KR20190057034A - 발전기의 온도를 제어하기 위한 시스템 - Google Patents

발전기의 온도를 제어하기 위한 시스템 Download PDF

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KR20190057034A
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제임스 다니엘 안탈레크
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존 러셀 야길스키
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명의 일 개념에 따르면, 발전기의 온도를 제어하기 위한 시스템이 제공되고, 이 시스템은 발전기와 유체 연통하는 유체 공급부, 이 유체 공급부, 발전기 및 냉각 유체 소스와 유체 연통하는 열 교환 장치를 포함한다. 이 시스템은 또한 열 교환 장치로부터 발전기로 유동하는 유체의 제 1 온도를 결정하도록 구성된 제 1 센서, 발전기로부터 유체 공급부로 유동하는 유체의 제 2 온도를 결정하도록 구성된 제 2 센서, 및 상기 결정된 제 1 및 제 2 센서 온도에 기초하여 유체를 위한 작동 한계 온도를 결정하도록 구성된 제어기를 포함한다.

Description

발전기의 온도를 제어하기 위한 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A TEMPERATURE OF A GENERATOR}
본 발명은 발전기(power generators)에 관한 것이고, 특히 발전기를 냉각하기 위한 시스템에 관한 것이다.
전기를 발생하는 공정 중에, 발전기는 열을 생성하는데, 이 열은 안전한 작동을 가능하게 하기 위해 발전기로부터 멀리 소산되어야 한다. 몇몇 발전기는 이 열을 소산하기 위해 냉각 유체를 사용한다. 많은 발전기에서, 이 유체는 물 또는 수용액(water solution)이다. 냉각 시스템에서, 유체는 스테이터 아마추어 바아(stator armature bars) 부근에서 도관을 통해 순환되고, 이 유체는 발전기의 안전한 작동을 가능하게 하기 위해 스테이터를 냉각시킨다.
몇몇 유체 냉각 발전기에서, 발전기를 떠나는 벌크(bulk) 냉각 유체의 온도는 이 발전기가 안전하게 작동하는 것을 보장하기 위해 모니터된다. 일정한 임계(threshold) 작동 온도는 발전기가 안전하게 작동하고 있는지, 아니면 정지(shut down)(또는 "트립(tripped)")되어야 하는지를 결정하기 위해 검출된 온도와 비교된다. 벌크 냉각제(bulk coolant) 온도는 많은 병렬 냉각 경로를 통과하는 냉각제의 온도의 평균이고, 가장 뜨거운(hottest) 온도를 직접적으로 측정하지 않을 것이다. 발전기에 진입하는 냉각 유체의 온도가 주위 온도 및 환경과 관련하여 현저하게 변화할 수 있는 상황에서, 발전기는 스테이터가 안전하게 작동하고 있는 경우에도 정지될 수도 있다. 예를 들어, 주위 온도가 상승되고 발전기에 진입하는 냉각제가 유사하게 상승되는 상황에서, 발전기 유체 출구 온도는 상승될 수 있는데, 그럼에도 스테이터는, 권선(winding)에서의 가장 뜨거운 냉각제가 수용가능한 레벨 이하이기 때문에, 작동 중이며 효율적으로 냉각되는 상태를 유지한다. 이러한 상황은 발전기가 안전하게 작동될 때에도 발전기를 불필요하게 트립되게 할 수 있고, 이에 의해 값비싼 발전소 정지(power plant outage)를 일으킨다.
본 발명의 일 개념에 따르면, 발전기의 온도를 제어하기 위한 시스템이 제공되고, 이 시스템은 발전기와 유체 연통하는 유체 공급부, 이 유체 공급부, 발전기 및 냉각 유체 소스와 유체 연통하는 열 교환 장치를 포함한다. 이 시스템은 또한 열 교환 장치로부터 발전기로 유동하는 유체의 제 1 온도를 결정하도록 구성된 제 1 센서, 발전기로부터 유체 공급부로 유동하는 유체의 제 2 온도를 결정하도록 구성된 제 2 센서, 및 결정된 제 1 및 제 2 센서 온도에 기초하여 유체를 위한 작동 한계 온도를 결정하도록 구성된 제어기를 포함한다.
