KR100243551B1 - 증기실의 열응력을 감소시키는 방법 및 증기 터어빈 시스템 - Google Patents

증기실의 열응력을 감소시키는 방법 및 증기 터어빈 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증기 터어빈에 동작 가능한 관계로 연결되어 있는 증기실을 갖고, 상기 증기실의 가열을 제어하여 열응력을 감소시키기 위한 장치를 포함하며, 조절 가능한 온도의 증기원을 갖는 증기 터어빈 시스템에 관한 것이다. 드로톨 밸브는 상기 증기원과 상기 증기실 사이의 증기 흐름 통로에 연결되어 소정 범위의 증기 흐름 속도에 걸쳐서 증기흐름을 조절한다. 온도 감지기는 상기 증기실에 연결되어 상기 증기실의 온도를 나타내는 신호를 제공한다. 증기 누출 라인은 상기 증기실에 연결되고 흐름 조절 밸브를 구비하여 상기 증기실로부터의 증기 흐름을 조절하며, 제어기는 상기 드로틀 밸브와 상기 흐름 조절 밸브에 조절 가능한 관계로 연결되어 상기 증기실 내외로의 증기 흐름을 조절함으로써 상기 증기실의 가열을 제어한다. 상기 제어기는 상기 온도 감지기로부터 신호를 받도록 연결되며, 그 신호에 응답하여 상기 증기실의 가열을 제어한다.

Description

증기실의 열응열을 감소시키는 방법 및 증기 터빈 시스템
제1도는 일체형 증기실을 갖는 종래의 증기 터빈 시스템의 종축에 따른 부분 단면도,
제2도는 본 발명에 따른 증기 제어 시스템의 간략화된 기능 블록도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
8 : 증기 터빈 시스템 10 : 증기 터빈
20 : 증기실 42 : 증기원
46 : 스로틀 밸브 52 : 제어기
54, 56 : 온도 센서 58 : 유량 제어 밸브
60 : 증기 유출 차단 라인
본 발명은 사이클 작동되는 증기 터빈에 관한 것으로, 특히 증기 터빈 시스템에 있어서 증기실의 열응력을 최소화하도록 증기실(a steam chest)의 온도를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
산업용 발전에 이용되는 증기 터빈은 특히 증기실을 포함하고 있는 바, 상기 증기실에서 보일러 등의 증기원으로부터의 고압 증기가 수집된 다음에, 밸브에 의해 제어되는 개구를 통해 터빈 케이싱내로 진입되며, 거기서 증기의 에너지는 전력축, 즉 회전자를 회전하는데 이용된다. 증기실은 열손실 및 압력 강하를 최소화하도록 터빈에 가능한 근접하여 배치하는 것이 바람직하다. 터빈의 효율은 온도 및 압력이 증가하면 증가하지만, 고압 및 고온은 터빈 설계자가 대처해야 되는 고유의 열응력에 대한 문제점을 수반하게 된다. 터빈 케이싱은 높은 증기 압력에 견뎌내기 위해서 매우 높은 강도를 갖지 않으면 안된다. 고온도의 영향을 받기 쉬운 터빈 부품 및 보조 설비는 온도 변화에 따른 팽창 및 수축이 자유로와야 한다. 발생되는 고압력에 견딜 정도로 충분히 두꺼운 벽은 온도 구배로 인한 열팽창의 차이를 겪게 될 것이며, 그에 따라 터빈 케이싱과 증기실에 높은 열응력이 발생할 것이다. 터빈 및 일체형 증기실은 부하 사이클 중에 가혹한 열응력을 받게 되며, 증기가 냉각 터빈내에 공급되는 방식에 주의를 기울이지 않으면 증기실 및 증기 터빈의 각종 부품에 심각한 균열이 발생한다.
