KR101445179B1 - 과부하 제어 밸브를 가지고 있는 발전소 시스템 - Google Patents

과부하 제어 밸브를 가지고 있는 발전소 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전소 시스템(1) 및 발전소 시스템(1)을 작동시키는 방법에 관한 것으로, 과부하 제어 밸브(12)는 과부하 라인(10)에 배치되어 압력 조정기에 의해 구동될 수 있고, 목표 밸브를 초과하자마자 상기 고압 증기 유입부(6)와 고압 증기 배출부(8)사이에서 우회를 형성하며 과부하 제어 밸브(12)는 전환 제어 밸브(9)가 개방되기 전에 개방된다.

Description

과부하 제어 밸브를 가지고 있는 발전소 시스템 {POWER PLANT SYSTEM HAVING OVERLOAD CONTROL VALVE}
본 발명은 청구항 제1항의 전제부를 따른, 증기 발생기와 증기 터빈을 가지고 있는 발전소 시스템에 관한 것이며, 또한 제5 청구항의 전제부를 따른 발전소 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
발전소 시스템은 일반적으로 증기 발생기와 증기 터빈을 포함하며, 상기 증기 발생기와 증기 터빈은 증기의 내부 에너지를 기계적 회전 에너지로 변환시키는 방식으로 설계된다. 상기 증기 터빈에 의해 구동되는 발생기는 일반적으로 유럽 시장용은 50Hz에서 또는 미국 시장용은 60Hz에서 작동한다. 현재의 증기 터빈은 압력은 350bar까지, 온도는 700oC까지 가질 수 있는 증기를 용인하도록 구성된다. 증기 터빈이 요구하는 이와 같은 증기가 증기 발생기에서 발생되고, 이러한 증기의 발생은 증기 발생기의 재료와 구성요소에 대한 문제점이 된다. 특히 중요한 구성요소는 부하 제어 유닛, 압력 제어 유닛 그리고 회전 속도 제어 유닛이다. 요구되는 연장된 시간 간격에 걸쳐, 요구되는 50Hz 또는 60Hz를 일정하게 유지하며 작동할 수 있도록 하기 위해, 높은 요구사항이 제어 유닛에 부과 된다. 기저 부하 작동(base load operation)은 확장된 시간 간격에 걸쳐 전체 시스템에 일정한 응력을 가하는 것으로, 발전소 시스템은 기저 부하 작동을 관습적으로 필요로 한다. 연속 운전 작동 중에 증기 터빈 샤프트의 진동수는 본질적으로 일정하며, 증기 터빈에 공급되는 증기의 체적 또한 본질적으로 일정하다. 그러나 전기 소비자 네트워크에 갑작스런 부하 변경이 일어나는 경우, 발전기에 가해지는 토크 전달의 변화가 일어날 수 있고, 그 결과 증기 터빈의 전력 출력이 갑자기 바뀔 수 있으며, 이러한 출력 변화는 제어 유닛에 의해 방지되어야 한다. 또한 발생가능할 수 있는 기능 불량(malfunction)으로 인해서도, 증기 터빈의 전력 출력의 급격한 변화가 이루어진다.
일반적으로 발전소 시스템은 정압 모드, 가변 압력 모드 또는 온-로드(on-load) 모드로 작동된다. 소비자 네트워크에서 부하가 갑자기 감소하는 특수한 경우, 증기 터빈은 발전기로 낮은 레벨의 토크를 전달해야한다. 이는 증기 터빈 내로 증기를 공급하도록 배열된 밸브를 폐쇄시키거나 또는 낮은 압력에서 낮은 체적의 증기를 제공하는 증기 발생기에 의해 실현될 수 있다.
현재 발전소 시스템에서, 압력 제어 유닛은 증기 터빈의 시동을 거는 동안 고압 증기 시스템의 생증기(live steam)압력이 고정된 압력값을 갖는 방식으로 설계된다. 일반적으로 우회 라인은 증기 터빈의 고압 증기 유입부가 증기 터빈의 고압 증기 배출부에 유동적으로 연결되는 방식으로 배열된다.
