KR840001346B1 - 바이패스 작동중의 터빈 온도 제어방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

바이패스 작동중의 터빈 온도 제어방법

도면은 본 발명에 따른 터빈의 개략 사시도.

본 발명은 증기 바이패스 방식으로 작동하는 터빈, 특히 회전열 손실을 일으키는 과열 및 과도한 열응력을 피하도록 패스방식의 작동을 수행케하는 바이패스 작동중의 터빈온도제어 방법에 관한 것이다.

증기 바이패스 방식의 전기 이용형의 대형증기터빈의 조작은 보일러가 부하의 지지에 필요한 이상의 증기를 생산하도록 요구될 때, 터빈의 각 부분들주위의 증기를 우회시키기 위해 바이패스 밸브시스템의 사용을 필요로 한다. 바이패스 작동의 중요한 장점은 전기에너지에 대한 요구와 동일한 증기에 대한 터빈의 요구와는 독립적으로 높은 수준의 출력에서 보일러가 작동될 수 있다는 것이다. 바이패스 방식의 작동에서 볼 수 있는 다른 고유한 장점들은 부하요구의 변화에 신속히 따르는 능력과 터빈을 보다 급속히 시동시키는 능력, 그리고 갑작스런 부하손실에 대한 보일러의 트립의 회피등이다.

그러나, 바이패스의 작동에서 마주치는 문제점으로서, 당해기술분야에서 숙련된자들이 그 해결책을 모색해온 문제점은, 무부하및 저부하 작동 조건들 하에서 순환 열손실의 결과 터빈의 각 부분내에서 일어날 수 있는 잠재적인 온도상승의 위험이다. 소위 풍손실(風損失:발전기등의 회전부분이 회전할 때 받는 공기의 저항에 의한 손실 가열로서 언급되는 이러한 가열효과는 동기속도에서 또는 등기속도 부근에서 일어나는 증기와 터빈로우터 날개 사이의 마찰에 기인하며, 아울러 상기 가열효과는 바이패스 증기 흐름으로부터 발생하는 높은 배압 때문에, 그리고 매우 가벼운 부하하에서 터빈을 통해 지나가도록 요구되는 비교적 낮은 증기 흐름 때문에 바이패스 방식의 작동에서 설명된다. 이 문제점의 심각성은 터빈의 정격전력 용량에 의한다. 즉 전력용량이 크면 클수록 터빈 온도가 높을수록 이들 저부하 조건들중에서 쉽게 일어나게 된다. 터빈의 고압부(HP)의 배출단의 풍손실은 터빈구조물이 영구한 구조상의 손실을 초래하는 과도한 열응력을 받게되는 정도까지 온도를 상승시킬 수 있다.

상기 문제점은, 터빈이 더 이상의 부하를 받고 또 바이패스 시스템으로부터 더 이상의 증기를 받을 때 풍손실은 예민하게 차단되고 터빈은 실제로 증대한 증기흐름에 의해 냉각될 것이라는 사실에 의해 강조된다. 이 갑작스런 온도의 역전은 터빈 금속상에 심각한 응력을 가져와서 영구적인 변형과 파괴를 일으킨다.

보다 크고 보다 효율적인 발전장치에 대한 현재의 경향으로서 그리고 바이패스 방식의 터빈 작동에 대한 높아진 관심으로서 순환열손실의 문제에 대한 해결책이 열렬히 모색되어 왔다. 그러나, 이 문제에 대한 대단히 만족할만한 해결은책 지금까지 얻지 못했다.

이 문제에 대한 종래의 한가지 접근으로서, 미합중국 특허 제4,132,076호의 “증기 터빈 발전소의 시동을 제어하기 위한 피드백 제어방법”은 보다 정교하고 복잡한 피드백 제어시스템을 시도하기 위한 것으로서, 이 시스템에서는 보다 큰량의 증기가 터빈의 저압부를 통해서보다는 고압부를 통해서 지나가게 하고 있다. 이것은 하나의 보조시스템이 저부하 및 무부하조건에서 바이패스 및 증기유입 밸브를 제어하고 다른 하나의 보조시스템은 상승된 부하에서 제어하는 제어시스템을 가지므로서 성취된다. 따라서, 여기서는 순환 열손실의 문제를 취급할만한 적당한 수단이 제공되지만, 보다 단순한 다른 방법및 장치가 요구된다.

