KR100187811B1 - 부분아아크 증기터어빈의 제어단 블레이딩의 충격부하 감소방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

부분아아크 증기터어빈의 제어단 블레이딩의 충격부하 감소방법

제1도는 증기터어빈의 제어에 대한 한 종래기술의 방법의 특징을 나타내는 연속적인 증기 흐름대 열소비율에 관한 곡선.

제2도는 증기터어빈의 제어에 대한 다른 종래기술의 방법의 특징을 나타내는 곡선.

제3도는 제2도의 방법에 관한 부하함수 로서의 드로틀 압력을 예시하는 도표.

제4도는 제2도의 방법에 관하여 계산된 효율향상을 예시하는 도표.

제5도는 본 발명의 방법을 이행하기 위한 한 형태의 시스템에 대한 예시도.

제6도는 본 발명의 한 형태에 따라 증기터어빈을 작동하는 방법을 예시하는 도표.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

54 : 보일러 58 : 제1과열기

62 : 최종 과열기 64 : 보일러 제어기

68 : 재열기 72 : 응축기

76 : 발전기 80 : 터어빈 제어기

86 : 부하 88 : MW 변환기

92 : 최적 터어빈 효율 제어기

본 발명은 증기터어빈에 관한 것으로, 특히 부분 아아크 유입(partial-arc admission) 증기 터어빈의 열소비율(효율)을 향상시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

많은 다단 증기 터어빈의 출력은 고압 터어빈 입구에서 증기압을 감소시키기 위해 증기 발생기로부터 주 증기흐름을 드로틀(throttle) 하므로써 제어된다.

위와같은 드로틀법을 활용하는 증기터어빈은 모든 증기입구 노즐챔버가 모든 부하상태에서 유효하기 때문에 전 아아크(full arc)터어빈으로서 종종 불리워진다.

모든 입구노즐을 통해 증기를 받아들임으로써, 전 아아크 터어빈의 입구단, 예를들면 제1제어단을 가로지르는 압력비는 전 아아크 터어빈에서 증기입구압력과는 무관하게 일정하게 나아있다.

그 결과, 제어단을 가로질러 출력발생에 대한 기계효율은 최적화될 것이다.

그러나, 출력이 전 아아크 터어빈에서 감소될 때, 효율, 즉 증기 발생기와 터어빈 출력장치 사이의 증기워크 사이클에 대한 이상 효율에 있어서 전체적인 감퇴가 있다.

왜냐하면, 드로틀링이 작업을 수행하는데 이용할 수 있는 에너지를 감소시키기 때문이다.

일반적으로, 전체 터어빈 효율, 즉 실제효율은 터어빈의 이상효율 및 기계효율의 결과이다.

터어빈 출력에 대하여 드로틀링법에 의해 달성될수 있는 것보다 훨씬 더 효과적인 제어는 터어빈 입구에서 분리되고 개별적으로 제어가능한 유입아아크로 들어가는 증기를 분배하는 기법에 의해서 실현되었다. 부분 아아크 유입으로서 알려진 이 방법에 있어서, 유효한 제1단 노즐의 수는 부하변화에 응하여 변화된다. 부분 아아크 유입 터어빈은 비교적 높은 이상효율이 전 아아크 유입의 드로틀링에 의한 것보다 오히려 최소의 드로틀링으로 개별 노즐 챔버를 통해 증기를 연속적으로 허용하므로써 달성될 수 있기 때문에 전 아아크 터어빈보다 유리하다는 것이다. 이 높은 이상효율에 대한 이점은 전 아아크 터어빈 설계의 제어단을 가로질러 이룰 수 있는 최적기계 효율보다 일반적으로 훨씬 더 유리하다는 것이다. 출력을 변화시켜 부분 아아크 유입을 이용하는 전체 다단증기 터어빈 시스템은 전 유입 아아크를 가로질러 증기를 드로틀하는 시스템보다 높은 실제 효율을 가지고 작동한다. 그러나 종래의 부분 아아크 유입 시스템은 제어단을 가로질러 작업출력의 효율을 제한시키는 어떤 불리한 점을 가지는 것으로 알려져 있다.

이와같은 몇몇 제한은 예를들면, 회전 날개깃이 증기를 허용하지 않는 노즐 블레이드 그룹을 통과함에 따라 발생되는 불가피한 윈디지(windage) 및 난류(turbulence)와 같은 기계적 구속(mechanical constraints)으로 인한 것이다.

또한, 부분 아아크 유입 시스템에서, 증기가 다수의 밸브챔버를 통해 연속적으로 허용됨에 따라 압력강하(그 결과로서의 압력비)는 노즐 블레이드 그룹을 가로질러 변화하는데 최고 압력강하는 최소 밸브점(가능한 최소수의 조속기 또는 제어밸브가 개방됨) 그리고 최소 압력강하는 전 유입시에 각각 일어난다.

제어단을 가로질러 압력차에 반비례하는 열역학 효율은 최소 밸브점에서 가장 낮고 전 유입시 가장 높다. 따라서, 전 아아크 터어빈뿐만 아니라 부분아아크 터어빈에 대한 제어단 효율은 출력이 정격부하 이하로 강하될 때 감소한다.

