KR20100133427A - 발전 설비용 증기 터빈 시스템 - Google Patents

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KR20100133427A
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카르스텐 그래버
노어베르트 쉰들러
카르스텐 바이쓰
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 생증기 유입부에서 생증기 조절 밸브를 포함하고 추기 증기 배출부를 갖는 증기 터빈과, 스로틀 밸브를 구비한 생증기 바이패스 라인을 포함하는 발전 설비용 증기 터빈 시스템에 관한 것이며, 상기 생증기 바이패스 라인은 스로틀 밸브에 의해 스로틀링된 생증기를 생증기 밸브의 상류측으로부터 추기 증기 배출부로 안내하기 위해 생증기 조절 밸브의 유입부와 증기 배출부에 연결되며, 생증기 조절 밸브를 포함한 증기 터빈과, 스로틀 밸브를 포함한 생증기 바이패스 라인은 증기 터빈이 생증기 유동량이 100%인 공칭 작동 상태에서 뿐 아니라 생증기 유동량이 100% 이상인 특수 작동 상태에서도 완전 개방된 생증기 조절 밸브에 의해 각각 작동 가능하도록 구성되어 있으며, 공칭 작동 상태에 비해 초과된 생증기 유동량은 생증기 조절 밸브의 유입부에서 생증기 바이패스 라인을 통해 증기 터빈을 거쳐갈 수 있거나, 생증기 유동량이 100%일 때 생증기 유동량의 사전 설정된 부분량이 생증기 바이패스 라인을 통해 거쳐감으로써 생증기의 정압의 하강이 달성 가능하다. 증기 터빈 시스템을 구비한 발전 설비는 생증기를 과열시키기 위해, 추기 증기가 공급 가능한 중간 과열기를 포함한다.

Description

발전 설비용 증기 터빈 시스템{STEAM TURBINE SYSTEM FOR A POWER PLANT}
본 발명은 발전 설비용 증기 터빈 시스템 및 증기 터빈 시스템을 구비한 발전 설비에 관한 것이다.
핵 발전 설비는 예를 들어 가압수형 원자로에 의해 작동된다. 가압수형 원자로 내에는 원자 붕괴 반응을 통해 열이 방출되는 연료봉이 제공된다. 이러한 열은 증기 발생기 내에서 생증기를 발생시키는 냉각제, 예를 들어 물에 의해 방출된다. 생증기는 생증기 라인 내에서 증기 터빈으로 안내되며, 이러한 증기 터빈은 제네레이터를 구동시키기 위해 이 제네레이터와 결합된다. 생증기가 증기 터빈 내에서 응축기 압력에 이르기까지 팽창됨으로써, 제네레이터 및 증기 터빈은 전류를 발생시키기 위해 구동된다. 증기 터빈의 배출부에는 응축기가 제공되고, 이러한 응축기에서는 팽창된 증기가 냉각제의 사용하에 응축되어 증기 발생기에 재차 공급된다.
또한 증기 터빈은 추기 증기 배출부를 포함하며, 이러한 추기 증기 배출부를 통해 추기 증기가 핵 발전 설비 내에서 계속 사용되기 위해 추출된다. 증기 터빈의 구동 출력은 생증기의 정압(static pressure) 및 온도, 응축기 내의 정압, 증기 터빈 내로 유입되는 생증기의 유동량 및, 증기 터빈의 특정 압력 레벨에서 추출되는 추기 증기의 유동량에 의해 결정된다.