본 발명의 다른 개념에 따르면, 발전기의 온도를 제어하기 위한 방법이 제공되고, 이 방법은 열 교환 장치로부터 발전기로 유체는 안내하는 단계, 발전기로부터 유체 공급부로 유체를 안내하는 단계, 및 열 교환 장치로부터 발전기로 유동하는 유체의 제 1 온도를 결정하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 발전기로부터 유체 공급부로 유동하는 유체의 제 2 온도를 결정하는 단계 및 결정된 제 1 및 제 2 온도에 기초하여 유체를 위한 작동 한계 온도를 결정하는 단계를 포함한다.
이들 및 다른 장점들과 특징들은 도면과 관련하여 취한 하기 상세한 설명으로부터 더 명백하게 될 것이다.
본 발명과 관련한 주제는 명세서의 결론(conclusion)에서 청구범위에 특별하게 지적되고 명확하게 청구된다. 본 발명의 이들 및 다른 특징들, 및 장점들은 첨부 도면과 관련하여 취해진 하기 상세한 설명으로부터 명확하게 된다.
도 1은 발전소(power generation plant)에서 사용되는 예시적 냉각 시스템의 개략 다이아그램.
도 2는 냉각 시스템에 의해 실행되는 단계들의 예시적 논리 다이아그램.
상세한 설명은 첨부 도면과 관련한 예시에 의해 장점들 및 특징들과 함께 본 발명의 실시예들을 설명한다.
도 1은 발전소(power generation plant)에서 사용되는 예시적 냉각 시스템(100)의 개략 다이아그램이다. 냉각 시스템(100)은 발전 시스템(104)에 결합되는 발전기(102)를 냉각하도록 구성된다. 이 결합은 발전 시스템(104)으로부터 발전기(102)로 기계적 에너지를 전달하도록 구성된 샤프트 또는 기어 시스템일 수 있다. 발전 시스템(104)은 조합된 사이클 터빈 시스템, 가스 터빈 시스템 또는 증기 터빈 시스템을 포함하나, 이에 제한되지 않는, 동력의 많은 양을 발생하기 위해 적합한 임의의 시스템을 포함한다. 냉각 시스템(100)은 탱크(106), 펌핑 디바이스(108), 펌핑 디바이스(110), 열 교환기(112), 열 교환기(114), 및 열 교환기 유체 소스(116)를 포함한다. 냉각 시스템(100)은 필터(118), 제어기(120), 센서 모듈(122), 센서 모듈(124) 및 유동 제어 디바이스(126)를 부가로 포함한다.
설명된 바와 같이, 냉각 유체는 냉각 시스템(100)의 선택된 구성부품들 사이에서 도관을 통해 안내되는 한편, 제어기(120)는 전기 신호와 같은 신호를 다른 시스템 구성부품에 전달하고 이 구성부품으로부터 수신한다. 냉각 유체는 발전기(102)의 스테이터 부근에서 하나 이상의 도관들 또는 다른 적합한 유체 연통 채널들을 따라 안내된다. 스테이터에서 전류 유동 관통 권선은 열을 흡수하도록 구성된 도관에 전이되는 열을 발생한다. 따라서, 예시적 도관은 도관을 통해서 유동하는 냉각 유체에 열의 열적 연통을 가능하게 하는 스테이터에 인접하고 및/또는 스테이터와 접촉한다. 냉각 유체는 냉각 적용을 위해 바람직한 특성들을 갖는 임의의 적합한 유체일 수 있다. 냉각 유체의 예시들은 물, 물-기반 용액 및 부동액(antifreeze solution)을 포함한다.
도 1을 여전히 참조하면, 발전기(102)의 스테이터로부터 열을 흡수한 후에, 냉각 유체는 탱크(106)로 안내되고, 이 냉각 유체는 열 교환기들(112, 114)에 의해 냉각 유체의 향상된 냉각을 가능하게 하도록 처리된다. 도시된 바와 같이, 센서 모듈(124)은 발전기(102)로부터 유동하는 냉각 유체의 하나 이상의 변수(parameters)를 측정하도록 구성된다. 센서 모듈(124)은 예시적 측정(measurements)을 실행하기 위한 적합한 센서 및 하드웨어를 포함한다. 측정된 변수들은 온도, 도전율 및 압력을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 다양한 변수들은 pH, 용해된 H2, 용해된 O2 및 다른 것들과 같은 것을 또한 측정할 수 있다. 따라서, 예시적 센서 모듈(124)은 온도 센서, 압력 센서 및 도전율 센서를 포함한다. 예시적 센서 모듈(122)은 유체가 발전기(102) 안으로 유동하기 전에 냉각 유체의 변수들을 측정하도록 구성된 유사한 센서 및 하드웨어를 또한 포함한다. 특히, 센서 모듈(122)은 발전기(102) 안으로 유동하기 전에 냉각 유체의 온도, 도전율 및 압력을 측정하도록 구성된 센서를 포함한다. 따라서, 제어기(120)는 센서 모듈들(122, 124)로부터 측정된 변수를 처리하기 위한 적합한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다.
