KR20200051031A - 증기 터빈 제어 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 증기 터빈(1)을 작동하기 위한 방법에 관한 것이다. 증기 터빈(1)은 2개 이상의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)을 갖고, 증기 터빈(1)에는 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c)에 대해 각각 하나의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)를 갖는 증기 터빈 제어기(3)가 연관되고, 작동 시에 각각의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)는 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)에 대해 각각의 제어 편차를 결정하기 위해, 각각의 설정값들을 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)의 각각의 실제값들과 비교한다.
Description
본 발명은 증기 터빈을 작동하기 위한 방법, 증기 터빈 제어기를 갖는 증기 터빈 및 증기 터빈 제어기에 관한 것이다.
국가의 전기 시장의 요구는 시간이 지날 수록 변경된다. 더욱이, 국가, 발전소 운영자 및 전력망 운영자 사이의 요구도 또한 상이하다. 예를 들어, 소형 전력망에 연결되고 주기적 부하에 연결되는 발전소는 본질적으로 발전소들의 대형 복합체에 공급하는 발전소보다 정확한 주파수 제어에 더 중점을 둔다. 이는 요구된 기동 시간(starting times), 부하 변동(load change), 가동중단 시간(down times) 등에도 동일하게 적용된다. 이들 작동 방법의 차이는 증기 터빈의 운영 방식에 대한 상이한 요구들을 야기한다. 한편, 변화하는 또는 국가별 특유의 운영들은 증기 터빈 제어의 구조의 적응(adaptation)을 야기한다. 그러나, 확고하게 규정된 구조는 요구되는 운영 및 물리적 한계 조건에 대한 유연한 반응을 큰 노력을 들임으로써만 가능하게 한다.
증기 터빈 제어기의 더 큰 유연성을 요구하는 예는 다음과 같다:
- 더 큰 제어 예비량을 유지하기 위해 중간압 및 저압 터빈을 사용하여 출력 또는 주파수가 제어되어야 하고 그리고 고압 터빈이 코스팅(coasting)되거나 고압 시스템 내의 압력을 제어해야 한다면, 이를 위해 구조의 적응이 필요하다.
- 하나의 터빈 스테이지가 의도한 대로 열 응력을 조정하고 제2 터빈 스테이지가 총 출력을 조정하는 운영들은 제어기 구조를 변경하지 않고서는 실현될 수 없다.
- 경제적 효율 및 제어 성능의 최적화 하에서 사용되어야 하는 과부하 도입은 상이한 목표 변수들을 규정할 것을 요구한다.
- 터빈 스테이지의 최대 열 응력이 부하 프로세스 중에 완전 소모되면, 단지 이 터빈 스테이지만이 더 서서히 부하가 가해져야 한다. 한편, 터빈 스테이지의 출력이 허용 가능한 응력에 도달하지 않은 경우, 상응하게 더 신속하게 출력은 증가되어야 하고, 이에 따라 블록 과도(block transient)가 유지되어야 한다.
증기 터빈 제어기의 확고하게 규정된 구조는 증기 터빈 작동의 유연성을 감소시키거나, 증기 터빈 작동 개념의 변경 시에 상당한 노력을 초래한다.
다단식 증기 터빈은 예를 들어 DE 60 121 679 T2호로부터 알려져 있다.
따라서, 증기 터빈이 더 유연하게 작동될 수 있는 방법을 입증할 필요성이 존재한다.
본 발명에 따르면, 2개 이상의 부분 터빈들을 갖는 증기 터빈에서, 각각의 부분 터빈들에 대해 각각 하나의 부분 터빈 제어기를 갖는 증기 터빈 제어기가 사용되고, 작동 시에 각각의 부분 터빈 제어기는 각각의 부분 터빈들에 대해 각각의 제어 편차를 결정하기 위해, 각각의 설정값들을 각각의 부분 터빈들의 각각의 실제값들과 비교한다.
따라서, 프로세스 변수들에 대한 개별 부분 터빈 제어기가 각각의 부분 터빈들에 대해 사용되고, 경우에 따라 존재하는 물리적 커플링은 개별 부분 터빈 제어기의 설정값들에 의해서만 표시된다. 이러한 변화의 결과로서, 부분 터빈은 자체 규정 및 물리적 한계 조건에 따라서만 그 출력, 압력 또는 마찬가지로 열 응력을 조정하는 것이 가능하다. 이에 의해 제어기 구조의 복잡성이 상당히 감소되고, 동일한 조치로 유연성이 증가된다. 이는 증기 터빈 제어기의 더 간단한 구조, 각각의 설정값들에 기초하는 더 유연한 작동 방법, 작동 한계 조건의 더 유연한 고려 및 경제적 효율 및 제어 성능을 고려한 최적의 작동을 가능하게 한다.
