KR102234343B1 - 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법 - Google Patents

1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법에 관한 것으로서, 요구된 출력 변화에 따라, 증기 터빈의 적어도 하나의 압력 스테이지(1, 2, 3, 4)의 백업된 터빈 밸브(31, 51)를 각각 개방, 폐쇄하는 단계; 적어도 하나의 압력 스테이지(1, 2, 3, 4) 내로 유동하는 증기 질량 유동의 압력을 측정하기 위해 백업된 터빈 밸브(31)의 상류측에서 수행되는 압력 측정치(32)와 특정 압력 목표값(41)을 비교하는 단계; 및 압력이 압력 목표값(41) 미만이되거나 초과되자마자, 압력 스테이지(1, 2, 3, 4) 중 적어도 하나의 증기 질량 유동 내로 가변 물 분획을 도입하기 위한 공급부(71, 81)의 각각의 개방, 폐쇄 단계를 포함하고, 가변 물 분획은 매칭된 증기 온도 목표값(49)이 도달될 때까지 증기 질량 유동 내로 도입되고, 이는 미리규정된 기본 증기 온도 목표값(45)과 조절기(48)의 출력값 사이의 차이로부터 결정되고, 조절기는 적어도 비례 작용을 갖고 압력 측정치(32)와 압력 목표값(41) 사이의 차이를 평가하고 보상한다.

Description

1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법
본 발명은, 예를 들어 DE 10 2010 040 623 A1호 및 DE 197 50 125 A1호에도 설명되어 있는 바와 같이, 1차 조절(primary regulation)을 위한, 가스 및 증기 터빈 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭(power matching)을 위한 방법에 관한 것이다.
현대식 발전소는 한편으로는 고도의 효율을 전달하고 다른 한편으로는 가능한 한 탄력적으로 동작하도록 요구된다. 단기 시동 시간과 높은 부하 변경 속도와는 별개로, 이는 네트워크 내의 주파수 외란(frequency disturbances)을 보상하는 가능성을 또한 포함한다. 이들 요구 사항에 부합하기 위해, 발전소는 몇 초 이내에 예를 들어 5 퍼센트 이상의 추가 출력을 공급하고 이어서 예를 들어 15분의 요구되는 최소 시간 기간 동안 이 추가 출력을 확보하는 것이 가능해야 한다.
이는 통상적으로 가스 터빈의 부하의 증가에 의해 종래의 가스 및 증기 발전소에서 실현된다. 그러나, 특정 상황 하에서, 특히 더 높은 부하 범위에서, 출력의 원하는 증가가 가스 터빈에 의해서만 제공되는 것이 아니라, 증기 터빈에 공급하는 물-증기 회로의 적절한 합체에 의해 또한 제공되는 것이 특히 적합할 수 있다. 결과적으로, 증기 터빈이 마찬가지로 주파수 지원에 부가의 기여를 제공할 수 있고 제공해야 하는 해결책이 최근에 점점 더 많이 다시 추구되고 있다. 일반적으로, 한편으로는 임의의 부가의 투자 비용(예를 들어, 부가의 구성요소에 대한 요구에 기인하여)을 초래하지 않고, 다른 한편으로는 예를 들어, 정상 상태 동작 중에 효율의 손실을 유발하는 것과 같이, 정상 시스템 동작에 부정적인 영향을 미치지 않는 방법이 여기서 사용된다.
이와 관련하여, 최근에, 가열 표면의 금속 질량체에 저장된 열 에너지를 본질적으로 적합한 방식으로 사용하는 해결책이 열 회수 증기 발생기를 위해 개발되어 왔다. 이는 주로 조작된 공급수(feed water) 및 분사수(injection water) 변수의 급격한 변화에 의해 실현된다.
더 광범위한 이론적 연구는, 비교적 큰 제2 예비량(reserve) 잠재력이, 전술된 열 저장의 사용을 통해 존재하지만, 상기 잠재력은 시간의 관점에서 단지 비교적 지연된 방식으로 또는 서서히 회수될 수도 있다. 1차 조절 예비량에 관하여, 정의에 의해 네트워크 주파수의 급격한 변화에 대한 응답이 필요한 경우에, 이러한 조치는 그러나 완전히 적합하지는 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징에 따른 방법에 의해 달성된다.
