KR20180019219A - 터보 기계 냉각용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증기 터빈(2)을 급속 냉각하기 위한 방법에 관한 것으로서, 주위 공기가 배기 유닛(23)을 거쳐 밸브를 통해 증기 터빈(2) 내로 도입되어, 냉각을 야기하고, 냉각의 속도는 제어기를 포함하는 자동화 시스템에 의해 조정된다.

Description

터보 기계 냉각용 방법

본 발명은 터보 기계(turbo machine)를 냉각하기 위한 방법에 관한 것으로서, 여기서 터보 기계는 입구 및 출구를 갖고, 출구는 배기 유닛(evacuation unit)에 유동 접속되고, 입구는 냉각제를 공급하기 위한 공기 장치(air device)에 유동 접속되고, 배기 유닛은 냉각제가 터보 기계를 통해 냉각제 관통 유량에서 유동하는 방식으로 구체화된다.

더욱이, 본 발명은 방법을 수행하기 위한 자동화 시스템에 관한 것이다.

예를 들어, 증기 터빈과 같은 터보 기계는 높은 열 응력을 받게 된다. 비교적 높은 열 에너지 수준을 갖는 증기는 일반적으로 입구를 거쳐 증기 터빈을 통해 유동하게 된다. 연속 동작 중에, 예를 들어 하우징과 같은 증기 터빈 구성요소의 온도는 높은 일정한 온도에 있다. 일반적으로, 터보 기계가 동작할 때, 단위 시간당 온도의 변화는 구성요소의 내용연수(service life)가 과도하게 단축되지 않도록 특정 한계값을 초과하지 않는 것을 보장할 필요가 있다. 검사 목적으로, 증기 터빈이 완전히 냉각될 필요가 있다. 그러나, 이들 증기 터빈이 운전 정지된 후에, 증기 터빈은 여전히 동작 온도에 있고 단열에 기인하여 비교적 서서히 냉각한다. 냉각을 고속화하는 일 가능한 방식은 동력 운전(powered operation)이 종료된 후에 주위 공기가 증기 터빈을 통해 유동하게 하는 것인데, 부압이 배기 유닛에 의해 터빈 응축기 내에 발생되고 증기 터빈을 통한 주위 공기의 강제 유동을 유도한다. 증기 터빈을 통한 주위 공기의 유동은 특정 관통 유량에서 발생하고, 허용가능한 냉각 속도가 초과하지 않도록 관통 유량이 선택되는 것을 주의할 필요가 있다. 이 목적으로, 관통 유량은 차단 밸브(shut-off valve)의 수동 조정에 의해 허용가능한 냉각 속도에 적응된다. 이는 전체 냉각 시간 기간 동안 행해진다. 여기서 제어룸(control room)의 상주(continous occupation)가 필요한 단점이 있다. 더욱이, 작업 요원은 또한 어떠한 이상 동작 상태도 냉각 중에 발생하지 않는 것을 보장하도록 감시해야 한다.

작업 요원은 작업자 제어 및 관찰 시스템 상의 구성요소 온도를 주기적으로 판독한다. 구성요소 온도는 미리 결정된 데이터와 비교되고, 주위 공기의 관통 유량을 제어하는 차단 밸브가 대응적으로 조정된다. 이는 수동 작업자 제어에 의해 현장에서 또는 작업자 제어 및 관찰 시스템에 의해 행해질 수 있다. 냉각 속도가 허용된 것보다 느리면, 차단 밸브는 다소 더 넓게 개방된다. 냉각 속도가 허용된 것보다 빠르면, 차단 밸브는 다소 더 폐쇄된다.

이 절차는 시간 소모적이다. 본 발명은 이러한 점을 개선하려고 시도한다.

이는 터보 기계를 냉각하기 위한 방법에 의해 성취되고, 터보 기계는 입구 및 출구를 갖고, 출구는 배기 유닛에 유동 접속되고, 입구는 냉각제를 공급하기 위한 공기 장치에 유동 접속된다. 배기 유닛은 냉각제가 터보 기계를 통한 냉각제 관통 유량으로 유동하는 방식으로 구체화되고, 터보 기계의 허용가능한 냉각 속도가 결정되고, 터보 기계의 실제 냉각 속도가 검출되고, 허용가능한 냉각 속도와 실제 냉각 속도가 자동화 시스템으로 비교되고, 냉각제의 관통 유량이 자동화 시스템으로 제어된다.

