KR100600338B1

KR100600338B1 - 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치 및 그방법

Info

Publication number: KR100600338B1
Application number: KR1020050023300A
Authority: KR
Inventors: 김병수; 김종건; 김화성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2005-03-21
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2006-07-18

Abstract

본 발명은 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 증기터빈 발전기의 수리이후 정상 운전중에 수리시에 수행한 정렬이 외부적 요인으로 인해 변동되는 량을 검출하여 조절하고 장기간 설비의 진동 상태를 안정적으로 제어할 수 있는 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 증기터빈의 각 단간의 정지시와 운전중의 중심선 정렬 상태와 변위를 측정하고 그 변위를 조절함으로써 운전중에 정렬상태가 장기간 변화되지 않도록 하는 것이 가능해지며, 부품들의 진동과 마모의 발생이 저하되어 증기 터빈 구동의 효율성이 향상되는 효과가 있다.

그리고, 증기터빈을 구성하는 부품들에 대한 정렬 상태를 최적화하여 설비의 유지보수나 수리 등에 소요되는 시간을 단축됨에 따라 터빈의 구동 가능 시간이 증대되어 효율이 극대화될 수 있는 효과가 있다.

증기터빈, 정렬, 변위

Description

증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MAINTAINING A OPTIMUM ALIGNMENT UNDER A STEAM TURBINE GENERATOR DRRIVING}

도 1은 종래 증기터빈 발전기의 구조와 변위 발생 위치를 나타내기 위한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 최적 상태 유지 장치의 배치 위치를 나타내기 위한 블럭 구성도.

도 3은 본 발명에 따라 가동중 정렬을 최적화하는 방법을 나타내기 위한 순서도.

도 4는 본 발명에 따라 케이싱 외부 터빈간의 상대 변위를 검출하기 위한 변위 측정 장치와 변위 조절 장치를 나타내기 위한 예시 측면도.

도 5는 본 발명에 따라 케이싱의 변위량이 감소한 것을 나타내기 위한 측정 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 베어링 지지대 200: 고압·중압 터빈

300: 저압 터빈 400: 발전기

500: 베어링 600: 커플링

700: 변위 계산 수단 710: 설비 운전 데이터

800: 변위 조절 수단 810: 변위 측정 수단

일반적으로 증기터빈 발전기는 발전기 내의 부품에 접근이 가능하도록 하기 위해 하나 이상의 제거 가능한 상부 케이싱을 구비하여 구성되는데, 증기터빈 내의 부품들은 다수의 고정 부품들과 회전 부품들을 포함하여 구성되되, 고정 부품들은 터빈 작동 도중 정지되어 있는 하나 이상의 고정휠과 다이어프램, 지지패드, 편향기 등을 포함하고, 회전 부품들은 터빈 작동 도중 회전하는 하나 이상의 휠과, 축과, 베어링 등을 포함하여 구성되며, 이러한 고정 또는 회전 부품들을 위한 지지체로서의 작용과 증기의 누설을 방지하기 위한 증기 통로의 밀봉을 위한 하나 이상의 하부 케이싱을 포함하여 구성된다.

이러한 증기터빈 발전기는 여러 부품들 사이의 조밀한 공차에 의해 그 효율이 직접적으로 영향을 받는데, 예를 들어, 수톤의 중량이 나가는 대형 증기 터빈의 내부 부품들은 밀리미터(mm) 또는 수천 분에 1 인치(mil)의 공차를 가지며, 만약 고정 부품들 및 회전 부품들이 서로 밀착하는 경우에는 작동시 부품들 사이에 마찰이 발생하며, 이 마찰은 증기터빈에 대한 유지보수 및 점검후의 증기터빈의 시동을 어렵게 하여 과도한 진동을 발생시키며, 이 마찰은 또한 회전 부품과 고정 부품들 사이의 씰(seal)을 마모시켜 증기가 누설되는 틈새를 발생시키킴으로써 터빈의 효율을 감소시키게 된다.

