WO2016085096A1 - 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템과 그 비상운전방법 - Google Patents

비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템과 그 비상운전방법 Download PDF

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turbine
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이재준
임주창
이상훈
이상명
김기태
하용식
김철규
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Definitions

  • the present invention relates to a turbine power generation system having an emergency operation means and an emergency operation method thereof, and in particular, a turbine power generation system including an emergency operation means capable of controlling and recycling of heat accumulated excessively during an emergency operation due to an equipment error. And an emergency operation method thereof.
  • the control of the system by generating a turbine by steam energy is carried out in two ways.
  • the first is to control the turbine during operation such as controlling the turbine speed and the active power produced by the turbine and the reactive power.
  • the second is a system control method in the event of an equipment failure detected due to abnormalities in the working fluid temperature, pressure and flow rate at the turbine inlet.
  • the first control method is generally performed by utilizing a governor (governor) and a synchronizer. However, the second control method stays at the initial stage of stopping the cycle by shutting off the valve when a problem occurs.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional turbine power generation system.
  • Equipment abnormalities such as temperature, pressure, flow rate, and vibration at the turbine inlet side are generally caused by abnormalities of the turbine having the most complicated structure. Therefore, the turbine must be stopped once for instrument diagnostics.
  • condensate may be generated in the inlet valve or the proportional control valve at the turbine inlet, causing damage to the turbine blades, or unproductive time and power consumption of the boiler.
  • Heating up to the normal operating temperature of the boiler consumes more heat, especially as it approaches the normal operating temperature.
  • the conventional technology includes a PLC central processing unit in an automatic generator power control apparatus including a generator protection relay 40, a governor 20, an automatic voltage regulator 30, and a PLC central processing unit 10.
  • the PID logic control program module obtains a control value by performing a PID operation of proportional, integral, and derivative using the operation data transmitted from the generator protection relay and a preset reference value, and controls the automatic voltage regulator and the governor according to the control value.
  • the generator power automatic control device further comprising a technical gist.
  • Patent Registration Publication No. 10-0848285 (Registration Date: 2008.07.25) shown in Fig. 3, 'Method of providing a failure diagnosis and predictive maintenance for the generator control system and apparatus and system therefor There is.
  • the prior art relates to a method of providing fault diagnosis and predictive maintenance for a generator control system, and apparatus and system therefor. More specifically, when a large number of fail codes are generated between the excitation of the generator control system and the turbine control system, the generator fault diagnosis server detects them and stores each fail code in the database. Method and apparatus for providing fault diagnosis and predictive maintenance for the generator control system which extracts and outputs the method, checks whether the generator has a failure prediction part, and outputs the failure prediction part if the check result is found. It is about providing a system.
  • the prior art includes a local control panel for supplying battery power to the governor control and the engine control power through the main power or emergency power or uninterruptible power supply;
  • Engine governor speed is controlled by controlling a governor actuator in an engine control panel using governor power supplied from the local control panel, and using the governor control power temporarily maintained when the governor power fails.
  • An electronic governor control device of a ship comprising a governor control panel for stopping.
  • the governor control device is provided with an emergency driving means so that the engine drive can be controlled so that a constant output voltage is generated in a situation in which an emergency power generation is required, so that the engine cannot be driven despite a situation in which an emergency power generation is required.
  • This can prevent possible accidents or inconveniences.
  • the user may easily manage an operation error that may occur in the device.
  • Patent Registration Publication No. 10-1090534 (Registration Date: November 30, 2011)
  • Patent Registration Publication No. 10-0848285 (Registration Date: 2008.07.25)
  • the present invention is to improve the problems of the prior art, the emergency operation means is provided with a thermal control means capable of controlling and utilizing the amount of heat excessively accumulated in the system when the turbine alone due to a turbine failure To provide a turbine power generation system and its emergency operation method.
  • Turbine power generation system equipped with an emergency operation means according to the present invention for achieving this object, the steam turbine, the condenser, the compression pump, the heater, the inlet valve and the proportional control valve is connected in sequence to form a closed loop
  • the turbine power generation system provided with a synchronizer and a governor so that the amount of the working fluid flowing in the closed loop is controlled by the inlet valve and the proportional control valve in accordance with the number of revolutions per unit time of the steam turbine,
  • An inlet sensor unit including a thermometer, a pressure gauge, and a flow meter installed between the heater and the inlet valve, a branch pipe branched at one point between the inlet sensor unit and the inlet valve, and connected to the condenser; It comprises an emergency discharge portion made of a control means.
  • the heat control means is composed of a heat storage valve which is installed in the branch pipe in sequence from the one point, the heat storage and the discharge valve.
  • the heat reservoir is preferably made of a heat exchanger, the heat exchanged in the heat reservoir is transferred to the heat demand facility is possible to recycle the heat amount.
  • control unit for controlling the heat storage valve and the discharge valve while receiving the measurement signal of the inlet sensor unit in real time the control unit for giving the inlet valve control command to the synchronizer.
