KR20240076521A - 터보 기계 검증시험을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 터보 기계 검증시험을 위한 시스템 및 방법에 있어서, 부하 압축기의 입력 조건, 가스 터빈의 입력 조건을 제어하여, 하나의 시스템으로 검증시험 조건을 다양하게 구현하여 다양한 조건에서 압축기 및 가스 터빈의 운전 특성 모사할 수 있다.
Description
본 발명은 터보 기계 검증시험을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
가스 터빈은 압축기에서 압축된 압축 공기와 연료를 혼합하여 연소시키고, 연소로 발생된 고온의 가스로 터빈을 회전시키는 동력 기관이다. 가스 터빈은 발전기, 항공기, 선박, 기차 등을 구동하는데 사용된다.
일반적으로 가스 터빈은 압축기, 연소기 및 터빈을 포함한다. 압축기는 외부 공기를 흡입하여 압축한 후 연소기로 전달한다. 압축기에서 압축된 공기는 고압 및 고온의 상태가 된다. 연소기는 압축기로부터 유입된 압축 공기와 연료를 혼합해서 연소시킨다. 연소로 인해 발생된 연소 가스는 터빈으로 배출된다. 연소 가스에 의해 터빈 내부의 터빈 블레이드가 회전하게 되며, 이를 통해 동력이 발생된다. 발생된 동력은 발전, 기계 장치의 구동 등 다양한 분야에 사용된다.
가스 터빈은 소정 사양을 갖도록 개발되는데, 개발 과정에서 초기 설계 사양을 바탕으로 요구되는 목표치를 만족하도록 시험과 개량, 재시험을 반복한다. 이 때, 개발이 완료된 가스 터빈으로 시험을 하는 경우, 가스 터빈의 사양이 확정되어 다양한 동력 특성을 시험하기에 적합하지 않다. 또한, 전력 그리드의 영향으로 자유로운 부하 시험이 어렵다는 문제가 있다.
이에, 압축기, 가스 터빈의 다양한 입력 조건에 따른 가스 터빈 시스템의 성능을 측정할 수 있는 가스 터빈 테스트 시스템 및 그 시험 방법에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 가스터빈과 압축기의 검증시험을 병행하여 수행할 수 있는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 가스터빈 및 압축기를 포함한 터보기계 검증시험 조건을 다양하게 구현하여 다양한 조건에서 가스터빈 운전 특성 모사할 수 있는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템은 제2 인렛 모듈, 가스 터빈, 부하 압축기, 시동 모듈, 연료 공급 모듈을 포함한다. 가스 터빈은 제2 인렛 모듈로부터 공기를 공급받고, 압축기, 연소기, 터빈을 포함할 수 있다. 부하 압축기는 가스 터빈과 연결될 수 있다. 시동 모듈은 가스 터빈 또는 부하 압축기에 동력을 제공할 수 있다. 연료 공급 모듈은 가스 터빈의 연소기에 연료를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템에서 제2 인렛 모듈은 히팅 밸브를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템에서 제2 인렛 모듈은 부하 압축기, 가스 터빈의 압축기 중 적어도 하나로부터 압축 공기를 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템에서 가스 터빈은 부하 압축기를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템에서 부하 압축기로 유입되는 공기는 인렛 스로틀 장치(inlet throttling device)에 의해 감압될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템에서 제2 인렛 모듈은 유량 측정 장치를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템은 가스 터빈의 출력측에 연결되는 터닝 모터를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템은 가스 터빈의 압축기 입구 측에 하나 이상의 온도 센서가 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템에서 시동 모듈은 토크 변조 장치를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템에서 가스 터빈은 회전수 감지 센서를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈, 부하 압축기, 시동 모듈, 연료 공급 모듈을 포함하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템의 시험 방법으로, 가스 터빈을 구동하는 단계, 제2 인렛 모듈로 압축 공기를 공급하는 단계, 제2 인렛 모듈이 가스 터빈의 압축기로 공기를 공급하는 단계, 가스 터빈의 압축기 입구 온도를 측정하는 단계, 측정된 온도값에 따라 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 제어부가 제2 인렛 모듈의 히팅 밸브를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 가스 터빈의 출력축과 연결된 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계, 가스 터빈의 출력측에서 CO 배출량을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 가스 터빈의 운전이 정지된 후 터닝 모터를 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 제어부가 가스 터빈의 설정 회전수를 조절하는 단계, 가스 터빈의 출력측에서 회전수를 측정하는 단계, 가스 터빈의 설정 회전수에 대한 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 가스 터빈의 출력에 의해 부하 압축기가 구동하는 단계, 제1 인렛 모듈을 통해 부하 압축기로 공기를 공급하는 단계, 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계, 부하 압축기 감압 조건에서 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 제어부가 시동 모듈의 출력을 제어하는 단계, 경과 시간에 따른 가스 터빈의 회전수를 측정하는 단계, 가스 터빈의 자가구동속도를 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 하나의 시스템으로 가스 터빈과 압축기의 검증시험을 병행하여 수행할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 가스 터빈 및 압축기를 포함한 터보기계 검증시험 조건을 다양하게 구현함으로써 다양한 조건에서 가스 터빈 운전 특성 모사할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 부하 압축기 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 가스 터빈 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 연료 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 부하 압축기 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 가스 터빈 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 연료 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 터보 기계 검증시험을 위한 시스템(100)은 제1 인렛 모듈(110), 부하 압축기(120), 제2 인렛 모듈(130), 가스 터빈(140), 시동 모듈(150), 연료 공급 모듈(160)을 포함한다.
제1 인렛 모듈(110)은 내부로 공기를 유입시켜 부하 압축기(120)로 공기를 제공한다. 제1 인렛 모듈(110)은 필터링 장치(111), 유량 측정 장치(112), 인렛 스로틀 장치(inlet throttling device, 113), 유량 조정 장치(flow conditioning device, 114)를 구비할 수 있다.
필터링 장치(111)는 제1 인렛 모듈(110)로 유입되는 공기를 필터링한다. 부하압축기로 먼지(dust) 및 이물질이 유입되지 않도록 하기 위함이다. 필터링된 공기는 제1 인렛 모듈(110) 내부를 유동하여 제1 인렛 모듈(110)의 후단으로 이동한다.
유량 측정 장치(112)는 제1 인렛 모듈(110) 내부를 유동하는 공기의 유량을 측정한다. 유량 측정값에 의해 제1 인렛 모듈(110) 내로 유입되는 공기 유량을 파악할 수 있다.