상기 목적은 또한 방법을 수행하기 위한 자동화 시스템에 의해 성취된다.

따라서, 본 발명은 작업 요원이 반복적인 행동을 수행할 필요성으로부터 해방되도록 자동화를 사용하는 접근법에 기초한다. 이 목적으로, 냉각제의 관통 유량이 그에 의해 제어될 수 있는 차단 밸브의 위치가 증기 터빈 제어 장비의 부분인 전자 제어기에 의해 위치설정되는 자동화 시스템이 고려된다. 따라서, 자동화 시스템은 현재 실제 냉각 속도를 검출하고, 이를 설정된 허용가능한 값과 비교한다. 제어기, 특히 위치 제어기가 이후에 냉각제의 관통 유량을 제어하기 위해 차단 밸브를 위치설정한다.

예를 들어 제어 회로 내의 결함의 결과로서 발생하는, 허용가능한 냉각 속도가 초과되면, 작업 요원은 경보에 의해 이 상태를 경고받는다.

본 발명에 따르면, 항상 최적 속도로 터보 기계의 냉각을 제어하는 것이 가능하다. 이는 과도하게 낮은 차단 밸브 개방의 결과로서의 지연이 회피되고, 허용가능한 한계가 과도하게 큰 밸브 개방에 의해 초과되는 것이 방지된다.

유리한 개선이 종속 청구항에 설명되어 있다.

따라서, 터보 기계는 제1 유리한 개선에서 증기 터빈으로서 구체화된다.

터보 기계의 다른 예는 압축기 또는 가스 터빈이다.

일 유리한 개선에서, 증기 터빈은 고압 부분 터빈, 중압 부분 터빈 및/또는 저압 부분 터빈을 갖는다. 고압 부분 터빈은 여기서 생증기(live steam) 온도를 위해 설계된다. 생증기의 생증기 온도는 생증기 라인을 거쳐 고압 부분 터빈으로 유동하는 증기가 증기 발생기의 출력에서 갖는 온도이다. 고압 부분 터빈의 하류측에서, 증기는 중간 과열기(super-heater) 유닛으로 유동하고, 여기서 더욱 고온으로 재차 가열되고 이후에 중압 부분 터빈 내로 유동한다. 중압 부분 터빈을 통해 유동한 후에, 증기는 오버플로우 라인(overflow line)을 거쳐 저압 부분 터빈으로 직접 그리고 그로부터 응축기로 유동한다.

증기 터빈을 냉각하기 위한 방법은 고압 부분 터빈, 중압 부분 터빈 및/또는 저압 부분 터빈 전체에 사용될 수 있다. 단지 고압 부분 터빈에, 단지 중압 부분 터빈에 또는 단지 저압 부분 터빈에만 냉각을 위한 방법을 사용하는 것이 또한 가능하다.

터보 기계의 입구는 밸브를 갖고 구체화되고, 밸브는 냉각제의 관통 유량을 제어한다.

일 유리한 개선에서, 밸브는 입구 내의 증기 밸브로서 구체화된다.

주위 공기가 유리하게는 냉각제로서 사용된다.

일 유리한 개선에서, 허용가능한 냉각 속도는 유한 요소법에 의해 계산되고, 실험적으로 결정되거나 또는 시험에 의해 결정된다.

실제 냉각 속도는 유리하게는 비교 데이터로부터 결정되고, 측정되거나 또는 예측에 의해 결정된다.

본 발명의 예시적인 실시예는 도면을 참조하여 이하에 설명된다. 도면은 예시적인 실시예를 실제 축적대로 표현하도록 의도된 것은 아니고, 대신에 도면은 설명의 목적으로만 역할을 하고, 개략 및/또는 약간 왜곡된 형태로 실시된다. 도면에서 식별될 수 있는 교시에 추가를 위해, 관련 종래 기술을 참조한다.

전술된 본 발명의 특성, 특징 및 장점 및 이들이 성취되는 방식은 도면과 함께 더 상세히 설명되는 이하의 예시적인 실시예의 설명과 함께 더 명백해지고 더 용이하게 이해가능해진다.
도 1은 증기 터빈 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 2는 제어 시스템의 개략도를 도시하고 있다.

