KR101912014B1 - 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템에 관한 것으로, 고압터빈부에 배치되는 제1 패킹유닛 또는 제2 패킹유닛과 연결되고, 제1 패킹유닛 또는 제2 패킹유닛에서 누설되는 누설증기가 흐르도록 제공되는 고압누설라인과 저압터빈부와 연결된 응축기에서 보일러로 동력증기가 흐르도록 제공되는 동력증기라인과 상기 고압누설라인과 연결되며, 상기 동력증기라인과 열교환토록 제공되는 누설증기 열교환부 및 상기 누설증기 열교환부와 연결되며, 열교환되며 냉각된 누설증기를 중압터빈부로 공급하여 냉각토록 제공되는 냉각증기 공급라인을 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 누설증기를 활용하여 중압터빈을 냉각시킴은 물론 동력증기 또는 밀봉증기를 가열하여 터빈의 열효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템{HEAT EXCHANGE SYSTEM BY USING LEAKAGE STEAM FOR TURBINE}

본 발명은 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 누설증기를 활용하여 중압터빈을 냉각시킴은 물론 동력증기 또는 밀봉증기를 가열하여 터빈의 열효율을 향상시킨 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 증기터빈의 한 종류는 고압터빈, 중압터빈, 저압터빈, 응축기, 보일러 등을 포함하여 구성될 수 있다.

증기터빈의 동력 생산에 사용되는 작동유체는 먼저 고압터빈을 거쳐 중압터빈으로 유입된 후 저압터빈을 통해 응축기로 흐르는 동안 터빈을 작동시켜 동력을 생산하게 된다. 이때 고압터빈에서 배출되는 작동유체는 보일러에서 응축기를 거쳐 고압터빈으로 유입되는 작동유체와 열교환되도록 구성되기도 한다.

이때 증기터빈에서는 작동유체의 누설을 방지하기 위해 고압터빈, 중압터빈, 저압터빈을 연결하는 로터샤프트와 케이싱 사이에 각종 패킹이 이뤄지게 된다.

하지만, 로터샤프트 회전체와 케이싱 고정체는 어느 정도 간격이 이격되어 있어야만 회전이 원활히 가능하고 또한 작동유체의 누설을 최소화할 수 있어야 하므로, 라비린스 실(labyrinth seal)과 같은 패킹은 최대한 회전체에 근접하도록 케이싱 내주면에 배치되어야 한다.

따라서 어느 정도는 회전체와 패킹 간격을 통한 누설증기의 발생은 감안해야만 한다. 물론 이러한 누설증기는 비단 로터샤프트 회전체와 패킹 사이의 불가피한 간격뿐만 아니라, 패킹의 노후화, 터빈운용 중 손상 등에 의해서도 발생될 수 있다.

증기터빈 기술분야에서는 종래부터 이러한 누설증기를 활용할 수 있는 시스템을 꾸준히 연구되어 왔다.

한편, 도 1에서는 종래 고압터빈(2)에서 동력증기를 일부 추출라인(5)를 통해 추출하여 중압터빈(3)의 냉각용 증기로 사용하는 시스템이 도시된다. 일반적으로 고압터빈(2)의 증기온도는 중압터빈(3)의 증기온도보다 낮으므로, 중압터빈(3)의 냉각용도로 사용될 수 있다. 여기서 고압터빈(2)과 중압터빈(3)은 하나의 로터샤프트(4)로 연결될 수 있다.

그런데 종래 방식은 동력증기를 추출하여 냉각용도로 사용하는 것이므로, 이는 불가피하게 터빈의 동력손실을 야기한다.

따라서 동력용 증기를 사용하지 않고, 별도의 폐증기를 사용하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 시스템이 요구된다.

