발전 플랜트 급수 시스템 배관 지지대 유형 선정 최적화

Abstract

본 연구에서는 발전 배관 지지대에 대해 최적화 알고리즘 적용이 가능한지 확인함으로써 지지대 비용을 자동으로 최적화할 수 있는지 여부를 검토하였다. 설계 변수는 지지대 유형을 선정하였고, 구속조건은 지지대별 허용 하중값, 노즐별 허용 하중 및 모멘트값, 배관 응력비를 사용하였다. 목적함수는 지지대의 유형 및 설치되는 배관의 구경에 따라 산정된 총 지지대 비용을 최소화하는 것으로 두었다. 지지대 유형의 최적화를 위한 알고리즘으로는 유전자 알고리즘과 CMA-ES(Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy)를 사용하였다. 지지대 유형 선정 문제는 이산 문제로 다뤄질 수 있으며, 이러한 문제에 가장 많이 사용하고 있는 유전자 알고리즘과 수렴속도를 개선한 CMA-ES를 함께 문제에 적용하여 결과를 비교하였다. 또한 유전자 알고리즘으로는 초기 조건를 다르게 하여 초기 조건에 따른 개선 결과를 함께 분석하였다. 지지대 유형에 따른 설계 타당성 여부를 분석하기 위한 CAE(Computer Aided Engineering) Tool은 상용 배관 해석 솔루션인 Bentley사의 Autopipe를 사용하였다. Autopipe에서 배관 시스템 및 각 지지대들을 3D Element 형태의 유한 요소 모델(Finite Element Model)로 작성하였고, 기 정의된 15개의 Load Case에 대해 해석을 수행하여 설계 타당성 여부를 판단하였다. 최적화를 위해서는 최적화 전문 솔루션인 피도텍의 PIANO를 사용하였으며, PIANO와 Autopipe간 Interface를 개발하여 지지대 유형 변경 및 해석 결과값 취합 과정을 자동화하였다. 설계 변수로 지정된 지지대의 개수는 총 60개였고 각 지지대는 6개의 유형으로 선정이 가능하다. 총 660의 전체 경우의 수 중 설계 가능한 시간적 제약을 고려하여 50000번정도의 연산안에 비용이 절감된 Case를 찾는 것이 가능하다면 설계 최적화가 가능하다는 가정을 하였다. 이상의 비교 분석을 통해 발전 배관 지지대의 최적화가 가능함을 확인할 수 있었으며, 해당 문제에 적합한 최적화 알고리즘을 선정할 수 있었다. 또한 초기 조건에 따른 개선율의 정도를 비교함으로써 초기 조건의 선정이 문제에 어떠한 영향을 주는지 확인하였다. 이러한 연구 과정을 통해 비용 절감을 위한 지지대 유형 선정 최적화의 가이드 라인을 제시하였다