KR102114090B1 - 설정 가속도를 사용하여 원하는 차동각에서 증기 터빈과 가스 터빈을 결합하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전 장치, 특히 증기 터빈(5)과, 샤프트 장치, 특히 가스 터빈(2)을 결합하기 위한 방법에 관한 것이며, - 샤프트 장치(2)와 회전 장치(5) 사이의 차동각(7)을 검출하는 단계; - 샤프트 장치(2)와 회전 장치(5) 사이의 차동 속도(8)를 검출하는 단계; - 회전 장치(5)가 결합의 시작까지 공지의 가속도로 가속되면, 회전 장치(5)와 샤프트 장치(2)가 결합되게 되는 결합각을 예측하는 단계; - 예측된 결합각(10)을 목표 결합각(11)과 비교하고 그로부터, 예측된 결합각(10)이 목표 결합각(11)에 정합하는 방식으로 설정 가속도(9)를 계산하는 단계를 갖는 방법에 관한 것이다.

Description

설정 가속도를 사용하여 원하는 차동각에서 증기 터빈과 가스 터빈을 결합하기 위한 방법

복합형 가스 및 증기 발전소에서, 가스 터빈이 먼저 가스의 연소에 의해 구동된다. 증기 터빈을 위한 증기는 가스 터빈의 폐열에 의해 발생된다. 가스 및 증기 발전소가 시동될 때, 따라서 가스 터빈이 먼저 동작된다. 증기 터빈은 충분한 증기가 이용 가능해질 때까지는 가동될 수 없다. 단일-샤프트 시스템(single-shaft system)의 경우에, 가스 터빈과 발전기는 샤프트에 고정 연결된다. 증기 터빈은 동일한 축 상에 배열되고 클러치를 거쳐 연결될 수 있다. 따라서, 증기 터빈과 가스 터빈을 결합할 필요가 있다.

실제로 결합각(coupling angle)은 여기서 무작위적으로 발생한다. EP 1 911 939 A1호는 목표화된 방식(targeted fashion)으로 결합각을 선택하는 것을 개시하고 있다. 이 방식으로, 진동 부하(vibration loading)가 최소화되는 결합각을 선택하는 것이 가능하다. 개략적으로 말하면, 따라서 2개의 터빈의 불균형을 특정 정도로 보상하는 것이 가능하다. 특히, 불균형이 합산되는 방식으로 양 터빈이 결합되는 클러치와 비교하면, 이는 따라서 진동 부하의 감소를 성취하는 것이 가능하다. 이러한 장점에도 불구하고, 이 방법은 사용되지 않는다.

검출된 차동각(differential angle), 가속도 및 원하는 목표 결합각의 함수로서 형성되는 설정 회전 속도차로부터 유도되는 가속도값을 사용한 증기 터빈의 목표화된 가속을 위한 방법이 EP 2 813 675 A1호(또한 WO 2014/198649 A1호)로부터 공지되어 있다.

WO 2015/124332 A1호는 1) 가스 터빈의 회전 속도 미만인 출력 회전 속도까지의 증기 터빈을 가속하는 단계; 2) 가스 터빈과 증기 터빈 사이의 차동각을 검출하는 단계; 3) 검출된 차동각, 가속도 및 원하는 목표 결합각의 함수로서 형성되는 설정 회전 속도차로부터 유도되는 가속도값으로 증기 터빈을 가속하는 단계;를 갖는 증기 터빈과 가스 터빈을 결합하기 위한 방법을 개시하고 있다.

US 2015/059347 A1호는 2개의 샤프트들, 특히 가스 터빈과 증기 터빈을 결합하기 위한 방법을 개시하고 있다. 제1 샤프트의 회전 속도 및 회전각이 검출되고, 제2 샤프트는 제1 샤프트의 회전 속도에 대해 제2 샤프트의 회전 속도를 조정함으로써 제어된다. 이 맥락에서, 제2 샤프트의 가속도는, 제2 샤프트가 미리규정된 회전 속도로 조정되자마자, 제2 샤프트의 표식(mark)이 제1 샤프트 상의 표식에 관하여 미리규정된 각도에 있게 되는 방식으로 제어된다. 동기화 속도 바로 미만인 속도에서, 이는 상대각이 정합할 때까지 대기된다. 그후, 제2 샤프트가 신속하고 짧게 가속되고 제1 샤프트에 결합된다.

