[논문]발전용 증기터빈 열성능 진단에 관한 연구

김광홍; 홍은기; 황광원; 장철호; 김시문

발전용 증기터빈 열성능 진단에 관한 연구
A Study on the Diagnosis of Thermal Performance in the Steam Turbine for Generation 원문보기

김광홍 (한전 전력연구원 수화력발전연구소) , 홍은기 (한전 전력연구원) , 황광원 (한전 전력연구원) , 장철호 (한전 전력연구원) , 김시문 (한전 전력연구원)

This paper describes the results of steam turbine performance tests. The objectives of performance test is to exactly evaluate the degradation(decrease in performance) of the coal-fired steam turbine generator in order to provide plant information to help performance engineers identify problems, improve performance, and make economic decisions about scheduling maintenance and optimizing operation. To achieve these goals, the periodic thermal performance tests have been carried out since the initial operation period, 1997. We made the calculation program and guidelines for the tests and developed the performance index of the turbine cycle on the basis of the ASME PTC. By comparing the performance changes throughout the whole operation period, we confirmed the performance reliabilities of the turbine and its conditions.

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문제 정의

발전설비 열성능시험(Thermal Performance Test)의 궁극적 목적은 해당 설비의 운전에 따른 열화(degradation) 정도를 파악하고, 이를 토대로 유지보수 계획을 수립하여, 발전소 운영 최적화을 위한 경제적 의사결정을 하는데 도움을 주는 것이다. 본 논문은 터빈설비 인수 이후 지난 10년 간의 성능 진단 결과를 요약한 것이다. 연구 대상 설비는 텐덤 복합 응축 과열기(Tandem Compound Type Condensing Reheater)형으로 설계 된 500MW급 석탄화력 증기 터빈 사이클을 대상으로 하였다.

제안 방법

성능시험시 각 개소별로 측정된 자료는 검증작업(validation)을 통해 계산에 필요한 대표값을 구하고, 측정기구 특성에 따른 보정을 실시하였다. 터빈 사이클의 성능지표인 열소비율은 터빈 사이클 시험 범위(Test Boundary)에서 실제 전기 출력생산에 사용된 열소비량(공급열-반환열)을 이용하여 식 (1) 열소비율(kcal/kWh) 로 표시된다.
시험 방법은 ASME PTC를 근간으로 실시되었으며, 시험결과의 계산은 자체 제작된 프로그램에 의해 수행되었다. 시험별 성능 테스트 횟수(TestRun)는 시험조건 만족여부 확인을 위한 예비시험을 먼저 실시하고, 100% 부하에서 본시험 2회 및 참고시험으로서 75% 부하시험 등 총 4회의 시험을 실시하고 터빈 사이클 열성능을 측정하였다.
시험별 성능 테스트 횟수(TestRun)는 시험조건 만족여부 확인을 위한 예비시험을 먼저 실시하고, 100% 부하에서 본시험 2회 및 참고시험으로서 75% 부하시험 등 총 4회의 시험을 실시하고 터빈 사이클 열성능을 측정하였다.
여기서 각 유량, 출력 및 엔탈피는 측정치 또는 계산치이며, 이를 통해 계산된 열소비율에 Group1 및 Group2 보정을 행하여 최종 보정 열소비율을 산정하였다.
실험 데이타를 얻기 위해 성능시험용 계측기 K-type 열전대 온도계 76개, 압력 전송기 40개를 열성능 계산에 필요한 개소에 설치하였다. 정확하고 효율적인 실험 자료 수집(Data gathering)을 위해 Fig 2와 같은 데이터 취득 장치 KEPRI-DAS(Data Acquisition System) 을 구축하였다.
연구 대상 설비는 텐덤 복합 응축 과열기(Tandem Compound Type Condensing Reheater)형으로 설계 된 500MW급 석탄화력 증기 터빈 사이클을 대상으로 하였다. 해당 터빈 설비의 열화 정도를 확인하기 위해 1997년 설비 인수이후 최근까지 총 4 회의 정밀(Full Scale Performance Test) 성능 시험을 수행하였다.

대상 데이터

시험방법은 3가지 종류 중 ASME PTC 6에서 권고하는 정밀시험(Full Scale Test Method)을 채택하였다. 실험 데이타를 얻기 위해 성능시험용 계측기 K-type 열전대 온도계 76개, 압력 전송기 40개를 열성능 계산에 필요한 개소에 설치하였다. 정확하고 효율적인 실험 자료 수집(Data gathering)을 위해 Fig 2와 같은 데이터 취득 장치 KEPRI-DAS(Data Acquisition System) 을 구축하였다.
본 논문은 터빈설비 인수 이후 지난 10년 간의 성능 진단 결과를 요약한 것이다. 연구 대상 설비는 텐덤 복합 응축 과열기(Tandem Compound Type Condensing Reheater)형으로 설계 된 500MW급 석탄화력 증기 터빈 사이클을 대상으로 하였다. 해당 터빈 설비의 열화 정도를 확인하기 위해 1997년 설비 인수이후 최근까지 총 4 회의 정밀(Full Scale Performance Test) 성능 시험을 수행하였다.

