KR20000048655A - 증기 터빈, 증기 터빈 시스템 및 증기 터빈 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 유입 영역(2)과, 폐증기 영역(3)과, 그리고 축방향으로 그 사이에 배치되고 터빈 하우징(5)으로 둘러싸인 날개 영역(4)을 포함한 증기 터빈(1)에 관한 것이다. 개폐부재(8)에 의해 개폐가능하고 이를 통하여서 냉각유체(6)가 터빈 하우징(5)으로 유입될 수 있는 냉각유체 유입구(7)가 또한 제공된다. 유입된 냉각유체(6)는 냉각유체(6)를 빼내기 위한 흡인장치(10)에 의해 다시 터빈 하우징(5)으로부터 배출된다. 더욱이 본 발명은 증기 터빈 시스템(20)에 관한 것이며, 또한 증기 터빈(1)의 냉각 방법에 관한 것이기도 하다.

Description

증기 터빈, 증기 터빈 시스템 및 증기 터빈 냉각 방법 {STEAM TURBINE, STEAM TURBINE PLANT AND METHOD OF COOLING A STEAM TURBINE}

본 발명은 증기 유입 영역과, 폐증기 영역과, 그리고 터빈 하우징에 의해 둘러싸이고 축방향으로 그 사이에 설치되는 날개 설치 영역을 구비한 증기 터빈에 관한 것이다. 더욱이 본 발명은 터빈 하우징을 구비한 증기 터빈을 냉각시키기 위한 방법에 관한 것이다.

독일 특허 324 204호에는 무부하의 증기 터빈 또는 가스 터빈의 냉각을 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다. 이러한 냉각을 수행하기 위하여 밸브를 지나 증기 흐름 라인과 연결되는 이젝터가 기술된다. 증기는 이 이젝터에 의해 유입 라인을 통하는 정상의 흐름 방향에 반대로 흡인된다. 흡인되는 증기는 다른 터빈의 추기 증기 또는 배출 증기일 수 있고, 뿐만 아니라 습증기 또는 포화된 생증기일 수도 있다.

미국 특허 3,173,654호는 스탠바이-운전에서 운전되는 고압-분할터빈 및 복류 저압-분할터빈을 구비한 증기 터빈에 관한 것이다. 터빈 날개의 과열을 방지하기 위하여 냉각시스템이 제공되고, 이를 지나서 저압-분할터빈 뿐만 아니라 고압-분할터빈의 다수개의 파이프를 통하여 고압수가 분할터빈에서 복수기(응축기) 밖으로 증발된다. 이 물은 완전히 기화하여, 진공펌프가 작동 중인 경우, 다시 복수기로 되돌아간다. 증발되는 물의 양은 각각의 증발파이프에 대한 분할터빈 내의 온도에 따라 대응하는 밸브에 대해 각각 분리되어 규정된다.

따라서 전술한 공보들 양자는 공회전하거나 또는 스탠바이-운전에서 회전하는 증기 터빈의 냉각에 각각 관련되어 있다. 여기에서 냉각은 전적으로 직접적으로 공급되거나 또는 증발하는 물을 통하여 생기는 증기에 대하여 발생한다. 물론 전술한 공보 양자 모두는 외부에서 발생한 열이 방출되는 이와 같은 상태에 있는 증기 터빈에 관계하고, 이 때 이 열은 예컨대 3000 U/min의 속도로 회전하는 터빈에서의 마찰에 의해 발생하는 것이다. 증기 터빈의 온도가 작동온도를 지나가도록 열이 방출되지는 않을 것이다.

