KR19990082805A - 증기터빈의밸브모니터링시스템및밸브검사방법 - Google Patents

증기터빈의밸브모니터링시스템및밸브검사방법 Download PDF

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KR19990082805A
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데이비스도널드해리
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제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹
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Abstract

작동하는 증기 터빈에서, 밸브 모니터링 시스템은 밸브와, 상기 밸브를 지지하며 밸브 개폐 방향으로 이동하도록 되어 있는 밸브 스템과, 상기 밸브 스템을 상기 방향 중 어느 한쪽으로 움직이게 하는 밸브 액츄에이터와, 상기 밸브 스템의 개폐 방향으로의 행정 길이를 측정하기 위한 제 1 센서와, 상기 밸브를 상기 개폐 방향으로 움직이는데 필요한 유압을 측정하기 위한 제 2 센서와, 상기 제 1 및 제 2 센서로부터의 신호를 기록하고 상기 신호를 그에 대응하는 기준 값과 비교해서 밸브 동작의 비정상 여부를 파악할 수 있게 하는 장치를 포함한다.

Description

증기 터빈의 밸브 모니터링 시스템 및 밸브 검사 방법{MAINTENANCE MONITOR SYSTEM FOR STEAM TURBINE VALVES}
본 발명은 일반적으로 증기 터빈에 관한 것으로서, 특히 증기 터빈 밸브의 모니터링 시스템에 관한 것이다.
제어 장치에서 제어하려는 대로 밸브와 관련 액츄에이터의 개폐가 제어되는 증기 터빈이 안전하고 신뢰성 있게 작동해야 한다는 점은 중요하다. 고압 및 고온의 증기라는 혹독한 작동 여건 때문에 이 밸브들의 마모, 과도한 마찰, 미끄럼 부위의 산화 여부 등을 자주 검사하여 필요한 신뢰도를 확보해야만 한다. 이렇게 검사를 할 때, 밸브의 분해 및 검사를 위해 터빈의 고가의 작동정지가 가끔씩 필요하다.
현재에는 터빈이 온라인(online)으로 작동되는 동안, 증기 터빈 밸브도 정해진 기준에 따라 폐쇄되고 다시 개방됨으로써 "검사(tested)"를 받게 되어 있다. 밸브는 밸브 스템(valve stem)의 움직임이 부드러운가의 여부와 행정이 완벽하게 이루어지는가의 여부가 육안으로 관찰된다. 그러나, 현재의 온라인 밸브 검사 방법으로는 터빈 밸브의 작동 조건에 양적인 자료가 제공되지 않으므로 유지관리 일정은 일반적인 경험값을 사용해서 설정되는데, 안전과 신뢰성을 위해 여유있게 설정되어야만 한다. 그 결과, 이 검사에 의해서는 절박한 문제가 생겼다는 신호가 거의 발생하지 않으며, 이로 인해 예측하지 못한 고장이 일어나 고가의 비용이 들게 될 수도 있다. 결국, 밸브 유지관리(maintenance)에 필요한 사항은 종종 신중하고 유지관리 일정에 비용이 많이 드는 몇 가지 항목으로 한정된다.
밸브를 출하하기 이전에 실험실 장비에서 밸브를 움직이는데 필요한 힘과 관련한 밸브 행정을 측정하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 그런 일종의 검사는 단지 조립될 때 밸브가 사용할만한가의 여부를 결정하기 위한 것이지, 어떤 식으로든지 터빈 내에 설치한 후에 온라인 밸브 검사를 할 수 있게 하거나 혹은 그와 관련된 것은 아니다.
본 발명의 전체적인 목적은 안전성과 신뢰성을 갖추고, 밸브를 검사할 때의 작동시간을 최적화할 수 있는 개선된 밸브 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 전형적인 실시예에 따라 밸브 성능을 양적으로 측정하면서 지속적으로 밸브 스템 행정과 관련한 기본 유압을 기록할 모니터링 시스템이 마련되었다. 유압은 밸브의 행정에 필요한 힘의 척도이며 밸브 성능의 척도이기도 하다. 이 시스템이 컴퓨터에 연결되면, 미래에 밸브의 성능이 나빠지는 것을 종래의 검사 방법보다 더 정확히 예측할 수 있다.