부분 터빈 제어기가 상이한 작동 모드들에 따라 각각의 부분 터빈들을 작동시키는 것이 가능하다. 작동 모드들은 예를 들어, 작동 모드인, 출력 제어, 주파수 제어, 속도 제어, 신선 증기(freshsteam) 또는 예압 제어 또는 배압(back pressure) 제어일 수 있다. 출력 제어의 경우에, 제어 변수는 공공 복합 전력망으로 전달되어야할 전력이다. 주전력망 스위치가 개방될 때, 발전기가 이어서 독립 전력망에 전력을 공급해야 할 필요가 있기 때문에, 주파수 제어는 작동 시에 독립 모드로 선택된다. 이는 복합 전력망에 결함이 있는 경우에 요구된다. 이 경우에 제어된 변수는 전압의 주파수, 또는 간접적으로 증기 터빈의 속도이다. 다른 한편으로, 속도 제어는 공회전(idling) 시에 선택된다. 속도가 제어된다. 이는 예를 들어, 특정 속도 궤도가 유지되어야 하는 런업(running up) 시에 해당한다. 신선 증기 또는 예압 제어의 경우에, 제어 변수는, 추가의 부하에 기초하여 변동하는 신선 증기 압력이다. 증기 터빈을 통한 간접 제어는 버너를 통하는 것보다 더 고속이며, 즉, 더 동적인데, 이는 비교 캐리어에서의 증기 발생이, 즉 덜 동적이기 때문이다. 저압 터빈 스테이지가 증기 레일 내로 개방될 때 배압 제어가 사용될 수 있다.
바람직하게는, 부분 터빈 제어기들은, 각각의 부분 터빈들에 연관된 각각의 터빈 밸브들을 구동한다. 개별 터빈 밸브들은 개별 프로세스 변수들인, 각각의 부분 터빈의 압력, 부분 터빈의 출력, 부분 터빈의 열 응력 또는 열 응력 강하를 서로 독립적으로 제어하는 자유도를 증기 터빈에 제공한다. 터빈 밸브는 예를 들어, 전통적인 스로틀 밸브 또는 노즐 조립체로서 형성되는 신선 증기 밸브일 수 있다.
본 발명에 따르면, 각각의 출력값은 부분 터빈 제어기들 중 하나를 사용하여 작동 모드들 중 하나에서 설정된다. 이와 같이, 프로세스 변수인, 부분 터빈의 출력은 다른 값들과 독립적으로 제어될 수 있다.
바람직하게는, 각각의 압력값은 부분 터빈 제어기들 중 하나를 사용하여 작동 모드들 중 하나에서 설정된다. 이와 같이, 프로세스 변수인, 각각의 부분 터빈의 압력은 다른 값들과 독립적으로 제어될 수 있다. 열적 한계 조건이 또한 관련 부분 터빈에만 영향을 미친다.
바람직하게는, 각각의 온도값은 부분 터빈 제어기들 중 하나를 사용하여 작동 모드들 중 하나에서 설정된다. 이와 같이, 프로세스 변수인, 부분 터빈의 열 응력은 다른 값들과 독립적으로 제어될 수 있다.
바람직하게는, 각각의 부분 터빈 제어기들로서 PID 제어기가 사용된다. PID 제어기[비례 적분 미분 제어기(proportional-integral-derivative controller)]는 P 요소, I 요소 및 D 요소의 성분들로 이루어진다. 이는 병렬 구조로부터 또는 직렬 구조로부터 규정될 수 있다. PID 제어기는 매우 적응력이 높고, 일정한 설정값에서, 제어 변수 및 방해 변수의 급격한 변화 시의 지속적인 제어 편차를 방지하며, 예를 들어 제어 시스템의 PT1 요소에 의해 발생된 지연을 보상하고, 따라서 제어 시스템을 단순화하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 증기 터빈 제어기를 갖는 증기 터빈, 및 증기 터빈 제어기를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예가 첨부된 개략도에 기초하여 이하에 설명된다.
도 1은 연관된 증기 터빈 제어기를 갖는 증기 터빈의 개략도를 도시하고 있다.
도 1은 연관된 증기 터빈 제어기를 갖는 증기 터빈의 개략도를 도시하고 있다.
증기 터빈(1)에 연관된 증기 터빈 제어기(3)를 갖는 증기 터빈(1)이 도시되어 있다.
증기 터빈(1)은 발전소에서 사용되는 바와 같이 터보발전기 세트의 부분일 수 있다.
본 예시적인 실시예에서, 증기 터빈(1)은 2류형(two-flow form)이다. 본 예시적인 실시예와는 다르게, 증기 터빈은 또한 단류형(single-flow form)일 수 있다.
