KR20170073646A - 극성 휠 각도의 조정에 의한 목표 결합 각도로의 가스 터빈 및 증기 터빈의 결합 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 터빈 및 발전기에 연결된 가스 터빈을 결합하기 위한 방법으로서, 발전기는 여자 권선을 가지며, 여자 권선의 여자는 여자 권선을 통해 유동하는 여자 전류를 변화시킴으로써 변화될 수 있는 방법에 관한 것으로 이는 a) 결합이 목표 결합 각도로 발생하는 방식으로 증기 터빈을 가속 및/또는 감속하는 단계; b) 필요하다면, 여자 권선의 여자를 변화시키는 단계로서, 그러한 방식으로 변화된 여자 권선의 여자가 변화된 극성 휠 각도를 초래하고, 극성 휠 각도는 목표 결합 각도의 달성이 지원되는 방식으로 변화되는 여자를 변화시키는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 개선된 분리의 목적으로 극성 휠 각도가 변화되는 유사한 방법에 관한 것이다. 또한 대응하는 조절 장치가 제공된다.

Description

극성 휠 각도의 조정에 의한 목표 결합 각도로의 가스 터빈 및 증기 터빈의 결합{COUPLING A GAS TURBINE AND A STEAM TURBINE WITH A TARGET COUPLING ANGLE BY ADJUSTING THE POLAR WHEEL ANGLE}

가스 터빈 전력 플랜트를 작동할 때, 증기 터빈을 구동하기 위한 충분한 스팀이 가스 터빈의 폐열에 의해 제공될 수 있게 되자마자 증기 터빈을 작동하는 것 또한 종종 요구된다. 이러한 목적을 위해서, 가스 터빈과 증기 터빈은 결합부에 의해 결합된다. 특히 불균형을 피하기 위해서, 목표 결합 각도에서 결합 동작의 특정 제어를 통해 결합하기 위해 사용하는 방법이 채택된다. 이러한 목적을 위해서, 증기 터빈은 적절한 방식으로 가속된다. 가스 터빈의 주파수는 공급이 발생하는 전력 그리드의 주파수와 일치해야 하는 정도로 규정된다.

EP 1 911 939 A1는 결합부에 의해 터보 기계의 입력 샤프트를 출력 샤프트로 결합 하는 방법을 개시한다. 터보 기계는 출력 샤프트의 속도에 차동기(subsynchronous)하는 속도까지 증속되고, 터보 기계는 결합을 개시하기 위한 신호가 목표 결합 각도로 결합을 달성하도록 설정되기 전에 이러한 보유 속도에서 유지된다. 터보 기계는 대체로 증기 터빈이며 출력 샤프트는 발전기를 구동하기 위한 샤프트이다.

본 발명의 목적은 목표 결합 각도로 개선된 결합을 위한 가능성을 제공하는 것이다. 이러한 목적이 달성되는 방식을 특히 독립 청구항에서 찾을 수 있다. 종속 청구항은 유리한 추가적인 개발을 상세화한다. 추가적인 정보는 설명과 도면에 포함된다.

증기 터빈과, 발전기에 연결된 가스 터빈을 결합하기 위한 방법이 제공되며, 발전기는 여자 권선을 가진다. 여자 권선의 여자는 여자 권선을 통해 유동하는 여자 전류를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 상기 방법은:

a) 결합이 목표 결합 각도로 발생하는 방식으로 증기 터빈을 가속하는 것 및/또는 감속하는 단계;

b) 필요하다면, 여자 전류를 변화시키는 단계로서, 이에 따라 변화된 여자 권선의 여자는 변화된 극성 휠 각도를 초래하고, 극성 휠 각도는 목표 결합 각도 달성을 촉진하는 방식으로 변화되는 여자 전류를 변화시키는 단계를 포함한다.

a) 단계와 b) 단계가 시간상 적어도 부분적으로 중첩되는 것은 명확하다. b) 단계는 a) 단계에 의해 목표 결합 각도를 달성하는 것이 불가능할 때마다, 또는 오직 어렵게만 가능할 때 예컨대 짧은 시간 내에는 불가능할 때마다 발생할 것이다. a) 단계는 공지되었으며, 그러므로 이에 관해서는 추가적으로 언급되지 않는다.

b) 단계는 더욱 상세하게 설명될 것이다. 여자 권선의 여자를 유발하는 여자 전류의 자유도가 있다. 그 결과, 소위 극성 휠 각도가 영향을 받을 수 있다. 부하 각도로도 알려진 극성 휠 각도는 동기 기계의 극성 휠이 동기 회전장에 선행(leading)하는 각도를 의미하는 것으로서 일반적으로 이해된다. 세부 사항은 여기서 상세하게 논의되지 않으며 그 이유는 이들이 관련 기술 분야의 숙련자에게 알려졌기 때문이다. 극성 휠 각도의 변화는 무효 전력을 변화시키는 효과를 가지지만, 요구되는 유효 전력을 제공하는 것이 여전히 가능하다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 극성 휠 각도를 변화시키는 것은 발전기가 그리드 주파수에서 회전하고 동시에 발전기의 각 위치의 변화, 그리고 결과적으로 가스 터빈의 각 위치의 변화가 달성가능하다는 요구사항을 만족시키는 것을 가능하게 한다. 그러므로 본 발명은 증기 터빈의 각 위치뿐만 아니라 가스 터빈의 각 위치 또한 영향을 받도록 한다. 일반적으로 몇 도에 달하는 영향을 가하는 것만이 가능하지만, 그럼에도 불구하고 이는 추가적인 자유도를 제공하며, 이 자유도는 필요하다면 목표 결합 각도로 결합을 매우 용이하게 할 수 있고 가속시킬 수 있다.