상용출력에서 무 부하(no-load) 또는 소내용(station service)에 대한 부하 차단은 기능 불량으로 지칭된다. 이 경우 생증기 제어 밸브와 재열 제어 밸브는 고속 행정(fast rate of travle)으로 폐쇄된다. 그러나 증기 발생기의 출력이 그와 같이 고속으로 감소될 수 없기 때문에, 잉여 증기는 증기 터빈을 지나도록 안내되어야 한다. 이를 위해 우회 라인에 배열된 우회 제어 밸브가 개방되고, 그 결과 잉여 증기는 증기 터빈을 지나도록 안내된다. 전부하(full load)에서 압력이 기준값을 넘어 상승하는 경우, 우회 제어 밸브가 개방되기 전에 과부하 제어 밸브가 개방된다. 그러나 증기 터빈 주위로 안내된 잉여 증기는 더 이상 팽창에 의한 일을 수행 할 수 없으며, 그 결과 발전소 시스템의 효율성이 전체적으로 감소한다. 우회 제어 밸브는 우회 라인의 압력 기준값이 가변 압력 라인 보다 높게 제어되는 방식으로 작동한다. 선택한 마진(margin)을 초과하는 압력 증가로, 우회 제어 밸브가 개방되어 압력에 대한 상한을 설정하는데, 이는 전력 출력의 손실로 이어진다.
이러한 시점에서 본 발명은 전력 출력 손실을 추가적으로 감소시키는 방식에 의해 발전소 시스템을 더욱 개선시키는 것을 발명의 목적으로 도입한다.
이를 위해 본 발명에 따른, 과부하 라인과 과부하 제어 밸브의 제공이 제시되고, 상기 과부하 라인은 증기 발생기와 증기 터빈의 과부하 단(stage) 사이의 유동적 연결을 형성하고, 상기 과부하 제어 밸브는 과부하 라인에 배열되어 압력 제어기를 경유하여 작동된다.
본 발명의 장점은 무엇보다도, 이제부터 압력 제어와 전부하시에도, 잉여 증기가 우회 라인을 경유하여 증기 터빈을 지나도록 안내될 필요없이 비록 과부하 단으로이긴 하지만 과부하 라인을 경유하여 증기 터빈 내로 공급된다는 점이다. 증기 터빈 내로 도입된 이러한 증기는 팽창하여 일을 수행하기 위해 과부하 단의 하류에서 회전 에너지로 변환된다. 이는, 전부하에서의 압력이 기준값을 초과하여 상승하는 경우, 우회 라인의 우회 제어 밸브가 개방되기 전에 과부하 제어 밸브를 개방함으로써 달성된다. 따라서 과부하 라인은 일종의 우회 지점으로서 작용하며, 그 결과 증기는 증기 터빈을 지나 안내되어 활용되지 않는 것과 달리 증기 터빈 내로 안내된다.
유리한 발전방안이 종속항에 개시된다. 유리한 발전방안에서, 증기 터빈은 과부하 라인에 유동적으로 연결된 상기 과부하 단이 일을 수행하기 위해 유입 증기를 변환시키는 방법으로 설계되도록 구성된다. 그러므로 증기 열에너지의 사용이 최적으로 활용되어 결과적으로 발전소 시스템의 효율이 향상된다.
방법 발명에 대한 목적이 청구항 제5 항에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 방법 발명의 필수적인 특징은, 과부하 제어 밸브를 작동시키는 압력 제어기는 기준값을 설정할 수 있고, 만약 상기 기준값이 초과된 경우, 이미 과부하 제어 밸브가 개방된 경우에만 우회 제어 밸브가 개방되는 방식으로 설계된다는 것이다.
과부하 제어 밸브는 부분 부하 및/또는 전부하에서 개방되는 것이 유리하다.
