터빈운전에 관하여

  터 빈 운 전 에  관 하 여

■ 터빈의 종류

  ▲ 터빈 구동매체에 의한 분류 : 증기(STEAM)터빈, 가스(GAS)터빈

  ▲ 터빈 형식에 의한 분류 : 복수(Condensing)터빈, 배압(Back Pressure)터빈

     - 참고:  추기(Extraction)터빈 = 재생(Regenerative)터빈, 재열(Reheating)터빈

  ▲ BLADE 형상에 따른 분류 : 충동(Impulse)터빈, 반동(Reaction)터빈

     - 충동터빈 : Blade 모두 충동단 , 반동터빈 : 통상 1단은 충동단, 나머지는 반동단 

  ▲ 압력에 따른 분류 : 고압(HP)터빈, 중압(MP)터빈, 저압(LP)터빈

  ▲ 증기유동방향에 따른 분류 : 축류(Axial Flow)터빈, 반경류(Radial)터빈   

■증기터빈의 특성비교

  ▲ 충동터빈 : ○ 증기가 노즐을 통해 분사되어 날개를 충돌시켜 축이 회전됨.

               ○ 압력손실이 크고, 단수가 적고, 전체길이가 짧고 구조가 간단하다.

               ○ 미국식, 축이 가늘고, 날개가 길어 증기누설이 적으나 효율은 다소 낮다.

               ○ 충격관련 날개를 단단하게 제작하며, 수명은 짧으나, 가격은 다소 저렴.

               ○ 압력은 노즐에서 감소후 일정, 속도는 노즐에서 증가 동익에서 감소

  ▲ 반동터빈 : ○ 고무풍선처럼 증기가 날개를 통해 빠져나오는 반발력으로 회전됨.

               ○ 압력손실이 작고, 단수가 많으며, 전체길이가 길고 다소 복잡하다.

               ○ 유럽식, 축이 굵고, 날개가 짧아 증기 누설은 많으나 전체 효율이 높다.

               ○ 반발력 작용으로 날개충격이 적어 수명이 길며, 가격은 다소 고가.

               ○ 압력은 동익과 정익에서 감소, 속도는 정익에서 증가, 동익에서 감소.

■ 터빈발전기(Turbine Generator)의 구성

  ▲ 터빈부분품 : (상/하부)케이싱-(Upper/Lower)Casing, 로타-Rotor, 블레이드-Blade,

                 가이드 블레이드 케리어-Guide Blade Carrier, Steam Chest, Nozzle,

                 저널(라디알)베어링-Journal(Radial) Bearing, Thrust Bearing,

                 라비린스 씰-Labyrinth Seal, 발란싱 피스톤 : Balancing Piston 등

  ▲ 터빈부속품 : AOP-Auxiliary Oil Pump(AC), MOP-Main Oil Pump(Rotor),

                 EOP-Emergency Oil Pump(DC), Oil Unit-Tank, Filter, Cooler, Purifier,

                 턴닝기어-Turning Gear(Motor), 감속기어-Gear Box 등

  ▲ 터빈조정기 : ESV-Emergency Stop Valve, MCV- Main Control Valve(4개),

                 안전장치-Safety Block,

             ●  SSC-Trip(ESV) Controller : 초기기동시부터 90% 정격Rpm까지 조절

             ●  SIC-Speed(CV) Controller : 90% Rpm에서 정격부하 20MW까지 조절

             ●  PIC-Back Press. Controller : 배압증기(7K) 유량 조절

  ▲ 발전기구성품: 회전자-ROTOR, 고정자-STATOR, 익사이터-EXCITER,

                  자동전압조절기-AVR (Automatic Voltage Regulator),

                  보호장치-Protection Relay, 공기냉각기-Air Cooler(수냉식) 등

■ 공단의 터빈 사양

  ▲ 터빈형식 : REACTION TURBINE ( 반동터빈 )

     - 1단 : CONTROL STAGE (충동단),

     - 8단 : HP PART (반동단)

     - 4단 : LP PART (반동단)

  ▲ 제작사 : 과거, SGP (SIMMERING-GRAZ-PAUKER)

             현재, AE&E (AUSTRIA ENERGY & ENVIRONMENT Co.