증기 터빈에 있어서, 특히 직렬로 연결된 중간-과열을 구비한 고압 터빈 또는 중압 터빈에 있어서, 출력 운전 동안에 온도가 500℃ 이상까지 발생한다. 예컨데 일주일 또는 한달 동안 지속할 수 있는 완전 부하 하에서의 출력 운전 동안에는, 터빈 하우징 및 터빈 날개 그리고 생증기 밸브, 급속차단 밸브, 터빈 쇼벨 등과 같은 터진의 다른 구성품도 높은 온도로 가열된다. 전체 증기 터빈 시스템이 정지한 후, 각 터빈의 날개차(翼車)는 회전장치에 의해서 감소된 회전속도로써 주어진 시간 길이 동안 계속하여 그 방향으로 회전할 수 있게 되고, 그리고 배기장치를 지나서 증기 공기체가 배기된다. 증기 터빈이 정지한 후 가능한 빠른 시간에 관리 또는 제어 작업을 수행하고 그리고 경우에 따라서는 재조정 작업을 수행하기 위하여, 터빈 날개와 예를 들어서 터빈 하우징 사이에 있는 수축 차이에 대하여 미리 주어진 한계치를 지키면서 터빈을 가능한 빨리 냉각시키는 것이 사정에 따라서는 바람직스러울 수 있다.

본 발명의 목적은 강제 냉각 이상으로 계속적으로 냉각이 가능한 증기 터빈 및 증기 터빈 시스템을 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적은 증기 터빈의 냉각을 위한 방법을 제공하는데 있다. 본 발명에 따라서 증기 터빈에 대하여 지향하는 목적은, 터빈 하우징이 냉각유체의 유입을 위한 냉각유체 유입구와 연결가능하게 되고, 여기에서 냉각유체 유입구는 개폐부재에 의해 개폐가 가능하게 되고, 그리고 냉각유체를 터빈 하우징으로부터 흡인하기 위한 흡인장치가 제공됨으로써 달성될 수 있다. 활동 증기가 증기 터빈내의 증기 유입 영역으로 유입되어서 구동되는 터빈 회전축의 날개 설치 영역을 관류하고 그리고 증기 터빈의 폐증기 영역으로부터 빠져 나오는 증기 터빈의 정상적인 출력 운전 동안에는, 냉각유체 유입구가 폐쇄되는 것이 바람직하다. 상기 출력 운전 동안에는, 냉각 유체 유입구를 통하여 어떠한 냉각유체도 증기 터빈의 내부로 들어가지 않게 된다. 증기 터빈이 정지한 후에는 증기 터빈은 이때부터 더 이상 활동 증기에 의해 관류되지 않게 되고, 냉각유체 유입구가 개폐부재에 의해 개방될 것이며, 따라서 냉각유체, 특히 증기 터빈을 둘러싸고 있는 대기로부터의 공기가 증기 터빈 내로 유입된다. 이와 같이 유입되는 냉각유체는 예컨대 배기장치와 같이 저압을 발생시키는 흡인장치를 통하여 터빈 하우징으로부터 흡인되어 나온다. 이로써, 증기 터빈(하우징 및 회전축)을 40시간 이하의 시간 동안에, 바람직하기로는 약 24시간 동안에, 200℃ 이하의 온도로, 특히 150℃ 내지 180℃의 온도로 신속하게 냉각시키는 것이 가능하게 된다. 냉각유체 유입구는 급속냉각을 위한 충분한 냉각유체가 터빈에 도달하도록 하는 크기의 유동 횡단면을 구비한 분리된 구멍, 예를 들면 터빈에 있는 공기유입 접합관이 되는 것이 바람직하다. 또한 다수개의 냉각유체 유입구가 제공될 수도 있다.

개폐부재는 개방가능한 블라인드 플랜지, 밸브 또는 이와 유사한 것이 될 수 있다. 이 개폐부재는 예컨대 제 1제어유니트를 통하여 자동적으로, 예를 들어서 모터구동 방식으로 개방될 수 있다. 물론 수동으로 개방가능한 개폐부재가 사용될 수도 있다. 흡인장치, 예컨대 복수기 내에 저압을 제공하는 배기장치는 이들의 흡인라인을 제어하기 위한 제어유니트와 연결되는 것이 바람직하다. 제어유니트는 뿐만 아니라 흡인장치를 터빈 하우징과 유동적으로 연결하는 자동적 개방에 기여한다. 고압-증기 터빈의 경우 정상적인 출력 운전 동안에는 터빈 하우징과 흡인장치 사이의 유동적 연결이 금지되는 것이 바람직하다.