일반적으로, 증기 터빈에 대한 증기의 공급은, 특히 회전자의 열응력을 회피하기 위해서 증기의 온도와 터빈의 온도를 일치시켜야 하는 중대한 문제점이 발생된다. 증기 터빈과 증기의 이용 효율의 관점에서 보변, 이러한 온도의 일치는, 재기동중의 낮은 온도의 증기 유입과 높은 온도의 터빈 회전자 사이에서의 지연 또는 높은 온도의 증기 유입과 낮은 온도의 터빈 회전자 사이에서의 지연을 최소화하도록 신속하게 달성도어질 것을 요구한다. 상기 양자의 과정들은 발전기의 기동시에 회전자의 응력을 최소화하기 위해 필요한 것이다. 기동중에 또는 고출력 상태와 저출력 상태사이에서 회전자의 사이클 작동중에 터빈 회전자의 응력을 최소화하기 위해 증기 터빈내로의 증기의 공급을 제어하는 각종 시스템이 개발되었다. 본 출원인의 미국 특허 제 4,589,255 호의 발명은 증기 터빈에 대한 열부하의 영향과, 터빈상에 가해진 급속한 온도 구배로 인한 회전자의 열응력 및 소성변형(plastic strain)에 관한 문제를 다루고 있다.
증기실도 증기 터빈의 사이클 작동중에 현저한 열응력을 받기 쉽다는 것이 인식되어 있지만, 증기실에 대한 열응력을 최소화하는 적절한 해결책이 개발되었다고는 할 수 없다. 증기실의 열응력을 제어하기 위한 종래 기술의 시도는 주로 증기 터빈 조작자의 개입에 의존하는 것이었는데, 즉 증기실내로 공급되는 증기와 증기실의 온도간의 온도차가 열응력에 기인하는 증기실의 손상을 방지할 수 있는 정도인지의 여부에 대해 조작자의 판단에만 의존하였다. 약간의 경우에 있어서는, 그러한 판단이 오판인 것으로 판명되었다. 이러한 종래 기술의 시스템에 있어서는, 한 세트의 제어 밸브를 폐쇄하고 스로틀 밸브(throttle valve)를 제어하여, 증기실내로 적은 유량의 고온 증기를 공급하는 것이 일반적인 관행으로 되어 있다. 증기실내로의 유량을 제어함으로써, 증기실의 금속 온도의 상승을 제어하여 열 피로를 감소하도록 의도되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 증기실의 열응력을 최소화하지는 못했으며, 또 실제로 증기실에 대하 다른 열응력이 도입될 수 있다고 믿어진다.
본 발명의 목적은 터빈의 기동 또는 사이클 작동중에 증기실에 대한 열응력을 최소화하도록 증기실 및 증기 터빈 시스템의 온도를 제어하기 위한 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 열응력을 최소화하도록 증기실의 예열 사이클(prewarming cycle)을 제어하기 위해서 증기실을 통해 증기의 흐름을 공급하고 재어하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명은 증기 터빈 시스템에 있어서 증기 터빈 시스템의 기동 작동 또는 사이클 작동중에 증기실을 통과하는 증기의 유량을 조절함으로써 증기 터빈에 협동관계로 접속된 증기실의 열응력을 감소시키는 방법이 제시되어 있다. 예시된 실시예에 있어서, 터빈 시스템을 보일러와 같은 제어가능한 온도의 증기원과, 상기 증기원과 상기 증기실 사이에 접속된 스로틀/스톱 밸브와, 적어도 사전설정된 증기유량 범위에 걸쳐서 증기실로의 증기 유량을 조절하기 위한 장치를 구비하고 있다. 