생증기의 유동량(증기 터빈의 출력)을 개회로 제어하기 위해, 증기 터빈에는 생증기 조절 밸브가 제공된다. 증기 터빈의 구성에서, 생증기의 정압 및 온도와, 생증기의 유동량이 설정되는 공칭 작동 상태가 정의된다. 공칭 작동 상태[증기 터빈 시스템의 보장점(guarantee point)]에서 생증기 유동량은 100%로 정의된다. 그러나 증기 터빈의 구성에서, 생증기의 정압 및 온도와, 생증기 유동량이 변화함으로써 설정되는 작동 영역이 고려될 수 있다. 이와 같이, 증기 터빈은 예를 들어 상부 부하 영역의 일정한 평균 냉각제 온도를 갖는 정상 상태의(steady-state) 부분 부하 작동을 위해 구성된다. 이러한 부분 부하 작동에서는 원자로의 출력이 상승할 때 하강하는 생증기의 정압을 포함하는[소위 음의 변압(negative sliding pressure)], 상부 부하 영역을 위한 증기 발생기의 생증기 압력 특성 곡선이 얻어진다. 또한 생증기의 유동량이 공칭 부하 작동에 비해 증가할 때(예를 들어 103% 내지 107%의 생증기의 유동량)의 작동 조건이 고려될 수 있다. 이 경우, 증기 터빈은 완전 개방된 생증기 밸브에 의해 작동된다. 이러한 유형의 작동 조건은 100%의 생증기 유동량을 갖는 공칭 작동 상태로 생증기 조절 밸브를 스로틀링할 것을 요구한다.
증기 터빈의 구성에서 고려되는 다른 작동 상태는 감소된 생증기의 정압을 특징으로 한다. 이러한 작동 상태에서 생증기 조절 밸브는 증기 발생기/원자로의 생증기량이 공칭값을 갖거나 이보다 더 작은 값을 가질 때 완전 개방되므로, 생증기의 정압은 감소하고, 이에 따라 냉각제 온도는 하강한다[소위 "스트레치-아웃(stretch-out) 작동"]. 생증기의 정압이 감소함으로써 특유의 생증기 부피의 증가가 야기되며, 이로 인해 공칭 작동 상태로 생증기 조절 밸브를 강하게 스로틀링하는 것이 필요하다.
증기 터빈을 위한 출력 보장은 종래에는 스로틀링된 생증기 조절 밸브에 의해서만 작동 가능한 공칭 작동 상태와 관련되어왔다. 생증기 밸브가 스로틀링될 때 증기 터빈의 작동은 효과적이지 않으므로, 핵 발전 설비의 열효율은 저하된다.
본 발명의 목적은 발전 설비용 증기 터빈 시스템 및 증기 터빈 시스템을 구비한 발전 설비를 제공하는 것이며, 이러한 발전 설비는 높은 열효율을 갖는다.
본 발명에 따른 발전 설비용 증기 터빈 시스템은 생증기 유입부에서 생증기 조절 밸브를 포함하고 추기 증기 배출부를 갖는 증기 터빈과, 스로틀 밸브를 구비한 생증기 바이패스 라인을 포함하며, 상기 생증기 바이패스 라인은 스로틀 밸브에 의해 스로틀링된 생증기를 생증기 조절 밸브의 상류측으로부터 추기 증기 배출부로 안내하기 위해 생증기 조절 밸브의 유입부와 추기 증기 배출부에 연결되며, 생증기 조절 밸브를 포함한 증기 터빈과, 스로틀 밸브를 포함한 생증기 바이패스 라인은 생증기 유동량이 100%인 공칭 작동 상태에서 뿐 아니라 생증기 유동량이 100% 이상인 특수 작동 상태에서도 완전 개방된 생증기 조절 밸브에 의해 증기 터빈이 각각 작동 가능하도록 구성되어 있으며, 공칭 작동 상태에 비해 초과된 생증기 유동량은 생증기 조절 밸브의 유입부에서 생증기 바이패스 라인을 통해 증기 터빈을 거쳐갈 수 있거나, 생증기 유동량이 100%일 때 생증기 유동량의 사전 설정된 부분량이 생증기 바이패스 라인을 통해 거쳐감으로써 생증기의 정압의 하강이 달성 가능하다.
이에 의해, 증기 발생기로부터 100%의 생증기 유동량 이상으로 제공되는 생증기 유동량의 부분량은 증기 터빈에 직접 공급되는 것이 아니라 생증기 바이패스 라인을 거쳐 생증기 조절 밸브를 거치도록 안내되고, 가장 높은 정압으로서 추기 증기 배출부에 공급된다. 따라서, 증기 터빈의 공칭 작동에서 생증기 조절 밸브는 완전히 개방되고, 이를 통해 상황에 따라 생증기 밸브를 스로틀링함으로써 발생하는 효율 손실이 발생하지 않는다. 100%의 생증기 유동량은 증기 터빈의 공칭 작동 상태에서의 생증기 유동량에 상응한다.
