KR100639558B1 - 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생 예측및 제어방법 - Google Patents

발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생 예측및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생을 예측하고 제어하기 위한 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은, 발전기(1)의 전류 차단기(3)가 닫힌 상태인 경우, 증기터빈(1)의 구동력(a: 증기압력)과 발전기 전류(b)를 비교하여, 구동력(a)과 발전기 전류(b)의 차이가 설정치(A: 예컨대, 40%)보다 더 크고, 발전기(1)의 전류 차단기(3)가 닫힌 상태이면, 증기터빈 속도의 가속율(d)이 설정치(C)보다 크다는 조건 2를 확인하여 이 조건 2를 만족하면, 증기량 제어밸브 제어부(21)에 의해 급속폐쇄신호(i)를 출력하여 증기량 제어밸브(5)를 급속폐쇄시키는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 과속도 발생 예측과 제어기능의 오동작 가능성을 감소시킴과 동시에 발전소 전력공급의 안정성과 전체 전력수급의 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생 예측 및 제어방법{A method for anticipating and controlling overspeed of a steam turbine according to load alteration of generator}
도 1은, 본 발명에 따른 증기터빈-발전기 과속도 발생 예측 및 제어방법을 설명하기 위한 장치의 개략구성 및 신호의 흐름을 나타낸 도면,
도 2는, 본 발명에 적용된 증기터빈 가속율 산출 논리도,
도 3은, 종래기술로서, 증기터빈-발전기 과속도 발생 예측 및 제어방법을 설명하기 위한 장치의 개략구성 및 신호의 흐름을 나타낸 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 --- 증기터빈, 2 --- 발전기,
3 --- 발전기 전류 차단기, 5 --- 증기량 제어밸브,
6,16 --- 디지털 제어부, 7,17 --- 비교판단부1,
8 --- 감소율 산출부, 9,19 --- 비교판단부2,
10 --- 논리부, 11 --- 시간 지연부,
12 --- 증기량 제어밸브 제어부, 13 --- 속도 제어부,
14 --- 과속도 트립부, 18 --- 가속율 산출부,
20 --- 과속도 발생 예측 논리부, 21 --- 증기량 제어밸브 제어부,
100,101,102,104 --- 보존부, 103 --- 비교판단부3,
105 --- 비교판단부4.
본 발명은 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생을 예측하고 제어하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 화력 또는 원자력 발전소의 증기터빈에 대한 과속도 발생 예측의 신뢰성이 우수하면서 오동작의 가능성이 없는 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생 예측 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발전시스템에 있어서 증기터빈은 발전기와 기계적으로 동일한 축으로 연결되어 있으며, 안정된 상태에서는 발전기의 전기부하와 증기터빈의 구동력이 동등하여 회전속도가 일정하게 유지된다.
그러나, 송전선로 등 외부의 조건변화로 인해 발전기의 전기부하가 감소하여 증기터빈의 구동력보다 적어지면 회전속도가 상승하고, 그 차이가 상당히 커지면 과속도(즉, 위험속도)에 이르게 된다.
따라서, 증기터빈과 발전기의 운전상태를 항상 감시하면서 특정한 조건이 나타나면 과속도 발생을 예측하고 제어할 필요가 있다.
이하, 도 3을 참조하여 종래기술에 따른 증기터빈 과속도 발생 예측 및 제어방법에 대해 설명한다.
도 3은, 종래기술에 따른 미국 제너럴 일렉트릭(General Electric)의 증기터 빈 과속도 발생 예측 및 제어방법을 설명하기 위한 장치의 개략구성 및 신호의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 증기터빈의 과속도 발생 예측 및 제어는 디지털 제어부(6)에서 행해진다.
보다 구체적으로, 상기 디지털 제어부(6)의 비교판단부1(7)에서는 가동중인 증기터빈(1)의 구동력(a: 증기압력)과 발전기(2)에서 발생되는 발전기 전류(b)를 상시 비교하여 차이를 구하고, 그 차이가 설정치(A: 예컨대, 40%)보다 더 크다는 조건1(if (a-b)＞설정치(A))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(c)를 출력한다.
또한, 디지털 제어부(6)의 비교판단부2(9)에서는 발전기 전류(b)에 따라 감소율 산출부(8)에서 산출된 발전기 전류 감소율(d)과 미리 설정된 설정치(B)를 비교하여 조건2(if 감소율(d)＞설정치(B))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(f)를 출력한다.
