KR100812703B1

KR100812703B1 - 날개 손상 방지방법

Info

Publication number: KR100812703B1
Application number: KR1020010083636A
Authority: KR
Inventors: 김학형
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-22
Filing date: 2001-12-22
Publication date: 2008-03-12
Also published as: KR20030053688A

Abstract

날개 손상을 방지하는 방법은 위험지역과 정상지역을 구분하는 기준치를 설정하는 제1 단계(21)와, 배압 및 유입 유체량을 검출하는 제2 단계(22)와, 표준 유체량을 계산하는 제3 단계(23)와, 표준 및 유입 유체량을 비교하는 제4 단계(24)와, 유입 유체량이 표준 유체량을 초과한 경우에 유입 유체량에 대한 표준 배압을 계산하는 제5 단계(25)와, 상기 표준 배압 이상의 값으로 후단 배압제어루프(5)의 설정치를 설정하는 제6 단계(26)와, 운전을 계속할 경우에는 상기 제2 단계 내지 제6 단계를 반복하는 제7 단계(27)로 구성된다.

본 발명에 의하면 운전 상태가 위험지역 내에 들었을 때, 이를 판단하여 위험지역으로 벗어난 수치만큼 압제어루프의 압력설정값으로 재설정하여 배압을 높여주어, 운전 상태를 정상지역으로 신속히 복귀시키므로 날개의 손상을 방지할 수 있는 등의 매우 획기적인 효과가 있다.

터빈 발전기, 임펠러 펌프, 날개, 손상, 유체량, 배압

Description

날개 손상 방지방법 {Damage Prevention Method for the Blade}

도 1은 종래의 터빈 발전기 입출측 제어장치 연결 상태도,

도 2는 터빈 발전기의 날개에 손상을 미치는 범위를 나타내는 상관 곡선도,

도 3은 본 발명의 손상 방지장치의 설치 위치 설명도,

도 4는 본 발명의 손상 방지장치의 구성 블럭도,

도 5는 본 발명의 손상 방지장치의 세부 처리작업을 표시한 블럭도,

도 6은 본 발명의 손상 방지방법의 흐름도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 보일러 후단 압력제어루프 2 : 방산변 압력제어루프

3 : 바이패스 압력제어루프 4 : 전단 압력제어루프

5 : 후단 배압제어루프 6 : 유입 유체량 검출부

7 : 배압신호 검출부 8 : 계산 및 설정부

9 : 유체량-배압 상관곡선 설정부 10 : 표준 유체량 계산부

11 : 유체량 비교부 12 : 표준 배압신호 계산부

13 : 표준 배압신호 설정부

21 : 표준값 설정단계 22 : 실측값 검출단계

23 : 표준 유체량 계산단계 24 : 비교단계

25 : 표준 배압 계산단계 26 : 설정단계

27 : 루프단계

본 발명은 터빈 발전기나 임펠러 펌프 등 날개(Blade, Fan 등)를 가지는 유체용 기구의 날개 손상 방지방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이러한 터빈 발전기나 임펠러 펌프 등의 기구의 운전 상태가 유입 유체량-배압 상관곡선 상의 위험지역에 들었을 때에 그 터빈 발전기의 날개의 손상을 방지하면서 운전할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 터빈 발전기는 보일러에서 생산되는 과열 잉여 유체 유체 등 연속적으로 입력되는 유체가 날개를 회전시킨 후 빠져나가고, 이 회전이 발전기의 축을 회전시킴에 따라 전기 등의 에너지를 생산하는 장치이다. 한편, 임펠러 펌프는 동력원으로부터 공급되는 에너지에 의하여 날개를 회전시켜서, 그 힘으로 유체를 일정 방향으로 이송시키는 장치이다.

이러한 터빈 발전기나 임펠러 펌프에 있어서는 그 내구성 등 성능을 결정하는 중요한 설계 사양으로서 입력되는 유체의 양 또는 압력과 배출되는 유체의 양 또는 배압에 대한 제한 수치가 있다. 즉 입력과 출력 유체의 차이에 따라서 이러한 제한을 초과하는 경우에는 터빈 발전기나 임펠러 펌프의 날개는 파손될 가능성이 있는 것이다. 이러한 입출력의 차이에 대한 제한이 있다는 점은 회전 날개를 가지 고 유체에 적용되는 모든 유체용 기구에 있어서 동일하다.

이하 본 발명이 적용되는 분야로서 터빈 발전기만을 예시하여 설명하기로 한다. 이때 유체로서는 보일러의 잉여 증기가 이용된다.