냉각유체 유입구는 바람직하기로 증기 유입 영역에 접속하는 증기공급부와 연결된다. 바람직하게는 냉각유체 유입구가 생증기량의 조정을 위한 조정 밸브와 연결되고, 이로써 증기 터빈의 출력 운전이 종료한 후 이들 조정 밸브의 냉각이 가능하게 된다.

흡인장치는 바람직하기로 폐증기 영역에 접속하는 폐증기 라인과 연결된다. 여기에 있어서 폐증기 라인은 냉각 과정 동안에 역류 체크밸브에 의해 차단될 수 있으며, 따라서 증기 터빈을 유동하는 냉각유체의 총량이 흡인장치를 통하도록 유도될 것이다. 바람직하기로 흡인장치는 복수기와 연결되고, 특히 복수 컨테이너의 증기영역과 연결된다. 따라서, 이미 출력 운전 동안에 사용되고 있는 배기장치를 증기 터빈의 냉각을 위한 흡인장치로서 사용할 수 있고, 뿐만 아니라 증기 터빈의 정지 후에는 조정 밸브, 급속차단 밸브 등과 같은 그 밖의 다른 증기 터빈 구성품의 냉각을 위한 흡인장치로서 사용하는 것이 가능하다. 이러한 배기장치는 예를 들어서 복수 컨테이너에서 증기영역의 배기 또는 출력 운전이 종료한 후 증기 터빈 내의 증기 공기체의 배기에 기여할 수도 있을 것이다.

고압-분할터빈 및 적어도 하나의 중압-분할터빈을 구비한 증기 터빈 시스템에 대하여 지향하는 목적은, 분할터빈의 터빈 하우징이 냉각유체 유입구와 각각 연결되도록 하고, 그리고 흡인라인을 통하여 복수기와 연결되고 각각의 연결라인을 통하여 분할터빈과 연결되는 흡인장치를 제공함으로써 해결될 수 있다. 증기 터빈 시스템의 정지 후, 각각의 냉각유체 유입구를 통하여 냉각유체, 특히 공기가 각각의 분할터빈 하우징으로 유입되고 그리고 분할터빈 뿐만 아니라 복수기와도 연결된 흡인장치에 의해 분할터빈 밖으로 흡출됨으로써, 각 분할 터빈의 냉각이 이루어진다. 흡인장치는 바람직하기로 저압을 발생시키며, 이에 의해 냉각유체, 즉 공기가 분할터빈 뿐만 아니라 조정 밸브 및 급속차단 밸브와 같은 대응하는 구성품을 관류하도록 하게 한다. 이 공기는 각각의 분할터빈 내에서 열을 흡수하고, 이로써 분할터빈이 냉긱된다. 상기 흡인장치는 이 경우에 배기장치가 될 수 있으며, 이 배기장치는 증기 터빈 시스템이 정지된 직후에 각 분할터빈 내에서의 증기 공기체의 배기를 위하여 이미 사용된 바 있다. 따라서, 증기 터빈 시스템의 분할터빈의 냉각은 압축공기 탱크 또는 압축공기 펌프와 같은 부가적인 장치 없이도 가능하게 되고, 이 경우에 다만 원하는 위치의 냉각유체 유입구에 각각의 차단부재 및 유입유체의 수송을 위한 제한된 수의 라인이 제공될 수 있다.

터빈 하우징을 구비한 증기 터빈의 냉각을 위한 방법에 대하여 지향하는 목적은, 부하 정지 후에 냉각유체 유입구가 터빈 하우징과 유동적으로 연결되고 그리고 냉각유체 유입구를 통하여 유입되는 냉각유체, 특히 공기가 터빈 하우징을 지나며 열을 흡수하도록 흡인장치를 이용하여 수송된다. 증기 터빈의 강제 냉각의 이러한 기술로써, 예컨대 터빈 날개와 터빈 하우징, 특히 터빈 내부 하우징 사이의 수축 차이에 대하여 미리 정할 수 있는 한계를 유지하면서 하루 이내에 수 100℃의 냉각이 가능하게 된다. 이를 통하여, 부하 정지후 하루 만에 증기 터빈의 감독작업, 보수작업, 또는 재조정작업이 실시가능하게 된다. 부하 정지 후에, 터빈은 특히 약 50 U/min의 작은 회전속도를 가진 구동모터에 의해(로우터 회전작동) 회전된다. 이로써는 부가적인 열이 전혀 발생하지 않는 것처럼 된다.