극성 휠 각도는 유효 전력과 무효 전력의 비율에 의존한다. 유효 전력과 무효 전력의 비율이 여자, 즉 여자 전류에 의존하기 때문에, 주어진 유효 전력에 대한 무효 전력을 적절하게 선택하는 것은 여자 전류가 적절하게 선택되어야 한다는 말과 이론적으로 동의어이다. 직접 극성 휠 각도를 검출하는 것은 필수적이지 않다는 것이 상관관계로부터 자명하다. 기본적으로 주어진 유효 전력에 대해 적절하게 무효 전력을 변화시키는 것으로 충분하다. 결과적으로 제어시 어차피 검출되는 변수, 유효 전력 및 무효 전력에 의존하는 것이 가능하다. 나중에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 유효 전력, 무효 전력 및 극성 휠 각도 사이의 상관관계는 소위 전력 다이어그램으로부터 취해질 수 있다.

일 실시예에서, 가스 터빈이 목표 결합 각도에 대해 선행할 때, 여자 전류는 상승되고, 가스 터빈이 지연(lagging)되었을 때, 여자 전류는 낮아진다. 일반적으로, 극성 휠 각도는 여자를 증가시킴으로써 낮아질 수 있다. 그러므로, 극성 휠이 동기 회전장에 선행하는 각도는 낮아진다. 목표 결합 각도에 대한 가스 터빈의 선행을 제거하도록, 발전기, 그리고 결과적으로 가스터빈은 그러므로 말하자면 약간 뒤로 돌아온다.

일 실시예에서, 여자 전류의 변화는 목표 결합 각도가 달성되는 것을 더욱 어렵게하는 그리드 주파수의 변동을 보상하도록 사용된다. 원론적으로 그리드 주파수를 가능한 일정하게 유지시키는 것-예컨대 독일에서는 50Hz의 값이 목표임-이 바람직하지만, 그럼에도 불구하고 작은 변동은 발생한다. 이들이 결합 도중, 즉 특히 실제 결합 전에도 발생하는 경우, 증기 터빈이 가속하거나 감속하는 동안 대응하게 증기 터빈의 가속을 적응시키는 것이 더 이상 가능하지 않은 경우가 많다. 이 경우, 목표 결합 각도로 신속하게 결합하기 위해서 여자 전류의 변화 및 이에 수반되는 극성 휠 각도의 변화, 그리고 결과적으로 가스 터빈의 각 위치의 변화가 불가피하지는 않더라도 매우 중요하다.

일 실시예에서, 여자 전류를 변화시키는 것은 가스 터빈의 각도가 5°까지 가변하는 것을 허용한다. 이미 설명된 바와 같이, 달성가능한 각 변화는 비교적 제한적이지만, 이는 그럼에도 불구하고 중요하다. 결합의 주 자유도는 증기 터빈의 적절한 가속과 결합 시간의 선택에 의해 주어진다는 것이 여전히 사실이다.

일 실시예에서, 여자 전압은 여자 전류를 변화시키기 위해 변화된다. 이는 여자 전류의 영향을 용이한 방식으로 허용한다.

또한 전술된 고려사항은 발전기에 연결된 가스 터빈과 증기 터빈을 분리하기 위한 방법을 위해 사용될 수 있다. 발전기는 역시 여자 권선을 가지며, 여자 권선의 여자는 여자 권선을 통해 유동하는 여자 전류를 변화시킴으로써 변화할 수 있다. 분리 시, 여자 전류는 변화되고, 이렇게 변화된 여자 권선의 여자는 분리를 용이하게 하는 변화된 극성 휠 각도를 초래한다. 이미 결합에 대해 전술된 바와 같이, 극성 휠 각도의 변화는 가스 터빈의 선회를 허용한다. 특정 상황에서, 이는 분리 시, 즉 가스 터빈과 증기 터빈 사이의 결합을 해제할 때 이로울 수 있다. 특히, 종종 분리를 가속하는 것이 가능하다. 이는 결합부의 마모를 감소시킨다.