  ▲ 정격용량 : 19,000 KW  ( 증기량: 136.7 Ton/Hr, 증기소비율: 7.19 Kg/KWH )   

     - 입구증기조건 : 88 ata, 485。C ( 801 Kcal/Kg )   ● △ H = 125 Kcal/Kg

     - 출구증기조건 :  8 ata, 196。C ( 676 Kcal/Kg )   ● TBN η = 95.6 %

  ▲ 회전수

     - 터빈 : 정격 7980 rpm ( TRIP SPEED : 8778 rpm, 정격의 110% 속도 )

     - 발전기 : 정격 1800 rpm,     - 감속기어의 감속비 : 7980/1800 = 4.43

■ 공단의 발전기 사양

  ▲ 제작사 : 주몽 슈나이더 (Jeumont-schneider)

  ▲ 정격용량 : 23,750 KVA (역율 80% 기준)        *** 19,000KW/0.8=23750KVA

  ▲ 정격 전압 및 주파수 : 6,600 V (6.6KV),   60Hz   *** (참고) 유럽: 50Hz

  ▲ 회전수 : 1800 rpm ( Over speed trip : 1980 rpm, 정격의 110% )

  ▲ 여자 (EXCITATION)

     ○ 정격 전압 : 84.5 V, (최고전압: 135V, ceiling voltage )

     ○ 여자기 정격 : 70.4 KVA     ○ 극수 : 8 Pole

■ 터빈 부속기기류 사양

  ▲ OIL SYSTEM :

     ○ Oil 종류 : ISO VG 46  ( kinetic viscosity min/max 41.4/ 50.6 m²/s/cst )

     ○ Oil Tank : 6,300 ℓ   *** 배관 및 oil cooler등 감안 약 7,000 ℓ 소요

  ▲ DOUBLE OIL COOLER :

     ○ OIL 처리수량 : 757 ℓ/ min  ( Oil Pr Drop : 0.86 ata )

     ○ 운전압력 : Oil Side : 4 ata ( 3K ? ),   C.W side : 6ata ( 5K? )

     ○ 운전온도 : Oil In/Out : 61.4/ 44。C,  Water In/Out : 32/ 37.4。C ( 60 M³/H )

  ▲ DOUBLE OIL FILTER :

     ○ OIL FLOW : 865 ℓ/ min  ( Oil velocity : 약 2m/sec)

     ○ Filtering Range : nominal 25 μm,  absolute 37 μm    * μm = mym

     ○ 운전압력 : 5 ata ( 필타 오염시 압력 : 3 ata,  즉 차압 : 2K 발생시 )

     ○ 운전온도 : 55 。C  ( 초기 기동 온도 : 20 。C )

  ▲ MOP ( Main Oil Pump ) : 969 ℓ/min , 1800 rpm ( 약 11.7 KW 상당 )

  ▲ AOP (Auxiliary Oil Pump) : 853 ℓ/ min , 3520 rpm, AC 10.3KW (S/U:12.7KW)  

  ▲ EOP (Emergency OIl Pump) : 232 ℓ/ min , 3000 rpm, DC 2.1 KW (S/U:2.7KW)

  ▲ COP (Control Oil Pump, booster Pp) : 210ℓ/ min , 17bar, 1750rpm, AC 6.9 KW

  ▲ Turning Gear : 18.5KW, AC 440V, 정격 41A, 3510 rpm/ 223 rpm (turning speed)

■ 일반 상식으로 보는 터빈 운전

  ▲ 터빈, 발전기 베어링 및 기어박스에 윤활 및 냉각용 터빈오일이 필요하다.

     ☞ 특히, 터빈은 스팀의 고온이 축으로 전달되어 베어링과 접촉하므로 냉각효과 중요

     ☞ 따라서, 터빈 정지시 케이싱 온도 100。C 이하가 될 때까지 AOP가 가동되어야

        하며, 만약의 정전시에는 비상밧데리 DC전원으로 EOP가 자동 기동된다(확인필요)

     ☞ 즉, 터빈 기동시 오일계통을 먼저 가동, 정지시는 오일계통을 맨 마지막에 정지

     ☞ 우리 공단에는 ISO VG 46 오일을 사용한다.     *** VG = Viscosity Grade

  ▲ 터빈은 고속으로 회전하는 정밀기계이므로 열팽창과 수축에 많은 주의가 필요하다.