증기터빈 발전기에서 공차가 유발시키는 위의 여러가지 문제점을 고려할 때, 증기터빈 발전기의 설계는 정렬에 변화가 전혀 없는 완벽한 단일 강구조체로 설계하는 것이 가장 이상적이나, 경제성과 현재의 기술력을 고려하면 단일 강구조체로 증기터빈 발전기를 설계 및 제조하는 것은 불가능하며, 따라서, 종래의 기술에서는 정렬의 변화를 가져오는 얼마간의 변위는 허용하면서 그 변화가 간과할 수 없을 만큼 심화되면 설비에 대한 전체적인 재정렬을 실시하게 된다.

증기터빈에 대한 재정렬은 통상 증기터빈의 작동 중지시의 유지보수나 점검시에 실시하는데, 이때 일반적으로 상부(top)로 지칭되는 상부 케이싱을 제거하여 터빈내의 여러 부품에 접근한 후 각종 회전 부품과 고정 부품을 검사, 조정, 세척, 수리, 교체 및 변위량의 결정을 하며, 이러한 작업이 완료된 후에는 다시 상부 케이싱을 장착하여 증기터빈을 작동시킬 수 있다.

그러나, 상부 케이싱을 다시 장착하고 났을 때 정렬에 문제가 발생할 수 있는 바, 상부 케이싱의 중량은 통상 1톤 이상 나가므로 터빈상에 이미 정렬되어 있는 여러 부품들에 대하여 추가적인 비틀림 또는 변위를 발생시킬 수 있으며, 일반 적으로 상부 장착 변위로 언급되는 이러한 변위를 해결하기 위해 통상적으로 상부 장착/상부 제거(TOP ON/TOP OFF) 정렬 절차를 실행하고 있으며, 이러한 절차에 따르면, 상부 케이싱이 먼저 제거된 후에 여러 부품들이 필요에 따라 유지 보수 및 정렬되고, 부품들이 유지보수 된 후에 상부 케이싱이 다시 장착되어 부품들의 유닛의 중심선에 대해 세로 위치 및 가로 위치가 측정되며, 그 후 상부 케이싱이 다시 제거되어 상부 오프라인 측정이 이루어지며, 이러한 상부 오프라인은 상부 케이싱 및 부품의 제거에 따라 내부 부품의 가로 위치 및 세로 위치를 측정하고, 그후에 이러한 측정은 상부 케이싱 제거 상태일 때 내부 부품에 대한 이상적인 라인을 결정하도록 비교된다.

대한민국 공개특허 2002-0075444호에서는 이와 같은 상부 장착/상부 제거 정렬 절차와 그 단점으로 지적되는 정렬 시간의 장기화를 극복하기 위한 변위 측정 방법에 대하여 언급되고 있으나, 상기 공개특허에서 정렬 시간의 장기화를 극복하기 위해 제시되고 있는 변위측정 방법 또한 증기터빈의 운전 정지시를 기준으로 하므로 운전중인 외부 케이싱에서의 변위를 측정하여 정렬을 조정하는 기술은 제시되지 못하고 있다.

따라서, 터빈의 유지보수나 점검시에는 여러 부품들이 정확한 위치에 정렬되도록 하는데 인건비가 많이 소요되고 터빈의 작동정지시 상당한 수입의 감소를 초래하게 되며, 수리후 커플링으로 연결된 각 터빈간의 정렬 상태를 확인하고 장기간 정렬상태가 변화하지 않도록 유지하기 위한 기술의 적용이 절실한 상태이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 증기터빈의 각 단간의 정지시와 운전중의 중심선 정렬 상태와 변위를 측정하고 그 변위를 조절함으로써 운전중에 정렬상태가 장기간 변화되지 않도록 하여 부품들의 진동과 마모 발생을 방지하면서 증기 터빈 구동의 효율성을 향상시키고자 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 증기터빈을 구성하는 부품들에 대한 정렬 상태를 최적화하여 설비의 유지보수나 수리 등에 소요되는 시간을 단축시켜 터빈의 구동 가능 시간을 증대시킴으로써 효율을 극대화시키고자 함에 있다.

