KR101846639B1 - 단축 복합 순환 설비의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법 - Google Patents

단축 복합 순환 설비의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 단축 복합 순환 설비(1)(single-shaft combined-cycle plant)의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 경우 검사 모드 동안에는 전기 부하가 처음에는 발전기(4)에 연결되어 있으며, 검사 시점에는 부하 차단이 이루어지고 개시 한계값에 도달할 수 있으며, 이로 인해 과속 보호 메커니즘이 개시된다.

Description

단축 복합 순환 설비의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법{METHOD FOR TESTING AN OVERSPEED PROTECTION MECHANISM OF A SINGLE-SHAFT COMBINED-CYCLE PLANT}
본 발명은, 단축 복합 순환 설비(single-shaft combined-cycle plant)의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법에 관한 것으로서, 이 경우 검사 모드 동안에는 가스 터빈 및 증기 터빈이 검사 회전수로 작동되며, 이 경우 발전기는 연결된 부하로 작동되고, 검사 모드 동안에는 부하 차단이 이루어진다.
가스 및 증기 터빈 설비의 안전한 작동을 위해서는, 회전수가 결정되고 모니터링 될 필요가 있다. 일반적으로, 가스 및 증기 터빈 발전소의 회전수는 50 Hz 또는 60 Hz의 일정한 주파수에 놓인다. 상황에 따라서는, 이 회전수가 초과 되는 경우가 발생할 수 있으며, 이것은 과속으로서 언급될 수 있다. 이와 같은 과속이 임계값을 초과할 경우에는, 조치가 취해지고 회전수의 또 다른 증가가 방지됨으로써, 보호 메커니즘이 이루어져야만 한다. 일반적으로, 이때에는 증기 터빈으로의 증기 공급의 차단 및 가스 터빈으로의 연료 공급의 차단이 이루어진다. 따라서, 이 경우에는 증기 터빈의 트립(trip)이 가스 터빈 후에 이루어진다.
EP 2 372 482 A2호는, 터보 기계의 과속 보호 시스템을 검사하기 위한 방법 및 시스템을 개시한다.
DE 299 08 581 U1호에서는, 부하 차단시에 터빈의 작동 안전을 체크하기 위한 장치가 논의된다.
FR 2 947 300 A1호는, 터보 기계를 검사하기 위한 방법을 개시한다.
지금까지는, 과속 보호 메커니즘을 위한 개시 한계값이 작동 회전수에 비해 더 적은 회전수로 설정됨으로써, 증기 및 가스 터빈 설비의 과속 보호 메커니즘을 위한 검사 메커니즘이 체크될 수 있었다. 검사 모드에서는, 이와 같은 더 적은 검사 회전수가 초과될 수 있고, 과속 보호 메커니즘이 기능을 하는지의 여부가 체크될 수 있다.
하지만, 이와 같은 검사 모드를 또한 최초 개시 한계값으로 실행하는 것도 바람직할 것이다. 이와 같은 내용이 의미하는 바는, 과속 보호 메커니즘의 검사가 작동 회전수로부터 출발해서 이루어져야만 한다는 것이다. 이것은 또한, 특정 국가들에서 최초 개시 한계값으로 이루어져야만 하는 과속 보호 메커니즘을 법으로 규정하고 있다는 측면에서도 바람직하다. 이와 같은 검사는, 단축 설비에서 허용 가능한 설계 파라미터를 고려하여 가스 터빈과 증기 터빈에 대해 공동으로만 실행될 수 있다.
본 발명의 과제는, 단축 복합 순환 설비를 검사하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 이 경우 과속 보호 메커니즘의 검사는 작동 회전수로부터 출발해서 실행될 수 있다.
상기 과제는, 단축 복합 순환 설비의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법에 의해서 해결되며, 이 경우 검사 모드 동안에는 가스 터빈 및 증기 터빈이 검사 회전수로 작동되며, 이 경우 발전기는 연결된 부하로 작동되며, 이 경우 검사 모드 동안에는 부하 차단이 이루어지며, 이때 증기 터빈의 회전수는 증가하고, DT-개시 한계값에 도달한 경우에는 DT-과속 보호 메커니즘이 개시된다.