특히, 모니터링 시스템에는 밸브 행정 측정 장치와 밸브의 행정 중에 유압을 측정하는 압력 변환기가 포함된다. 전형적인 실시예에서, 일상적인 밸브 검사 기간 동안에 컴퓨터는 밸브 개폐 속도, 행정시 다양한 지점에서 개폐시의 압력의 차이 등의 척도를 감시한다. 이 장비에서 나온 출력은 출력 신호를 미리 설정된 한정값, 설계값 및/또는 컴퓨터 내에 저장된 경험값과 비교하고 기록하는 컴퓨터 시스템과 신호 프로세서(signal processor)로 들어가는데, 이것으로 현재의 수요나 미래의 유지관리에 필요한 수요를 표시할 수 있다.
따라서, 넓은 관점에서 바라보면, 본 발명은 작동 중인 증기 터빈에 있어서,밸브와, 상기 밸브를 지지하며 밸브 개폐 방향으로 일직선으로(또는 특정 밸브의 구조에 따라 회전하기도 함) 움직이도록 되어 있는 밸브 스템과, 상기 밸브 스템이 상기 개폐 방향 중 어느 한쪽으로 움직이게 하는 밸브 액츄에이터와, 상기 밸브 스템의 개폐 방향으로의 행정 길이를 측정하기 위한 제 1 센서와, 상기 밸브를 상기 개폐 방향으로 움직이는데 필요한 유압을 측정하기 위한 제 2 센서와, 상기 제 1 및 제 2 센서에서 나오는 신호를 기록하고 상기 신호를 그에 대응하는 기준값과 비교해서 밸브 동작의 비정상 여부를 파악할 수 있게 하기 위한 장치를 포함하는 밸브 모니터링 시스템을 제공한다.
또 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 작동 중인 증기 터빈의 밸브를 검사하는 방법에 관한 것으로서, 상기 밸브는 하우징을 통해 연장된 밸브 스템을 구비하며, 상기 스템은 상기 하우징 내측에 말단부가 고정되어 있는 피스톤을 구비하고, 상기 방법은 a) 개폐 방향으로의 밸브 스템의 행정의 길이를 측정하는 단계와, b) 상기 밸브를 움직이는데 필요한 유압을 측정하는 단계와, c) 단계(a) 및 단계(b)에서 전기적인 출력 신호를 발생시키는 단계와, d) 상기 신호를 신호 프로세서로 전송한 후에 다시 컴퓨터로 전송하는 단계와, e) 상기 신호를 정상적인 밸브 행정의 길이 및 유압 측정과 관련해서 상기 컴퓨터에 저장되어 있는 자료와 비교하여 밸브의 비정상적인 작동을 파악하는 단계를 포함한다.
다른 목적과 장점은 하기의 발명의 구성 및 작용에서 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 모니터링 시스템과 함께 증기 터빈 밸브 및 액츄에이터를 부분적으로 절취한 개략도,
도 2는 정상적인 밸브 작동시의 개폐 행정과 유압에 대한 그래프,
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 변형된 밸브 구조의 모니터링 시스템을 도시한 개략도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
112 : 증기 터빈 밸브 114 : 환형 공간
116 : 밸브 스템 118 : 액츄에이터 하우징
136 : 압력 변환기 138 : 행정 측정 장치
도 1에는 환상 시트(14)(일부만 도시됨)와 결합될 수 있는 증기 터빈 밸브(12)를 포함하는 밸브 및 액츄에이터 조립체(10)의 전형적인 실시예가 도시되어 있다. 밸브(12)에는 하류 방향[즉, 시트(14)를 통과하는 흐름 방향]으로, 그리고 액츄에이터 하우징(18) 안으로 연장된 밸브 스템(16)이 포함된다. 액츄에이터 하우징(18)은 섹션(20)을 둘러싸는 비교적 직경이 큰 스프링과 섹션(22)을 둘러싸는 비교적 직경이 작은 스프링을 포함한다. 센션(20)내에는 스템(16)에 고정된 플랜지(26)상에 지지되고 하우징 섹션(20)의 상측 벽에 접하는 코일 스프링(24)[또는 벨빌(Bellville) 또는 다른 적절한 스프링]이 있어서, 밸브(12)를 시트(14)쪽으로 밀어 장착되도록 지지한다.