미국특허 등록번호: US 9003799 B2

본 발명은 상기와 같이 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 누설증기를 활용하여 중압터빈을 냉각시킴은 물론 동력증기 또는 밀봉증기를 가열하여 터빈의 열효율을 향상시킨 시스템을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템에 관한 것으로, 고압터빈부에 배치되는 제1 패킹유닛 또는 제2 패킹유닛과 연결되고, 제1 패킹유닛 또는 제2 패킹유닛에서 누설되는 누설증기가 흐르도록 제공되는 고압누설라인과 저압터빈부와 연결된 응축기에서 보일러로 동력증기가 흐르도록 제공되는 동력증기라인과 상기 고압누설라인과 연결되며, 상기 동력증기라인과 열교환토록 제공되는 누설증기 열교환부 및 상기 누설증기 열교환부와 연결되며, 열교환되며 냉각된 누설증기를 중압터빈부로 공급하여 냉각토록 제공되는 냉각증기 공급라인을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 고압누설라인과 연결되고, 상기 고압누설라인에서 흐르는 누설증기가 취합되며 밀봉증기로 전환되고, 기 설정된 압력으로 밀봉증기의 압력이 유지되도록 제공되는 단일 밀봉증기헤더부 및 상기 밀봉증기헤더와 연결되고, 취합된 밀봉증기를 저압터빈부에 배치되는 제2 패킹부로 공급하는 증기공급라인을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 누설증기 열교환부는, 상기 증기공급라인과 열교환되도록 연계되도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 고압누설라인과 연결되고, 상기 고압누설라인에서 흐르는 누설증기가 취합되며 밀봉증기로 전환되고, 기 설정된 단계적 압력으로 밀봉증기의 압력이 다중으로 유지되도록 제공되는 다중 밀봉증기헤더부 및 상기 다중 밀봉증기헤더부와 연결되고, 취합된 밀봉증기를 저압터빈부에 배치되는 제2 패킹부로 공급하는 증기공급라인을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 누설증기 열교환부는 상기 증기공급라인과 열교환되도록 연계되도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 다중 밀봉증기헤더부는, 상기 고압터빈부 또는 상기 중압터빈부의 증기압력보다 낮은 증기압력으로 형성되는 제1 밀봉증기헤더 및 상기 저압터빈부의 증기압력보다는 높은 증기압력으로 형성되는 제2 밀봉증기헤더를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1 밀봉증기헤더의 기 설정된 증기압력은 상기 제2 밀봉증기헤더의 기 설정된 증기압력보다 높도록 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 고압누설라인은 상기 제1 패킹유닛과 상기 제1 밀봉증기헤더를 연결하는 제1 고압라인 및 상기 제2 패킹유닛과 상기 제1 밀봉증기헤더를 연결하는 제2 고압라인을 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 누설증기를 동력증기 또는 밀봉증기와 열교환시켜 냉각시킨 후 중압터빈으로 공급하여 중압터빈의 냉각유체로 활용함으로써, 기존에 고압터빈에서 동력증기를 추출하여 중압터빈의 냉각유체로 사용함에 비해, 동력손실을 방지할 수 있다.

또한 열교환을 통해 동력증기는 응축기에서 보일러로 진입 전에 사전 가열되어 열효율을 높일 수 있다. 물론 열교환을 통해 누설증기가 밀봉증기헤더를 거친 후에 밀봉증기로 전환된 뒤에 가열되므로, 저압터빈에 공급하는 밀봉증기를 별도로 가열할 필요가 없어, 역시 에너지효율이 상승하게 된다.

도 1은 종래 고압터빈에서 추출한 동력증기를 중압터빈의 냉각용 증기로 사용하는 방식이 도시된 도면.
도 2는 본 발명인 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템의 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 3는 본 발명인 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템의 제2 실시예를 나타낸 도면.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.

(이하 사용되는 압력은 '절대압력(absolute pressure)'를 기준으로 하며, 기준 압력단위는 bar 단위이고, 절대압력을 기준으로 산정되므로 bara(kgf/cm².abs)로 표시하도록 함)

[제1 실시예]

도 2를 참고하면, 본 발명인 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템(10)의 제1 실시예는 기본적으로 증기터빈에 적용되는 시스템일 수 있으나, 반드시 이에 한정될 것은 아니다.

본 발명에 대한 설명에 앞서, 증기터빈에서 동력을 발생시키는 작동유체의 기본 순환경로를 살펴보면, 먼저 고압터빈부(20)의 입구단(20a)으로 작동유체가 공급되고, 고압터빈부(20)를 작동시킨 후에 작동유체는 고압터빈부(20)의 출구단(20b)을 통해 보일러(또는 재열기) 방향으로 흐른다.

보일러(60)에서는 고압터빈부(20)의 출구단(20a)에서 보일러(60) 방향으로 흐른 작동유체 및 응축기(50)를 거치고 보일러(60) 방향으로 흐른 작동유체가 함께 가열된다.

중압터빈부(30)의 입구단(30a)으로 유입된 작동유체는 중압터빈부(30)를 작동시킨 후에 중압터빈부(30)의 출구단(30b)을 통해 저압터빈부(40)로 흐르게 된다. 이후 저압터빈부(40)를 작동시킨 후 응축기(50)로 유입된 후 다시 보일러(60)를 거쳐 가열된 후 고압터빈부(20)의 입구단(20a)으로 유입되는 순환사이클을 가진다. 이때 작동유체는 응축된 상태에서는 액체상태일 수 있으며, 가열된 상태는 기체상태일 수 있다. 본 발명은 여기서 고압터빈부(20)와 중압터빈부(30) 및 저압터빈부(40)간의 누설증기를 밀봉증기로 재사용하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 제1 실시예에서는 증기누설라인(80), 단일 밀봉증기헤더부(200), 증기공급라인(90), 누설증기 열교환부(310) 및 냉각증기 공급라인(320)을 포함하여 구성될 수 있다.

우선 상기 증기누설라인(80)은 고압터빈 또는 중압터빈에 배치되는 제1 패킹부(71)와 연결되고, 제1 패킹부(71)에서 누설되는 누설증기가 흐르도록 제공될 수 있다.

그리고 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)는 상기 증기누설라인(80)과 연결되고, 상기 증기누설라인(80)에서 흐르는 누설증기가 취합되며 밀봉증기로 전환되고, 기 설정된 압력으로 밀봉증기의 압력이 유지되도록 제공될 수 있다.

다음 상기 증기공급라인(90)은 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)와 연결되고, 취합된 밀봉증기를 저압터빈부(40)에 배치되는 제2 패킹부(75)로 공급되도록 제공될 수 있다.