도 1은 증기 터빈(2)으로서 구체화되는 터보 기계를 포함하는 파워 플랜트(power plant)(1)의 개략도를 도시하고 있고, 여기서 증기 터빈은 고압 부분 터빈(3), 중압 부분 터빈(4) 및 저압 부분 터빈(5)을 포함한다. 생증기가 증기 발생기(더 상세히 예시되지 않음)로부터 생증기 라인(6)을 거쳐 그리고 차단 밸브(7)를 거쳐 고압 부분 터빈(3)의 입구(8) 내로 유동한다. 차단 밸브(7)는 예시적인 실시예에서 제어 밸브(9) 및 급동 밸브(quick-action valve)(10)로서 구체화된다. 대안적인 실시예에서, 제어 밸브(9) 및 급동 밸브(10)는 또한 그 반대로 배열될 수 있다.

고압 부분 터빈(3)에서, 높은 열에너지 수준을 갖는 생증기가 팽창한다. 이 높은 열에너지 수준은 회전자(더 상세히 예시되지 않음)의 회전 에너지로 변환된다. 이 맥락에서, 생증기는 비교적 저온으로 냉각하고, 비교적 저압이 설정되고 출구(11)를 거쳐 재가열기(12)로 유동하는데, 이 재가열기(12)는 증기를 비교적 고온으로 재가열한다. 이 방식으로 가열된 증기는 중압 차단 밸브(14)를 거쳐 고온 재가열 라인(13)을 통해 중압 부분 터빈(4)으로 공급된다. 중압 차단 밸브(14)는 중압 제어 밸브(15) 및 중압 급동 밸브(16)로서 구체화된다. 증기는 중압 입구(17)를 거쳐 중압 부분 터빈(4)으로 유동한다. 중압 부분 터빈(4)으로부터의 증기는 오버플로우 라인(18)을 거쳐 저압 부분 터빈(5)의 입구로 응축기(19)로 유동한다. 응축기(19)에서, 증기는 응축하여 물을 형성하고, 라인(더 상세히 예시되지 않음)을 거쳐 증기 발생기로 재공급된다.

파워 플랜트(1)는 접점(junction)(20)을 또한 포함한다. 이 접점(20)에는, 고압 부분 터빈(3)의 출구(11)와 응축기(19) 사이의 유동 접속을 형성하는 바이패스 라인(21)이 배열된다.

파워 플랜트(1)는 또한 배기 유닛(23)을 갖고 구체화되고, 배기 유닛(23)은 출구(11) 및 저압 부분 터빈(5)의 출구(24)에 유동 접속된다. 배기 유닛(23)은 응축기(19) 내에 부압이 존재하는 방식으로 구체화되고, 그 결과 증기 터빈(2) 내에 위치된 냉각제가 화살표(22)의 방향에서 응축기(19)로 통과한다. 냉각제, 특히 주위 공기는 냉각제 라인(25)을 거쳐 차단 밸브(7) 또는 중압 차단 밸브(14) 내로 통과하고, 냉각제 라인(25) 및 차단 밸브(7, 14)와 고압 부분 터빈(3) 및 중압 부분 터빈(4)을 통과하고 입구(8, 17)를 통과하는 주위 공기에 의한 강제 냉각 시스템으로 이어진다.

배기 장치(23)는 냉각제가 증기 터빈(2)을 통한 냉각제의 관통 유량으로 유동하는 방식으로 구체화된다.

파워 플랜트(1)는 또한 증기 터빈(2)의 허용가능한 냉각 속도를 초기에 결정하는 자동화 시스템(도시 생략)을 갖고 구체화된다. 허용가능한 냉각 속도는 유한 요소법에 의해 계산되고, 실험적으로 결정되거나 또는 시험에 의해 결정될 수 있다. 게다가, 증기 터빈(2)의 실제 냉각 속도는 자동화 시스템으로 검출된다. 이는 비교 데이터의 평균화에 기초하여 측정에 의해 또는 예측에 의해 행해진다.

후속 단계에서, 자동화 시스템은 허용가능한 냉각 속도를 실제 냉각 속도와 비교하고, 냉각제 라인(25)을 통한 냉각제의 관통 유량을 제어한다.