또한, 증기 터빈에서 추기 증기가 전혀 추출될 필요가 없거나, 조금만 추출되어도 되는데, 이는 생증기 바이패스 라인 내에서 증기 터빈을 거쳐가는 생증기가 추기 증기 배출부에 공급되기 때문이다. 따라서, 증기 터빈의 추가 작동 영역에서 증기 터빈 시스템의 열효율은 높다.
증기 터빈 시스템이 폭넓은 작동 영역을 가짐으로써, 발전 설비는 전류 회로망의 주파수 폐회로 제어/주파수 보조에 관여할 수 있다. 발전 설비가 예를 들어 핵 발전 설비인 경우, 증기 터빈 시스템에 의해 가능한 핵 원자로의 예비 출력은 상응하는 작동 방식에서 증기 터빈을 개조하는 일없이 사용될 수 있으며, 공칭 작동 상태에서 증기 터빈 시스템은 높은 열효율을 갖는다.
또한, 핵 발전 설비는 더 높은 작동 유연성을 가지고, 이에 의해 핵 발전 설비 내의 연료 교체가 지연될 수 있으므로, 연로봉의 더 높은 연소가 얻어질 수 있다. 이 경우, 핵 발전 설비는 생증기의 압력이 하강함으로써 상승된 반응성이 얻어질 수 있는, 소위 "스트레치 아웃" 작동으로 작동될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 증기 터빈 시스템은 증기 터빈이, 낮은 생증기 상태를 갖고 이에 따라 감소된 팽창율을 갖는 포화 증기 엔진일 때 높은 열효율을 갖는다. 본 발명에 따른 증기 터빈 시스템에서는 공칭 작동 상태일 때, 100%의 생증기 유동량에서 증기 터빈은 생증기 조절 밸브가 완전 개방된 상태로 작동되므로, 증기 터빈 시스템의 작동 영역이 넓을 때, 공칭 작동 상태에서 생증기 조절 밸브의 스로틀링이 제공될 필요가 없다. 이는 공칭 작동 상태에서 생증기 조절 밸브의 스로틀링이 1%일 때, 0.13%의 동일한 원자로 출력에서 증기 터빈의 출력 감소가 이미 예상될 수 있기 때문에 바람직하다. 이에 의해, 공칭 작동 상태에서 생증기 조절 밸브의 스로틀링을 방지함으로써 증기 터빈 시스템의 더 높은 효율에 의해 발전 설비의 출력상 이득이 유도된다.
또한, 출력 보장시에 본 발명에 따른 증기 터빈 시스템의 열역학적 보장값은 향상되는데, 이는 생증기 조절 밸브의 상응하는 스로틀링이 생략될 수 있기 때문이다.
바람직하게, 특수 작동 상태에서의 생증기 유동량은 공칭 작동 상태에서의 생증기 유동량의 102% 내지 115%이다.
따라서, 발전 설비가 핵 발전 설비일 때 이러한 발전 설비는 원자로/증기 발생기의 가능한 예비 출력을 정상 상태의 작동에서 지속적으로 사용하거나, 대안적으로 주파수 폐회로 제어/주파수 보조에 있어서의 요건이 존재할 때 단기간 출력을 방출하기 위해 사용할 수 있다.
바람직하게 증기 터빈 시스템은 긴급 차단 밸브를 구비한 생증기 라인을 포함하며, 이러한 생증기 라인은 생증기 조절 밸브로 생증기 유동량을 공급하기 위해 이러한 생증기 조절 밸브에 연결되며, 생증기 바이패스 라인은 생증기 라인의 긴급 차단 밸브와 생증기 조절 밸브 사이에서 생증기 라인에 연결된다.
이에 의해, 생증기 바이패스 라인은 생증기 라인의 긴급 차단 밸브 하류측에서 이러한 생증기 라인으로부터 분기되고, 이에 따라 생증기 라인의 긴급 차단 밸브에 의해 생증기 바이패스 라인도 보호된다.
