KR20150143396A - 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

증기터빈 발전설비의 출력 제어장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자로, 상기 원자로로부터 주증기관을 통해 증기가 공급되는 고압터빈, 상기 고압터빈으로부터 배출된 증기가 습분분리재열기를 거쳐 공급되는 저압터빈, 상기 주증기관에서 분기되어 상기 습분분리재열기로 연결되는 분기관, 상기 저압터빈에 연결되는 발전기, 상기 저압터빈으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기, 상기 복수기에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프, 및 상기 복수를 가열하는 급수 가열기를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치로서, 상기 분기관에 구비되는 분기관 제어밸브, 및 상기 분기관 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치에 관한 것이다.

Description

증기터빈 발전설비의 출력 제어장치 및 제어방법{APPARATUS AND METHOD FOR REACTOR POWER CONTROL OF STEAM TURBINE POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈으로 유입되는 증기유량이 조절되도록 제어됨으로써 출력 변동 요구에 추종하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.
증기 터빈을 이용하는 발전설비는 화력 발전소나 원자력 발전소 등에서 사용되고 있다.
이 중에서 원자력 발전설비의 일례를 도 1을 참조하여 좀더 구체적으로 살펴보면, 원자력 발전설비는 원자로(7)와, 터빈(17,19)과, 복수기(21)와, 급수가열기(22,23)를 포함할 수 있다.
원자로(7)는 복수의 연료봉, 노심의 반응도를 제어하는 제어봉을 배치한 노심을 포함하여, 후술할 터빈(17,19)으로 공급되는 증기를 발생시킨다. 제어봉은 원자로의 출력, 즉 노심 출력을 조정한다.
원자로(7)에 연결된 주증기관(14)에는 원자로(7)에서 발생된 증기가 공급된다. 주증기관(14)으로 공급되는 증기는 주증기관(14)에 구비된 주증기관 제어밸브(16)를 통해 고압터빈(17)으로 공급된다. 주증기관 제어밸브(16)는 고압터빈(17)으로 공급되는 증기량을 조절한다.
고압터빈(17)으로 공급된 증기는 습분분리재열기(18)를 거쳐 저압터빈(19)으로 공급된다. 저압터빈(19)은 발전기(20)와 연결된다.
저압터빈(19)의 출구에는 저압터빈(19)로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기(21)이 설치되며, 복수기(21)의 하류 측에는 저압 급수 가열기(22), 급수펌프(23), 및 고압 급수 가열기(24)가 설치된다. 고압 급수 가열기(24)의 출구에 급수관(15)이 연결되어 있다.
복수기(21)의 하류측은 복수기(21)로부터 원자로(7)에 이르는 급수관(15)이 연결된다. 급수관(15) 상에는 순차적으로 복수기(21)로부터 공급된 급수를 가열하는 저압 급수 가열기(22)와 급수를 가압해 원자로(7)에 공급하는 급수펌프(23)와 급수를 가열하는 고압 급수 가열기(24)가 배치된다.
전술한 원자력 발전설비는, 원자로에서 발생된 증기가 주증기관을 통해 고압 터빈으로 공급되며, 터빈은 증기에 의해 회전되어 터빈에 연결된 발전기를 회전시키게 된다.
저압 터빈으로부터 배출된 증기는 복수기로 거치면서 응축되며, 응축된 복수는 급수관을 통해 급수관 상에 설치된 복수단의 급수 가열기에 의해 가열되어 다시 원자로에 공급된다.
한편, 전력의 소비는 계절, 휴일과 평일, 낮과 밤의 요인 등에 의하여 크게 변화한다. 전력계통에서는 발전량과 소비전력이 균형을 이루게 함으로써 안정된 전압, 계통 주파수가 유지된다.
전력계통 전체로서의 출력조정은 주로 화력발전, 수력발전 등으로 실시하지만, 원자력발전에서도 출력제어가 필요하다.
종래에는 출력변동에 따르는 열적 변동에 의해 연료 피복관에 균열이 생겨 기체 상의 방사성 핵분열 생성물(크세논, 요드 등)이 원자로 냉각수 중에 누설될 우려가 있었기 때문에, 원자력 발전설비는 일정출력으로 운전되었다.
그러나 최근에 원자력 발전설비는, 피복관의 개량이 이루어지는 등 대책이 취해져 그러한 우려도 해소되었으며, 전력회사, 제작회사, 연구기관에서 출력조정운전의 연구, 시험 등이 실시되고 있고, 출력의 변동 즉, 출력을 조정하는 운전을 할 수 있도록 설계되고 있다.