적어도 하나의 온도 센서가 상기 증기실의 벽의 온도를 나타내는 신호를 제공하도록 증기실내에 설치되어 있다. 증기 유출 차단 라인(steam leak-off line)이 증기실에 접속되어 있고, 또 그 증기 유출 차단 라인을 통과하는 증기의 유량을 조절하기 위한 유량 제어 밸브를 구비하고 있다. 제어기가 스로틀 밸브와 유량 제어 밸브 및 온도 센서에 접속되어, 증기가 스로틀 밸브를 통해 들어가서 증기실을 통해 연속적으로 흐를 때 증기실에 발생하는 열구배를 제어하도록 온도 센서에 응답하여 스로틀 밸브 및 제어 밸브를 조절한다. 본 발명의 일 실시예에 있어서는, 증기실의 벽의 선택된 소망온도(목표온도)는 터빈이 소망의 상태로 작동될 때 증기 터빈으로 공급될 증기의 온도에 기초하여 사전에 선택된다. 적어도 하나의 온도 센서에 의해 측정된 온도는 소망온도(목표온도)와 비교되며, 그 비교 결과에 기초하여 스로틀 밸브 및 제어 밸브는 증기실의 벽을 점차적으로 가열하기 위해서 증기의 흐름을 증기실내로 및 증기실을 통과하도록 조절된다.스로틀 밸브 및 유량 제어 밸브는 터빈 작동이 재설정될 때까지 증기실의 온도를 사전설정된 소망온도 범위내로 유지하도록 계속해서 제어된다. 증기실의 제어 밸브가 개방되어 증기가 증기 터빈내로 공급되면, 증기 유출 차단 라인내의 유량 제어 밸브는 폐쇄되고, 터빈은 계속 정상 상태로 작동된다.
또한, 증기실의 온도의 제어는 전술된 미국 특허 제 4,589,255 호에 개시되어 있는 바와 같은 증기 터빈내의 다른 구성요소의 온도 제어와 조합하여 이용할 수도 있다. 스로틀 밸브 및 증기 유출 차단 라인의 유량 제어 밸브를 제어하는 것에 의하여 증기실내로의 증기 유입을 조절하기 위한 제어기는 상기 미국 특허 제 4,589,255 호에 개시되어 있는 바와 같은 적응성 온도 요구형 제어기(adaptive temperature demand controller)를 포함할 수도 있다.
본 발명의 보다 명료한 이해를 위해서는, 첨부도면과 관련된 이하의 상세한 설명을 참조할 수도 있다.
도면을 참조하면, 특히 제1도에는 증기 터빈(10)과 일체형 증기실(20)을 구비한 증기 터빈 시스템(8)에 대한 부분 단면도가 도시되어 있다. 증기 터빈(10)은 상부벽(14)을 갖는 터빈 케이싱(12)을 구비하고 있으며, 일체형 증기실(20)은 터빈의 상부벽(14)과 연속되는 벽(22)을 갖고 있다. 증기실의 벽(22)은 접속부(24)에서 터빈의 상부벽(14)에 용접될 수도 있다. 증기실(20)은 밸브시트(28)를 밀폐하는 복수개의 이격된 제어 밸브(26)를 구비한다. 각 밸브시트(28)는 출구포트(30) 및 디퓨져(diffuser)(32)와 통해 있고, 상기 디퓨져는 증기를 터빈 노즐 입구 영역(34)으로 배향시킨다. 입구 영역(34)으로부터의 증기는 참조부호(36)로 나타낸 제 1 단 터빈 블레이딩 쪽으로 배향된다. 제어 밸브(26)는 캠축(40)에 의해 회전되는 캠(38)에 의해서 개폐된다.