더욱이, 일 실시예에서, 제어기(120)는 스테이터 냉각 도관 내에서 냉각 유체의 가장 높은 온도를 결정하도록 그리고 유체가 발전기(102)를 떠날 때에 냉각 유체를 위한 작동 한계 온도(operating limit temperature)를 더 결정하도록 센서 모듈들(122, 124)로부터 측정된 온도를 사용한다. 작동 한계 온도는 하기에 더 상세히 설명되는 바와 같은 적합한 소프트웨어, 알고리즘 및 방정식을 사용하여 결정된다. 작동 한계 온도는 발전기(102)의 안전한 작동을 위해 수용가능한 온도의 범위의 상한(upper limit)이다. 일 실시예에서, 작동 한계 온도는 실시간으로 결정되고, 센서 모듈들(122, 124)은 작동 한계 온도를 실시간으로 결정하기 위해 연속적으로 냉각 유체 온도를 측정한다. 실시간 측정 및 계산은 약 0.2 내지 약 50 헤르츠(Hertz: Hz) 범위와 같은 어떤 적합한 간격(interval)으로 발생할 수 있다. 일 예시에서, 제어기(120) 및 센서 모듈들(122, 124)에 의한 측정 및 계산은 약 20 내지 약 30 Hz에서 발생한다. 더욱이, 다른 예시에서, 측정 및 계산은 약 25 Hz에서 순간적으로 그리고 실시간으로 발생한다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 제어기는 특정 용도용 집적회로(ASIC; Application Specific Integrated Circuit); 전자 회로; 하나 이상의 소프트웨어 또는 펌웨어(firmware) 프로그램을 실행하는 프로세서(공유(shared), 전용(dedicated) 또는 그룹) 및 메모리; 조합 논리 회로; 및/또는 상술한 기능을 제공하는 다른 적합한 구성부품을 지칭한다. 더욱이, 본 명세서에 기재된 바와 같은 용어 실시간은 선택된 간격으로 적어도 하나의 기능 또는 일(task)을 실행하도록 구성될 수 있는 프로세스, 단계, 방법, 장치 또는 디바이스를 지칭한다.
도 1을 계속 참조하면, 냉각 유체를 탱크(106)로 안내한 후에, 냉각 시스템(100)은 냉각 유체를 펌핑 디바이스들(108, 110)을 거쳐서 열 교환기들(112, 114)로 안내한다. 열 교환기들(112, 114)은 병렬로 작동할 수 있거나 또는 냉각 시스템 필요성과 형상에 따라 교류 방식으로 사용될 수 있다. 더욱이, 몇몇 실시예들에서, 단일 열 교환기(112, 114)는 냉각 유체로부터 열을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 열 교환기들(112, 114)은 플레이트 및 프레임 또는 쉘(shell) 및 튜브 열 교환기들과 같은 열 교환기의 어떤 적합한 형태이고, 열 교환기 유체 소스(116)는 열 교환기들(112, 114)에서 냉각 유체로부터 열을 수용하기 위해 열 교환기 유체를 제공하도록 구성된다. 상술된 바와 같이, 유동 제어 디바이스(126)의 유동 위치의 제어는 제어기(120)에 의해 제어되고, 제어기(120)는 센서 모듈들(122, 124)로부터 측정된 변수(예를 들어, 온도)와 같은 선택된 입력에 기초하여 열 교환기들에 대해 열 교환기 유체의 유동을 제한할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 냉각 시스템은 유동 제어 디바이스(126)를 포함하지 않을 수 있다. 하나 또는 양 열 교환기들(112, 114)에 의한 냉각 유체의 냉각 후에, 냉각 유체는 필터(118)로 안내되고, 오염물(contaminants)은 냉각 유체로부터 제거된다. 그런 다음 냉각 유체는 센서 모듈(122)을 통해 안내되고, 냉각 유체의 변수는 상술한 바와 같이 측정되고 결정된다. 그런 다음 발전기(102)는 스테이터 부근의 도관들이 스테이터 권선들로부터 냉각 유체로 열을 전달할 수 있는 냉각 유체를 수용한다. 하기에 설명되는 바와 같이, 냉각 시스템(100)은 작동 한계 온도를 실시간으로 결정하도록 구성된다. 작동 한계 온도의 실시간 결정은 발전기(102)를 가로지르는 온도 증가가 결정된 작동 한계 온도 이하일 때에 냉각 시스템(100)을 위한 증가된 작동 온도를 허용한다. 따라서, 예시적 구성은 발전기(102)를 위한 작동 환경과 조건의 증가된 범위를 제공하고, 이에 의해 넓은 범위의 기후(climates)를 가로지르는 안전한 발전을 허용한다.
