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문제 정의
- 본 연구는 동절기 냉각수 온도가 낮아졌을 때 복수기 압력을 설계치 로부터 단계적으로 감소시키는 성능시험을 실시하여 그 결과를 평가함으로써 최적의 복수기 운전압력을 설정하는데 목적이 있다. 시험은 서로 다른 경향의 열소비율 보정곡선을 가지는 삼천포 화력발전소 3호기와, 5호기를 대상으로 실시하고 그 결과를 비교하였다.
- 본 연구는 실제 운전 중인 두 종류의 발전소를 대상으로 복수기 압력 변화시험을 시행하고 그 결과를 평가함으로써, 설비의 안정운전과 효율향상을 동시에 충족할 수 있는 최적의 복수기 운전 압력을 제시하였다.
제안 방법
- 1) 서로 다른 복수기 압력-열소비율 보정곡선을 가지는 삼천포화력 3호기와 5호기를 대상으로 각각의 터빈 열소비율을 산정하였다. 이를 통하여 3호기는 복수기 압력을 설계치 이하로 감소시켜도 열소비율의 변화가 거의 없음을 확인하였다.
- 시험은 동일 출력에서 복수기 압력을 단계적으로 변화시키면서 각각에서의 터빈 열소비율을 산정하였다. 3호기는 38 mmHg(설계치), 33 mmHg(-5), 28 mmHg(-10)로, 5호기는 47 mmHg(+9), 38 mmHg(설계치), 28 mmHg(-10)로 3단계를 기준으로 변화 시켰다. 복수기 압력의 조정은 1차 적으로 냉각수 펌프 운전대수로 냉각수량을 조절하였으며, 2차적으로 진공펌프 작동용 밀봉수 온도와 진공펌프 입구배관의 배기밸브 개도를 조절하는 방법을 병행하여 시행하였다.
- 시험결과 분석은 크게 터빈효율(열소비율) 부분과 운전 및 설비 신뢰성 부분으로 나누어 분석하였다. 각각의 복수기 압력 조건에서 열소비율을 산정하였고, 터빈 성능에 직접적으로 영향을 미치는 변수인 group 2 보정항목(주증기압력, 주증기 온도, 재열증기온도, 재열기 과열저감수량)은 제작사의 보정곡선에 의거하여 보정하였다.
- 이를 통하여 복수기 압력 변화에 따른 증기터빈의 효율 변화를 평가하고, 압력을 감소시켰을 때 우려되는 터빈의 진동 및 저압터빈 최종 단 날개의 수적 침식 가능성 등을 확인하였다. 또한 각 증기터빈의 제작사가 제시한 보정곡선과 실제 시험을 통한 열소비율 곡선을 비교해 보고, 각 설비의 신뢰성 운전 범위 내에서 최고 효율을 유지할 수 있는 최적의 복수기 운전압력을 제시하였다.
- 계통은 시험 전에 외부유량 및 내부 유량을 격리하였고, 복수기 압력을 3단계로 변화시키는 시험기간 동안 일체의 출입 유량에 변화가 없도록 하였다. 또한 데이타 취득을 위한 주요 계측기는 시험 전 교정을 완료하여 계측의 신뢰성을 제고시켰다.
- 3호기는 38 mmHg(설계치), 33 mmHg(-5), 28 mmHg(-10)로, 5호기는 47 mmHg(+9), 38 mmHg(설계치), 28 mmHg(-10)로 3단계를 기준으로 변화 시켰다. 복수기 압력의 조정은 1차 적으로 냉각수 펌프 운전대수로 냉각수량을 조절하였으며, 2차적으로 진공펌프 작동용 밀봉수 온도와 진공펌프 입구배관의 배기밸브 개도를 조절하는 방법을 병행하여 시행하였다. 시험결과의 정확한 평가를 위하여 주증기 압력 및 온도 등은 최대한 동일한 상태로 유지하였으며, 기타의 조건은 증기터빈의 시험규격인 ASME PTC 6의 허용 운전조건 내에서 운전하였다.
