[논문]증기터빈의 기동조건과 성능개선이 터빈의 진동에 미치는 영향

이혁순; 정혁진; 송우석

doi:10.20466/kpvp.2011.7.3.001

증기터빈의 기동조건과 성능개선이 터빈의 진동에 미치는 영향
Effect on Vibration of Start-up Condition and Retrofit of Steam Turbines 원문보기

한국압력기기공학회 논문집 = Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping, v.7 no.3, 2011년, pp.1 - 7

이혁순 (한국수력원자력 원자력발전기술원) , 정혁진 (한국수력원자력 원자력발전기술원) , 송우석 (한국수력원자력 원자력발전기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

The analysis shows that the vibration is one of the main reasons of turbine failure. Especially, the problems caused by vibration occur right after retrofit of the turbine-generator and restarting the turbine. Through the case study of high vibration caused by after the turbine trip and restart, turbine vibration was identified to be influenced by startup condition. Turbine startup at high casing temperature right after unscheduled turbine trip cause radial expansion in rotor by contraction in axial direction, while casing continues to contract by steam flowing into casing. Consequently, gap between rotor and casing decrease until to metal contact to cause high vibration. Through the case study of high vibration of turbine-generator system after generator retrofit, it was identified that generator replacement could cause high vibration in turbine-generator system if the influence of generator replacement on entire system was not considered properly. To prevent startup delay caused by high vibration, it is important to keep the gaps at the design standard and start the turbine after thermal equilibrium.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 국 · 내외 증기터빈의 고 진동 발생 사례, 증기터빈의 설계특성 및 성능개선사례를 통해 증기터빈의 기동조건과 성능개선이 터빈의 진동에 미치는 영향을 검토하였다.

제안 방법

제작사는 터빈 케이싱의 온도 조건에 따라 3가지 기동방식을 제안하고 있다. 고압터빈 내부 실린더 금속온도와 저압터빈 1단 다이아프램 온도 중에서 낮은 온도에 근거하여 온도가 40℃ 이하일 경우에는 저온 기동(Cold Start-up)방식으로서 터빈 속도 단계별 일정시간을 유지한 후 승속 하도록 하고, 온도가 110℃를 초과하였을 경우에는 고온기동(Hot Start-up)방식으로서 분당 180rpm으로 승속 하도록 하고 있으며, 온도가 40℃~110℃ 사이일 경우에는 중간기동(Warm Start-up)방식으로서 저온기동과 고온기동의 중간 단계를 취하도록 하고 있다.
증기터빈이 정지된 후 터빈의 기동조건에 따라 고온기동(터빈 케이싱의 온도가 높은 상태에서 정격속도까지 급속하게 증속하는 기동방식)으로 터빈을 1차 기동한 결과와 이후 열평형이 이루어진 후 저온기동방식으로 재기동한 결과는 Fig. 8과 같았다⁶⁾.
발전정지 후 정지 원인을 제거한 후 터빈을 재 기동하여 1800rpm까지 승속한 후 초기의 터빈 진동은 최대 18㎛로 오히려 발전정지 전 진동 값보다 낮은 값을 나타내었으나 점차 진폭이 증가하여 약 94분이 경과한 후에는 터빈의 진동이 최대 237㎛에 도달하여 경보치를 상회하여 터빈을 수동 정지하였다. 터빈을 안정 상태에서 기동하기로 결정한 후, 터빈의 회전체와 고정체가 열적 평형상태에 도달할 때까지 자연냉각한 후 재차 터빈을 기동하였다. 터빈속도를 1800rpm까지 다시 승속한 후 10분이 경과한 후 취득한 진동의 진폭은 최대 19㎛로 1차 기동시와 유사한 값을 나타내었고 이후 지속적으로 안정적인 값을 나타내어 100%까지 출력을 증가시켰다.