도 2는 냉각 시스템(100)에 의해 실행되는 단계의 예시적 논리 다이아그램(200)(또는 흐름도)이다. 일 실시예에서, 논리 다이아그램(200)의 단계들은 제어기(120)에 의해 실행된다. 한 세트의 입력(202)은 제 1 블록 204에 의해 수용되고, 이 입력(202)은 작동 한계 온도(Tlimit)를 결정하기 위해 사용되는 방정식에 대한 입력이다. 입력(202)은 감지된 냉각 유체 입구 온도(Tin), 비등점 온도(Tboil) 및 스테이터 권선 특성들에 기초한 상수(Kbulk)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 냉각 유체 입구 온도(Tin)는 센서 모듈(122)에 의해 측정된다. 비등점 온도(Tboil)는 고도(elevation), 환경, 냉각 유체 특성들 및 다른 관련 인자들에 기초하여 결정되는 각 시스템을 위한 상수 값 또는 정상 값이다. 해면(sea level)에서 물을 위한 예시적인 비등점 온도(Tboil)는 100℃이다. 블록 204는 비등점 온도(Tboil) 및 유체 입구 온도(Tin)를 위한 섭씨(Celsius) 값들을 사용한다. 상수(Kbulk)는 냉각제 회로에서 병렬 경로의 가장 뜨거운 위치에서 상승하는 냉각제 온도 대 발전기에 대해 입구와 출구 사이에서 관찰된 상승하는 냉각제 온도 사이의 비율 관계를 나타낸다. 상수는 발전기 내에서 냉각 회로의 물리적 구성의 함수이다. 일 실시예에서, 블록 204는 특정 냉각 시스템(100) 적용을 위해 두 개의 상수 또는 정상 입력들(Tboil, Kbulk)에 기초하여 작동 한계 온도를 결정하기 위해 사용된다. 상술한 바와 같이, 냉각 유체 입구 온도(Tin)는 선택된 간격으로 측정되고, 연속적인 및 반복적인 측정은 작동 한계 온도(Tlimit)의 결정을 실시간으로 가능하게 한다.