또한, 바람직하게 생증기 바이패스 라인 내의 긴급 차단 밸브는 안전 기능을 갖는 조절 밸브로서 형성된다. 이에 의해, 바람직하게 생증기 바이패스 라인 내에서는 단 하나의 밸브만이 제공되어도 된다.
대안적으로, 생증기 바이패스 라인이 긴급 차단 밸브의 상류측에 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 생증기 조절 밸브가, 이중 보호를 위한 안전 기능을 갖고 긴급 차단되는 조절 밸브인 것이 바람직하다. 여기서 파이프 라인 연결은 간단하고, 밸브 테스트 작동을 위해 상응하는 변형이 제공될 필요가 없으므로, 이에 기인한 제한부가 배치되지 않는 것이 바람직하다.
또한, 생증기 유입부에 긴급 차단 밸브가 제공되고 생증기 바이패스 라인은 스로틀 밸브의 상류측에 설치되는 긴급 차단 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.
이에 의해, 생증기 라인 내의 긴급 차단 밸브와 더불어, 추가로 생증기 유입부의 증기 터빈과 바이패스 라인은 보호된다.
생증기 바이패스 라인의 긴급 차단 밸브가 생증기 유입부의 긴급 차단 밸브와 결합되므로, 생증기 바이패스 라인의 긴급 차단 밸브가 생증기 유입부의 긴급 차단 밸브와 함께 작동되는 것이 바람직하다.
이에 의해, 생증기 유입부의 긴급 차단 밸브와 생증기 바이패스 라인의 긴급 차단 밸브가 동시에 작동되므로, 증기 터빈은 확실하게 작동한다.
또한, 스로틀 밸브가 추기 증기 배출부와 결합하므로, 스로틀 밸브가 생증기를 추기 증기 배출부 내에서 추기 증기압으로 스로틀링하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 생증기 바이패스 라인을 거친 바이패스 유동량은 스로틀 밸브에 의해 폐회로 제어되므로, 생증기 조절 밸브가 완전 개방될 때 생증기 라인 내에는 원자로/증기 발생기에서 요구되는 생증기 압력이 설정 가능하다.
추기 증기 배출부에 연결되고 생증기 바이패스 라인이 이어지는 추기 증기 라인을 증기 터빈 시스템이 포함하는 것이 바람직하다.
증기 터빈 시스템을 구비한 본 발명에 따른 발전 설비는 생증기를 과열시키기 위해, 추기 증기가 공급 가능한 중간 과열기를 포함한다.
증기 터빈 시스템은 스로틀 밸브를 통해 추기 증기에 생증기를 공급하는 생증기 바이패스 라인을 포함한다. 이에 따라, 생증기를 과열시키기 위해, 생증기 바이패스 라인을 통해 증기 터빈을 거치도록 안내되는 생증기는 중간 과열기에 공급되므로, 발전 설비는 높은 열효율을 갖는다.
중간 과열기는 2개 계단부로 형성되는 것이 바람직하다.
제1 중간 과열기 계단부가 추가로 가열 증기를 필요로 함으로써, 바이패스 유동량은 스로틀링된 바이패스 유동량이 증기 터빈 내에 직접 도입되기 전에 확실히 증가될 수 있다.
또한, 추기 증기 배출부에 체크 밸브가 제공되며, 이러한 체크 밸브의 상류측에 생증기 바이패스 라인이 이어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 추기 증기 배출부로의 역류를 일으키는, 추기 증기 배출부에서 외부로부터 가해지는 높은 압력이 바람직하게 저지된다.
하기에는 본 발명에 따른 증기 터빈 시스템의 바람직한 실시예들이 첨부된 개략적인 도면들에 의해 설명된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 증기 터빈 시스템 및 본 발명에 따른 발전 설비의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 증기 터빈 시스템의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 증기 터빈 시스템(100)은 증기 터빈(110)과 증기 터빈(111)을 포함한다. 증기 터빈들(110 및 111)은 생증기 유입을 위한 생증기 유입부(112 내지 115)와, 추기 증기를 추출하기 위한 추기 증기 배출부(116)를 포함한다. 증기 터빈들(110 및 111)로의 생증기 공급을 폐회로 제어하기 위해, 생증기 유입부(112 내지 115)에는 생증기 조절 밸브(117 내지 120)가 제공된다. 생증기 유입부(112 내지 115) 및 증기 터빈을 보호하기 위해, 이들 생증기 유입부에 긴급 차단 밸브(121 내지 124)가 연결된다.