본 발명의 목적은 원하는 결합각에서의 결합을 위한 대안적인 방법을 이용 가능하게 하는 것이다. 대응하는 배열체가 또한 개발될 것이다.

이하에 제시되는 발명은 기본적으로 매우 다양한 회전 장치를 매우 다양한 샤프트 장치에 결합하기 위해 적합하지만, 대표적 예시의 관점에서 증기 터빈이 회전 장치의 예로서 항상 선택되고 가스 터빈이 샤프트 장치의 예로서 항상 선택된다. 이는 현재의 관점으로부터 가장 중요한 본 발명의 용례이다. 그러나, 다른 용례가 명백히 고려 가능하다. 예를 들어, 다양한 부분-터빈들이 결합될 수 있다. 이는 낮은 부하일 때 터빈의 일부가 동작되지 않고 단지 증가된 전력 요구가 존재할 때에만 가동되는 시스템에서 필요하다.

이하의 단계들을 갖는, 증기 터빈과 가스 터빈을 결합하기 위한 방법이 가용해야 한다는 것을 인식하였다:

가스 터빈과 증기 터빈 사이의 차동각을 검출하는 단계;

가스 터빈과 증기 터빈 사이의 회전 속도차를 검출하는 단계;

증기 터빈이 결합의 시작까지 공지의 가속도로 가속되면, 증기 터빈과 가스 터빈이 결합되게 되는 결합각을 예측하는 단계;

예측된 결합각을 목표 결합각과 비교하고 그로부터, 예측된 결합각이 목표 결합각에 정합하는 방식으로 설정 가속도를 계산하는 단계.

가스 터빈과 증기 터빈 사이의 차동각 및 차동 속도를 검출하는 것은 기술적 측정 견지에서 충분하다. 발생될 결합각의 예측은 연산적으로 수행될 수 있다.

목표 결합각과 예측된 결합각의 비교에 의해, 예측된 결합각이 목표 결합각에 정합하는 방식으로 설정 가속도를 계산하는 것은 쉽게 가능하다.

예측을 위해 사용되는 공지의 가속도는 측정값일 필요가 없다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 증기 터빈의 가속도를 측정할 필요가 없다.

하나의 실시예에서, 예측은, 증기 터빈의 회전 속도가 가스 터빈의 회전 속도에 도달하거나 선택된 값만큼 초과하자마자, 결합의 시작이 실행된다는 가정에 기초한다. 따라서, 자기-동기화 클러치(self-synchronizing clutch)의 경우에 비율이 표현될 수 있다. 이러한 클러치는, 증기 터빈의 회전 속도가 가스 터빈의 회전 속도보다 약간 높아지자마자, 결합이 발생하는 방식으로 기계적으로 구성된다. 따라서, 자기-동기화 클러치가 사용되면, 결합은 특정의 매우 낮은 회전 속도차에서 자동으로 시작한다. 따라서 단지 예측을 위해 이를 가정하는 것이 적당하다.

하나의 실시예에서, 계산된 설정 가속도는 공지의 가속도를 위한 값으로서 사용된다. 전술된 바와 같이, 공지의 가속도를 측정할 필요가 없다. 일반적으로, 설정 가속도로서 계산되는 값이 공지의 가속도를 위해 선택되면 매우 양호한 결과가 성취될 수 있다.

하나의 실시예에서, 증기 터빈은 목표화된 목표 결합각에 독립적으로 선택된 가속도로, 바람직하게는 가스 터빈의 회전 속도 미만인 출력 회전 속도까지 가속된다. 따라서 이러한 가속도는 종래 기술에 통상적인 방법에 관하여 아무것도 변경할 필요 없이 그 지점까지 용이하게 성취될 수 있다.

하나의 실시예에서, 선택된 가속도는 일정하다. 출력 회전 속도까지 실질적으로 일정하게 가속하는 것이 종종 적절하다.

