KR20160109702A - 터빈 및 이를 이용한 증기 터빈 플랜트 - Google Patents

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KR20160109702A KR1020150034610A KR20150034610A KR20160109702A KR 20160109702 A KR20160109702 A KR 20160109702A KR 1020150034610 A KR1020150034610 A KR 1020150034610A KR 20150034610 A KR20150034610 A KR 20150034610A KR 20160109702 A KR20160109702 A KR 20160109702A
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안준호
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Abstract

본 발명은 터빈 및 이를 이용한 증기 터빈 플랜트에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 복수 개의 터빈 블레이드를 포함하는 로터; 상기 로터를 수용하며, 유체 유입측 단부와 유체 토출측 단부를 갖는 터빈 하우징; 및 상기 유입측 단부로부터 누설된 증기를 토츨측 단부에 공급하는 증기 공급수단;을 포함하는 터빈이 제공된다.

Description

터빈 및 이를 이용한 증기 터빈 플랜트{TURBINE AND STEAM TURBINE PLANT WITH THE SAME}
본 발명은 터빈 및 이를 이용한 증기 터빈 플랜트에 관한 것이다.
일반적으로 증기 터빈 플랜트는 보일러에서 고온, 고압의 증기를 발생시키고 이러한 증기를 이용하여 터빈을 가동시킴으로써 발전기를 구동시키고 전력을 생산하게 된다.
구체적으로, 이러한 증기 터빈 플랜트는 화력 또는 원자력과 같은 열원을 이용하여 고온고압의 증기를 생산하는 보일러 및 상기 보일러로부터 공급되는 증기를 이용하여 발전기를 구동하는 동력을 생산하는 터빈을 포함하게 된다. 이때, 효율 향상을 위해서, 작동압력을 달리하는 복수 개의 터빈을 포함하게 되는데, 고압 터빈 및 저압 터빈을 포함하거나, 고압 터빈, 중압 터빈 및 저압 터빈을 포함하고 있다.
보일러에서 생산된 증기는 일차로 고압 터빈으로 공급된 후 순차적으로 중압 및 저압 터빈에 공급된다. 다만, 고압 터빈으로부터 배출된 증기는 재열기를 통과하면서 수분이 제거된 후 재차 가열된 상태로 중압 터빈으로 공급된다. 그리고, 중압 터빈으로부터 배출된 증기는 저압 터빈으로 공급되어 추가적으로 동력을 생산한 후, 복수기를 거쳐서 보일러로 재공급되면서 순환하게 된다.
이때, 상기 각각의 터빈, 특히 고압 및 중압 터빈의 경우, 증기의 압력이 높기 때문에, 터빈의 하우징과 회전축 사이에 존재하는 간극으로 인한 누설의 문제가 있을 수 있다. 이를 해소하기 위해서, 종래부터 터빈의 하우징 양단에는 글랜드 시일을 설치하여 누설을 차단하고 있다. 상기 글랜드 시일은 증기를 공급받아서 증기의 압력을 이용하여 터빈 하우징과 회전축 사이를 실링하도록 구성되어 있다.
도 1은 이러한 글랜드 시일이 구비된 고압 터빈을 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 고압 터빈(10)의 하우징 양단으로 회전축(12)이 연장되어 있고, 상기 회전축(12)에는 복수 개의 글랜드 시일(14)이 설치되어 있다. 상기 각각의 글랜드 시일(14)에는 도시되지 않은 별도의 공급수단을 통해서 증기가 공급되고, 이로부터 배출된 증기는 SSR(steam seal regulator, 16)로 공급된다. 상기 SSR(16)에 포집된 증기는 소정 압력으로 저압 터빈에 공급되어, 저압 터빈을 회전시키게 된다.
한편, 상기와 같은 글랜드 시일이 구비되더라도 일부의 증기가 터빈 하우징 외측으로 누설될 수 있다. 이렇게 누설되는 증기 중에서 터빈의 고압단으로부터 누설된 증기는 상대적으로 높은 압력을 갖고 있으므로, 고압 터빈의 추기배관으로 공급되고, 저압단으로부터 누설된 증기는 중압 터빈의 추기배관으로 공급되도록 구성된다. 이를 통해서, 열에너지를 추가적으로 회수할 수 있게 되어 효율 향상에 기여할 수 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 증기 터빈 플랜트에 있어서, 각각의 터빈의 구조나 그에 적용되는 글랜드 시일의 구조나 사양에 따라서, 고압 터빈과 중압 터빈에서 저압 터빈이 필요한 양 이상의 실링증기가 공급되는 경우가 있을 수 있다. 저압 터빈에 필요한 실링증기의 양을 초과하는 과다 증기는 상기 SSR로부터 직접 복수기로 버려지게(dump) 된다.
