KR20000053135A - 터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치 및 방법 - Google Patents

터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 부하 교번 과정 기간(tv)의 변동 가능한 프리세팅을 위한 변수가 제공될 수 있는 제한 유닛(3)을 포함하는, 터빈(7)의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치에 관한 것이다. 제한 유닛(3)내에서는 최대 허용 임계값을 고려하여 기간(tv)내에 부하 교번 과정을 실행하기 위한 터빈 제어 변수(VAR)가 결정된다. 피로 유닛(4)내에서는 터빈 제어 변수(VAR)에 상응하게 실행되어질 부하 교번 과정의 재료 피로가 사전에 검출된다. 본 발명은 또한 터빈(7)의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치 및 방법 {TURBINE CONTROL DEVICE AND METHOD FOR REGULATING THE LOAD ALTERNATION PROCESS IN A TURBINE}
히다치 평론 잡지 1978년 7월호, 27권에 실린 N. Honda, Fh. Kavano, J. Matsumura의 논문 "터빈 시동용 디지털 컴퓨터 제어 시스템"에는 증기 터빈의 가속된 스타트 과정을 실행하기 위한 컴퓨터 시스템 및 방법이 기술되어 있다. 상기 논문에서 스타트 과정은 조절 변수로서의 열 응력을 통해 조절된다. 상기 열 응력은 미리 산출되며, 터빈의 회전수를 높이기 위한 조절 변수로서 및 부하 송출을 위해 터빈을 제너레이터에 연결하기 위한 조절 변수로서 이용된다. 스타트 과정은 다수의 짧은 시간 단계로 세분되며, 부분적인 미분 방정식을 풀어냄으로써 각각의 시간 단계 동안 터빈축을 따라 온도 분배가 이루어진다. 그로부터 산출된 열 응력이 허용 범위내에 있으면, 터빈이 샤프트의 회전 속도가 증가되는 가속 단계에 있는지 혹은 터빈이 제너레이터에 연결되어 요구되는 출력까지 상승되는 출력 커플링 단계에 있는지 여하에 따라, 터빈 회전수 조절 장치 또는 출력 조절 장치로 관련 신호가 전달된다. 상기 방법 및 이와 관련된 컴퓨터 시스템은 정해진 스타트 횟수 동안 허용되는 재료 부하를 고려하여 최대로 짧은 스타트 시간에 도달하도록 이용된다.
BWK 1984년 12월호 36권에 실린 P. Martin et al의 논문 "발전소 터빈용 온도 제어 장치"에는, 선택된 터빈 부품의 부하 모니터링을 실행하는 장치가 기술되어 있다. 상기 장치에 의해 터빈의 각각의 스타트 과정이 조절됨으로써, 결과적으로 터빈의 예상되는 작동 시간 동안 재료의 피로는 임계값 아래에 계속 머무르게 된다. 이 경우에는 터빈이 사용 시간 동안 약 3,000회의 핫 스타트, 700회의 웜 스타트 그리고 300회의 콜드 스타트를 포함하여 모두 약 4,000회의 스타트 과정을 거친다는 사실이 전제가 된다. 상기 조절을 위해서 목표 출력 및 목표 출력 전이가 미리 주어진다. 측정된 회전수를 고려하여, 증기로부터 회전자 재료로의 열전달이 이루어지고, 그것으로부터 회전자내에서의 온도 분배가 이루어지며, 그것으로부터 재차 열적 및 기계적 응력이 겹쳐진 응력값이 결정된다. 회전자 및 밸브 하우징 내부의 전체 응력으로부터 시간 상태에 따른 부하 및 팽창 교번 부하로 이루어진 피로도 부분이 산출되어, 매일 기록되는 전체 피로도에 합산된다. 산출된 응력값은 스타트 과정의 조절에 이용되며, 이 경우 목표-온도 전이는 제한된 것으로 미리 주어진다.