스템(16)은 플랜지(26)를 지나서 작은 섹션(22)까지 계속 연장되어 피스톤(28)에서 종단된다. 한편, 밸브(12)와 피스톤(28)은 서로 스템(16)의 대향 단부에 있다. 피스톤(28)은 하우징 섹션(22)을 각각 피스톤의 하측과 상측의 챔버(30, 32)로 분리된다. 하측 챔버(30)(도면에 도시된 바와 같이)는 유압 입력(34)을 통해 가압되며, 압력 변환기(36)는 챔버(30)와 연통되어 그 챔버의 압력에 해당하는 전기 출력을 제공한다. 스프링(24)은 시트(14)쪽이나 그 반대쪽으로의 밸브(12)의 이동이 피스톤(28) 아래의 챔버(30) 내부의 압력에 의해 결정되도록 조정된다는 것이 이해될 것이다. 이런 관점에서, 밸브 스템에 작용하는 증기의 힘이 있는데, 이것은 터빈이 작동하는 동안에는 스프링의 힘보다 훨씬 더 클 수도 있다.
하우징(18) 상측에는 스템(16)에 고정된 선형 가변 차동 변환기(linear variable differential transformer: LVDT) 행정 측정 장치(38)가 있는데, 이 장치도 스템의 움직임에 따라 전기적인 출력을 제공한다.
변환기(36)와 행정 측정 장치(38)의 전기적인 출력은 신호 프로세서(40)로 전송된 후에 출력을 계산된 정상적인 밸브의 동작을 담고 있는 저장된 지정값과 비교하고 기록하는 마이크로프로세서[예컨대, 개인용 컴퓨터(PC)]로 전송된다. 도 2에는 정상적인 밸브의 출력이 행정 대 유압의 그래프로 도시되어 있다. 일상적인 밸브 검사기간 중에 컴퓨터(42)는 행정 중의 여러 점에서 개폐의 차이점뿐만 아니라 밸브 개폐의 속도를 모니터링할 것이다. 실선은 정상적으로 작동하는 밸브의 개폐 방향 모두를 도시하는 유압 대 밸브 행정을 보여주는 점들의 모임이다. 실선 사이의 점선은 밸브 스템에 가해지는 스프링과 증기의 힘의 균형을 맞추는데 필요한 유압의 계산값을 보여 준다. 압력차(Pd)는 임의의 행정에서 마찰력의 측정치인데, 이 마찰력이 과도할 경우 밸브의 움직임이 멈추게 된다. 따라서, 기록된 값이 도 2의 실 선에 의해 둘러싸인 영역(W)을 미리 지정된 양 이상만큼 벗어날 때, 유지관리의 필요성이 표시되며, 컴퓨터는 이 영향에 대한 적절한 신호를 모니터상에 표시할 것이다. 한편, 특별한 응용에 따라, 더 큰 창내의 밸브와 밸브의 경험, 기록값도 허용 가능[도 2의 점선(A, B)을 도시함]하지만, 더 큰 창 밖에서의 기록값은 너무 비정상적인 상태이므로 즉시 유지관리를 할 필요가 있음을 나타낸다. 물론, 적절한 모든 밸브의 정보와 경험적인 자료는 컴퓨터 메모리에 저장되어 디스플레이의 출력이 원하는 대로 이루어지게 하는데 필요한 요소로서 사용된다.
컴퓨터는 창 내의 기록값을 분석하여 그 값들이 점선(A 및/또는 B)으로 규정되는 확장된 창 및/또는 실선에 접근하는 속도를 결정하며, 그에 따라 밸브가 고착되는 시기 등에 대한 예측을 포함한 미래의 유지관리를 나타내는 비정상적인 밸브의 동작을 식별한다.