     ☞ 흔히 워밍업(warming-up)이라고 하는 기동 초기의 예열 공정이 아주 중요하다

     ☞ 요즘 빠르고 안전한 워밍업을 위해 내부케이싱(가이드 블레이드 케리어)을 쓴다.

     ☞ 즉, 터빈 Shaft(Rotor) 는 스팀의 이동과 함께 빨리 뜨거워지고 빨리 식는 경향이

        있는데 반하여, 외부 케이싱(Stator)은 열전달이 지연되어 온도변화가 늦기 때문에

        케이싱 안쪽에 내부케이싱(Inner Casing)을 두어 온도변화에 빨리 적응되게 한다.

     ☞ 우리공단도 기동 및 정지시 안전하고 쉽게 운전될수 있도록 내부 케이싱이 있다.

     ☞ 터빈팽창은 축(Shaft)은 Front BRG Housing 의 Thrust BRG에 의해 앞쪽에서

        뒤쪽(발전기 쪽)으로 팽창하고, 터빈 케이싱은 Rear BRG Housing에서 고정되어

        뒤쪽에서 앞쪽으로 팽창한다. (현장의 터빈 앞쪽에 슬라이딩 흔적을 볼수 있음)

  ▲ 워밍업은 부분적인 것보다 스팀을 전체적으로 골고루 뿌려주면 좋다.

     ☞ 우리 터빈은 기동 및 워밍업 할 때 터빈 콘트롤밸브 4개를 모두 개방한 상태에서

        비상정지변(ESV)을 잠깐 잠깐씩 열었다 닫았다하여 워밍업과 함께 가속 시킨다.

     ☞ 따라서 콘츠롤밸브를 조작하는 스피드 콘트롤라 SIC-034B의 출력은 100%로 하며,

        ESV 콘트롤라 SSC-034A의 출력은 0에서 10%사이에서 오르락내리락한다.

        (SSC 선택스위치 “Y"에 놓고 SSC 출력 조작 버턴을 천천히 반복하여 누른다)

     ☞ 이때, 쉬이-익, 쉬이-익, 하는 소리가 나면서 터빈이 가속되어 회전수가 증가하며,

        (이러한 워밍업을 하기 전에 반드시 터빈입구배관의 워밍업이 완료되어 있어야 함)

        터빈 회전수가 정격의 90%에 도달하면 터빈콘트롤이 SSC에서 SIC로 전환되면서

        이때 SIC 출력이 100%에서 약 25% OPEN 수준으로 감소(rpm은 약7200수준)되고,

        SSC는 출력이 100%로 되면서 ESV가 완전히 OPEN된다.

     ☞ 이후 SIC출력을 조금씩 늘려(+) 속도를 동기속도(정격보다 조금 높게)에 맞추고,

        전기계통 점검(AVR ON 등)하고 한전과 동기를 한후 발전기부하를 천천히 올린다.

     ☞ 발전기 부하운전 초기에도 사실상 터빈 워밍업 중이므로 초기에 과도한 부하상승을

        하여서는 안된다.(발전기 4-5MW 부하에서 약 20-30분 유지후 천천히 상승 필요)

  ▲ 터빈 회전속도가 빠르면 터빈 콘트롤 특성이 좋다.

     ☞ 일반적으로 터빈발전기의 회전수는 3600rpm을 많이 사용하고 있으나,

        우리공단은 7980rpm의 고속회전방식으로 설계되어 있고, 감속기어가 설치되어

        발전기 회전수는 1800rpm으로 되어있다.

     ☞ 고속회전 터빈은 감속기어를 사용하는 문제점이 있으나, 터빈 콘트롤 특성이

        좋으며, 발전기 회전수를 낮출수 있어 수명연장 및 보수비절감 등에 유리하며,

        과거에는 기어의 신뢰성 결여로 문제가 있었으나, 요즘은 문제로 생각지 않음.