인렛 스로틀 장치(113)는 부하 압축기(120)로 공급하는 공기의 양과 압력을 조정한다. 인렛 스로틀 장치(113)는 공기가 유동하는 단면적을 조절하여 부하 압축기(120)로 유입되는 공기의 양을 조절한다. 이에 따라 부하 압축기(120)로 유입되는 공기의 압력이 달라진다. 부하 압축기(120)로 유입되는 공기는 일반적으로 대기압(1 bar.A 또는 0 bar.g)이나, 인렛 스로틀 장치(113)를 통해, 예를 들어, 0.6bar.A 또는 -0.4bar.g로 감압될 수 있다. 부하 압축기(120)에 감압된 공기가 유입되면, 부하 압축기(120)를 구동하는 시동 동력이 감소하는 효과가 발생한다.
부하 압축기(120)에 유입되는 공기를 감압시킴으로써, 가스 터빈의 부하를 조절할 수 있다. 본 발명에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시스템은 부하 압축기의 운전 조건을 조절하여 가스 터빈의 운전 특성을 시험할 수 있다. 또한, 실속이나 서지가 발생하기 전 선행 신호 및 그 때의 조건들을 측정하여 부하 압축기 또는 가스 터빈의 운전 특성을 도출할 수 있다.
유량 조정 장치(114)는 부하 압축기(120)로 유입되는 공기를 균일하게 한다. 인렛 스로틀 장치(113)를 통과한 공기는 와류(vortex)에 의해 균일하지 못한 상태이다. 이는 압축기 내에서 압축기의 효율을 떨어뜨리고 정확한 성능 결과를 도출하기 어렵게 한다. 따라서, 부하 압축기(120)에 감압된 공기를 균일하게 공급하여 압축기의 성능을 정확하게 판단할 수 있도록 한다.
제1 인렛 모듈(110) 내부에는 소음기가 배치되어 시스템에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다.
제1 인렛 모듈(110)은 입구에 복수의 인렛 가이드 베인(IGV)이 배치된다. 제1 인렛 모듈(110)은 복수의 인렛 가이드 베인의 각도를 조정하여 제1 인렛 모듈(110) 내로 유입되는 공기의 유량, 유동 각도를 조절할 수 있다.
부하 압축기(120)는 제1 인렛 모듈(110)로부터 공기를 공급받는다. 입력 조건에 따른 부하 압축기(120)의 거동을 통해 부하 압축기(120)의 성능을 시험할 수 있다. 한편, 부하 압축기(120)는 가스 터빈의 출력 동력 중 일부를 소진시킨다. 부하 압축기(120)의 거동, 회전수 등을 측정하여 가스 터빈의 출력 토크 및 운전 특성을 파악할 수 있다.
부하 압축기(120)에는 복수의 블리드 오프 밸브가 구비될 수 있다. 예를 들어, 부하 압축기(120)에는 저압 블리드 오프 밸브(LP BOV, Low Pressure Blow-off Valve), 중압 블리드 오프 밸브(MP BOV, Mid-Pressure Blow-off Valve), 고압 블리드 오프 밸브(HP BOV, High Pressure Blow-off Valve)를 구비할 수 있다.
블리드 오프 밸브는 부하 압축기(120) 내부의 압축 공기를 토출시키는 역할을 한다. 일반적으로, 블리드 오프 밸브는 압축기 내부의 공기 유동에 이상 발생시, 소정양의 압축 공기를 추기하여 압축기 내의 서지 또는 실속을 방지한다. 블리드 오프 밸브는 부하 압축기 선단, 중간, 후단에 각각 배치되어, 각 위치에서의 압축 공기를 토출시킨다. 토출된 압축 공기는 연료 가열부, 가스 터빈의 압축기 등으로 유동한다. 본 발명의 일 실시예에서는 부하 압축기를 통해 압축기에서 서지 또는 실속이 발생하는 조건을 시험할 수 있다.
부하 압축기(120) 내측에는 적어도 하나의 압력 센서가 배치된다. 부하 압축기 내에 복수의 압력 센서를 배치함으로써 차압을 측정할 수 있다. 압력 센서는 부하 압축기(120) 내의 압력을 측정하여, 공기 유동의 불균일을 감지하고, 부하 압축기(120) 내의 상태를 모니터링할 수 있다.
부하 압축기(120)의 성능을 시험하기 위하여, 제어부는 인렛 스로틀 장치(113)를 구동하여 부하 압축기의 토출 압력 수준을 낮춤으로써, 압축기 작동 한계(서지 마진)까지의 풀 맵(Full Map) 특성을 검증할 수 있다.
부하 압축기(120)에서 배출된 압축 공기의 일부는 제2 인렛 모듈로 공급되며, 나머지는 배기 스택(exhaust stack)으로 배출된다.
제2 인렛 모듈(130)은 내부로 공기를 유입시켜 가스 터빈(140)의 압축기(141)로 공기를 제공한다. 제2 인렛 모듈(130)은 필터링 장치(131), 유량 측정 장치(132), 히팅 밸브(133)를 구비할 수 있다.
필터링 장치(131)는 제2 인렛 모듈(130)로 유입되는 공기를 필터링한다. 가스 터빈의 압축기로 먼지(dust) 및 이물질이 유입되지 않도록 하기 위함이다. 필터링된 공기는 제2 인렛 모듈(130) 내부를 유동하여 제2 인렛 모듈(130)의 후단으로 이동한다.
유량 측정 장치(132)는 제2 인렛 모듈(110) 내부를 유동하는 공기의 유량을 측정한다. 유량 측정값에 의해 가스 터빈의 압축기(120)에 유입되는 공기 유량을 파악할 수 있다.
히팅 밸브(133)에 의해 가스 터빈의 압축기(120)로 유입되는 공기의 온도가 조절될 수 있다. 히팅 밸브(133)는 부하 압축기(120)의 출구 및 가스 터빈의 압축기(141) 후단으로부터 제2 인렛 모듈(130)로 유입되는 고온의 압축 공기의 양을 조절한다. 부하 압축기(120) 출구 및 가스 터빈의 압축기(141) 후단으로부터 유입되는 고온의 압축 공기는 가스 터빈의 압축기로 유입되는 공기의 온도를 높여준다. 히팅 밸브(133)를 개방하여 부하 압축기(120) 출구 및 가스 터빈의 압축기(141) 후단으로부터 공급된 압축 공기를 제2 인렛 모듈에 더 많이 유입시킬수록, 가스 터빈(140)의 압축기(141)로 유입되는 공기의 온도가 높아진다. 제어부는 히팅 밸브(133)의 동작을 제어하여 가스 터빈(140)의 입구 온도, 가스 터빈 운전 중 대기 온도를 조절한다.