여기서 상기 제1 패킹부(71)는 상기 고압터빈부(20)의 일측에 배치되는 제1 패킹유닛(72) 및 상기 고압터빈부(20)의 타측과 상기 중압터빈부(30)의 일측 사이에 배치되는 제2 패킹유닛(73) 및 상기 중압터빈부(30)의 타측에 배치되는 제3 패킹유닛(74)을 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 상기 제2 패킹부(75)는 상기 저압터빈부(40)의 양측에 배치될 수 있다.

이러한 제1 패킹부(71) 및 제2 패킹부(75)는 기본적으로 동력발생을 위해 사용되는 작동유체의 누설을 방지하기 위해 증기터빈의 로터샤프트(12)를 따라 배치될 수 있다. 그리고 이는 라비린스 실 구조, 허니콤 실 구조, 브러시 실 구조 등 다양한 형태의 실링구조로 구현될 수 있으므로, 여기서는 구체적으로는 한정하지 않도록 한다.

이론적으로는 증기터빈의 실링(sealing)을 통해 누설증기가 발생되지 않아야 하지만, 로터샤프트와 실링 사이의 미세한 간격을 통해 작동유체가 누설되는 상황이 발생된다. 이러한 상황은 실링의 노후화, 증기터빈 운용 중 손상 등을 통해서도 발생되게 된다.

이러한 문제들에 의해 발생된 누설증기를 미활용하고 낭비하게 되면, 동력효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 폐에너지 활용 측면에서 부정적일 수 밖에 없다.

따라서, 이러한 누설증기를 활용하기 위해 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)가 배치되게 된다. 그리고 이러한 누설증기는 상기 증기누설라인(80)을 통해 단일 밀봉증기헤더부(200)로 공급된다.

여기서 상기 증기누설라인(80)은 상기 고압터빈부(20)의 양측에서 상기 제1 패킹유닛(72)과 상기 제2 패킹유닛(73)에 연결되는 고압누설라인(81) 및 상기 중압터빈부(30)의 양측에서 상기 제2 패킹유닛(73)과 상기 제3 패킹유닛(74)에 연결되는 중압누설라인(85)을 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로 먼저 상기 고압누설라인(81)은 상기 제1 패킹유닛(72)과 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)를 연결하는 제1 고압라인(82) 및 상기 제2 패킹유닛(73)과 상기 단일 밀봉증기헤더(200)를 연결하는 제2 고압라인(83)을 포함하여 구성될 수 있다.

고압터빈부(20)의 경우 외부 압력보다 고압터빈의 내부 압력이 휠씬 높기 때문에 작동유체가 고압터빈의 내부에서 외부 방향으로 빠져나가려고 한다. 이러한 작동유체의 누출을 고압터빈부(20)에 인접하여 배치된 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)에서 어느 정도 억제되도록 한다.

하지만 상기와 같이 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)과 로터샤프트 사이의 간격, 패킹의 노후화 또는 손상 등에 의해 고압터빈부(20)로부터 압력차에 의한 누설증기가 발생되게 된다. 이러한 누설증기는 상기 고압누설라인(81)을 통해 상기 단일 밀봉증기헤더부(200) 방향으로 취합되며 흐르게 된다.

다음 상기 중압누설라인(85)은 구체적으로 상기 제3 패킹유닛(74)과 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)를 연결하는 제1 중압라인(86) 및 상기 제2 패킹유닛(73)과 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)를 연결하는 제2 중압라인(87)을 포함하여 구성될 수 있다.

중압터빈부(30)의 경우도 외부 압력보다는 중압터빈의 내부 압력이 상대적으로 높기 때문에 작동유체가 중압터빈의 내부에서 외부 방향으로 빠져나가려고 한다. 이러한 작동유체의 누출을 중압터빈부(30)에 인접하여 배치된 제2 패킹유닛(73) 및 제3 패킹유닛(74)에서 어느 정도 억제되도록 한다.

하지만 상기와 같이 제2 패킹유닛(73) 및 제3 패킹유닛(74)과 로터샤프트 사이의 간격, 패킹의 노후화 또는 손상 등에 의해 중압터빈부(30)로부터 압력차에 의한 누설증기가 발생되게 된다. 이러한 누설증기는 상기 중압누설라인(85)을 통해 상기 단일 밀봉증기헤더부(200) 방향으로 취합되며 흐르게 된다.

즉 고압터빈부(20) 및 중압터빈부(30)에서 누출된 누설증기는 고압누설라인(81)과 중압누설라인(85)을 통해 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)에 취합되게 되면서 재사용될 수 있게 된다.

한편, 본 발명이 적용되는 증기터빈은 고압터빈부(20)에서의 작동유체의 증기압력은 통상 167 ~ 270 bara 범위내로 유지되며, 중압터빈부(30)에서의 작동유체의 증기압력은 통상 30 ~ 50 bara 범위내로 유지된다. 물론 반드시 이 수치범위에 한정될 것은 아니며, 본 발명이 적용될 수 있는 증기압력차를 가지는 다른 종류의 터빈에도 적용될 수 있음은 물론이다.