이렇게 복수기로 버려지는 증기는 저압 터빈을 통과하여 복수기로 공급되는 증기에 비해서 높은 열에너지를 갖고 있는 것이어서, 버려지는 증기의 양이 많을 수록 터빈 효율이 낮아지게 된다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 터빈을 통한 누설 증기의 양을 최소화하면서도 복수기를 통해 버려지는 증기의 양도 최소화할 수 있는 증기 터빈 플랜트를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 증기 터빈 플랜트에 사용될 수 있는 터빈을 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 복수 개의 터빈 블레이드를 포함하는 로터; 상기 로터를 수용하며, 유체 유입측 단부와 유체 토출측 단부를 갖는 터빈 하우징; 및 상기 유입측 단부로부터 누설된 증기를 토츨측 단부에 공급하는 증기 공급수단;을 포함하는 터빈이 제공된다.
여기서, 상기 증기 공급수단은 상기 유입측 단부와 토출측 단부를 연결하는 공급관을 포함할 수 있다.
또한, 상기 공급관의 양단은 상기 하우징과 로터를 실링하는 실링 수단과 각각 연통될 수 있다.
또한, 상기 공급관은 유입측 단부보다 토출측 단부와 상대적으로 인접하게 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 작동압력을 달리하는 복수 개의 터빈; 및 적어도 하나의 터빈으로부터 누설된 증기를 상대적으로 낮은 작동압력을 갖는 적어도 하나의 터빈측으로 실링증기로서 공급하는 실링증기 공급수단;을 포함하고, 복수 개의 터빈 중 적어도 하나는, 복수 개의 터빈 블레이드를 포함하는 로터; 상기 로터를 수용하며, 유체 유입측 단부와 유체 토출측 단부를 갖는 터빈 하우징; 및 상기 유입측 단부로부터 누설된 증기를 토츨측 단부에 공급하는 증기 공급수단;을 포함하고, 상기 각각의 증기 공급수단은 상기 실링증기 공급수단으로 증기를 공급하는 증기 터빈 플랜트가 제공된다.
여기서, 고압, 중압 및 저압 터빈을 구비하고, 상기 증기 공급수단은 고압 및/또는 중압 터빈에 구비될 수 있다.
그리고, 상기 실링증기 공급수단은 고압 및 중압 터빈에 구비된 증기 공급수단으로부터 증기를 공급받아 일시적으로 저장하는 실링증기 저장수단을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실링증기 공급수단은 상기 증기 공급수단에 의해 각각의 터빈의 토출측 단부로 공급된 증기의 적어도 일부를 상기 실링증기 저장수단에 공급할 수 있다.
또한, 상기 실링증기 공급수단은 상기 저압 터빈에 구비되는 실링수단 및 복수기에 각각 연결될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일측면에 의하면, 터빈의 유입측 단부로부터 누출되는 상대적으로 고압인 증기를 토출측 단부 부근에 공급함으로써 토출측 실링 라인에 가해지는 압력이 증가되고 그에 따라 누설되는 증기의 양을 감소시킬 수 있게 된다. 이를 통해, 증기와 함께 누설되는 열에너지의 양이 줄어들게 되므로 플랜트의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
아울러, 높은 열에너지를 갖는 유입측 누설 증기를 실링증기로 활용함으로써 터빈 효율을 더욱 상승시킬 수 있게 된다.
도 1은 종래의 증기 터빈 플랜트에 있어서, 고압 터빈의 실링 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 증기 터빈 플랜트의 일 실시예를 도시한 도 1 상당도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 증기 터빈 플랜트의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 증기 터빈 플랜트의 일 실시예가 도시되어 있다. 여기서, 도 2에 도시된 증기 터빈 플랜트는 고압 터빈 및 그와 관련된 일부 구성요소만을 도시한 것으로서, 도시되지 않은 임의의 구성요소가 더 포함될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2를 참조하면, 상기 실시예(100)는 고압 터빈(110)을 포함한다. 상기 고압 터빈(110)은 도시되지 않은 보일러로부터 공급된 고온고압의 증기를 공급받아 로터(120)를 회전시키게 된다. 상기 고압 터빈(110)은 증기가 유입되는 유입측 단부(112) 및 터빈 내부를 통과한 증기가 토출되는 토출측 단부(114)를 각각 갖는 하우징(116)을 포함한다. 그리고, 상기 하우징의 내부에는 유입된 증기에 의해 회전력을 발생시키는 복수 개의 블레이드를 포함하는 로터(120)가 장착된다.