블록 206에 도시된 바와 같이, 작동 한계 온도(Tlimit)는 결정된 냉각 유체 출구 온도(Tout)와 비교되고, 결정 및 비교는 실시간으로 이루어진다. 도 1에 도시된 실시예에서, 냉각 유체 출구 온도(Tout)는 센서 모듈(124)에 의해 측정된다. 블록 206에서 비교는 냉각 유체 출구 온도(Tout)가 작동 한계 온도(Tlimit) 이상인지를 결정한다. 비교 결과가 아니오(No)라면, 블록 208은 입력(202)을 수용하기 위해 논리 다이아그램을 향하고, 이에 의해 입구 온도(Tin)의 새로운 측정에 기초한 작동 한계 온도(Tlimit)의 갱신된(updated) 결정을 제공한다. 비교 결과가 예(yes)라면, 블록 210은 발전 시스템(104)이 트립되는 것을 지시하고, 발전기(102)는 정지되고(shut down), 오프 라인(off line)을 취하며, 및/또는 손상을 방지하기 위해 코스트 다운(coast down)되게 한다. 블록 212는 또한 냉각 유체 출구 온도(Tout)와 작동 한계 온도(Tlimit)의 비교를 포함한다. 블록 212는 알람 비교 단계로서 설명될 수 있고, 이 단계는 냉각 유체 출구 온도(Tout)가 작동 한계 온도(Tlimit)에 5도(섭씨)일 수 있는 마진(margin)을 마이너스(-)한 것 이상인지를 결정한다. 비교 결과가 아니오라면, 블록 214는 입력(202)을 수용하기 위해 논리 다이아그램을 향하고, 이에 의해 입구 온도(Tin)의 새로운 측정에 기초한 작동 한계 온도(Tlimit)의 갱신된 결정을 제공한다. 비교 결과가 예라면, 블록 216은 냉각 시스템(100)을 위한 알람을 야기하고, 오디오 및/또는 시각적 알람과 같은 알람은 발전기(102)가 작동 한계 온도(Tlimit)에 접근하는 것을 조작자에게 통지한다. 상술한 바와 같이, 입구 온도(Tin), 작동 한계 온도(Tlimit) 및 출구 온도(Tout)의 연속적인 또는 실시간 결정은 온도의 범위에 걸쳐 작동한다. 일 실시예에서, 작동 한계 온도(Tlimit)의 실시간 결정은 스테이터를 횡단하여 유동하는 냉각 유체의 온도 증가의 허용가능한 레벨에 기초하고, 그런 다음 출구 온도(Tout)를 실시간으로 비교하며, 이에 의해 고, 저 및 가변 온도 기후(climates)를 위한 수용가능한 발전기 작동 온도를 제공한다.
본 발명이 제한된 수의 실시예과 관련하여 상세하게 설명한 반면에, 본 발명이 상술된 실시예들에 제한되지 않은 것을 쉽게 이해할 수 있다. 오히려, 본 발명은 상술되지 않은 임의 수의 변형, 대안, 대체 또는 등가물의 구성을 합체하기 위해 변경될 수 있고, 이는 본 발명의 정신 및 범위에 상응한다. 부가로, 본 발명의 다양한 실시예들이 상술된 한편, 본 발명의 개념은 상술된 실시예들의 일부만을 포함하는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명은 상술한 설명에 의해 제한되지 않고, 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 제한된다.
100 : 냉각 시스템 102 : 발전기
104 : 발전 시스템 106 : 탱크
108, 110 : 펌핑 디바이스 112, 114 : 열 교환기
116 : 열 교환기 유체 소스 118 : 필터
120 : 제어기 122, 124 : 센서 모듈
126 : 유동 제어 디바이스 200 : 다이아그램
202 : 입력 204, 206, 208, 210, 212, 214, 216 : 블록

Claims (3)

  1. 발전기(102)의 온도를 제어하기 위한 시스템(100)에 있어서,
    상기 발전기(102)와 유체 연통하는 유체 공급부(106, 108, 110)와,
    상기 유체 공급부(106, 108, 110) 및 상기 발전기(102)와 유체 연통하는 열 교환 장치(112, 114)와,
    상기 열 교환 장치(112, 114)로부터 상기 발전기(102)로 유동하는 유체의 제 1 온도를 측정하도록 구성된 제 1 센서(122)와,
    상기 발전기(102)로부터 상기 유체 공급부(106, 108, 110)로 유동하는 상기 유체의 제 2 온도를 측정하도록 구성된 제 2 센서(124)와,
    측정된 제 1 온도에 기초하여 상기 유체를 위한 작동 한계 온도(operating limit temperature)를 실시간으로 결정하고;
    상기 작동 한계 온도를 측정된 제 2 온도와 비교하고;
    비교 결과에 기초하여 상기 열 교환 장치(112, 114) 내로의 열 교환기 유체의 유동을 제어하도록 그리고 상기 발전기(102)를 위한 알람(alarm) 또는 트립(trip)을 발생할지 여부를 결정하도록 구성된
    제어기(120)를 포함하는
    발전기 온도 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작동 한계 온도는, 그 온도 이하에서는 상기 발전기(102)가 안전하게 작동할 수 있지만, 그 온도 이상에서는 상기 발전기(102)가 정지될 수도 있는 임계 온도를 포함하는
    발전기 온도 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 공급부(106, 108, 110)는 펌핑 디바이스(108, 110)와 탱크(106)를 포함하는
    발전기 온도 제어 시스템.
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