그리고 이에 따라 압력차에 의해 누설증기가 자연스럽게 고압터빈부(20) 및 중압터빈부(30)에서 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)로 흐르도록, 상기 단일 밀봉증기헤더부(200) 내부에서의 기 설정된 증기압력은 0.28 ± 0.10 bara 범위내일 수 있다. 물론 누설증기량을 더 억제하기 위해 0.38 ~　30 bara 이하의 범위내로 설정될 수도 있다. 단일 밀봉증기헤더부(200)의 기 설정된 증기압력이 높을수록 고압터빈부(20) 또는 중압터빈부(30)와의 압력차이가 줄어들므로, 그 만큼 압력차에 의한 누설증기의 량도 줄어들게 된다.

다음 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)는 저압터빈부(40)보다 증기압력이 상대적으로 높기 때문에, 저압터빈부(40)로 밀봉증기가 압력차에 의해 자연스럽게 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)에서 공급되게 된다.

상기 단일 밀봉증기헤더부(200)와 상기 저압터빈부(40)의 제2 패킹부(75)는 증기공급라인(90)으로 연결되어 있으며, 구체적으로 상기 증기공급라인(90) 중 제1 공급라인(91)은 저압터빈부의 일측에 배치되는 제2 패킹부(75a)와 연결되고, 제2 공급라인(92)는 저압터빈부의 타측에 배치되는 제2 패킹부(75b)와 연결된다.

이때 본 발명이 적용되는 증기터빈은 저압터빈부(40)에서의 작동유체의 증기압력은 응축기(50)와 관계상 작동 중 진공상태를 유지해야 하므로, 통상 0 ~ 0.13 bara 범위내로 유지될 수 있다. 물론 반드시 이 수치범위에 한정될 것은 아니며, 본 발명이 적용될 수 있는 증기압력차를 가지는 다른 종류의 터빈에도 적용될 수 있음은 물론이다.

그리고 이에 따라 상기 단일 밀봉증기헤더부(200) 내부에서의 압력차로 상기 저압터빈부(40)로 밀봉증기가 흐르게 된다. 물론 밀봉증기의 공급량을 더 억제하기 위해 0.13 ~　0.28 bara 이하의 범위내로 설정될 수도 있다. 단일 밀봉증기헤더부(200)의 기 설정된 증기압력이 낮을수록 저압터빈부(40)와의 압력차이가 줄어들므로, 그 만큼 압력차에 의한 밀봉증기의 공급량도 줄어들게 된다.

이러한 밀봉증기는 상기 단일 밀봉증기헤더부(200)를 거치면서 생성된 것으로서, 그 근원은 누설증기이다. 즉 누설증기가 기 설정된 증기압력으로 압력값이 변화된 후, 저압터빈부(40)이 진공상태이므로 자연적으로 압력차로 이동하며 밀봉증기(seal steam)로 사용되게 된다.

여기서 저압터빈의 진공상태 형성에 대해 부연 설명를 하자면, 증기터빈을 작동시키기 위해서 작동초기에는 진공펌프 등을 이용하여 저압터빈(40) 내부의 공기, 증기, 물 등을 모두 제거한다.

이후 작동 중에는 응축기(50)에서 증기를 물로 응축하므로, 기체에서 액체로의 부피 축소로 인해 응축기(50)와 연결된 저압터빈(주로 저압터빈의 하부에 배치됨)은 자연스럽게 진공상태를 형성하게 된다.

여기서 말하는 진공상태는 절대 진공상태를 포함할 수 있으나, 이는 사실상 어려우므로, 대기압에 비해 낮은 압력상태를 유지함을 의미한다. 즉 대기압에 비해 압력이 낮으므로 상대적 진공상태를 형성함을 의미하는 것이다.

이 경우 대기압보다 저압인 상대적 진공상태이므로 저압터빈(40)의 회전체와 고정체 사이의 간격으로 외부 공기 등이 유입될 수 있다. 이는 저압터빈(40)의 작동에 영향을 주므로, 상기와 같이 제2 밀봉증기헤더(120)를 통해 저압터빈(40)에 밀봉증기를 공급하여 외부 공기 등의 유입을 차단하여 저압터빈(40)의 작동성을 보장하는 것이다.

한편, 본 발명에서는 상기 고압누설라인(81)과 연결되며, 상기 동력증기라인(11) 또는 상기 증기공급라인(90)과 열교환토록 누설증기 열교환부(310) 및 상기 누설증기 열교환부(310)와 연결되며, 열교환되며 냉각된 누설증기를 중압터빈부(30)로 공급하여 냉각토록 제공되는 냉각증기 공급라인(320)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 고압터빈부(20)는 대체로 530 ~ 610℃ 범위의 온도를 형성할 수 있다. 그리고 보일러(60)에서 가열되고 유입된 동력증기에 의한 상기 중압터빈부(30)은 대체로 550 ~ 630℃ 범위의 온도를 형성할 수 있다.

여기서 고압터빈부(20)의 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)에서 발생되는 누설증기의 온도는 각각, 제1 패킹유닛(72)에서는 250 ~ 350 ℃ 범위일 수 있으며, 제2 패킹유닛(73)에서는 450 ~ 550 ℃ 범위일 수 있다.