따라서, 본 발명의 목적은 바이패스 방식의 작동중 증기 터빈 내에서 일어날 수 있는 순환열손실의 문제에 대한 단순하면서도 만족할만한 해결방안을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 방법은 고압 바이패스 증기의 일부를 터빈을 구동시키기 위해 충분한 량의 증기를 작동유체로서 터빈의 저압부로 유입시킴으로써 순환열손실을 제한한다. 동시에, 터빈의 고압부 주위를 바이패스하는 증기의 다른 부분은 그곳을 통해 후방으로 증기가 통과하도록 역류방향에서 터빈의 고압부로 유입된다. 다시 말하면, 터빈은 터빈의 저압부로 유입된 고압바이패스 증기의 일부에 의해 완전히 구동되는 반면, 고압 바이패스 증기의 다른 부분은 제동효과 및 냉각효과를 발생시키기 위해 역류상태로 터빈의 고압부로 유입된다. 이 흐름은 고압부 및 저압부의 과열을 방지하기 위해 적당히 비율로 조절된다.

여기서, 역류밸브는 역류증기 또는 냉각증기를 터빈의 고압부로 유입시키기 위해 제공되며, 아울러 통풍밸브는 냉각증기를 대기중으로, 또는 터빈에 조합된 콘덴서로 방출시키기 위해 제공된다.

고압부의 전방의 증기흐름의 고압부 또는 저압부의 과도한 온도없이 이루어지게 되는 지점까지 터빈상의 부하가 증대되었을 때, 통풍밸브는 폐쇄되고, 아울러 종래의 제어밸브는 개방된다. 상기 밸브작동은 비교적 단시간내에, 즉 몇초동안에 일어난다.

이하에서 본 발명의 구성과 특성을 첨부도면을 참조하여 상세히 기술한다.

첨부도면은 전력 발전소에서 사용되는 터빈(12)을 개략적으로 도시하고 있다. 여기서 보일러(10)는 고압부(HP)(14), 중압부(IP)(16) 및 저압부(LP)(18)로 구성된 터빈(12)에 운동유체로서 증기를 공급한다. 첨부도면은 고압, 중압 및 저압부(14,16,18)들이 축(22)에 의해 서로 직렬로 결합됨과 아울러 발전기(20)에 결합되는 것으로 도시되어 있으나, 상기 축들은 그 배열이 다양하게 변경될 수도 있다.

실제부하 하에서 작동하여 보일러(10)의 전출력을 이용할 수 있도록 한 터빈(12)의 증기유통로는 다음과 같다. 보일러(10)로부터 나온 증기는 도관(24)과 밸브(26)를 통해 고압부(14)로 유입된다. 여기서는 본 발명을 기술하기 위해 단일밸브로서 개략적으로 도시되었지만, 상기 밸브(26)는 터빈의 작동에 필요하고 또 통상적으로 사용되는 폐쇄 및 개방 제어밸브를 포함하는 복수개의 밸브로 조합된 구성을 대표하는 것이다. 고압부(14)로부터 배출된 증기는 체크밸브(28) 및 증기재열기(30)를 통과한 다음 밸브(32)를 통해 중압부(16)로 유입된다. 상기 밸브(32)는 중압부(16)로 유입되는 증기의 흐름을 제어하는 통상의 폐쇠 및 중간 차단밸브의 구성을 대표한다. 중압부(16)로부터 배출된 증기는 교차도관(34)을 통해 저압부(18)로 유입되며, 상기 저압부(18)를 통과하여 나오는 증기는 보일러(10)로 재순환시키기 위해 콘덴서(36)로 배출된다. 증기에 함유된 에너지는 각각의 고압, 중압 및 저압부(14,16,18)내에서 방출되어 터빈(12)을 구동시키며, 상기 터빈(12)의 구동에 의해 발전기(20)가 구동하게 된다.