그 후, 비교판단부1(7)에서 조건1을 만족하여 출력된 조건 만족 상태신호(c)와 비교판단부2(9)에서 조건2를 만족하여 출력된 조건 만족 상태신호(f)를 논리부(10)에서 처리하고, 그 결과가 시간지연부(11: 시간지연요소)를 거친 후, 최종적으로 증기량 제어밸브 제어부(12)에 의해 증기량 제어밸브 폐쇄신호(g)가 발생되어 증기량 제어밸브(5)를 급속히 폐쇄시키게 된다.
한편, 시간지연요소는 발전소 설비 특성을 고려하여 사용여부 및 시간지연 길이를 선택적으로 적용한다.
상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 설명한다.
첫번째, 종래기술은, 도 3에 도시된 바와 같이 발전기(2)의 전류 차단기(3)의 동작상태를 참조하지 않은 상태에서 과속도의 발생을 예측하고 제어하는 동작이 이루어지고 있다는 점이다.
이와 관련하여, 발전기(2)의 전류 차단기(3)가 열린상태는 송전계통에서 분리되었음을 의미하며, 이 때는 전력의 계속 공급이 불가능하다. 또한, 발전기의 부하가 완전히 탈락한 상태이기 때문에, 증기터빈(1)에 과속도 발생 가능성이 매우 높으며, 증기터빈(1)의 보호를 우선시 하여 시간지연 없이 동작해야만 한다.
반대로, 전류 차단기(3)가 닫혀 있으면, 발전기(2)의 전력 공급 가능성은 높고 증기터빈(1)의 과속도 발생 가능성은 낮기 때문에, 도 3의 시간지연요소의 사용 등으로 과속도 발생 가능성을 더 확인할 필요가 있다.
그러나, 종래기술은 상술한 바와 같은 2가지의 상태를 구별하지 않은 채 과속도 발생 예측 및 제어동작을 수행하기 때문에 신뢰성이 낮은 것이 현실이다.
둘째, 종래기술은, 증기터빈(1)과 발전기(2) 양 측 사이에 동력의 불균형이 발생하면, 필연적으로 뒤따르는 증기터빈(1)의 가속도(속도의 시간 증가율) 발생 여부를 확인하지도 않은 채 제어동작을 수행하고 있다는 점이다.
이러한 제어동작이 필요 이상으로 빈번히 작용하기 때문에, 과속도 보호에는 문제가 없지만, 발전소(1)의 전력공급과 전체 전력수급의 안정성은 저하시키게 된다.
또한, 과속도 발생 예측 기능이 작용하면, 그 결과로서 증기터빈(1)에 공급 되는 증기량이 급속히 차단되므로, 증기를 생성하는 보일러 등 관련된 설비들에 미치는 파급 영향이 크고, 또 발전소(2) 전체가 정지될 가능성도 있다.
따라서, 상술한 바와 같은 종래기술보다 신뢰성이 높은 과속도 발생 예측 및 제어를 위한 방법이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 발전기 차단기의 상태신호와 증기터빈의 속도 및 가속도 신호를 기초하여 증기터빈의 과속도 발생을 예측하고 제어함으로써, 신뢰성이 우수한 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생 예측 및 제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생을 예측하고 제어하기 위한 방법에 있어서, 디지털 제어부의 비교판단부1에 의해, 가동중인 증기터빈의 구동력(a)과 발전기에서 발생되는 발전기 전류(b)를 상시 비교하여 차이를 구하고, 그 차이가 설정치(A)보다 더 크다는 조건1(if (a-b)＞설정치(A))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(e)를 출력하는 단계와; 가속율 산출부에 의해 증기터빈의 회전수에 따른 터빈 속도(v)를 기초하여 가속율(d) 및 기간 평균값을 산출하는 단계; 비교판단부2에 의해 가속율 산출부에서 산출된 가속율(d)과 미리 설정된 설정치(C)를 비교하여 조건2(if 가속율(d)＞설정치(C))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(g)를 출력하는 단계; 과속도 발생 예측 논리부에 의해 비교판단부1과 비교판단부2에서 조건1과 조건2를 만족하여 출력된 조건 만족 상태신호(e, g)와 전류 차단기의 차단기 상태신호(f)에 기초하여 과속도 발생 예측신호(h)를 출력하는 단계 및; 증기량 제어밸브 제어부에 의해 상기 과속도 발생 예측 논리부에 의한 과속도 발생 예측신호(h)에 따라 증기량 제어밸브 폐쇄신호(i)를 출력하여 증기량 제어밸브를 급속히 폐쇄시키는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 증기터빈의 구동력(a)과 발전기 전류(b)를 비교하여, 구동력(a)과 발전기 전류(b)의 차이가 설정치(A)보다 더 크고, 발전기의 전류 차단기가 닫힌 상태이면, 증기터빈 속도의 가속율(d)을 계산하여 그 계산값이 설정치(C)를 초과하는지 또는 상기 증기터빈의 속도가 초기 허용 과속도 설정치를 초과하는지의 여부를 확인하여 제어작용을 하는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 가속율 및 기간 평균값 산출 단계에서, 보존부에 지난 단계의 신호 샘플값을 유지하고, 현재의 신호 샘플값과 평균값 산출 대상 기간의 가장 오래된 샘플값의 차이를 비교판단부3에서 비교하여 기간평균 가속율 값을 구하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 증기터빈의 과속도 발생이 확실하게 예측되는 상황에서는 신속히 제어작용을 수행하여 증기터빈을 보호하고, 과속도 발생 여부가 불확실한 상황에서는 다른 신호를 추가로 판별하여 과속도 발생 가능성을 재확인 해서 제어작용을 수행할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 부하변동에 따른 증기터 빈의 과속도 발생을 예측하고 제어하기 위한 방법에 대해 설명한다.