- 각 발전소는 증기터빈 제작사가 제시한 복수기 압력-열소비율 보정곡선을 가지고 있다. 설계 보정곡선은 증기터빈의 열평형을 산정한 후, 복수기압력 증감에 따른 배기속도 변화를 이용하여 총 배기손실을 계산하고, 여기에 저압 급수가열기의 추기유량 등 열평형 변화를 감안하여 열소비율 증감을 계산한 후 도식화 한 것이다. 총 배기손실의 크기는 유출속도 손실과 풍손 손실 계산 치에 모형시험에서 구한 배기실 손실을 합해서 만든 제작사의 산출 곡선에 의해 구해지며, 저압터빈 최종 단 배기속도는 복수기 압력에 따라 달라지며 다음과 같이 계산된다.
- 시험 출력은 정격운전 조건으로 고정하였으며, 시험시간은 전체 사이클의 열적평형 도모 후 각각 2시간 동안 시행하였다. 계통은 시험 전에 외부유량 및 내부 유량을 격리하였고, 복수기 압력을 3단계로 변화시키는 시험기간 동안 일체의 출입 유량에 변화가 없도록 하였다.
- 시험결과 분석은 크게 터빈효율(열소비율) 부분과 운전 및 설비 신뢰성 부분으로 나누어 분석하였다. 각각의 복수기 압력 조건에서 열소비율을 산정하였고, 터빈 성능에 직접적으로 영향을 미치는 변수인 group 2 보정항목(주증기압력, 주증기 온도, 재열증기온도, 재열기 과열저감수량)은 제작사의 보정곡선에 의거하여 보정하였다.
- 복수기 압력의 조정은 1차 적으로 냉각수 펌프 운전대수로 냉각수량을 조절하였으며, 2차적으로 진공펌프 작동용 밀봉수 온도와 진공펌프 입구배관의 배기밸브 개도를 조절하는 방법을 병행하여 시행하였다. 시험결과의 정확한 평가를 위하여 주증기 압력 및 온도 등은 최대한 동일한 상태로 유지하였으며, 기타의 조건은 증기터빈의 시험규격인 ASME PTC 6의 허용 운전조건 내에서 운전하였다.
- 시험은 동일 출력에서 복수기 압력을 단계적으로 변화시키면서 각각에서의 터빈 열소비율을 산정하였다. 3호기는 38 mmHg(설계치), 33 mmHg(-5), 28 mmHg(-10)로, 5호기는 47 mmHg(+9), 38 mmHg(설계치), 28 mmHg(-10)로 3단계를 기준으로 변화 시켰다.
- 시험은 서로 다른 경향의 열소비율 보정곡선을 가지는 삼천포 화력발전소 3호기와, 5호기를 대상으로 실시하고 그 결과를 비교하였다. 이를 통하여 복수기 압력 변화에 따른 증기터빈의 효율 변화를 평가하고, 압력을 감소시켰을 때 우려되는 터빈의 진동 및 저압터빈 최종 단 날개의 수적 침식 가능성 등을 확인하였다. 또한 각 증기터빈의 제작사가 제시한 보정곡선과 실제 시험을 통한 열소비율 곡선을 비교해 보고, 각 설비의 신뢰성 운전 범위 내에서 최고 효율을 유지할 수 있는 최적의 복수기 운전압력을 제시하였다.
대상 데이터
- 본 연구를 위한 시험은 증기터빈 제작사가 제시한 복수기 압력-열소비율 보정곡선이 뚜렷하게 다른 양상을 보이는 2개 발전설비인 아임계압 드럼형 석탄화력 발전소 삼천포 3호기와, 초임계압 관류형 5호기를 대상으로 하였다. 정격운전 조건(100% Nominal rating)에서 3호기 용량은 563 MW이고, 5호기는 500 MW 이다.
