KR20050036800A - 스팀 유동 제어 방법, 스팀 터빈 작동 방법 및 스팀 유동제어 시스템 - Google Patents

스팀 유동 제어 방법, 스팀 터빈 작동 방법 및 스팀 유동제어 시스템 Download PDF

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Abstract

터빈 로터를 갖는 스팀 터빈을 통과하는 스팀 유동을 제어하는 방법에 있어서, 터빈 로터에서의 열적 응력을 계산한 것을 근거로 최대 열전달률(18)이 결정된다. 최대 열전달률을 근거로 최대 스팀 유속(20)이 계산될 수 있다. 스팀 터빈을 통과하는 실제 스팀 유속이 결정되고, 실제 스팀 유속과 최대 스팀 유속 사이의 차이를 근거로 터빈 흡입 밸브(28)가 제어된다. 이러한 방법에서는, 시동 시간을 최소화하고 가동성을 최대화하면서 열적 응력을 허용 가능 수준으로 제한하는 방식으로, 스팀 터빈으로의 스팀 유동이 제어될 수 있다.

Description

스팀 유동 제어 방법, 스팀 터빈 작동 방법 및 스팀 유동 제어 시스템{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING STEAM TURBINE INLET FLOW TO LIMIT SHELL AND ROTOR THERMAL STRESS}
본 발명은 스팀 터빈 제어 및 성능에 관한 것으로, 특히, 터빈 쉘과 로터의 제어된 가열을 이용하여 수명 주기 응력(life cycle stress)을 한계 내로 유지시키면서, 스팀 터빈의 로딩 및 언로딩을 실시하는 제어 알고리듬 및 시스템에 관한 것이다.
발전용 스팀 터빈은 대직경 로터와 두꺼운 쉘을 갖는다. 로터에는, 로딩 및 언로딩 주기 중에 원심적 로딩 및 열적 팽창에 따라 응력이 가해진다. 각각의 시동/정지 주기 중에는, 로터와 쉘에 저주기 피로(low cycle fatigue)가 축적된다. 축적된 저주기 피로가 재료 한계를 넘어설 때는, 균열 형성의 가능성이 존재하게 되므로, 장비를 교체하여야 한다. 각각의 시동 주기 중에 축적된 저주기 피로 손상 수준은 그 시동 주기에 대한 최고점 응력(peak stress)의 함수이다. 터빈 흡입 스팀 온도와 유동에 의해 금속 온도 변화율이 결정되며, 그에 따라 쉘과 로터에서의 열적 응력이 결정된다.
현재, 스팀 터빈에서의 열적 응력을 조절하기 위한 방법에서는, 로터 응력을 온도 측정치의 함수, 전형적으로는 터빈 흡입구 근방의 쉘 금속에 대한 온도 측정치의 함수로서 추정하고 있다. 응력 추정치가 저주기 피로 한계에 가까워짐에 따라, 스팀 터빈 흡입 밸브의 개방률이 감소된다. 이러한 방법의 단점은, 열적 전이로부터 10분 내지 15분 후에 최고점 응력이 발생한다는 것이다. 시간 지연이 지나치게 길기 때문에, 고응력 주기를 방지하기 위해서는, 스팀 유속이 매우 느려져야 한다. 이로 인해 터빈의 가동성이 제한되어 시동 시간이 연장된다.
따라서, 시동 시간을 최소화하고 가동성을 최대화하면서 열적 응력을 허용 가능 수준으로 제한하는 방식으로, 스팀 터빈으로의 스팀 유동의 제어를 실시하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 일 예시적 실시예에서, 터빈 로터를 갖는 스팀 터빈을 통과하는 스팀 유동을 제어하는 방법은, ① 터빈 로터에서의 열적 응력 계산을 근거로 최대 열전달률을 결정하는 단계와, ② 상기 최대 열전달률을 근거로 최대 스팀 유속을 계산하는 단계와, ③ 상기 스팀 터빈을 통과하는 실제 스팀 유속을 결정하는 단계와, ④ 상기 실제 스팀 유속과 최대 스팀 유속 사이의 차이를 근거로 터빈 흡입 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 예시적 실시예에서, 터빈 로터를 갖는 스팀 터빈을 작동시키는 방법은, ① 상기 터빈 로터에서의 열적 응력과 관련된 변수를 근거로 최대 스팀 유속을 계산하는 단계와, ② 상기 스팀 터빈을 통과하는 실제 스팀 유속을 결정하는 단계와, ③ 상기 실제 스팀 유속과 최대 스팀 유속 사이의 차이를 근거로 터빈 흡입 밸브를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 예시적 실시예에서, 터빈 로터를 갖는 스팀 터빈을 통과하는 스팀 유동을 제어하기 위한 제어 시스템은, 흡입 스팀 온도와, 쉘 내면 온도에 의해 추산되는 로터 표면 온도를 측정하는 제 1 및 제 2 온도 측정 장치를 포함한다. 