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화력발전소 주증기배관에서 밸브 차단에 따른 수증기 충격 특성에 관한 연구
A Study on the Steam Hammering Characteristics by Sudden Closure of Main Stop Valve in the Main Steam Piping System of a Power Plant 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.2, 2013년, pp.70 - 77  

하지수 (계명대학교 환경과학과) ,  이부윤 (계명대학교 기계자동차공학과)

초록
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본 연구는 화력발전소 최종과열기에서 고압터빈 사이 배관과 고압터빈을 지난 곳에 있는 체크밸브와 1차 재열기 사이 배관을 포함한 수증기 배관시스템에서 터빈의 급작스런 사고로 인해 터빈으로 들어가는 수증기를 차단할 때 발생하는 수증기 충격이 배관시스템에 미치는 영향을 분석하는 연구이다. 이를 위해서 수격현상 해석에 많이 사용하는 Flowmaster 소프트웨어로 배관시스템을 모델링하고 시간 변화에 따라 배관 내부의 압력, 질량유량률의 특성을 파악하였다. 이러한 특성으로부터 수증기 충격이 주로 영향을 미치는 곡관에서 수증기 충격에 의한 힘을 도출하였다. 본 연구를 통해서 수증기 충격은 주증기 차단 밸브 직전의 곡관과 체크밸브 이후에 바이패스 배관과 연결되는 곡관에서 수증기 충격에 의한 힘이 가장 크게 나타남을 밝혀냈다. 본 연구에서는 이렇게 도출한 힘의 기본 자료를 이용하여 차후 연구에서 화력발전소 수증기 배관시스템의 수증기 충격 시 곡관과 지지대의 안전성을 진단하는 토대를 구축하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The present study has been carried out to analyze the effect of steam hammering on the steam piping system including the final superheater, the high pressure turbine, check valve and the first reheater by sudden stoping of main stop valve in a power plant. For the present steam hammering analysis, t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 화력발전소 주증기와 재열기 배관, 주증기 밸브, 바이패스밸브, 체크밸브등 여러 가지 밸브 그리고 스팀 터빈이 있는 화력발전 증기시스템에서 급작스런 운전 정지 시에 각 배관과 밸브에서의 압력 변동과 질량유량률 변화 특성을 살펴보았다. 이를 토대로 각 부분에서 압력변동과 질량유량률 변화에 따른 곡관에 미치는 힘을 도출하여 주증기와 재열기 배관에서의 안전성을 진단하는 기초 자료를 도출하였고 이를 이용하여 향후 연구에서 수증기 배관시스템의 구조적 안전성 진단의 토대를 마련하는 것을 목적으로 하여 연구를 수행하였다.
  • 위와 같이 평가하기 위해서 우선, Fig. 2에 나타낸 각 곡관에서 시간에 따른 압력과 유량 변화 특성을 살펴보기로 한다. 최종 과열기에서 고압터빈까지의 곡관은 11개이고 체크밸브에서 1차 재열기까지의 곡관은 12개로 구성되어 있으며 Fig.
  • 이렇게 모델링된 것을 이용하여 본 연구에서의 화력발전소 보일러와 수증기 배관시스템에서 급작스런 운전 정지에 따른 수증기 충격에 대한 해석을 통해 배관시스템 내의 시간에 따른 압력, 질량유량률 변화를 관찰하고 이에 따라 발생하는 곡관에서 미치는 힘을 계산하여 배관시스템에서 배관과 이를 지지하는 지지대의 안전성을 진단할 수 있는 자료를 마련하기로 한다. 본 연구의 해석 검증을 위해 배관과 MSV를 포함한 간단한 배관시스템에서 물리적으로 타당한지의 여부를 사전 계산을 통해 정성적으로 검증하였다.
  • 본 연구에서는 화력발전소 주증기와 재열기 배관, 주증기 밸브, 바이패스밸브, 체크밸브등 여러 가지 밸브 그리고 스팀 터빈이 있는 화력발전 증기시스템에서 급작스런 운전 정지 시에 각 배관과 밸브에서의 압력 변동과 질량유량률 변화 특성을 살펴보았다. 이를 토대로 각 부분에서 압력변동과 질량유량률 변화에 따른 곡관에 미치는 힘을 도출하여 주증기와 재열기 배관에서의 안전성을 진단하는 기초 자료를 도출하였고 이를 이용하여 향후 연구에서 수증기 배관시스템의 구조적 안전성 진단의 토대를 마련하는 것을 목적으로 하여 연구를 수행하였다.
  • 지금까지 화력발전소에서 급작스런 운전 정지에 따른 수증기 충격 현상을 압력과 질량유량률 변화 특성을 분석하면서 관찰하였다. 이번에는 이러한 압력, 질량유량률의 결과로부터 곡관이 받는 힘을 산출하고 이로부터 배관시스템의 지지대의 안전성을 검정하는 기본 자료를 도출하기로 한다.