따라서, 본 발명의 한 가지 중요한 사상은, 50 Hz 또는 60 Hz의 작동 회전수에 상응하는 검사 회전수로 증기 및 가스 터빈이 전기식 발전기를 구동시킨다는 것이며, 이 경우 전기식 발전기에는 전기 부하가 배치되어 있다. 이와 같은 전기 부하는 가스 및 증기 터빈의 회전자에서 증가된 토크를 야기한다. 부하 차단에 의해서, 다시 말해 전기 부하가 갑자기 차단됨으로써, 가스 및 증기 터빈 회전자에서 토크의 반대 작용이 변경되고, 그 결과 회전수는 다소 급격하게 증가하는데, 그 이유는 증기 공급의 폐회로 제어 및 가스 터빈으로의 연료 공급의 폐회로 제어가 시스템의 관성으로 인해 이행되지 않기 때문이다.
따라서, 부하 차단에 의해서는, 증기 터빈의 회전수 및 강제적으로 가스 터빈의 회전수가 증가하고, DT-개시 한계값에 도달한 경우에는 DT-과속 보호 메커니즘이 개시되어야만 한다.
바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 기재되어 있다.
한 바람직한 제1 개선예에서는, 증기 터빈이 먼저 DT-개시 한계값에 도달하며, 이 경우에는 DT-과속 보호 메커니즘이 개시되고, 그 다음에 이어서 가스 터빈이 GT-개시 한계값에 도달하며, 이 경우에는 GT-개시 한계값에 도달한 후에 GT-과속 보호 메커니즘이 개시된다. 따라서, 이와 같은 바람직한 개선예에서는, 먼저 증기 터빈의 과속 회전수 메커니즘을 개시하고 그 다음에 가스 터빈의 과속 회전수 메커니즘을 개시하기 위하여, 두 가지 개시 조건이 연속적으로 도달되어야만 한다. 먼저 DT-개시 한계값에 도달되어야만 하고, 그 다음에 이어서 GT-개시 한계값에 도달되어야만 한다.
또 다른 한 바람직한 개선예에서는, 증기 터빈이 검사 모드에서 완전히 가열된 상태에 있다. 이와 같은 내용이 의미하는 바는, 검사 모드에서는 이상적으로 증기 터빈의 작동 파라미터에 도달하게 되고, 변화가 급격한 작동에서의 일시적인 효과를 고려할 필요가 없다는 것이다.
한 바람직한 개선예에서는, 가스 터빈이 검사 모드에서 더 적은 출력으로 작동된다.
또 다른 한 바람직한 개선예에서는, 가스 터빈이 검사 모드에서 일정한 배기 가스 온도로 작동된다.
또 다른 한 바람직한 개선예에서는, 상기 부하의 차단과 상기 부하의 차단 이후의 상기 DT-과속 보호 메커니즘의 개시 사이에서 시간(t개시)이 경과하고 t개시 < t최대이며, t개시 > t최대이고 DT-과속 보호 메커니즘의 개시가 아직 이루어지지 않으면, 증기 터빈 트립이 이루어진다.
이하에서 본 발명의 실시예가 상세하게 기술될 것이다. 각각의 도면은 개략적인 방식으로 도시되어 있으며, 이때
도 1은 단축 복합 순환 설비의 개략도이며,
도 2는 부하 차단 이후의 회전수 파형을 도시한 개략도이다.
도 1은 단축 복합 순환 설비(1)를 보여준다. 이 단축 복합 순환 설비(1)는 증기 터빈(2), 가스 터빈(3) 및 전기식 발전기(4)를 포함하며, 이때 이들 터빈과 발전기는 하나의 공동 샤프트(5)를 통해 토크 전달 방식으로 서로 연결되어 있다. 가스 터빈(3)과 전기식 발전기(4) 사이에는 클러치(6)가 배치되어 있으며, 이 클러치에 의해서 토크 전달이 중단될 수 있다.
전기식 발전기(4)의 출력부(7)에는 스위치(8)를 통해 전기 사용자 장치(9) 또는 전기 부하(9)가 연결되어 있다. 도 1에서 스위치(8)는 닫힌 상태로 도시되어 있다.
도 2는 가스 터빈의 회전수 파형(nGT) 및 증기 터빈의 회전수 파형(nDT)을 보여준다. 도 2에 도시된 회전수 파형들은, 클러치(6)가 닫힌 상태에서 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)의 회전수 파형을 보여준다. 우선, 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)이 분당 3000 회전의 일정한 회전수로 작동된다. 시점 t = t부하 차단에서는 전기 사용자 장치(9)가 스위치(8)를 통해 발전기(4)로부터 분리된다. 그 결과, 가스 터빈의 회전수(nGT) 및 증기 터빈의 회전수(nDT)는 단시간 동안 증가하고, 개시 한계값에 도달된 경우에는 증기 터빈(2)의 트립이 이루어지며, 이와 같은 상황은 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 회전수의 급격한 감소를 야기한다.