본 발명에 따른 모니터링 시스템은 도 1에 도시된 특정한 밸브 구조를 사용하는 것만으로 한정되지는 않는다. 사실, 이 시스템은 나비 밸브, 오버헤드 액츄에이터형 밸브(overhead actuator-type valve)를 포함하는 다양한 회전형 및 선형 밸브와 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 3을 참조하면 도 1의 대응하는 각 요소에 대해 사용되는 것과 끝의 두 자리가 동일하고 백자리 수는 1인 참조 번호를 갖는 오버헤드 액츄에이터형 밸브의 예가 도시되어 있다. 이 실시예에서는 액츄에이터 조립체가 밸브(112)의 상류 방향(유체가 흐르는 방향에서)에 있는 반면에 모니터링 시스템은 도 1에 도시된 것과 비교해 볼 때 똑같다. 환형 공간(114)과 밸브 스템(116)은 상류 방향으로 연장되어 액츄에이터 하우징(118)에까지 이른다. 앞에서 설명한 실시예에서와 마찬가지로, 하우징(118)은 섹션(120)을 둘러싸고 있는 비교적 큰 직경의 스프링과 섹션(122)을 둘러싸고 있는 비교적 작은 직경의 스프링을 포함한다. 섹션(120)내에는 스템(116)에 고정된 플랜지(126)상에 지지되어 있는 코일 스프링(124)(또는 다른 적절한 형태의 스프링)이 배치되어 있다. 스프링의 다른 쪽 단부는 하우징(120)의 상측 벽에 접하여, 하류 방향의 밸브(112)를 공간(114) 쪽으로 밀어 장착되도록 지지한다.
밸브 스템(116)은 직경이 작은 하우징 섹션(122)에 배치된 피스톤(128)에서종단되며 피스톤은 하우징 섹션(122)을 각각 챔버(130) 및 챔버(132)로 분할한다. 압력 변환기(136)는 챔버(132)와 연통되어 그 챔버의 압력에 해당하는 전기 출력을 제공한다. 하우징(118) 아래에는 가변 차동 변환기(variable differential transformer) 행정 측정 장치(138)가 스템(116)에 고정되어, 스템의 움직임에 해당하는 전기적 출력을 제공한다. 앞에서도 지적했듯이, 이러한 장치의 모니터링 시스템은 도 1과 도 2에 도시된 장치와 유사하게 작동한다.
도 4에는 밸브의 개폐 여부에 따라 액츄에이터 피스톤(228)의 양쪽에 유압[입력(234, 234')을 통해]이 가해지는 이중 작동형 액츄에이터가 도시되어 있다. 여기서 또 한 번 도 1에서 대응하는 각 요소에 대해 사용되는 것과 끝의 두 자리가 동일하고 백자리 수는 2인 참조 번호가 사용된다. 이 실시예에서는 밸브 장치가 도 3의 실시예의 것과 동일하지만, 여기서는 두 개의 압력 변환기(236)가 채택되어 피스톤(228)의 양쪽에서 각 챔버(230, 232)와 연통되어 있어서 양쪽 챔버의 유압을 모두 모니터링할 수 있다. 이러한 형식의 밸브 조립체를 사용하면 참조부호(24)(도 1 참조) 혹은 참조부호(124)(도 3 참조) 같은 스프링이 필요 없게 된다. 한편, 모니터링 시스템의 작동은 전술한 바와 같다.
도 5에 또다른 이중 액츄에이터 형식의 밸브 시스템이 도시되어 있지만, 스프링과 결합되어 있다. 특히, 참조부호는 도 1, 도 3 및 도 4에서 사용되던 것과 끝의 두 자리가 동일하고 백자리 수는 3인 참조 번호가 사용되며, 한 쌍의 압력 변환기(336)가 피스톤(328)의 양쪽에 설치되어 각각의 챔버(330, 332)와 연통되어 있다. 유압식 유체는 유입구(334, 334')를 통해 챔버(330, 332)에 공급된다. 이와동시에, 스프링(324)은 피스톤 플랜지(326)를 밸브를 폐쇄 방향으로 연속해서 밀면서 지지한다.
도 4와 도 5에 도시된 양쪽 장치에서, 신호 처리기는 출력을 피스톤 상측 및 하측의 압력 변환기 양쪽에서 받아서 도 2의 가로축이 될 유효한 순수 개폐 압력으로 계산한다.
당업자라면 본 발명에 따른 모니터링 시스템으로부터 더 많은 유용한 밸브 구조를 유추해 낼 수 있을 것이다. 당업자는 또한 본 발명에 따른 자료는 또다른 여러 가지 방법으로 모니터링, 기록 및 밸브 행동의 예측에 활용할 수 있다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직하다고 생각되는 실시예로 표현되었지만, 이는 단지 이해를 돕기 위한 것일 뿐이므로 표현된 실시예로만 한정된다는 의미는 아니며, 이와는 반대로 첨부된 청구범위의 사상과 범위내에서 다양한 변형과 이와 동등한 수준의 장치를 포함한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 증기 터빈 밸브의 모니터링 시스템에 안전성과 신뢰성을 제공하고, 밸브를 검사할 때의 작동 시간을 최적화할 수 있다.