상기 로터(120)는 상기 터빈 하우징(116)의 내측에 배치되는 복수 개의 블레이드(미도시)를 포함한다. 상기 블레이드는 유입되는 증기의 압력을 로터의 회전운동으로 변환하는 역할을 하며, 터빈 하우징의 내측에서 방사상으로 배치된다.
상기 로터(120)의 타측에는 저압 터빈(140)이 장착된다. 상기 저압 터빈(140)은 상기 고압 터빈에 비해서 낮은 온도 및 압력을 갖는 증기에 의해 작동할 수 있도록 구성된다. 상기 저압 터빈(140)의 내측에도 복수 개의 블레이드가 설치되며, 상기 블레이드는 상기 고압 터빈의 블레이드와는 다른 크기 및 형태를 가져서 저압의 증기에 의해 원활하게 로터를 회전시키는 동력을 얻을 수 있도록 구성된다. 따라서, 상기 실시예에서는 작동 압력을 달리하는 복수 개의 터빈을 포함하게 된다.
고압 터빈으로부터 배출된 증기는 도시되지 않은 재열기를 거쳐서 상기 저압 터빈으로 재공급된다. 이를 통해서, 증기 터빈 플랜트의 효율을 향상시킬 수 있도록 하고 있으며, 경우에 따라서는 중압 터빈을 추가적으로 포함할 수도 있다. 이 경우, 고압 터빈으로부터 배출된 증기는 재열기를 거쳐서 중압 터빈으로 재공급되고, 중압 터빈으로부터 배출된 증기가 저압 터빈으로 공급될 수 있다.
상기 로터(120)는 상기 각각의 터빈의 하우징(116)의 양단으로 연장된다. 여기서, 상기 로터(120)는 상기 하우징(116)에 대해서 회전 가능하게 장착되어야 하므로, 필연적으로 상기 로터와 하우징 사이에는 갭이 존재하고, 이러한 갭을 통한 증기의 누설이 있게 된다.
증기의 누설은 터빈의 효율 저하의 원인이 되므로, 상기 갭을 실링하기 위한 글랜드 실(130)이 상기 터빈 하우징(116)의 양단에 복수 개가 배치된다.
일반적으로, 터빈의 회전 부품과 고정 부품 사이 또는 고정 부품들 사이에 다양한 종류의 실링 수단을 사용할 수 있다. 그러한 실링 수단의 예로서 브러시 실, 래버런스 실 및 허니컴 실 등을 고려할 수 있다. 상기 브러시 실은 지지부 내에 배치된 다수의 강모를 포함하며, 강모의 선단은 지지부로부터 돌출하여 회전 부품에 결합한다. 브러시 실은 일반적으로는 매우 유용한 실링 수단으로서 사용될 수 있지만, 터빈의 증기 글랜드의 양측에 있는 고압 영역과 저압 영역과 같이, 실링면 양측에 높은 압력차가 존재하는 경우에는 사용이 어렵다.
상기 래버런스 실은 이러한 경우에 브러시 실보다는 유용하지만, 래버런스에 구비되는 teeth와 회전 부품과의 간격을 적절하게 유지하는 것이 쉽지 않아 역시 적합하지 못하며, 허니컴 실의 경우도 요구되는 정도의 실링 성능을 충족하기 어려운 문제가 있다.상기 글랜드 실(130)은 후술할 SSR로부터 실링증기를 공급받아 로터와 하우징 사이에서 증기의 누설을 방지할 수 있도록 구성된다. 상기 글랜드 실(130)은 설치된 터빈의 작동 압력에 대응되어 설정된 압력의 실링 증기에 의해 작동되며, 터빈 작동 초기에는 별도의 보조 증기 라인을 거쳐서 공급된 실링 증기에 의해서 터빈 내부의 진공도를 유지할 수 있도록 한다.
그 후, 증기가 공급되면서 터빈 내부의 압력이 높아지게 되고, 압력이 실링 증기를 초과하게 되면 글랜드 실로부터의 증기 누설이 있게 된다.