제2 인렛 모듈(130) 내부에는 소음기가 배치되어 시스템에서 발생하는 소음을 저감시킬 수 있다.
제2 인렛 모듈(130)은 인렛 가이드 베인 등을 조정하여 제2 인렛 모듈(130) 내로 유입되는 공기 유입량을 조절할 수 있다.
가스 터빈(140)은 본 발명의 성능 시험의 주 시험 대상으로서, 입구 온도, 연료 조건, 회전수 등에 따른 출력 성능, CO 배출량 등이 평가된다. 가스 터빈(140)은 압축기(141), 연소기(142), 터빈(143), 압축 공기 토출 밸브(144)를 구비한다.
가스 터빈(140)은 제2 인렛 모듈(130)로부터 공기를 공급받아 압축기(141)에 의해 압축된 공기를 연소시켜 터빈(143)을 회전시킨다. 압축 공기 토출 밸브(144)는 가스 터빈(140)의 압축기(141) 후단에서 제2 인렛 모듈로 공급되는 압축 공기의 양을 조절한다. 가스 터빈(140)의 압축기(141) 후단에서 외부로 토출되는 압축 공기 중 일부는 제2 인렛 모듈(130)로 공급되고, 나머지는 배기 스택(exhaust stack)으로 배출된다.
제2 인렛 모듈(130)은 부하 압축기(120) 출구, 압축기(141) 후단으로부터 압축 공기를 공급받아, 가스 터빈(140)으로 유입되는 공기의 온도를 조절한다. 가스 터빈(140)은 제2 인렛 모듈(130)로부터 소정 범위에서 선택된 온도의 공기를 공급받는다. 가스 터빈(140)으로 유입된 공기의 온도에 따라 가스 터빈(140)의 운전 상태가 달라질 수 있다. 가스 터빈(140)의 압축기(141) 내부에는 복수의 온도 센서가 장착될 수 있다. 특히, 가스 터빈(140)의 압축기(141) 입구 측에 하나 이상의 온도 센서가 장착될 수 있다.
가스 터빈(140)의 출력측은 부하 압축기(120)와 연결되어, 부하 압축기(120)를 구동시킨다. 부하 압축기(120)는 가스 터빈(140)의 출력을 소모한다.
가스 터빈은 회전수 감지 센서를 더 구비할 수 있다. 가스 터빈의 자가 구동 속도 및 가스 터빈의 동작을 모사하기 위하여 가스 터빈의 회전수를 측정할 수 있다.
시동 모듈(150)은 정지 상태의 가스 터빈(140) 또는 부하 압축기(120)를 작동시키기 위한 장치이다. 시동 모듈(150)은 가스 터빈(140)이 연료의 연소에 의해 구동할 수 있는 자가 구동 속도에 도달할 때까지 가스 터빈(140)을 회전시킨다. 시동 모듈(150)은 가스 터빈(140)을 회전시켜, 가스 터빈(140)의 압축기가 공기를 압축하도록 하고, 압축 공기에 연료를 분사하여 고온 고압의 가스를 만들어 터빈을 회전시키도록 한다. 가스 터빈(140)이 자가 구동 속도에 도달하면, 시동 모듈(150)은 동작을 정지하고, 가스 터빈(140)은 터빈의 출력에 의해서만 운전한다.
시동 모듈(150)은 가스 터빈(140)의 출력축을 회전시키며, 동력으로서 전력을 사용한다. 시동 모듈(150)은 토크 변조 장치, 스텝업 기어박스(Step up gearbox)를 구비할 수 있다. 토크 변조 장치는 가스 터빈 또는 부하압축기 측으로 전달되는 동력을 조절한다. 토크 변조 장치에 의해 가스 터빈 또는 부하 압축기의 회전수를 조절할 수 있다.
스텝업 기어박스(Step up gearbox)는 시동 모듈과 부하 압축기(120) 간의 스피드를 올려주는 장치이다. 예를 들어, 시동 모듈의 속도가 1800rpm이고, 부하 압축기의 속도가 3600rpm라면, 기어비가 2인 스텝업 기어를 이용할 수 있다.
시동 모듈(150), 부하 압축기(120), 가스 터빈(140)의 각각의 축은 커플링에 의해 연결된다. 축에는 클러치가 배치될 수도 있다. 클러치에 의해 일정 속도에서 내부에서 서로 축이 연결되어 동력이 전달되거나 차단될 수 있다. 예를 들어, 회전 속도가 1700rpm 이상이 되는 경우 내부 축이 분리되어 동력 전달이 차단되고, 1700rpm 이하가 되면 내부축이 연결되어 동력이 전달될 수 있다.
예를 들어, 시동 모듈이 가스 터빈을 구동할 때, 기어비가 2인 step up 기어를 이용한다고 가정하면, 시동 모듈의 속도가 1700rpm 이하일 때, 시동 모듈의 동력이 가스 터빈에 전달되고, 가스 터빈의 속도가 3400rpm 이상이 되면, 내부 축이 분리되어 시동 모듈의 동력이 가스 터빈에 전달되지 않고 차단될 수 있다. 가스 터빈의 회전수가 시동 가능한 회전수가 되면 시동 모듈의 구동을 정지시킨다.
가스 터빈의 정확한 자가구동 속도를 찾는 것은 중요하다. 시동 모듈에 의해 가스 터빈을 구동하여 설계된 바대로 자가 구동 속도를 갖는지 확인할 수 있다. 시동 모듈만으로 가스 터빈을 구동시킴으로써 가스 터빈의 시동 특성을 평가할 수 있다.
가스 터빈(140)이 자가구동속도 이상으로 스스로 운전하면, 정격 회전수까지 회전수를 상승시켜 토크 미터로 가스 터빈의 출력 토크를 측정하면서 가스 터빈(140)의 부하 특성을 시험할 수 있다.