전력계통에서 전력의 소비가 생산을 웃돌게 되면 발전기의 회전수가 떨어져 계통주파수가 저하된다. 생산이 소비를 웃돌게 되면 발전기의 회전수가 올라가서 계통주파수가 상승한다. 이와 같은 변동 상황에 대응하는 발전설비의 출력 제어는 통상, 원자로(또는 보일러)에서 발생되는 증기량을 조절하거나 또는 터빈에 공급하는 주증기량을 조절하는 방식으로 이루어진다.
그러나, 원자로에서 발생되는 증기량 조절은 노심 유량의 제어 및 제어봉 위치 조정에 의해 수행되고 있고, 보일러에서 발생되는 증기량 조절도 급수량, 연료량, 및 공기량 조절에 의해 수행되고 있어서, 발전기 출력이 변경될 때까지 시정수가 크다. 그로 인해 출력 변동에 대응하는 추종성이 떨어지는 문제가 있다.
터빈에 공급되는 주증기량을 주증기관 제어밸브를 통해 조절하는 방식은, 고압터빈으로 공급되는 증기량을 감소시켜 발전기 출력을 감소시킬 수만 있을 뿐, 발전기의 출력 감소 상황에서 감소 출력의 보상 요청이 있을 때에는 적절한 대응방안이 되지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발전기의 출력 감소에 따른 보상 요구 대응에 있어서, 출력 변동 추종성이 향상되는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치 및 제어방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치는, 원자로, 상기 원자로로부터 주증기관을 통해 증기가 공급되는 고압터빈, 상기 고압터빈으로부터 배출된 증기가 습분분리재열기를 거쳐 공급되는 저압터빈, 상기 주증기관에서 분기되어 상기 습분분리재열기로 연결되는 분기관, 상기 저압터빈에 연결되는 발전기, 상기 저압터빈으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기, 상기 복수기에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프, 및 상기 복수를 가열하는 급수 가열기를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치로서, 상기 분기관에 구비되는 분기관 제어밸브; 및 상기 복수기와 상기 복수 펌프 사이를 연결하는 복수관에 구비되는 복수관 제어밸브; 상기 급수 가열기와 상기 고압터빈 간 연결된 추기관에 구비되는 추기관 제어밸브; 및 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 급수탱크에 저장된 급수량과 복수기 핫 웰에 저장된 복수량을 측정 및 분석하여 상기 분기관 제어밸브, 복수관 제어밸브, 추기관 제어밸브 중 어느 하나의 개도를 제어하거나, 또는 둘 이상의 밸브 개도를 동시에 또는 시간차를 두고 연동 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 발전기의 출력 감소에 대응하는 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 분기관 제어밸브가 완전 개방상태, 부분 폐쇄상태, 또는 완전 폐쇄상태 중 어느 하나의 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 원자로, 상기 원자로로부터 주증기관을 통해 증기가 공급되는 고압터빈, 상기 고압터빈으로부터 배출된 증기가 습분분리재열기를 거쳐 공급되는 저압터빈, 상기 주증기관에서 분기되어 상기 습분분리재열기로 연결되는 분기관, 상기 저압터빈에 연결되는 발전기, 상기 저압터빈으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기, 상기 복수기에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프, 상기 복수를 가열하는 급수 가열기, 상기 분기관에 구비되는 분기관 제어밸브, 상기 복수기와 상기 복수 펌프 사이를 연결하는 복수관에 구비되는 복수관 제어밸브, 상기 급수 가열기와 상기 고압터빈 간 연결된 추기관에 구비되는 추기관 제어밸브, 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법으로서, (a) 상기 발전기의 출력을 측정하는 단계; (b) 상기 발전기의 측정된 출력값과 목표 출력값을 비교하여 출력 감소 여부를 판단하는 단계; (c) 상기 발전기의 출력 감소에 대응하는 출력 보상 요구 신호를 생성하는 단계; 및 (d) 상기 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 분기관을 통해 공급되는 증기량을 조절하되, 급수탱크에 저장된 급수량과 복수기 핫 웰에 저장된 복수량을 측정 및 분석하여 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브 중 어느 하나의 개도를 제어하거나, 또는 둘 이상의 밸브 개도를 동시에 또는 시간차를 두고 연동 제어하는 단계를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법을 제공한다.
상기 분기관 제어밸브는 완전 개방상태, 부분 폐쇄상태, 또는 완전 폐쇄상태 중 어느 하나의 상태가 되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기 (d) 단계 이후에, (e) 상기 발전기의 출력을 측정하여 출력 보상 여부를 판단하는 단계; 및 (f) 상기 출력 보상 판단에 따라 상기 분기관 제어밸브가 상기 (d) 단계 이전 상태가 되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c) 단계 이후에, (d') 상기 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 복수 펌프로 유입되는 복수량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (d') 단계는 상기 (d) 단계의 수행과 동시에 수행되는 것을 특징으로 한다.
(d") 상기 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 고압터빈으로부터 상기 급수 가열기로 공급되는 추기증기량을 조절하는 단계를 더 포함한다.