즉 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)에서 누설되는 누설증기는 중압터빈부(30)의 온도보다 낮게 형성되어 있으며, 이러한 누설증기는 중압터빈부(30)의 냉각용 증기로 활용될 수 있는 것이다.

이는 상기 냉각증기 공급라인(320)을 통해 중압터빈부(30)로 유입되어 중압터빈부(30)의 회전체 및 고정체를 냉각시키게 된다.

이때 상기 누설증기 열교환부(310)에서 동력증기라인(11)과 열교환이 이뤄질 수 있다. 동력증기라인(11)은 이제 막 응축기(50)를 거쳤기 때문에, 액체상태로서 상당히 낮은 온도를 형성하며, 물론 누설증기의 량이 적은 관계로 열전달효율은 낮을 수 있으나, 보일러(60) 유입 전에 사전 가열하여 폐열을 최대한 활용하는 효과를 기대할 수 있다.

또한 상기 누설증기 열교환부(310)는 밀봉증기를 저압터빈부(40)의 제2 패킹부(75)로 공급하는 증기공급라인(90)과도 열교환이 이뤄질 수 있으며, 이 경우에는 밀봉증기를 가열시켜주는 효과를 기대할 수 있다.

이와 같은 시스템을 통해 본 발명의 실시예에서는 누설증기의 폐열에너지를 최대한 활용하여, 동력증기의 가열 및 중압터빈부의 냉각 효과를 보다 증대할 수 있어, 궁극적으로 터빈의 열효율을 향상시키게 된다.

[제2 실시예]

도 3를 참고하면, 본 발명인 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템(10)의 제2 실시예는 기본적으로 증기터빈에 적용되는 시스템일 수 있으나, 반드시 이에 한정될 것은 아니다.

본 발명에 대한 설명에 앞서, 증기터빈에서 동력을 발생시키는 작동유체의 기본 순환경로를 살펴보면, 먼저 고압터빈부(20)의 입구단(20a)으로 작동유체가 공급되고, 고압터빈부(20)를 작동시킨 후에 작동유체는 고압터빈부(20)의 출구단(20b)을 통해 보일러(또는 재열기) 방향으로 흐른다.

보일러(60)에서는 고압터빈부(20)의 출구단(20a)에서 보일러(60) 방향으로 흐른 작동유체 및 응축기(50)를 거치고 보일러(60) 방향으로 흐른 작동유체가 함께 가열된다.

중압터빈부(30)의 입구단(30a)으로 유입된 작동유체는 중압터빈부(30)를 작동시킨 후에 중압터빈부(30)의 출구단(30b)을 통해 저압터빈부(40)로 흐르게 된다. 이후 저압터빈부(40)를 작동시킨 후 응축기(50)로 유입된 후 다시 보일러(60)를 거쳐 가열된 후 고압터빈부(20)의 입구단(20a)으로 유입되는 순환사이클을 가진다. 이때 작동유체는 응축된 상태에서는 액체상태일 수 있으며, 가열된 상태는 기체상태일 수 있다. 본 발명은 여기서 고압터빈부(20)와 중압터빈부(30) 및 저압터빈부(40)간의 누설증기를 밀봉증기로 재사용하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 제2 실시예에서는 증기누설라인(80), 다중 밀봉증기헤더부(100), 증기공급라인(90), 누설증기 열교환부(310) 및 냉각증기 공급라인(320)을 포함하여 구성될 수 있다.

우선 상기 증기누설라인(80)은 고압터빈 또는 중압터빈에 배치되는 제1 패킹부(71)와 연결되고, 제1 패킹부(71)에서 누설되는 누설증기가 흐르도록 제공될 수 있다.

그리고 상기 다중 밀봉증기헤더부(100)는 상기 증기누설라인(80)과 연결되고, 상기 증기누설라인(80)에서 흐르는 누설증기가 취합되며 밀봉증기로 전환되고, 기 설정된 단계적 압력으로 밀봉증기의 압력이 다중으로 유지되도록 제공될 수 있다.

다음 상기 증기공급라인(90)은 상기 다중 밀봉증기헤더부(100)와 연결되고, 취합된 밀봉증기를 저압터빈부(40)에 배치되는 제2 패킹부(75)로 공급되도록 제공될 수 있다.

여기서 상기 제1 패킹부(71)는 상기 고압터빈부(20)의 일측에 배치되는 제1 패킹유닛(72) 및 상기 고압터빈부(20)의 타측과 상기 중압터빈부(30)의 일측 사이에 배치되는 제2 패킹유닛(73) 및 상기 중압터빈부(30)의 타측에 배치되는 제3 패킹유닛(74)을 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 상기 제2 패킹부(75)는 상기 저압터빈부(40)의 양측에 배치될 수 있다.

이러한 제1 패킹부(71) 및 제2 패킹부(75)는 기본적으로 동력발생을 위해 사용되는 작동유체의 누설을 방지하기 위해 증기터빈의 로터샤프트(12)를 따라 배치될 수 있다. 그리고 이는 라비린스 실 구조, 허니콤 실 구조, 브러시 실 구조 등 다양한 형태의 실링구조로 구현될 수 있으므로, 여기서는 구체적으로는 한정하지 않도록 한다.