저부하에서 발전기(20)로부터의 전기에너지에 대한 요구가 적은 상태에서 보일러(10)가 부하를 지속시키는데 요하는 증기 이상의 과도한 증기를 제공하는 경우, 상기 과도한 증기는 고압 바이패스 시스템(38) 및 저압 바이패스 시스템(40)에 의해 터빈(12)주변의 다른곳으로 전가된다. 고압 바이패스 시스템(38)은 고압 바이패스 밸브(42) 및 과열저감기(44)를 포함하며, 저압 바이패스 시스템(40)은 바이패스 밸브(46) 및 과열저감기(48)를 포함한다. 바이패스 작동과정에 있어서, 보일러(10)로부터 나온 고압부(14)용 증기는 도관(24)과 고압 바이패스 시스템(38)을 지나서 고압부(14)를 통과한다. 이와같이 바이패스된 다음 상기 고압부(14)로부터 배출된 증기는 재열기(30)를 통해 흐르도록 다시 합쳐진다.

상기 재열기(30)로부터 나온 증기는 밸브(32)를 통해 중압부(16)및 저압부(18)로 공급되는 부분과, 저압 바이패스 시스템(40)을 통해 콘덴서(36)로 유입되는 부분으로 나누어진다.

상술한 바와 같은 바이패스 작동 과정에 있어서, 터빈(12)이 시동되어 저부하 상태로 지속하게 되면 대부분의 증기는 바이패스 되고 비교적 소량의 증기만 터빈(12)의 작동유체로서 취해진다. 이들 조건하에서는 상당한 배압이 재열기(30)의 저온측과 고압부(14)의 배출단부상에서 발생하게 된다. 고압부(14)내의 고압 및 낮은 증기흐름의 조합은 터빈(12)을 파괴할 수도 있는 순환 열손실을 발생시킨다. 따라서, 이와같은 상황에서는 터빈 회전 날개가 그곳으로부터 에너지를 얻기보다는 오히려 증기에 에너지를 제공하게 된다. 따라서, 고압부(14)내의 증기의 온도는 과도한 열응력이 터빈에 가해지는 지점까지 증대될 수 있다.

본 발명에 따라 터빈의 시동을 포함한 저부하 및 무부한 조건하에서 일어나는 상기 영향이 제거된다. 즉, 고압부(14)를 통과하는 증기의 전진흐름을 방지하지 위해 밸브(26)가 폐쇠되며, 터빈(12)의 출력은 밸브(32)를 통해 중압부(16) 및 저압부(18)로 유입된 증기에 의해 지지된다. 동시에, 증기의 일부를 고압 바이패스 시스템(38)으로부터 고압부(14)로 역류방향으로 유입시키기 위해 역류밸브(50)가 개방된다. 또한, 역류 증기를 고압부(14)로부터 콘덴서(36)로 배출시키기 위해 통풍밸브(52)도 역시 개방된다. 그러나, 역류 증기 흐름은 비교적 적기 때문에 이 흐름은 큰 경제적 손실없이 간단하게 처리된다. 역류밸브(50) 및 통풍밸브(52)를 통한 냉각 증기 통로는 냉각증 기시스템 또는 보조시스템으로 구성되며, 또 여기서 언급되는 그러한 것으로 구성될수도 있다.

고압부(14)를 통해 후방으로 진행하는 냉각증기는 순환 열손실을 제거함과 아울러 과열이 일어날 가능성을 방지하는 효과가 있다. 도면에서 화살표는 냉각증기 시스템의 증기흐름통로를 표시한다.

증기의 역류는 고압부(14)를 가로질러 온도구배 또는 온도배분을 일으키며, 이 온도구배 또는 온도배분은 고압부(14)가 정상부하조건들 하에서 가지는 온도분배와 거의 일치한다는 점이 주목할만하다. 즉 고압부(14)가 전력을 발생시킴과 아울러 증기흐름의 전방으로 향할 때, 온도구배는 증기통로를 따라 부특성(負特性)을 가진다. 이와 유사한 온도구배는 역류조건들하에서 일어나며, 사실상 역류증기흐름은 구배를 변환시키도록 조정될 수 있다. 이것은, 부하를 상승시키는 증기흐름의 증가를 통상적으로 수반하는 갑작스런 냉각충격이 회피되므로 대단히 유익하다.

과열저감기(44)는 고압 바이패스 시스템(38)내에 증기의 냉각 효과를 제공함과 아울러 역류 냉각효과를 촉진한다. 본 발명의 양호한 실시예에서, 고압부(14)내의 온도는 과열저감기(44)의 조절을 통해 냉각증기의 온도를 변화시켜주므로써 제어된다.