제 1 및 제 2 압력 측정 장치가 흡입 스팀 압력과 배출 스팀 압력을 측정한다. 제어기가 제 1 및 제 2 온도 측정 장치, 그리고 제 1 및 제 2 압력 측정 장치와 소통하여, ① 로터 표면 온도와 로터 보어(bore) 온도 사이의 차이와, ② 터빈 로터에서의 평균 로터 온도 열적 응력 계산을 근거로 결정된 로터 표면 응력 및 로터 보어 응력에 따라 최대 열전달률을 결정한다. 제어기는, ㉠ 최대 열전달률을 근거로 최대 스팀 유속을 계산하고, ㉡ 흡입 스팀 압력, 흡입 스팀 온도 및 배출 스팀 압력을 근거로 스팀 터빈을 통과하는 실제 스팀 유속을 결정하며, ㉢ 실제 스팀 유속과 최대 스팀 유속 사이의 차이를 근거로 터빈 흡입 밸브를 제어한다.
스팀 터빈과 같은 화력 발전소는 연료를 태워 열을 생성하는 보일러를 갖고 있다. 발전소에서는, 열 에너지가 금속 파이프로 전도되어 파이프 내의 물을 끓여 증기화시킨다. 이 증기는 고압에서 터빈에 공급된다. 터빈은 소정 각도로 틀어진 다수의 블레이드 또는 버킷을 갖고 있다. 스팀이 버킷을 때리면, 버킷은 터빈 샤프트를 회전시키는데, 이 터빈 샤프트는 버킷의 저부에 부착되어 있다. 터빈 샤프트가 회전함에 따라, 발전기가 기계적 회전 에너지를 전기로 변환시킨다.
발전기는 와이어 또는 코일로 감긴 고정 링 내측에 자석을 갖고 있다. 발전기 내부의 자석이 회전함에 따라 와이어에 전류가 생성되는데, 즉 기계적 에너지가 전기 에너지로 변환되는 것이다.
스팀 터빈 내의 열전달은, 스팀 터빈 흡입 제어 밸브의 조정에 의해 터빈으로의 스팀 유동을 조정함으로써, 제어된다. 아래에서 보다 상세히 설명하겠지만, 스팀 터빈 쉘 및 로터에서의 열적 응력을 제한하는 적절한 열전달률을 초래하는 스팀 유속은 흡입 스팀 온도와 쉘 금속 온도를 근거로 결정될 수 있다. 터빈 흡입 스팀 압력, 흡입 스팀 온도 및 터빈 배출 압력은 스팀 터빈 유속을 계산하는 데 사용되며, 이렇게 계산된 스팀 터빈 유속은 제어 루프의 측정된 피드백으로서 사용될 수 있다.
스팀 터빈의 로딩 속도(loading rate)는, 로터 내의 온도 구배에 기인한 최대 허용 가능 응력에 의해 제한된다. 도 1은 로터 단면(10)의 예시적 개략도이다. 열적 보어 응력(thermal bore stress)은 다음의 수식에 의해 주어진다.
[수학식 1]
여기서, E는 탄성률(modulus of elasticity)이고, α는 열팽창 계수, ν는 프아송 비(Poisson's ratio)이다. TAVG(12)는 로터 평균 금속 온도이고, TBORE(14)는 로터 보어 금속 온도이다. 열팽창 계수는 재료에 따라 달라지며, 로터 평균 온도(12)의 함수이다. 탄성률은 재료에 따라 달라지며, 보어 온도(14)의 함수이다.
[수학식 2]
E = EMOD0 - TBORE·EMOD1
[수학식 3]
α= α0 + TAVG·α1
여기서, 상기 수식의 EMOD0, EMOD1, α0 및 α1은 상수이다. 계산된 보어 열적 응력을 허용 가능한 보어 응력으로 나누면, 정규화(normalized) 보어 응력이 백분율로 산출된다.
표면 변형(surface strain)은 다음의 수식에 의해 주어진다.
[수학식 4]
ε= α(TMTL - TAVG)
여기서, α는 열팽창 계수이고, TMTL은 로터 쉘 온도(16)이다. TMTL은 스팀 터빈 쉘의 내면에 설치된 열전쌍에 의해 측정된다. 로터 표면 또는 보어의 온도를 직접 측정하는 것은 실제적이지 않다. TBORE와 TAVG는 로터의 열적 모델을 이용하여 계산/추산되는데, 여기서 TMTL은 경계 조건이다.
후크의 법칙을 이용하면, 다음 수식으로부터 표면 응력을 얻을 수 있다.
[수학식 5]
σs = Eε
표면 응력은 허용 가능 표면 응력에 대해 정규화된다. 허용 가능 표면 응력은 열적 응력 집중 요인에 따라 결정되며, 로딩과 언로딩에 대해 상이하다.
