KR102304013B1 - 증기 터빈을 작동하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증기 터빈을 작동하기 위한 방법에 관한 것으로, 발전기 내의 냉각 매체의 압력은 냉각을 위해서 뿐만 아니라 증기 터빈 상의 발전기 토크의 증가 또는 감소를 위해 변화되며, 이는 시동 또는 운전 정지 프로세스와 관련하여 이용된다.

Description

증기 터빈을 작동하기 위한 방법
본 발명은 증기 터빈을 작동하기 위한 방법에 관한 것으로, 증기 터빈은 회전 가능하게 장착된 증기 터빈 회전자 및 증기 터빈 회전자 주위에 배열된 하우징을 갖고, 상기 회전자는 토크 기술적으로 전기 발전기의 발전기 회전자에 결합되고; 상기 발전기는 냉각 매체, 특히 공기로 냉각되고, 발전기 내의 냉각 매체의 냉각 압력이 설정되고, 발전기 회전자는 증기 터빈 회전자에 토크를 인가한다.
증기 터빈은 예를 들어 증기 발전소 또는 가스 및 증기 터빈 발전소에서 사용되며, 주로 전기 역학적 기계, 특히 전기 발전기의 회전자를 구동하기 위해 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 임무를 갖는다. 여기서, 비교적 높은 열에너지를 갖는 고온 증기가 유입 영역을 통해 증기 터빈으로 유도되고, 증기는 증기 터빈 내의 유동 경로 상에서 열적으로 팽창하는 동시에 냉각되고, 이로 인해 열에너지는 증기 터빈 회전자의 회전 에너지로 변환된다. 연속 작동 중에, 증기 터빈 및 전기 발전기의 구성요소들은 열평형 상태에 있다. 그러나, 증기 터빈의 운전 정지(shutdown) 및 재차 증기 터빈의 시동(startup)을 요구하는 작동 상태가 요구된다.
증기 터빈의 시동 및 운전 정지는 복수의 과제들에 의해 특징화된다. 증기 터빈의 시동 중에, 이는 비교적 적은 증기 질량 유동에 의해서만 관류된다. 그 결과, 가용한 증기의 양이 최종단을 충분히 균질하게 관류하기에 충분하지 않아서, 반경방향 압력 강하가 결과적으로 허브측의 분리 경향을 촉진시킨다. 이제, 증기 터빈 회전자의 회전 운동에 기인하여, 역류에 기인하여 그리고 이로부터 초래되는 블레이드의 마찰력에 기인하여 증기가 가열되는 일이 발생할 수도 있다. 그 결과 최종단 블레이드가 지속적으로 가열된다. 이 경우에, 온도가 허용 불가능한 값에 도달하고 따라서 증기 발전소의 가용성을 제한하는 일이 발생할 수도 있다.
다른 과제는, 증기 터빈의 고압 부분에서, 전력망 분리 시, 팽창이 단지 매우 적은 출력만을 발생하는 것이다. 그렇지 않으면, 증기 발전소는 소위 과도 회전 속도에 진입할 것인데, 이는 증기 터빈 회전자의 증가된 회전 속도에 의해 인지될 수 있다. 이 경우에, 고압 부분 터빈의 출구에서의 매우 높은 온도는 회피될 수 없으며, 소위 열간 시동(hot start) 시에 운전 정지로 이어질 가능성이 있다. 증기 터빈 회전자 및 전기 발전기의 회전자에 의해 형성된 스트랜드(strand) 내의 제동력 제공을 통해, 고압 부분 터빈은 회전 속도가 공칭 주파수를 넘어 증가하지 않으면서 상응하는 온도 감소와 함께, 더 높은 압력 강하를 얻을 수 있으며, 이 경우에 발전기는 전력을 송출하지 않는다.
제안된 부가의 제동력은, 회전 속도 차단 범위(예를 들어, 블레이드와 같은 구성요소들의 공진 위험)가 특히 저진동(low-tuned) 최종단에서 빠르게 통과하기 때문에 운전 정지 시에 도움이 된다.
다른 과제는, 특히 제1 팽창 섹션 전 및 제1 팽창 섹션 내에서, 증기 터빈이 증가된 압력 또는 연관 응축 온도에 기인하여 더 신속하게 가열되는 것인데, 이는 설비의 가용성을 증가시킨다.
공보 WO2009/038562 A2호, WO2011/018404 A1호 및 US 2016/344258호에는, 증기 터빈을 작동하기 위한 다양한 방법이 개시되어 있다.
전술된 문제점을 제거하는 것이 바람직할 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 시동 및 운전 정지 프로세스가 개선되는 증기 터빈을 작동하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 증기 터빈을 작동하기 위한 방법에 의해 달성되며, 증기 터빈은 회전 가능하게 장착된 증기 터빈 회전자 및 증기 터빈 회전자 주위에 배열된 하우징을 갖고, 상기 회전자는 토크 기술적으로 전기 발전기의 발전기 회전자에 결합되고; 상기 발전기는 냉각 매체, 특히 공기로 냉각되고, 상기 발전기 내의 냉각 매체의 냉각 압력이 설정되고, 발전기 회전자는 증기 터빈 회전자에 토크를 인가하고, 발전기 회전자로부터 증기 터빈 회전자로의 토크는 냉각 매체 압력의 변화에 의해 변경된다. 이 목적은 또한 이러한 방법을 구현하기 위한 자동화 유닛에 의해 달성된다.