이론적으로는 증기터빈의 실링(sealing)을 통해 누설증기가 발생되지 않아야 하지만, 로터샤프트와 실링 사이의 미세한 간격을 통해 작동유체가 누설되는 상황이 발생된다. 이러한 상황은 실링의 노후화, 증기터빈 운용 중 손상 등을 통해서도 발생되게 된다.

이러한 문제들에 의해 발생된 누설증기를 미활용하고 낭비하게 되면, 동력효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 폐에너지 활용 측면에서 부정적일 수 밖에 없다.

따라서, 이러한 누설증기를 활용하기 위해 상기 다중 밀봉증기헤더부(100)가 배치되게 된다. 그리고 이러한 누설증기는 상기 증기누설라인(80)을 통해 다중 밀봉증기헤더부(100)로 공급된다.

여기서 상기 증기누설라인(80)은 상기 고압터빈부(20)의 양측에서 상기 제1 패킹유닛(72)과 상기 제2 패킹유닛(73)에 연결되는 고압누설라인(81) 및 상기 중압터빈부(30)의 양측에서 상기 제2 패킹유닛(73)과 상기 제3 패킹유닛(74)에 연결되는 중압누설라인(85)을 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로 먼저 상기 고압누설라인(81)은 상기 제1 패킹유닛(72)과 상기 제1 밀봉증기헤더(110)를 연결하는 제1 고압라인(82) 및 상기 제2 패킹유닛(73)과 상기 제1 밀봉증기헤더(110)를 연결하는 제2 고압라인(83)을 포함하여 구성될 수 있다.

고압터빈부(20)의 경우 외부 압력보다 고압터빈의 내부 압력이 휠씬 높기 때문에 작동유체가 고압터빈의 내부에서 외부 방향으로 빠져나가려고 한다. 이러한 작동유체의 누출을 고압터빈부(20)에 인접하여 배치된 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)에서 어느 정도 억제되도록 한다.

하지만 상기와 같이 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)과 로터샤프트 사이의 간격, 패킹의 노후화 또는 손상 등에 의해 고압터빈부(20)로부터 압력차에 의한 누설증기가 발생되게 된다. 이러한 누설증기는 상기 고압누설라인(81)을 통해 상기 다중 밀봉증기헤더부(100) 방향으로 취합되며 흐르게 된다.

다음 상기 중압누설라인(85)은 구체적으로 상기 제3 패킹유닛(74)과 상기 제1 밀봉증기헤더(110)를 연결하는 제1 중압라인(86) 및 상기 제2 패킹유닛(73)과 상기 제1 밀봉증기헤더(110)를 연결하는 제2 중압라인(87)을 포함하여 구성될 수 있다.

중압터빈부(30)의 경우도 외부 압력보다는 중압터빈의 내부 압력이 상대적으로 높기 때문에 작동유체가 중압터빈의 내부에서 외부 방향으로 빠져나가려고 한다. 이러한 작동유체의 누출을 중압터빈부(30)에 인접하여 배치된 제2 패킹유닛(73) 및 제3 패킹유닛(74)에서 어느 정도 억제되도록 한다.

하지만 상기와 같이 제2 패킹유닛(73) 및 제3 패킹유닛(74)과 로터샤프트 사이의 간격, 패킹의 노후화 또는 손상 등에 의해 중압터빈부(30)로부터 압력차에 의한 누설증기가 발생되게 된다. 이러한 누설증기는 상기 중압누설라인(85)을 통해 상기 다중 밀봉증기헤더부(100) 방향으로 취합되며 흐르게 된다.

즉 고압터빈부(20) 및 중압터빈부(30)에서 누출된 누설증기는 고압누설라인(81)과 중압누설라인(85)을 통해 상기 다중 밀봉증기헤더부(100)에 취합되게 되면서 재사용될 수 있게 된다.

이러한 상기 증기누설라인(80)과 연결된 상기 다중 밀봉증기헤더부(100)는 상기 고압터빈부(20) 또는 상기 중압터빈부(30)의 증기압력보다 낮은 증기압력으로 형성되는 제1 밀봉증기헤더(110) 및 상기 저압터빈부(40)의 증기압력보다는 높은 증기압력으로 형성되는 제2 밀봉증기헤더(120)를 포함하여 구성될 수 있다.

이때 상기 제1 밀봉증기헤더(110)의 기 설정된 증기압력은 상기 제2 밀봉증기헤더(120)의 기 설정된 증기압력보다 높도록 구성될 수 있다.

우선 상기 제1 밀봉증기헤더(110)가 고압터빈부(20) 또는 중압터빈부(30)보다 증기압력이 상대적으로 낮기 때문에, 고압터빈부(20) 또는 중압터빈부(30)에서 누출된 누설증기는 압력차에 의해 자연스럽게 상기 제1 밀봉증기헤더(110) 방향으로 흐르게 된다.

이때 본 발명이 적용되는 증기터빈은 고압터빈부(20)에서의 작동유체의 증기압력은 통상 167 ~ 270 bara 범위내로 유지되며, 중압터빈부(30)에서의 작동유체의 증기압력은 통상 30 ~ 50 bara 범위내로 유지된다. 물론 반드시 이 수치범위에 한정될 것은 아니며, 본 발명이 적용될 수 있는 증기압력차를 가지는 다른 종류의 터빈에도 적용될 수 있음은 물론이다.