상기 (d") 단계는 상기 (d) 단계의 수행과 동시에 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 증기가 공급되어 발전기를 회전시키는 터빈, 상기 터빈으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기, 상기 복수기에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프, 및 상기 복수를 가열하는 급수 가열기를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치로서, 상기 터빈으로 증기를 공급하는 주증기관에서 분기되어 습분분리재열기로 연결되는 분기관에 구비되는 분기관 제어밸브; 상기 복수기와 상기 복수 펌프 사이를 연결하는 복수관에 구비되는 복수관 제어밸브; 상기 터빈으로부터 상기 급수 가열기로 연결되는 추기관에 구비되는 추기관 제어밸브; 및 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 급수탱크에 저장된 급수량과 복수기 핫 웰에 저장된 복수량을 측정 및 분석하여 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브 중 어느 하나의 개도를 제어하거나, 또는 둘 이상의 밸브 개도를 동시에 또는 시간차를 두고 연동 제어하는 것을 특징으로 하는 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치를 제공한다.
상기 제어부는, 상기 발전기의 출력 감소에 대응하는 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 발전기의 출력 감소 확인시 출력 보상을 위하여, 시정수가 큰 원자로 또는 보일러에서의 증기량 제어가 아닌, 터빈으로 유입되는 증기량의 증대 제어, 터빈으로부터 배출되는 증기량의 감소 제어, 또는 복수 펌프에서의 소요 동력 감소 제어가 수행된다. 그리고 이러한 제어는 제어밸브의 단시간 제어로써 실현될 수 있다. 따라서, 출력 변동에 대응하는 추종성이 크게 향상되어 발전설비의 응동성을 크게 증대시킬 수 있다.
도 1은 원자력 발전설비의 일례를 도시한 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어장치를 포함하는 증기터빈 발전설비의 개략적인 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 제어장치를 포함하는 증기터빈 발전설비의 개략적이 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치 및 제어방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치에 관하여 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력 제어장치를 포함하는 증기터빈 발전설비의 개략적인 구성도이다.
우선, 본 발명의 실시예에 따른 출력 제어장치가 적용될 수 있는 일례의 발전설비는 도 2에 도시된 바와 같이 원자력 발전설비(100)일 수 있다.
원자력 발전설비(100)는 도시된 바와 같이 원자로(101), 고압터빈(106), 저압터빈(111), 습분분리재열기(107), 발전기(112), 복수기(113), 복수 펌프(116), 급수 가열기(118,121)를 포함할 수 있다.
원자로(101)는 증기를 발생시키는 구성으로, 원자로(101)에서 생성된 증기는 주증기관(102)을 통해 고압터빈(106)으로 유입될 수 있다. 주증기관(102)에는 고압터빈(106)의 입구에 주증기관 제어밸브(105)가 설치되어 주증기관 제어밸브(105)의 개도 제어에 의해 고압터빈(106)으로 공급되는 증기량을 조절할 수 있다.
고압터빈(106)으로부터 배출되는 증기는 후술할 습분분리재열기(107)를 거쳐 저압터빈(111)으로 공급된다.
고압터빈(106) 및 저압터빈(111)으로 공급되는 증기는 터빈으로 하여금 회전에너지가 발생되도록 하며, 회전에너지는 저압터빈(111)에 연결된 발전기(112)를 회전시켜 전기에너지로 변환된다.
고압터빈(106)과 저압터빈(111) 사이에는 고압터빈(106)에서 배출되는 증기로부터 습분을 분리하고 온도가 저하된 증기를 가열하여 에너지 효율을 회복시키는 습분분리재열기((MSR,107)가 배치된다.
습분분리재열기(107)는 습분을 분리하는 습분분리기(108)와, 습분이 분리된 증기를 가열하는 가열기를 포함할 수 있다. 이때 가열기는 증기가 순차 가열되도록 제1 가열기(109)와 제2 가열기(110)를 포함할 수 있다.
제1 가열기(109)의 가열증기로는 예컨대 고압터빈(106)에서 공급되는 추기증기일 수 있으며, 제2 가열기(110)의 가열증기로서는 주증기관(102)에서 분기되는 분기증기일 수 있다.
제2 가열기(110)로 가열증기가 공급될 수 있도록, 주증기관(102)에는 분기관(103)이 형성될 수 있다. 분기관(103)은 주증기관(102)으로부터 분기되어 제2 가열기(110)로 연결된다. 주증기관(102)을 통해 공급되는 증기 중 일부는 분기관(103)을 통해 제2 가열기(110)로 공급되어 가열증기로 사용된다.
습분분리재열기(107)를 통한 습분 분리 및 증기 가열 과정을 설명하면 다음과 같다.