  • a steam turbine, a condenser, a compression pump, a heater, an inlet valve and a proportional control valve are connected in sequence to form a closed loop, and flows inside the closed loop.
  • a turbine power generation system provided with a synchronizer and a governor such that the amount of working fluid is controlled by an inlet valve and a proportional control valve according to the number of revolutions per unit time of the steam turbine, a thermometer and a pressure gauge installed between the heater and the inlet valve.
  • an emergency discharge unit including an inlet sensor unit including a flow meter, a branch pipe branched at one point between the inlet sensor unit and the inlet valve and connected to the condenser, and a heat control unit installed in the branch pipe.
  • the heat control means is composed of a heat storage valve which is installed in the branch pipe in sequence from the one point, the heat storage and the discharge valve.
  • the heat reservoir is preferably made of a heat exchanger, the heat exchanged in the heat reservoir is transferred to the heat demand facility is possible to recycle the heat amount.
  • control unit for controlling the heat storage valve and the discharge valve while receiving the measurement signal of the inlet sensor unit in real time the control unit for giving the inlet valve control command to the synchronizer.
  • the present invention has the following effects.
  • the system can be operated without interruption except for the turbine.
  • waste heat that can be discarded by the heat reservoir as a heat exchanger can be recycled.
  • the system is operated without interruption except for the turbine, which eliminates the time and cost required to reheat the boiler, and maintains the health of the turbine blades by preventing condensate from entering the turbine.
  • 1 is a configuration diagram showing a conventional turbine power generation system
  • FIG. 2 is a block diagram showing a generator power automatic control device according to the prior art
  • FIG. 3 is a block diagram showing a method for providing fault diagnosis and predictive maintenance for a generator control system according to the prior art, and apparatus and system therefor;
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing an electronic governor control apparatus for a ship of the prior art
  • FIG. 5 is a block diagram showing a conventional electric governor control device
  • FIG. 6 is a block diagram showing a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an emergency operation method of the turbine power generation system according to the present invention.
  • Figure 6 is a block diagram showing the configuration of the present invention according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a sequence of emergency operation method of the turbine power generation system according to the present invention The figure shows a block diagram.
  • the steam turbine cycle consists of a turbine (1), a condenser (2), a compression pump (3) and a heater (4) installed in order on the working fluid pipe forming a closed loop in a single cycle, wherein the turbine (1) and An inlet valve 5 and a proportional control valve 6 are additionally installed between the heater 4 and the turbine 1 for interlocking the rotation of the generator 7 and the flow rate of the working fluid.
  • the turbine interlocking control device receives the speed signal detected between the turbine 1 and the generator 7 to control the proportional control valve 6 and to exchange speed with the synchronizer 8, and the governor 9. It is composed of a synchronizer (8) and a breaker to control the generator (7) in conjunction with.
  • Rotation control of the turbine (1) is made of the turbine interlocking control equipment described immediately above, but the only countermeasure for troubleshooting and control in the event of equipment failure of the turbine and generator is the entire turbine power generation system of FIG. It was to diagnose and repair the fault after the shutdown.
  • the inlet sensor unit 10 is a sensor in which pressure, temperature, and flow rate per unit time are installed between the heater 4 and the turbine 1, that is, at the inlet of the turbine 1. More precisely, it is arranged between the heater 4 and the intake valve 5 to check the characteristics such as pressure and temperature of the flow rate flowing into the intake valve 5.
  • the emergency discharge unit 20 in the present invention is installed in the branch pipe 24 and the branch pipe 24 connecting the one point and the condenser 2 between the inlet sensor unit 10 and the inlet valve (5).
  • a discharge valve 23 is
  • the inlet valve 5 is shut off so that the measurement fluid does not flow to the turbine 1 and the heat storage valve ( Open 21) to allow the working fluid to flow to the emergency discharge (20).
  • the control of the flow of the fluid may be performed automatically rather than manually.
  • the controller 30 may be provided.
  • the control unit 30 first receives a measurement signal of the inlet sensor unit 10 as an analog signal through the signal transmission line 31-1 in real time during normal operation of the turbine power generation system. At this time, when the measured value of the inlet sensor unit 10 is out of the allowable value, the alarm signal is sent to the synchronizer 8 through the signal line 31-5 while triggering an alarm to an alarm (not shown). The synchronizer 8 sends this signal again through the signal line 31-4 to the intake valve 5 to shut off the intake valve 31-4.
  • the controller 30 opens the heat storage valve 21 and the discharge valve 23 through the signal lines 31-2 and 31-3.
  • the heat reservoir 22 is a kind of heat exchanger. Heat exchange inside the heat reservoir 22 is accomplished by exchanging heat with a facility that requires heat. Therefore, a separate heat storage fluid for supplying heat to the heat demanding facility 40 requiring heat enters the heat storage 22 and receives heat from the working fluid of the turbine power generation system. To supply heat.
  • the working fluid does not flow in the turbine 1 direction and passes through the heat storage valve 21 along the branch pipe 24 via the heat reservoir 22 and the discharge valve 23. It flows into the condenser 2.