- 본 연구는 동절기 냉각수 온도가 낮아졌을 때 복수기 압력을 설계치 로부터 단계적으로 감소시키는 성능시험을 실시하여 그 결과를 평가함으로써 최적의 복수기 운전압력을 설정하는데 목적이 있다. 시험은 서로 다른 경향의 열소비율 보정곡선을 가지는 삼천포 화력발전소 3호기와, 5호기를 대상으로 실시하고 그 결과를 비교하였다. 이를 통하여 복수기 압력 변화에 따른 증기터빈의 효율 변화를 평가하고, 압력을 감소시켰을 때 우려되는 터빈의 진동 및 저압터빈 최종 단 날개의 수적 침식 가능성 등을 확인하였다.
성능/효과
- 2) 복수기 압력 변화에 따른 터빈 열소비율 변화치를 제작사의 복수기 압력-열소비율 보정곡선과 비교한 결과, 두 발전소 모두 보정곡선과 유사한 결과추이를 얻어 제작사 보정곡선의 신뢰성을 입증하였다.
- 3) 복수기 압력을 단계적으로 감소시키면서 터빈 운전상태를 분석한 결과, 두 발전소 모두 복수기 압력 28 mmHg 까지는 저압터빈의 최종 단 수적침식의 발생 우려는 없었다. 또한 터빈의 고진동이나 응축수의 용존산소량 변화에 의한 설비 영향도 거의 없음을 확인하였다.
- 결론적으로, 아임계압 드럼형 발전소인 삼천포 화력 3호기의 경우에는 동절기라 하더라도 설계 복수기압력인 38 mmHg로 운전하는 것이 바람직하며, 초임계압 관류형 발전소인 삼천포 5호기의 경우에는 동절기에 복수기 압력을 설계치 이하 28 mmHg까지 감소시켜 운전하는 것이 터빈 효율 측면에서 유리하며 설비 운전에도 문제가 없음을 확인하였다. 앞으로 다양한 조건에서의 시험 및 연구를 수행하여 각 발전설비의 최적 운전 기준을 설정한다면 발전소의 효율적 운영에 많은 도움이 될 것으로 예상한다.
- 표 3은 시험 대상인 삼천포화력 3호기와 5호기의 저압터빈 각 단의 추기압력 및 최종 단 날개 출구의 습분 함유량을 나타내었다. 두 경우 모두 동일한 터빈 운전 조건에서 복수기 압력을 감소시켰을 때 최종 단 날개 출구의 습분 함유량은 약간 증가하였다. 그러나 각 단에서 팽창한 증기의 압력은 거의 변화가 없는 것으로 보아 최종 단 날개입구 측의 습분 함유량 변화는 미미할 것임을 알 수 있다.
- 2kcal/kWh가 변화되어 제작사의 보정곡선에 비교적 근접한 결과 추이를 보였다. 따라서 시험대상인 아임계압 드럼형 발전소인 삼천포 3호기의 경우에는 동절기에 복수기 압력을 감소시켜 운전한다 하더라도 터빈 효율향상 효과는 미미하다는 것을 확인하였다.
- 86%)가 변화되어 제작사의 보정곡선과 유사한 결과 추이를 보였다. 따라서 시험대상인 초임계압 관류형 발전소인 삼천포 5호기의 경우에는 동절기에 복수기 압력을 설계치 이하로 감소시켜 운전할수록 터빈 효율향상 효과가 크다는 것을 확인하였다.
- 3) 복수기 압력을 단계적으로 감소시키면서 터빈 운전상태를 분석한 결과, 두 발전소 모두 복수기 압력 28 mmHg 까지는 저압터빈의 최종 단 수적침식의 발생 우려는 없었다. 또한 터빈의 고진동이나 응축수의 용존산소량 변화에 의한 설비 영향도 거의 없음을 확인하였다.
- 이것은 복수 중의 용존산소량이 가스분압에 비례하고 온도에 반비례하는 특성에 기인한 것이다. 또한, 복수기 압력 감소와 무관하게 진공펌프 운전전류는 거의 일정 상태로 유지되었으며, 3호기와 5호기 모두 진공펌프의 운전에 특별한 문제가 없었다.