지멘스 에너지 공학 4, 1982년 2월호에 실린, E. Gelleri와 F. Zerrmayr의 논문 "증기 터빈의 열적 모니터링을 위한 터빈 제어 컴퓨터"에는 터빈 제어 컴퓨터가 기술되어 있다. 상기 컴퓨터에서는 제작 재료의 피로를 고려하여 스타트 속도 및 출력 변경 속도가 조절되는 동시에 야기된 재료의 피로가 기록된다. 열적 부하에 대한 척도로서는 하나의 부품의 평균 온도(Tm)와 표면 온도(Tl)사이의 차가 이용된다. 상이한 스타트 과정 및 실행 과정 그리고 고정 압력으로 작동되는 터빈의 출력 변경에 조절을 매칭시키기 위해서 빠른 변동, 평균 정도의 변동 및 느린 변동에 상응하는 상이한 3가지 조절 모드가 제공된다. 각각의 모드에 따라 평균 온도(Tm)에 의존하여 최대로 허용되는 온도차(Tm- Tl)가 미리 주어진다. 상기 터빈 제어 컴퓨터에 의해 각각의 실제 온도차가 결정되고, 그것으로부터 최대 허용 온도차에 대한 임의값이 산출된다. 일시적인 임의값의 측정 외에 임의값의 예상되는 경과에 대한 예측도 또한 이루어진다. 이 2개의 값으로부터 제어 변수가 설정되며, 상기 제어 변수에 의해서 회전수 및 출력을 위한 목표값 가이드를 통해 스타트 속도와 부하 속도가 조기에 변동됨으로써, 장치의 동역학적 특성에 매칭되게 된다. 스타트 과정 또는 실행 과정 및 출력 변동 과정을 조절하기 위한 작동이 이루어지면서, 팽창 교번 피로로부터 사용 가능 수명이 산출됨으로써 터빈의 정확한 검사가 필요한 시점이 언제 도달되는지가 적시에 예측적으로 검출될 수 있다. "정상" 스타트 모드는 정확히 4,000회의 터빈 부하 교번을 가능하게 하는 바로 그러한 스타트 모드와 일치한다. "빠른" 스타트 모드는 약 800회 가능한 부하 교번에 해당하는 더 높은 부하를 야기하며, "느린" 스타트 모드는 재료의 피로를 더 적게 함으로써, 결과적으로 이 때에는 약 10,000회의 부하 교번이 확실히 가능하게 된다.
본 발명은 터빈, 특히 증기 터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상기 장치 및 방법에서는 부하 교번 과정 동안 재료의 최대 허용 부하가 고려된다.
도 1은 터빈 제어 장치가 장착된 증기 터빈을 보여주는 개략도이며
도 2는 부하 교번 과정 기간 동안 터빈축에서의 온도 변화를 보여주는 파형도이다.
본 발명의 목적은 터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치를 제공하는 것이다. 상기 터빈 제어 장치에 의해서 재료의 최대 허용 부하를 고려하여 전기 에너지를 발생시키기 위한 작동 요구 조건에 상응하는, 터빈 작동 조건의 플렉시블한 변동이 실현될 수 있다. 본 발명의 목적은 또한 터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 상응하는 방법을 제공하는 것이다.
터빈 제어 장치와 관련된 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징에 의해 달성되며, 터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 방법과 관련된 목적은 본 발명에 따라 청구항 7의 특징에 의해 달성된다.
터빈 제어 장치 및 방법의 바람직한 실시예는 종속항에 기술되어 있다.
본 발명에 따른 터빈 제어 장치의 장점은, 스타트와 실행 그리고 터빈 세트의 출력 변동에 대해 요구되는 시간을 물리적 임계값을 고려하여 간접적으로 또는 직접적으로 미리 제공할 수 있다는 점이다.