  • the fluid flowing into the condenser 2 is steam in the state of being compressed and heated by the compression pump 3 and the heater 4, when a certain amount or more flows into the condenser 2, it is out of the condensable range in the condenser 2. This can cause abnormal operation of the condenser 2.
  • the heat of the working fluid may be discharged as it is, resulting in waste degradation. Therefore, while releasing the heat amount of the working fluid is supplied to the heat demand facility 40 that requires heat, the result is that the waste heat is regenerated, the overall energy efficiency is increased.
  • the heat demand facility 40 is quite diverse.
  • various industrial facilities include drying furnaces, heating furnaces, hot water tanks, and hot water tanks, which operate all the time in summer, and in the spring and autumn winter there is a huge demand for heating heating of agricultural facilities such as plastic houses, barns, warehouses, etc.
  • heating furnaces heating furnaces
  • hot water tanks hot water tanks
  • hot water tanks which operate all the time in summer, and in the spring and autumn winter there is a huge demand for heating heating of agricultural facilities such as plastic houses, barns, warehouses, etc.
  • heat in agricultural such as well as industrial facilities.
  • the heat discharged from the heat reservoir 22 may be stored in the form of a hot water tank (not shown) for the heat demand facility 40, or may be directly supplied to the heat demand facility 40. have.
  • the condenser 2 receiving the working fluid 2 can more easily liquefy the working fluid so that the load on the condenser 2 can be further reduced.
  • the emergency discharge unit 20 is a means for reducing the heat load on the condenser 2 and minimizing wasted energy while operating the turbine power generation system without interruption.
  • FIG. 7 shows an emergency operation method of the turbine power generation system according to the present invention in the form of a block diagram.
  • control module 31-1,2,3,4 signal transmission line

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Abstract

본 발명은 기기이상에 의한 비상운전시에 과도하게 축적되는 열량의 제어 및 재활용이 가능한 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템과 그 비상운전방법에 관한 것으로서, 증기터빈과, 복수기와, 압축펌프와, 가열기와, 인입밸브 및 비례제어밸브가 차례로 연결되어 폐루프로 형성되고, 상기 폐루프 내부를 흐르는 작동유체의 양이 상기 증기터빈의 단위시간당 회전수에 따라 인입밸브와 비례제어밸브로 제어되도록 하는 싱크로나이저와 조속기가 구비되는 터빈발전시스템에 있어서, 상기 가열기와 인입밸브 사이에 설치되는 온도계와 압력계 및 유량계를 포함하는 입구센서부와, 상기 입구센서부와 인입밸브 사이의 일 지점에서 분기되어 복수기로 연결되는 분기 관과, 분기 관에 설치되는 열 제어 수단으로 이루어지며, 상기 열 제어 수단은 상기 일 지점에서부터 분기 관에 차례로 설치되는 열저장 밸브와, 열저장기 및 배출 밸브로 이루어지고, 이때 상기 열 저장기는 열교환기로 이루어져서, 열 저장기에서 교환된 열량이 열수요 시설로 전달됨으로써 터빈발전시스템의 기기 이상에 의한 비상운전시에 열의 과부하를 줄임과 동시에 열의 소모도 재활용을 통하여 최소화 시키고, 터빈발전시스템의 운전중단에 의한 각종 문제점이 방지될 수 있는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템을 제공하고자 한다.

Description

비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템과 그 비상운전방법
본 발명은 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템과 그 비상운전방법에 관한 것으로, 특히 기기이상에 의한 비상운전시에 과도하게 축적되는 열량의 제어 및 재활용이 가능한 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템과 그 비상운전방법에 관한 것이다.
증기에너지로 터빈을 돌려 발전이 이루어지는 시스템의 제어는 크게 2가지 방식으로 이루어진다. 첫째는 터빈의 가동 중의 터빈 속도와 터빈으로 생산되는 유효전력의 제어 및 무효전력의 제어 등 가동중인 터빈을 제어하는 방식이다.
둘째는 터빈 입구의 작동유체의 온도와 압력 및 유량의 이상으로 인하여 감지되는 기기 고장 발생시의 시스템 제어 방식이다.
상기 첫째 제어 방식은 일반적으로 조속기(가버너)와 싱크로나이저의 활용으로 수행된다. 그런데 상기 둘째 제어 방식은 문제 발생시 밸브를 차단시켜 사이클을 정지시키는 초보적인 단계에 머물고 있다.
물론 온도, 압력, 유량 및 진동 등의 데이터를 실시간으로 측정하면서 기기이상 등의 문제 발생에 좀 더 신속하게 대처하려는 모니터링을 실시하고는 있지만, 실시간 모니터링으로는 좀 더 신속한 사후 대처만이 가능하며 사전 대처는 힘든 실정이다.
도 1에는 종래의 터빈발전시스템의 구성도가 도시되어 있다.
터빈 입구 측의 온도, 압력, 유량, 진동 등의 기기 이상은 일반적으로 가장 복잡한 구조를 가진 터빈의 이상으로 초래되는 경우가 많다. 따라서 기기 진단을 위해서는 터빈은 일단 반드시 정지시키게 된다.