상기 글랜드 실은 하우징의 유입측 단부 및 토출측 단부에 각각 복수 개가 설치되며, 상기 글랜드 실에 실링증기를 공급하기 위한 실링증기 저장수단으로서의 SSR(Sealing Steam Regulator, 122)로부터 실링증기를 공급받게 된다.
여기서, 상기 SSR(122)은 상기 글랜드 실과 연결되는 실링증기 배관(132)를 포함한다. 상기 실링증기 배관(132)은 상기 하우징(116)의 유입측 및 토출측과 각각 연결되는데, 하우징의 단부로부터 상기 연결지점 사이의 거리는 상기 유입측 단부에서 더 크게 설정된다. 이는 유입측 단부에서의 증기 압력이 토출측 단부에서의 증기 압력보다 큰 점을 감안한 것이다.
즉, 터빈 하우징 내부에서의 압력 분포를 살펴보면, 하우징 내부가 전체적으로 균일한 압력을 갖는 것이 아니라, 유입측 단부로부터 토출측 단부로 갈수록 압력이 낮아지는 형태의 압력 구배가 있게 된다. 따라서, 동일한 압력의 실링증기를 공급하는 경우 토출측 보다는 유입측 단부에서의 증기 압력이 높으므로 유입측으로부터 누설이 시작된다. 아울러, 작동 과정에서도 유입측으로부터의 누설 증기량이 더욱 많은 특징을 갖는다.
따라서, 상기 실시예에서는 실링증기 배관(132)의 연결지점을 유입측에서 보다 가깝게 배치하여, 실제로 하우징에 가해지는 실링증기의 압력이 유입측에서 더욱 높아질 수 있도록 배치하고 있다. 이를 통해서, 동일한 실링증기를 공급하더라도 유입측과 토출측에서의 글랜드 실 내부의 압력을 다르게 설정하는 것이 가능해 진다.
아울러, 상기 유입측 글랜드 실로부터 누출되는 누설 증기를 토출측 공간으로 재공급하는 증기 재공급 배관(134)이 추가적으로 구비된다. 상기 증기 재공급 배관(134)은 상대적으로 고압인 유입측 공간과 상대적으로 저압인 토출측 공간을 각각 연통시킨 것으로서, 압력차로 인하여 유입측 단부로부터 누설된 누설 증기가 토출측 단부로 공급되도록 구성되어 있다.
즉, 상대적으로 많은 누설량을 갖게 되는 유입측 단부에서의 누설 증기를 SSR로 바로 공급하는 것이 아니라 토출측 단부로 재공급함으로써, 토출측 단부의 압력을 높일 수 있게 된다. 이로 인해서, 종래에는 버려지던 누설 증기를 토출측 공간 내부의 압력을 상승시키는 데 활용할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 누설 증기가 공급되는 위치는 토출측에 공급되는 글랜드 실의 내부 공간이 아니라, 토출측 로터를 둘러싸고 있는 주위공간임을 유념해야 한다. 즉, 유입측으로부터 누설된 고압의 증기를 토출측 공간으로 공급함으로써, 토출측에 있어서 터빈 하우징 내부 및 외부 사이의 압력차를 감소시키도록 한 것이다. 이로 인해서, 누설되는 증기의 양이 감소될 수 있다.
이로 인해서, 토출측 단부의 압력이 상기 증기 재공급 배관(134)이 없는 경우에 비해서 상승하게 되고, 이렇게 상승된 압력은 터빈 하우징(116)으로부터 누설되는 증기를 방해하는 역할을 하여 결과적으로 누설 증기의 양이 감소되도록 한다.
아울러, 고압의 누설 증기가 저압측인 토출측 공간으로 공급되므로, 토출측에서의 실링 성능 향상도 도모할 수 있다. 이로 인해서, 누설 증기의 양이 전체적으로 감소하게 되어, 누설 증기와 함께 버려지는 열 에너지의 양도 최소화할 수 있다. 이로 인해서, 증기 터빈 플랜트의 전체적인 효율이 향상되게 된다.
한편, 상기 증기 재공급 배관(134)을 통해 토출측으로 공급된 누설 증기는 상기 실링증기 배관(132)을 거쳐서 SSR(122)로 공급된다.