성능/효과

터빈의 온라인진동감시시스템으로 진동신호를 분석한 결과, 진동의 주 성분은 1X(회전속도와 동기성분의 진동)이고 무부하 터빈속도 1800rpm에서 시간이 경과함에 따라 진동이 급격하게 증가 하였으며 다른 주파수 성분의 변화는 크지 않았다. 1X성분은 주로 질량 불 평형, 축 정렬 오류 및 내부간섭에 의한 로터의 열적 휨(Thermal Bowing)등에 의해 나타날 수 있으나 터빈정지가 일어나기 전, 진동이 안정적으로 운전되었고 Fig. 5와 같이 승속시 1차 임계속도에서 진폭이 25㎛로 크지 않았으며 정격운전속도에서도 일정시간 동안 진동의 변화 없이 안정적으로 유지된 것으로 볼 때 질량 불 평형 또는 축 정렬 오류에 의해 발생된 진동은 아닌 것으로 판단하였다.
결론적으로 증기터빈의 재 기동 시 발생한 고진동의 직접적인 원인은 과도현상에 의한 열적 불 평형 및 이로 인한 내부접촉이었다. 내부접촉은 고온기동으로 인한 케이싱의 급격한 수축과 “Rotor Contraction” 현상에 의한 반경방향 팽창이 주요인으로 작용하였고 이와 함께 발전기 교체로 인한 축선 변화 및 이에 따른 베어링의 Shaft Centerline이 낮아진 것이 복합적으로 작용한 결과였다.
발전정지가 발생하기 전, 전 출력운전 상태에서 터빈의 진동은 최대 36㎛를 나타내었고 큰 변화 없이 안정적으로 운전되었다. 발전정지 후 정지 원인을 제거한 후 터빈을 재 기동하여 1800rpm까지 승속한 후 초기의 터빈 진동은 최대 18㎛로 오히려 발전정지 전 진동 값보다 낮은 값을 나타내었으나 점차 진폭이 증가하여 약 94분이 경과한 후에는 터빈의 진동이 최대 237㎛에 도달하여 경보치를 상회하여 터빈을 수동 정지하였다. 터빈을 안정 상태에서 기동하기로 결정한 후, 터빈의 회전체와 고정체가 열적 평형상태에 도달할 때까지 자연냉각한 후 재차 터빈을 기동하였다.
발전정지가 발생하기 전, 전 출력운전 상태에서 터빈의 진동은 최대 36㎛를 나타내었고 큰 변화 없이 안정적으로 운전되었다. 발전정지 후 정지 원인을 제거한 후 터빈을 재 기동하여 1800rpm까지 승속한 후 초기의 터빈 진동은 최대 18㎛로 오히려 발전정지 전 진동 값보다 낮은 값을 나타내었으나 점차 진폭이 증가하여 약 94분이 경과한 후에는 터빈의 진동이 최대 237㎛에 도달하여 경보치를 상회하여 터빈을 수동 정지하였다.
터빈을 안정 상태에서 기동하기로 결정한 후, 터빈의 회전체와 고정체가 열적 평형상태에 도달할 때까지 자연냉각한 후 재차 터빈을 기동하였다. 터빈속도를 1800rpm까지 다시 승속한 후 10분이 경과한 후 취득한 진동의 진폭은 최대 19㎛로 1차 기동시와 유사한 값을 나타내었고 이후 지속적으로 안정적인 값을 나타내어 100%까지 출력을 증가시켰다.
터빈의 온라인진동감시시스템으로 진동신호를 분석한 결과, 진동의 주 성분은 1X(회전속도와 동기성분의 진동)이고 무부하 터빈속도 1800rpm에서 시간이 경과함에 따라 진동이 급격하게 증가 하였으며 다른 주파수 성분의 변화는 크지 않았다. 1X성분은 주로 질량 불 평형, 축 정렬 오류 및 내부간섭에 의한 로터의 열적 휨(Thermal Bowing)등에 의해 나타날 수 있으나 터빈정지가 일어나기 전, 진동이 안정적으로 운전되었고 Fig.

후속연구

그러므로 향후 성능개선을 수행할 경우에는 축 라인 정렬 및 베어링하중이 허용한계 이내에 있는지, 로터 자중에 의한 교번굽힘응력이 허용한도 이내에 있는지, 비틀림 고유진동수들이 송전주파수 영역의 외부에 있는지 확인 평가해야 한다. 그리고 횡 방향 임계속도 평가, 설비 개선된 축 트레인의 횡 진동수준 평가 및 과도상태 전기적 교란에 의한 비틀림 축 스트레스 평가 등을 수행하여 전체 발전소의 신뢰성(reliability)에 영향을 주지 않도록 추진해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미국원자력발전협회에서 분석한 증기터빈 고장원인은 무엇인가?	미국원자력발전협회는 최근 4년간 미국 내 원자력발전소에서 발생한 증기터빈과 관련된 고장원인을 분석하였다. 고장원인은 주로 설계결함, 열화, 부적합한 절차서, 부적합한 정비기술, 부적합한 예방정비, 이물질 유입 그리고 부적합한 검사 등이나 Fig. 1과 같이 진동으로 인한 터빈 고장도 지속적으로 발생되고 있는 것으로 분석되었다. 진동으로 인한 문제는 주로 터빈-발전기의 성능개선 직후 또는 정비 후 터빈 재기동과 관련하여 발생하는 것으로 나타났다1).
	설비개선의 주요 목적은 무엇인가?	설비개선의 주요 목적은 효율(efficiency)과 출력(power output)의 개선이다. 하지만 설비 개선은 발전소의 신뢰성(reliability)과 이용율(availability)에 미치는 영향 없이 완성되어야 한다.
	터빈-발전기의 성능개선은 무엇을 개선하는 것인가?	터빈-발전기의 성능개선은 고압터빈, 저압터빈 또는 발전기를 대상으로 전체 또는 일부에 대한 설비를 개선하는 것이다. Fig.

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