본 예시적인 실시예에서, 증기 터빈(1)은 3개의 부분 터빈들을 갖는 형태이다. 이 경우, 제1 부분 터빈은, 제1 스테이지 그룹(2b) 및 제2 스테이지 그룹(2c)을 갖는 고압 터빈이고, 제2 부분 터빈은 중간압 터빈(2a)이고 제3 부분 터빈은 저압 터빈(5)이다.
본 예시적인 실시예에서 3개의 부분 터빈들 중 2개의 부분 터빈들은 공통 하우징 내에 수용되는 반면, 제3 부분 터빈, 즉 저압 터빈(5)은 개별 하우징 내에 있다. 본 예시적인 실시예와는 다르게, 각각의 부분 터빈들은 또한 개별 하우징 내에 각각 수용될 수 있다.
본 예시적인 실시예에서 증기 터빈 제어기(3)는 3개의 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)을 갖는다. 본 예시적인 실시예에서, 제1 부분 터빈 제어기(3a)는 저압 터빈에 연관되고, 제2 부분 터빈 제어기(3b)는 중간압 터빈에 연관되고, 제3 부분 터빈 제어기(3c)는 고압 터빈에 연관된다.
본 예시적인 실시예에서 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 각각 PID 제어기이다. 본 예시적인 실시예와는 다르게, 다른 제어기 유형들이 또한 사용될 수 있다. 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 아날로그 또는 디지털 제어기의 형태일 수 있다. 증기 터빈 제어기(3)는 이를 위해 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구성요소를 가질 수 있다.
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 각각의 부분 터빈들의 각각의 터빈 밸브들을 구동하도록 설계된다. 본 예시적인 실시예에서 터빈 밸브들은 중간압 밸브(4a), 신선 증기 밸브(4b) 및 부가의 신선 증기 밸브(4c)이며, 이들 밸브들은 각각 예를 들어 전통적인 스로틀 밸브들 또는 노즐 조립체로서 구성될 수 있다.
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 상이한 작동 모드들에 따라 각각의 부분 터빈들을 작동시킨다. 작동 모드들은 예를 들어, 작동 모드인, 출력 제어, 주파수 제어, 속도 제어, 신선 증기 또는 예압 제어 또는 배압 제어일 수 있다.
예를 들어, 작동 모드인, 출력 제어(power control)에서, 공공 복합 전력망으로 전달되는 전력이 제어된다. 이 작동 모드는 주전력망 스위치가 폐쇄되고, 증기 터빈(1)에 의해 구동되는 발전기가 전력망에 견고하게 연결될 때에만 가능하다.
예를 들어, 런업(runup) 중에 그리고 발전기 및 터빈의 특수 작동 상황 및 결함 중에, 속도가 제어된다. 그러나, 다른 작업 기계의 구동을 위해서는, 이 모드가 표준 경우이다. 작동 모드인, 속도 제어(speed control)는 발전기가 전력을 생산하지 않는다는 사실, 즉 증기 터빈에 부하가 가해지지 않는다는 사실을 제외하고는, 작동 모드인, 주파수 제어와 유사하다. 유일한 출력 손실은 베어링 마찰의 결과로서, 가능하게는 오일 펌프와 같은 직접 구동식 작업 기계의 결과로서 발생한다.
증기 터빈(1)이 저압 레일에서 증기 압력을 위한 작동 요소로서 사용되는 경우, 작동 모드인, 배압 제어(back pressure control)가 수반된다. 신선 증기 밸브의 작동은, 저압 부하의 취해지는 증기의 양이, 저압 레일 내로 유동하는 양과 평형을 이루고, 압력이 유지되는 것을 보장한다. 개방 시에, 배압은 증가하고, 그 반대도 마찬가지이다. 복합 전력망으로 전달되는 전력은 마찬가지로 이 경우에 부산물이며 변동한다.
이와 같이, 예를 들어 개별 프로세스 변수들인, 각각의 부분 터빈의 압력, 부분 터빈의 출력 및 부분 터빈의 열 응력 또는 열 응력 강하가 서로 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 각각의 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 출력 또는 주파수를 제어하거나 이들을 코스팅 모드로 작동시키도록 설계된다. 이를 위해, 각각의 터빈 밸브들을 갖는, 즉 본 예시적인 실시예에서는 중간압 밸브(4a), 신선 증기 밸브(4b) 및 부가의 신선 증기 밸브(4c)를 갖는 각각의 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은, 각각의 압력값을 설정하고, 각각의 출력값을 설정하거나 또는 각각의 온도값을 설정하도록 설계된다.
작동 시에, 각각의 부분 터빈에 대한 각각의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)에 대해 각각의 설정값들이 규정되며, 상기 설정값들은 각각의 부분 터빈에 대해 각각의 제어 편차를 결정하기 위해 각각의 부분 터빈들의 각각의 실제값들과 비교된다.