그리고 이에 따라 상기 제1 밀봉증기헤더(110) 내부에서의 기 설정된 증기압력은 0.345 ~ 0.689 bara 범위내일 수 있다. 물론 누설증기량을 더 억제하기 위해 0.345 ~　30 bara 이하의 범위내로 설정될 수도 있다. 제1 밀봉증기헤더(110)의 기 설정된 증기압력이 높을수록 고압터빈부(20) 또는 중압터빈부(30)와의 압력차이가 줄어들므로, 그 만큼 압력차에 의한 누설증기의 량도 줄어들게 된다.

다음 상기 제2 밀봉증기헤더(120)는 저압터빈부(40)보다 증기압력이 상대적으로 높기 때문에, 저압터빈부(40)로 밀봉증기가 압력차에 의해 자연스럽게 상기 제2 밀봉증기헤더(120)에서 공급되게 된다.

상기 제2 밀봉증기헤더(120)와 상기 저압터빈부(40)의 제2 패킹부(75)는 증기공급라인(90)으로 연결되어 있으며, 구체적으로 상기 증기공급라인(90) 중 제1 공급라인(91)은 저압터빈부의 일측에 배치되는 제2 패킹부(75a)와 연결되고, 제2 공급라인(92)는 저압터빈부의 타측에 배치되는 제2 패킹부(75b)와 연결된다.

이때 본 발명이 적용되는 증기터빈은 저압터빈부(40)에서의 작동유체의 증기압력은 응축기(50)와 관계상 작동 중 진공상태를 유지해야 하므로, 통상 0 ~ 0.13 bara 범위내로 유지될 수 있다. 물론 반드시 이 수치범위에 한정될 것은 아니며, 본 발명이 적용될 수 있는 증기압력차를 가지는 다른 종류의 터빈에도 적용될 수 있음은 물론이다.

그리고 이에 따라 상기 제2 밀봉증기헤더(120) 내부에서의 기 설정된 증기압력은 0.138 ~ 0.345 bara 범위내일 수 있다. 물론 밀봉증기의 공급량을 더 억제하기 위해 0.130 ~　0.138 bara 이하의 범위내로 설정될 수도 있다. 제2 밀봉증기헤더(120)의 기 설정된 증기압력이 낮을수록 저압터빈부(40)와의 압력차이가 줄어들므로, 그 만큼 압력차에 의한 밀봉증기의 공급량도 줄어들게 된다.

이러한 밀봉증기는 상기 다중 밀봉증기헤더부(100)를 거치면서 생성된 것으로서, 그 근원은 누설증기이다. 즉 누설증기가 기 설정된 증기압력으로 압력값이 변화된 후, 저압터빈부(40)이 진공상태이므로 자연적으로 압력차로 이동하며 밀봉증기(seal steam)로 사용되게 된다.

여기서 저압터빈의 진공상태 형성에 대해 부연 설명를 하자면, 증기터빈을 작동시키기 위해서 작동초기에는 진공펌프 등을 이용하여 저압터빈(40) 내부의 공기, 증기, 물 등을 모두 제거한다.

이후 작동 중에는 응축기(50)에서 증기를 물로 응축하므로, 기체에서 액체로의 부피 축소로 인해 응축기(50)와 연결된 저압터빈(주로 저압터빈의 하부에 배치됨)은 자연스럽게 진공상태를 형성하게 된다.

여기서 말하는 진공상태는 절대 진공상태를 포함할 수 있으나, 이는 사실상 어려우므로, 대기압에 비해 낮은 압력상태를 유지함을 의미한다. 즉 대기압에 비해 압력이 낮으므로 상대적 진공상태를 형성함을 의미하는 것이다.

이 경우 대기압보다 저압인 상대적 진공상태이므로 저압터빈(40)의 회전체와 고정체 사이의 간격으로 외부 공기 등이 유입될 수 있다. 이는 저압터빈(40)의 작동에 영향을 주므로, 상기와 같이 제2 밀봉증기헤더(120)를 통해 저압터빈(40)에 밀봉증기를 공급하여 외부 공기 등의 유입을 차단하여 저압터빈(40)의 작동성을 보장하는 것이다.

한편, 본 발명에서는 상기 고압누설라인(81)과 연결되며, 상기 동력증기라인(11) 또는 상기 증기공급라인(90)과 열교환토록 누설증기 열교환부(310) 및 상기 누설증기 열교환부(310)와 연결되며, 열교환되며 냉각된 누설증기를 중압터빈부(30)로 공급하여 냉각토록 제공되는 냉각증기 공급라인(320)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 고압터빈부(20)는 대체로 530 ~ 610℃ 범위의 온도를 형성할 수 있다. 그리고 보일러(60)에서 열교환되고 유입된 동력증기에 의한 상기 중압터빈부(30)은 대체로 550 ~ 630℃ 범위의 온도를 형성할 수 있다.

여기서 고압터빈부(20)의 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)에서 발생되는 누설증기의 온도는 각각, 제1 패킹유닛(72)에서는 250 ~ 350 ℃ 범위일 수 있으며, 제2 패킹유닛(73)에서는 450 ~ 550 ℃ 범위일 수 있다.