도 1은, 도시된 바와 같이 증기터빈 과속도 발생 예측 및 제어기능과 관련된 장치와 신호의 흐름을 나타낸다.
더욱이, 도 1에 도시된 점선으로 표시된 부분은 디지털 제어시스템 내에서 프로그램(증기터빈 과속도 발생 예측 및 제어를 위한 프로그램)에 의해 구현되는 디지털 제어부(16)를 나타낸다.
즉, 상기 디지털 제어부(16)에 의해 증기터빈의 과속도 발생을 예측하고 제어하게 된다.
상기 디지털 제어부(16)는 비교판단부1(17)과, 가속율 산출부(18), 비교판단부2(19), 과속도 발생 예측 논리부(20) 및, 증기량 제어밸브 제어부(21)로 이루어진다.
이어, 증기터빈 과속도 발생 예측 및 제어 프로그램에 의해 상기 디지털 제어부(16)에서 이루어지는 과속도 발생 예측 및 제어동작에 대해 상세히 설명한다.
우선, 상기 디지털 제어부(16)의 비교판단부1(17)에서는, 가동중인 증기터빈(1)의 구동력(a: 증기압력)과 발전기(2)에서 발생되는 발전기 전류(b)를 상시 비교하여 차이를 구하고, 그 차이가 설정치(A: 예컨대, 40%)보다 더 크다는 조건1(if (a-b)＞설정치(A))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(e)를 출력한다.
여기서 상기 가속율 산출부(18)에서는, 증기터빈의 회전수에 따른 터빈 속도(v)를 기초하여 가속율(d) 및 기간평균 가속율 값을 산출한다.
다음에, 비교판단부2(19)에서는, 상기 가속율 산출부(18)에서 산출된 가속율(d)과 미리 설정된 설정치(C)를 비교하여 조건2(if 가속율(d)＞설정치(C))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(g)를 출력한다.
그 후, 과속도 발생 예측 논리부(20)에서는, 상기 비교판단부1(17)과 비교판단부2(19)에서 조건1과 조건2를 만족하여 출력된 조건 만족 상태신호(e, g)와 전류 차단기(3)의 차단기 상태신호(f)에 기초하여 과속도 발생 예측신호(h)를 출력한다.
최종적으로, 증기량 제어밸브 제어부(21)에서 상기 과속도 발생 예측 논리부(20)에 의한 과속도 발생 예측신호(h)에 따라 증기량 제어밸브 폐쇄신호(i)를 출력함으로써, 증기량 제어밸브를 급속히 폐쇄시킨다.
상술한 상기 과속도 발생 예측 및 제어동작을 발전기 전류 차단기(3)의 열린 상태와 닫힌 상태의 2가지 상태신호로 구분하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 발전기(1)의 전류 차단기(3)가 열린 상태인 경우, 증기터빈(1)의 구동력(a: 증기압력)과 발전기 전류(b)를 비교하여, 구동력(a)과 발전기 전류(b)의 차이가 설정치(A: 예컨대, 40%)보다 더 크고, 발전기(1)의 전류 차단기(3)가 열린 상태이면(또는, 트립되면), 즉시 증기량 제어밸브 제어부(21)에 의해 급속 폐쇄신호(i)를 출력하여 증기량 제어밸브(5)를 급속 폐쇄시키게 된다.
또한, 발전기(1)의 전류 차단기(3)가 닫힌 상태인 경우, 증기터빈(1)의 구동력(a: 증기압력)과 발전기 전류(b)를 비교하여, 구동력(a)과 발전기 전류(b)의 차이가 설정치(A: 예컨대, 40%)보다 더 크고, 발전기(1)의 전류 차단기(3)가 닫힌 상태이면, 증기터빈 속도의 가속율(d)이 설정치(C)보다 크다는 조건2를 확인하여 조건2를 만족하면, 증기량 제어밸브 제어부(21)에 의해 급속 폐쇄신호(i)를 출력하여 증기량 제어밸브(5)를 급속 폐쇄시키게 된다.