상기 수식이 나타내는 바와 같이, 표면 응력과 보어 응력 양자는 표면 관련 온도[TMTL(16) 또는 TBORE(14)]와 평균 로터 온도[TAVG(12)] 사이의 온도 차이에 비례한다.
실린더에 대한 열전달은 다음의 수식과 같다.
[수학식 6]
열적 응력이 로터 내의 온도 차이에 비례한다는 것을 알고 있으므로, 온도 차이는 열전달률 q(18)에 비례하고, 열적 응력은 열전달률(18)을 제어함으로써 제어될 수 있다. 최대 열전달률(Qmax)이 계산될 수 있기 때문에, 온도 구배가 허용 가능 표면 및 보어 응력을 초래한다. 열전달률은 온도 차이(temperature differential)(Tstm-TMTL)와 스팀 유속의 함수이다. 따라서, 도 3을 참조하면, 최대 열전달률(Qmax), 스팀 온도(Tstm) 및 스팀 터빈 금속 온도(TMTL)를 근거로 최대 스팀 유동(Wmax)이 계산될 수 있다.
[수학식 7]
여기서, W1r = 정격 흡입 유동(lbm/sec),
Qmax = 최대 열전달률,
Tstm = 흡입 스팀 온도(F),
TMTL = 쉘 온도(T),
k1 = 조정 상수,
K2 = 조정 상수임.
금속 온도가 스팀 온도에 접근함에 따라, 온도 차이(Tstm-TMTL)가 감소하여, 주어진 Qmax에 대해 보다 높은 스팀 유동이 허용된다.
제어 루프에 대해서는, 도 2와 도 3을 참조하면, 스팀 터빈을 통과하는 스팀 유동(20)이 계산될 수 있다. 흡입 스팀 압력 P1(22), 흡입 스팀 온도 T1(24) 및 배출 스팀 압력 P2(26)를 근거로 다음의 수식을 사용하여 스팀 유동을 계산한다.
[수학식 8]
[수학식 9]
[수학식 10]
[수학식 11]
[수학식 12]
[수학식 13]
여기서 P1r은 정격 흡입 압력(PSIA), P2r은 정격 배출 압력(PSIA), T1r은 정격 흡입 온도(F)이고, W1r은 정격 흡입 유속(lbm/sec)이다. 정격 스팀 조건 P1r, P2r , T1r, W1r은 본 발명이 적용되는 특정 터빈에 대한 정격 출력에서 발생한다. 전형적으로, 정격 출력은 터빈의 정상 완전 부하 출력이다. 이러한 스팀 조건은 스팀 터빈 열역학 엔지니어에 의한 스팀 터빈 설계 중에 결정된다. 정격 스팀 조건은 상수들을 계산하는 데 사용되며, 이렇게 계산된 상수들은 정격 이외의 작동 지점에서의 스팀 터빈 유속을 결정하는데 이용될 수 있다.
스팀 유동 W1은 비례 적분 제어기(proportional plus integral controller)(30)에 대한 피드백인데, 여기서 셋포인트는 위에서 구한 최대 스팀 유동 Wmax이다. 제어기의 출력은 스팀 터빈 흡입 제어 밸브(28)의 위치를 명령한다.
스팀 터빈 흡입 제어 밸브를 흡입 스팀 온도와 쉘 금속 온도의 함수로서 제어함으로써, 가열 속도에 의한 열적 응력의 허용 가능 수준 초과가 발생되지 않으면서 최대량의 스팀이 터빈에 유입된다. 또한, 차동 팽창 또는 반경 방향 간극과 같은, 응력 이외의 요인이 스팀 터빈의 로딩 속도를 제한할 수도 있다. 이러한 경우, 제어 시스템 및 방법은 터빈 가열 속도를 제어할 수 있고, 따라서 차동 팽창과 반경 방향 간극을 제어할 수 있다.
가장 실제적이자 바람직하다고 여겨지는 실시예와 관련하여 본 발명이 설명되었으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않을 뿐만 아니라, 첨부된 청구항의 진의와 범위 내에서 포함되는 다양한 변형 및 동등한 구성을 포괄하도록 의도된다는 점을 이해할 것이다.
본 발명은, 시동 시간을 최소화하고 가동성을 최대화하면서 열적 응력을 허용 가능 수준으로 제한할 수 있는 스팀 터빈 제어 방법 및 시스템을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 터빈 로터의 개략 단면도,
도 2는 다양한 센서를 포함하는 터빈의 개략도,
도 3은 제어 시스템과 방법을 도시하는 개략적 제어 다이어그램.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 로터 단면 12 : TAVG
14 : TBORE 16 : 로터 쉘 온도
18 : 열전달률 20 : 스팀 유동
22 : 흡입 스팀 압력 24 : 흡입 스팀 온도
26 : 배출 스팀 압력 28 : 흡입 제어 밸브
30 : 일체형 제어기