그리고 입력측에는 유체의 양을 관리 변수로 하고, 출력측에는 유체의 배압을 관리 변수로 하여 설명하기로 한다.

종래에는 도 1에 도시된 바와 같은 제어설비에 의하여 터빈 발전기의 유입 유체량과 배압의 관리를 하였다. 즉, 먼저 보일러 후단 압력제어루프(1)와 방산변 압력제어루프(2), 그리고 터빈 전단압력 P1 에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전단 압력제어루프(4)와 바이패스 압력제어루프(3), 그리고 후단 배압제어루프(5)로 구성되어 있었다.

이와 같은 구성에 의한 터빈의 압력제어루프의 동작을 살펴보면, 먼저 보일러 후단의 압력(P0)이 일정하도록 보일러 후단 압력제어루프(1)에서 압력을 제어하고, 방산변 압력제어루프(2)와 전단 압력제어루프(4), 그리고 바이패스 압력제어루프(3)의 제어동작에 의해 터빈 전단의 압력(P1)이 일정하도록 제어한다. 그리고 또한 터빈 후단의 압력(P2)이 일정하도록 후단 배압제어루프(5)에서 제어동작이 이루어진다.

이러한 제어루프구성에 있어서 터빈의 배압(P2)은 후단 배압제어루프(5)에서 터빈의 안정적인 동작에 필요한 압력, 예컨대 약 12kg/cm²으로 항상 일정하게 제어하게 된다.

이러한 터빈 발전기의 운전에 있어서, 터빈 발전기에는 유체, 즉 증기가 예컨대 약 100~120kg/cm²의 고압으로 예컨대 약 90~100t/h의 유량으로 다량 유입되어 발전을 일으킨 후, 터빈 발전기 후단에는 예컨대 약 10kg/cm²의 압력으로 배출되므로, 터빈 발전기의 날개에는 상당한 물리적인 힘이 가해지고 있다. 이러한 물리적인 힘으로부터 터빈 발전기 날개의 기계적인 스트레스나 손상을 방지하기 위한 안정적인 운전조건을 나타내는 터빈 발전기 유입 유체량-배압 상관곡선이 터빈 발전기 설계시 제시되어 권고되고 있다.

도 2에 이러한 터빈 발전기 유입 유체량-배압 상관곡선 그래프의 예를 나타내었다. 이에 의하면 터빈 발전기 운전에 있어서 안정적인 동작을 보장하는 정상지역과 터빈 발전기의 날개에 손상을 줄 수 있는 위험지역으로 구분하는 일차함수에 의해 구해지는 특성그래프가 도출된다.

만약, 터빈 발전기의 운전 중에 유입 유체량과 터빈배압이 도 2에 나타낸 위험지역 내에 들게 되면 터빈 발전기 날개에 기계적인 충격이 설계치 이상으로 가해져서, 급기야는 날개가 부러져 손상되는 대형사고로 이어질 수도 있으므로, 터빈 발전기의 운전에 있어서 중요한 포인트로 관리되고 있다.

그런데 상기와 같은 종래의 운전방법에 있어서는 만약 터빈 발전기 운전 중 보일러에서 생산되는 유체량이 갑자기 증가하거나, 저압 유체라인의 변동으로 터빈배압이 갑자기 낮아지게 되면, 터빈유입 유체량과 터빈 발전기 배압의 상관관계를 제어하는 장치가 없기 때문에, 도 2의 터빈 유입 유체량-배압 상관곡선에 있어서 터빈 날개가 손상을 받을 수 있는 상태로(A →B 지점) 되어, 터빈 날개에 기계적인 스트레스를 인가하여, 터빈 날개의 수명 단축 및 심하게는 파손되는 상태로 되어 버리는 문제점이 있었다.