하나의 실시예에서, 결합각의 예측은 출력 회전 속도에 도달할 때 선택된 가속도로 시작된다. 언급된 바와 같이, 측정 기술의 견지에서, 결합각을 예측하는데 사용되는 공지의 가속도를 검출할 필요가 없다. 대신에, 이는 종종 계산된 설정 가속도로 처리된다. 그러나, 예측의 시작시에 이것이 설정되지 않으면, 이를 위해 존재하는 값이 아직 없다. 상기 실시예에서와 같이, 증기 터빈이 결합각의 예측의 시작시에, 선택된 가속도 - 종종 일정한 가속도 - 로 가속된다면, 선택된 가속도는 공지의 가속도로서 기능하는 것이 적절하다. 선택된 가속도가 종종 설정값인 것이 여전히 허용되고, 증기 터빈이 실제로 선택된 가속도로 가속되는 것이 보장되지 않는다. 그러나, 그럼에도 불구하고 편차는 이 방법이 기능하기에 충분하게 작다.

하나의 실시예에서, 출력 회전 속도는 샤프트 장치의 회전 속도보다 대략 0.5 Hz 내지 최대 대략 1.5 Hz, 바람직하게는 대략 0.9 Hz 내지 대략 1.1 Hz낮다. 이들 값에서, 한편으로는, 출력 회전 속도까지 신속하게 가속하는 것이 가능하고, 다른 한편으로 원하는 차동각을 갖는 신속하고 목표화된 결합이 가능한 것이 명백해진다.

하나의 실시예에서, 설정 가속도의 계산 중에는, 결합 중 차동각이 결합 회전각만큼 변경되는 것이 주목된다. 결합 회전각은, 여기서 더 상세히 조사되지 않는 기계적 이유로 결합 중에 발생한다. 여기서는 결합 회전각이 발생하고 각각의 결합에 의존하는 것을 인지하는 것으로 충분하다. 더욱이, 결합 회전각은 일정하고, 따라서 계산 중에 어려움 없이 고려될 수 있다.

하나의 실시예에서, 설정 가속도는 터빈 제어 유닛에 전달되는 설정 회전 속도로 변환된다. 설정 회전 속도는 설정 가속도의 적합한 적분을 통해 얻어진다.

이 시점에, 터빈 제어 유닛에 대한 간략한 상세가 제공될 것이다. 터빈 제어 유닛은 증기 터빈으로의 증기의 공급을 설정하는 밸브의 위치에 의해 터빈의 속도를 제어한다. 광범위한 터빈 제어 유닛들이 입력 신호로서 설정 회전 속도를 요구한다. 터빈 제어 유닛은, 그에 의존하여, 터빈의 가속도를 제공한다. 따라서, 설정 가속도는 설정 회전 속도의 전달에 의해, 요구되는 바에 따라 유도된다. 설정 가속도로부터 설정 회전 속도를 우선 결정하는 방식, 원한다면 우회 방식은 전적으로 통상의 터빈 제어 유닛을 사용하는 능력에 의존한다.

본 발명은 또한 대응하는 배열체에 관한 것이다. 하나의 실시예에서, 배열체는 전술된 방법을 수행하도록 설계된다. 반복을 회피하기 위해, 배열체에 관하여, 방법에 관한 상기 진술을 참조한다. 일반적으로, 대응적으로 프로그래밍을 구성하는 것이 충분하다.

배열체의 하나의 실시예에서, 차동각의 검출은 대략 4 ms 내지 대략 20 ms의 또는 그 미만의 클럭 속도로 결정될 수 있다. 이는 전술된 방법을 수행하기 위해 매우 도움이 되는 공지의 배열체의 수정을 수반한다. 차동각은 따라서 더 양호하게 결정될 수 있다.

본 발명은 이제 예시적인 실시예에 기초하여 그리고 도면을 사용하여 이하에 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 가스 및 증기 발전소의 단일-샤프트 시스템을 도시하고 있다.
도 2는 결합각의 예측 및 설정 가속도의 제어의 시퀀스(sequence)를 도시하고 있다.
도 3은 설정 가속도의 제어 및 터빈 제어 유닛의 상호작용을 도시하고 있다.
도 4는 측정된 차동각 및 예측된 결합각의 시뮬레이션(simulation)을 도시하고 있다.
도 5는 제어된 가속도의 시뮬레이션을 도시하고 있다.

도 1은 본 발명에 중요한 복합형 가스 및 증기 발전소의 필수 구성요소를 도시하고 있다. 샤프트(1)는 중요 특징부인 것으로 고려되어야 한다. 가스 터빈(2)이 상기 샤프트(1)에 부착되고 그와 함께 회전한다. 또한, 가스 터빈(2)에 의해 구동되는 발전기(3)를 볼 수 있다.