본 발명에 따른 시험 시스템은 터닝 모터를 더 구비할 수 있다. 가스 터빈(140)의 테스트가 완료되면, 가스 터빈(140)을 정지시킨다. 가스 터빈(140)의 운전이 정지된 후에도 가스 터빈의 내부에는 고온의 열이 잔존한다. 가스 터빈 내부의 고온의 열은 각종 축이나 케이싱 등에 열변형을 일으킬 수 있다. 이를 방지하기 위해, 터닝 모터는 가스 터빈의 출력축을 저속으로 회전시켜 가스 터빈 내부의 열을 안정적으로 배출시켜, 가스 터빈 내부의 온도를 천천히 낮춘다. 터닝 모터는 가스 터빈 출력축에 연결될 수 있다.
연료 공급 모듈(160)은 연료 혼합부(161) 및 연료 가열부(162)를 구비할 수 있다. 연료 혼합부(161)는 제1 연료 챔버(163)와 제2 연료 챔버(165), 연료 혼합 장치를 구비할 수 있다. 연료 혼합부(161)는 제1 연료 챔버(163)와 제2 연료 챔버(165)에 각각 구비된 밸브를 통해, 제1 연료와 제2 연료의 혼합 비율을 조절할 수 있다. 제1 연료는 천연 가스(NG)일 수 있으며, 제2 연료는 수소일 수 있다.
제어부(200)는 제1 연료 챔버 밸브(164)를 조절하여 제1 연료 챔버(163)로부터 공급되는 천연 가스의 양을 조절할 수 있다. 천연 가스의 비율은 0~100% 사이에서 조절될 수 있다.
제어부(200)는 제2 연료 챔버 밸브(166)를 조절하여 제2 연료 챔버(165)로부터 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다. 수소의 비율은 0~100% 사이에서 조절될 수 있다.
제1 연료 챔버(163)와 제2 연료 챔버(165)로부터 공급된 연료는 연료 혼합 장치로 유입되어 균일하게 혼합될 수 있다. 혼합 가스는 연료 공급관을 통해 연소기 측으로 공급되며, 연료 가열부(162)를 지나며 설정된 온도로 가열된다.
연료 가열부(162)는 내부에 연료 공급관이 관통하도록, 연료 공급관의 외부에 배치될 수 있다. 연료 가열부(162)는 히팅 챔버와 압축 공기 배출관을 구비할 수 있다. 히팅 챔버 내로 부하 압축기(120)로부터 토출된 고온의 압축 공기가 유동한다. 고온의 압축 공기는 연료 가열부(162)를 관통하는 연료 공급관을 가열하여, 연료 공급관 내를 유동하는 연료의 온도를 높일 수 있다. 히팅 챔버 내를 유동한 고온의 압축 공기는 압축 공기 배출관을 통해 배출된다.
연료 공급관 내에는 복수의 온도 센서(168)가 장착될 수 있다. 온도 센서(168)는 연료 공급관 내를 유동하는 연료의 온도를 측정한다. 제어부(200)는 측정된 연료 온도 값에 따라, 연소기 측으로 공급되는 연료의 온도가 설정 온도보다 낮으면 우회 밸브(167)를 개방하여, 연료를 연료 우회관을 통해 연료 가열부 선단으로 우회시킨다. 연료 가열부 선단으로 우회된 연료는 연료 가열부(162)를 다시 통과하면서 더 가열된다. 연료 공급관 및 연료 우회관에는 밸브가 구비되어, 연료 가열부(1620)에 의해 연료가 가열되는 정도를 조절할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 부하 압축기 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
본 발명은 하나의 시스템으로 다양한 조건 하에서 압축기, 가스 터빈의 성능을 시험할 수 있다. 다양한 성능 시험에 대하여 설명한다.
본 발명의 시험 방법의 일 실시예에 따라 압축기의 작동 한계 특성을 검증할 수 있다.
압축기의 작동 한계 특성을 검증하기 위하여, 본 발명에 따른 시험 방법은 부하 압축기를 구동하는 단계, 제1 인렛 모듈을 통해 부하 압축기로 공기를 공급하는 단계, 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계, 부하 압축기 내의 복수의 위치에서 압력을 측정하는 단계, 측정된 압력값에 따라 부하 압축기로 유입되는 공기 유량에 따른 부하 압축기의 서지 마진까지의 동작을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 인렛 스로틀 장치(113)의 동작을 제어한다. 인렛 스로틀 장치(113)는 부하 압축기(120)로 유입되는 공기의 양을 조절할 수 있다. 부하 압축기 입구 압력이 감압되면 부하 압축기(120) 내로 유입되는 유량에 과도한 저항이 발생하여, 부하 압축기(120) 내에서 공기의 흐름이 불안정하게 된다. 부하 압축기(120) 내측의 압력을 측정하여, 부하 압축기 내에서 실속 또는 서지가 발생하는 상태를 확인할 수 있다. 본 실시예에서는 부하 압축기(120)로 유입되는 공기를 감압하면서 실속에 대한 동작 특성을 모사할 수 있다. 또한, 부하 압축기의 서지 마진까지의 동작을 검증할 수 있다.
한편, 제어부(200)는 인렛 스로틀 장치(113)의 제어 외에, 제1 인렛 모듈의 복수의 가이드 베인(115)을 제어하여 부하 압축기(120) 내로 유입되는 공기의 양을 조절할 수도 있다. 복수의 가이드 베인(115)의 배치 각도에 따른 유입되는 공기 유량에 따른 압축기의 동작 특성을 검증한다. 이에 따라, 부하 압축기(120), 가스 터빈(140) 시동시 최적의 시동 동력을 도출할 수 있으며, 부하 압축기(120), 가스 터빈(140) 시동 시스템의 동력을 저감시킬 수 있다.
제어부(200)는 부하 압축기(120)의 블리드 오프 밸브(121, 122, 123)를 제어할 수 있다. 부하 압축기(120)에 실속 또는 서지가 발생하는 경우, 블리드 오프 밸브(121, 122, 123)를 통해 압축 공기를 추기할 수 있다. 제어부(200)는 압축 공기가 추기되는 양을 조절하면서 부하 압축기의 성능을 시험하도록 할 수 있다. 또한, 반복 시험을 통해 부하 압축기가 안정적으로 동작하는 최적의 압축 공기 추기량을 찾을 수 있다.