Claims (14)

  1. 작동하는 증기 터빈내의 밸브 조립체용 밸브 모니터링 시스템에 있어서,
    밸브와,
    상기 밸브를 지지하며 밸브 개폐 방향으로 이동하도록 되어 있는 밸브 스템과,
    상기 밸브 스템을 상기 개폐 방향중 어느 한쪽 방향으로 이동시키는 밸브 액츄에이터와,
    상기 밸브 스템의 개폐 방향으로의 행정 길이를 측정하기 위한 제 1 센서와,
    상기 밸브를 개폐 방향으로 이동시키는데 필요한 유압을 측정하기 위한 제 2 센서와,
    상기 제 1 및 제 2 센서에서 나오는 신호를 기록하고 상기 신호를 그에 대응하는 기준값과 비교하여 밸브 동작의 비정상 여부를 확인할 수 있게 하는 장치를 포함하는
    밸브 모니터링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 선형 가변 차동 변환기(linear variable differential transformer: LVDT) 센서를 포함하는
    밸브 모니터링 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 센서는 압력 변환기를 포함하는
    밸브 모니터링 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 센서로부터의 전기적인 출력은 신호 처리장치로 전송된 후 다시 마이크로프로세서로 전송되는
    밸브 모니터링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 스템은 제 1 하우징을 통해 제 2 하우징내로 연장되며, 상기 밸브 스템의 말단에는 상기 제 2 하우징을 상측 및 하측 챔버로 분리하는 피스톤이 구비되어 있는
    밸브 모니터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브 스템은 하우징내로 연장되며, 상기 밸브 스템의 말단에는 상기 하우징을 상측 및 하측 챔버로 분리하는 피스톤이 구비되어 있는
    밸브 모니터링 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 센서는 상기 하측 챔버와 연통되어 있는
    밸브 모니터링 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 하우징은 상기 밸브 스템상의 플랜지에 일단부가 결합된 스프링을 둘러싸서 상기 스템이 상기 스프링에 의해 폐쇄 방향으로 가압되고 상기 하측 챔버의 압력에 의해서 개방 방향으로 가압되는
    밸브 모니터링 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 상기 제 1 하우징 외부의 상기 밸브 스템에 부착되는
    밸브 모니터링 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 센서는 상기 제 1 하우징 외부의 상기 밸브 스템에 부착되는
    밸브 모니터링 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 밸브 스템의 이동 방향에 따라 상기 상측 및 하측 챔버에 유압이 작용하는
    밸브 모니터링 시스템.
  12. 밸브는 하우징을 통과하여 연장되는 밸브 스템을 구비하며, 상기 스템은 상기 하우징 내부에 그 말단이 고정되어 있는 피스톤을 구비하는 작동 증기 터빈내의 밸브 검사 방법에 있어서,
    a) 개폐 방향으로의 밸브 스템의 행정 길이를 측정하는 단계와,
    b) 상기 밸브를 이동시키는데 필요한 유압을 측정하는 단계와,
    c) 단계(a) 및 단계(b)로부터 전기적인 출력 신호를 발생시키는 단계와,
    d) 상기 신호를 신호 프로세서로 전송한 후에 다시 컴퓨터로 전송하는 단계와,
    e) 상기 신호를 정상적인 밸브 행정의 길이 및 유압 측정과 관련해서 상기 컴퓨터에 저장되어 있는 자료와 비교하여 밸브의 비정상적인 작동을 판정하는 단계를 포함하는
    증기 터빈의 밸브 검사 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    f) 상기 신호가 상기 정상적인 밸브 행정 길이와 유압 측정치를 소정양만큼 초과할 경우 경고하는 단계를 포함하는
    증기 터빈의 밸브 검사 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 단계(b)는 상기 피스톤의 이동 방향에 따라 상기 피스톤의 반대쪽의 압력을 측정함으로써 수행되는
    증기 터빈의 밸브 검사 방법.
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