상기의 문제점은 임펠러 펌프에 있어서도 마찬가지이고, 또한 모든 회전 날개를 가지고 유체에 적용되는 모든 기기에 있어서 동일한 문제점이었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 유입 유체량(유체량)과 배압신호를 검출하여 유입 유체량(유체량)-배압 상관곡선에 나타난 위험지역(B지점)으로 운전 상태가 이동되었을 때, 위험지역으로 벗어난 값을 계산하여, 이 값만큼 배압제어루프의 설정치를 재설정함에 의하여 운전 상태를 위험지역(B지점)에서 정상지역(A지점)으로 신속히 되돌려 줄 수 있는 날개 손상 방지방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 손상 방지장치는 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이

유입 유체량을 검출하는 유입 유체량 검출부(6)와,

배압 신호를 검출하는 배압신호 검출부(7)와,

유입 유체량과 배압 신호에 따라 운전 상태를 위험지역에서 정상지역으로 옮겨주기 위한 계산 및 설정부(8)로 구성되며,

상기 계산 및 설정부(8)는 그 운전 상태를 위험지역과 정상지역으로 구분하 기 위한 기준치인 유입 유체량-배압 상관곡선을 설정하는 유체량-배압 상관곡선 설정부(9)와,

상기 유입 유체량 검출부(6), 배압신호 검출부(7) 및 유체량-배압 상관곡선 설정부(9)의 입력을 받아 검출된 배압신호로부터 이상적인 유체량인 표준 유체량을 계산하는 표준 유체량 계산부(10)와,

상기 표준 유체량 계산부(10)의 입력을 받아 표준 유체량과 유입 유체량을 비교하여 현재의 운전 상태가 위험지역 내에 있는지 여부를 판단하는 유체량 비교부(11)와,

상기 유체량-배압 상관곡선 설정부(9) 및 유체량 비교부(11)의 입력을 받아 현재의 운전 상태가 위험지역 내에 들었을 때 이를 정상지역으로 되돌리기 위하여 유입 유체량으로부터 표준 배압을 계산하는 표준 배압신호 계산부(12)와,

상기 표준 배압신호 계산부(12)의 입력을 받아 표준 배압을 후단 배압제어루프(5)의 설정치로 설정하는 표준 배압신호 설정부(13)로 구성된다.

또한, 상기 장치를 이용한 손상 방지방법은 도 6에 도시된 바와 같이

위험지역과 정상지역을 구분하는 기준치를 다음의 수학식 1에 의하여 설정하는 제1 단계(21)와,

배압 및 유입 유체량을 검출하는 제2 단계(22)와,

그 배압에 대한 표준 유체량을 다음의 수학식 2에 의하여 계산하는 제3 단계(23)와,

표준 및 유입 유체량을 비교하는 제4 단계(24)와,

상기 측정된 유입 유체량이 표준 유체량을 초과한 경우에 유입 유체량에 대한 표준 배압을 다음의 수학식 3에 의하여 계산하는 제5 단계(25)와,

상기 표준 배압 이상의 값으로 후단 배압제어루프(5)의 설정치를 설정하는 제6 단계(26)와,

계속 운전 여부를 판단하여 운전을 계속할 경우에는 상기 제2 단계 내지 제6 단계를 반복하는 제7 단계(27)로 구성된다.

이하, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저 계산 및 설정부(8) 내의 유체량-배압 상관곡선 설정부(9)에서는 도 2에 나타낸 것과 같은 설계시에 제시된 유입 유체량-배압 상관곡선에 근거하여 표준 배압신호(Pr)에 따른 표준 유체량신호(Fr)를 설정하여 둔다. 도 2의 예에서 나타난 특성 곡선은 도 5의 유체량-배압 상관곡선 설정부(9)에 나타낸 것과 같이

과 같은 일차함수로 설정할 수 있다.

여기서, 상수 A 및 B는 그 유체 기구에 대하여 특성치로서 주어지는 값이며, 일실시예에 의하면 A = 5.45, B = 45.63으로 주어질 수 있다.

또한 F는 유체(Fluid), P는 압력(Pressure), 첨자 r은 표준(참조, 기준, Reference), m은 측정(Measured)을 나타낸다.

또한, 유입 유체량 검출부(6)와 배압신호 검출부(7)에서는 각각 현재의 운전 상태에 있어서의 유입 유체량(Fm)과 배압신호(Pm)를 검출하여 표준 유체량 계산부(10)로 보낸다.

그러면 상기 표준 유체량 계산부(10)에서는 유체량-배압 상관곡선 설정부(9)에 설정된 수학식 1의 일차함수를 이용하여 표준 배압신호(Pr) 대신에 배압신호(Pm)를 대입하여

과 같이 계산함으로써, 배압신호 검출부(7)에서 검출된 배압신호(Pm)일 때의 표준 유체량(Fr)을 계산하여 유체량 비교부(11)로 보낸다.

그러면 상기 유체량 비교부(11)에서는 유입 유체량 검출부(6)에서 검출된 현재의 유입 유체량(Fm)과 표준 유체량 계산부(10)에서 계산한 표준 유체량(Fr)의 대소를 비교한다.