- 화력 및 원자력 발전설비에 있어서 복수기 압력을 적절하게 유지하려는 노력은 과거에서부터 있어 왔으나, 그 대부분은 터빈 제작사가 제시한 복수기 압력-열소비율 보정곡선을 따르는 것이었다. 또한, 정상운전 상태의 터빈 성능시험에 비해 실제 운전 중인 설비의 복수기 압력 변화 시험은 거의 수행되지 않았다.
- 이를 통하여 3호기는 복수기 압력을 설계치 이하로 감소시켜도 열소비율의 변화가 거의 없음을 확인하였다. 반면, 5호기는 복수기 압력 28 mmHg에서 정격 압력의 열소비율 대비 16.3kcal/kWh (0.86%) 향상되어 복수기 압력을 감소시킬수록 열소비율이 개선됨을 확인하였다.
- 복수기 압력 변화에 따른 터빈 열소비율은 3호기의 경우 압력변화에 관계없이 ±2kcal/kWh 이내로 거의 일정하였다. 반면, 5호기의 경우 복수기 압력 28 mmHg에서 정격 압력의 열소비율 대비 16.3kcal/kWh(0.86%)가 향상되어 복수기 압력을 감소시킬수록 열소비율이 개선됨을 확인하였다.
- 복수기 압력변화에 따른 응축수의 최대 용존 산소량은 3호기와 5호기 모두 복수기 압력 감소에 따라 용존산소량이 감소되었다. 이것은 복수 중의 용존산소량이 가스분압에 비례하고 온도에 반비례하는 특성에 기인한 것이다.
- 반면, 재생사이클의 이용률이 증가되고 팽창선 종단엔탈피를 감소시켜 발전기 출력을 증가시키는 양면성을 가지고 있다. 삼천포화력 3호기의 경우에는 전, 후자의 변화량이 거의 유사하였고, 5호기의 경우에는 후자의 변화량이 더 큰 것으로 나타났다.
- 12%) 증가되는 것으로 설계되어 있다. 시험결과 열소비율은 각각 +0.2, -2.2kcal/kWh가 변화되어 제작사의 보정곡선에 비교적 근접한 결과 추이를 보였다. 따라서 시험대상인 아임계압 드럼형 발전소인 삼천포 3호기의 경우에는 동절기에 복수기 압력을 감소시켜 운전한다 하더라도 터빈 효율향상 효과는 미미하다는 것을 확인하였다.
- 시험결과 정격 복수기 압력에서 3호기 터빈 열소비율은 설계대비 24.0kcal/kWh (1.23%), 5호기 터빈 열소비율은 설계대비 22.8kcal/kWh (1.22%) 증가된 것으로 나타났다. 이것은 경년에 따른 효율저하, 보조기기 성능저하 등 열악한 운전 조건에 기인한 것으로 판단된다.
- 1) 서로 다른 복수기 압력-열소비율 보정곡선을 가지는 삼천포화력 3호기와 5호기를 대상으로 각각의 터빈 열소비율을 산정하였다. 이를 통하여 3호기는 복수기 압력을 설계치 이하로 감소시켜도 열소비율의 변화가 거의 없음을 확인하였다. 반면, 5호기는 복수기 압력 28 mmHg에서 정격 압력의 열소비율 대비 16.
후속연구
- 결론적으로, 아임계압 드럼형 발전소인 삼천포 화력 3호기의 경우에는 동절기라 하더라도 설계 복수기압력인 38 mmHg로 운전하는 것이 바람직하며, 초임계압 관류형 발전소인 삼천포 5호기의 경우에는 동절기에 복수기 압력을 설계치 이하 28 mmHg까지 감소시켜 운전하는 것이 터빈 효율 측면에서 유리하며 설비 운전에도 문제가 없음을 확인하였다. 앞으로 다양한 조건에서의 시험 및 연구를 수행하여 각 발전설비의 최적 운전 기준을 설정한다면 발전소의 효율적 운영에 많은 도움이 될 것으로 예상한다.
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