고압터빈(106)의 입구에서의 증기는 습기 증기 상태이다. 고압터빈(106)으로 공급된 증기는 터빈을 작동시켜 증기의 열에너지를 터빈의 회전에너지로 변환시키게 된다.
그로 인해 증기 온도는 저하되며, 증기의 습도는 고압터빈(106)의 입구에서보다 커진다. 습도가 커지면 건조한 증기와 비교해 손실이 증가하고, 또한 습분에 의해 터빈 블레이드의 부식이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해소하기 위하여, 고압터빈(106)으로부터 배출되는 증기에 포함되는 습분은 습분분리기(108)에서 분리된다. 습분 분리에 의해 고압터빈(106)의 배기증기는 습도가 저하된다.
습분분리기(108)에 의해 습분 분리된 증기는 제1 가열기(109) 및 제2 가열기(110)에서 전술한 추기증기 및 분기증기에 의해 가열되어 건조한 증기 상태로 변환된다. 습분이 제거된 건조한 증기는 저압터빈(111)으로 공급된다.
저압터빈(111)을 회전시킨 증기는 복수기(113)에서 열교환을 통해 응축되어 복수(復水)가 된다. 복수기(113)에서 응축된 복수는 복수기 핫 웰(hot well)에 저장된 후, 모터(117)에 의해 구동되는 복수 펌프(116)에 의해 이송되면서 급수 가열기로 공급된다.
급수 가열기는 저압 급수 가열기(118)와 고압 급수 가열기(121)로 구성될 수 있다.
저압 급수 가열기(118)는 복수 펌프(116)에 의해 복수를 공급받게 된다. 복수 펌프(116)에 의해 저압 급수 가열기(118)로 공급된 복수는 저압터빈(111)으로부터 추기된 저압 추기증기를 열원으로 하여 가열된다.
저압터빈(111)과 저압 급수 가열기(118) 사이에 저압 추기증기가 저압 급수 가열기(118)로 공급되도록 하는 제1 추기관(122)이 연결될 수 있다. 저압 급수 가열기(118)를 통해 가열된 급수는 급수탱크(119)에 저장된다.
급수탱크(119)에 저장된 급수는 급수 펌프(120)에 의해 승압되어 고압 급수 가열기(121)로 공급된다. 고압 급수 가열기(121)로 공급된 급수는 고압터빈(106)으로부터 추기된 고압 추기증기를 열원으로 하여 가열된다. 고압터빈(106)과 고압 급수 가열기(121) 사이에는 고압 추기증기가 고압 급수 가열기(121)로 공급되도록 하는 제2 추기관(124)이 연결될 수 있다.
고압 급수 가열기(121)에 의해 가열된 급수는 원자로(101)로 공급될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치는, 분기관(103)에 구비되는 분기관 제어밸브(104)와, 분기관 제어밸브(104)의 개도를 제어하는 제어부(130)를 포함할 수 있다.
분기관(103)은 전술한 바와 같이 주증기관(102)에서 분기되어 제2 가열기(110)로 연결되는 관으로, 제2 가열기(110)로 분기증기가 공급되도록 하는 관이다. 분기관 제어밸브(104)는 제어부(130)에 의해 개도가 조절되면서 분기관(103)을 통해 공급되는 분기증기량을 조절할 수 있다.
정격출력운전 상황에서 발전기(112)의 출력 정보는 제어부(130)에 전송된다. 이때, 예컨대 터빈 출력의 감소가 발생한 경우, 그에 따른 발전기(112)의 출력 정보를 획득한 제어부(130)는 감소 출력을 보상하기 위한 출력 보상 요구 신호를 생성할 수 있다.
출력 보상 요구 신호는 제어부(130)에서 판단한 출력 보상치의 정도에 따라 구분 생성될 수 있다. 그리고, 출력 보상 요구 신호는 전술한 분기관 제어밸브(104)의 밸브 포지션을 결정하는 신호를 포함할 수 있으며, 이때 결정되는 밸브 포지션은 전술한 출력 보상치의 정도에 구분 결정될 수 있다.
제어부(130)에서 출력되는 출력 보상 요구 신호에 따라 분기관 제어밸브(104)의 개도가 제어되며, 제어부(130)에서 결정된 밸브 포지션에 따라 분기관 제어밸브(104)는 완전 개방상태에서 완전 폐쇄상태가 되거나, 완전 개방상태에서 부분 폐쇄상태가 되거나, 또는 부분 폐쇄상태에서 완전 폐쇄상태가 되도록 제어된다.
다만, 분기관 제어밸브(104)는 전술한 바와 같이 부분 폐쇄 제어가 포함될 수도 있지만, 단순히 완전 개방상태와 완전 폐쇄상태 중 어느 하나의 상태가 되도록 제어되는 것도 가능하다.
