[논문]화력 발전소 증기 터빈의 자동기동을 위한 주증기 제어 밸브 수명해석

김효진; 강용호

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.1.001

[국내논문] 화력 발전소 증기 터빈의 자동기동을 위한 주증기 제어 밸브 수명해석
Service Life Analysis of Control Valve far Automatic Turbine Startup of Thermal Power Plant 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.26 no.1 = no.196, 2002년, pp.1 - 6

김효진 (항공기능대학) , 강용호

Abstract ▼ AI-Helper

The automatic turbine startup system provides turbine control based on thermal stress. During the startup, control system monitors and evaluates main components of turbine using damage mechanism and life assessment. In case of valve chest, the temperature of inner/outer wall is measured by thermo-couples and the safety of these values are evaluated by using allowable △T limit currie during the startup. Because allowable ΔT limit curve includes life assessment, it is possible to apply this curve to turbine control system. In this paper, low cycle fatigue damage, combined rupture and low cycle fatigue damage criterion were proposed for yielding the allowable ΔTf limit curve of CV(control valve) chest. To calculate low cycle fatigue damage, the stress analysis of valve chest has been performed using FEM. Automatic turbine startup to assure service life of CV was achieved using allowable ΔT limit curve.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

반면 밸브 몸체의 경우 밸브 표면과 안쪽면의 온도차를 즉정하여 제어에 활용하는 정도이다. 본 논문에서 측정된 온도차는 밸브 허용 ΔT 허용 (limit) 곡선과 비교하여 안정성 여부를 평가하였다. 밸브 허용 AT 허용 곡선은 밸브의 수명 해석을 통하여 산출되는 것으로, 저주기 피로손상과 크리프 손상 해석이 수행되었다.
본 논문에서 측정된 온도차는 밸브 허용 ΔT 허용 (limit) 곡선과 비교하여 안정성 여부를 평가하였다. 밸브 허용 AT 허용 곡선은 밸브의 수명 해석을 통하여 산출되는 것으로, 저주기 피로손상과 크리프 손상 해석이 수행되었다. 터빈에 사용되는 밸브는 크게 주증기차단 밸브(MSV; main stop v 따라서 터빈의 기동 제어에는 주로 제어 밸브가 사용된다. 본 연구에서는 밸브의 운전수명 보장을 위하여 밸브 수명해석을 통하여 제어 밸브의 허용 AT 허용 곡선을 산출하였고, 터빈 자동기동 제어에 적용하였다. 밸브 수명해석은 저온 영역과 고온영역으로 나누어 수행하였으며, 고온영역의 경우 저주기 피로 손상과 크리프 손상을 조합하여 산출 하였다.
본 연구에서는 밸브의 운전수명 보장을 위하여 밸브 수명해석을 통하여 제어 밸브의 허용 AT 허용 곡선을 산출하였고, 터빈 자동기동 제어에 적용하였다. 밸브 수명해석은 저온 영역과 고온영역으로 나누어 수행하였으며, 고온영역의 경우 저주기 피로 손상과 크리프 손상을 조합하여 산출 하였다. 해석에 사용한 밸브는 WC(widow creek) 타입으로 현재 화력 500MW 터빈에 사용되고 있다.
유한요소법의 계산은 상용 프로그램인 ABAQUS# 이용하였다. 해석은 크게 압력에 의한 응력과 열응력에 의한 응력으로 나누어 수행하였다. 일반적으로 응력지수(stress index)는 식 (5)와 같이 최대 응력과 공칭 응력의 비로 주어진다.
압력에 의한 응력 해석 시 경계조건은 축대칭 2차원으로 해석을 수행하였으며, 내압은 운전의 정격압력 3,500 psi로 설정하였다. 응력해석 결과로부터 최대 응력이 발생하는 곳은 옆벽면(side wall) 위쪽과 아래쪽의 모서리 부분이라는 것을 알 수 있었다.
화력 발전소 증기터빈 제어에 사용되는 제어 밸브의 허용 ΔT 허용 곡선을 수명해석을 통하여 산출하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 밸브의 허용 ΔT 허용 곡선은 저온영역과 고온영역으로 나누어지며, 저온 영역의 경우 저주기피로 손상을 적용하였고 고온 영역의 경우 저주기피로 손상과 크리프 손상을 조합하여 적용 하였다.
(2) 복잡한 밸브 형상으로 인하여 온도 측정부위가 제한되어 있기 때문에 허용 ΔT 허용 곡선은 측정 가능한 부분의 온도차로 밸브 전체의 손상 평가가 가능하도록 산출하였다.
(4) 산출된 제어 밸브 허용 ΔT 허용 곡선을 터빈의 자동기동 프로그램에 적용하여 밸브의 예열시간을 결정하였다.
저온 영역과 고온영역의 수명해석과 밸브의 응력해석을 바탕으로 WC타입 제어 밸브의 ΔT 허용 곡선을 산출하였다. 산출 결과는 터빈 기동시밸브 내/외벽의 온도차를 제한하는 값으로 산출곡선을 이용하면 운전중의 밸브의 수명을 보장할 수 있다.
(3) 밸브의 응력해석을 통하여 응력집중계수를 산출하고 최대 열응력 발생 위치를 찾아냈다. 산출된 웅력집중계수는 1.