터빈은 로우터 회전작동에서 정지한 후의 상태에 있고, 이 때 각각의 배기장치가 운전 상태에 머물러 있다. 고압 터빈 및 중압 터빈에서 공기 유입구, 특히 공기유입 접합관이 열리게 된다. 고압 터빈에서는 생증기측 접합관과 고압 터빈의 폐증기 접합관 및 복수기 사이의 연결라인이 열리게 된다. 복수기는 배기장치와 연결되고, 그리하여 공기유입 접합관을 통해 흡인되는 공기는 터빈 날개 설치 영역을 통하고 그리고 연결라인을 지나서 복수기로 흡인된다. 이것이 고압 터빈의 냉각을 일으키게 한다. 중압 터빈에서도, 이와 마찬가지로 증기 유입 영역에서의 접합관이 열리게 된다. 이 접합관을 통하여 유입되는 공기는 배기장치에 의해 중압 날개 설치영역을 지나고 그리고 경우에 따라서 유동적으로 하류에 배치되는 저압 터빈을 지나서 복수기로 흡인된다. 여기에서 특히 중압 회전축, 중간 내부 압력 하우징 및/또는 중간 외부 압력 하우징과, 중압 날개 설치영역과, 중압 터빈의 조정 밸브와 그리고 급속차단 밸브가 냉각된다. 하류에 배치되는 저압 터빈을 바이패스하여서 중압 터빈의 폐증기 영역으로부터 대응하는 연결라인을 지나서 복수기로 공기를 유도하는 것도 마찬가지로 가능하다. 고압 터빈 및 중압 터빈은 150℃ 보다 낮은 온도로 냉각된다. 냉각 과정은 증기 터빈의 내부에서 예컨대 출력 운전에 대하여 이미 제공된 온도측정점에 의해 측정되는 온도 측정치를 참고로 하여 제어된다. 냉각의 진행에 따라서 흡인장치의 흡인라인에 대한 냉각 과정이 가속화되거나 또는 감속될 수 있다. 냉각 과정은 특히 터빈 날개와 증기 터빈의 내부 및/또는 외부 하우징 사이의 미리 정해진 최대 수축 차이가 초과되지 않을 정도로 수행된다. 여러가지의 다른 공기 유입구를 통한 냉각유체의 공급은 예컨대 고압 분할터빈의 터빈 날개의 냉각을 지연시킬 수 있으며 그리고 고압 하우징의 냉각을 가속시킬 수도 있다.

이하에서는, 도 1에 도시된 실시예를 참조하여 증기 터빈의 냉각을 위해 별도의 부가적인 장치가 필요없는 증기 터빈 및 급속냉각 시스템을 설명하기로 한다.

도 1은 고압-분할터빈(1a) 및 중압-분할터빈(1b)을 구비한 증기 터빈 시스템(20)의 종단면도로서, 이것은 부분 개략도이지 축척에 맞게 그려진 도면은 아니다. 증기 터빈 시스템(20)의 다른 구성품들은 개관의 용이성을 위하여 개략적으로 도시되었다. 고압-분할터빈(1a)은 증기 유입 영역(2)과, 폐증기 영역(3) 및 그 사이에 배치되는 날개 설치 영역(4)을 포함한다. 증기 유입 영역(2)으로 증기 공급부(12)가, 즉 내부에 조합 밸브로서 급속차단 밸브(24) 및 조정 밸브(17)가 설치되는 생증기 라인(19)이 통하게 된다. 조정 밸브(17)는 공기라인(18)이 이것에 접속하는 냉각유체 유입구(7)를 포함한다. 공기라인(18)에는 개폐부재(8), 특히 밸브가 설치되고, 이것은 제 1제어유니트(9)와 연결된다. 상기 제 1제어유니트(9)에 의하여 개폐부재(8)의 개방 및 폐쇄가 가능하게 되고, 이로써 냉각유체(6), 특히 공기의 유입에 대한 냉각유체 유입구(7)의 개방 및 폐쇄가 가능하게 된다. 증기 터빈(1), 즉 고압-분할터빈(1a)의 정상적인 출력 운전 동안에는 개폐부재(8)가 폐쇄되고, 또한 급속냉각 과정에서는 개폐부재(8)가 개방되며, 이로써 후자 동안에는 냉각유체(6)가 조정 밸브(17)로 유입될 수 있게 된다.