분기관 제어밸브(104)가 이와 같이 부분 폐쇄되거나 또는 완전 폐쇄되도록 제어됨으로써, 제2 가열기(110)로 공급되는 분기증기는 증기량이 일부 감소하거나 또는 완전히 차단될 수 있다.
주증기관(102)으로부터 분기되는 증기량이 감소하거나 차단됨에 따라 고압터빈(106)으로 공급되는 증기량은 상대적으로 증가하게 된다. 그 결과 발전기(112)의 출력이 증대될 수 있다. 발전기의 감소 출력이 보상되는 것이다.
본 실시예에 따른 출력 제어장치에 의하면, 원자로(101)에서 발생되는 증기량의 증감 제어를 수행하지 않더라도, 분기증기량 제어를 통한 고압터빈(106) 공급 증기량 제어를 통해 발전기(112)의 출력 보상이 이루어지게 된다. 따라서, 출력 변동에 대응하는 추종성이 크게 향상될 수 있다.
본 실시예에 따른 출력 제어장치는 복수관 제어밸브(115)를 더 포함할 수 있다. 복수관 제어밸브(115)는 복수기(113)와 복수 펌프(116) 사이를 연결하는 복수관(114) 상에 구비될 수 있다. 복수관 제어밸브(115)의 개도는 전술한 제어부(130)의 출력 보상 요구 신호에 따라 제어될 수 있다.
발전기(112)의 출력 감소에 따른 출력 보상 요청이 있는 경우, 제어부(130)는 복수관 제어밸브(115)의 밸브 포지션을 결정하여 복수관 제어밸브(115)를 완전 폐쇄상태에서 부분 폐쇄상태로, 완전 폐쇄상태에서 완전 폐쇄상태로, 또는 부분 폐쇄상태에서 완전 폐쇄상태로 제어하게 된다.
제어부(130)에 의한 복수관 제어밸브(115)의 개도 제어에 따라 복수 펌프(116)로 유입되는 복수량이 일부 감소되거나 완전 차단될 수 있다.
이러한 제어에 의해 저압터빈(111)으로부터의 배출 증기량이 감소되어 터빈 출력을 증대시킬 수 있다.
또한, 복수 펌프(116)에 의해 이송되는 복수량을 줄일 수 있게 되어 복수 펌프(116)에서 필요한 동력을 감소시킬 수 있으며, 소요 동력이 감소함에 따라 복수 펌프(116)를 구동하는 모터(117)의 회전수를 통상 운전시보다 줄일 수 있게 되어 소비 전력을 감소시킬 수 있다. 소비 전력의 감소분은 발전기(112) 출력으로 보상되므로, 결과적으로 발전기(112) 출력을 증대시키게 된다.
본 실시예에 따른 출력 제어장치는 추기관 제어밸브(125)를 더 포함할 수 있다.
추기관 제어밸브(125)는 전술한 제2 추기관(124)에 구비될 수 있다. 추기관 제어밸브(125)는 전술한 제어부(130)의 출력 보상 요구 신호에 따라 개도가 제어될 수 있다.
추기관 제어밸브(125)의 개도 제어에 따라 고압 급수 가열기(121)로 공급되는 추기증기량이 일부 감소되거나 완전 차단될 수 있으며, 그 결과 고압터빈(106) 내에서 터빈 작동을 위해 사용되는 증기량이 증가하여, 발전기(112)의 출력을 증대시킬 수 있다.
필요에 따라서는 저압터빈(111)과 저압 급수 가열기(118)를 연결하는 제1 추기관(122)에 추기관 제어밸브(123)가 더 구비될 수도 있다.
한편, 전술한 급수탱크(119)에 저장된 급수량과 복수기 핫 웰에 저장된 복수량은 측정수단에 의해 측정되어 제어부(130)로 전송될 수 있다. 제어부(130)는 측정된 급수량, 복수량을 분석하여, 필요에 따라 분기관 제어밸브(104), 복수관 제어밸브(115), 및 추기관 제어밸브(123 125) 중 어느 하나의 개도만을 제어하거나, 또는 둘 이상의 밸브 개도를 동시에 또는 시간차를 두고 연동 제어할 수도 있다.
그리고, 전술한 바에서는 터빈으로서 고압터빈(106)과 저압터빈(111)으로 구성됨을 설명하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 고압터빈(106)과 저압터빈(111) 사이에 중압터빈이 더 포함될 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법에 관하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법을 나타낸 순서도이다.
본 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법은 우선 발전기(112)의 출력을 측정하는 단계(S10)를 수행할 수 있다. 발전기(112)의 출력은 지속적으로 측정될 수 있으며, 측정된 출력 정보는 제어부(130)로 전송될 수 있다.