1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 본 발명에 따른 방법은 여기서 이하의 단계:
- 요구된 출력 변화에 의존하는 방식으로 증기 터빈의 적어도 하나의 압력 스테이지의 백업된 터빈 밸브를 개방 또는 폐쇄하는 단계,
- 백업된 터빈 밸브의 상류측에서, 적어도 하나의 압력 스테이지 내로 유동하는 증기 질량 유동의 압력의 측정치를 제공하는 압력 측정치와 미리규정된 압력 목표값의 비교 단계,
- 압력 목표값이 미만이되거나 초과되자마자, 압력 스테이지 중 적어도 하나의 증기 질량 유동 내로 가변 물 분획을 도입하기 위한 공급부의 개방 또는 폐쇄 단계를 포함하고,
- 가변 물 분획은 매칭된 증기 온도 목표값이 도달될 때까지 증기 질량 유동 내로 도입되고, 이는 미리규정된 기본 증기 온도 목표값과 조절기(regulator)의 출력값 사이의 차이로부터 결정되고, 조절기는 적어도 비례 작용을 갖고 압력 측정치와 압력 목표값 사이의 차이를 평가하고 보상한다. 적어도 비례 작용을 갖는 조절기는 이 경우에 예를 들어 P, PID 또는 유리하게는 PI 조절기일 수도 있다.
정확하게 1차 조절을 위한 부가의 출력에 대한 요구의 경우에, 따라서 신속한 조치, 즉 스로틀링된 터빈 밸브의 개방이 장기 작용 조치, 즉 분사량 또는 공급수 질량 유동의 증가와 조합되는 경우가 있다. 따라서, 이는 여기서 신속한 출력 매칭을 위한 출력 조절과 출력 매칭 중 압력 지원의 조합을 야기한다. 이 목적으로, 적어도 하나의 터빈 밸브가 충분히 스로틀링되어야 한다. 이어서 부가의 출력이 필요하면, 이들 상황 하에서 압력 방출 수단을 통해 적어도 하나의 스로틀링된 터빈 밸브를 개방함으로써 증기 터빈을 통해 증가된 질량 유동을 제공하는 것이 가능하다. 이는 일반적으로 비교적 신속하게 발생하는 것으로 알려져 있으며, 따라서 이 조치는 1차 조절 예비량에 관한 속도 요구에 가장 적합하다. 그러나, 허용 가능한 터빈 밸브의 스로틀링 정도에 대해, 이 조치는 시간의 관점에서 매우 상당히 제한되어 있다는 것이 또한 알려져 있다. 이는 정확하게 본 발명의 출발점인 것이다. 부가의 출력에 대한 대응 요구의 경우에, 하나의 조치, 즉 적어도 하나의 스로틀링된 터빈 밸브의 개방은 부가의 조치, 즉 분사 또는 공급수 질량 유동의 증가와 조합된다. 여기서, 적어도 하나의 터빈 밸브의 개방은 신속성을 보장하고, 분사 또는 공급수 양의 증가는 증기 터빈의 지속적인 출력 증가를 보장하는데, 이는 특히 1차 조절 예비량의 경우에 바람직하다.
본 발명은 부가적으로 요구되는 출력이 적어도 하나의 터빈 밸브를 개방함으로써, 예를 들어 증기 터빈의 출력 조절의 유형의 형태로 제공되는 점에서 실제로 구현 가능하게 된다. 그러나, 이 방식으로, 대응 압력 스테이지의 증기 압력은 즉시 감소된다(저장부가 "비워지게 됨"). 그러나, 이어서, 분사량 또는 공급수 양의 증가에 기인하여, 또한 열 에너지 저장부가 "급수(tapped into)"된다는 사실은, 증기 압력의 감소가 효율적으로 상쇄될 수 있다는 것을 의미한다. 대조적으로, 반대의 경우에, 터빈 밸브를 폐쇄할 때 증기 압력이 상승하면(네트워크의 더 낮은 출력 요구의 경우에 밸브 폐쇄), 분사량 또는 공급수 질량 유동의 감소에 기인하여 압력의 증가가 효율적으로 상쇄되게 하는 것이 마찬가지로 가능하다. 따라서, 증기 저장부는 금속 질량체에 저장된 열 에너지를 위한 버퍼 요소로서 작용하여, 해제 중에 그 저속 거동에도 불구하고, "신속한" 증기 저장부의 간접적인 루트(route)를 통해 1차 조절 예비량에서 상기 저장된 에너지를 사용할 수 있게 된다.