다른 양호한 실시예에서, 통풍밸브(52(는 조절밸브 또는 제어 밸브이며, 상기 밸브(52)는 증기의 역류를 제어하는데 사용될 뿐 아니라 최대온도 및 고압부(14)를 가로지르는 온도구배등의 제어에도 사용된다. 또다른 양호한 실시예에서, 역류밸브(50)는 증기의 흐름과 그 결과로서 생긴 고압부(14)내의 온도를 제어하기 위한 조절밸브 또는 제어밸브이다. 비록 본 발명의 양호한 실시예들이 특별히 별도로 도시되지는 않았지만, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 상기 실시예들을 성취하는데 필요한 수단들을 명료하게 이해할 수 있을 것이다.

터빈(12)의 저압부(16 및 18)는 매우 낮은 증기흐름조건하의 순환열손실로 인하여 과열에 노출된다. 이와같은 과열은 역시 본 발명에 의해 극복된다. 이것은, 순환 열손실을 감소시키기에 충분한양의 증기 흐름을 중압 및 저압부(16,18)내에 증대시킴과 아울러, 고압부(14)에 대해서는 증기의 역류를 증가시킴으로써 추가된 흐름에 의해 발생한 증가된 전력을 옵셋시켜주므로써 성취된다. 역류증기가 터빈(12)상에서 제동효과를 갖기 때문에 정미출력은 변하지 않는다.

도면에 도시된 바와같은 발전소의 시동과정, 상세히 기술한다면 본 발명의 원리와 잇점들을 이해하는데 많은 도움이 될 것이다. 이하에서 그 시동과정을 기술하겠다.

터빈(12)이 폐쇠된 상태에서 밸브(26)는 폐쇠되고 바이패스 밸브(42,46)는 전체증기를 콘덴서(36)로 바이패스시키도록 개방된다. 여기서 다량의 증기는 보일러(10)에 의해 제공된다. 터빈(12)의 시동은 저압부(16,18)로 증기를 유입시키기 위해 밸브(32)를 개방시켜 주므로써 시작된다. 밸브(26)는 폐쇄된 상태로 유지되고, 따라서 모든 터빈 출력은 터빈(12)의 저압부(16,18)로 유입된 증기에 의해 발전된다. 동시에, 과열저감된 증기는 역류밸브(50)를 통해 고압터빈(14)으로 유입됨과 아울러 풍손실을 제거하는 고압단(段)을 통해후방으로 흐른다. 이 증기는 고압부(14)의 첫째단(段)의 전방에 있는 통풍밸브(52)를 통과한 다음 콘덴서(36)로 배출되며, 역류하는 냉각증기는 고압부(14)를 통해 흐르면서 온도가 증가한다. 실제온도배분은 소량의 냉각증기를 유입시키므로써, 양호하게는 과열저감기(44)의 제어를 통해 냉각증기의 온도를 변화시키므로써 변화될 수 있다.

고압부(14) 또는 저압부(16,18)에서 일어나는 과도한 온도없이 고압부(14)의 전방의 증기흐름의 일어날 수 있는 지점까지 터빈(12)상의 부하가 증대될 때, 그때 비교적 단시간)수초(내에 통풍밸브(52)가 폐쇄되고 밸브(26)는 개방된다. 물론, 밸브(26)의 개방은 과도한 온도를 방지하기에 충분한 증기를 고압(14)부로 유입시킬 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 적어도 하나의 고압부, 고압 바이패스, 시스템, 적어도 하나의 저압부 및 저압 바이패스 시스템을 가진 터빈의 바이패스 방식의 작동에 적합한 증기 재열 터빈의 온도제어방법에 있어서, 증기의 흐름을 보일러(10)로부터 고압부(14)주위로 바이패스시키고, 상기 바이패스된 증기의 일부를 터빈(12)을 구동시키기 위한 작동유체를 제공하기 위해 전진 흐름방향에서 저압부(16,18)로 유입시키며, 상기 바이패스된 증기의 다른 부분을 역류방향으로 상기 고압부(14)를 통과시켜서 고압부(14)의 순환열손실을 제한하기 위해 상기 증기를 고압부(14)로 유입시킴을 특징으로 하는 바이패스 작동중의 터빈 온도 제어방법.

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