프로젝트 결과를 EU 풍력 에너지 부문에 전달

결론

PTC Windchill Quality Solutions처럼 완벽하게 통합된 신뢰성 분석 도구의 이점은 여러 분석 모듈에서 단일 데이터 소스를 사용할 수 있다는 점에 있습니다. PTC Windchill Quality Solutions를 사용하면 오류 발생 가능성이 높고 시간 소모가 많은 중복 데이터 입력 프로세스를 없앨 수 있을 뿐 아니라 기존의 정보를 효과적으로 사용하여 신뢰성 예측 계산 시 실질적인 결과를 제공함으로써 새로운 시스템 설계의 개발을 지원할 수 있습니다.

PTC Windchill FMEA 및 Fault Tree 모듈은 계산된 시스템 측정 기준을 위험 분석에 대한 정보로 활용할 수 있으므로 부품 고장으로 인해 시스템이 위험한 상태에 놓일 확률과 그 심각도를 수량화할 수 있습니다. 여러 PTC Windchill Quality Solutions 모듈을 사용하는 완벽한 통합 분석은 시스템 신뢰성의 다양한 측면을 동시에 고려하므로 시간이 절약되고 분석 활동의 효율이 향상됩니다.

사례 연구 출처: ReliaWind EWEA2011 Side Event: "Improving Turbine Reliability", Brussels, 15 March 2011, "Design for Reliability - a FMEA Study" Stefano Barbati, Luca Barbati 공동 저, 구 Relex Software Corporation Italia, 이탈리아