샤프트(1)는 클러치(4)에 의해 중단된다. 클러치(4)는 자기-동기화 클러치로서 구현된다.

증기 터빈(5)은 클러치(4)에 인접하는 샤프트(1)의 부분에 위치된다. 따라서, 클러치(3)는 증기 터빈(5)과 가스 터빈(2)을 결합하는 기능을 갖는다. 기본적으로 샤프트(1)의 각각의 샤프트부의 클러치라는 것이 여기서 명백하다. 그러나, 상기 샤프트부는 가스 터빈 또는 증기 터빈에 고정 연결되기 때문에, 가스 터빈(2)으로의 증기 터빈(5)의 결합에 대해 언급하는 것이 사실상 정확하고 대표적 예시에 의해 보완되는 것이다.

도 2는 결합각의 예측 순서 및 설정 가속도의 제어를 도시하고 있다. 가스 터빈(2)과 증기 터빈(5) 사이의 검출된 차동각(7) 및 가스 터빈(2)과 증기 터빈(5) 사이의 검출된 차동 속도(8)가 예측 모듈(6) 내에 포함된다. 게다가, 설정 가속도(9)가 포함되는데, 이는 이하에 설명될 것이다.

예측 모듈(6)에서, 결합각(10)은 차동각(7), 차동 속도(8) 및 설정 가속도(9)로부터 결정되고, 이 결합각(10)은 클러치(4)가 결합을 시작할 때까지 증기 터빈(5)이 설정 가속도(9)로 가속되면 얻어질 것이다. 자기-동기화 클러치로서의 구성에 기인하여, 클러치(4)는 증기 터빈(5)의 회전 속도가 가스 터빈(2)의 회전 속도를 약간 초과하자마자 설계 방식에 따라 결합을 시작한다는 것이 주목되어야 한다.

예측으로부터 발생하는 예측된 결합각(10)은 미리규정된 목표 결합각(11)과 비교된다. 설정 가속도(9)는 예측된 결합각(10)과 목표 결합각(11) 사이의 차이로부터 가속도 모듈(12) 내에서 결정된다. 전술된 바와 같이, 설정 가속도(9)는 예측 모듈(6)에 전달된다. 더욱이, 설정 가속도(9)는 적분기(13)에 전달된다. 증기 터빈의 설정 회전 속도(14)가 결합의 시작까지 시간에 걸쳐 설정 가속도(9)의 적분에 의해 설정 가속도(9)로부터 적분기(13) 내에서 결정된다.

설정 회전 속도(14)는 도 3에서 명백한 바와 같이, 터빈 제어 유닛(15)에 전달된다. 이러한 터빈 제어 유닛은 종래 기술로부터 공지되어 있다. 그럼에도 불구하고 완전성의 이유로, 터빈 제어 유닛(15)의 간략한 제시가 제공될 것이다. 터빈 제어 유닛은 설정 회전 속도(14)를 수신하고 이를 측정된 증기 터빈 회전 속도(16)와 비교할 수 있다. 증기 터빈 밸브(19)의 설정 위치(18)가 증기 터빈 회전 속도(16)와 설정 회전 속도(14)의 비교로부터 속도 모듈(17) 내에서 결정된다.

설정 위치(18)는 검출된 증기 터빈 밸브 위치(20)와 비교된다. 이에 기초하여, 위치 모듈(21)은 어떻게 조정 유닛(22)이 증기 터빈 밸브(19)를 설정하는지를 결정한다.

상기 제시는 설정 가속도를 사용하는 신규한 결합 방법이 기존의 제어 개념 내에 용이하게 통합될 수 있다는 것을 명백하게 한다.

예시는 단계의 추상적인 예시인 것으로 고려되어야 한다. 하나의 단계가 모듈 내에서 발생하고 다른 단계가 다른 모듈 내에서 발생한다는 예측은, 모듈이 반드시 상이한 구성요소이어야 한다는 것을 의미하는 것은 아니다. 따라서, 공통 컴퓨터 유닛 상에서 다수를 수행하는 것이 가능하다. 중요한 것은 오히려 단계의 논리 순서(logical sequencing)이다.

