I. 서 론
최근 환경소음 공해에 대한 관심도가 높아지고 쾌적한 주거 및 근무환경을 요구함으로써 발전소 운영과 건설 시에 유발될 수 있는 소음에 대한 기준치가 강화되는 실정이다. 기존 연구에서는 발전소의 탈황설비 송풍기, 유인송풍기, 펌프, 연돌 등의 옥외설비 소음에 대한 주변 지역의 민원제기와 근무환경 개선을 위한 소음저감 설계 및 소음레벨 평가가 수행되었다.[1,2,3] 그리고 발전소의 옥외소음에 대한 평가 및 대책에 관한 연구[4]가 수행되었고, 옥외소음의 전파 및 소음을 총체적으로 관리하기 위한 소음지도에 관한 다양한 연구[5,6]가 진행되었다. 발전소 소음이 인근 주거지역에 미치는 영향을 평가하고, 방음벽 설계에 관한 연구[7,8]도 수행되었다. 발전소의 주요 기기가 밀집된 터빈실 내에서는 다양한 소음원이 존재하고, 복합 소음이 발생한다. 따라서 실내의 소음을 평가하고 관리하는 데 있어서 상당한 어려움이 있다. 이러한 터빈실 내에서 발생하는 소음은 연구 사례가 적으며, 실내소음을 총체적으로 관리하는 시스템은 개발된 사례가 없다. 발전설비 운전 중에 설비의 이상 시에 발생하는 소음은 작업자가 쉽게 인지하지 못하고, 주변 설비의 영향으로 해당 기기에 대한 소음레벨의 평가도 어렵다. 또한, 다수의 설비로부터 발생하는 소음은 근무자들의 일의 능률과 의욕 저하의 요인이 되고 있다. 발전소의 실내는 규모가 크고, 측정 위치마다 소음편차가 크다. 따라서 특정 지점 및 위치를 선정하고, 소음레벨 측정을 통하여 실내소음 분포를 분석하고 총체적으로 실내소음을 관리할 수 있는 시스템이 필요하다. 이를 위해 소음을 위치 정보와 함께 측정하여 소음지도를 제작할 수 있는 실내소음 매핑 시스템을 개발하였다. 실내소음 매핑 시스템을 개발하기 위하여 터빈실 내를 모델링하고, 선정된 지점의 소음레벨을 측정하고 실내 소음지도를 완성하였다. 그리고 소음지도와 실제 소음측정 결과와 비교하여 모델을 수정하고, 오차를 최소화하므로 모델의 신뢰성을 검증하였다.
II. 소음 매핑 시스템의 구성
시스템의 구성은 Fig. 1과 같이 하드웨어와 소프트웨어로 나뉜다. 시스템의 하드웨어는 소음측정 제어기, 소음측정 장치, 마이크로폰, 바코드 스캐너로 구성되며, 소프트웨어는 소음측정 소프트웨어와 소음지도 제작 소프트웨어로 구성된다. 바코드 스캐너의 위치 정보와 함께 마이크로폰이 부착된 소음측정 장치의 데이터로부터 소음측정 제어기에서 소음측정 및 소음지도 제작이 이루어진다. Fig. 2는 소음측정 프로그램을 나타낸다. 소음측정 소프트웨어는 마이크로폰을 이용하여 측정된 음압레벨 및 1/3 옥타브 밴드 스펙트럼을 표시한다.
또한, 바코드 스캐너로부터 측정 위치 정보를 포함하는 바코드 값을 읽어 음압레벨 및 1/3 옥타브 밴드 스펙트럼 결과와 함께 TCP/IP 통신을 이용하여 소음측정 제어기로 전송된다. 소음지도 제작 프로그램은 소음측정을 통하여 실내소음의 가시화 기능을 구현한 것이며, 효율적인 작업을 위하여 다음 3가지로 구성된다.
첫째는 Fig. 3에서 보인 바와 같이 소음지도 모델 및 환경 작성 프로그램이다. 여기서는 설계도면을 바탕으로 바코드 정보를 포함한 2차원(x, y) 좌표의 절점을 이용한 소음측정 지점의 모델링을 수행한다. 그리고 건물별 또는 격실별 각각의 모델을 효율적으로 관리하고 구조물에 의한 회절 및 감쇠를 고려한 요소 모델링 기능을 수행한다.
둘째는 소음측정 및 결과 가시화 프로그램으로 소음측정 환경 모델링과 결과 데이터 등을 가시화한다. 즉 소음측정 지점과 바코드 설정 및 소음측정 기능을 수행하고 1/1 또는 1/3 옥타브 밴드 스펙트럼 분석한다. 그리고 dB 간격별 일정 음압레벨선으로 소음을 가시화한다.