즉 제1 패킹유닛(72) 및 제2 패킹유닛(73)에서 누설되는 누설증기는 중압터빈부(30)의 온도보다 낮게 형성되어 있으며, 이러한 누설증기는 중압터빈부(30)의 냉각용 증기로 활용될 수 있는 것이다.

이는 상기 냉각증기 공급라인(320)을 통해 중압터빈부(30)로 유입되어 중압터빈부(30)의 회전체 및 고정체를 냉각시키게 된다.

이때 상기 누설증기 열교환부(310)에서 동력증기라인(11)과 열교환이 이뤄질 수 있다. 동력증기라인(11)은 이제 막 응축기(50)를 거쳤기 때문에, 액체상태로서 상당히 낮은 온도를 형성하며, 물론 누설증기의 량이 적은 관계로 열전달효율은 낮을 수 있으나, 보일러(60) 유입 전에 사전 가열하여 폐열을 최대한 활용하는 효과를 기대할 수 있다.

또한 상기 누설증기 열교환부(310)는 밀봉증기를 저압터빈부(40)의 제2 패킹부(75)로 공급하는 증기공급라인(90)과도 열교환이 이뤄질 수 있으며, 이 경우에는 밀봉증기를 가열시켜주는 효과를 기대할 수 있다.

이와 같은 시스템을 통해 본 발명의 실시예에서는 누설증기의 폐열에너지를 최대한 활용하여, 동력증기의 가열 및 중압터빈부의 냉각 효과를 보다 증대할 수 있어, 궁극적으로 터빈의 열효율을 향상시키게 된다.

이상의 사항은 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.

따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.

10:누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템
11:동력증기라인
12:로터샤프트 20:고압터빈부
30:중압터빈부 40:저압터빈부
50:응축기 60:보일러
71:제1 패킹부
72:제1 패킹유닛 73:제2 패킹유닛
74:제3 패킹유닛 75:제2 패킹부
80:증기누설라인 81:고압누설라인
82:제1 고압라인 83:제2 고압라인
85:중압누설라인 86:제1 중압라인
87:제2 중압라인 90:증기공급라인
91:제1 공급라인 92:제2 공급라인
100:다중 밀봉증기헤더부 110:제1 밀봉증기헤더
120:제2 밀봉증기헤더
200:단일 밀봉증기헤더부
310:누설증기 열교환부 320:냉각증기 공급라인

Claims (8)

1. 고압터빈부에 배치되는 제1 패킹유닛 또는 제2 패킹유닛과 연결되고, 제1 패킹유닛 또는 제2 패킹유닛에서 누설되는 누설증기가 흐르도록 제공되는 고압누설라인;
   저압터빈부와 연결된 응축기에서 보일러로 동력증기가 흐르도록 제공되는 동력증기라인:
   상기 고압누설라인과 연결되며, 상기 동력증기라인과 열교환토록 제공되는 누설증기 열교환부; 및
   상기 누설증기 열교환부와 연결되며, 열교환되며 냉각된 누설증기를 중압터빈부로 공급하여 냉각토록 제공되는 냉각증기 공급라인;
   를 포함하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고압누설라인과 연결되고, 상기 고압누설라인에서 흐르는 누설증기가 취합되며 밀봉증기로 전환되고, 기 설정된 압력으로 밀봉증기의 압력이 유지되도록 제공되는 단일 밀봉증기헤더부; 및
   상기 단일 밀봉증기헤더부와 연결되고, 취합된 밀봉증기를 저압터빈부에 배치되는 제2 패킹부로 공급하는 증기공급라인;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 누설증기 열교환부는, 상기 증기공급라인과 열교환되도록 연계되는 것을 특징으로 하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 고압누설라인과 연결되고, 상기 고압누설라인에서 흐르는 누설증기가 취합되며 밀봉증기로 전환되고, 기 설정된 단계적 압력으로 밀봉증기의 압력이 다중으로 유지되도록 제공되는 다중 밀봉증기헤더부; 및
   상기 다중 밀봉증기헤더부와 연결되고, 취합된 밀봉증기를 저압터빈부에 배치되는 제2 패킹부로 공급하는 증기공급라인;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 누설증기 열교환부는 상기 증기공급라인과 열교환되도록 연계되는 것을 특징으로 하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 다중 밀봉증기헤더부는,
   상기 고압터빈부 또는 상기 중압터빈부의 증기압력보다 낮은 증기압력으로 형성되는 제1 밀봉증기헤더; 및
   상기 저압터빈부의 증기압력보다는 높은 증기압력으로 형성되는 제2 밀봉증기헤더;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 밀봉증기헤더의 기 설정된 증기압력은 상기 제2 밀봉증기헤더의 기 설정된 증기압력보다 높은 것을 특징으로 하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 고압누설라인은
   상기 제1 패킹유닛과 상기 제1 밀봉증기헤더를 연결하는 제1 고압라인;및
   상기 제2 패킹유닛과 상기 제1 밀봉증기헤더를 연결하는 제2 고압라인;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 누설증기를 이용한 터빈의 열교환 시스템.
   
   
   
   
   

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