제2도를 참조하면, 본 발명의 특징을 갖는 증기 터빈 시스템의 아주 간략화된 개략도가 도시되어 있다. 보일러 또는 당해 기술 분야에서 널리 알려진 다른 장치일 수도 있는 증기원(42)은 제어된 온도 및 압력의 증기원을 제공한다. 본 발명의 목적을 위해, 증기원(42)으로부터의 증기는 라인(44)을 통해 스톱/스로틀 밸브(stop/throttle valve)(46)로 공급된다. 스톱/스로틀 밸브(46)는 당해 기술분야에서 공지된 유형의 밸브로서, 파일럿 밸브(pilot valve)를 구비할 수도 있는데, 상기 파일럿 밸브는 제어된 유량의 증기가 그 밸브를 통해 사전설정된 증기유량 범위에 걸쳐서 통과하는 것을 허용하도록 소정위치로 조절될 수 있다. 스톱/스로틀 밸브(46)내의 파일럿 밸브는 전형적으로 그 스로틀 밸브를 완전히 개방하기 전에 시스템을 초기에 가압하고 예열하기 위해서 아주 적은 증기 유량을 조절하는데 이용된다. 스톱/스로틀 밸브(46)로부터의 증기는 배관(48)을 통해 증기실(20)로 공급된다. 증기실(20)내의 제어 밸브(26)는 터빈(10)내로 진입하는 증기의 유량을 조절한다. 냉각 응축된 증기는 터빈(10)으로부터 배출되어 급수 배관(급수 재가열라인)(50)내에 수집된 다음 증기원(42)으로 귀환된다. 응축기 및 급수 펌프와 같은 시스템의 각종 요소는 도시의 간략화를 위해 생략하였다.
상술한 바와 같이, 상기 미국 특허 제 4,589,255 호에 개시된 적응성 온도 요구형 제어기와 유사할 수도 있는 제어기(52)는 터빈 본체의 온도와 증기 온도를 가능한 신속하게 일치시키도록 터빈 시스템내에 설치되어 있다. 이와 관련하여, 터빈(10)에 접속된 온도 센서(54)가 제공되는데, 그 온도 센서(54)는 터빈 내부의 선택된 온도를 나타내는 신호를 제어기(52)에 제공한다. 또한, 본 발명을 구현함에 있어서, 증기실(20), 특히 증기실의 벽(22)에 결합된 적어도 하나의 온도 센서(56)가 제공된다. 상기 온도 센서(56)는 증기실 벽(22)의 온도를 나타내는 신호를 제어기(52)에 제공한다.
제어기(52)는 스로틀 밸브(46)에 접속되어, 적어도 사전설정된 낮은 증기유량 범위에 걸쳐서 증기 유량을 제어하기 위해서 적어도 상기 스로틀 밸브에 결합되어 있는 파일럿 밸브를 제어하는 것에 의해 스로틀 밸브를 통과하는 증기 유량을 조절할 수 있도록 되어 있다. 또한, 제어기(52)는 증기실(20)과 급수 재가열 라인(50)사이의 증기 유출 차단 라인(60)에 설치되어 있는 유량 제어 밸브(58)에 접속된다. 증기 유출 차단 라인(60)은 증기실이 유입증기의 온도까지 가열되고 있는 중에 증기실(20)에 연속적인 증기 흐름을 제공하도록 증기실(20)에 접속되어 있다.
증기실(20)내로 증기를 공급하는 종래의 방법은 유해한 증기 온도의 변동을 발생시키는 것으로 판명되었다는 관점에 비추어, 유출 차단 라인(60) 및 유량 제어 밸브(58)의 사용은 본 발명에 있어서 중요한 사항이다. 이러한 온도 변동은 정상 흐름의 상태하에 있는 증기의 에너지 레벨이 두가지 성분, 즉 온도의 함수인 내부 에너지(U)와 흐름 또는 변위 일량(flow or displacement work)(pv/J)(여기서 p는 압력이고, v는 비용적이며, J는 변환 상수로서 788.2 임)을 갖는 엔탈피(h)에 의해서 설정되기 때문에 발생된다고 여겨진다. 흐름이 정지되는 경우, 즉 비흐름 과정으로 전환되는 경우, 흐름 또는 변위 일량과 관계되는 pv/J 항(값)은 모두 내부 에너지(U)로 변환된다. 내부 에너지(U)는 온도에 의존하기 때문에, 증기의 온도는 증가될 것이다. 이러한 관계를 수식으로 표시하면, 다음식으로 설정할 수 있다.