이론/모형

그러나, 이 과정 중에서 #6 Heater Drain Flow를 산정하기 위해서는 MFW를 구해야 하므로 최종급수유량의 산정을 위해서 반복계산법(Iteration)을 이용하였다.
ASME PTC 6 Series에 의하면 터빈 열소비율(Heat Rate) 산정을 위한 시험방법은 3가지(Full Scale Method, Alternative Method, Simplified Method)가 있다. 시험방법은 3가지 종류 중 ASME PTC 6에서 권고하는 정밀시험(Full Scale Test Method)을 채택하였다. 실험 데이타를 얻기 위해 성능시험용 계측기 K-type 열전대 온도계 76개, 압력 전송기 40개를 열성능 계산에 필요한 개소에 설치하였다.
탈기기 입구에 설치되어 있는 유량측정장치(교축기구; Flow Nozzle)를 이용하여 터빈 사이클 열수지 및 물질수지 정산을 위한 기준유량으로 사용하였다. 이 차압 발생기구에서 발생되는 차압은 정밀급 차압계에 의해 30초 간격으로 측정값을 취득하였고, 2시간 측정치의 평균값을 발생 차압에 의한 유량산출 공식(ASME MFC-3M-1989)에 적용하여 계산하였으며, 그 기본 식은 다음의 식(2)와 같다.

성능/효과

'05년 시험 결과 45.74%는 인수치 대비 0.27 %P 낮지만, ‘04년 시험치보다 0.31 %P 향상되어 예방정비효과가 크며, 특히 고압터빈 내부효율 향상 및 N2 Packing 누설률이 감소되었음을 확인할 수 있었다.
1차 및 2차 시험 결과가 측정치는 각각 46.08% 와 46.09 %, 보정치는 각각 45.73 %와 45.74 %로 계산되었다.
Fig 6에서 보는바와 같이 1, 2차 시험결과 차이가 각 0.01 % 로서 ASME PTC 6의 시험 불확도 0.26 % 보다 낮은 수준으로 나타나, 시험의 재현성이 높고 유효성이 충분히 확보되었다고 평가된다.
터빈 사이클에 대한 성능시험 결과, 설비 인수 이후 ‘04년 정비 전 시점까지 지속적으로 감소되 던 열효율이 ‘05년 예방정비작업을 통해 열성능 효율이 대폭 개선되었음을 확인하였으며, 또한 설비의 효율적 운전이 가능함을 예측할 수 있었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

터빈입구 주증기 유량은 무엇에 의하여 산정하는가?

터빈 사이클 물질수지와 열수지 정산에 의하여 터빈입구 주증기 유량을 산정한다. 최종 급수유량이 확정되면 보일러 증발량인 주증기 유량은 식 (5)로 구해진다.

발전설비 열성능시험의 궁극적 목적은 무엇인가?

발전설비 열성능시험(Thermal Performance Test)의 궁극적 목적은 해당 설비의 운전에 따른 열화(degradation) 정도를 파악하고, 이를 토대로 유지보수 계획을 수립하여, 발전소 운영 최적화을 위한 경제적 의사결정을 하는데 도움을 주는 것이다. 본 논문은 터빈설비 인수 이후 지난 10년 간의 성능 진단 결과를 요약한 것이다.

터빈사이클 열성능을 측정한 결과는 어떻게 나타나는가?

① ‘05년 터빈효율 측정치는 46.09 %로서 인수치 46.11 %와 같은 수준이며 ‘04년 정비전 시험치 45.62 % 대비로는 0.47%P 높고, 설계치 46.04 % 대비로도 같은 수준이다. 이와 같이 양호한 수준을 유지하고 있는 것은 N2 Packing 교체 등 예방정비 효과가 컸었기 때문이다. ② 또한 보정치에 있어서도 ‘05년 45.74 % 로서 인수치 46.01 % 대비0.27 %P 낮은 수준이긴 하지만 ‘04년 정비전 시험치 45.43 % 대비 0.31 %P 향상되었으며 설계치 46.04 % 대비로는 0.30 %P 낮은 수준이다.

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