초록 ▼

현재 국내 화력발전설비의 대부분이 20년을 초과하여 30년의 설계수명에 도달하여 장기운전에 따른 설비의 노후화가 진행됨으로써 성능저하는 물론 운전중 예기치 않은 대형사고를 초래할 수 있으므로 노후 발전설비를 폐기시까지 안전하고 효율적으로 사용하기 위해 기존의 수명평가 기술 보다 신뢰성과 현장적용이 용이한 수명평가 기술과 국내 최초로 보일러/터빈의 성능저하를 정량적으로 평가할 수 있는 성능평가 기술을 개발하였다.
표준시편이 아닌 Sampling에 의한 소형 시편을 이용하여 표준시편과 동일한 크리프 시험결과를 구하여 고온설비의 크

현재 국내 화력발전설비의 대부분이 20년을 초과하여 30년의 설계수명에 도달하여 장기운전에 따른 설비의 노후화가 진행됨으로써 성능저하는 물론 운전중 예기치 않은 대형사고를 초래할 수 있으므로 노후 발전설비를 폐기시까지 안전하고 효율적으로 사용하기 위해 기존의 수명평가 기술 보다 신뢰성과 현장적용이 용이한 수명평가 기술과 국내 최초로 보일러/터빈의 성능저하를 정량적으로 평가할 수 있는 성능평가 기술을 개발하였다.
표준시편이 아닌 Sampling에 의한 소형 시편을 이용하여 표준시편과 동일한 크리프 시험결과를 구하여 고온설비의 크리프 수명을 정확하게 예측할 수 있는 크리프 시험기법을 개발하였고, 보일러의 고온 이종용접 튜브의 손상을 평가할 수 있는 수명평가 프로그램을 개발하였으며, SH표면 초음파를 이용하여 터빈 로타 및 블레이드의 피로손상을 비파괴적으로 평가할 수 있는 수명평가 기술을 개발하였다.
또한 터빈의 성능손실 원인을 분석하여 정지중에 터빈의 증기유로 검사에 의해 터빈의 성능손실을 정량적으로 계산할 수 있는 프로그램을 개발하였고, 운전중인 보일러/터빈의 운전데이터를 취득하여 보일러/터빈의 실제 성능과 설계성능을 예측할 수 있는 기술을 개발하여, 실시간으로 운전중인 발전설비의 성능을 모니터링하고 진단할 수 있는 시스템을 개발하였다. 아울러 삼천포 #4 화력발전소에서의 현장 실증시험을 통해 개발된 보일러/터빈의 성능모니터링 시스템을 보완하고, 현장 적용성과 신뢰성을 증명하였다.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발 과제의 개요 ... 27
• 1. 연구개발의 목적 및 필요성 ... 27
• 2. 연구개발의 목표 ... 29
• 3. 연구개발의 내용 및 범위 ... 30
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 32
• 1. 외국의 경우 ... 32
• 1.1 연구사례의 조사 ... 32
• 2. 국내의 경우 ... 33
• 2-1. 국.내외 기술수준 비교 ... 34
• 2-2. 대학 및 연구기관 ... 34
• 2-3. 두산중공업 기술연구원 ... 35
• 3. 향후 기술발전 전망 ... 35
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과 ... 37
• 제 1 절 보일러 터빈 수명평가 기술개발 ... 37
• 1. 보일러 수명평가 기술개발 ... 37
• 1.1 보일러 손상기구 및 수명평가 절차 ... 37
• 1.1.1 보일러의 손상기구 ... 37
• 1.1.2 보일러의 단계별 수명평가 절차 ... 40
• 1.1.3 설비별 수명평가 절차 ... 45
• 1.1.4 재질 열화 수명 평가 기법 ... 50
• 1.1.5 스팀 터빈의 손상기구 ... 54
• 1.1.6 보일러/터빈 주요손상기구 및 평가방법 정립 ... 61
• 1.2 보일러 수명평가 요소기술 전산화 구축 ... 65
• 1.2.1. 개요 ... 65
• 1.2.2 이종용접부의 파괴형상 분류 ... 65
• 1.2.3 손상평가 프로그램 작성 및 적층범위 ... 66
• 1.2.4 스테인레스 강 용가재에 의한 용접 모듈 ... 68
• 1.2.5 니켈 베이스 용가재에 의한 용접부 ... 70
• 1.2.6 프로그램 사용 ... 71
• 1.3 소형 크리프 시험기법 및 재질 크리프 특성 ... 74
• 1.3.1 개요 ... 74
• 1.3.2 적용개념 ... 74
• 1.3.3 시험기의 구성 ... 76
• 1.3.4 시험방법 ... 77
• 1.3.5 크리프실험의 검증 ... 83