한편, 상기 조건2를 만족하지 않으면, 제어동작을 수행하지 않게 된다.
도 2는, 터빈 가속율(d)을 산출하기 위한 도 1에 도시된 터빈 가속율 산출부(18)를 상세히 나타낸 터빈 가속율 산출 논리도이다.
도 2의 터빈 가속율 산출 논리도에 나타낸 바와 같이, 터빈의 속도에 따라 가속율을 계산하고 기간평균 가속율 값을 구하는데, 시간적으로 앞선 단계의 증기터빈 속도신호 샘플값을 유지하는 기능(Z-1)을 갖는 보존부(100, 101, 102)에서 차례로 지난 샘플값을 유지하고, 현재의 속도신호 샘플값과 평균 대상 기간중 가장 먼저 샘플된 값(보존부(102)의 값)과의 차이를 비교판단부3(103)에서 구하여, 비교판단부3(103)의 출력값을 비교판단부4(105)에서 평균 대상 기간의 샘플 횟수(보존부(104)의 사용된 Z-1기능 수량과 동일)로 나누어 터빈 가속율(d)을 구하게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 증기터빈의 과속도 발생이 확실하게 예측되는 상황에서는 신속히 제어작용을 수행하여 증기터빈을 보호하고, 과속도 발생 여부가 불확실한 상황에서는 다른 신호를 추가로 판별하여 과속도 발생 가능성을 재확인 해서 제어작용을 수행하기 때문에, 과속도 발생 예측과 제어기능의 오동작 가능성을 감소시킴과 동시에 발전소 전력공급의 안정성과 전체 전력수급의 안정성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생을 예측하고 제어하기 위한 방법에 있어서,
    디지털 제어부(16)의 비교판단부1(17)에 의해, 가동중인 증기터빈(1)의 구동력(a)과 발전기(2)에서 발생되는 발전기 전류(b)를 상시 비교하여 차이를 구하고, 상기 차이가 설정치(A)보다 더 크다는 조건1(if (a-b)＞설정치(A))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(e)를 출력하는 단계와;
    가속율 산출부(18)에 의해 증기터빈의 회전수에 따른 터빈 속도(v)를 기초하여 가속율(d) 및 기간평균 가속율 값을 산출하는 단계;
    비교판단부2(19)에 의해 상기 가속율 산출부(18)에서 산출된 가속율(d)과 미리 설정된 설정치(C)를 비교하여 조건2(if 가속율(d)＞설정치(C))의 만족 여부를 판단하여, 만족할 경우 조건 만족 상태신호(g)를 출력하는 단계;
    과속도 발생 예측 논리부(20)에 의해 상기 비교판단부1(17)과 비교판단부2(19)에서 상기 조건 1과 조건 2를 만족하여 출력된 조건 만족 상태신호(e, g)와 전류 차단기(3)의 차단기 상태신호(f)에 기초하여 과속도 발생 예측신호(h)를 출력하는 단계 및;
    증기량 제어밸브 제어부(21)에 의해 상기 과속도 발생 예측 논리부(20)에 의한 과속도 발생 예측신호(h)에 따라 증기량 제어밸브 폐쇄신호(i)를 출력하여 증기량 제어밸브를 급속히 폐쇄시키는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생을 예측 및 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증기터빈(1)의 구동력(a)과 발전기 전류(b)를 비교하여, 구동력(a)과 발전기 전류(b)의 차이가 설정치(A)보다 더 크고, 발전기(1)의 전류 차단기(3)가 닫힌 상태이면, 증기터빈 속도의 가속율(d)을 계산하여 그 계산값이 설정치(C)를 초과하는지 또는 상기 증기터빈(1)의 속도가 초기 허용 과속도 설정치를 초과하는지의 여부를 확인하여 제어작용을 하는 것을 특징으로 하는 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생을 예측 및 제어방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    가속율 및 기간평균 가속율 값을 산출 단계에서, 보존부(100, 101, 102)에 지난 단계의 신호 샘플값을 유지하고, 현재의 신호 샘플값과 평균값 산출 대상 기간의 가장 오래된 샘플값의 차이를 비교판단부3(103)에서 비교하여 기간평균 가속율 값을 구하는 것을 특징으로 하는 발전기의 부하변동에 따른 증기터빈의 과속도 발생을 예측 및 제어방법.
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