그러나, 가변압력이 부분 아아크 터어빈의 노즐을 가로질러 강하한다면, 부분 아아크 유입시스템에서 흔히 발견되는 설계특징은 터어빈의 전체효율을 증가시키도록 개선될 수 있다고 생각된다.

제어단은 대부분의 압력강하가 고정노즐을 가로질러 발생되는 충격단이기 때문에 노즐효율에 있어서의 1 퍼센트 향상은 회전 날개깃의 효율에 있어서의 1 퍼센트 향상으로서 제어단 효율에 대해 4 배의 효과를 가질 것이다.

제어단 노즐의 성능을 적당히 향상시키는 터어빈 설계라도 부분 아아크 터어빈의 실제 효율을 상당히 향상시킬 것이다. 이들의 정격부하시, 부분 아아크 터어빈의 실제 효율에 있어서의 0.25 퍼센트의 증가라도 매우 큰 에너지절약을 가져올 수 있다.

부분 아아크 터어빈의 슬라이딩 또는 가변 드로틀압력작동은 향상된 터어빈 효율을 가져오며 또한 사이클 피로를 낮게 줄인다. 통상 절차는 제어밸브중 2분의 1은 크게 열려져 있고 2분의 1은 완전히 폐쇄되어 있는 점, 즉 최대 유입이 사실상 100%인 터어빈에 대한 50%의 제1단 유입에 해당하는 값 이하의 흐름으로 부분 아아크 유입 터어빈에 대한 슬라이딩 압력작동을 개시하는 것이다. 슬라이딩 압력이 고 흐름시(제1단 유입의 큰 값)에 개시될 때 효율에 있어서 손실이 생긴다. 그러나, 8개의 밸브를 구비하는 터어빈에 있어서, 75% 유입에서의 슬라이딩은 일정한 드로틀압력작동으로 인해 일어나는 여섯번째 밸브에 대한 밸브루우프의 상당한 부분(밸브 드로틀링)을 제거시킨다.

62.5% 유입에서의 슬라이딩 시에 유사한 상황이 발생된다: 5번째의 밸브에 대한 밸브루우프의 상당한 부분이 제거된다. 이와같이 밸브루우프를 제거하게 되면 터어빈 열소비율 및 터어빈 효율이 향상된다.

제1도는 8개의 제어밸브를 구비하는 부분 아아크 증기 터어빈에서의 슬라이딩 압력제어효과를 예시한다.

가로좌표는 증기흐름값을 나타내는 반면에 세로좌표는 열소비율을 나타낸다.

선(10)은 드로틀링제어로 인한 나타내는 반면에 선(12)은 전 아아크 유입 터어빈에 대한 슬라이딩 압력을 나타낸다. 선(14)은 연속적인 밸브제어(부분아아크유입)로 인한 정압을 나타내며, 점선(16,18,20, 및 22)은 밸브루우프를 나타낸다.

밸브루우프는 연속하는 각각의 제어 또는 조속기밸브에 대한 순차적인 드로틀링으로 인해 생겨난다.

75% 유입에서의 슬라이딩 압력작동은 선(24)으로 나타나 있다.

밸브루우프(20)는 선(24)을 따라 슬라이딩 압력에 의해 많이 제거되지만 열소비율(효율의 역수)은 62.5% 유입점이하로 반비례하여 증가한다. 62.5% 유입점에서의 슬라이딩 압력을 도시하는 선(26)은 향상을 나타내지만, 밸브루우프(16,18 및 20)에 대해 영향을 미치지 않는다. 이와 유사하게, 50% 유입에서의 슬라이딩을 도시하는 선(28)은 하단부에서 촉진시키지만 밸브루우프(16-22)에 대해 영향을 미치지 않는다. 이들 밸브루우프의 각각은 높은 열소비율을 나타내며 선(14)에 의해 나타낸 이상곡선으로부터 감소된 효율을 나타낸다.

