KR20160042449A - 단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사 방법 - Google Patents

단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 가스 터빈(2), 발전기(4) 및 증기 터빈(3)을 포함하는 단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사를 위한 방법이며, 상기 방법은, (a) 단축 시스템(1)이 정격 속도로 작동되며, 발전기(4)에 전기 부하가 연결되지 않는 단계와, (b) 증기 터빈(3)의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하도록, 증기 터빈(3) 내로 도입되는 증기의 질량 유동 및/또는 가스 터빈(2) 내로 도입되는 연료의 질량 유동이 증가되며, 과속도 보호 장치는, 증기 터빈(3)의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하는 즉시 제1 과속도 보호가 개시되도록 설치되는 단계와, (c) 제1 과속도 보호가 개시되는 지의 여부를 검사하는 단계를 포함한다.

Description

단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사 방법{METHOD FOR TESTING AN OVERSPEED PROTECTION DEVICE OF A SINGLE-SHAFT PLANT}
본 발명은 단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사 방법에 관한 것이다.
전기 에너지의 생성을 위한 단축 시스템에서, 가스 터빈, 증기 터빈 및 발전기가 공동의 트레인(train) 상에 배열된다. 단축 시스템의 정상 작동 시에, 전기 에너지가 전력망에 공급되고, 트레인은 예를 들어 50Hz 또는 60Hz와 같은 단축 시스템의 정격 속도에 상응하는 속도로 회전한다. 장애 발생 시에, 특히 발전기에 연결된 전기 부하의 하강 시에, 속도는 정격 속도보다 높은 값으로 상승할 수 있다. 속도가 임계 속도에 도달하는 경우, 발전기에 의해 생성된 동시 발생 전류가 전력망과 더 이상 연결되지 않고 그리고/또는 단축 시스템은 기계적으로 그리고 열적으로 과부하를 받으며, 이는 단축 시스템의 수명의 단축을 가져온다.
한계 속도의 도달 시에, 트레인의 속도의 추가의 상승을 차단하는 과속도 보호 장치가 결합되며, 한계 속도는 통상, 정격 속도와 임계 속도 사이에 있도록 선택된다. 통상, 과속도 보호 장치는, 시험 작동 중에 단축 시스템의 과부하를 방지하기 위해, 한계 속도가 정상 작동의 한계 속도에 비해 하강하는 시험 작동에서 단축 시스템이 작동되는 방식으로 검사된다.
그러나 정상 작동에서와 동일한 한계 속도가 시험 작동에서 사용되는 것이 바람직할 수도 있다. 또한, 이러한 시험은 예를 들어 한국과 같은 몇몇 나라에서 강제적으로 규정되어 있다.
본 발명의 과제는 단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사 방법을 제공하는 것이며, 상기 방법은 단축 시스템의 과부하를 야기하지 않는다.
가스 터빈, 발전기 및 증기 터빈을 포함하는 단축 시스템의 과속도 보호 장치를 검사하기 위한 본 발명에 따른 방법은, (a) 정격 속도로 단축 시스템이 작동되며, 발전기에 전기 부하가 연결되지 않는 단계와, (b) 증기 터빈의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하도록, 증기 터빈 내로 도입되는 증기의 질량 유동 및/또는 가스 터빈 내로 도입되는 연료의 질량 유동이 증가되며, 과속도 보호 장치는, 증기 터빈의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하는 즉시 제1 과속도 보호가 개시되도록 설치되는 단계와, (c) 제1 과속도 보호가 개시되는 지의 여부를 검사하는 단계를 포함한다.
예를 들어 발전기에 연결된 전기 부하의 인가를 통하지 않고, 연료 및/또는 증기의 질량 유동의 증가를 통해 증기 터빈 한계 속도에 도달함으로써, 증기 터빈 한계 속도가 바람직하게는 느리게 기동될 수 있고 단축 시스템의 임계 속도가 바람직하게 방지될 수 있다. 이에 의해, 단축 시스템의 기계적 그리고 열적 과부하가 과속도 보호 장치의 검사 중에 방지될 수 있음으로써, 단축 시스템의 수명이 길어진다. 가스 터빈 한계 속도 및 증기 터빈 한계 속도를 위해 단축 시스템의 정상 작동에서와 동일한 한계 속도가 사용될 경우라도, 과부하는 본 발명에 따른 방법에 의해 방지될 수 있다.