상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 본 발명에서 제공되는 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치는,

증기 터빈의 외부 케이싱에서 수평 방향 움직임(변위)을 측정하여 케이싱 변위 데이터를 출력하는 변위 측정 수단; 상기 검출된 케이싱 변위 데이터를 비교연산하여 중심선 정렬 상태를 결정하는 변위 계산 수단; 및 상기 계산된 변위 결과에 따라 운전중인 터빈의 정렬을 최적 위치로 조정하는 변위 조절 수단;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 방법으로는, 증기터빈 케이싱의 상대적 변위를 측정하여 터빈의 중심선 정렬을 수행하는 것을 특징으로 하되, 운전중인 증기터빈에서 중심선 정렬 상태를 측정하여 축진동과 비교하고, 변위 조절 수단을 사용하여 진동이 저감되도록 미소량의 변위를 조정하는 방법이 제시된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 보다 상세히 설명하고자 하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어지지 않아야 하고, 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 정렬 최적 상태 유지 장치의 배치 위치를 나타내기 위한 블럭 구성도로서, 정렬 최적 상태 유지 장치는 크게 변위 측정 수단(810), 변위 계산 수단(700) 및 변위 조절 수단(800)으로 이루어진다.

변위 측정 수단(810)은 도시되는 바와 같이 고압(HP) 터빈의 외부 케이싱의 4 간극부(A,B,C,D)에 설치되는데, 각각의 변위 측정 수단(810)은 구체적으로 도 4에 예시된 바와 같이 간극부의 외부 케이싱 상부에 설치된 접촉식 변위 센서(LVDT, linear voltage differential transformer)로 구현될 수 있으며, 변위 측정 수단(810)으로서는 반드시 접촉식 변위 센서만 이용가능한 것이 아니라 레이저 거리 검출계 등도 얼마든지 이용될 수 있다.

이러한 변위 측정 수단(810)은 증기 터빈의 정지시나 운전중에 외부 케이싱의 수평 방향 움직임, 즉 케이싱 변위 데이터를 측정하여 각 결과를 변위 계산 수단(700)으로 전달하도록 구성된다.

변위 조절 수단(800)은 도 4에서와 같이 좁은 설치공간인 간극부에서 고하중 을 지지할 수 있도록 케이싱의 한쪽에 고정하는 고정측 경사면(10)과, 기어(미도시)와 나사기구(미도시)를 이용하여 수평 이동을 발생시켜 케이싱의 간극을 지지하는 수직력으로 변환하는 이동측 경사면(20)으로 구성되며, 기어는 미소량의 변위를 결정할 수 있도록 스테핑 모터 등에 연결되어 있으며, 이러한 스테핑 모터 등은 아래에서 설명되는 변위 계산 수단(700)에 연결되어 미소량의 변위 데이터를 인가받도록 구성된다.

그리고, 변위 조절 수단(800)에 의해 조절될 미소 조절량은 도 4에서의 실측치 발생시의 조건인 터빈의 정비를 요하는 축진동의 경보치 발생시까지의 운전중 중심선 변위값을 그 조정 범위로 하되, 단 실측값이 없는 경우에는 조정에도 불구하고 축진동이 경보치에 도달시에 중심선 변위량의 조정을 중단하도록 구성된다.

변위 계산 수단(700)은 도 2에서와 같이 증기 터빈으로부터 격리 또는 인접하게 설치되는데, 4개의 간극부(A,B,C,D)에 배치된 변위 측정 수단(810)으로부터 측정된 케이싱 변위 데이터를 인가받도록 연결 구성되며, 각각의 케이싱 변위 데이터로부터 연산에 필요한 수평 방향의 대칭되는 측정 부위(즉, 축 중심기준으로 좌, 우측)의 값으로부터 특정 부위(좌, 우측)를 기준으로 가감하여 중심선이 어느 쪽으로 이동하고 있는지를 계산하고, 이러한 계산 결과로부터 중심선의 이동 변위를 판단하여 정렬값의 변동 여부를 결정하고, 재정렬되어야 할 미소량의 변위를 결정하는 기능을 수행하도록 구성되는데, 이러한 변위 계산 수단(700)으로는 컴퓨터나 적분기(integrator) 등의 연산기가 얼마든지 이용될 수 있다.