블리드 오프 밸브는 저압 블리드 오프 밸브(LP BOV, Low Pressure Blow-off Valve, 121), 중압 블리드 오프 밸브(MP BOV, Mid-Pressure Blow-off Valve, 122), 고압 블리드 오프 밸브(HP BOV, High Pressure Blow-off Valve, 123)가 구비될 수 있다. 부하 압축기(120) 내에서 측정된 압력 값에 따라, 복수의 블리드 오프 밸브 중 적어도 하나가 선택적으로 제어될 수 있다.
제어부(200)는 부하 압축기(120)로 유입되는 공기 유량을 조절하기 위하여, 인렛 스로틀 장치(113), 복수의 가이드 베인(115), 블리드 오프 밸브(121, 122, 123) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 이에 따라, 부하 압축기의 부하가 조절되며, 최적 부하 조건을 도출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 부하 압축기의 저속 작동 특성을 검증할 수 있다.
부하 압축기의 저속 작동 특성을 검증하기 위하여, 본 발명에 따른 시험 방법은 시동 모듈이 부하 압축기를 구동하는 단계, 제1 인렛 모듈을 통해 부하 압축기로 공기를 공급하는 단계, 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계, 부하 압축기의 회전수를 측정하는 단계, 부하 압축기의 저속 작동 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
시동 모듈은 부하 압축기에 동력을 전달하며, 토크 변조 장치에 의해 부하 압축기의 회전수를 조절할 수 있다. 제어부(200)는 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하여 부하 압축기 내에 감압 조건을 형성한다. 부하 압축기가 동작하면, 회전수 감지 센서에 의해 부하 압축기의 회전수를 측정한다. 또한, 부하 압축기 내부의 압력을 측정한다. 시동 모듈의 동력만으로 부하 압축기를 구동하고, 측정값들에 의해 부하 압축기의 저속 작동 맵 특성을 검증할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 인렛 스로틀 장치(113), 복수의 가이드 베인(115), 블리드 오프 밸브(121, 122, 123)의 제어를 통해 가스 터빈(140)의 부하 탈락 조건을 구현할 수 있다.
부하 압축기(120)는 가스 터빈(140)의 출력에 의해 구동한다. 부하 압축기에 작용하는 부하를 낮추기 위해, 제어부(200)는 인렛 스로틀 장치(113)를 통해 부하 압축기(120) 내로 유입되는 공기를 감압하고, 복수의 가이드 베인(115)을 폐쇄하고, 블리드 오프 밸브(121, 122, 123)를 개방할 수 있다.
인렛 스로틀 장치(113), 복수의 가이드 베인(115), 블리드 오프 밸브(121, 122, 123)의 각각은 선택적으로 제어될 수 있으며, 이러한 시험 조건 하에서 가스 터빈의 운전 특성을 검증할 수 있다.
다음으로, 부하 압축기를 이용하여 설계 속도 압축기 맵 특성 시험 및 탈설계 속도 압축기 맵 특성 시험을 할 수 있다. 압축기를 설계하기 위하여, 임의의 토출 압력과 유량을 설계점으로 선정한 후, 압축기가 선정된 설계점에 대해 최고 효율을 낼 수 있도록 압축기를 설계하게 된다. 따라서 압축기의 설계점에서 최적의 효율이 나올 수 있다. 하지만, 설계점 이외의 작동 영역에서는 압축기의 효율이 떨어지고, 이에 따라 가스 터빈 전체의 효율이 저하된다. 탈설계 영역에서도 압축기의 효율을 담보할 수 있도록, 압축기의 설계가 필요하다.
설계 속도 압축기 맵 특성 시험하기 위하여, 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 가스 터빈의 출력에 의해 부하 압축기를 설계 속도로 구동하는 단계, 제1 인렛 모듈을 통해 부하 압축기로 공기를 공급하는 단계, 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기로 유입되는 공기를 조절하는 단계, 부하 압축기의 설계점에서의 작동 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
가스 터빈(130)의 출력으로 부하 압축기(120)를 설계 속도로 구동한다. 부하 압축기(120)가 설계 속도로 구동시, 가스 터빈의 운전 특성 및 압축기 맵 특성을 검증할 수 있다.
탈설계 속도 압축기 맵 특성 시험하기 위하여, 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 가스 터빈의 출력에 의해 부하 압축기를 탈설계 속도로 구동하는 단계, 제1 인렛 모듈을 통해 부하 압축기로 공기를 공급하는 단계, 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기로 유입되는 공기를 조절하는 단계, 부하 압축기의 탈설계점에서의 작동 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
가스 터빈(130)의 출력으로 부하 압축기(120)를 탈설계 속도로 구동한다. 부하 압축기(120)가 설계 영역 외의 속도로 구동시, 가스 터빈의 운전 특성 및 압축기 맵 특성을 검증할 수 있다.
본 발명에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 부하 압축기(120)의 운전 조건을 제어하여 가스 터빈(140)의 성능을 시험할 수 있다. 부하 압축기(120)의 토출 압력은 실속이나 서지가 발생할 우려가 없는 최대 토출 압력 한계 이내로 한다.
부하 압축기(120)는 가스 터빈(140)의 출력측 회전력을 전달받아 구동한다. 부하 압축기(120)는 가스 터빈(140)의 출력을 소모한다. 부하 압축기(120)에 걸리는 부하를 조절하여 가스 터빈(140)의 성능을 시험할 수 있다. 부하 압축기(120)를 회전시켜 가스 터빈(140)의 출력을 소모하면서 가스 터빈(140)의 출력 토크를 측정할 수 있다. 본 발명은 부하 압축기(120)에 작용하는 토크를 측정함으로써 가스 터빈(140)의 출력 토크를 직접적으로 측정할 수 있다.
압축기의 맵 특성을 검증하기 위하여, 제어부(200)는 복수의 센서로부터 압축기 입구측 온도, 압력, 유량, 압축기 출구측 온도 데이터를 획득할 수 있다.
압축기 성능 맵은 압축기 회전수에 따른 공기 유량과 압축비 특성, 공기 유량과 압축 효율 특성, 진동 및 소음 특성 등을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 가스 터빈 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
가스 터빈(140)의 입력 조건을 조절하면서, 다양한 조건에서의 가스 터빈(140)의 출력을 분석할 수 있다. 다음 실시예에서는 각각의 조건에서의 가스 터빈의 운전 특성을 모사할 수 있다. 가스 터빈의 특성을 검증하기 위하여, 제어부(200)는 복수의 센서로부터 가스 터빈의 압축기 입구측 온도, 압력, 유량, 압축기 출구측 온도 데이터 등을 획득할 수 있다.