     ☞ 통상 10 - 20 MW급의 소형터빈은 감속기어를 채택한 고속 터빈이 많다.

■ 터빈발전기의 운전 및 제어원리

   ▲ 발전기(Generator)는 자동전압조정장치(AVR - Automatic Voltage Regulator)가,

      터빈(Turbine)은 자동조속기(Speed Governor)가 운전 및 제어를 담당한다.

   ▲ 발전기 AVR은 출력(단자)전압을 일정하게 유지하는 장치로, 부하에 따라 여자전류를

      조절하는데 즉, 발전기가 생산하고 있는 전기보다 요구하는 부하(수요)가 많아지면

      전압과 주파수가 떨어지게 되며, 이를 방지하기 위하여 AVR이 여자전류를 증가시켜

      발전기에 자속(구속력)을 높이게 되는데, 이로 인하여 터빈 SPEED가 떨어지게 된다.

   ▲ 터빈 Speed Governor는 터빈의 회전수(발전기 주파수)를 일정하게 유지하는데,

      터빈의 회전수가 떨어지면(스팀부족), 이를 회복시키기 위하여 터빈 Control 밸브를        

    열어(SIC-034B 출력 증가) 스팀을 추가 공급하면 회전수가 다시 정상 복귀한다.

   ▲ AVR과 Speed Governor가 상호 연동으로 작용하여 이러한 증가 또는 감소 등의

      현상 없이, 마치 터빈회전수(주파수)가 일정한 가운데, 전기 부하가 늘어날 경우에는

      터빈 스팀 Flow가 늘어나고, 전기부하가 감소하면 스팀 Flow가 감소하는 것 같다.

      역으로, 터빈공급스팀을 늘이면 발전량이 많아지게 되고, 그 반대면 반대가 된다.

   ▲ 터빈 자동운전방식에는 2가지가 있는데, “주파수제어”와 “배압제어”가 있다.

      ○ 주파수제어(Frequency Control)는 일명 “House Load 운전” 또는 “ Island Mode"

         라고 하며, 터빈이 전기부하를 추종하여 이에 따라 운전되는 것을 말하며,

         우리공단의 경우, 한전정전시 우리 발전소 소내 부하 추종운전방식을 말한다. 

      ○ 배압제어(Back Pr. Control)는 일명 “한전과 병렬운전방식” 이라고 하며,

         터빈 배기압력을 추종하여 배압스팀 부족(배관망 압력감소) 시에는 터빈으로

         흐르는 증기량을 늘려 배압스팀 공급량과 함께 발전량을 늘이고,

         반대로, 배기압력이 높으면 터빈 증기를 줄이며, 이에따라 발전량이 감소된다

         우리공단과 같이 한전에 역송전하는 경우의 운전방식을 말한다.

  [참고] 현재 우리 운전원들의 운전특성은 한전에 역송전하는 병렬운전을 할 때에

        배압제어방식에의한 자동운전을 선택하여 배관망 압력을 터빈이 자동으로

        조절하면서 배관망 압력변화에 따라 발전량과 스팀생산량이 변하는 운전을

        할 수가 있으나, 현재 이러한 운전을 하지 않고 수동으로 SIC-034B 출력의

        [ + ] 와 [ - ] Key 이용하여 터빈을 운전하고 있는데 이것도 좋은 운전이다.

       

        왜냐하면, 염색공단의 증기부하 특성이 주간, 야간, 식사시간 등에 따라

        변동이 있기는 하나, 콘트롤 측면에서는 아주 안정되어 있는 부하이므로

        증기생산량, 증기공급량, 발전량의 변화를 보면서 조금씩 조절함으로써

        느긋하게 안정된 운전을 할 수가 있기 때문이다.

       

        그러나, 배관망의 압력이 자동으로 조절되지 않으므로 압력변화에 항상

        관심을 가져야하며, 터빈 스팀 FLOW와 BY-PASS 스팀 FLOW에 따라

        압력과 온도변화에 유의하여야 함은 기본이다.

 

   배관망 관리기준 : 압력 6.5 - 6.7 Kg/cm² , 온도 180 - 190。C (180이상 유지)