상세하게 나타내지 않은 내부 및 외부 하우징을 포함하는 고압-하우징(5a) 내에 터빈 날개(26a)가 설치된다. 폐증기 라인(13)이 폐증기 영역(3)에 접속되고, 이 폐증기 라인(13)은 중간 과열기(21)를 통하여 중압-분할터빈(1b)의 증기 유입 영역(2)으로 통한다. 폐증기 영역(3)의 하류의 폐증기 라인(13)에는 역류 체크밸브(22)가 설치된다. 연결라인(16a)은 폐증기 영역(3)과 역류 체크밸브(22) 사이에서 폐증기 라인(13)에 접속하고, 이 연결라인(16a)은 복수기(14)로 통한다. 상기 연결라인(16a)은 고압-분할터빈(1a)의 정상적인 출력 운전 동안에는 개폐부재(8a)에 의해 폐쇄된다. 중압-분할터빈(1b)의 증기 유입 영역(2)과 중간 과열기(21) 사이의 중압-공급라인(23)에 조정 밸브(17) 및 급속차단 밸브(24)로 구성된 밸브 조합이 또한 설치된다. 이미 앞서 설명한 바와 같이 이들 조합에는, 공기라인(18)이 냉각유체 유입구(7)로 접속한다. 중압-분할터빈(1b)은 이중 흐름으로 실행되고, 상세하게 나타내어지지 않은 내부 및 외부 하우징을 포함하는 중압-하우징(5b)을 갖추고 있으며, 거기에는 터빈 날개(26b) 및 날개 설치 영역(4)이 배치된다. 증기 터빈 시스템(20)의 정상적인 출력 운전 동안, 도시되지 않은 활동 증기가 중간 과열기(21)로부터 증기 유입 영역(2)으로 유입되고, 날개 설치 영역(4)에서 양쪽의 흐름으로 분할되고, 각각의 폐증기 영역(3) 밖으로 하나 또는 다수의 폐증기 라인(13)에 이르게 되는데, 이 폐증기 라인(13)은 도시되지 않은 하나 또는 다수의 저압-분할터빈으로 통한다. 폐증기 라인(13)으로부터 연결라인(16b)이 복수기(14)로 통한다. 보다 상세하게 설명되지 않을 또 다른 하나의 라인이 또한 도시되지 않은 저압-분할터빈으로부터 복수기(14)로 통한다. 연결라인(16b)은 생략가능하고 이로써 냉각 운전 동안에 조정 밸브(17)를 통하여 중압-분할터빈으로 유입하는 냉각유체(6)가 도시되지 않은 저압-분할터빈을 지나서 복수기(14)에 도달하는 것이 자명하게 된다. 복수기(14)에 복수 컨테이너(25)가 접속하고, 이를 통하여 흡인라인(15)이 예를 들어서 배기장치, 방사형 펌프, 또는 이와 유사한 것이 되는 흡인장치(10)와 연결된다. 상기 흡인장치(10)는 제 2제어유니트(11)를 통하여 제어가능하고, 따라서 냉각 과정에서 흡인되는 공기의 양 및 이에 따른 냉각 속도가 조절될 수 있다. 물론, 흡인장치(10)가 복수기(14)를 통한 냉각유체(6)의 수송없이 직접적으로 연결라인(16a,16b)에 접속하는 구조도 또한 가능하다.