본 발명에 따른, 발전소 시스템 또는 발전소 시스템을 작동시키기 위한 방법 발명에 의하여, 발전소가 전체적으로 보다 유연한 방식으로 작동될 수 있으며, 이는 부하 제어 모드와 초기 압력 모드 모두에서 과부하 제어 밸브가 어떤 전력 출력에 대해서도 작동될 수 있기 때문이다. 증기 터빈을 지나 응축기 내로 증기를 안내하여 증기가 활용되지 않는 대신 과부하 제어 밸브가 증기 터빈 내로 증기를 안내하기 때문에, 시동 손실 및 전력 출력의 손실이 낮다는 부가적인 장점이 존재한다.
도면의 예시적인 실시예를 기반으로 하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다. 다음 도면에서:
도 1은 발전소 시스템 설계의 개략도를 도시한다,
도 2는 그래프를 도시한다.
도 1에 따른 발전소 시스템(1)은 증기 터빈(2)을 포함하며, 상기 증기 터빈은 고압 터빈부(2a), 중압 터빈부(2b) 및 저압 터빈부(2c)를 포함한다. 증기 발생기(3)를 경유하여 생증기는 생증기 라인(4), 생증기 제어 밸브(5)를 경유하여 고압 터빈부(2a)의 고압 증기 유입부(6) 내부까지 그 진행을 이어간다. 생증기 라인(4)에 더하여, 발전소 시스템(1)은 우회 라인(7)을 포함하며, 상기 우회 라인은 생증기 라인(4)을 고압 터빈부(2a)의 고압 증기 배출부(8)로 유동적으로 연결시킨다. 우회 제어 밸브(9)는 우회 라인(7)에 배열된다.
더하여 발전소 시스템(1)은 과부하 라인(10)을 포함하며, 상기 과부하 라인은 증기 발생기(3)를 고압 터빈부(2a)의 과부하 단(11)에 유동적으로 연결시킨다. 과부하 제어 밸브(12)는 과부하 라인(10)에 배열된다.
일반적으로 구체적으로 도시되지 않은 압력 제어기 또는 부하 제어기를 경유 하여 과부하 제어 밸브(12) 및 우회 제어 밸브(9)가 차단되고, 생증기 제어 밸브(5)가 개방되어 구동된다.
고압 터빈부(2a)에서 방출된 증기는 저온 재열 증기로서 지칭되며, 상기 저온 재열 증기는 재열기(13)에서 다시 가열된다. 재열기(13)에서 방출된 증기는 고온 재열 증기(14)로서 지칭된다. 이러한 고온 재열 증기(14)는 중압 제어 밸브(15)를 경유하여 중압 터빈부(2b) 내부로 유동하며, 여기서 팽창되어 일을 수행하기 위해 변환된다. 중압 터빈부(2b)에서 방출된 증기는 중압 방출 라인(16)을 경유하여 저압 터빈부(2c)의 저압 증기 유입부(17)로 유동적으로 전달된다. 저압 터빈부(2c)에서 방출된 증기는 저압 방출 라인(18)을 경유하여 응축기(19)로 안내되고, 응축기 내부에서 물로 변환되며, 마지막으로 급수 펌프(20)를 경유하여 증기 발생기(3)로 안내되는바, 그 결과 물 증기 사이클이 완성된다. 열에너지에서 회전 에너지로 변환된 증기는 샤프트(21)를 구동시키며, 계속해서 상기 샤프트는 최종적으로 전기 에너지를 제공하는 발전기(22)를 구동시킨다.
또한 생증기 제어 밸브(5), 과부하 제어 밸브(12) 및 우회 제어 밸브(9) 각각은 독립적으로 분리된 압력 제어기상에 배열된다. 이와 같은 경우 과부하 제어 밸브(12)를 담당하는 압력 제어기는, 기준값을 설정할 수 있고, 만약 설정된 기준 값이 초과된다면, 우회 제어 밸브(9)가 개방되기 전에 과부하 제어 밸브(12)가 개방되는 방식으로 설계된다. 이와 같은 경우 과부하 제어 밸브(12)는 일반적으로 전부하에서 개방된다.