에너지 레벨 = h1= U1+ p1v1/J=U2
상기 식으로부터 비흐름 과정의 온도(T2)는 증기가 흐를 때의 온도(T1)보다 높다는 것을 알 수 있다.
증기실(20)의 제어 밸브(26)를 통과하는 유출 유량이 적을 경우 또는 증기흐름이 간헐적인 경우에, pv/J 항(값)의 일부만이 내부 에너지로 변환되고 증기 온도의 증가율은 감소한다. 이러한 상태는 반-흐름(semi-flow)과정으로서 특징지워질 수 있다. 제어 밸브(26)를 개방하면, 증기실(20)내의 증기 온도는 pv/J 값이 증가하고 내부 에너지가 감소하기 때문에 저하될 것이다. 그 결과, 증기실(20)은 증기 온도의 단계적 변화를 겪게 되는데, 즉 스로틀 밸브(46)가 개방되고 제어 밸브(26)가 폐쇄되면 증기 온도는 증가하고, 그 다음 제어 밸브(26)가 개방되면 증기 온도는 감소할 것이다. 표 I은 증기실(20)내에서 흐름 과정으로부터 비흐름 과정으로의 변화시에 발생하는 온도변화를 나타낸다.
[표 1]
증기실(20)의 증기 유출 차단 라인(60)은 급수 재가열 라인(50)에 접속되어 증기실(20)을 통과하는 흐름을 유지하기 위한 수단을 제공한다. 그러나, 상기 급수 재가열 라인(50)은 단지 이용가능한 저압 영역을 나타낸 것에 불과하다. 즉, 증기 유출 차단 라인은 재가열 터빈의 급수 재가열 라인에 접속하는 것으로서 도시 되었지만, 두개의 케이싱 터빈상의 고압 배기측 또는 임의의 다른 이용가능한 저압영역에 접속할 수도 있다. 증기 유출 차단 라인(60)에는 증기실(20) 내부의 압력을 제어할 수 있는 제어 밸브(58)가 설치되어 있다. 또한, 이러한 제어는 증기실(20) 내부에 갇힌 증기 온도의 보다 양호한 제어를 가능하게 하며, 그에 따라 상술했던 증기 온도의 변동을 방지하게 된다. 표 II는 증기가 드로들 밸브(46)에 의해 교축되는 경우, 소정의 스로틀 밸브 상태에서의 증기실 증기 온도에 대한 압력의 영향을 나타낸 것이다. 이 표 II에 있어서, Pth와 Tth는 각기 스로틀 밸브의 압력과 온도를 나타낸다. PSC와 TSC는 증기실(20) 내부의 압력과 온도를 나타낸다. 표 II로부터 알 수 잇는 바와 같이 제2도에 도시되고 상술된 방법 및 장치는 온도 변동을 제거할 뿐 아니라, 증기실 압력을 제어함으로써 증기실(20) 내부의 증기 온도에 대한 제어수단을 제공하게 된다.
[표 2]
본 발명의 바람직한 실시예에 관해 설명하였지만, 당업자라면 다양한 변경 및 추가도 용이하게 행할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 예시된 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위의 정신 및 범주내에서 해석되는 것으로 의도되어 있다.