도 1을 참조하면, 기기이상이 발생될 경우 종래에는 일단 터빈을 정지시키고, 터빈의 정지는 보일러와 나머지 기기의 정지로 이어진다. 그런데, 기기 이상을 해결하고 나서 터빈발전시스템을 다시 기동시킬 경우 여러 가지 문제가 발생된다.
예를 들어 터빈 입구측의 인입 밸브나 비례제어밸브에서 응축수가 발생되어 터빈 블레이드의 손상이 초래되는 문제나 혹은 보일러의 재가열에 드는 비생산적인 시간 및 전력의 소모의 문제 등이다.
보일러의 정상운전온도까지의 가열은 특히 정상운전온도에 근접될수록 많은 열량이 소모된다.
또한 소각장의 폐열을 이용한 발전에 있어서 기기 이상으로 인하여 보일러 가동을 중단시켜야 할 경우에는 소각장의 소각로 자체를 정지시켜야 하는 문제가 발생된다.
이 경우 터빈만 정지시키고 나머지 기기는 다시 가동시키면서 가열기와 터빈 사이에 분기되어 복수기로 바로 작동유체를 흘려보내는 바이 패스 관의 설치가 가능할 수 있다.
그러나 바이 패스 관을 설치할 경우 보일러의 열로 가열되는 가열기 내부의 작동유체가 바이 패스 관을 따라 바로 복수기로 유입될 경우 복수기의 응축 용량을 벗어나게 되어 복수기 및 복수기와 차례로 연결되는 압축펌프 등의 기기이상이 초래될 수도 있다.
따라서 터빈 이외의 기기는 계속 가동시키면서 열용량 초과로 인한 문제를 방지시키면서 오히려 과도한 열이 재활용될 수 있는 수단이 요청되는 것이다.
관련된 종래기술을 구체적으로 살펴보면 도 2에 도시된 특허등록공보 제10-1090534호(등록일자: 2011. 11. 30)에 게시된 '발전기 전력 자동제어장치'를 들 수 있다.
도 2를 참조하면 상기 종래기술은 발전기 보호 계전기(40)와 조속기(20) 및 자동 전압 조정기(30) 그리고 PLC 중앙처리장치(10)를 포함하는 발전기 전력 자동제어장치에 있어서, PLC 중앙처리장치는 발전기 보호 계전기로부터 전달되는 운전 데이터와 미리 설정된 참조값을 이용하여 비례, 적분, 미분의 PID 연산을 수행함으로써 제어값을 구하고, 상기 제어값에 따라 자동 전압 조정기 및 조속기를 제어하는 PID 로직 컨트롤 프로그램 모듈을 더 포함하는 발전기 전력 자동제어장치에 관한 것을 기술적 요지로 한다.
상기 종래기술에 의하면, 종래의 개별적이고 수동적 제어 방식에서 벗어나 통합되고 자동화된 제어기술을 통하여 발전기의 오동작을 방지하고, 엔진의 급격한 부하 부담 등의 위험을 예방할 수 있으며, 원격으로 각 발전기의 출력 및 역율 등을 입력할 수 있어 편리하고 안전하게 엔진발전기세트를 감시 제어할 수 있는 효과가 있다.
또하나의 종래기술로서, 도 3에 도시된 특허등록공보 제10-0848285호(등록일자: 2008.07.25)인 '발전기 제어 시스템에 대한 고장 진단 및 예측 정비를 제공하는 방법과 그를 위한 장치 및 시스템'이 있다.
상기 종래기술은 발전기 제어 시스템에 대한 고장 진단 및 예측 정비를 제공하는방법과 그를 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 발전기 제어 시스템의 여자기와 터빈 제어 시스템 간에 다수개의 페일 코드가 발생하는 경우, 발전기 고장 진단 서버에서 이를 감지하여 각각의 페일 코드를 데이터베이스에 저장하고, 페일 코드에 해당하는 고장 원인 및 정비 방법을 추출하여 출력하며, 발전기에 고장 예측 부분이 있는지의 여부를 확인하고, 확인 결과 고장 예측 부분이 있는 경우 이를 출력하는 발전기 제어 시스템에 대한 고장 진단 및 예측 정비를 제공하는 방법과 그를 위한 장치 및 시스템을 제공에 관한 것이다.
또다른 종래기술로서 도 4에 도시된 특허공개공보 제10-2014-0109124호(공개일자: 2014. 09. 15)의 '선박의 전자식 가버너 제어장치'가 있다.
상기 종래기술은 메인 전원 또는 비상 전원 또는 무정전 전원 공급기를 통해 배터리 전원을 가버너 컨트롤 및 엔진 컨트롤 전원으로 공급해주는 로컬 컨트롤 패널; 상기 로컬 컨트롤 패널에서 공급되는 가버너 전원으로 엔진 컨트롤 패널 내의 가버너 액추에이터를 제어하여 엔진 회전수를 제어하며, 상기 가버너전원 실패시 임시로 유지된 가버너 제어 전원을 이용하여 상기 가버너 액추에이터를 정지시키는 가버너 컨트롤 패널을 포함하여 이루어지는 선박의 전자식 가버너 제어장치이다.