증기 터빈은 바람직하게는 클러치를 통해 단축 시스템에 결합되며, 클러치는 증기 터빈이 가스 터빈을 추월하는 즉시 맞물리며, 증기 터빈의 속도가 가스 터빈의 속도보다 낮을 경우 결합 해제되며, 상기 단계(b)는 증기 터빈이 가스 터빈보다 빠르게 가속됨으로써, 클러치가 맞물려서 유지되도록 실행된다. 클러치가 맞물려서 유지됨으로써, 가스 터빈 및 증기 터빈이 동일한 속도로 회전하나, 증기 터빈은 그 증기 터빈 한계값으로 가속됨으로써, 바람직하게는, 가스 터빈의 속도가 임계 속도에 도달하지 않는 것이 보장된다.
상기 방법은 바람직하게는, (d) 제1 과속도 보호가 개시될 경우, 증기 터빈 내로 도입된 증기의 질량 유동이 차단되는 단계에 의해 실행된다. 증기의 질량 유동의 차단은, 클러치를 결합 해제시키고, 이로써 증기 터빈이 가스 터빈 및 발전기와 무관하게 회전하도록 한다.
바람직하게는, 상기 방법은 (e) 증기 터빈 한계 속도보다 높은 가스 터빈 한계 속도에 도달하도록, 연료의 질량 유동이 증가되며, 과속도 보호 장치는, 가스 터빈의 속도가 가스 터빈 한계 속도에 도달하는 즉시 제2 과속도 보호가 개시되도록 설치되는 단계와, (f) 제2 과속도 보호가 개시되는 지의 여부를 검사하는 단계에 의해 실행된다. 가스 터빈 한계 속도가 증기 터빈 한계 속도보다 높음으로써, 제2 과속도 보호의 검사가 제1 과속도 보호의 검사 실행 후에, 그리고 이러한 검사와는 무관하게 수행될 수 있다.
이하, 첨부된 개략적인 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 방법이 더 상세히 설명된다.
도 1은 단축 시스템의 개략적인 도면을 도시한다.
도 2는 단축 시스템의 시간에 따른 속도 그래프를 도시한다.
도 3은 단축 시스템의 시간에 따른 출력 그래프를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단축 시스템(1)은 가스 터빈(2), 증기 터빈(3) 및 전기 발전기(4)를 포함한다. 가스 터빈(2) 및 증기 터빈(3)은 회전 에너지를 생성하기 위해 사용되며, 회전 에너지는 발전기(4) 내에서 전기 에너지로 변환된다. 발전기(4)는 가스 터빈(2)과 증기 터빈(3) 사이에 배열된다. 가스 터빈(2)은 가스 터빈 축(5)을 포함하며, 증기 터빈(3)은 증기 터빈 축(6)을 포함한다. 도 1에는, 발전기(4) 및 가스 터빈(2)이 함께 가스 터빈 축(5) 상에 배열되는 것이 도시된다. 그러나 발전기(4)를 위해, 클러치를 통해 가스 터빈 축(5)에 결합되는 별도의 발전기 축이 제공되는 것도 가능하다.
증기 터빈 축(6)이 클러치(7)를 통해 가스 터빈 축(5)과 연결된다. 클러치(7)는, 증기 터빈(3)이 가스 터빈(2)을 추월할 경우에 맞물리도록 설치되는데, 이는, 증기 터빈(3)의 속도가 가스 터빈(2)의 속도보다 높다는 것을 의미한다. 클러치(7)가 맞물리는 즉시, 가스 터빈(2) 및 증기 터빈(3)은 동일한 속도로 회전한다. 또한, 클러치(7)는, 증기 터빈(3)이 가스 터빈(2)보다 느리게 회전할 경우 결합 해제되도록 설치된다. 클러치(7)는 예를 들어 SSS 클러치일 수 있다.
단축 시스템(1)의 기동 시에, 먼저 가스 터빈(2)이 가속되고, 클러치(7)가 결합 해제된다. 가스 터빈(2)의 폐열은 증기 터빈(3)을 구동하기 위해 사용된다. 마찬가지로, 증기 터빈(3)이 가속되는 즉시, 클러치(7)가 맞물린다.