위와 같은 구성을 갖는 정렬 최적 상태 유지 장치에 의해 증기 터빈의 가동 중 정렬을 최적화하는 방법의 순서를 도 3의 순서도에서 나타내고 있다.

도 3에 따르면, 변위 계산 수단(700)은 단계 S1에서 증기 터빈의 정지시의 초기 자료들, 즉, 회전수, 축진동값, 케이싱의 변위 등을 획득하는데, 이러한 초기 자료들은 변위 계산 수단(700) 내부에 구비된 데이터베이스(미도시)에 저장되어 있는 데이터들을 읽어들이거나 또는 변위 측정 수단(810)으로부터 인가받아 이루어진다.

단계 S1 이후에 증기터빈의 회전자의 RPM이 300 RPM 보다 크거나 또는 30분 이내 인지를 판단하고(단계 S2), 단계 S2의 판단 조건을 충족하면 단계 S3에서 축진동값 측정과 케이싱 변위값 측정 단계를 수행하게 되며, 이때의 진동값 측정과 케이싱 변위값 측정은 4개의 간극부(A,B,C,D)에 배치된 변위 측정 수단(810)에 의해 이루어진다.

단계 S3에 의해 취득된 축진동값과 케이싱 변위값은 단계 S4에서 변위 계산 수단(700)에 의해 정렬값의 계산이 이루어지며, 단계 S4에 의해 계산된 정렬값으로부터 단계 S5에서는 정렬값의 변동이 있는지를 판단하게 되며, 단계 S6에서는 정렬값의 변동이 발생한 경우에 진동값과 변위가 정렬 기준을 초과하는지를 판단하게 되며, 정렬 기준을 초과하는 경우에는 단계 S7에서 변위에 대한 미소량 조정을 실시하게 된다.

이와 같이 단계 S4의 정렬값 계산 단계로부터 단계 S7의 미소량 조정단계까지의 단계를 "검출 신호별 조치 방법"이라고 하며, 검출 신호별 조치 방법에 대하여 도 5에서 구체적인 제어 순서예를 나타내고 있다.

도 5에서 "LP(D)"라고 표시한 것은 저압 증기 터빈 구동시의 정렬값을 나타내는 것이며, "HP(D)"라고 표시한 것은 고압 증기 터빈 구동시의 정렬값을 나타내는 것으로서, 정렬값의 계산 단계는 도 5에 도시된 바와 같이 "LP(D)= A 위치 변위 측정값 - B 위치 변위 측정값, HP(D)= C 위치 변위 측정값 - D 위치 변위 측정값"의 계산식에 의해 이루어지며, 고압측 또는 저압측 증기터빈의 정렬값 중에서 어느 값이 더 큰가에 따라서 고압측 변위량이 기준치를 초과하는지 또는 저압측 변위량이 기준치를 초과하는지 판단하는 단계로 이어진다.

만약 도 5에 도시한 바와 같이 고압측 변위량의 절대값이 0.15 mm보다 큰 경우에 그 변위량이 어느 방향으로 정(+)의 값을 갖는지를 판단해야 하므로 그 아래에 도시된 바와 같이 HP(D)가 0.15 mm 보다 큰 정의 값을 갖는지 아니면 0.15 mm보다 작은 부(-)의 값을 갖는지를 판단하는데, HP(D)가 0.15 보다 클 때 D 위치의 변위 조절 수단(800)과 C 위치의 변위 조절 수단(800)을 구동하여 각각 0.1 mm만큼 증가와 0.1mm 감소시켜 변위를 줄이게 된다.