시간 변수를 제공하기 위해서 입력 장치와 선택 장치가 제공될 수 있다. 상기 장치에는 부하 교번 과정 기간의 변동 가능한 프리세팅을 위한 변수가 제공될 수 있으며, 상기 변수는 특히 이미 그 기간 자체일 수 있다. 부하 교번 과정을 실행하기 위해서는 바람직하게 각 부하 교번 과정에 대해 개별적으로 플렉시블하게 사전 설정될 수 있는 기간이 결정된다. 상기 기간은 임으로 선택될 수 있다. 즉, 물리적으로 적당한 각각의 값을 취할 수 있다. 상기 기간은 물리적으로 작동하기에 적당한 각각의 값으로 연속으로 설정될 수 있다. 그럼으로써 조작자 측면에서 매 요구시마다, 특히 필요한 전기 에너지 공급의 관점에서, 초기 상태에서부터 목표 상태에 이르기까지의 부하 교번 기간이 미리 주어질 수 있다. 스타트 과정 또는 실행 과정 및 출력 변동 과정일 수 있는 부하 교번 과정을 조절하기 위해, 제한 유닛내에서 기간의 사전 설정하에 터빈 제어 변수가 결정된다. 상기 터빈 제어 변수는 초기 상태의 시작과 목표 상태의 도달 사이의 시간격내에서 시간의 함수로서 측정된다. 상기 터빈 제어 변수는 미리 선택된 기간(스타트 시간, 실행 시간, 부하 변동 시간) 외에 바람직하게는 또한 초기 상태 시점에서의 출력 온도와 목표 상태 시점에서의 최종 온도, 부품의 구조, 사용된 제작 재료, 증기의 상태 및 온도 레벨에 의존한다. 터빈 제어 변수가 결정됨으로써, 예를 들어 스타트 과정의 경우에 예열 회전수의 회전수를 공칭 회전수까지 높이기 위한 지속적 변속 기준의 고정이 이루어지고, 그 다음에 동기화 및 최소 출력 수용이 이루어진다. 이를 위해 터빈 회전수, 증기 압력, 온도 및 출력 등과 같은 터빈 파라미터들이 목표값 함수를 이용한 터빈 제어 변수에 의해 변동된다(조절되고, 제어된다).
터빈 제어 장치는 바람직하게 피로 유닛을 포함하는데, 상기 유닛내에서는 터빈 제어 변수에 상응하게 실행되는 부하 교번 과정의 재료 피로가 검출된다. 피로 유닛이 추가의 재료 피로를 미리 산출할 수 있음으로써, 결과적으로 이러한 재료 피로 및 여전히 요구되는 터빈의 작동 시간을 참조하여, 부하 교번 과정이 원하는 시간격내에 실제로 실행되어져야 하는지를 수동으로 또는 자동으로 결정할 수 있게 된다. 이것을 위해 예상되는 재료 피로는 바람직하게, 예를 들어 스크린, 프린터 등과 같은 출력 매체를 통해서 디스플레이된다. 피로 유닛은 바람직하게, 부하 교번 과정이 실제로 원하는 시간격내에 실행된 경우에는, 재료의 피로를 측정하기 위해서 이용된다. 재료의 추가적 피로값도 마찬가지로 상응하는 출력 매체에 의해 디스플레이되며 그리고 메모리 매체, 특히 컴퓨터 시스템의 메모리 매체내에 저장된다. 그에 의해서 매 시점에 재료의 피로에 대한 정보가 알려지고, 그럼으로써 터빈의 잔류 작동 시간에 대한 정보도 알려진다. 이로써 차후의 부하 교번 과정들은 각각 재차 상응하게 플렉시블하게 미리 선택할 수 있는 기간으로 실행되며, 이 때 재료의 피로도가 이미 높은 경우에는 재료를 보호하는 부하 교번(긴 기간)이 실행되거나, 또는 비축이 아직 충분히 많은 경우(낮은 재료 피로도)에는 빠른 부하 교번(짧은 기간)이 실행될 수 있다.