또다른 종래기술로서 도5에 도시된 특허등록공보 제10-1157294호(등록일자: 2012. 06. 11)의 '전기식 가버너 제어장치'가 있다.
상기 종래기술에서는 가버너 제어장치가 비상운전수단을 구비하여 긴급한 발전이 필요한 상황에 일정 출력전압이 발전되도록 엔진 구동을 제어할 수가 있어서, 긴급한 발전이 필요한 상황에도 불구하고 엔진을 구동할 수가 없어서 발생될 수 있는 사고나 불편을 예방할 수 있다. 또한 장치에 이상이 발생될 수 있는 경우들을 진단하고 이상이 발생되었을 경우에 이를 알림으로써 사용자가 장치에 발생될 수 있는 동작 이상을 용이하게 관리할 수 있도록 해 준다.
다만, 앞서 언급하였듯이 상기 종래기술들은 터빈발전시스템에 적용될 경우, 터빈만의 작동 정지시 응축기 또는 복수기에 걸리는 열부하 문제가 해결될 수 있는 수단에 대해서는 전혀 제시되지 않는 문제가 있다.
[선행기술문헌]
1. 특허등록공보 제10-1090534호(등록일자: 2011. 11. 30)
2. 특허등록공보 제10-0848285호(등록일자: 2008.07.25)
3. 특허공개공보 제10-2014-0109124호(공개일자: 2014. 09. 15)
4. 특허등록공보 제10-1157294호(등록일자: 2012. 06. 11)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 터빈 이상으로 인한 터빈만의 정지 시에 시스템에 과도하게 축적되는 열량의 제어 및 활용이 가능한 열 제어 수단이 구비되는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템과 그 비상운전방법을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템은, 증기터빈과, 복수기와, 압축펌프와, 가열기와, 인입밸브 및 비례제어밸브가 차례로 연결되어 폐루프로 형성되고, 상기 폐루프 내부를 흐르는 작동유체의 양이 상기 증기터빈의 단위시간당 회전수에 따라 인입밸브와 비례제어밸브로 제어되도록 하는 싱크로나이저와 조속기가 구비되는 터빈발전시스템에 있어서,
상기 가열기와 인입밸브 사이에 설치되는 온도계와 압력계 및 유량계를 포함하는 입구센서부와, 상기 입구센서부와 인입밸브 사이의 일 지점에서 분기되어 복수기로 연결되는 분기 관과, 분기 관에 설치되는 열 제어 수단으로 이루어지는 비상 배출부를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 열 제어 수단은 상기 일 지점에서부터 분기 관에 차례로 설치되는 열저장 밸브와, 열저장기 및 배출 밸브로 이루어진다.
이때 바람직하게는 상기 열 저장기는 열교환기로 이루어지며, 열 저장기에서 교환된 열량이 열수요 시설로 전달되어 열량의 재활용이 가능하게 된다.
한편, 바람직하게는 상기 입구센서부의 측정 신호를 실시간으로 접수 받으면서 상기 열저장 밸브와 배출 밸브를 제어하는 한편, 상기 싱크로나이저에 상기 인입밸브 제어 지령을 내리는 제어부가 더 구비될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 터빈발전시스템의 비상운전방법은, 증기터빈과, 복수기와, 압축펌프와, 가열기와, 인입밸브 및 비례제어밸브가 차례로 연결되어 폐루프로 형성되고, 상기 폐루프 내부를 흐르는 작동유체의 양이 상기 증기터빈의 단위시간당 회전수에 따라 인입밸브와 비례제어밸브로 제어되도록 하는 싱크로나이저와 조속기가 구비되는 터빈발전시스템에 있어서, 상기 가열기와 인입밸브 사이에 설치되는 온도계와 압력계 및 유량계를 포함하는 입구센서부와, 상기 입구센서부와 인입밸브 사이의 일 지점에서 분기되어 복수기로 연결되는 분기 관과, 분기 관에 설치되는 열 제어 수단으로 이루어지는 비상 배출부를 포함하는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템을 이용하는 터빈발전시스템의 비상운전방법으로서,
터빈 입구센서부의 온도와 압력 및 유량 측정치를 실시간으로 체크하는 제1단계와, 상기 측정치가 기기 이상으로 허용치를 벗어날 경우 기기 이상이 제거될 때 까지 상기 인입 밸브와 비례제어밸브를 차단하고 작동유체를 상기 분기관으로 통과시키는 제2단계와, 기기이상이 제거되면 상기 인입 밸브와 비례제어밸브를 개방하고 분기관을 차단하는 제3단계를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 열 제어 수단은 상기 일 지점에서부터 분기 관에 차례로 설치되는 열저장 밸브와, 열저장기 및 배출 밸브로 이루어진다.