제2,3 및 4도는 한 종래기술의 제어를 이용하는 전형적인 증기 터어빈의 작동을 예시한다. 제2도는 178㎏/㎠ (2535 psia)에서 정압작동으로 인한 전체 밸브점의 궤적, 선(30)을 도시한다. 밸브점은 선(32,34 및 36)에 의해 나타낸 밸브루우프를 갖는 50%, 75%, 87.5% 및 100% 유입에 존재한다. 슬라이딩 압력은 선(38,40 및 42)에 의해 나타낸다. 전형적인 터어빈 시스템에 대하여, 약 806 MW의 100% 유입으로 개시된다면, 부하는 초기에 전체 8개의 제어밸브를 크게 개방시키므로써 감소되고 슬라이딩 드로틀 압력은 증기를 발생시키는 보일러를 제어시키므로써 감소된다. 드로틀압력선(38)이 밸브 루우프(32)와의 교차점에 도달할 때, 드로틀압력은 8번째 제어밸브가 폐쇄되어 있는 동안 178㎏/㎠으로 증가된다. 제어밸브는 이 밸브가 터어빈이 87.5% 유입으로 작동되고 있는 지점에서 완전히 폐쇄될 때까지 178㎏/㎠ (2535 psia) 드로틀 압력을 유지시키는 동안에 부하가 감소됨에 따라 계속해서 폐쇄될 것이다. 부하를 감소시키기 위해, 밸브위치는 다시 일정하게 7개의 밸브를 완전히 개방시켜 유지되며, 드로틀 압력은 다시 슬라이딩 압력선(40)과 7번째 밸브에 관한 밸브루우프(34)와의 교차점에 일치할때까지 감소된다. 이 지점 이하로 부하를 감소시키도록, 압력은 178㎏/㎠ (2535 psia)으로 증가되며 7번째 밸브는 완전히 폐쇄될 때까지 점차적으로 폐쇄된다(밸브루우프를 라이딩 다운(riding down)). 유입은 현재 75%이다. 부하를 감소시키도록 드로틀압력선(42)이 5번째 및 6번째 밸브가 일정한 드로틀압력 작동으로 인해 동시에 이동하는 밸브루우프(36)와의 교차점에 도달할때까지 압력은 다시 크게 개방된 6개의 밸브 및 완전히 폐쇄된 두개의 밸브로 인해 감소된다. 그후, 드로틀 압력을 상승시키고 밸브를 폐쇄시키는 작동은 요구되는 밸브수에 대해 반복된다. 드로틀압력의 변화는 제3도에 예시되어 있다.

선(46)의 경사진 부분(44)은 일정한 밸브위치를 갖는 슬라이딩 압력 레이지임(regime)에 관한 것이다.

수직부분(48)은 밸브 드로틀링이 없는 슬라이딩 압력 터미네이션에 관한 것이며, 최상점은 밸브의 드로틀링으로 인한 전압력에서의 작동에 관한 것이다.

수평부분(50)은 일정한 압력에서 부하를 감소시키는 동안에 밸브루우프의 라이딩 다운에 관한 것이다.

제4도는 부하함수로서의 열소비율에 있어서의 향상을 도시한다.

선(52)은 일정한 압력에서의 밸브루우프 효율과 밸브점 사이의 가변 압력을 이용한 효율 사이의 차이를 예시한다.

제2 및 4도에 도시된 효율향상은 드로틀 압력이 감소됨에 따라 보일러 급수 펌프배출이 감소된다는 가정에 기초를 두고 있다.

만일 비례적으로 감소되지 않는다면, 향상은 배출압력을 유지시키는데 요구된 압력이 높게 남아있게 때문에 감소된다.

종래기술의 시스템에 있어서, 신호는 압력을 감소시키도록 급수펌프-급수펌프 구동시스템으로 보내진다. 그러나, 실은 급수펌프는 흐름수용시 섭동으로 인해 일어나는 보일러에 대한 입구수압 에서의 작은 변화로 인한 제어불안정성 및 헌팅(hunting)의 발생과, 일정한 펌프속도조절 필요성을 제거시키도록 압력조절기 앞에 온다.

조절기는 펌프배출압력을 변화시키고 그리하여 펌프가 운반할 흐름을 변화시키는 얼마간의 드로틀링을 행한다.

펌프속도는 조절기 밸브 행정(travel)에 대한 필요범위에 대해 일정하게 유지된다.

밸브행정이 이 범위밖에 미칠 때, 펌프속도는 밸브를 평균 필요위치로 이동되도록 조절된다. 그 결과, 펌프 배출압력은 최소 허용값(드로틀 압력 + 시스템 헤드 손실량)과 동일하지 않으므로 효율향상은 제2 및 4도에 도시된 만큼 크지 않다. 또한, 빠른 부하응답을 달성하도록, 조절기 밸브는 만일 부하 수용시 급격한 증가가 있다면 밸브가 빠르게 개방되어 흐름을 증가시킬 수 있도록 대개 압력강하를 이용하여 작동된다.

펌프의 응답 및 펌프구동은 조절기 밸브의 응답보다 느리다.

슬라이딩 드로틀 압력작동이 증기 발전소의 부하효율을 얼마간 향상시키는 동안에, 최고 효율레벨은 도로틀 압력을 일정하게 유지시키는 동안에 조속기 또는 제어밸브를 연속적으로 폐쇄시키므로써 (연속밸브작동) 부하를 최대값으로부터 초기에 감소시키는 부분 아아크 유입 터어빈에 의해 달성된다고 연구에 의해 증명되었다.

제어밸브중 2분의 1이 크게 열리고 2분의 1이 폐쇄될 때 (제1단에 대한 50% 유입), 밸브위치는 일정하게 유지되고 부하감소는 드로틀 압력을 변화시키거나 또는 슬라이드 하므로써 이루어진다.

위와같은 복합적인 작동법은 하이브리드(hybrid) 작동으로서 언급되어왔다. 50% 유입에서 전이점을 갖는 하이브리드 작동은 최대로 효율적인 작동으로 생각된다.