과부하 단(11)을 통해 유입하는 증기는 우회 라인(7)을 경유하여 고압 터빈부(2a)를 지나도록 안내되어 증기가 활용되지 않는 대신, 변환되어 일을 수행한다. 그렇게 해서, 결과적으로 발전소 시스템의 효율은 더욱 증가된다.
제어를 위해 과부하 제어 밸브(12)에 대한 새로운 압력 특성 라인이 고압 터빈부(2a)의 가변 압력 특성 라인과 고압 우회 특성 라인 사이에 위치한다. 만약 생증기 압력이 상기 새로운 압력 특성 라인보다 높아진다면, 과부하 제어 밸브(12)는 개방되지만 우회 제어 밸브(9)는 개방되지 않는다. 이렇게 되면 과부하 제어 밸브(12)가 새로운 압력 특성 라인에 의해 예정된 압력을 제어한다. 그 결과 생증기는, 증기 터빈(2)을 지나 응축기(19)로 안내되어 고압 터빈부에서 이용되지 않는 것이 아니라, 과부하 제어 밸브(12)를 경유하여 고압 터빈부(2a)에서 이용된다.
증기 발생기에 의해 생성된 생증기를 증기 터빈에서 충분히 이용할 수 없는 두 가지 작동 케이스가 존재한다. 한편에서, 이러한 작동 케이스는 발전소를 정지 상태에서 정상 전력 또는 정상 회전 속도로 상승시킬 때 일어나며, 다른 한편에서, 이러한 작동 케이스는 정상 작동 중 부분적인 또는 완전한 부하 차단(load shedding)이 실행되는 경우 일어난다. 이와 같은 경우, 터빈 발생기 세트는 새로운 조건으로 가능한 빨리 조정되지만, 증기 발생기는 오직 시간지연을 두고서만 뒤따를 수 있다. 이와 같은 시간 동안 보일러는 증기를 계속 발생시키며, 이는 증기 압력 제어기가 전체 증기 발생 프로세스를 다시 제어할 때까지 지속된다. 흡수되지 않은 증기의 체적은 대기 중으로 안내되거나, 고속으로 반응하는 우회지점에 의해 증기를 증기 터빈으로부터 디커플링(decoupling)시키고 이를 응축기 내로 유동할 수 있게 되는 가능성이 존재한다. 그러므로 더 이상 증기의 체적이 손실되지 않는 폐쇄 증기 제어 회로가 유지된다.
도 2는 증기 매스 유동에 따른 압력 곡선을 도시한다. 생증기의 압력(26)이 Y축, 증기 발생기의 매스 유동(25)이 X축에 구성된다. 가변 압력 특성 라인(27)이 종래의 작동 곡선을 표시한다. 터빈 밸브가 완전히 개방되면, 정상 압력에 있는 증기 매스 유동의 체적은 터빈에 의해 완전히 흡수한다. 우회지점의 기준값 특성 라인(28)은 가변 압력 특성 라인(27)위에서 ΔP만큼의 압력 차이를 가진 채 연장된다. 이로 인해 우회 지점이 너무 조기에 개방되지 않게 된다다. 작동 압력이 상기 압력차이만큼 증가할 때까지는 우회 밸브가 개방되지 않는다.
본 발명에 따라, 과부하 밸브 제어를 위한 부가적인 특성 라인(29)이 가변 압력 특성 라인(27)과 기준값 특성 라인(28) 사이에서 구성된다. 부가적인 특성 라인(29)은 가변 압력 특성 라인(27)의 위에 놓이고, 기준값 특성 라인(28) 아래에 놓인다. 만약 작동중에 생증기 압력(26)이 가변 압력 특성 라인(27)의 압력보다 높아진다면, 먼저 과부하 제어 밸브(12)가 개방되고 그 후에야 비로소 우회 제어 밸브(9)가 개방된다.