터빈 제어 장치는 바람직하게 조절 유닛 및/또는 제어 유닛을 포함하며, 부하 교번 과정을 조절 및/또는 제어하기 위한 터빈의 조절 부재와 각각 접속 가능하다. 증기 터빈에서 상기 조절 부재는 바람직하게 고온 증기의 유입을 조절할 수 있는 밸브이다.
실제 부하를 측정하기 위해 터빈 제어 장치는 바람직하게 부하 유닛을 포함하며, 상기 유닛에는 터빈의 압력값 혹은 온도값과 같은 시스템 값이 제공될 수 있다. 상기 부하 유닛은 피로 유닛 및/또는 제한 유닛과 연결된다. 부하 유닛내에서 처리되거나 혹은 전달되는 시스템 값이 제한 유닛에 제공됨으로써, 결과적으로 터빈 제어 변수의 목표값과 실제값 사이의 비교가 실행될 수 있고 편차가 상응하는 경우에는 조절 결합, 즉 조절 부재의 작동이 이루어진다. 피로 유닛내에서는 시스템 값을 참조하여 - 전술한 바와 같이 - 저장되거나 혹은 디스플레이될 수 있는 추가의 재료 피로도가 검출된다.
터빈 제어 변수는 바람직하게 재료 피로에 대한 기준을 나타낸다. 재료 피로는 부하 교번 과정 동안 계속해서 일정하게 유지된다. 이 경우 터빈 제어 변수는 예를 들어 전술한 논문 "증기 터빈의 열적 모니터링을 위한 터빈 제어 컴퓨터"에서 설명된 것과 같이 특히 터빈 샤프트 또는 터빈 하우징의 평균 부품 온도와 표면 부품 온도 사이의 온도차일 수 있다. 터빈 제어 변수를 위한 임계값 프리세팅을 통해서, 한편으로는 재료 부하가 부하 교번 과정 동안 임계점 아래에 머물러 있고 다른 한편으로는 온도 팽창이 요구되는 범위내에 머물러 있음으로써 예를 들어 터빈의 부품간 유격의 브리징 및 만곡이 방지된다.
부하 유닛내에서 바람직하게 터빈의 상이한 상태 및 상이한 부품(터빈 샤프트, 밸브, 보일러 등)에서의 시스템 값이 정해진다. 그럼으로써, 터빈의 상이한 부품에 대해 발생된 피로의 정도가 각각 따로 피로 유닛에 기록되고, 그것으로부터 터빈 또는 개별 부품들의 전체 피로 정도가 검출 및 저장될 수 있다.
분명한 것은, 터빈 제어 장치가 전체로서 존재하거나 또는 개별 유닛들이 컴퓨터 프로그램, 전자 부품 혹은 회로로서 마이크로 프로세서상에 존재할 수 있다는 점이다.
증기 터빈의 부하 교번의 조절 및/또는 제어를 위한 터빈 제어 장치 및 방법의 실시예는 도면을 참조하여 하기에 자세히 설명된다.