이 제어는 차단 밸브(7) 내의 스트로크 설정에 의해 그리고 중압 차단 밸브(14)로 수행될 수 있다. 냉각 속도가 허용가능한 것보다 느리면, 차단 밸브(7, 14)는 다소 더 넓게 개방된다. 냉각 속도가 허용가능한 것보다 빠르면, 차단 밸브(7, 14)는 다소 더 폐쇄된다.

이상 동작 상태, 예를 들어 회전부와 비회전부 사이의 접촉을 감시하기 위해, 터빈 회전자의 회전 속도가 계속 감시되어야 한다.

허용가능한 냉각 속도가 초과되면, 예를 들어 제어 회로 내의 결함의 경우에, 작업 요원은 경보에 의해 상태를 경고받는다.

자동화 시스템은 도 2에 도시된 제어기에 의해 구체화된다.

도 2에 따른 제어기(26)는 설정점 냉각 속도(K/h)에 의해 형성된 설정점 값 입력을 갖는다. 실제 냉각 속도(K/h)에 의해 형성된 실제값(28)이 설정점 값(27)으로부터 감산된다. 설정점 값 입력(27)과 실제값(28) 사이의 차이는 냉각 제어기라 칭할 수 있는 제어기에 제어 에러(29)로서 공급된다. 제어기(30)는 P, PI 또는 PID 제어기로서 구체화될 수 있다. 제어기(31)의 출력은 위치 설정점 값이라 칭하는 조작 변수로서, 제어된 시스템(32)에 공급된다. 제어된 시스템(32)은 터빈 밸브(33)의 위치 제어기에 의해 형성된다. 제어 시스템의 출력은 제어 변수(34)라 칭하고, 냉각 속도에 의해 형성된다.

본 발명이 바람직한 예시적인 실시예에 의해 상세히 예시되고 설명되었지만, 본 발명은 개시된 예에 의해 한정되는 것은 아니고, 다른 변형이 본 발명의 보호 범주로부터 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 그로부터 유도될 수 있다.

Claims (14)

1. 터보 기계를 냉각하기 위한 방법이며, 상기 터보 기계는 입구(8, 17) 및/또는 출구(11)를 갖고,
   상기 출구(11)는 배기 유닛(23)에 유동 접속되고, 상기 입구(8, 17)는 냉각제를 공급하기 위한 공기 장치에 유동 접속되고,
   상기 배기 유닛(23)은 냉각제가 상기 터보 기계를 통한 냉각제 관통 유량으로 유동하는 방식으로 구체화되고,
   상기 터보 기계의 허용가능한 냉각 속도가 결정되고,
   상기 터보 기계의 실제 냉각 속도가 검출되고,
   상기 허용가능한 냉각 속도와 상기 실제 냉각 속도가 자동화 시스템으로 비교되고, 상기 냉각제의 관통 유량이 상기 자동화 시스템으로 제어되는, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 터보 기계는 증기 터빈(2)으로서 구체화되는, 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 증기 터빈(2)은 고압 부분 터빈(3), 중압 부분 터빈(4) 및/또는 저압 부분 터빈(5)을 갖는, 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 공기 장치를 통한 냉각제의 관통 유량은 밸브(7, 14, 15, 16)로 제어되는, 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 밸브(7, 14, 15, 16)는 상기 입구 내의 증기 밸브로서 구체화되는, 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   주위 공기가 냉각제로서 사용되는, 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 허용가능한 냉각 속도는 유한 요소법에 의해 계산되거나 실험적으로 결정되거나 또는 시험에 의해 결정되는, 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 실제 냉각 속도는 측정되고, 비교 데이터로부터 결정되거나 또는 예측에 의해 결정되는, 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자동화 시스템은 제어기를 갖고 구체화되고,
   설정점 냉각 속도(K/h)가 설정점 값으로서 사용되고,
   이하의 관계가 성립하고:
   설정점 냉각 속도 ≤ 허용가능한 냉각 속도,
   상기 실제 냉각 속도가 실제값으로서 사용되는, 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 냉각제의 관통 유량이 조작 변수로서 사용되는, 방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 증기 밸브의 밸브 설정이 조작 변수로서 사용되는, 방법.
12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    P, PI 또는 PID 제어기가 제어기로서 사용되는, 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허용가능한 냉각 속도가 초과되거나 미달되면 경보가 발생되는, 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한, 자동화 시스템.

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