증기 터빈의 중간압 스테이지의 터빈 밸브에서의 개방 또는 폐쇄가 실현되면 특히 유리한 것으로 판명되었다. 이는 중간압 스테이지의 드럼에서 증기 저장부를 부가적으로 사용하는 것을 허용한다. 고압 스테이지의 스로틀링과 비교하여, 중간압 스테이지의 스로틀링은 가능한 진동 경향에 관하여 훨씬 덜 민감하다는 것이 판명되었다.
바람직하게는, 증기 터빈의 고압 스테이지 내로 유동하는 증기 질량 유동 내로의 가변 물 분획의 공급이 실현되는 점에서 중간압 스테이지의 상기 스로틀링이 보충된다. 고압 스테이지 부분에 대한 압력 지원과 중간압 스테이지의 부분에서만의 출력 조절의 이러한 조합에서는, 중간압 스테이지의 터빈 밸브의 상이한 개방도를 통한 증기 터빈의 다양한 출력 전달 및 그에 연계된 및 중간압 스테이지의 압력 지원을 위한 고압 스테이지 내의 분사량 또는 공급수 양의 변화가 서로 더 이상 직접 결합되지 않는데, 이는 추가의 안정화 효과를 갖는다.
특히 가변 물 분획의 도입 및 터빈 밸브의 개방 또는 폐쇄가 증기 터빈의 복수의 압력 스테이지에서 실현되면 특히 높은 탄력성이 달성된다. 그러나, 궁극적으로, 어떤 조합 가능성이 어떤 프로파일 변화에 대해 가장 적절한지에 대한 판정은 상황에 따라 이루어져야 할 것이다. 각각의 발전소 시스템에 대해, 어느 압력 스테이지가 어느 정도로 스로틀링되고 냉각되어야 하는지는 네트워크 및 고객 요구 및 또한 이용 가능한 디자인 예비량을 배경으로 하여 개별적으로 설정되어야 한다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는 종속항으로부터 얻어질 수 있다.
본 발명이 도면에 기초하여 이하에 예로서 설명될 것이다. 도면은 증기 터빈의 고압 스테이지(1), 중간압 스테이지(2) 및 2개의 저압 스테이지(3, 4)를 갖는 가스 및 증기 발전소의 상세를 개략적으로 도시하고 있다. 여기서, 모든 스테이지들(1 내지 4)은 회전자 액슬을 통해 서로 연결된다.
동적 시뮬레이션에서 발견된 바와 같이, 중간압 스테이지(2)를 위한 터빈 밸브(31)를 스로틀링하는 것이 특히 유리할 수 있다. 첫째로, 중간압 드럼(더 상세히 도시되지는 않음)이 부가의 증기 어큐뮬레이터로서 여기에서 사용될 수도 있고, 둘째로, 고압측의 스로틀링의 경우, 고압 스테이지는 변경된 고압 공급수 및 고압 분사량의 결과로서 고압 터빈 밸브(51)의 변경된 개방 위치와 변경된 고압 증기 질량 유동의 연관된 상호 작용에 기인하여 진동 경향에 관하여 훨씬 더 민감하게 거동하는 것으로 판명되었다. 대조적으로, 2개의 조치들이 동일한 압력 스테이지로 적용되지 않고 따라서 더 이상 서로 직접 결합되지 않기 때문에, 전체 안정화 효과는 중간압 스테이지의 터빈 밸브(31)의 상이한 개방도를 통한 중간압 스테이지(2)에 대한 유일한 스로틀링 및 조절기(100)를 통해 그에 간접적으로 연결된 고압 스테이지(1)의 분사량 및 공급수 양의 변화의 경우에 달성된다. 따라서, 본 발명의 핵심 개념은 따라서 분사량의 증가 또는 감소를 통한 압력 조절과 함께 터빈 밸브의 위치를 통한 출력 조절을 조합하는 것이다. 결과적으로, 거의 2개의 조절 회로가 존재한다. 즉, 압력 조절은 더 이상 터빈 밸브를 통해 실현되지 않고 분사의 변화를 통해서만 실현된다. 여기서도, 제한이 준수되어야 하는데, 즉 증기 온도가 특정 양을 넘어 감소되거나 증가되지 않을 수도 있거나 폐쇄된 분사의 경우에, 추가의 폐쇄가 수행되지 않을 수도 있다는 것은 말할 필요도 없다.