그리고, HP(D)가 0.15mm 보다 작은 경우에는 D 위치의 변위 조절 수단(800)과 C 위치의 변위 조절 수단(800)을 구동하여 각각 0.1 mm만큼 감소와 0.1mm 증가시켜 변위를 줄이게 되며, LP(D)가 0.15mm 보다 클 때 A 위치의 변위 조절 수단(800)과 B 위치의 변위 조절 수단(800)을 구동하여 각각 0.1 mm만큼 감소와 0.1mm 증가시켜 변위를 줄이게 되며, LP(D)가 0.15mm 보다 작을 때A 위치의 변위 조절 수단(800)과 B 위치의 변위 조절 수단(800)을 구동하여 각각 0.1 mm만큼 증가와 0.1mm 감소를 시켜 변위를 줄이게 된다.

각 간극부에서의 위치 변위가 조절된 후에는 A,B,C,D의 모든 간극부의 변위값을 합산하여 그 값이 0.6 mm를 초과하는지를 판단하는데, 이 단계는 도 3에서의 단계 S8에 해당하는 축진동 과대 및 경보기준 초과에 대한 판단 단계에 해당하는 것이다.

단계 S8의 판단 결과 축진동이 과대하여 경보기준을 초과하는 것으로 판단되면 단계 S9에서는 조정 중지 명령 신호를 발생하여 변위 조절 수단(800)의 변위 조정을 중지시키고, 경보기준을 초과하지 않는 것으로 판단되면 단계 S2로 피드백하여 다시 단계 S8까지의 단계들을 반복적으로 수행하게 되며, 이와 같은 과정들에 의해 각 변위 발생 부위에서의 축진동 변위의 변동이 없도록 조정되게 된다.

이상과 같은 단계들에 의해 미소량의 변위를 조정하여 운전중 정렬의 최적화를 수행하게 되며, 참고로 도 6에서는 증기터빈 정지후 기동시의 케이싱 변위량의 측정 사례 그래프를 나타내고 있는데, 이 그래프에 의하면 좌우 변위차가 각각 0.51mm, 0.36mm로 측정되어 미소량의 변위 조정이 필요한 상태임을 의미하고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명에 따른 그라우트재 역류 방지형 사면 보강 공법 및 그 장치는 상기 언급한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 그 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

증기 터빈의 외부 케이싱에서 수평 방향 변위를 측정하여 케이싱 변위 데이터를 출력하는 변위 측정 수단;

상기 검출된 케이싱 변위 데이터를 비교연산하여 중심선 정렬 상태를 결정하는 변위 계산 수단; 및

상기 계산된 변위 결과에 따라 운전중인 터빈의 정렬을 최적 위치로 조정하는 변위 조절 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치.
제 1항에 있어서,

상기 변위 측정 수단은 접촉식 변위 센서(LVDT)인 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치.
제 1항에 있어서,

상기 변위 측정 수단은 레이저 거리 검출계인 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 장치.
증기 터빈의 정지시의 회전수, 축진동값, 케이싱의 변위를 포함하는 초기 자료들을 획득하는 단계;

축진동값 측정과 케이싱 변위값 측정 단계를 수행하는 단계;

상기 취득된 축진동값과 케이싱 변위값에 의해 정렬값의 계산을 수행하는 단계;

상기 계산되는 정렬값으로부터 정렬값의 변동이 있는지를 판단하는 단계;

정렬값의 변동이 발생한 경우에 진동값과 변위가 정렬 기준을 초과하는지를 판단하는 단계;

정렬 기준을 초과한 경우에 변위에 대한 미소량 조정을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 방법.
제 4항에 있어서,

상기 미소량 조정된 변위값들을 합산하여 그 값이 소정 기준치를 초과하는지를 판단하는 단계;와

상기 판단 결과 축진동이 과대하여 경보기준을 초과하는 것으로 판단되면 조정 중지 명령 신호를 발생하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전기 가동중 정렬의 최적 상태 유지 방법.