Claims (8)

  1. 발전소 시스템(1)으로서,
    증기 터빈(2)에 대한 생증기를 생성하기 위한 증기 발생기(3);
    상기 증기 터빈(2) 내부로 생증기를 공급하기 위한 생증기 라인(4); 및
    상기 증기 발생기(3)와 상기 증기 터빈(2)의 과부하 단(11) 사이에서 유동적 연결을 형성하는 과부하 라인(10);을 가지며,
    상기 과부하 라인(10) 내에 과부하 제어 밸브(12)가 배치되는,
    발전소 시스템(1)에 있어서,
    상기 과부하 제어 밸브(12)를 작동시키도록 설계된 압력 제어기가 제공되고,
    고압 증기 유입부(6)를 상기 증기 터빈(2)의 고압 증기 배출부(8)에 유동적으로 연결시키는 우회 라인(7)을 구비하며, 그리고
    상기 우회 라인(7)이 우회 제어 밸브(9)를 포함하며, 상기 압력 제어기는, 기준값이 설정될 수 있으며, 만약 상기 기준값이 초과된다면, 오직 상기 과부하 제어 밸브(12)가 이미 개방된 경우에만, 상기 우회 제어 밸브(9)가 개방되도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    발전소 시스템(1).
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 증기 터빈(2)이 고압 터빈부(2a)를 포함하고, 상기 과부하 라인(10)이 상기 고압 터빈부(2a)의 과부하 단(11)에 유동적으로 연결되는,
    발전소 시스템(1).
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 증기 터빈(2)이 일을 수행하면서, 상기 과부하 라인(10)을 경유하여 유입되는 증기를 변환시키도록, 상기 과부하 단(11)이 설계되는,
    발전소 시스템(1).
  5. 발전소 시스템(1)의 작동 방법으로서,
    상기 발전소 시스템(1)은 증기 터빈(2) 및 생증기 라인(4)을 포함하며, 상기 생증기 라인은 상기 증기 터빈(2) 및 과부하 라인(10) 내부로 생증기를 공급하고, 상기 과부하 라인(10)에 의해 증기 발생기(3)와 증기 터빈(2)의 과부하 단(11) 사이에서 유동적 연결이 형성되고, 과부하 제어 밸브(12)가 상기 과부하 라인(10)에 배치되는 발전소 시스템의 작동 방법에 있어서,
    압력 제어기가 상기 과부하 제어 밸브(12) 상에 배치되고 상기 과부하 제어 밸브(12)를 구동시키도록 설계되고,
    우회 라인(7)이 고압 증기 유입부(6)를 상기 증기 터빈(2)의 고압 증기 배출부(8)에 유동적으로 연결시키며, 그리고
    상기 우회 라인(7)이 우회 제어 밸브(9)를 포함하며, 상기 압력 제어기는, 기준값이 설정될 수 있으며, 만약 상기 기준값이 초과된다면, 오직 상기 과부하 제어 밸브(12)가 이미 개방된 경우에만, 상기 우회 제어 밸브(9)가 개방되도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    발전소 시스템(1)의 작동 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 증기 터빈(2)은 고압 터빈부(2a)를 포함하고, 상기 우회 라인(7)이 상기 고압 터빈부(2a)의 고압 증기 유입부(6)를 상기 고압 터빈부(2a)의 고압 증기 배출부(8)에 유동적으로 연결시키는,
    발전소 시스템(1)의 작동 방법.
  7. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 과부하 제어 밸브(12)가 부분적 부하 및 전부하 중 하나 이상에서 개방되는,
    발전소 시스템(1)의 작동 방법.
  8. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 과부하 라인(10)을 경유하여 상기 증기 터빈(2) 내로 유입되는 증기가 팽창하여 일을 수행하는,
    발전소 시스템(1)의 작동 방법.
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