일 실시예에서는 가스 터빈이 구동되는 환경에서의 가스 터빈의 성능을 시험하기 위해, 고온의 압축 공기를 이용하여 가스 터빈으로 유입되는 공기의 온도를 높일 수 있다. 예를 들어, 가스 터빈은 공기 분위기가 30~40℃인 조건에서 구동될 수 있다. 가스 터빈은 다양한 환경에서 운용되는데, 가스 터빈이 구동되는 환경의 온도를 제어하여 외기 온도가 높은 환경에서의 가스 터빈의 성능을 시험할 수 있다.
이를 위하여, 부하 압축기(120) 토출 공기를 가스 터빈(140) 입구 필터하우스에 공급할 수 있다. 고온의 압축 공기는 가스 터빈의 외기 온도를 높여 가스 터빈의 Hot Day 운전 조건을 구현할 수 있다.
다른 실시예에서는 가스 터빈의 압축기 입구 온도 조건을 제어할 수 있으며, 고온의 압축 공기를 이용하여 가스 터빈의 입구 온도를 높일 수 있다.
가스 터빈의 입구 온도에 따른 가스 터빈의 운전 특성을 검증하기 위하여, 가스 터빈을 구동하는 단계, 제어부가 히팅 밸브를 개방하여 제2 인렛 모듈로 고온의 압축 공기를 공급하는 단계, 제2 인렛 모듈이 가스 터빈의 압축기로 공기를 공급하는 단계, 가스 터빈의 압축기 입구 온도를 측정하는 단계, 측정된 온도값에 따라 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 히팅 밸브(133)를 개방하여 부하 압축기(120) 및 가스 터빈(140)의 압축기(141) 출구로부터 배출된 고온의 압축 공기를 제2 인렛 모듈(130)로 공급한다. 고온의 압축 공기에 의해 가스 터빈 입구 온도 증가 조건을 모사할 수 있다.
히팅 밸브(133)는 부하 압축기(120)의 출구 및 가스 터빈(140)의 압축기(141) 출구와 연결되며, 제2 인렛 모듈(130)으로 유입되는 고온의 압축 공기의 양을 조절하여 가스 터빈 압축기(141) 입구 온도를 조절한다. 예를 들어, 제어부(200)는 히팅 밸브(133)를 제어하여, 고온의 압축 공기 유량을 조절함으로써 가스 터빈의 정격 터빈 입구 온도(TIT)보다 40~50℃ 높게 조절할 수 있다. 다른 실시예에서는 부하 압축기(120) 배압을 증가시켜 높은 터빈 입구 온도를 구현할 수 있다.
가스 터빈의 출력 토크, 배기 가스의 온도 등을 측정하여, 터빈 입구 온도 조건에 따른 가스 터빈(140)의 운전 특성을 시험할 수 있다
다른 실시예에서는 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 가스 터빈의 출력축과 연결된 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계, 가스 터빈의 출력측에서 CO 배출량을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에서는 CO 배출량을 만족하는 최소 부하 조건을 시험할 수 있다. 부하 압축기(120)는 가스 터빈(140)에 의해 구동되며, 가스 터빈(140)의 부하로 작용한다. 제어부(200)는 인렛 스로틀 장치(113)를 제어하여 부하 압축기(120)로 유입되는 공기를 감압시킬 수 있다. 이에 따라 가스 터빈(140)에 작용하는 부하가 감소하고, 이러한 조건 하에서 부하와 CO 배출량의 관계에 대한 성능 맵을 도출할 수 있다.
가스 터빈(140)의 운전이 정지된 후에는 터닝 모터를 구동하여 가스 터빈이 서서히 냉각되도록 한다.
한편, 본 발명은 다양한 회전수에 대해 부하 압축기 및 가스 터빈의 운전 특성을 검증할 수 있다. 일 실시예에서는 가스 터빈의 설정 회전수에 대한 가스 터빈의 운전 특성을 시험할 수 있다. 가스 터빈의 설정 회전수에 대한 가스 터빈의 운전 특성을 시험하기 위하여, 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 제어부가 가스 터빈의 설정 회전수를 조절하는 단계, 가스 터빈의 출력측에서 회전수를 측정하는 단계, 가스 터빈의 설정 회전수에 대한 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
제어부(200)는 부하 압축기(120) 및 가스 터빈(140)의 운전 속도 설정을 변경하여 운전 중 부하 압축기 및 가스 터빈의 회전수를 변경할 수 있다.
제어부는 가스 터빈의 회전수를 점진적으로 증가시켜, 가스 터빈의 트립(trip)이 발생하는 조건을 시험할 수 있다. 가스 터빈이 진동하거나 소음이 발생할 때, 또는 트립이 발생할 때 가스 터빈의 회전수를 측정하여 가스 터빈의 안정적인 동작 특성을 검증할 수 있다.
또한, 부하 압축기 및 가스 터빈의 회전수를 낮춰가며, 시동 가능한 회전수를 시험할 수 있다. 가스 터빈의 자가구동속도를 시험하기 위하여, 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 제어부가 시동 모듈의 출력을 제어하는 단계, 경과 시간에 따른 가스 터빈의 회전수를 측정하는 단계, 가스 터빈의 자가구동속도를 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
시동 모듈은 정지 상태의 가스 터빈을 구동시킨다. 가스 터빈이 자가구동속도에 도달하면 시동 모듈의 구동이 정지되어도 운전 가능하다. 시험 대상 가스 터빈의 설계된 자가구동속도에서 시동 모듈의 출력을 감소시킬 수 있다. 시동 모듈의 속도 제어 후 가스 터빈의 회전수를 측정한다. 시간 경과에 따라 회전수가 증가하면 가스 터빈이 자가구동하는 것으로 판단할 수 있다. 시간 경과에 따라 회전수가 감소한다면, 가스 터빈이 아직 자가구동속도에 도달하지 못한 것으로 판단하고, 가스 터빈의 자가구동속도가 설계값과 상이한 것으로 판단할 수 있다. 시동 모듈의 출력을 다시 높여, 시동 모듈의 정지 시점의 속도를 조절하여 반복 시험할 수 있다.
본 발명에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법은 부하 조건을 제어하여 가스 터빈(140)의 성능을 시험할 수 있다. 여기서 부하 압축기(120)의 토출 압력은 실속이나 서지가 발생할 우려가 없는 최대 토출 압력 한계 이내로 한다.