본 발명은 증기 터빈에 토크 기술적으로 결합된 발전기를 브레이크로서 사용하는 것을 제안한다. 여기서, 발전기는 작동 중에 공기로 냉각된다. 발전기 내 공기 압력의 증가는, 표면 마찰, 팬 출력, 및 회전자 또는 반경방향 팬의 토출 작용을 통해 증가된 가스 마찰 손실을 야기한다. 따라서, 전기 발전기 회전자로부터 전달되는 증기 터빈 회전자로의 토크는 냉각 공기의 압력 설정을 통해 변경될 수 있다. 이러한 관계는 특히 시동 및 운전 정지 시에 증기 터빈을 작동하기 위한 방법을 최적으로 이용하기 위해 이용된다.
본 발명의 하나의 장점은, 터빈 회전 속도 대신에, 발전기 내의 열의 형태로 변환을 실행하는 이러한 부가의 가능성에 기인하여, 과도 회전 속도를 유도하지 않고, 더 큰 증기 질량 유동이 증기 터빈을 통해 유도되는 것이 가능하고, 또는 더 높은 증기 압력이 설정되는 것이 가능하다는 것이다.
예를 들어, 냉각 공기의 공기 압력이 1 바아로부터 2 바아로 증가되면, 발전기의 제동력은 가스 마찰에 기인하여, 대략 1 메가와트로부터 2 메가와트로 증가할 수 있다. 결과적으로, 제동력은 예를 들어 1.5 메가와트로부터 2.5 메가와트로 증가할 것이다. 이러한 제동력의 증가는 비교 가능한 시동 프로세스에 비해, 대략 66%의 질량 유동의 가능한 증가를 야기할 수 있다.
본 발명에 있어서, 발전기 내의 발생된 부가의 마찰력은 발전기 내의 냉각 가스의 엔탈피 증가를 야기하는 것으로 나타났다. 이 경우, 온도가 증가되지 않고; 열 용량은 공기 밀도가 증가함에 따라 상응하게 증가한다. 열에너지는, 발전기의 가스 냉각기에서 냉각되고, 이때 결과적으로 발전기 내에 폐쇄 가스 냉각 회로가 존재하게 되거나, 개방 냉각 회로에서 주변으로 배출된다.
본 발명의 하나의 장점은 기존 설비가 단지 본 발명에 따른 효과를 달성하기 위해 개장되거나 개조되기만 하면 된다는 것이다.
본 발명에 있어서, 증기 터빈의 시동 및/또는 운전 정지시에 증기 터빈에 대하여 발전기 가스 압력을 추가로 설정하는 조절이 따라서 제안된다. 설비 가용성이 이러한 방식으로 증가될 수 있다. 더욱이, 증기 터빈 최종단에서의 환기의 감소가 유리하게 달성되는데, 이는 서비스 수명 소모의 최소화를 야기한다.
더욱이, 바람직하게는 증기 터빈의 고압 배출 증기 온도가 능동적으로 영향을 받는데, 이는 가용성의 증가를 야기한다. 이는 예를 들어, 소위 냉간 재가열기 라인이 저렴하게 구성되도록 한다. 더욱이, 본 발명에 따른 방법이 사용될 때, 시동 라인이 생략될 수 있다.
본 발명의 하나의 중요한 장점은 회전 속도 차단 범위의 통과 시의 블레이드 피로의 최소화이다. 이는 증기 터빈 블레이드의 서비스 수명의 상당한 연장을 야기한다.
예열 중의 응축 온도의 증가에 기인하여, 증기 터빈의 더 빠른 시동이 가능한 것이 또한 유리하다.
본 발명의 전술된 특성, 특징 및 장점, 및 이들이 달성되는 방식은 예시적인 실시예의 이하의 설명과 관련하여 더 명확하고 더 명확하게 이해 가능한 방식으로 설명될 것이다.