그러나, 부분 아아크 유입 터어빈은 회전날개깃이 유효 증기 아아크 내외부를 통과함에 따라 부분 부하에서의 충격부하(shock loading)을 받기 쉽다. 그 결과, 날개깃은 더 튼튼해야 하며, 이것은 가로세로비에 영향을 미치게 되고 결국 효율에 영향을 끼치게 된다.

날개깃 재료 또는 날래깃 루우트 댐핑은 부분 아아크 유입 관련된 진동 응력을 감소시키는 것이 바람직하다. 또한 개별 회전 날개깃에 대한 킬로와트 부하(휨력)는 유입아아크가 감소됨에 따라 증가된다. 슬라이딩 압력작동(특히, 하이브리드 작동)은 최소유입의 최적값이 일정한 드로틀 압력작동을 이용한 것보다 더 높기 때문에 터어빈 제1단에 대한 충격부하를 감소시킨다.

부분 아아크 작동에 대한 요구된 댐핑 및 강도를 갖는 제1단 날개깃 재료 또는 설계를 구비한다는 것을 높은 증기압 및 온도, 예를들면 현 터어빈의 316 ㎏/㎠ (4500 psig) 및 600℃(1100℉)에서 더욱 더 어렵다.

부분 아아크 유입에 관한 적절한 재료가 이용가능하지 않기 때문에 이 제한은 이와같은 고압, 고온 터어빈이 전 아아크 유입 제1단을 이용하여 작동되게 한다.

제료가 50% 유입에서 부분 아아크 유입을 허용할 것이라는 것을 알수없다면, 최소유입은 예를들면 효율에 있어서 얼마간의 손실로 인해, 62.5% 또는 75% 유입으로 증가될 것이다.

효율레벨은 슬라이딩 드로틀압력으로 작동하는 전 아아크 유입 설계 보다 훨씬 더 양호할 것이다. 그러나 75% 보다 훨씬 높은 최소 유입아아크를 이용하면, 하이브리드 작동에 대해서는 조금도 유익하지 않다는 것이다.

다른 경우에 있어서 540℃(1000℉) 또는 565℃ 에서 작동되는 것과 같은 훨씬 더 종래적인 형태의 구식 터어빈은 부분 아아크 작동이 제한되도록 응력을 받는다.

따라서, 본 발명의 주목적은 이와같은 터어빈에 대한 최소허용응력을 초과하지 않고 효율을 향상시키기 위한 방법을 제공하는데 있다.

위와같은 목적을 위하여, 본 발명은 제어단 블레이딩에서 증기를 선결된 유입 아아크로 허용하기 위하여 각각 배열된 다수의 제어밸브를 포함하고, 증기공급이 저출력 수요값과 일치하도록 제어되는 부분아아크 터어빈에 있어서 제어단 블레이딩의 충격부하를 감소시키기 위한 방법에 있으며, 여기서, 제어밸브중 선택된 것은 유입아아크를 전작동 증기압에서 허용할 수 있는 최소값과 가깝게 감소시키도록 계속적으로 폐쇄되며, 그래서 증기압은 선택되어 감소된 유입아아크에서 제1제어단을 가로지르는 압력강하가 설계드로틀 압력으로 인한 유입 아아크의 최소값에서 압력강하를 초과하지 않도록 일반적으로 한 값으로 감소되며; 제어밸브중 부가 선택된 것은 그 다음에 유입 아아크를 선택되어 감소된 아아크로 감소시키도록 폐쇄되며; 증기압은 또한 저 출력 수요값으로 터어빈 출력을 유지시키도록 감소된다. 본 방법은 제어단 블레이딩에 대한 효과를 손상하지 않고 하이브리드 방식으로 고압, 고온 터어빈을 작동시키기 위하여; 그리고 터어빈 시스템에 대한 빠른 부하응답 및 열소비율 이익을 위해 제공된다. 본 방법은 또한 부분 아아크 작동이 반복된 피로부하에 의해 제한 되어온 구식 터어빈의 작동을 향상시키는 수단을 제공한다.

본 발명의 방법은 제어밸브폐쇄, 슬라이딩 압력 및 밸브 드로틀링과의 조합이 우수한 효율을 달성하기 위하여 이용되는 시스템에 관련하여 기술되어 있다.

한 실시예에 있어서, 방법은 제어단이 재료 및 날개깃 루우트 고착 제한으로 인한 75% 유입아아크에 해당하는 압력강하 및 부분 아아크 충격부하와의 조합응력을 다만 이겨낼 수 있는 터어빈 시스템에서 이용되도록 예시된다.

초기 터어빈 출력감소는 전 작동 증기압에서 유입 아아크를 75% 로 감소시키도록 제어밸브를 연속적으로 폐쇄 시키므로써 이루어진다.

또한 감소는 75% 유입을 유지시키는 동안에 증기압을 감소시키므로써 (슬라이딩 압력작동) 이루어진다.

예를들면, 75% 유입에서 약 50% 흐름에 해당하는 선결된 증기압에서, 압력은 추가 제어밸브가 50% 유입과 같은 다른 유입값을 초래하도록 폐쇄되는 동안에 일정하게 유지된다. 또한 감소는 다시 슬라이딩 압력에 의해 이루어진다.