이때 바람직하게는 상기 열 저장기는 열교환기로 이루어지며, 열 저장기에서 교환된 열량이 열수요 시설로 전달되어 열량의 재활용이 가능하게 된다.
한편, 바람직하게는 상기 입구센서부의 측정 신호를 실시간으로 접수 받으면서 상기 열저장 밸브와 배출 밸브를 제어하는 한편, 상기 싱크로나이저에 상기 인입밸브 제어 지령을 내리는 제어부가 더 구비될 수 있다.
본 발명에는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 분기 관과 열 저장기에 의하여 터빈 이상이 있더라도 터빈을 제외하고 시스템이 중단없이 가동될 수 있다.
둘째, 열 저장기가 열 교환기로 이루어짐으로써 버려질 수 있는 폐열이 재활용될 수 있다.
셋째, 열 저장기에 의하여 복수기에 과도한 열 부하가 걸리는 것이 방지될 수 있다.
넷째, 터빈 이상이 있을 경우 터빈을 제외하고 시스템이 중단없이 가동됨으로써 보일러의 재가열에 드는 시간과 비용이 전혀 필요없게 되며, 터빈에 응축수가 유입되는 현상이 방지됨으로써 터빈 블레이드의 건전성이 유지된다.
다섯째, 제어부가 구비될 경우 터빈발전시스템의 감시와 비상운전 및 정상상태의 회복이 자동으로 수행되어 발전기 상태 감시에 드는 인력과 비용 및 시간이 현저하게 절감될 수 있다.
도 1은 종래의 터빈발전시스템을 나타내는 구성도,
도 2는 종래 기술인 발전기 전력 자동제어장치를 나타내는 구성도,
도 3는 종래 기술인 발전기 제어 시스템에 대한 고장 진단 및 예측 정비를 제공하는 방법과 그를 위한 장치 및 시스템을 나타내는 구성도,
도 4는 종래 기술인 선박의 전자식 가버너 제어장치를 나타내는 구성도,
도 5는 종래 기술인 전기식 가버너 제어장치를 나타내는 구성도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 구성도,
도 7는 본 발명에 의한 터빈발전시스템의 비상운전방법을 나타내는 블록도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 도 6과 도 7에 도시되어 있으며, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 구성을 나타내는 구성도이며 도 7은 본 발명에 따른 터빈발전시스템의 비상운전방법의 순서를 블록도로 나타낸 도면이다.
먼저 도 1과 도 6을 대비하여 본 발명의 특징과 구성을 살펴본 다음, 본 발명의 특징적 구성요소와 나머지 구성요소의 상호작용을 상세하게 살펴본 후, 본 발명에 의한 터빈발전시스템의 비상운전방법을 살펴보기로 한다.
도 1에 나타난 종래기술을 살펴보면 크게 증기터빈사이클과 터빈 연동 제어설비로 나눌 수 있다. 증기터빈사이클은 폐루프를 이루는 작동유체 관 상에 차례로 터빈(1)과 복수기(2)와 압축펌프(3)와 가열기(4)가 설치되어 하나의 사이클로 형성되어 이루어지며 이때 터빈(1) 및 발전기(7)의 회전과 작동유체의 유량의 연동을 위하여 가열기(4)와 터빈(1) 사이에 인입밸브(5)와 비례 제어 밸브(6)가 추가적으로 설치된다.
터빈 연동 제어 설비는 터빈(1)과 발전기(7) 사이에서 검출되는 속도 신호를 받아서 비례제어밸브(6)를 제어하고 싱크로나이저(8)와 속도를 주고 받는 조속기(9)와, 조속기(9)와 연동되어 발전기(7)를 제어하는 싱크로나이저(8) 및 차단기로 이루어진다.
터빈(1)의 회전 제어는 바로 위에서 설명된 터빈 연동 제어 설비로 이루어지나, 터빈 및 발전기의 기기 이상이 발생될 경우의 고장진단 및 제어에 대한 유일한 대책은 도 1의 종래기술에서는 전체 터빈발전시스템의 정지 후에 고장을 진단하고 수리하는 것이었다.
그러나 결론적으로 본 발명에서는 도 6에 나타나는 입구센서부(10)와 비상 배출부(20)에 의하여 터빈발전시스템의 운전이 기기 이상 발생시에도 계속될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서의 입구센서부(10)는 가열기(4)와 터빈(1) 사이, 즉 터빈(1)입구에 설치되는 압력, 온도, 단위시간당 유량이 체크되는 센서이다. 좀 더 정확하게는 가열기(4)와 인입 밸브(5) 사이에 배치되어 인입 밸브(5)로 유입되는 유량의 압력과 온도 등의 특성이 체크되는 것이다.
그리고 본 발명에서의 비상 배출부(20)는 입구센서부(10)와 인입밸브(5) 사이의 일지점과 복수기(2)를 연결하는 분기 관(24)과, 분기 관(24)에 설치되는 열 제어 수단(21,22,23)으로 이뤄지며, 상기 열 제어 수단(21,22,23)은 상기 일지점으로부터 분기 관(24) 상에 차례로 설치되는 열저장 밸브(21), 열 저장기(22), 배출 밸브(23)로 이루어진다.