가설 설정

  • 모델링에 필요한 배관의 직경, 압력, 온도 등을 시작점의 보일러와 터빈에 입력 값으로 설정한다. 본 연구에서는 배관의 탄성 효과는 고려하지 않았으며 수증기의 압력변동에 따른 유동만 고려하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수격현상을 해석하기 위해서 무엇이 수행되어야 하는가? 수격현상을 해석하기 위해서는 비정상상태 압력파 거동에 대한 해석을 수행하여야 한다. 복잡한 배관과 밸브시스템에서는 널리 이용하고 있는 해석툴인 Flowmaster 소프트웨어를 이용하거나 ANSYS CFX를 이용하여 비정상상태 유동해석을 통해 규명하 기도 한다.
취수지에서부터 처리지까지 몇 백 km에 이르는 곳에 상수도 물을 정수 처리하기 위해 펌프를 이용 하여 송수하는 경우 발생하는 문제점은? 취수지에서부터 처리지 까지 몇 백 km에 이르는 곳에 상수도 물을 정수 처리하기 위해 펌프를 이용 하여 송수하게 된다. 이렇게 할 경우에 급작스런 사고가 발생하여 펌프 가동을 순간적으로 중단하게 되면 배관내의 상수 물의 이동이 한 곳에서 막히게 되어 압력파가 발생하게 되는데 이러한 압력파에 의해 수격현상(water hammering)이 발생한다. 수격현상이 발생하면 배관이나 펌프에 손상을 입혀 이를 견디지 못할 경우는 배관이나 펌프의 파손을 불러와서 막대한 손실을 입히게 된다.
수격현상이 발생하면 어떠한 문제가 발생하는가? 이렇게 할 경우에 급작스런 사고가 발생하여 펌프 가동을 순간적으로 중단하게 되면 배관내의 상수 물의 이동이 한 곳에서 막히게 되어 압력파가 발생하게 되는데 이러한 압력파에 의해 수격현상(water hammering)이 발생한다. 수격현상이 발생하면 배관이나 펌프에 손상을 입혀 이를 견디지 못할 경우는 배관이나 펌프의 파손을 불러와서 막대한 손실을 입히게 된다. 이러한 것과 마찬가지로 화력발전소 보일러의 과열기와 재열기에서도 터빈으로 가는 과열증기가 긴급 상황에서 밸브에 의해 차단되게 되면 수격현상과 유사하게 과열기와 재열 기에서 터빈으로 가는 배관에서 수증기 충격(steam hammering)이 발생하게 된다.
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참고문헌 (6)

  1. Wylie, E. B. Streeter, V. L., Suo, L., Fluid Transients in Systems. Prentice-Hall Inc., New Jersey, (1993) 

  2. Martin, C. S., "Experimental Investigation of Column Separation with Rapid Closure of Downstrewam Valve", Proc. 4th Int. Conf. on Pressure Surges, 77-88, (1983) 

  3. Kim, K.Y., "Waterhammer in the Transmission Pipeline with an Air Chamber", Transactions of the KSME B, Vol. 26, No. 7, 177-183, (2002) 

  4. William, J. C., "Steam Hammer: causes and cures", Heating/Piping/Air Conditioning, 214-217, (1986) 

  5. Kim, N. S., Lee, S. K., Seul, K. W., Choi, Y. J., "Preliminary Analysis of Simulation Codes for Water hammer in pipeline of Nuclear Power Plant", Spring Conf. of Korea Society for Computational Fluids Engineering, 335-339, (2012) 

  6. Jo, J. H., Lee, Y. S., Kim, Y. W., Jin, H. L., "Structural Integrity Evaluation of large Main Piping by Water Hammering", Transactions of the KSME A, Vol. 36, No. 9, 1103-1108, (2012) 

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