셋째는 데이터 모듈 프로그램으로 소음측정 결과의 가시화 프로그램과 데이터를 관리, 소음측정 데이터 및 소음지도 데이터를 출력한다. 그리고 소음원 추가 및 추가 측정 지점 등의 상황별 소음지도의 비교하는 기능을 수행할 수 있도록 Fig. 4와 같이 구성된다.
III. 터빈 실내의 2차원 모델링 및 소음지도
실내소음 매핑 시스템을 이용하여 발전소 터빈실 내의 소음지도 모델링을 수행하였다. 시험 대상영역은 발전소 터빈실로 하고, 각 격실의 요소형식은 실내로 정의하였다. 설계도면을 기준으로 실제 크기를 고려하여 길이 96.3 m와 폭 43.5 m로 정의하고 소음지도 모델을 생성하였다. Fig. 5와 같이 실내 구조물을 고려하여 2차원(x, y) 좌표의 입력된 절점을 이용하여 요소를 생성하였다. 공기압축기, 터빈발전기, 각종 펌프 등의 요소형식은 소음원으로 정의하였다. 구조물에 의한 회절 및 감쇠를 고려하여 작업실 및 사무실, 컨테이너 등의 방은 실내로 정의하고, 기둥과 지지대 등의 구조물은 제외영역으로 정의하였다. 이때 각 요소의 형식에 따라 황색 표시는 실내영역, 회색 표시는 제외영역 등 색상을 지정하여 요소를 구분하였다. 터빈실 내는 소음원 10개, 실내영역 1개, 제외영역 0개로 모델링하였다. 소음측정 지점은 설계도면을 바탕으로 각 격실을 대상으로 5 m × 5 m의 그리드로 나누어 형성된 질점의 2차원(x, y) 좌표를 입력하여 모델링한다. 측정 지점을 생성한 후에 설계도면의 위치 정보와 실측 데이터를 참고하여 측정이 불가한 지점은 제외하였다. 터빈실의 실내 소음지도 매핑을 위한 소음지도 모델 형상은 Fig. 5와 같다. 소음측정 지점의 수는 151개이며, 보라색 점은 소음측정 지점을 나타낸다.
실내 소음지도 모델링에 따라 실내소음을 측정하고, 소음지도 매핑 작업을 수행하였다. 실내 소음지도 매핑 시스템을 이용하여 Fig. 6과 같이 방풍망이 설치된 마이크로폰을 1.5 m 높이에서 설치하여 소음레벨을 측정하고, 1/3 옥타브 밴드 스펙트럼을 분석하였다. 소음계의 청감보정회로는 ‘A’특성, 소음계의 동특성은 ‘빠름’으로 125 ms를 사용하여 15초간 측정하였다. 이때 소음은 설계도면을 기준으로 모델링된 모델의 측정 지점별로 위치를 이동하면서 측정하였다. 실제 터빈실 내의 상세한 설계도면을 사용하였기 때문에 측정 위치에 대한 오차는 거의 없는 것으로 판단된다. Fig. 7과 같이 소음측정 데이터의 신뢰성을 높이기 위하여 동일 지점에서 2회씩 측정하여 1/3 옥타브 밴드 스펙트럼을 분석하였다. 발전소 터빈실 내의 모델과 측정한 소음 데이터를 이용하여 실내 소음지도 매핑 작업을 수행하였다. Fig. 8은 소음지도 매핑 시스템에서 일정 음압레벨선을 이용하여 0.5 dB 간격으로 소음을 가시화한 결과이다. 소음레벨이 높은 부분을 포함한 전체 영역의 소음 분포를 상세히 분석할 수 있다.
IV. 실내 소음지도 모델의 신뢰성
터빈실에서는 최대 소음레벨이 98.8 dBA이고, 최소 소음레벨이 83.3 dBA로 최대·최소 소음레벨이 15.5 dB 차이를 보이며, 5 m 이내로 여러 소음원이 밀집되는 지역이 존재한다. 이러한 일부 지역에서 실내 소음지도 모델과 실제 격실에서 발생하는 소음레벨의 오차가 발생할 수 있다. 따라서 실내 소음지도 모델의 신뢰성 검토가 필요하다. 터빈실 내의 주요지점에서 소음레벨을 측정하고, 실내 소음지도와 실측 소음레벨을 비교하여 실내 소음지도 모델의 신뢰성을 검토하고 모델을 수정하였다. 실내 소음지도 모델의 신뢰성 검토를 위하여 Fig. 9(a)에서와 같이 번호가 표시된 중앙지점 20개의 지점을 추가로 선정하여 소음을 측정하였다. 측정치와 소음지도 소음레벨의 차이를 Fig. 9(b)에 나타내었다. Table 1에 측정한 데이터와 소음지도의 소음레벨을 비교하였다. Table 1과 Fig. 9(b)에서 알 수 있듯이 20개의 지점 중에서 6개의 지점에서 ±1.0 dB 이상의 오차가 발생하였다. 특히, 3, 10번 지점에서는 각각 2.0, -2.8 dB로 ±2 dB 이상의 큰 오차가 발생하였다. 따라서 소음지도 모델의 오차가 발생하는 영역을 대상으로 추가 소음측정이 필요하다고 판단된다. 실내 소음지도 모델의 오차를 줄이기 위하여 모델링 수정 및 추가 소음레벨을 측정하였다. 앞에서 실내 소음지도 모델의 신뢰성 검토 결과에서 20개의 주요지점 중에서 6 ~ 9개의 지점에서 ±1.0 dB 이상의 오차가 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 소음레벨의 오차가 큰 주변 영역에 Fig. 10과 같이 26개의 소음측정 지점을 추가하여 수정모델을 수립하였다.