다음, 제어부(130)는 측정된 발전기(112)의 출력값을 목표 출력값과 비교하는 단계(S21) 및 비교 결과에 따라 출력 감소 여부를 판단하는 단계(S22)를 수행할 수 있다. 발전기(112)의 출력 감소가 확인된 경우에, 출력 감소에 대응하는 출력 변동 제어를 수행하기 위함이다.
다음, 제어부(130)는 발전기(112)의 출력 감소가 확인된 경우에 발전기(112)의 출력 감소에 대응하는 출력 보상 요구 신호를 생성하는 단계(S30)를 수행할 수 있다. 출력 보상 요구 신호는 고압터빈(106)으로 공급되는 증기량을 증가시키도록 제어하는 신호로서, 예컨대 전술한 바와 같이 분기관(103)에 분기증기 제어밸브가 구비되는 경우에는 분기증기 제어밸브의 밸브 포지션을 결정하는 신호를 포함할 수 있다.
다음, 제어부(130)는 생성된 신호를 출력하여 분기관(103)을 통해 공급되는 분기증기량을 조절하는 단계(S41)를 수행할 수 있다. 더욱 구체적으로, 제어부(130)는 분기증기 제어밸브의 개도를 제어함으로써 제2 가열기(110)로 공급되는 분기증기량을 감소시키는 동시에 고압터빈(106)으로 공급되는 증기량을 증가시키도록 하는 단계를 수행할 수 있다.
이때, 분기관 제어밸브(104)는 완전 개방상태에서 부분 폐쇄상태가 되도록, 부분 폐쇄상태에서 완전 폐쇄상태가 되도록, 또는 완전 개방상태에서 완전 폐쇄상태가 되도록 제어될 수 있다.
또는 제어부(130)는 전술한 출력 보상 요구 신호를 출력하여 복수 펌프(116)로 유입되는 복수량을 조절하는 단계(S42)를 수행할 수도 있다. 이때 출력 보상 요구 신호는 복수관(114)에 구비되는 복수관 제어밸브(115)의 밸브 포지션을 결정하는 신호를 포함할 수 있으며, 제어부(130)는 복수관 제어밸브(115)의 개도를 제어함으로써 복수 펌프(116)로 유입되는 복수량을 일부 감소시키거나 완전 차단할 수 있다.
또는 제어부(130)는 전술한 출력 보상 요구 신호를 출력하여 고압터빈(106)에서 고압 급수 가열기(121)로 공급되는 고압 추기증기량을 조절하거나 또는 저압터빈(111)에서 저압 급수 가열기(118)로 공급되는 저압 추기증기량을 조절하는 단계(S43)를 수행할 수 있다.
이때 출력 보상 요구 신호는 제1 추기관(122)에 구비되는 추기관 제어밸브(123) 또는 제2 추기관(124)에 구비되는 추기관 제어밸브(125)의 밸브 포지션을 결정하는 신호를 포함할 수 있으며, 제어부(130)는 추기관 제어밸브(123,125)의 개도를 제어함으로써 고압 급수 가열기(121) 또는 저압 급수 가열기(118)로 공급되는 추기증기량을 일부 감소시키거나 완전 차단할 수 있다.
한편, 제어부(130)에 의해 수행되는 전술한 분기증기량 조절 단계(S41), 복수량 조절단계(S42), 및 추기증기량 조절단계(S43)는 제어부(130)에서 출력되는 출력 보상 요구 신호에 따라 그 중 어느 하나의 단계만이 수행될 수도 있다. 또는 둘 이상의 단계가 동시에 또는 시간차를 두고 연계하여 수행될 수도 있다. 다만, 후자의 경우, 출력 변동 추종성을 향상시키기 위해서는 동시에 수행되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 출력 제어방법은, 상기한 분기증기량 조절 단계(S41), 복수량 조절단계(S42), 및 추기증기량 조절단계(S43)가 수행된 이후에 발전기(112)의 출력을 측정하는 단계(S50)를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 제어부(130)는 측정된 발전기(112)의 출력값과 목표 출력값을 비교(S61)하여 출력 보상이 이루어졌는지를 판단하는 단계(S62)를 수행할 수 있다.
여전히 출력 감소 상태, 즉 출력 보상이 요청되는 상태로 확인된 경우에는 출력 보상 요구 신호의 생성 단계(S30) 및 그 이후 제어단계가 재수행될 수 있다.