스위치(9)의 연결을 통해 전기 소비기(10)가 발전기(4)의 전기 연결부(8)에 연결될 수 있다. 소비기(10)의 전기 소비는 발전기(4)에 연결된 전기 부하에 상응한다. 증기 터빈(3) 내로 도입되는 증기의 질량 유동 및/또는 가스 터빈(2) 내로 도입되는 연료의 질량 유동이 감소하지 않으면서, 발전기(4)에 연결된 부하가 하강할 경우에, 이는 단축 시스템(1)의 속도의 상승을 유도한다. 스위치(9)의 개방을 통해, 과속도 보호 장치의 검사 중에 전기 부하가 발전기(4)에 연결되지 않는 것이 보장된다.
단축 시스템(1)의 속도가 임계값으로 상승하는 것을 방지하기 위해, 단축 시스템(1)은 과속도 보호 장치를 포함한다. 과속도 보호 장치는, 증기 터빈(3)의 속도가 증기 터빈 한계 속도(13)에 도달하는 즉시, 제1 과속도 보호가 개시되며, 가스 터빈(2)의 속도가 가스 터빈 한계 속도(14)에 도달하는 즉시, 제2 과속도 보호가 개시되도록 설치된다. 제1 과속도 보호가 개시될 경우에, 예를 들어 연료의 질량 유동 및/또는 증기의 질량 유동이 차단될 수 있다. 제2 과속도 보호가 개시될 경우에, 마찬가지로 연료의 질량 유동이 차단될 수 있다.
도 2는 단축 시스템의 시간에 따른 속도 그래프를 도시하며, 도 3은 그와 관련된 가스 터빈(2) 및 증기 터빈(3)의 시간에 따른 출력 그래프를 도시한다. 도 2에서, 가로축(11) 상에는 시간이 임의의 단위(arbitrary unit; a.u.)로, 그리고 세로축(12) 상에는 속도가 도시되며, 속도는 단축 시스템(1)의 정격 속도에 대해 정규화되어 도시된다. 증기 터빈(3)의 목표 속도(15), 증기 터빈(3)의 실제 속도(16), 가스 터빈(2)의 목표 속도(21) 및 가스 터빈(2)의 실제 속도(22)가 도시된다. 마찬가지로, 도 2에는, 증기 터빈 한계 속도(13) 및 가스 터빈 한계 속도(14)가 도시되며, 가스 터빈 한계 속도(14)는 증기 터빈 한계 속도(13)보다 높다. 도 3에서, 가로축(17) 상에 도 2와 동일한 임의의 단위로 시간이 도시되며, 세로축(18) 상에 출력이 도시된다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 0 내지 1 a.u.의 시간 범위 내에서, 단축 시스템(1)은 정격 속도로 작동된다. 2 내지 6 a.u.의 시간 범위 내에서, 두 개의 목표 속도(15, 21)가 연속으로 가스 터빈 한계 속도(14)보다 높은 값으로 상승함으로써, 두 개의 실제 속도(16, 22)도 상승한다. 6 a.u.의 시점에서, 증기 터빈(3)의 실제 속도(16)가 증기 터빈 한계 속도(13)에 도달함으로써, 제1 과속도 보호가 개시된다. 이에 의해, 증기 터빈(3) 내로 도입되는 증기의 질량 유동이 차단됨으로써, 클러치(7)가 결합 해제된다. 9 a.u.의 시점에서, 가스 터빈(2)의 실제 속도(22)가 가스 터빈 한계 속도(14)에 도달함으로써, 제2 과속도 보호가 개시된다. 이에 의해, 가스 터빈(2) 내로 도입되는 연료의 질량 유동이 차단된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 증기 터빈(3)의 출력(19)의 시간에 따른 그래프는, 제1 과속도 보호의 개시를 통해 갑자기 0으로 하강되도록, 출력(19)이 2 내지 7 a.u.의 시간 범위 내에서 연속으로 증가되는 것을 특징으로 한다. 가스 터빈(2)의 출력의 관련된 시간에 따른 그래프는, 실제 속도(16)가 가스 터빈 한계 속도(14)에 도달되는 경우, 11 a.u. 시점까지 연속으로 상승하도록, 7 a.u. 시점까지 연속으로 하강되는 것을 특징으로 한다.
이하, 실시예를 참조로 본 발명에 따른 방법이 더 상세히 설명된다.
