ISO 20816-4 핵심 요약: 가스터빈 진동의 통합 평가 기준
ISO 20816-4는 출력 3MW 초과, 유막 베어링(fluid-film bearing)을 사용하는 육상용 가스터빈 세트의 기계적 상태를 평가하기 위한 최신 국제 표준입니다. 이 표준의 가장 큰 특징은 기존에 분리되어 있던 두 가지 핵심 진동 평가 기준을 하나로 통합했다는 점입니다. ISO 10816-4: 베어링 하우징 등 비회전체의 진동 (진동 속도) ISO 7919-4: 회전하는 축 자체의 진동 (진동 변위) 따라서 ISO 20816-4는 가스터빈의 건전성을 ‘외부 구조물’과 ‘내부 회전축’의 관점에서 동시에, 그리고 종합적으로 평가하는 현대적인 진단 기준을 제시합니다.
주요 변경점 및 핵심 개념
- 통합 평가: 구조물 진동 + 축 진동
과거에는 베어링 하우징 진동(구조물)과 축 진동을 별개의 표준으로 관리했지만, 이 둘은 상호 보완적인 정보를 제공합니다. 베어링 하우징 진동 (진동 속도, mm/s RMS): 베어링을 통해 구조물로 전달되는 전반적인 진동 에너지를 나타냅니다. 기계의 불평형, 축 정렬 불량, 기초 불안정 등 전체적인 문제를 파악하는 데 유용합니다. 축 상대 진동 (진동 변위, µm peak-to-peak): 베어링 내에서 축이 얼마나 흔들리는지를 직접 측정합니다. 베어링의 마모, 오일 휩/월(Oil Whip/Whirl)과 같은 유막 불안정, 축 균열 등 회전체 자체의 동적 거동을 파악하는 데 결정적입니다. 이 두 가지를 함께 평가함으로써, 한쪽에서는 나타나지 않는 문제를 다른 쪽에서 발견하여 더욱 정밀하고 신뢰도 높은 설비 진단이 가능해졌습니다.
- 명확해진 적용 범위
이 표준은 모든 가스터빈에 적용되지 않으며, 적용 대상이 명확히 규정되어 있습니다. 적용 대상: 출력 3MW 초과, 유막 베어링 사용 가스터빈 적용 제외 대상: 항공기 파생형(Aero-derivative) 가스터빈 (경량 구조와 다른 동적 특성으로 별도 기준 적용) 초대형 가스터빈 (일반적으로 40MW 초과 및 1500, 1800, 3000, 3600 RPM으로 운전) → 이들은 ISO 20816-2 적용 구름 베어링(Rolling-element bearing) 사용 가스터빈
진동 평가 기준: 평가 구역 (Evaluation Zones)
기계의 상태는 측정된 진동 값에 따라 4개의 구역(Zone)으로 나뉩니다. Zone C는 보통 ‘경보(Alarm)’, Zone D는 ‘설비 정지(Trip)’ 수준으로 설정됩니다. 아래는 정상 운전 상태에서의 일반적인 평가 기준 예시입니다.
표 1: 베어링 하우징 진동 평가 기준 (진동 속도, mm/s RMS)
표 2: 축 상대 진동 평가 기준 (진동 변위, µm Peak-to-Peak)
엔지니어를 위한 실무적용 포인트
종합적 데이터 확인: 진동 문제 발생 시, 베어링 하우징 진동 값만 보지 말고 반드시 해당 위치의 축 진동 데이터를 함께 비교 분석해야 합니다. 예를 들어, 하우징 진동은 낮은데 축 진동만 높다면 베어링 내부의 문제일 가능성이 큽니다. 경보(Alarm) 설정의 근거: 설비 감시 시스템(CMS)의 진동 경보 및 트립 값을 설정할 때, 위 표의 Zone B/C와 C/D 경계값을 기본 근거로 활용할 수 있습니다. 이는 제작사 기준과 함께 교차 검토하여 최적의 설정값을 찾는 것이 중요합니다. 상태 변화 감지: 진동 값이 기준치 이내에 있더라도, 단기간에 25% 이상 급격히 증가했다면 이는 기계적 결함의 징후일 수 있으므로 즉시 원인 분석에 착수해야 합니다. 베어링 간극(Clearance) 고려: 축 진동 평가 시, 측정된 진동 변위(µm p-p)가 베어링의 설계 간극과 비교하여 과도하게 크지 않은지 반드시 검토해야 합니다. 진동 값이 C/D 경계값보다 낮더라도 베어링 간극의 70%를 초과하는 등 이상 징후가 보이면 위험할 수 있습니다. 결론적으로 ISO 20816-4는 가스터빈 진동 관리를 더욱 정교하고 신뢰성 있게 만들어주는 강력한 도구입니다. 이 표준을 정확히 이해하고 현장에 적용함으로써 설비의 안정성을 한 단계 높일 수 있습니다.