본 발명은 출력 운전의 종료 이후의 증기 터빈의 강제 냉각으로 인하여 두드러진 특징을 가지고, 이 경우 최종 정지 이후에는 냉각유체 유입구 및 흡인라인이 개방된다. 냉각유체 유입구를 통해 유입되는 공기는 증기 터빈으로부터 열을 뽑아내면서 흡인라인과 연결된 흡인장치를 통하여 다시 나오게 된다. 이 방법에 대하여, 예컨대 배기장치 및 증기라인 등과 같은 증기 터빈의 기존의 구성품에 의존하게 될 수도 있다. 증기 터빈을 관통하는 강제적 공기순환을 보증하기 위하여, 경우에 따라서는 다만 대응하는 냉각유체 유입구(예컨대, 공기유입 접합관)와 분기관으로 이루어진 폐증기 라인을 제공할 수 있다. 이 방법은 급속 냉각, 특히 고압 증기 터빈의 급속 냉각을 가능하게 하는데, 이 경우 24시간 이내에 400K 까지의 냉각이 달성될 수 있다.

Claims (10)

1. 증기 유입 영역(2)과, 폐증기 영역(3)과, 그리고 터빈 하우징(5)에 의해 둘러싸여 축방향으로 그 사이에 설치되는 날개 설치 영역(4)을 구비한 증기 터빈(1)에 있어서,

   개폐부재(8)에 의해 개폐가능한 적어도 하나의 냉각유체 유입구(7)는 이를 통하여 부하 정지 후의 냉각을 위한 냉각유체(6)가 분명하게 작동온도 이하인 온도를 목표로 하여 상기 터빈 하우징(5)내로 유입되는 것이 가능하게 되고, 그리고 상기 터빈 하우징(5)으로부터의 냉각유체(6)의 흡인을 위하여 흡인장치(10)가 제공되는 증기 터빈(1).
2. 제 1항에 있어서, 상기 냉각유체 유입구(7)의 자동적인 개방을 위하여 상기 개폐부재(8)와 연결된 제 1제어유니트(9)가 제공되는 증기 터빈(1).
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 흡인장치(10)의 흡인 제어 및/또는 상기 흡인장치(10)와 상기 터빈 하우징(5)의 유동적 연결의 자동적인 개방을 위하여 제 2제어유니트(11)를 구비한 증기 터빈(1).
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각유체 유입구(7)가 상기 증기 유입 영역(2)에 이르는 증기공급부(12)와, 특히 조정 밸브(17)와 연결되는 증기 터빈(1).
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡인장치(10)가 상기 폐증기 영역(2)에 접속하는 폐증기 라인(13)과 연결되는 증기 터빈(1).
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡인장치(10)가 흡인라인(15)을 통하여 복수기(14)와 유동적으로 연결되는 증기 터빈(1).
7. 제 6항에 있어서, 고압-분할터빈(1a)을 구비하고, 상기 고압-분할터빈(1a)은 연결라인(16a)을 통하여 복수기(14)와 유동적으로 연결되는 증기 터빈(1).
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈 하우징(5)을 둘러싸고 있는 공기에 대한 입구로서 상기 냉각유체 유입구(7)가 형성되는 증기 터빈(1).
9. 냉각유체 유입구(7a)와 연결되는 고압 하우징(5a)을 포함하는 고압-분할터빈 (1a)를 구비하고, 냉각유체 유입구(7b)와 연결되는 중압 하우징(5b)을 포함하는 중압-분할터빈(1b)를 구비하며, 그리고 흡인라인(15)을 통하여 복수기(14)와 연결되고 각각의 연결라인(16a, 16b)을 통하여 고압-분할터빈(1a) 및 중압-분할터빈(1b)과 연결되는 흡인장치(10)를 구비한 증기 터빈 시스템(20).
10. 터빈 하우징(5)을 구비한 증기 터빈(1)을 냉각시키기 위한 방법으로서,

    부하 정지 이후에 냉각유체 유입구(7)가 상기 터빈 하우징(5)에 유동적으로 연결되고, 그리고 상기 냉각유체 유입구(7)를 통해 흘러들어 가는 냉각유체(6), 특히 공기가 상기 터빈 하우징(5)을 통하여 열을 흡수하면서 흡인장치(10)에 의하여 수송되는 방법.