제어 편차로부터, 이후 각각의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)는 예를 들어 PID 알고리즘을 사용하여 각각의 제어 변수들을 결정한다.
이와 같이, 예를 들어, 중간압 터빈(2a)이 코스팅하는 동안, 예를 들어 출력 또는 주파수가 고압 터빈의 제1 스테이지 그룹(2b) 및 제2 스테이지 그룹(2c)을 사용하여 제어되는 것에 의해, 더 큰 제어 예비량이 유지될 수 있다.
또한, 구조 변경을 요구하지 않고, 예를 들어 제1 부분 터빈, 즉 고압 터빈의 제1 스테이지 그룹(2b) 및 제2 스테이지 그룹(2c)에 대해, 의도한 대로 열 응력이 조정되고, 제2 부분 터빈, 즉 중간압 터빈(2a)에 대해 총 출력이 제어되는 것이 가능하다.
게다가, 상이한 목표 변수들이 규정될 수 있어, 과부하 도입이 가능해지는데, 이는 경제적 효율 및 제어 성능의 최적화 하에서 사용되어야 한다.
또한, 블록 과도를 유지하기 위해 개별 부분 터빈에 다른 동적 부하가 가해질 수 있다.
마지막으로, 이와 같이 제어기 구조의 복잡성이 상당히 감소되고, 동일한 조치에서 유연성이 증가된다. 이와 같이, 증기 터빈 제어기(3)의 더 간단한 구조, 각각의 설정값들만을 통한 더 유연한 작동 방법, 작동 한계 조건의 더 유연한 고려 및 경제적 효율 및 제어 성능을 고려한 최적의 작동이 가능하다.
본 발명이 바람직한 예시적인 실시예에 의해 더 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 (13)
- 증기 터빈(1)을 작동하기 위한 방법이며,
증기 터빈(1)은 2개 이상의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)을 갖고, 증기 터빈(1)에는 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)에 대해 각각 하나의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)를 갖는 증기 터빈 제어기(3)가 연관되고, 작동 시에 각각의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)는 각각의 부분 터빈(2a, 2b, 2c, 5)에 대해 각각의 제어 편차를 결정하기 위해, 각각의 설정값들을 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)의 각각의 실제값들과 비교하고, 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c) 중 하나를 사용하여 작동 모드들 중 하나에서 각각의 출력값이 설정되는, 증기 터빈을 작동하기 위한 방법. - 제1항에 있어서,
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은, 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)에 연관된 각각의 터빈 밸브들(4a, 4b, 4c)을 구동하는, 증기 터빈을 작동하기 위한 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 상이한 작동 모드들에 따라 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)을 작동시키는, 증기 터빈을 작동하기 위한 방법. - 제3항에 있어서,
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c) 중 하나를 사용하여 작동 모드들 중 하나에서 각각의 압력값이 설정되는, 증기 터빈을 작동하기 위한 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c) 중 하나를 사용하여 작동 모드들 중 하나에서 각각의 온도값이 설정되는, 증기 터빈을 작동하기 위한 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)로서 PID 제어기가 사용되는, 증기 터빈을 작동하기 위한 방법. - 2개 이상의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)을 갖는 증기 터빈(1)이며,
증기 터빈(1)에는 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)에 대해 각각 하나의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)를 갖는 증기 터빈 제어기(3)가 연관되고, 각각의 부분 터빈 제어기(3a, 3b, 3c)는 작동 시에 각각의 부분 터빈(2a, 2b, 2c, 5)에 대해 각각의 제어 편차를 결정하기 위해, 각각의 설정값들을 각각의 부분 터빈(2a, 2b, 2c, 5)의 각각의 실제값들과 비교하도록 설계되고, 상기 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c) 중 하나는 작동 모드들 중 하나에서 각각의 출력값을 설정하도록 설계되는, 증기 터빈(1). - 제7항에 있어서,
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)에 연관된 각각의 터빈 밸브들(4a, 4b, 4c)을 구동하도록 설계되는, 증기 터빈(1). - 제7항 또는 제8항에 있어서,
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 상이한 작동 모드들에 따라 각각의 부분 터빈들(2a, 2b, 2c, 5)을 작동시키도록 설계되는, 증기 터빈(1). - 제9항에 있어서,
부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c) 중 하나는 작동 모드들 중 하나에서 각각의 압력값을 설정하도록 설계되는, 증기 터빈(1). - 제7항, 제8항, 제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c) 중 하나는 작동 모드들 중 하나에서 각각의 온도값을 설정하도록 설계되는, 증기 터빈(1). - 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 부분 터빈 제어기들(3a, 3b, 3c)은 PID 제어기인, 증기 터빈(1). - 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 증기 터빈(1)용 증기 터빈 제어기(3).
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