변화가 급격한 과속 보호 메커니즘은, 정상 모드에 비해 변경되지 않은 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값으로 이루어져야만 한다. 검사 동안, 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)은 관련 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값에 도달할 때까지 규정된 바와 같이 가속된다. 개시 한계값을 초과한 경우, 과속 보호 메커니즘은 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)의 상응하는 작동 요소들을 종료시켜서 임계 과속을 막아야만 한다. 변화가 급격한 과속 보호 메커니즘 검사는 기능적인 안전의 의미에서 보호 메커니즘을 진정으로 요구하지 않는데, 그 이유는 폐회로 제어기가 규정된 역학 관계에 의해서 상응하는 개시 한계값에 접근하고, 임계 과속에는 도달하지 않기 때문이다.
단축 복합 순환 설비(1)에서는, 가스 터빈(3) 뿐만 아니라 증기 터빈(2)에도 각각 하나의 별도의 과속 보호 메커니즘이 설치되어 있다. 단축 복합 순환 설비에서 가스 터빈(3)과 증기 터빈(2) 사이에 있는 기계식 클러치(6)로 인해, 증기 터빈(2)의 회전수는 가스 터빈(3)의 회전수보다 더 높을 수 없다. 또한, 가스 터빈(3)으로부터는, 변화가 급격한 과속 검사를 위해 충분한 보일러 출력이 증기 터빈(2)에 제공되어야만 한다. 따라서, 증기 터빈(2)의 과속 검사는 가스 터빈(3)과 무관하게 이루어질 수 없다. 단축 복합 순환 설비(1)의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법은 다음과 같이 이루어진다: 검사 모드 동안에는, 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)이 분당 3000 회전의 작동 회전수와 동일한 검사 회전수로 작동된다. 발전기(4)는 연결된 부하(9)로 작동되며, 이 경우 검사 모드 동안에는 시점(t부하 차단)에 부하 차단이 이루어지며, 이로 인해 증기 터빈(2) 및 가스 터빈(3)의 회전수는 증가하고, DT-개시 한계값에 도달한 경우에는 DT-과속 보호 메커니즘이 개시되고, GT-개시 한계값에 도달한 경우에는 GT-과속 보호 메커니즘이 개시된다. 그 결과, 증기 터빈(2) 및 가스 터빈(3)의 회전수는 감소하게 된다.
질량 관성 모멘트 또는 시동 시간 상수는 부하 차단 이후 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)의 동적인 특성에 영향을 미친다. 시동 시간 상수의 비율은 개시 한계값의 선택에 영향을 미친다.
부하 차단은 단축 복합 순환 설비(1)에서 자동으로 증기 터빈(2)의 신속 폐쇄를 야기한다. 그렇기 때문에, 증기 터빈 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값은 설비 이용 가능성을 줄이지 않고서도 최대 공급 주파수(grid frequency) 바로 위에 있는 값(예를 들어 61.5 Hz)으로도 설정될 수 있다(예컨대 104%에서). 증기 터빈 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값과, 허용되는 최대 공급 주파수 사이의 간격은, 작동 동안에 바람직하지 않은 트립이 이루어지지 않도록 선택된다.
또 다른 한 가지 한계 조건은, 증기 터빈 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값이 가스 터빈 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값보다 크지 않다는 것이다.
가스 터빈 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값이 부하 차단 후에는 최대 회전수 위에 있는 그리고 임계 초과 회전수 아래에 있는 값으로 설정되어야만 한다. 개시 한계값의 선택은, 증기 터빈(2)이 가스 터빈(3) 전에 개시 한계값에 도달하도록 이루어져야만 한다.