가스 터빈, 증기 터빈 및 발전기를 가지는 단일-샤프트 터보 세트를 위한 제어 장치가 유사하게 제공된다. 제어 장치는 결합 및/또는 분리를 위한 전술된 방법이 수행될 수 있는 방식으로 설계된다. 종종 이를 위해서 어차피 제시되는 제어 장치에 대한 근소한 변화로 충분하다. 많은 경우에, 다른 프로그램으로 한정하는 것이 가능하다. 본 발명에 따른 본 방법의 구현은 결과적으로 오직 매우 제한된 지출을 요구한다. 일반적으로, 기존 단일-샤프트 터보 세트, 엄밀히 말하자면 관련 제어 장치의 개장은 어떠한 문제도 없이 가능하다.

추가적인 세부사항이 도 1을 기초로 설명되고, 도 1은 무효 전력, 유효 전력 및 극성 휠 각도 사이의 상관관계가 제시된 전력 다이어그램을 도시한다.

MW 단위의 유효 전력은 도 1의 가로축에 표시되어 있다. Mvar 단위의 무효 전력은 세로축에 표시되어 있다. 무효 전력에 대해, 선(1)은 0을 통해 통과한다. 그러므로, 선(1)에 놓인 동작 지점에 대해, 유효 전력만이 제공된다. 선(1) 아래에 놓인 동작 지점에 대해, 무효 전력은 음이고, 위에 놓인 동작 지점에 대해서 무효 전력은 양이다. 가장자리에서 종결되는 직선은 코사인 파이의 특정 값을 나타내며, 파이는 발전기에서 유도된 전압과 페이저 다이어그램의 생성 전류 사이의 각도이다.

좌측 하단에 있는 원점(2)으로부터 연장한 화살표(3, 4, 5)는 본 경우에서 유의미하다. 알 수 있는 바와 같이, 동작 지점에서의 이러한 끝은 동일한 유효 전력, 그러나 상이한 무효 전력을 가진다. 화살표(3, 5)의 두 끝 지점을 연결하는 선(6)은 유효 전력이 동일하게 남아있는 동안 무효 전력이 조정될 수 있는 통상적인 범위이다.

화살표(3, 4, 5)와 세로축 사이의 각도는 각각의 극성 휠 각도이다. 원점(2)의 위치는 측정 기술에 의해 결정된다. 일반적으로, 극성 휠 각도는 원점(2)으로부터 각 동작 지점까지 화살표를 취하고 세로축에 대해 이러한 화살표의 각도를 결정함으로써 전력 다이어그램에서 판독될 수 있다.

예컨대 결합이 화살표(4)의 끝에 놓인 동작 지점에서 수행되고 제어부에 의해 목표 결합 각도로의 결합에 대해 가스 터빈이 2°만큼 선행하는 것으로 확인되는 경우, 극성 휠 각도를 2°칸큼 낮추는 것이 적절하다. 도 1에 도시된 전력 다이어그램에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 목적을 위해서 무효 전력이 증가되어야 한다. 이는 여자, 즉 여자 전압과 결과적으로 여자 전류가 극성 휠 각도가 42°일 때까지 낮아지도록 하는 것을 요구한다. 그러므로 변화된 여자가 초래할 수 있는 무효 전력의 변화에 의해 용이한 방식으로 극성 휠 각도에 영향을 미치는 것, 그리고 결과적으로 목표 결합 각도에 개선된 방식으로 영향을 미치는 것이 가능하다.

Claims (7)

1. 증기 터빈과, 발전기에 연결된 가스 터빈을 결합하기 위한 방법으로서,
   발전기는 여자 권선을 가지고, 여자 권선의 여자는 여자 권선을 통해 유동하는 여자 전류를 변화시킴으로써 변화될 수 있는 방법이며,
   a) 결합이 목표 결합 각도로 발생하는 방식으로 증기 터빈을 가속 및/또는 감속하는 단계;
   b) 필요한 경우, 여자 전류를 변화시키는 단계로서, 이에 따라 변화된 여자 권선의 여자는 변화된 극성 휠 각도를 초래하고, 극성 휠 각도는 목표 결합 각도 달성을 촉진하는 방식으로 변화되는 여자 전류를 변화시키는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   가스 터빈이 목표 결합 각도에 대해 선행할 때, 여자 전류는 상승되고, 가스 터빈이 지연되었을 때, 여자 전류는 낮아지는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   목표 결합 각도가 달성되는 것을 더욱 어렵게 하는 그리드 주파수의 변동을 보상하기 위해 여자 전류를 변화시키는 단계가 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   여자 전류를 변화시키는 단계는 가스 터빈의 각도가 5°까지 가변하도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   여자 전압은 여자 전류를 변화시키기 위해 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 발전기에 연결된 가스 터빈과 증기 터빈을 분리하기 위한 방법이며,
   발전기는 여자 권선을 가지며, 여자 권선의 여자는 여자 권선을 통해 유동하는 여자 전류를 변화시킴으로써 변화할 수 있고,
   여자 전류는 여자 권선의 변화된 여자가 분리를 용이하게 하는 변화된 극성 휠 각도를 초래하는 방식으로 변화되는 방법.
7. 가스 터빈, 증기 터빈 및 발전기를 가지는 단일-샤프트 터보 세트를 위한 제어 장치이며, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항을 따르는 방법이 수행될 수 있는 방식으로 설계된 제어 장치.
   

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