도 1은 증기 터빈(7)과 연결된 제너레이터(13) 및 터빈 제어 장치(1)를 장착한 증기 터빈(7)의 개략도이다. 터빈 제어 장치(1)에는 화살표(20)로 표시된 바와 같이 요구되는 부하 교번 과정 기간(tv) 동안 신호 또는 변수(20)가 제공(예를 들어 입력 장치를 통해서)될 수 있다. 기간(tv)에 상응하는 신호는 제한 유닛(3)에 제공된다. 제한 유닛(3)내에서는 제한 유닛(3)과 연결된 피로 유닛(4)으로부터 얻어진 데이터를 고려하여, 각각의 터빈 제어 변수(VAR)가 기간(tv)에 의존하여 결정되며, 결과적으로 초기 상태(A)에서부터 목표 상태(Z)까지의 부하 과정의 조절이 실행될 수 있다. 이것은 도 2에 확대 도시되어 있다. 터빈 제어 변수(VAR)는 밸브 하우징, 터빈 하우징 그리고 터빈 샤프트와 같은 모니터링 될 상이한 부품들을 위해 형성되며, 각 표면들 사이의 온도(To)와 각 부품들의 적분 평균 온도(Tm)간의 온도차를 나타낸다. 각각의 터빈 제어 변수(VAR)는 상기 두 온도 사이의 온도차(To- Tm)로서 열 응력 또는 열 팽창에 대한 척도 및 그에 따라 교번 부하 피로에 대한 기준이다. 전체 기간(tv) 동안 일정한 피로와 그로 인한 피로의 일정한 증가가 나타나도록 기간(tv) 동안 터빈 제어 변수(VAR)가 측정된다. 도 2는 스타트 과정에 대한 파형도를 보여주는데, 이 파형도에서 평균 온도(Tm)는 표면 온도(To)보다 더 작다. (도시되지 않은) 실행 과정에서는 평균 온도(Tm)가 표면 온도(To)보다 더 크다.
제한 유닛(3)이 피로 유닛(4)과 연결되어 있음으로써, 터빈 제어 변수(VAR)의 예정된 값들이 피로 유닛에 제공될 수 있다. 피로 유닛(4)내에서는 부하 교번 과정에 의해 야기된 추가의 피로가 사전에 산출된다. 이 추가의 피로는 피로 유닛(4)과 연결된 출력 매체(11)에서도 또한 디스플레이된다. 출력 매체(11)는 예를 들어 터빈(7)을 포함하는 발전소의 (도시되지 않은) 제어실내에 배치되어 있는 모니터일 수 있다.
터빈 제어 변수(VAR)와 부품의 측정된 온도차 등으로부터 산출된 차이값은 목표값 가이드 기능 유닛(2)에 제공된다. 이 차이값(To- Tm)에 상응하게 목표값 가이드 기능 유닛(2)내에서 확실한 회전수 변동 및 출력 변동이 검출된다. 그곳으로부터 터빈 회전수 및 출력을 변동시키기 위한 신호가 조절 유닛(5)에 전송되며, 상기 조절 유닛을 통해서 터빈(7)의 조절 부재(6), 특히 증기 밸브가 작동된다. 그럼으로써 터빈 제어 변수(VAR)에 상응하게 터빈(7) 내부로의 증기의 유입이 조절되며, 그렇게 하여 특히 터빈 샤프트의 표면 온도(To)와 평균 온도(Tm)의 조절도 또한 간접적으로 이루어진다. 터빈(7)의 시스템 값, 특히 증기 온도, 부품 온도 및 증기 압력 등은 도시되지 않은 측정 부재, 특히 열적 소자에 의해 검출되어 온도 측정 유닛(9)내에 기록된다. 온도 측정 유닛(9)은 부하 유닛(8)에 연결되어 있으며, 검출된 시스템 값을 상기 유닛(8)에 전송한다. 부하 유닛(8)내에서는 시스템 값의 평가, 특히 터빈 샤프트의 표면 온도(To) 및 평균 온도(Tm)의 산출이 이루어진다. 이 값들은 제한 유닛(3) 및/또는 피로 유닛(4)으로 전송된다. 제한 유닛(3)에서는 이전에, 특히 제한 유닛(3)내에서 결정된 목표값과 부하 유닛(8)내에서 검출된 터빈 제어 변수(VAR)의 실제값간의 비교가 이루어진다. 실제값과 목표값간에 편차가 있는 경우에는, 목표값 가이드 기능에 의해 조절 유닛(5)을 통해서 조절 부재(6)와의 상응하는 조절 결합이 이루어진다. 피로 유닛(4)내에서는 부하 유닛(8)의 값으로부터 추가의 피로, 즉 재료 피로가 실제로 실행된 부하 교번 과정에 의해서 결정된다. 이 피로는 한편으로는 출력 매체(11)상에 디스플레이되며, 다른 한편으로는 경우에 따라 터빈(7)의 추가 시스템 값과 함께 메모리 매체(10), 특히 컴퓨터 장치의 고정 메모리 또는 다른 데이터 캐리어내에 저장된다.