다른 실시예에서, 우수한 효율은 저 부하에서 이용된 것보다 고부하에서 다른 슬라이딩 압력비율을 이용하므로써 달성된다. 이 실시예에서 밸브 폐쇄는 제1유입 아아크가 예를들면, 상술한 터어빈에 관하여 75%로 감소될때까지 연속적으로 밸브를 폐쇄하므로써 출력을 감소시키도록 처음에 이용된다.

75% 유입에서 50% 유입으로의 전이는 그후 증기드로틀 압력의 감소와 함께 동시에 밸브를 폐쇄시키므로써 이행된다.

밸브 폐쇄 및 압력감소의 비율은 제어단을 가로지르는 압력강하가 최대 드로틀 압력에 해당하는 최소 허용 유입 및 설계 드로틀 압력에서의 압력강하는 초과하지 않도록 설정된다.

50% 유입으로 개시된다면, 다만 슬라이딩 압력작동이 출력 발생을 제어시키도록 사용될 것이다.

다른 실시예에 있어서 터어빈이 제1선결 부분아아크 유입으로 작동되고 있을 때, 아아크는 제어단을 가로지르는 최대 허용압력 강하에 의해 확증되며, 출력감소는 슬라이딩 증기압에 의해 이루어진다. 그러나, 일단 증기압이 최저한계값으로 감소된다면, 추가밸브는 유입아아크를 최적값으로 감소시키도록 폐쇄된다.

또한 밸브폐쇄는 유입아아크를 열소비율 향상에 더이상 일어나지 않는 값으로 감소시키도록 사용될 수 있다. 이와같은 값 이하에서는 드로틀링이 터어빈 출력을 제어하도록 이용된다.

본 발명은 첨부도면과 관련하여 예로서 주어진 이하설명으로 부터 훨씬 더 용이하게 이해될 것이다.

본 발명의 방법을 기술하기 이전에, 본 발명의 원리를 실시하는데 적당한 전형적인 증기터어빈 발전소에 대한 개략적인 기능 블록 다이어그램을 나타내는 제5도를 참고로 한다.

제5도의 발전소에서 핵연료 또는 화석 연료종류로된 관례적인 보일러(54)는 헤더(56), 제1과열기(58), 최종 과열기(62) 및 드로틀밸브(61)를 통해 63으로 나타낸 부분아아크 증기유입 제어밸브 세트로 전도되는 증기를 발생시킨다. 헤더(56)에서의 증기압과 같은 여러 가지 보일러 파라미터를 제어하는데 사용되는 통상의 보일러 제어기(64)가 보일러(54)와 관련되어 있다. 특히, 헤더(56)에서의 증기압은 대개 보일러 제어기(64) 내에 배치된 설정점 제어기(도시되지 않음)에 의해 제어된다. 이와같은 설정점 제어기장치는 당해 기술분야의 모든 숙련공들에게 잘 알려져 있으므로, 현 실시예에서 상세하게 설명할 필요가 없다. 증기는 증기유입 밸브(63)의 위치선정에 따라 증기 터어빈의 고압부(66)를 통해 조절된다. 통상적으로, 고압 터어빈부(66)에서 배출되는 증기는 70으로 도시된 적어도 하나의 저압 터어빈부로 공급되기 전에 통상의 재열기부(68)에서 재열된다. 터어빈부(70)에서 배출되는 증기는 통상의 응축기(72)로 전도된다.

대부분의 경우에는, 공통축(74)은 기계적으로 증기터어빈부(66,70)를 발전기(76)로 연결시킨다.

증기가 터어빈부(66,70)를 통해 팽창됨에 따라 축(74)을 회전시키기 위해 대부분의 에너지가 토오크로 전달된다.

발전소 시동시, 터어빈부(66,70)를 통해 전도된 증기는 터어빈축의 회전속도가 선간전압(line voltage)또는 이것의 저조파에 대한 동기속도를 일으키도록 조절된다.

전형적으로, 이것은 관례적인 속도픽업 변환기(77)에 의해 터어빈 축의 속도를 검출하므로써 이루어진다.

변환기(77)에 의해 발생된 신호(78)는 회전축 속도를 나타내며 관례적인 터어빈 제어기(80)에 공급된다. 제어기(80)는 터어빈 제어기(80)로 공급된 측정속도신호(78) 및 목표속도 요구에 따라 터어빈부(66,70)를 통해 전도된 증기를 조절하기 위해 신호선(82)를 이용하여 증기유입 밸브의 위치선정을 조절한다.

드로틀밸브(61)는 터어빈 시동시 제어되어 제어밸브(63)가 터어빈이 초기에 약 5 퍼센트부하로 작동될때까지 완전히 개방되게 한다.

그다음에 시스템은 부분 아아크 작동으로 변화되고 드로틀 밸브(61)는 완전히 개방된다.

그러나, 드로틀밸브(61)는 일반적으로 터어빈의 비상 셧다운시 사용되는 비상용 밸브이다.