단축 복합 순환 설비(1)의 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)의 제어 기술(control technology)은, 변화가 급격한 과속 검사를 활성화시키는 스위치가 설치되는 방식으로 확장된다. 이와 같은 기능은, 증기 터빈(2)이 너무 찬 증기와 접촉하는 것을 막기 위해, 설정될 최대 시간 간격 후에 자동으로 비활성화된다. 최대 시간 간격은, 테스트 동안에는 증기 온도가 허용 범위 안에서 유지된다는 한계 조건에 따라, 변화가 급격한 과속 검사의 기간에 상응하게 선택되어야만 한다. 이 방법은 다음의 내용을 특징으로 한다: 스위치에 따라, 가스 터빈(3)에서 먼저 부하 차단 검출이 차단되고, 발전기(4) 스위치(8)의 자동화된, 예를 들어 시간 변위 된 개방이 발생한다. 증기 터빈(2)에서는, 스위치에 따라 먼저 회전수 폐회로 제어기 설정값이 예를 들어 105%에 놓일 수 있는, 증기 터빈 과속 보호 메커니즘의 개시 한계값 바로 위에 있는 값으로 설정되며, 이 경우 폐회로 제어기는 규정된 가속도로 한계값에 접근해만 한다. 가속 레벨은 검사 기간에 영향을 미친다. 그 후에, 증기 터빈 폐회로 제어기에 미치는 한계 주파수 영향이 비활성화되고, 그 다음에 이어서 증기 터빈 폐회로 제어기에 미치는 가스 터빈 화력의 영향이 억제된다. 이 경우에는, 그 다음에 이어서, 가스 터빈(3)이 전체 신속 폐쇄에 의해 개시 한계값에 도달하기 전에 트립되는 경우에만 필요한, 클러치 장애시의 전체 신속 폐쇄가 필요에 따라 과속 검사 기간 동안 폐회로 제어되어야만 한다.
단축 복합 순환 설비(1)의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법은, 증기 터빈(2)이 완전히 가열된 경우에 그리고 5시간보다 오래 작동하고 있는 경우에 이루어진다. 가스 터빈(3)은 가급적 적은 출력으로 그리고 일정한 배기 가스 온도로 작동되며, 이와 같은 사실은 IGV-점에 의해서 반영된다. 스위치가 제어 기술로 작동됨으로써, 과속 검사가 활성화된다. 과속 검사가 활성화된 경우에는, 필수적인 전환이 자동화된 방식으로 이루어지게 될 것이며, 스위치(8)의 자동화된 개방은 약간 지연된 상태에서 이루어진다. 그 다음에 이어서, 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)이 개시 한계값에 규정된 바와 같이 접근한다. 증기 터빈(2)은 자신의 개시 한계값에 가장 먼저 도달하며, 이 경우 가스 터빈(3)은 그 다음에 바로 자신의 개시 한계값에 도달한다. 이와 같은 전체 과정은 설정될 특정 시간을 초과해서는 안 되는데, 그 이유는 이러한 경우에는 증기가 허용되지 않을 정도로 차가워지기 때문이다. 그렇기 때문에, 변화가 급격한 과속 검사기의 기능은 설정될 수 있는 수초 이후에 능동적으로 자동으로 비활성화되며, 이로 인해 증기 터빈 트립이 발생된다.

Claims (7)

  1. 단축 복합 순환 설비(1)의 과속 보호 메커니즘을 검사하기 위한 방법이며,
    검사 모드 동안에는 가스 터빈(3) 및 증기 터빈(2)이 검사 회전수로 작동되고,
    발전기(4)는 연결된 부하로 작동되며,
    검사 모드 동안에는 상기 부하의 차단이 이루어지고,
    증기 터빈(2)의 회전수는 증가하며, 상기 증기 터빈(2)의 회전수가 DT-개시 한계값에 도달한 경우에는 DT-과속 보호 메커니즘이 개시되며,
    증기 터빈(2)의 회전수가 상기 DT-개시 한계값에 먼저 도달하고, 그 다음에 이어서 가스 터빈(3)의 회전수가 GT-개시 한계값에 도달하며, 상기 증기 터빈(2)의 회전수가 상기 DT-개시 한계값에 도달한 후에 상기 DT-과속 보호 메커니즘이 개시되는,
    검사 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스 터빈(3)의 회전수가 상기 GT-개시 한계값에 도달한 후에 GT-과속 보호 메커니즘이 개시되는, 검사 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 검사 모드에서는 증기 터빈(2)이 완전히 가열된 상태에 있는, 검사 방법.
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 검사 모드에서는 가스 터빈(3)이 더 적은 출력으로 작동되는, 검사 방법.
  6. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 검사 모드에서는 가스 터빈(3)이 일정한 배기 가스 온도로 작동되는, 검사 방법.
  7. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 부하의 차단과 상기 부하의 차단 이후의 상기 DT-과속 보호 메커니즘의 개시 사이에서 시간(t개시)이 경과하고 t개시 < t최대이며, 상기 부하의 차단 이후의 경과된 시간이 t최대를 초과하고 DT-과속 보호 메커니즘의 개시가 아직 이루어지지 않으면, 증기 터빈 트립이 이루어지는, 검사 방법.
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