만일 유입 유체량 검출부(6)에서 검출된 현재의 유입 유체량(Fm)이 표준 유체량 계산부(10)에서 계산한 표준 유체량(Fr)보다 크다면, 이는 곧 현재의 운전 상태가 위험지역내에 있다는 것을 의미하게 되므로, 이를 표준 배압신호 계산부(12)로 보낸다.

그러면 상기 표준 배압신호 계산부(12)에서는 유체량-배압 상관곡선 설정부(9)에 설정된 일차함수를 이용하여 유입 유체량 검출부(6)에서 검출된 현재의 유입 유체량(Fm)일 때의 표준 배압신호(Pr)를 다음과 같은 공식으로 계산한다.

상기 표준 배압신호 계산부(12)에서 계산된 표준 배압신호(Pr)는 표준 배압신호 설정부(13)로 보내지고, 상기 표준 배압신호 설정부(13)에서는 표준 배압신호(Pr)를 후단 배압제어루프(5)의 설정치로 설정하게 된다.

상기 후단 배압제어루프(5)에서는 설정치가 표준 배압신호(Pr)로 설정되면 통상의 제어동작에 의해 제어변을 더 닫아주게 되므로 배압이 표준 배압신호(Pr)만큼 상승하게 되고, 결과적으로 운전 상태가 도 2의 유입 유체량-배압 상관곡선에서의 위험지역에서 정상지역으로 옮겨지게 된다.

상기와 같은 발명의 유체의 날개 회전에 의해 에너지를 생산하는 터빈 발전기, 에너지를 소모하여 날개 회전에 의해 유체를 이송하는 임펠러 펌프 등의 모든 종류의 날개를 이용하여 유체에 적용하는 유체용 기구에 적용될 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

또한, 유입 유체량 검출부(6) 및 배압신호 검출부(7)는 그 구성상 통상의 압력검출장치가 이용될 수 있으며, 계산 및 설정부(8)는 상기 유입 유체량 검출부(6) 및 배압신호 검출부(7)의 입력을 받는 표준 유체량 계산부(10)의 하드웨어 인터페 이스와 표준 배압신호 설정부(13)에 의하여 종래의 후단 배압제어루프(5)에 출력되는 하드웨어 인터페이스 이외의 부분은 모두 컴퓨터 프로그램에 의하여 구현될 가능성도 배제하지 않는다.

따라서 본 발명에 의하면 운전 상태가 유입 유체량-배압 상관곡선의 위험지역내에 들었을 때, 본 발명의 작용에 의해 현재의 운전 상태가 위험지역내에 들었는지 여부를 판단하여 위험지역으로 벗어난 수치만큼 이를 배압제어루프의 압력설정값으로 재설정하여 배압을 높여주어, 운전 상태를 위험지역에서 정상지역으로 신속히 되돌려 줌으로써, 날개가 손상되는 것을 방지 할 수 있는 등의 매우 획기적인 효과가 있다.

Claims

날개 손상을 방지하는 방법에 있어서,

위험지역과 정상지역을 구분하는 기준치를 수학식 1
(여기서, Fr : 표준 유체량신호, Pr : 표준 배압신호, 상수 A 및 B : 그 유체 기구에 대하여 특성치로서 주어지는 값)에 의하여 설정하는 제1 단계(21)와,

배압 및 유입 유체량을 검출하는 제2 단계(22)와,

그 배압에 대한 표준 유체량을 수학식 2
(여기서, Fr : 표준 유체량, Pm : 현재 배압신호, 상수 A 및 B : 그 유체 기구에 대하여 특성치로서 주어지는 값)에 의하여 계산하는 제3 단계(23)와,

표준 및 유입 유체량을 비교하는 제4 단계(24)와,

상기 측정된 유입 유체량이 표준 유체량을 초과한 경우에 유입 유체량에 대한 표준 배압을 수학식 3
(여기서, Pr : 표준 배압신호, Fm : 현재 유입 유체량, 상수 A 및 B : 그 유체 기구에 대하여 특성치로서 주어지는 값)에 의하여 계산하는 제5 단계(25)와,

상기 표준 배압 이상의 값으로 후단 배압제어루프(5)의 설정치를 설정하는 제6 단계(26)와,

계속 운전 여부를 판단하여 운전을 계속할 경우에는 상기 제2 단계 내지 제6 단계를 반복하는 제7 단계(27)로 구성됨을 특징으로 하는 날개 손상 방지방법.