본 발명은, 시간 방향 설정되어, 특히 스타트 시간 방향 설정되어 동작하는 터빈 제어 장치를 특징으로 하며, 이 경우 부하 교번 과정의 기간은 지속적으로 재료의 최대 허용 부하의 범위내에서 조절 가능하다. 원하는 시간내에 부하 교번 과정을 조절할 수 있음으로써, 부하 교번 과정들이 적시에 매우 바람직하게 사전 조절 요구 조건에 매칭된다. 또한 터빈 제어 장치는 예측적인 그리고 언제나 실제적인 수명 모니터링을 가능하게 한다. 모니터링된 터빈 부품의 증가되는 피로가 예외 없이 기록된다.
본 발명에 따른 터빈 제어 장치 및 방법은 터빈의 부하 교번 과정을 조절하는 데 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 터빈(7)의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치(1)에 있어서,
    부하 교번 과정의 기간(tv)의 변동 가능한 프리세팅을 위한 변수가 제공될 수 있으며, 재료의 최대 허용 부하를 고려하여 기간(tv)내에 부하 교번 과정을 실행하기 위한 터빈 제어 변수(VAR)가 그 내부에서 결정되도록 구성된 제한 유닛(3)을 포함하는 터빈 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 터빈 제어 변수(VAR)와 상응하게 실행되어질 부하 교번 과정의 재료 피로를 특히 사전 검출하는 데 이용되는 피로 유닛(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 터빈 제어 변수(VAR)의 실제값이 제공될 수 있으며, 부하 교번 과정을 조절하기 위해 터빈(7)의 조절 부재(6)와 연결된 조절 유닛(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 또는 온도와 같은 터빈(7)의 시스템 값이 제공될 수 있으며, 피로 유닛(4) 및/또는 제한 유닛(3)과 연결된 부하 유닛(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피로 유닛(4)이 메모리 매체(10) 및/또는 출력 매체(11)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제한 유닛(3)내에서는 터빈 제어 변수(VAR)가 재료 피로, 특히 재료 피로를 특징짓는 온도차에 대한 척도가 되며 부하 교번 과정 동안 재료 피로가 계속해서 일정하게 유지되도록, 부하 교번 과정을 실행하기 위한 터빈 제어 변수(VAR)가 결정되는 것을 특징으로 하는 터빈 제어 장치.
  7. 기간(tv)내에 실행되어질 터빈(7)의 부하 교번 과정을 조절하고, 재료 피로를 검출하기 위한 방법에 있어서,
    프로세스 파라미터 및 재료 파라미터를 고려하여, 부하 교번 과정 동안 나타나는 재료 피로를 특징짓는 터빈 제어 변수(VAR)를 사전에 결정하고, 기간(tv) 동안 터빈 제어 변수(VAR)를 통해 터빈 조절을 실행함으로써, 기간(tv)내에 터빈(7)이 초기 상태(A)로부터 최종 상태(Z)로 이행되도록 구성된 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 재료 피로가 기간(tv) 동안 실제로 일정하게 유지되도록 터빈 제어 변수(VAR)를 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 터빈 회전수, 증기 압력, 온도 또는 출력 등과 같은 적어도 하나의 터빈 파라미터를 터빈 제어 변수(VAR)를 고려하여 조절하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 부하 교번 과정에 의해 예상되는 추가 재료 피로를 사전에 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019990704065A 1996-11-08 1997-11-07 터빈의 부하 교번 과정을 조절하기 위한 터빈 제어 장치 및 방법 KR20000053135A (ko)

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