가스 터빈(2), 발전기(4) 및 증기 터빈(3)을 포함하는 단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사를 위한 예시적인 방법에서, 증기 터빈(3)은 클러치(7)를 이용하여 단축 시스템(1)에 결합되며, 클러치(7)는, 증기 터빈(3)이 가스 터빈(2)을 추월하는 즉시 맞물리며, 증기 터빈(3)의 속도가 가스 터빈(2)의 속도보다 낮을 경우 결합 해제되며, 상기 방법은, (a) 단축 시스템(1)이 정격 속도로 작동되며, 발전기(4)에 전기 부하가 연결되지 않는 단계와, (b) 증기 터빈(3)의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하도록, 증기 터빈(3) 내로 도입되는 증기의 질량 유동 및/또는 가스 터빈(2) 내로 도입되는 연료의 질량 유동이 증가되며, 이러한 증가는 증기 터빈(3)이 가스 터빈(2)보다 빠르게 가속됨으로써, 클러치(7)가 맞물려 유지되도록 실행되며, 과속도 보호 장치는, 증기 터빈(3)의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하는 즉시 제1 과속도 보호가 개시되도록 설치되는 단계와, (c) 제1 과속도 보호가 개시되는 지의 여부를 검사하는 단계와, (d) 제1 과속도 보호가 개시될 경우, 증기 터빈(3) 내로 도입되는 증기의 질량 유동이 차단되는 단계와, (e) 증기 터빈 한계 속도보다 높은 가스 터빈 한계 속도에 도달하도록, 연료의 질량 유동이 증가되며, 과속도 보호 장치는, 가스 터빈(2)의 속도가 가스 터빈 한계 속도에 도달하는 즉시 제2 과속도 보호가 개시되도록 설치되는 단계와, (f) 제2 과속도 보호가 개시되는 지의 여부를 검사하는 단계에 의해 실행된다.
이 경우에, 증기 터빈 한계 속도는 정격 속도의 106% 내지 108%일 수 있으며, 가스 터빈 한계 속도는 증기 터빈 한계 속도보다 0.1% 내지 0.5% 클 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 공개된 실시예로 한정되지 않으며, 다른 변형예들이 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 통상의 기술자에 의해 도출될 수 있다.

Claims (4)

  1. 가스 터빈(2), 발전기(4) 및 증기 터빈(3)을 포함하는 단축 시스템의 과속도 보호 장치의 검사를 위한 방법이며, 상기 방법은,
    (a) 단축 시스템(1)이 정격 속도로 작동되며, 발전기(4)에 전기 부하가 연결되지 않는 단계와,
    (b) 증기 터빈(3)의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하도록, 증기 터빈(3) 내로 도입되는 증기의 질량 유동 및/또는 가스 터빈(2) 내로 도입되는 연료의 질량 유동이 증가되며, 과속도 보호 장치는, 증기 터빈(3)의 속도가 증기 터빈 한계 속도에 도달하는 즉시 제1 과속도 보호가 개시되도록 설치되는 단계와,
    (c) 제1 과속도 보호가 개시되는 지의 여부를 검사하는 단계를 포함하는 과속도 보호 장치 검사 방법.
  2. 제1항에 있어서, 증기 터빈(3)은 클러치(7)를 통해 단축 시스템(1)에 결합되며,
    클러치(7)는 증기 터빈(3)이 가스 터빈(2)을 추월하는 즉시 맞물리며, 증기 터빈(3)의 속도가 가스 터빈(2)의 속도보다 낮을 경우 결합 해제되며, 상기 단계(b)는 증기 터빈(3)이 가스 터빈(2)보다 빠르게 가속됨으로써, 클러치(7)가 맞물려 유지되도록 실행되는 과속도 보호 장치 검사 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, (d) 제1 과속도 보호가 개시될 경우, 증기 터빈(3) 내로 도입되는 증기의 질량 유동이 차단되는 단계를 포함하는 과속도 보호 장치 검사 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, (e) 증기 터빈 한계 속도보다 높은 가스 터빈 한계 속도에 도달하도록, 연료의 질량 유동이 증가되며, 과속도 보호 장치는, 가스 터빈(2)의 속도가 가스 터빈 한계 속도에 도달하는 즉시 제2 과속도 보호가 개시되도록 설치되는 단계와,
    (f) 제2 과속도 보호가 개시되는 지의 여부를 검사하는 단계를 포함하는 과속도 보호 장치 검사 방법.
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