따라서 입구센서부에서의 측정 결과치의 판독 결과 터빈(1) 또는 발전기(7)에 이상이 있다고 판단될 경우 인입밸브(5)를 차단시켜서 측정유체가 터빈(1) 쪽으로 흐르지 못하게 하고 열저장 밸브(21)를 개방하여 비상 배출부(20)로 작동유체가 흐르도록 한다.
이때 바람직하게는 발전기(7) 또는 터빈(1) 이상이 발생될 경우 유체의 흐름의 제어가 수동이 아닌 자동으로 이뤄지는 것이 좋다. 이를 위하여 제어부(30)가 구비될 수 있다.
도 6에는 제어부(30)의 구성이 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 제어부(30)는 먼저 터빈발전시스템이 정상운전 되는 동안 실시간으로 입구센서부(10)의 측정 신호를 신호전달선(31-1)을 통하여 아날로그 신호로 입력받는다. 이때 입구센서부(10)의 측정 값이 허용치를 벗어나게 될 경우 경보기(미도시)로 경보를 발동시키면서 신호선(31-5)을 통하여 싱크로나이저(8)에 인입밸브(5)의 차단신호를 보내고 싱크로나이저(8)는 이 신호를 또다시 신호선(31-4)을 통하여 인입 밸브(5)로 보내어 인입 밸브(31-4)를 차단시킨다.
이때 제어부(30)는 신호선(31-2,31-3)을 통하여 열저장 밸브(21)와 배출 밸브(23)를 개방시킨다.
한편 열 저장기(22)는 일종의 열 교환기이다. 열 저장기(22) 내부에서의 열 교환은 열을 필요로 하는 시설과 열을 주고받으며 이루어진다. 따라서 열을 필요로 하는 열 수요 시설(40)에 열을 공급하는 별도의 열저장 유체가 열 저장기(22) 내부로 들어가 터빈발전시스템의 작동유체로부터 열을 공급받아 다시 열 수요 시설(40)로 들어가서 열을 공급하게 된다.
이상에서 본 발명의 전체 구성을 작동원리와 함께 살펴보았으며 이하에서는 각 구성요소간의 작용에 대하여 좀 더 상세하게 살펴보면서 본 발명에 의한 터빈발전시스템의 비상운전방법을 함께 살펴보기로 한다.
도 6을 다시 참조하여 살펴보면, 터빈(1) 또는 발전기(7)의 기기 이상으로 인하여 입구센서부에서 허용치를 벗어나는 측정 결과가 나오게 될 때 경보가 발동되면서 인입 밸브(5)를 차단시키고 열저장 밸브(21)를 개방시킨다. 이러한 동작은 앞서 설명하였듯이 제어부(30)에 의하여 자동으로 이뤄질 수 있다.
열저장 밸브(21)의 개방으로 인하여 작동유체는 터빈(1) 방향으로 흐르지 않고 분기관(24)을 따라 열저장 밸브(21)를 지나 열 저장기(22)와 배출 밸브(23)를 거쳐서 복수기(2)로 흐르게 된다.
복수기(2)로 흘러들어가는 유체는 압축펌프(3)와 가열기(4)에 의하여 압축가열된 상태의 증기이므로 일정량 이상이 복수기(2)로 유입되는 경우에는 복수기(2)에서 응축 가능한 범위를 벗어나게 되어 복수기(2)의 작동 이상을 초래시킬 수 있다.
따라서 복수기(2)에 유입 가능한 압축가열 유체 량에 도달되기 전에 작동유체의 온도와 압력을 낮출 필요가 있다.
그런데 이 경우 작동유체의 열을 그대로 방출시켜 폐열화 하는 경우 이 역시 에너지 손실이 될 수 있다. 따라서 작동유체의 열량을 방출시키되 열을 필요로 하는 열수요 시설(40)에 공급하게 되면 폐열이 재생되는 결과가 되어 전체적인 에너지 효율이 상승된다.
열수요 시설(40)은 상당히 다양하다. 특히 각종 산업 시설에서는 여름에도 상시적으로 가동되는 건조로, 가열로, 온수조, 열수조 등이 있고, 봄, 가을 겨울에는 비닐하우스, 축사, 창고 등 농업시설의 난방에 막대한 열량의 수요가 있으므로 산업시설 뿐만 아니라 농업 시설에도 열의 수요가 있다.
따라서 열 저장기(22)에서 배출되는 열을 열 수요 시설(40)을 위한 온수탱크(미도시)의 형태로 저장시키거나 혹은 열 수요 시설(40)에 직접 공급하는 등의 방법으로 재활용시킬 수 있다.
한편 열 저장기(22)에서 열을 외부로 공급하여 배출시키는 한편 배출 밸브(23)에 의하여 작동유체의 압력을 낮추면서 복수기(2)로 작동유체를 전달시키게 되면 작동유체를 전달받는 복수기(2)는 더욱 용이하게 작동유체를 액화시킬 수가 있어 복수기(2)에 걸리게 되는 부하가 한층 경감될 수 있다.