제어기(80)로부터 나온선(65)은 제어신호를 밸브(61)에 제공한다.

전형적인 주 차단기(84)는 기술할 목적으로 벌크(bulk) 전기전달 및 분포 네트워크로 생각되는 전기부하(86)와 발전기(76)사이에 배치된다. 터어빈 제어기(80)가 동기조건이 존재하는가를 결정할 때, 주 차단기(84)는 전기부하(86)에 전기에너지를 제공하도록 폐쇄될 수 있다. 발전소의 실제출력은 예를들면, 전기에너지를 부하(86)에 공급하는 전기 출력선에 연결되는 와트변환기와 같은 관례적인 출력측정 변환기(88)에 의해 측정될 수 있다.

발전소의 실제출력을 나타내는 신호는 신호선(90)을 넘어서 터어빈 제어기(80)로 제공된다.

일단 동기화가 일어난다면, 제어기(80)는 관례적으로 발전소의 목표전력 발생에 상응하는 터어빈부(66,70)에 증기를 제공하도록 증기유입밸브(63)를 조절할 수 있다.

본 발명에 따라, 최적터어빈 효율 제어기(92)는 증기터어빈 발전소의 일부분으로서 배치된다. 제어기(92)는 이하에서, 더욱 상세히 기술되겠지만, 여러 터어빈 파라미터를 특정하여 요구되는 발전소 출력에서 발전소의 열역학적 상태를 모니터하고, 제어기(92)로부터 보일러 제어기(64)에 연결된 신호선(94)을 활용하여 이 정보의 도움으로 보일러 증기압 조정을 제어한다. 본 실시예에서, 보일러 압력조정은 일반적으로 보일러 제어기(64)의 일부로서 알려져 있는 설정점 제어기(도시되지 않음)의 설정점을 변경시키므로써 이루어질 수 있다. 대부분의 설정점 제어기의 경우에서처럼, 증기압과 같은 피이드백으로 측정된 파라미터는 설정점과 사실상 인접하게 주어지며, 편차는 일반적으로 압력설정점 제어기의 출력/입력 이득 특성의 함수이다. 제어기(92)는 또한 최종 증기온도를 제어하도록 선(46)을 거쳐서 과열기(62)로 신호를 공급한다.

드로틀 증기압 및 온도와 같은 터어빈 파라미터는 종래의 압력 변환기(96) 및 온도변환기(98)에 의해 각각 측정된다. 변환기(96,98)에 의해 각각 발생된 신호(100,102)는 최적 터어빈 효율 제어기(92)로 공급될 것이다. 다른 파라미터인 재열기(68)에서의 터어빈 재열증기온도는 선(106) 상의 이용을 위해 신호를 제어기(92)에 발생시키는 종래의 온도 변환기(104)에 의해 측정된다. 출력 측정변환기(88)에 의해 발생된 선(90)상의 신호도 제어기(92)에 제공될 것이다. 또한, 중요한 터어빈 파라미터는 터어빈부(66,70)를 통해 증기 흐름을 나타내는 파라미터이다. 본 실시예의 목적이 있어서, 그 목적을 위해 고압 터어빈부(68)의 임펄스 챔버에서의 증기압이 적당히 선택된다. 통상의 압력변환기(108)는 임펄스 챔버에서 증기압을 나타내는 신호(110)를 발생시켜 제어기(92)로 공급하기 위해 임펄스 챔버부에 배치된다.

제어기(92)의 작동을 더욱더 상세하게 기술하기에 충분한 터어빈 효율제어기(92)의 한 실시예는 본 발명이 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제 4,927,848호에 도시되어 있으며, 참고로 여기에 통합되어 개시되어 있다.

전술한 미합중국 특허 제 4,297,848호에 기술된 바와같이, 제어기(92) 및 제어기(80)는 부하요구에 응하여 증기터어빈 시스템의 최적작동을 위해, 적절한 설정점, 예를들면 드로틀 압력 및 증기 흐름을 컴퓨트하기 위한 마이크로 컴퓨터를 기초로하는 시스템을 포함하고 있다.

본 발명에 있어서, 증가된 부하요구에 신속히 응답할 능력을 구비하는 동안 시스템 효율을 최적화 하도록 밸브(63)에 가해진 드로틀 증기압을 제어하는 것이 바람직하다.

제5도의 시스템은 드로틀 압력 및 온도를 조절하도록 보일러(54) 제1과열기(58) 및 최종 과열기(62)를 얼마간 제어하므로써 이 결과를 달성시킨다.

제5도의 시스템의 작동법은 고온, 고압 증기터어빈의 여러 가지 부분 아아크 유입에 관한 다수의 증기흐름대 증기압 다이어그램을 예시하는 제6도를 참고로하여 가장 잘 이해될 수 있다.

검토를 위해, 제어단 블레이딩이 전 작동증기압, 즉 약 300㎏/㎠ (4300 psia)에서 75% 유입으로 제한되도록 터어빈이 설계되는 것으로 가정한다.