도 4는 검출된 차동각 및 예측된 결합각의 시간 프로파일을 도시하고 있다. 시간은 횡축에 초 단위로 그려져 있고, 도 단위의 각도가 종축에 그려져 있다. 검출된 차동각의 프로파일은 점선에 의해 도시되어 있고, 예측된 결합각은 실선에 의해 도시되어 있다.

도 5에서, 제어된 가속도의 시뮬레이션이 시간에 대해 그려져 있다. 시간은 횡축에 초 단위로 그려져 있다. 가속도는 종축에 무작위 가속도값까지 백분율로 그려져 있다. 85 s 내지 90 s 사이의 급격한 강하는 결합에 기인한다. 곡선의 프로파일의 나머지는 더 이상 중요하지 않다. 결합 후에, 증기 터빈(5) 및 가스 터빈(2)은 자연적으로 동일한 속도에 있다.

본 발명이 바람직한 예시적인 실시예에 의해 더 상세히 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예에 의해 한정되는 것은 아니고, 다른 변형이 본 발명의 보호 범주로부터 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 그로부터 유도될 수 있다.

Claims (12)

1. 회전 장치와 샤프트 장치를 결합하기 위한 방법이며,
   - 샤프트 장치(2)와 회전 장치(5) 사이의 차동각(7)을 검출하는 단계;
   - 샤프트 장치(2)와 회전 장치(5) 사이의 차동 속도(8)를 검출하는 단계를 포함하는 상기 결합 방법에 있어서,
   - 회전 장치(5)가 결합의 시작까지 공지의 가속도로 가속되면, 회전 장치(5)와 샤프트 장치(2)가 결합되게 되는 결합각을 예측하는 단계;
   - 예측된 결합각(10)을 목표 결합각(11)과 비교하고 그로부터, 예측된 결합각(10)이 목표 결합각(11)에 정합하는 방식으로 설정 가속도(9)를 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 예측은, 회전 장치(5)의 회전 속도가 샤프트 장치(2)의 회전 속도에 도달하거나 선택된 값만큼 초과하자마자, 결합의 시작이 실행된다는 가정에 기초하는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   공지의 가속도를 위한 값으로서는 계산된 설정 가속도(9)가 사용되는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   회전 장치(5)는, 목표화된 목표 결합각(11)에 독립적으로 선택된 가속도로, 바람직하게는 샤프트 장치(2)의 회전 속도 미만인 출력 회전 속도까지 가속되는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 선택된 가속도는 일정한 것을 특징으로 하는 결합 방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 결합각의 예측은 상기 출력 회전 속도에 도달할 때 선택된 가속도로 시작되는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 출력 회전 속도는 샤프트 장치(2)의 회전 속도보다 0.5 Hz 내지 최대 1.5 Hz 아래인 것을 특징으로 하는 결합 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   설정 가속도(9)의 계산 중에는, 결합 중 상기 차동각이 결합 회전각만큼 변경되는 것이 주목되는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   설정 가속도(9)는 터빈 제어 유닛(15)에 전달된 설정 회전 속도(14)로 변환되는 것을 특징으로 하는 결합 방법.
10. 샤프트 장치,
    및 회전 장치와,
    샤프트 장치(2)와 회전 장치(5)를 결합하기 위한 클러치(4)를 갖는 배열체이며,
    샤프트 장치(2)와 회전 장치(5) 사이의 차동각(7)을 검출하기 위한 장치;
    샤프트 장치(2)와 회전 장치(5) 사이의 차동 속도(8)를 검출하기 위한 장치;
    회전 장치(5)를 가속도값으로 가속하기 위한 장치(19)를 갖는, 배열체에 있어서,
    검출된 차동각(7), 검출된 차동 속도(8) 및 공지의 가속도로부터, 회전 장치(5)가 결합의 시작까지 공지의 가속도로 가속되면 발생할 것인 결합각(10)을 예측하기 위한 수단(6); 및
    예측된 결합각(10)을 목표 결합각(11)과 비교하고 그로부터, 예측된 결합각(10)이 목표 결합각(11)에 정합하는 방식으로 설정 가속도(9)를 계산할 수 있는 수단(12)이 존재하는 것을 특징으로 하는 배열체.
11. 제10항에 있어서,
    상기 배열체는 제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 배열체.
12. 제10항에 있어서,
    차동각(7)의 검출은 4 ms 내지 20 ms까지의 클럭 속도로 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는 배열체.

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