Claims (4)

  1. 사이클 작동되는 증기 터빈(10)과 협동관계로 접속된 증기실(20)(a steam chest)내의 열응력을 감소하기 위한 것으로, 제어가능한 온도의 증기원(42)과, 상기 증기원(42)과 상기 증기실(20)사이에 접속되고, 또 적어도 사전설정된 증기유량 범위에 걸쳐서 상기 증기실(20)로의 증기 유량을 조절하기 위한 수단(52)을 구비한 스로틀 밸브(46)와, 상기 증기실(20)에 접속되어 상기 증기실(20)의 벽(22)의 온도를 나타내는 신호를 제공하기 위한 적어도 하나의 온도 센서(54, 56)와, 상기 증기실(20)에 접속된 증기 유출 차단 라인(a steam leak-off line)(60)으로, 그 증기 유출 차단 라인(60)을 통과하는 증기의 유량을 조절하기 위한 유량 제어 밸브(58)를 구비한 상기 증기 유출 차단 라인(60)과, 상기 스로틀 밸브(46)와 상기 유량 제어 밸브(58)에 접속되고 또 상기 온도 센서(54, 56)에 접속된 제어 수단(52)을 포함하는 증기 터빈 시스템(8)에서 증기실(20)내의 열응력을 감소시키기 위한 방법에 있어서, 상기 증기 터빈(10)내로 공급될 증기의 온도에 사전설정되게 연관된 상기 증기실(20)의 벽(22)에 대한 소망온도(목표온도)를 선택하는 단계와, 상기 제어 수단(52)에서 상기 증기실 벽(22)의 상기 소망온도(목표온도)를 상기 온도 센서(54, 56)에 의해 표시된 온도와 비교하는 단계와, 상기 증기실 벽의 온도가 소망온도의 사전선택된 범위내에 있을 때까지, 상기 증기실 벽(22)을 사전선택된 낮은 속도로 가열하기에 충분한 상기 증기실(20)을 통과하는 증기 유량을 설정하도록 상기 스로틀 밸브(46)와 상기 유량 제어 밸브(58)를 제어하여, 가열로 인한 상기 증기실(20)의 열응력을 최소화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기실의 열응력을 감소시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증기 터빈(10)에 접속된 증기 재가열 라인(50)을 포함하되, 상기 증기 유출 차단 라인(60)으로부터의 증기를 상기 재가열 라인으로 배출하는 것을 특징으로 하는 증기실의 열응력을 감소시키는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 터빈 작동중에 상기 유량 제어 밸브(58)를 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 증기실의 열응력을 감소시키는 방법.
  4. 증기 터빈(10)에 협동관계로 접속된 증기실(20)을 가지며, 또 열응력을 감소시키기 위해 상기 증기실(20)을 제어가능하게 가열하는 장치를 구비한 증기 터빈 시스템(8)에 있어서, 제어가능한 온도의 증기원(42)과, 상기 증기원(42)과 상기 증기실(20)사이의 증기유로에 접속되어 적어도 사전 설정된 증기유량 범위에 걸쳐서 증기 유량을 조절하기 위한 스로틀 밸브(46)와, 상기 증기실(20)에 접속되어 상기 증기실(20)의 온도를 나타내는 신호를 제공하기 위한 적어도 하나의 온도 센서(54, 56)와, 상기 증기실(20)에 접속된 증기 유출 차단 라인(60)으로, 그 증기 유출 차단 라인(60)을 통과하는 상기 증기실(20)로부터의 증기 유량을 조절하기 위한 유량 제어 밸브(58)를 구비한, 상기 증기 유출 차단 라인과, 상기 스로틀 밸브(46)와 상기 유량 제어 밸브(58)에 제어관계로 접속되어 상기 증기실(20)의 제어된 가열을 행하도록 상기 증기실(20)내로 및 상기 증기실(20)로부터의 증기 유량을 제어하는 제어 수단(52)을 포함하고; 상기 제어 수단(52)은 상기 적어도 하나의 온도 센서(54, 56)로부터의 신호를 수신하도록 접속되며, 또 그 신호에 응답하여 상기 증기실(20)의 가열을 제어하는 증기 터빈 시스템.
KR1019910017686A 1990-10-10 1991-10-09 증기실의 열응력을 감소시키는 방법 및 증기 터어빈 시스템 KR100243551B1 (ko)

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US07/597,942 US5018356A (en) 1990-10-10 1990-10-10 Temperature control of a steam turbine steam to minimize thermal stresses
US597,942 1990-10-10

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