부하 저하 조건에서 가스 터빈의 운전 특성을 시험하기 위하여, 시동 모듈이 가스 터빈을 구동하는 단계, 가스 터빈의 출력에 의해 부하 압축기가 구동하는 단계, 제1 인렛 모듈을 통해 부하 압축기로 공기를 공급하는 단계, 제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계, 부하 압축기 감압 조건에서 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함한다.
부하 압축기(120)는 가스 터빈(140)의 출력측 회전력을 전달받아 구동한다. 부하 압축기(120)는 가스 터빈(140)의 출력을 소모한다. 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 부하 압축기(120)로 유입되는 공기를 감압할 수 있다. 부하 압축기에 유입되는 공기가 감압되면, 가스 터빈에 작용하는 부하량이 감소한다. 이 때, 부하 압축기(120)에 작용하는 토크를 측정하여 가스 터빈(140)의 성능을 검증할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터보 기계 검증시험을 위한 시험 방법에서 연료 조건과 관련된 제어부의 구성을 나타내는 도면이다.
가스 터빈에 공급되는 연료 조건에 따라 가스 터빈의 성능이 달라진다. 본 실시예에서는 연료의 혼합 비율 및 연료 온도를 조절하여 그에 따른 가스 터빈의 성능을 시험할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 연료의 혼합비에 따라 가스 터빈의 운전 특성을 검증하기 위하여, 제어부가 연료 혼합부의 제1 연료 챔버 밸브 및 제2 연료 챔버 밸브를 제어하는 단계, 제1 연료 챔버 및 제2 연료 챔버로부터 공급된 연료를 혼합하는 단계, 혼합된 연료를 가스 터빈의 연소기로 공급하는 단계, 혼합된 연료의 혼합비에 따라 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 혼합부(161)는 복수의 연료를 소정의 혼합비로 혼합한다. 연료 혼합부(161)에 구비된 제1 연료 챔버(163)와 제2 연료 챔버(164)에는 각각 제1 연료와 제2 연료가 수용된다. 제1 연료 및 제2 연료는 각각 천연 가스(NG), 수소일 수 있다. 제어부(200)는 연료의 혼합 비율에 따른 가스 터빈의 성능을 시험하기 위해, 연료의 혼합 비율을 조절하여 연소기에 연료를 공급할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(200)는 제1 연료 챔버(163)와 제2 연료 챔버(164)에 각각 구비된 밸브(164, 166)를 통해, 제1 연료와 제2 연료의 혼합 비율을 조절할 수 있다.
제어부(200)는 제1 연료 챔버 밸브(164)를 조절하여 제1 연료 챔버(153)로부터 공급되는 천연 가스의 양을 조절할 수 있다. 천연 가스의 비율은 0~100% 사이에서 조절될 수 있다.
제어부(200)는 제2 연료 챔버 밸브(166)를 조절하여 제2 연료 챔버(165)로부터 공급되는 수소의 양을 조절할 수 있다. 수소의 비율은 0~100% 사이에서 조절될 수 있다.
제어부(200)는 설정된 연료 혼합 비율에 따라, 제1 연료 챔버의 밸브(164) 및 제2 연료 챔버의 밸브(166)가 각각 개방되도록 제어한다. 제1 연료 챔버(163)와 제2 연료 챔버(165)로부터 공급된 연료는 연료 혼합 장치로 유입되어 균일하게 혼합될 수 있다. 균일하게 혼합된 연료는 연료 노즐에 공급되어, 압축 공기와 혼합되어 연소된다. 제1 연료 및 제2 연료의 혼합비에 따라 가스 터빈의 운전 성능이 달라질 수 있다. 연료 혼합 비율 외 다른 조건을 동일하게 셋팅하여 연료 혼합 비율에 따른 가스 터빈의 출력을 측정할 수 있다. 가스 터빈의 출력측의 회전력은 부하 압축기에 전달되며, 부하 압축기의 회전수를 측정하여, 가스 터빈의 출력 성능을 분석한다. 이에 따라, 제1 연료 및 제2 연료의 혼합비에 따른 가스 터빈의 운전 성능을 검증할 수 있다.
한편, 다른 실시예에서는 연료의 온도 조건을 조절할 수 있다. 본 실시예는 연료의 온도에 따른 가스 터빈의 성능을 시험하기 위해, 부하 압축기를 구동하는 단계, 부하 압축기 출구로부터 토출된 압축 공기를 연료 가열부로 공급하는 단계, 가열된 연료를 가스 터빈의 연소기로 공급하는 단계, 가열된 연료의 온도 값에 따라 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계를 포함할 수 있다.
연료 가열부(162)는 혼합된 연료를 소정의 온도로 가열한다. 제어부(200)는 연료의 온도를 조절하여 연소기에 연료를 공급할 수 있다. 가스 터빈의 연료 온도는 공지된 적정 온도보다 높은 온도, 낮은 온도 범위에서 조절될 수 있다. 예를 들어, 연료 온도의 설정 범위는 적정 온도 ± 10℃일 수 있으며, 예를 들어, 1℃ 단위로 제어될 수 있다.
혼합된 연료는 연료 공급관을 지나며 연료 가열부에서 가열된다. 제어부(200)는 부하 압축기(120) 출구 밸브를 개방하여 부하 압축기(120)로부터 토출된 고온의 압축 공기를 연료 가열부의 히팅 챔버로 유동시킨다. 고온의 압축 공기는 연료 가열부를 관통하는 연료 공급관을 가열하여, 연료 공급관 내를 유동하는 연료의 온도를 높일 수 있다. 챔버 내를 유동한 고온의 압축 공기는 압축 공기 배출관을 통해 배출된다.
제어부(200)는 연료 가열부 후단을 유동하는 연료의 온도를 검출하여 연소기 측으로 공급할지, 연료 가열부 입구측으로 우회시킬지 판단한다. 제어부(200)는 연료 공급관 내에 장착된 복수의 온도 센서로부터 측정값을 전달받는다. 제어부(200)는 연소기 측으로 공급되는 연료의 온도가 설정 온도보다 낮으면, 우회 밸브(167)를 개방한다. 연료는 연료 우회관을 통해 연료 가열부 선단으로 우회되어 설정된 온도가 되도록 더 가열된다. 연료 공급관 및 연료 우회관에는 밸브가 구비되며, 제어부(200)는 가열된 연료를 연소기 측으로 공급할지, 우회시켜 재가열할지 판단한다.