아울러, 상술한 바와 같이상기 중압 터빈이 구비되는 경우, 상술한 바와 같은 실링증기 배관 및 증기 재공급 배관이 중압 터빈의 유입측 단부 및 토출측 단부에도 마련될 수 있다. 또한, 상기 중압 터빈에 구비되는 실링증기 배관을 통과한 누설 증기 역시 상기 SSR(122)로 공급된다. 즉, 중압 터빈에도 상기 고압 터빈과 동일한 구성을 갖는 실링증기 공급라인이 제공될 수 있다.
이렇게 SSR(112)에 모인 증기는 저압 터빈(140)의 유입측 및 토출측을 실링하는 글랜드 실(142, 144)을 위한 실링증기로서 사용된다. 이를 위해서, 상기 SSR과 상기 글랜드 실(142, 144) 사이를 연결하는 실링증기 공급배관이 구비되게 된다.
한편, 상기 증기 터빈 플랜트에는 복수기(150)가 구비된다. 상기 복수기(150)는 도시되지 않은 보일러로 공급되는 증기를 응축시키는 역할을 하며, 도시된 바와 같이 상기 저압 터빈의 토출측과 연통되어 있다. 따라서, 저압 터빈을 통과한 증기는 상기 복수기(150)를 거쳐서 보일러로 유입되면서 상기 증기 터빈 플랜트를 순환하게 된다.
그리고, 상기 복수기(150)는 상기 SSR(122)과도 연통되어 있다. 이는 SSR에 저압 터빈이 필요로 하는 양보다 많은 양의 실링 증기가 모인 경우에, 잉여 증기를 복수기(150)로 전달하기 위한 것으로서, 이러한 잉여 증기의 존재는 상기 증기 터빈 플랜트의 효율을 저하시키는 원인이 된다. 그러나, 상기 실시예에서는 상술한 바와 같이 누설 증기의 발생량을 감소시킬 수 있게 되므로, 복수기로 되돌려지는 잉여 증기의 양도 최소화할 수 있게 된다. 이로 인해서, 증기 플랜트의 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.
110 : 고압 터빈
116 : 하우징
120 : 로터
122 : SSR
130 : 글랜드 실
140 : 저압 터빈
150 : 복수기

Claims (9)

  1. 복수 개의 터빈 블레이드를 포함하는 로터;
    상기 로터를 수용하며, 유체 유입측 단부와 유체 토출측 단부를 갖는 터빈 하우징; 및
    상기 유입측 단부로부터 누설된 증기를 토츨측 단부에 공급하는 증기 공급수단;을 포함하는 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증기 공급수단은 상기 유입측 단부와 토출측 단부를 연결하는 공급관을 포함하는 터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공급관의 양단은 상기 하우징과 로터를 실링하는 실링 수단과 각각 연통되는 터빈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 공급관은 유입측 단부보다 토출측 단부와 상대적으로 인접하게 배치되는 터빈.
  5. 작동압력을 달리하는 복수 개의 터빈; 및
    적어도 하나의 터빈으로부터 누설된 증기를 상대적으로 낮은 작동압력을 갖는 적어도 하나의 터빈측으로 실링증기로서 공급하는 실링증기 공급수단;을 포함하고,
    복수 개의 터빈 중 적어도 하나는,
    복수 개의 터빈 블레이드를 포함하는 로터;
    상기 로터를 수용하며, 유체 유입측 단부와 유체 토출측 단부를 갖는 터빈 하우징; 및
    상기 유입측 단부로부터 누설된 증기를 토츨측 단부에 공급하는 증기 공급수단;을 포함하고,
    상기 각각의 증기 공급수단은 상기 실링증기 공급수단으로 증기를 공급하는 증기 터빈 플랜트.
  6. 제5항에 있어서,
    고압, 중압 및 저압 터빈을 구비하고, 상기 증기 공급수단은 고압 및/또는 중압 터빈에 구비되는 증기 터빈 플랜트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 실링증기 공급수단은 고압 및 중압 터빈에 구비된 증기 공급수단으로부터 증기를 공급받아 일시적으로 저장하는 실링증기 저장수단을 포함하는 증기 터빈 플랜트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실링증기 공급수단은 상기 증기 공급수단에 의해 각각의 터빈의 토출측 단부로 공급된 증기의 적어도 일부를 상기 실링증기 저장수단에 공급하는 증기 터빈 플랜트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 실링증기 공급수단은 상기 저압 터빈에 구비되는 실링수단 및 복수기에 각각 연결되는 증기 터빈 플랜트.
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