출력 보상되었음이 확인된 경우에는, 제어부(130)는 분기증기량, 복수량, 추기증기량이 출력 보상 요구 신호 출력 이전의 상태로 복귀되도록 제어하는 단계(S70)를 수행할 수 있다. 즉, 제어부(130)는 분기관 제어밸브(104), 복수관 제어밸브(115), 및 추기관 제어밸브(123,125)에 대하여 출력 보상 요구 신호의 출력 이전의 개도 상태로 복귀되도록 제어신호를 출력할 수 있다. 이후, 발전기(112) 출력 정보는 계속하여 제어부(130)로 전송될 수 있으며, 발전기(112) 출력의 감소 상황이 발생한 경우에는 전술한 일련의 제어 단계가 재수행될 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치는 일례로서 원자력 발전설비(100)에 적용되는 것으로 설명되었다. 다만, 발전기 출력 변동시 전술한 복수관 제어밸브(115) 또는 추기관 제어밸브(123,125)의 개도 제어를 통해 수행되는 추종 제어는 원자력 발전설비(100)에서뿐만 아니라 화력 발전설비에서도 적용될 수 있는 것이다.
이에, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예로서 화력 발전설비에서 적용될 수 있는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치에 관하여, 도 4를 참조하여 설명하기로 하며, 다만 전술한 바에서 설명된 것과 중복되는 내용은 이하에서 간략히 설명하거나 생략하기로 한다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 출력 제어장치를 포함하는 증기터빈 발전설비의 개략적이 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 출력 제어장치가 적용될 수 있는 화력 발전설비(200)는, 증기가 공급되어 발전기(205)를 회전시키는 터빈(204)과, 터빈(204)으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기(206)와, 복수기(206)에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프(207), 및 복수를 가열하는 급수 가열기(208)를 포함할 수 있다.
터빈(204)은 보일러(201)로부터 주증기관(202)을 통해 증기가 공급될 수 있으며, 주증기관(202)에는 터빈(204)으로 공급되는 증기량을 조절하는 주증기관 제어밸브(203)가 구비될 수 있다.
터빈(204)으로 공급된 증기의 열에너지는 터빈(204)을 회전시키면서 회전에너지로 변환되며, 이 회전에너지에 의해 터빈(204)에 연결된 발전기(205)가 회전된다.
터빈(204)으로부터 배출된 증기는 복수기(206)에서 응축되며, 응축된 복수는 복수관(209)을 통하면서 복수 펌프(207)에 의해 급수 가열기(208)로 공급된다. 급수 가열기(208)와 터빈(204) 사이를 연결하는 추기관(211)을 통해 터빈(204)으로부터 급수 가열기(208)로 추기증기가 공급되며, 급수 가열기(208)로 공급된 복수는 추기증기를 열원으로 하여 가열된다.
급수 가열기(208)에서 가열된 급수는 다시 보일러(201)로 공급될 수 있다.
도시된 화력 발전설비(200)는 원자력 발전설비와 비교하여 습분분리재열기와 습분분리재열기로 분기증기를 공급하는 분기관이 형성되지 않은 점에서 차이가 있다.
도시된 바에서 터빈(204)은 하나의 터빈으로 이루어지고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 고압터빈 및 저압터빈으로 구성되거나, 또는 고압터빈, 중압터빈, 및 저압터빈으로 구성될 수도 있다.
본 실시예에 따른 출력 제어장치도 전술한 일 실시예에 따른 출력 제어장치와 마찬가지로, 복수관(209)에 구비되는 복수관 제어밸브(210)와, 추기관(211)에 구비되는 추기관 제어밸브(212)를 포함할 수 있다.
복수관 제어밸브(210)와 추기관 제어밸브(212)는 본 실시예에 포함되는 제어부(220)에 의해 개도가 제어된다.
제어부(220)는, 측정된 발전기의 출력 정보를 통해 발전기 출력 감소가 확인된 경우, 출력 보상 필요가 있는 경우에 출력 보상 요구 신호를 생성할 수 있으며, 이 신호는 전술한 복수관 제어밸브(210) 또는 추기관 제어밸브(212)의 밸브 포지션을 결정하는 신호를 포함할 수 있다.