증기 발전소 또는 가스 및 증기 터빈 설비는 일반적으로, 고압 부분 터빈, 중간압 부분 터빈 및 저압 부분 터빈을 포함하는 증기 터빈을 갖는다. 증기는 증기 발생기에서 생성되고 신선 증기 라인을 통해 고압 부분 터빈으로 안내된다. 고압 부분 터빈으로부터 유출되는 증기는 상응하게 냉각되고, 더 낮은 압력을 갖는다. 이러한 냉각된 증기는 냉간 재가열기 라인을 통해 재가열기로 유도되고, 거기서 다시 더 높은 온도로 가열된다. 그 후에, 재가열된 증기는 열간 재가열기 라인을 통해 중간압 부분 터빈에 도달하고, 이어서 중간압 부분 터빈으로부터 저압 부분 터빈으로 유동하고, 거기로부터 응축기 내로 바로 유동하는데, 여기서 증기가 응축되어 물을 형성하고 펌프를 통해 상응하게 증기 발생기로 다시 안내된다. 따라서, 회로가 폐쇄된다. 시동 프로세스 중에, 구성요소들은 상응하게 가열되어야 하는데, 이는 특정 시간 기간을 필요로 한다. 증기 터빈은 회전 가능하게 장착된 증기 터빈 회전자를 갖고, 하우징은 증기 터빈 회전자 주위에 배열된다. 증기 터빈 회전자는 토크 기술적으로 발전기 회전자에 결합된다. 이는 발전기에 의해 발생된 발전기 회전자의 토크가 증기 터빈 회전자에 토크를 인가한다는 것을 의미한다.
전기 발전기는 회전자 권선이 배열되어 있는 회전 가능하게 장착된 발전기 회전자를 갖는다. 비교적 높은 전류가 회전자 권선을 통해 흐르고, 이 전류에 의해 자기장이 생성되는데, 이 자기장은 회전에 의해, 교류 자기장을 발전기 하우징 내부에 위치된 고정부의 권선의 고정자 권선에 전달한다. 고정부의 권선에는 전압이 유도된다. 회전자 권선뿐만 아니라 고정자 권선 내의 비교적 높은 전류에 기인하여, 이들 권선은 냉각될 필요가 있다. 권선은 예를 들어 공기로 냉각된다. 이 경우, 공기 압력의 증가는 가스 마찰이 증가되게 하기 때문에, 공기 압력은 발전기 회전자의 냉각력 및 토크에 영향을 미치는데, 이는 가스 마찰 손실 및 따라서 증가된 음의 토크(negative torque)를 야기한다. 고정자 권선은 예를 들어 마찬가지로 공기 또는 질소 또는 물로 냉각될 수도 있다. 냉각 매체, 이 경우에 냉각 공기의 냉각 압력이 설정될 수 있다. 자동화 유닛은 발전기 회전자로부터 증기 터빈 회전자로의 토크가 변경되도록 냉각 압력이 설정되게 하는데, 이는 특히 시동 및/또는 운전 정지 프로세스 중에 이용된다. 예를 들어, 시동 프로세스 중에, 압력의 증가는 증기 터빈 회전자 상의 발전기 회전자의 증가된 음의 토크를 야기할 수 있는데, 이는 과도 회전 속도 없이 증기 터빈 내의 질량 유동 또는 압력을 증가시키기 위해 사용될 수 있다.
냉각 매체, 이 경우 전기 발전기 내의 공기의 압력의 증가는 종래에는 단지 냉각을 위해서만 사용되었다. 자동화 유닛에 의해, 증기 터빈의 시동 및/또는 운전 정지 프로세스에 증기 터빈의 원하는 부하에 대한 발전기 가스 압력을 추가로 설정하는 조절이 이제 실현된다.
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 수도 있다.

Claims (8)

  1. 증기 터빈을 작동하기 위한 방법이며,
    상기 증기 터빈은 회전 가능하게 장착된 증기 터빈 회전자 및 상기 증기 터빈 회전자 주위에 배열된 하우징을 갖고,
    상기 회전자는 토크 기술적으로 전기 발전기의 발전기 회전자에 결합되고;
    상기 발전기는 냉각 매체, 특히 공기로 냉각되고, 상기 발전기 내의 냉각 매체의 냉각 압력이 설정되고,
    상기 발전기 회전자는 상기 증기 터빈 회전자에 토크를 인가하는, 증기 터빈의 작동 방법에 있어서,
    상기 발전기 회전자로부터 상기 증기 터빈 회전자로의 토크는 냉각 압력의 변화에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는, 증기 터빈의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 압력의 증가는 상기 발전기 회전자로부터 상기 증기 터빈 회전자로의 토크의 증가를 야기하는, 증기 터빈의 작동 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 압력의 감소는 상기 발전기 회전자로부터 상기 증기 터빈 회전자로의 토크의 감소를 야기하는, 증기 터빈의 작동 방법.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 압력은 상기 증기 터빈의 시동 프로세스 중에 변경되는, 증기 터빈의 작동 방법.
  5. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 압력은 상기 증기 터빈의 운전 정지 프로세스 중에 변경되는, 증기 터빈의 작동 방법.
  6. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각 압력을 조절하기 위한 자동화 시스템은, 증기 터빈 내의 증기의 질량 유동 및/또는 압력의 증가가 특정 한계 내에서 실행되도록 구성되는, 증기 터빈의 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 자동화 시스템은 또한, 상기 증기 터빈 내의 증기의 질량 유동의 변화, 특히 감소가 특정 한계 내에서 실행되도록 구성되는, 증기 터빈의 작동 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 질량 유동의 변화는 상기 발전기에 의해 제공되는 제동 부하에 따라 실행되는, 증기 터빈의 작동 방법.
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