• 1.4 결론 ... 91
• 2. 터빈 수명평가 기술개발 ... 92
• 2.1 SH 초음파를 이용한 피로손상 평가기술 개발 ... 92
• 2,1.1 개요 ... 92
• 2.1.2 SH Wave 전파 이론 ... 93
• 2.1.3 SH Wave 피로손상 평가를 위한 재질 시험 ... 101
• 2.1.4 SH Wave 측정 및 신호 분석 기술 ... 108
• 2.1.5 피로손상도 평가 결과 ... 120
• 2.1.6. 결론 ... 132
• 제 2 절 보일러 성능평가 기술개발 ... 135
• 1. 보일러 성능평가 기술개발 ... 135
• 1.1 서론 ... 135
• 1.2 보일러 효율계산 ... 137
• 1.2.1 연료분석 ... 137
• 1.2.2 열손실법에 의한 효율계산 ... 141
• 1.2.3 효율보정 (PTC) ... 148
• 1.2.4 보일러 열손실 ... 150
• 1.2.4.1. 건배기가스에 의한 열손실 ... 150
• 1.2.4.2. 연료중의 수소연소에 의해 생성된 수분에 의한 열손실 ... 159
• 1.2.4.3. 미연탄소에 의한 열손실 ... 164
• 1.2.4.4 연료중의 수분에 의한 열손실 ... 166
• 1.2.4.5 공기중의 수분에 의한 열손실 ... 167
• 1.2.4.6. CO 생성에 의한 열손실 ... 172
• 1.2.4.7 복사 및 대류 열손실 ... 173
• 1.2.4.8 분무용 중기손실 ... 175
• 1.2.4.9 Unmeasured Loss, $L_{UM}$: 미측정손실 ... 176
• 1.2.5 부가입열 계산방법 ... 178
• 1.2.6 보일러 성능계산 문제점에 대한 결정 사항 ... 181
• 1.2.7 특기 사항 ... 184
• 1.3 공기예열기 성능계산 ... 186
• 1.3.1 가스측 온도효율(Gas side efficiency) ... 187
• 1.3.2 공기누설율(Air Leakage, $\%$) ... 188
• 1.3.3 X-ratio, $X_R$ ... 192
• 1.3.4 열회수율 ... 193
• 1.3.5 열관류율, K ... 195
• 1.3.6 가스온도 보정 ... 195
• 1.4 급수가열기 성능계산 ... 197
• 1.4.1 성능계산 ... 198
• 1.5 복수기 성능계산 ... 210
• 1.5.1 복수기 성능항목 ... 210
• 1.5.2 복수기 성능계산 ... 215
• 2. 보일러 성능진단 ... 225
• 2.1 서론 ... 225
• 2.2 보일러의 효율 저하요인 분석 ... 225
• 2.3 성능 영향 인자 및 제어 가능 인자 ... 228
• 2.4 열손실 항목별 성능변화 원인 ... 228
• 3. 결론 ... 231
• 제 3 절 터빈 성능평가 기술개발 ... 233
• 1. 정지 중 중기터빈 성능평가 기술개발 ... 233
• 1.1 개요 ... 233
• 1.2 중기유로 손실로 인한 성능저하 평가 이론 ... 235
• 1.2.1 중기누설로 인한 성능저하의 계산 ... 235
• 1.2.2 TiP Spill Strips Leakage ... 236
• 1.2.3 Interstage Packing Leakages ... 238
• 1.2.4 Shaft End Packing Leakages ... 241
• 1.2.5 Root Spill Strips Leakage ... 246
• 1.2.6 Miscellaneous Leakage ... 246
• 1.2.7 Solid Particle Erosion으로 인한 성능저하의 계산 ... 246
• 1.2.8 증가된 Throat Area의 측정 및 계산 ... 249
• 1.2.9 SPE에 의한 면적증가에 따른 Stage Efficiency의 변화 ... 252
• 1.2.10 Deposits 및 Surface Roughness로 인한 성능저하의 계산 ... 253
• 1.2.11 Miscellaneous Loss로 인한 성능저하 ... 259
• 1.2.12 경제성 평가 ... 260
• 1.3 증기터빈 성능평가 프로그램 개발 ... 262
• 1.3.1 프로그램의 전체 구성 ... 262
• 1.3.2 Leakage Loss 계산 프로그램 ... 263