Claims (10)

  1. 터빈 로터를 갖는 스팀 터빈을 통과하는 스팀 유동을 제어하는 방법에 있어서,
    ① 터빈 로터에서의 열적 응력 계산을 근거로 최대 열전달률(18)을 결정하는 단계와,
    ② 상기 최대 열전달률을 근거로 최대 스팀 유속(20)을 계산하는 단계와,
    ③ 상기 스팀 터빈을 통과하는 실제 스팀 유속을 결정하는 단계와,
    ④ 상기 실제 스팀 유속과 최대 스팀 유속 사이의 차이를 근거로 터빈 흡입 밸브(28)를 제어하는 단계를 포함하는
    스팀 유동 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 ①은, ㉠ 로터 표면 온도(16)와 로터 보어 온도(14) 사이의 차이와, ㉡ 평균 로터 온도(12)를 근거로 로터 표면 응력과 로터 보어 응력을 결정함으로써, 실시되는
    스팀 유동 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단계 ②는, 최대 열전달률(Qmax), 스팀 온도(Tstm) 및 터빈 금속 온도(TMTL)를 근거로 최대 스팀 유속(Wmax)을 계산함으로써 실시되는
    스팀 유동 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단계 ②는, 다음의 관계
    (W1r은 정격 흡입 유동(lbm/sec)이고, k1과 k2는 조정 상수임)
    에 따라 최대 스팀 유속(Wmax)을 계산함으로써 실시되는
    스팀 유동 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 ②는, 최대 열전달률(Qmax), 스팀 온도(Tstm) 및 터빈 금속 온도(TMTL)를 근거로 최대 스팀 유속(Wmax)을 계산함으로써 실시되는
    스팀 유동 제어 방법.
  6. 터빈 로터를 갖는 스팀 터빈을 작동시키는 방법에 있어서,
    ① 상기 터빈 로터에서의 열적 응력과 관련된 변수를 근거로 최대 스팀 유속(20)을 계산하는 단계와,
    ② 상기 스팀 터빈을 통과하는 실제 스팀 유속을 결정하는 단계와,
    ③ 상기 실제 스팀 유속과 최대 스팀 유속 사이의 차이를 근거로 터빈 흡입 밸브(28)를 제어하는 단계를 포함하는
    스팀 터빈 작동 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계 ①에서의 열적 응력과 관련된 변수는, ㉠ 로터 표면 온도(16)와 로터 보어 온도(14) 사이의 차이와, ㉡ 평균 로터 온도(12)를 근거로 결정된 로터 보어 응력과 로터 표면 응력을 포함하는
    스팀 터빈 작동 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단계 ①은, 최대 열전달률(Qmax), 스팀 온도(Tstm) 및 터빈 금속 온도(TMTL)를 근거로 최대 스팀 유속(Wmax)을 계산함으로써 실시되는
    스팀 터빈 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단계 ①은, 다음의 관계
    (W1r은 정격 흡입 유동(lbm/sec)이고, k1과 k2는 조정 상수임)
    에 따라 최대 스팀 유속(Wmax)을 계산함으로써 실시되는
    스팀 터빈 작동 방법.
  10. 터빈 로터를 갖는 스팀 터빈을 통과하는 스팀 유동을 제어하기 위한 제어 시스템에 있어서,
    흡입 스팀 온도(24)를 측정하는 제 1 온도 측정 장치와,
    쉘 내면 온도(16)에 의해 추산되는 로터 표면 온도를 측정하는 제 2 온도 측정 장치와,
    흡입 스팀 압력(22)을 측정하는 제 1 압력 측정 장치와,
    배출 스팀 압력(26)을 측정하는 제 2 압력 측정 장치와,
    상기 제 1 및 제 2 온도 측정 장치, 그리고 제 1 및 제 2 압력 측정 장치와 소통하는 제어기(30)로서, ① 로터 표면 온도와 로터 보어 온도 사이의 차이와 ② 터빈 로터에서의 평균 로터 온도 열적 응력 계산을 근거로 결정된 로터 보어 응력과 로터 표면 응력에 따라 최대 열전달률(18)을 결정하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 최대 열전달률을 근거로 최대 스팀 유속을 계산하고, 흡입 스팀 압력, 흡입 스팀 온도 및 배출 스팀 압력을 근거로 상기 스팀 터빈을 통과하는 실제 스팀 유속을 결정하며, 상기 실제 스팀 유속과 최대 스팀 유속 사이의 차이를 근거로 터빈 흡입 밸브를 제어하는
    스팀 유동 제어 시스템.
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