도면에 도시된 예시적인 실시예는 또한 상이한 조합이 고려 가능한 것을 나타낸다. 이와 관련하여, 여기에 도시된 실시예에서, 출력 조절은 구성요소(21, 46, 47, 42, 33) 및 중간압 스테이지로의 공급의 터빈 밸브(31)를 통해 실현되고, 반면에 안정화를 위한 압력 조절은 주로 구성요소(32, 41, 48, 45, 49, 100, 110, 72, 71) 및 분사 수단(73)에 의해 실현되고, 분사 수단의 하류에는 고압 스테이지로의 공급시에 고압 과열기 가열 표면(여기서는 더 상세히 도시되지 않음)이 바람직하게 또한 배열되어 있다. 더욱이, 본 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 조절 디바이스(100)가 고압 스테이지(1)에 대한 분사량 뿐만 아니라, 동시에 구성요소(120, 81, 82) 및 분사 수단(83)을 경유하여 중간압 스테이지(2) 자체의 분사량을 압력 안정화 방식으로 조절하게 하는 것이 유리할 수 있는데, 이 분사 수단의 하류측에는 또한 바람직하게는 중간 과열기 가열 표면(여기서는 더 상세히 도시되지 않음)이 배열되어 있다. 이는 고압 스테이지(1)의 금속 질량체에 저장된 열 에너지의 사용에 추가하여, 압력 보조를 위한 이러한 중간 과열기 가열 시스템에 저장된 열 에너지가 또한 사용될 수도 있다는 장점을 갖는다. 이들 상황에서, 일 가능성은 비교적 긴 시간 기간에 걸쳐 고압 스테이지의 동일한 구성요소 부하 시에 1차 조절 예비량을 제공하거나, 1차 조절 예비량의 동일한 기간에서 고압 스테이지의 증기 온도의 변화를 감소시켜, 따라서 고압 스테이지의 구성요소 부하의 감소를 야기하는 것이다. 그 고유의 장점 및 단점을 갖는 다른 가능성은 압력 안정화를 위해 어떤 분사가 사용되는지에 무관하게, 물론 다른 터빈 밸브 중 하나를 통해 출력 조절을 실현하는 것이다.
출력 조절은 중간압 스테이지(2)의 터빈 밸브(31)를 통해 실현된다. 이 목적으로, 증기 터빈의 현재 출력 전달은 측정 디바이스(21)를 통해 회전자에서 결정되고, 요구되는 1차 조절 예비량에 의존하는 방식으로 반복적으로 리셋될 수 있는 연관된 출력 목표값과 비교된다. 2개의 값들 사이의 차이 - 이는 "요구된 출력 변화"에 대응함 - 의 경우에, 터빈 밸브(31)의 개방 위치의 목표 매칭이 이어서 발생하여, 구체적으로 목표값과 실제값이 다시 결국에는 동일하게 된다. 압력 조절은 분사 냉각 수단(73)에 의해 고압 스테이지(1)에 대한 증기 질량 유동 내로의 가변 물 분획의 변경된 도입에 의해 실질적으로 실현되고, 이는 고압 과열기 가열 표면(여기서는 더 상세히 도시되어 있지 않음)의 중간 분사 디바이스로서 유리하게 실현된다. 선택적으로 분사 냉각 수단(83)에 의해 중간압 스테이지(2)에 대한 증기 질량 유동 내로의 가변 물 분획의 부가의 변경된 도입이 여기서 선택적으로 또한 제공되는데, 이는 또한 유리하게는 여기서 중간 과열기 가열 표면(여기에 더 상세히 도시되어 있지 않음)의 중간 분사 디바이스로서 실현된다. 이 목적으로, 미리규정된 압력 목표값(41)은 증기 질량 유동의 압력 측정치(32)와 비교된다.