선(110)은 제어단(임펄스 챔버의 노즐입구)을 가로지르는 압력강하를 나타낸다.

선(A,B,C,D,E)은 전 작동증기압을 나타낸다.

예를들면, 전 아아크에서의 제어단 압력강하는 약 60㎏/㎠ (850 psia), 즉 점(110A)과 300㎏/㎠ 사이의 차이다. 최대 허용압력강하는 75% 유입시 일어나고 약 90㎏/㎠ (1300 psia)이다.

선(122,124)은 최대 효용 터어빈에 대한 전형적인 최소압력 영역, 즉 35㎏/㎠ 과 70㎏/㎠ (500과 1000 psia) 사이의 압력을 일괄하고 있다.

한가지 형태의 본 발명의 방법을 이용하여, 제어밸브(63)는 제어기(80,92)에 의해 결정된 부하요구에 응하여 유입 아아크를 75%로 감소시키도록 사실상 폐쇄된다.

75% 유입을 나타내는 점(B)에서, 제어기는 드로틀 증기압을 선(112)을 따라 점(G)로 감소시키는 동안 유입을 일정하게 유지시킨다. 압력은 그때 일정하게 유지되고 부가밸브는 터어빈 작동점을 50% 유입선(114)상의 점(H)로 가져가도록 폐쇄된다.

점(H)에서의 압력과 점(K)에서의 임펄스 챔버압력사이의 차는 낮은 증기밀도 때문에 50% 유입시의 충격응력이 75% 유입시의 설계 한계치보다 크지않고 작게 되도록 점(B)과 점(110A)사이의 압력차와 동일하다.

터어빈이 전압력에서의 62.5% 유입시 충격부하에 버티도록 설계된다면, 초기 출력감소는 점(C)에 이를때까지 선(A,B,C,D)을 따라 제어밸브(63)를 폐쇄 시키므로써 이루어질수 있다.

증기압은 그때 선(116)을 따라 점(J)로 감소될 수 있다. 그 점에서 압력은 일정하게 유지되고 추가밸브(63)는 점(F)에 도달되도록 폐쇄된다. 또한, 압력감소는 선(F-L)을 따라 압력을 감소시키므로써 이루어진다.

다른 실시예에서, 제어기(80,92)는 터어빈 작동이 점(B)로부터 점(H)로 직접 선(118)을 따르도록 증기압을 조절하고 동시에 밸브(63)를 폐쇄 시키도록 프로그램 된다. 이와같은 작동은 선(118)이 직선경로 보다는 계단식 스텝으로서 나타나도록 다른 압력조절 및 밸브 폐쇄를 필요로 할 것이다.

동일한 접근법이 선(120)을 따라 점(C)에서 점(F)로의 전이에 이용될 수 있다.

이 실시예에서, 차압은 사실상 일정하게 유지될 수 있으며 즉, 선(110,118 및 120)은 사실상 평행하다. 이 작동법은 제어단을 설계된 압력강하로 유지시키기 때문에 처음에 개시된 방법보다 훨씬 더 유효하다.

일반적으로, 상기 작동법중 두가지는 50% 유입이 도달되는 즉, 압력이 170㎏/㎠ (2400 psig)의 설계드로틀 압력으로 작동하는 터어빈에 대해 전형적으로 약 42-70㎏/㎠ 인 최소압력에 이를때까지 슬라이드 되도록 허용되는 동일한 패턴을 따른다. 최소 설계유입에서의 이 압력보다 작게 요구되는 부하에 관해서는 제어밸브의 드로틀링은 출력을 감소시키도록 이용된다. 그러나, 제1도에 도시되었던 바와같이 드로틀링은 높은 열소비율을 산출시키므로 덜 효과적이다. 그러나, 출원인은 비록 이와같은 터어빈이 어떤 설정된 유입, 예를들면 62.5% 유입시에 최적으로 작동되도록 설계된다면, 열소비율에 있어서의 부가적인 향상은 저 증기압 또는 최소증기압으로 도달될 수 있다는 것을 알아냈다. 표(I)는 저부하 및 600 psia의 최소압력으로 작동하는 전형적인 터어빈에 대한 열소비율의 표본세트를 예시한다.

비록 25% 유입에 이르게 됨에 있어서 부가적인 향상이 없지만은 50% 유입 및 37.5% 유입 사이에는 약간의 향상이 있다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 표(II)는 70㎏/㎠ (100 psia)의 최소 드로틀 압력으로 작동하는 170㎏/㎠ (2400 psia) 설계 드로틀 압력 터어빈에 있어서 25% 유입시에 향상될 수 있다는 것을 예시한다. 따라서, 이 작동법은 최소 드로틀 압력이 사용될 때 열소비율을 감소시키며 제어단 블레이딩에 대한 효과를 손상시키지 않고 낮은 유입값으로 작동되기 때문에 유익하다는 것이다.