• 1.3.3 Flow Path Damage Loss 계산 프로그램 ... 278
• 1.3.4 Miscellaneous Loss 계산프로그램 ... 297
• 1.3.5 결론 ... 302
• 2. 운전 중 중기터빈 성능평가 기술개발 ... 303
• 2.1 연구의 목적 및 필요성 ... 303
• 2.1.1 연구의 목적 ... 303
• 2.1.2 연구의 필요성 ... 303
• 2.2 터빈 사이클의 운전성능 계산기술 개발 ... 305
• 2.2.1 개요 ... 305
• 2.2,2 터빈 주중기 유량 계산 ... 305
• 2.2.3 Final Feedwater의 유량 측정에 의한 주중기 유량 계산 ... 306
• 2.2.4 HP-IP 터빈 누설 유량 계산 ... 307
• 2.2.5 Hot Reheat Steam 유량 계산 ... 312
• 2.2.6 Feedwater Heater의 TTD-DCA 계산 및 추기 유량 졔산 ... 312
• 2.2.7 터빈 효율 계산 ... 317
• 2.2.8 터빈 열소비율(Heat Rate) 계산 ... 318
• 2.3 터빈 사이클의 설계 열평형 계산 프로그램 개발 ... 320
• 2.3.1 개요 ... 320
• 2.3.2 설계성능 계산방법의 기본이론 ... 320
• 2.3.3 설계조건에서의 터빈 사이클 열평형 계산절차 ... 323
• 2.3.4 터빈 사이클의 설계 열평형 계산 프로그램 ... 353
• 3. 결론 ... 363
• 제 4 절 보일러 성능모니터링 시제품 제작 ... 364
• 1. 성능모니터링 시스템 개요 ... 364
• 2. 하드웨어의 구성 ... 365
• 2.1 PMS Server ... 365
• 2.2 PMS Client ... 365
• 2.3 소프트웨어의 구성 ... 366
• 3. 성능모니터링 시스템의 구성 ... 367
• 3.1 개요 ... 367
• 3.2 선진업체 기술개발 동향 분석 ... 367
• 3.3 서버/클라이언트 모델 ... 369
• 3.4 인터페이스 ... 371
• 3.4.1 기본 시스템 ... 371
• 3.4.2 Tag DB의 작성 ... 374
• 3.4.3 I/O 드라이버 ... 375
• 3.4.4 PMS GLOBAL 드라이버 ... 375
• 3.4.5 인터페이스 TOOL 개발 ... 376
• 3.4.6 시스템의 기능 ... 383
• 4. 성능모니터링 시스템 시제품 제작 ... 384
• 4.1 성능모니터링 수행절차 및 대상설비 ... 386
• 4.2 보일러 성능계산 입력데이터 작성 ... 386
• 4.3 보일러 성능계산 프로그램 모듈 작성 ... 390
• 4.4 공기예열기 성능계산 입력데이터 작성 ... 398
• 4.5 터빈 성능 모니터링 시스템 ... 401
• 4.6 실시간 모니터링시스템 제작시 유의사항 ... 428
• 5. 결론 ... 428
• 제 5 절 현장 실증시험 및 상용화 기술개발 ... 429
• 1. 실증시험 개요 ... 429
• 1.1 대상발전소 선정 ... 430
• 2. 인터페이스 TOOL 개발 및 현장적용 ... 431
• 2.1 통신모듈의 전체 구성 ... 431
• 2.2 운전데이터 취득 ... 432
• 2.3 데이터 인터페이스 프로그램 ... 432
• 2.4 통신 프로그램 ... 435
• 2.5 인터페이스 개선안 ... 435
• 3. 보일러 성능 모니터링 시스템의 실증시험 ... 439
• 3.1 삼천포화력 발전소의 설비개요 ... 439
• 3.2 삼천포화력 성능 보증항목 ... 439
• 3.3 성능프로그램 수정 보완 ... 440
• 3.4 삼천포 성능모니터링 실증시험 시 고려사항 ... 443
• 3.5 현장 실증시험 중 프로그램 활용성 및 기능 업-그레이드 방안 ... 444
• 4. 터빈 성능 모니터링 시스템의 실증시험 ... 445
• 4.1 삼천포 #4 중기터빈 사이클의 설계사양 ... 445
• 4.2 터빈 성능 모니터링의 실증시험 결과 ... 446
• 5. 결론 ... 450
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 451
• 제 5 장 연구개발의 활용계획 ... 453
• 제 6 장 참고 문헌 ... 454