여기서, 압력 측정치(32)는 백업된 터빈 밸브(31)의 상류측에서 수행된다. 압력 목표값(41)이 미만이 되거나 초과되자마자, 공급부(71, 81)의 개방 또는 폐쇄가 대응 활성화 수단(72, 82)을 통해 실현되고, 그 결과 변경된 물 분획이 분사 냉각 수단(73, 83)에 공급된다. 이 가변 물 분획은 매칭된 증기 온도 목표값(49)에 도달할 때까지 증기 질량 유동 내로 도입된다. 본 예에서, 이는 미리결정된 기본 증기 온도 목표값(45)과 비례-적분(PI-) 작용 조절기(48)의 출력값 사이의 차이로부터 결정되고, 이는 압력 측정치(32)와 압력 목표값(41) 사이의 차이를 평가하고 보상한다. 이어지는 조절 디바이스(100)에서, 이 시간 가변 증기 온도 목표값은 증기 온도 조절 디바이스(100)에 대한 가변 입력 변수로서 미리규정되고 사용된다. PI 조절기(48) 대신에, 간단한 P 조절기 또는 PID 조절기 또는 동등한 작용을 갖는 몇몇 다른 조절기가 사용되는 것이 동등하게 가능할 것이며, 본 예에서는, PI 조절기가 유리한 것으로 입증되었다.

Claims (6)

  1. 적어도 고압 스테이지(1), 중간압 스테이지(2), 및 저압 스테이지(3, 4)를 구비한, 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법이며,
    - 요구된 출력 변화에 의존하는 방식으로 상기 증기 터빈의 중간압 스테이지(2)의 백업된 터빈 밸브(31)를 개방 또는 폐쇄하는 단계,
    - 백업된 터빈 밸브(31)의 상류측에서, 적어도 하나의 압력 스테이지(1, 2, 3, 4) 내로 유동하는 증기 질량 유동의 압력의 측정치를 제공하는 압력 측정치(32)와 미리규정된 압력 목표값(41)의 비교 단계,
    - 압력 목표값(41)이 미만이되거나 초과되자마자, 압력 스테이지(1, 2, 3, 4) 중 적어도 하나의 증기 질량 유동 내로 가변 물 분획을 도입하기 위한 공급부(71, 81)의 개방 또는 폐쇄 단계를 포함하고,
    - 상기 가변 물 분획은 매칭된 증기 온도 목표값(49)이 도달될 때까지 증기 질량 유동 내로 도입되고, 이는 미리규정된 기본 증기 온도 목표값(45)과 조절기(48)의 출력값 사이의 차이로부터 결정되고, 상기 조절기는 적어도 비례 작용을 갖고 압력 측정치(32)와 압력 목표값(41) 사이의 차이를 평가하고 보상하는, 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증기 질량 유동 내로의 가변 물 분획의 도입은 분사 냉각 수단(73, 83)에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는, 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 증기 질량 유동 내로의 가변 물 분획의 도입은 상기 증기 터빈의 상류측에 배열된 증기 발생기로 유동하는 공급수 질량 유동의 변화에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는, 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증기 터빈의 고압 스테이지(1) 내로 유동하는 증기 질량 유동 내로의 가변 물 분획의 공급이 실현되는 것을 특징으로 하는, 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    가변 물 분획의 도입 및 상기 터빈 밸브에서의 개방 또는 폐쇄는 상기 증기 터빈의 복수의 압력 스테이지(1, 2, 3, 4)에서 실현되는 것을 특징으로 하는, 1차 조절을 위한, 가스 및 증기 발전소의 증기 터빈의 단기 출력 매칭을 위한 방법.
  6. 삭제
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