또한, 증기 터빈 시스템(100)은 각각 생증기 유입부(112 내지 115)에 연결되는 생증기 라인(125 내지 128)을 포함한다. 또한 추기 증기 배출부(116)에는 추기 증기 라인(129)이 제공된다.
증기 터빈 시스템(100)은 생증기 조절 밸브(117 내지 120)의 유입부와 추기 증기 배출부(116)에 연결되는 생증기 바이패스 라인(130)을 포함하므로, 생증기 바이패스 라인(130) 내에서는 생증기 조절 밸브(117 내지 120)로부터 추기 증기 배출부(116)로의 생증기가 증기 터빈(110 및 111)을 거쳐갈 수 있다. 대안적으로, 도 3에 따라, 생증기 바이패스 라인(130)은 긴급 차단 밸브의 상류측에 연결된다.
생증기 바이패스 라인(130)에서, 유동 방향으로 볼 때, 우선 긴급 차단 밸브(131)가 제공되고, 이어서 스로틀 밸브(132)가 제공된다. 긴급 차단 밸브(131)는 긴급 차단 밸브(121)와 결합되므로, 2개의 긴급 차단 밸브(121 내지 124, 및 131)는 상응하게 작동을 요하는 상태(예를 들어 초과 회전수)가 발생할 때 동시에 작동된다. 스로틀 밸브(132)는 증기압에 따라 생증기 바이패스 라인(130)의 하류측에서 폐회로 제어되므로, 생증기는 생증기 조절 밸브(117 내지 120)의 유입부로부터 추기 증기 배출부(116)로 스로틀링된다.
생증기 조절 밸브(117 내지 120)의 배출부에는 증기 터빈(110 및 111)을 작동시키기 위한 생증기가 내부에 제공되는 생증기 라인(125 내지 128)이 제공된다. 생증기 라인(125 내지 128) 내에는 생증기 유입부 및 증기 터빈을 보호하기 위한 긴급 차단 밸브(146 내지 149)가 제공된다. 또한 추기 라인(129) 내에는 추기 증기 라인(129) 내의 역류를 저지할 수 있는 체크 밸브(170 및 171)가 제공된다.
생증기 바이패스 라인(130)은 긴급 차단 밸브(146 내지 149)와, 생증기 조절 밸브(117 내지 120)의 배출부 사이의 생증기 라인(125 내지 128)으로 분기되어, 체크 밸브(171)와 추기 증기 배출부(116) 사이의 추기 증기 라인(129)으로 이어진다.
생증기 라인(125 내지 128) 내의 압력을 폐회로 제어하기 위해, 긴급 차단 밸브(146 내지 149)에 평행하게 조절 밸브(150 및 151)가 제공된다.
또한, 증기 터빈 시스템(100)은 각각 제1 중간 과열기 계단부(142 및 143)와 제2 중간 과열기 계단부(144 및 145)를 포함하는 중간 과열기(140 및 141)를 포함한다. 추기 증기 라인(129)으로부터는 체크 밸브(170)의 하류측에서 제2 가열 라인(162 및 163)이 분기되고, 이러한 제2 가열 라인 내에서 추기 증기는 제1 중간 과열기 계단부(142 및 143)로 안내된다. 제2 중간 과열기 계단부(144 및 145)에서는 생증기 라인(125 내지 128) 내에서 긴급 차단 밸브(146 내지 149)의 상류측에 공급되는 생증기를 공급하기 위한 제1 가열 증기 라인(160 및 161)이 제공된다.