Table 1.
Comparison of the noise levels of the noise map with the measurement data.
그리고 주요 20개 지점에서 측정 데이터와 수정된 소음지도 모델의 소음레벨을 비교하였다. Fig. 11의 지점별 소음레벨의 차이를 보면, 기존 모델보다 수정 모델의 오차가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 또한, 20개 지점에서 모두 오차범위가 ±1.0 dB 이하의 수준으로 소음지도 모델의 신뢰성이 있다고 판단된다. Fig. 12는 수정된 모델을 이용한 터빈실의 소음지도 결과를 나타낸다.
소음지도 매핑 결과에서 소음이 우세한 3개의 지점을 선정하고, Table 2와 같이 각 지점 주변에서의 주요 소음원을 표시하였다. 지점 1, 2에서는 보일러 피드 펌프, 지점 3은 저압터빈의 위치이고, 해당 기기의 소음이 우세하다. 소음은 보일러 피드 펌프와 저압터빈 모두 98 dBA 이상으로 우세하다. 소음원의 주파수 특성을 1/3 옥타브 밴드로 분석하여 Fig. 13에 나타내었다. 지점 1, 2의 보일러 피드 펌프는 400 Hz ~ 10 kHz 주파수 영역에서 소음이 우세하다. 지점 3의 저압터빈은 63 Hz, 200 Hz ~ 4 kHz 주파수 영역에서 소음이 우세하다. 각 소음원 모두 특정 주파수 영역에서의 소음이 우세한 것이 아니라 중·고주파수의 넓은 영역에서 소음이 우세하다. 또한, 저압터빈의 경우에는 63 Hz의 저주파수 영역에서의 소음도 우세하다.
Table 2.
Major noise sources.
| points | noise sources | noise level [dBA] | frequency band [Hz] |
| 1 |
Main Boiler Feed Pump | 98.8 | 400 ~ 10 k |
| 2 |
Main Boiler Feed Pump | 96.3 | 400 ~ 10 k |
| 3 | LP Turbine | 98.3 | 63, 200 ~ 4 k |
Fig. 14에서와 같이 기존과 정기별 재측정 모델의 소음레벨을 비교하므로 실내소음의 변화를 점검할 수 있다. 그리고 Fig. 15와 같이 특정 지점의 1/3 옥타브 밴드별 주파수 특성의 변화추이를 분석하므로 주요 설비의 소음특성 변화를 평가할 수 있다. 발전소의 실내 소음지도를 완성하므로 소음분포를 가시화할 수 있고, 실내소음의 전달경로를 파악하여 설비 주변 소음의 효과적인 관리를 할 수 있다. 그리고 작업자의 노출소음도 평가, 과도한 소음원의 평가에 활용할 수 있으며, 기존과 재측정 데이터 모델의 소음레벨 비교, 1/3 옥타브 밴드별로 주파수 분석을 통한 기계 이상 및 설계 변경에 따른 소음관리가 가능하다.
V. 결 론
발전소 터빈실 내에서 발생하는 소음을 평가하기 위한 실내소음 매핑 시스템을 개발하였다. 발전소의 터빈실 내를 모델링하고, 선정된 지점의 소음레벨을 측정하여 실내 소음지도를 완성하였다. 그리고 소음지도와 실제 소음측정 결과와 비교하여 모델을 수정하고, 오차를 최소화하므로 모델의 신뢰성을 검증하였다. 실내 소음지도를 이용하여 실내소음을 가시화하고, 주요 소음원 평가 및 소음저감 설계에 활용할 수 있는 시스템이다. 발전 기계 및 설비 이상 또는 설계 변경에 따른 소음의 1/3 옥타브 밴드별로 주파수 분석 및 소음레벨을 비교함으로써 실내소음을 효과적으로 관리하고, 작업자의 노출 소음도 평가가 가능하다. 발전소 터빈실 내의 소음이 우세한 주변 지점의 소음원을 분석하였다. 향후 과도한 소음원에 대한 차폐 위치 선정 및 소음저감 설계에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