대상 데이터

밸브 수명해석은 저온 영역과 고온영역으로 나누어 수행하였으며, 고온영역의 경우 저주기 피로 손상과 크리프 손상을 조합하여 산출 하였다. 해석에 사용한 밸브는 WC(widow creek) 타입으로 현재 화력 500MW 터빈에 사용되고 있다. 수명해석으로 산출된 밸브 허용 ΔT 허용 곡선은 실시간으로 측정된 밸브의 내벽과 외벽의 온도차와 비교하여 자동적으로 터빈의 부하 증가 여부를 결정하는데 사용된다.

이론/모형

사용 수명이 결정되면 수명주기(service cycle)가 계산되고 이를 바탕으로 저온 영역과 고온영역에 대한 허용 변형율 범위(strain range) (Δ£_T)_perm가 계산된다. 저온 영역의 경우 밸브 재료의 저주기 피로 곡선을 이용하여 계산하고 고온영역의 경우 저주기 피로 손상과 크리프 손상이 조합된 손상법칙(damage rule)을 적용하여 계산한다. 크리프 손상은 작용 압력과 온도에서의 사용 응력(service stress)을 계산하여 산출한다.
저주기 피로 손상과 크리프 손상이 동시에 발생하는 고온 영역에서 허용 온도차의 계산은 선형중첩 법(liner summation method)을 이용한 손상 평가를 적용하였다. 선형중첩법은 주로 크리프 손상의 영향이 적을 경우 유용하게 사용할 수 있다.
산출되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 WC 타입 제어 밸브의 응력해석을 유한요소법을 이용하여 수행하였다. 유한요소법의 계산은 상용 프로그램인 ABAQUS# 이용하였다.

참고문헌 (7)

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Viswanathan, R., 1989, 'Damage Mechanisms and Life Assessment of High-Temperature Components,' ASM INTERNATIONAL, pp. 265-328
Koji, Y. and Kazuo, K., 1994, 'Parameter Analysis for Time Dependent Low-Cycle Fatigue Life,' Journal of Eng. Mat. & Technology, Vol. 116, No. 479-782

상세보기
Mora, J and Retzlaff, K. M., 1979, Design and Operation of Large Fossil-Fueled Steam Turbines Engaged in Cyclic Duty,' American Society of Mech. Eng. Joint Power Generation Conference, pp. 3-18
Schlottner. G., 'Application of a Combined Rupture and LCF Damage Criterion to SV/CV Casting Life Predictions,' DF76STG82

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