Claims (10)

  1. 본 발명은 생증기 유입부(112-115)에서 생증기 조절 밸브(117-120)를 포함하고 추기 증기 배출부(116)를 갖는 증기 터빈(110, 111)과, 스로틀 밸브(132)를 구비한 생증기 바이패스 라인(130)을 포함하는 발전 설비용 증기 터빈 시스템이며, 상기 생증기 바이패스 라인은 스로틀 밸브(132)에 의해 스로틀링된 생증기를 생증기 밸브(117-120)의 상류측으로부터 추기 증기 배출부(116)로 안내하기 위해 생증기 조절 밸브(117-120)의 유입부와 추기 증기 배출부(116)에 연결되는, 발전 설비용 증기 터빈 시스템에 있어서,
    생증기 조절 밸브(117-120)를 포함한 증기 터빈(110, 111)과, 스로틀 밸브(132)를 포함한 생증기 바이패스 라인(130)은 증기 터빈(110, 111)이 생증기 유동량이 100%인 공칭 작동 상태에서 뿐 아니라 생증기 유동량이 100% 이상인 특수 작동 상태에서도 완전 개방된 생증기 조절 밸브(117-120)에 의해 각각 작동 가능하도록 구성되어 있으며, 공칭 작동 상태에 비해 초과된 생증기 유동량은 생증기 조절 밸브(117-120)의 유입부에서 생증기 바이패스 라인(130)을 통해 증기 터빈(110, 111)을 거쳐갈 수 있거나, 생증기 유동량이 100%일 때 생증기 유동량의 사전 설정된 부분량이 생증기 바이패스 라인(130)을 통해 거쳐감으로써 생증기의 정압의 하강이 달성 가능한, 발전 설비용 증기 터빈 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 특수 작동 상태에서의 생증기 유동량은 공칭 작동 상태에서의 생증기 유동량의 102% 내지 115%인, 발전 설비용 증기 터빈 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 증기 터빈 시스템(100)은 긴급 차단 밸브(146-149)를 구비한 생증기 라인(125-128)을 포함하며, 이러한 생증기 라인은 생증기 조절 밸브(117-120)로 생증기 유동량을 공급하기 위해 이러한 생증기 조절 밸브에 연결되며, 생증기 바이패스 라인(130)은 생증기 라인(125-128)의 긴급 차단 밸브(146-149)와 생증기 조절 밸브(117-120) 사이에서 생증기 라인에 연결되거나, 긴급 차단 밸브(146-149)의 상류측에 연결되는, 발전 설비용 증기 터빈 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 생증기 유입부(112-115)에는 긴급 차단 밸브(146-149)가 제공되고 생증기 바이패스 라인(130)은 스로틀 밸브(132)의 상류측에 설치되는 긴급 차단 밸브(131)를 포함하는, 발전 설비용 증기 터빈 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 생증기 바이패스 라인(130)의 긴급 차단 밸브(131)가 생증기 유입부(112-115)의 긴급 차단 밸브(121-124)와 결합되므로, 생증기 바이패스 라인(130)의 긴급 차단 밸브(131)는 생증기 유입부(112-115)의 긴급 차단 밸브(121-124)와 함께 작동하는, 발전 설비용 증기 터빈 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 스로틀 밸브(132)는 추기 증기 배출부(116)와 결합하므로, 스로틀 밸브(132)는 생증기를 추기 증기 배출부(116) 내에서 추기 증기압으로 스로틀링하는, 발전 설비용 증기 터빈 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 터빈 시스템(100)은, 추기 증기 배출부(116)에 연결되고 생증기 바이패스 라인(130)이 이어지는 추기 증기 라인(129)을 포함하는, 발전 설비용 증기 터빈 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 증기 터빈 시스템(100)을 구비한 발전 설비에 있어서, 상기 발전 설비는 생증기를 과열시키기 위해, 추기 증기가 공급 가능한 중간 과열기(140, 141)를 포함하는, 증기 터빈 시스템을 구비한 발전 설비.
  9. 제8항에 있어서, 상기 중간 과열기(140, 141)는 2개 계단부로 형성되는, 증기 터빈 시스템을 구비한 발전 설비.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 추기 증기 배출부(116)에는 체크 밸브(170, 171)가 제공되며, 체크 밸브의 상류측에는 생증기 바이패스 라인(130)이 이어지는, 증기 터빈 시스템을 구비한 발전 설비.
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