본 실시예에서는 연료 온도 외 다른 조건을 동일하게 설정하여 연료 온도에 따른 가스 터빈의 출력을 측정할 수 있다. 가스 터빈의 출력측의 회전력은 부하 압축기에 전달되며, 부하 압축기의 회전수 등을 측정하여, 가스 터빈의 출력 성능을 분석한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 터보 기계 검증시험을 위한 시스템
110 : 제1 인렛 모듈
111 : 필터링 장치
112 : 유량 측정 장치
113 : 인렛 스로틀 장치
114 : 유량 조정 장치
120 : 부하 압축기
121, 122, 123 : 블리드 오프 밸브
130 : 제2 인렛 모듈
131 : 필터링 장치
132 : 유량 측정 장치
133 : 히팅 밸브
140 : 가스 터빈
141 : 압축기
142 : 연소기
143 : 터빈
144 : 압축 공기 토출 밸브
150 : 시동 모듈
160 : 연료 공급 모듈
161 : 연료 혼합부
162 : 연료 가열부
163 : 제1 연료 챔버
164 : 제1 연료 챔버 밸브
165 : 제2 연료 챔버
166 : 제2 연료 챔버 밸브
167 : 우회 밸브
168 : 온도 센서
200 : 제어부
110 : 제1 인렛 모듈
111 : 필터링 장치
112 : 유량 측정 장치
113 : 인렛 스로틀 장치
114 : 유량 조정 장치
120 : 부하 압축기
121, 122, 123 : 블리드 오프 밸브
130 : 제2 인렛 모듈
131 : 필터링 장치
132 : 유량 측정 장치
133 : 히팅 밸브
140 : 가스 터빈
141 : 압축기
142 : 연소기
143 : 터빈
144 : 압축 공기 토출 밸브
150 : 시동 모듈
160 : 연료 공급 모듈
161 : 연료 혼합부
162 : 연료 가열부
163 : 제1 연료 챔버
164 : 제1 연료 챔버 밸브
165 : 제2 연료 챔버
166 : 제2 연료 챔버 밸브
167 : 우회 밸브
168 : 온도 센서
200 : 제어부
Claims (17)
- 제2 인렛 모듈;
상기 제2 인렛 모듈로부터 공기를 공급받고, 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈;
상기 가스 터빈과 연결된 부하 압축기;
상기 가스 터빈 또는 부하 압축기에 동력을 제공하는 시동 모듈; 및
상기 가스 터빈의 연소기에 연료를 공급하는 연료 공급 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제2 인렛 모듈은 히팅 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 인렛 모듈은 상기 부하 압축기, 상기 가스 터빈의 압축기 중 적어도 하나로부터 압축 공기를 공급받는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 터빈은 상기 부하 압축기를 구동시키는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제4항에 있어서,
상기 부하 압축기로 유입되는 공기가 인렛 스로틀 장치(inlet throttling device)에 의해 감압되는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 인렛 모듈은 유량 측정 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 터빈의 출력측에 연결되는 터닝 모터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 터빈의 압축기 입구 측에 하나 이상의 온도 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 시동 모듈은 토크 변조 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가스 터빈은 회전수 감지 센서를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템. - 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈, 부하 압축기, 시동 모듈, 연료 공급 모듈을 포함하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템의 시험 방법에 있어서,
상기 가스 터빈을 구동하는 단계;
제2 인렛 모듈로 압축 공기를 공급하는 단계;
제2 인렛 모듈이 가스 터빈의 압축기로 공기를 공급하는 단계;
상기 가스 터빈의 압축기 입구 온도를 측정하는 단계; 및
상기 측정된 온도값에 따라 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증 시험 방법. - 제11항에 있어서,
제어부가 상기 제2 인렛 모듈의 히팅 밸브를 제어하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증 시험 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
제어부가 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 상기 가스 터빈의 출력축과 연결된 상기 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계; 및
상기 가스 터빈의 출력측에서 CO 배출량을 측정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증 시험 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 가스 터빈의 운전이 정지된 후 터닝 모터를 구동하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증 시험 방법. - 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈, 부하 압축기, 시동 모듈, 연료 공급 모듈을 포함하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템의 시험 방법에 있어서,
상기 시동 모듈이 상기 가스 터빈을 구동하는 단계;
제어부가 상기 가스 터빈의 설정 회전수를 조절하는 단계;
상기 가스 터빈의 출력측에서 회전수를 측정하는 단계; 및
상기 가스 터빈의 설정 회전수에 대한 상기 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증 시험 방법. - 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈, 부하 압축기, 시동 모듈, 연료 공급 모듈을 포함하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템의 시험 방법에 있어서,
상기 시동 모듈이 상기 가스 터빈을 구동하는 단계;
상기 가스 터빈의 출력에 의해 상기 부하 압축기가 구동하는 단계;
제1 인렛 모듈을 통해 상기 부하 압축기로 공기를 공급하는 단계;
제어부가 상기 제1 인렛 모듈의 인렛 스로틀 장치를 제어하여 상기 부하 압축기로 유입되는 공기를 감압하는 단계; 및
상기 부하 압축기 감압 조건에서 상기 가스 터빈의 운전 특성을 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증 시험 방법. - 압축기, 연소기, 터빈을 포함하는 가스 터빈, 부하 압축기, 시동 모듈, 연료 공급 모듈을 포함하는 터보 기계 검증시험을 위한 시스템의 시험 방법에 있어서,
상기 시동 모듈이 상기 가스 터빈을 구동하는 단계;
제어부가 상기 시동 모듈의 출력을 제어하는 단계;
시간에 따른 상기 가스 터빈의 회전수를 측정하는 단계; 및
상기 가스 터빈의 자가구동속도를 검증하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보 기계 검증 시험 방법.
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| KR1020220157450A KR20240076521A (ko) | 2022-11-22 | 2022-11-22 | 터보 기계 검증시험을 위한 시스템 및 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220157450A KR20240076521A (ko) | 2022-11-22 | 2022-11-22 | 터보 기계 검증시험을 위한 시스템 및 방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180119417A (ko) | 2017-04-25 | 2018-11-02 | 한국전력공사 | 터빈 시험장치 |
-
2022
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|---|---|---|---|---|
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