복수관 제어밸브(210)와 추기관 제어밸브(212)는 제어부(220)에서 출력된 출력 보상 요구 신호에 따라 개도가 제어되며, 이러한 제어를 통해 터빈(204) 작동에 사용되는 증기량을 증대시키거나 복수 펌프(207)에서 소요되는 동력을 감소시킴으로써, 발전기 출력이 보상될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
100: 원자력 발전설비 101: 원자로
104: 분기관 제어밸브 105: 주증기관 제어밸브
106: 고압터빈 107: 습분분리재열기
111: 저압터빈 112: 발전기
113: 복수기 115: 복수관 제어밸브
116: 복수 펌프 118: 저압 급수 가열기
121: 고압 급수 가열기 123,125: 추기관 제어밸브
130: 제어부
200: 화력 발전설비 201: 보일러
203: 주증기관 제어밸브 204: 터빈
205: 발전기 206: 복수기
207: 복수 펌프 208: 급수 가열기
210: 복수관 제어밸브 212: 추기관 제어밸브

Claims (12)

  1. 원자로, 상기 원자로로부터 주증기관을 통해 증기가 공급되는 고압터빈, 상기 고압터빈으로부터 배출된 증기가 습분분리재열기를 거쳐 공급되는 저압터빈, 상기 주증기관에서 분기되어 상기 습분분리재열기로 연결되는 분기관, 상기 저압터빈에 연결되는 발전기, 상기 저압터빈으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기, 상기 복수기에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프, 및 상기 복수를 가열하는 급수 가열기를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치로서,
    상기 분기관에 구비되는 분기관 제어밸브; 및
    상기 복수기와 상기 복수 펌프 사이를 연결하는 복수관에 구비되는 복수관 제어밸브;
    상기 급수 가열기와 상기 고압터빈 간 연결된 추기관에 구비되는 추기관 제어밸브; 및
    상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    급수탱크에 저장된 급수량과 복수기 핫 웰에 저장된 복수량을 측정 및 분석하여 상기 분기관 제어밸브, 복수관 제어밸브, 추기관 제어밸브 중 어느 하나의 개도를 제어하거나, 또는 둘 이상의 밸브 개도를 동시에 또는 시간차를 두고 연동 제어하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 발전기의 출력 감소에 대응하는 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 분기관 제어밸브가 완전 개방상태, 부분 폐쇄상태, 또는 완전 폐쇄상태 중 어느 하나의 상태가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치.
  4. 원자로, 상기 원자로로부터 주증기관을 통해 증기가 공급되는 고압터빈, 상기 고압터빈으로부터 배출된 증기가 습분분리재열기를 거쳐 공급되는 저압터빈, 상기 주증기관에서 분기되어 상기 습분분리재열기로 연결되는 분기관, 상기 저압터빈에 연결되는 발전기, 상기 저압터빈으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기, 상기 복수기에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프, 상기 복수를 가열하는 급수 가열기, 상기 분기관에 구비되는 분기관 제어밸브, 상기 복수기와 상기 복수 펌프 사이를 연결하는 복수관에 구비되는 복수관 제어밸브, 상기 급수 가열기와 상기 고압터빈 간 연결된 추기관에 구비되는 추기관 제어밸브, 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법으로서,
    (a) 상기 발전기의 출력을 측정하는 단계;
    (b) 상기 발전기의 측정된 출력값과 목표 출력값을 비교하여 출력 감소 여부를 판단하는 단계;
    (c) 상기 발전기의 출력 감소에 대응하는 출력 보상 요구 신호를 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 분기관을 통해 공급되는 증기량을 조절하되, 급수탱크에 저장된 급수량과 복수기 핫 웰에 저장된 복수량을 측정 및 분석하여 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브 중 어느 하나의 개도를 제어하거나, 또는 둘 이상의 밸브 개도를 동시에 또는 시간차를 두고 연동 제어하는 단계를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 분기관 제어밸브는 완전 개방상태, 부분 폐쇄상태, 또는 완전 폐쇄상태 중 어느 하나의 상태가 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후에,
    (e) 상기 발전기의 출력을 측정하여 출력 보상 여부를 판단하는 단계; 및
    (f) 상기 출력 보상 판단에 따라 상기 분기관 제어밸브가 상기 (d) 단계 이전 상태가 되도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (d') 상기 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 복수 펌프로 유입되는 복수량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 (d') 단계는 상기 (d) 단계의 수행과 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법.
  9. 청구항 4에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (d") 상기 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 고압터빈으로부터 상기 급수 가열기로 공급되는 추기증기량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 (d") 단계는 상기 (d) 단계의 수행과 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어방법.
  11. 증기가 공급되어 발전기를 회전시키는 터빈, 상기 터빈으로부터 배출된 증기를 응축하는 복수기, 상기 복수기에서 응축된 복수를 이송시키는 복수 펌프, 및 상기 복수를 가열하는 급수 가열기를 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치로서,
    상기 터빈으로 증기를 공급하는 주증기관에서 분기되어 습분분리재열기로 연결되는 분기관에 구비되는 분기관 제어밸브;
    상기 복수기와 상기 복수 펌프 사이를 연결하는 복수관에 구비되는 복수관 제어밸브;
    상기 터빈으로부터 상기 급수 가열기로 연결되는 추기관에 구비되는 추기관 제어밸브; 및
    상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    급수탱크에 저장된 급수량과 복수기 핫 웰에 저장된 복수량을 측정 및 분석하여 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브 중 어느 하나의 개도를 제어하거나, 또는 둘 이상의 밸브 개도를 동시에 또는 시간차를 두고 연동 제어하는 것을 특징으로 하는 포함하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 발전기의 출력 감소에 대응하는 출력 보상 요구 신호에 따라 상기 분기관 제어밸브, 상기 복수관 제어밸브, 상기 추기관 제어밸브의 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 증기터빈 발전설비의 출력 제어장치.
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