요약하면, 본 발명은 증기공급이 출력수요와 부합하도록 제어되는 부분 아아크 증기 터어빈의 제어단 블레이딩의 충격부하를 감소시키기 위한 방법으로서 개시되어 있다. 터어빈은 증기가 제어단 블레이딩에서의 선결된 유입 아아크로 들어가도록 각각 배열된 다수의 제어밸브를 포함한다. 방법은 전 작동증기압에서 유입아아크를 최소 허용값으로 감소시키도록 선택된 제어밸브를 연속하여 폐쇄시키는 단계; 선택되고 감소된 유입아아크에서의 제1제어단을 가로지르는 압력강하가 유입 아아크의 최소값에서의 압력강하는 넘지 않도록 밸브에 대한 압력을 통상적으로 감소시키는 단계; 유입아아크를 선택되고 감소된 아아크로 감소시키도록 부가적으로 선택된 제어밸브를 폐쇄시키는 단계; 및 터어빈 출력을 수요값으로 유지시키도록 증기압을 감소시키는 단계를 포함한다. 방법은 또한 유입아아크를 계단식으로 최적값으로 감소시키도록 교대로 반복되는 증기압을 점차적으로 감소시키고 부가로 선택된 제어밸브를 폐쇄시키는 단계를 포함한다.

증기압을 감소시키는 단계는 증기압이 선결된 최소값에 이를때까지 계속되며, 증기압이 선결된 값에 있을 때 터어빈 출력을 감소시키도록 제어밸브를 드로틀링하는 단계를 포함한다. 부가로 선택된 제어밸브를 폐쇄시키는 단계는 열소비율에서의 부가적인 향상이 얻어지지 않을때까지 연속된다.

본 발명에 의해서 터어빈 출력이 전력수요와 부합하도록 증기 공급이 제어되는 부분아아크 증기터어빈의 제어단 블레이딩에 대한 압력강하는 제한시키기 위한 방법이 개시되어 있다.

터어빈은 증기가 선택된 유입아아크로 허용되기 위하여 제어단 블레이딩으로 각각 배열된 다수의 제어밸브를 포함한다.

방법은 유입아아크를 제1선결값으로 감소시키므로써 터어빈 출력을 감소시키도록 선결된 제어밸브를 연속적으로 폐쇄 시키는 단계; 유입아아크를 일정하게 유지시키는 동안에 터어빈 출력을 감소시키도록 증기압을 제1감소값으로 슬라이딩하는 단계; 제1감소값으로 증기압을 유지시키는 동안 유입 아아크를 제2선결값으로 감소시키고 터어빈 출력을 수요출력으로 감소시키도록 부가적인 제어밸브를 연속적으로 폐쇄시키는 단계; 및 유입아아크를 제2선결값으로 유지시키는 동안 터어빈 출력을 수요출력과 부합시키도록 증기압을 슬라이딩하는 단계를 포함한다.

Claims (4)

1. 제어단 블레이딩에서 증기를 선결된 유입아아크로 허용하도록 각각 배열된 다수의 제어밸브를 포함하고, 증기 공급이 저출력수요값과 일치하도록 제어되는 부분 아아크 증기 터어빈에 있어서의 제어단 블레이딩의 충격부하를 감소시키기 위한 방법에 있어서, 여기서 제어밸브중 선택된 밸브는 유입아아크를 전 작동 증기압에서 허용할 수 있는 최소값으로 감소시키도록 연속적으로 폐쇄되고; 그리하여 증기압은 선택된 더욱 감소된 유입 아아크에서의 제1제어단을 가로지르는 압력강하가 설계 드로틀 압력으로 인한 유입 아아크의 최소값에서의 최대 허용 압력 강하를 초과하지 않도록 임의의 값으로 감소되며; 그 다음에 제어밸브중 부가적으로 선택된 밸브는 유입 아아크를 선택된 더욱 감소된 아아크로 감소시키도록 폐쇄되며; 증기압은 그후 저 출력 수요값으로 터어빈 출력을 유지시키도록 더욱 감소되는 것을 특징으로 하는 부분 아아크 증기 터어빈의 제어단 블레이딩의 충격부하감소방법.
2. 제1항에 있어서, 증기압을 점차로 감소시키는 단계와 제어밸브중 부가 선택된 밸브를 폐쇄시키는 단계가 유입아아크를 계단식으로 최적값으로 감소시키도록 교대로 반복되는 것을 특징으로 하는 부분 아아크 증기 터어빈의 제어단 블레이딩의 충격부하 감소방법.
3. 제1항에 있어서, 증기압을 감소시키는 단계는 증기압이 선결된 최소값에 도달할 때 까지 계속되며, 제어밸브는 증기압이 선결된 값으로 존재할 때 터어빈 출력을 감소시키도록 드로틀되는 것을 특징으로 하는 부분 아아크 증기 터어빈의 제어단 블레이딩의 충격부하 감소방법.
4. 제3항에 있어서, 최소 드로틀 압력에서 제어밸브중 부가 선택된 밸브를 폐쇄시키는 단계는 열소비율에 있어서의 부가적인 향상이 얻어지지 않을때까지 계속되는 것을 특징으로 하는 부분 아아크 증기 터어빈의 제어단 블레이딩의 충격부하 감소방법.

Images