따라서 열 저장기(22)에 의한 열의 재활용을 위한 배출과 배출밸브(23)에 의한 감압 작용에 의하여 터빈발전시스템의 가동 중단 없이도 기기 이상의 수리가 이뤄질 수 있으며 이 과정에서 불필요한 에너지 손실도 최소화 될 수 있다.
앞서도 설명하였듯이 기기 이상에 의하여 터빈발전시스템의 운전이 중단될 경우에는 운전 중단기간 동안 가열기(4)를 위한 보일러의 가동도 중지되어 보일러가 식어버리므로, 기기 수리가 끝나고 터빈발전시스템의 운전이 재개될 때에 다시 보일러를 가동시켜서 정상운전을 위한 온도에 도달시키기 위하여 상당한 에너지와 시간이 소모된다.
보일러가 터빈발전시스템의 정상 운전에 필요한 온도에 도달되면 그 온도를 유지시키는 데에 드는 에너지는 상대적으로 적게 소모되나, 목표로 하는 온도까지 보일러를 가동시키는 데에는 에너지 소모가 크며 목표 온도까지 보일러를 가동시키는 시간도 상당히 길다. 따라서 터빈발전시스템을 중단 없이 가동시키면서도 복수기(2)에 걸리는 열 부하도 경감시키고 낭비되는 에너지도 최소화 시킬 수 있는 수단이 바로 비상 배출부(20)가 되는 것이다.
도 7에는 본 발명에 의한 터빈발전시스템의 비상운전방법이 블록도의 형태로 도시되어 있다.
상기 비상운전방법은 이미 앞서 설명된 내용에 모두 포함되므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
[부호의 설명]
1: 터빈 2: 복수기
3: 압축펌프 4: 가열기
5: 인입 밸브 6: 비례 제어 밸브
7: 발전기 8: 싱크로나이저
9: 조속기 10: 입구센서부
20: 비상 배출부 21: 열저장 밸브
22: 열 저장기 23: 배출 밸브
24: 분기 관 30: 제어부
31: 제어모듈 31-1,2,3,4: 신호 전달선
40: 열수요 시설

Claims (8)

  1. 증기터빈과, 복수기와, 압축펌프와, 가열기와, 인입밸브 및 비례제어밸브가 차례로 연결되어 폐루프로 형성되고, 상기 폐루프 내부를 흐르는 작동유체의 양이 상기 증기터빈의 단위시간당 회전수에 따라 인입밸브와 비례제어밸브로 제어되도록 하는 싱크로나이저와 조속기가 구비되는 터빈발전시스템에 있어서,
    상기 가열기와 인입밸브 사이에 설치되는 온도계와 압력계 및 유량계를 포함하는 입구센서부와;
    상기 입구센서부와 인입밸브 사이의 일 지점에서 분기되어 복수기로 연결되는 분기 관과, 분기 관에 설치되는 열 제어 수단으로 이루어지는 비상 배출부;를 포함하는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 제어 수단은 상기 일 지점에서부터 분기 관에 차례로 설치되는 열저장 밸브와, 열저장기 및 배출 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열 저장기는 열교환기로 이루어지며, 열 저장기에서 교환된 열량이 열수요 시설로 전달되는 것을 특징으로 하는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 입구센서부의 측정 신호를 실시간으로 접수 받으면서 상기 열저장 밸브와 배출 밸브를 제어하는 한편, 상기 싱크로나이저에 상기 인입밸브 제어 지령을 내리는 제어부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템.
  5. 증기터빈과, 복수기와, 압축펌프와, 가열기와, 인입밸브 및 비례제어밸브가 차례로 연결되어 폐루프로 형성되고, 상기 폐루프 내부를 흐르는 작동유체의 양이 상기 증기터빈의 단위시간당 회전수에 따라 인입밸브와 비례제어밸브로 제어되도록 하는 싱크로나이저와 조속기가 구비되는 터빈발전시스템에 있어서, 상기 가열기와 인입밸브 사이에 설치되는 온도계와 압력계 및 유량계를 포함하는 입구센서부와, 상기 입구센서부와 인입밸브 사이의 일 지점에서 분기되어 복수기로 연결되는 분기 관과, 분기 관에 설치되는 열 제어 수단으로 이루어지는 비상 배출부를 포함하는 비상운전수단이 구비되는 터빈발전시스템을 이용하는 터빈발전시스템의 비상운전방법으로서,
    터빈 입구센서부의 온도와 압력 및 유량 측정치를 실시간으로 체크하는 제1단계;
    상기 측정치가 기기 이상으로 허용치를 벗어날 경우 기기 이상이 제거될 때 까지 상기 인입 밸브와 비례제어밸브를 차단하고 작동유체를 상기 분기관으로 통과시키는 제2단계;
    기기이상이 제거되면 상기 인입 밸브와 비례제어밸브를 개방하고 분기관을 차단하는 제3단계;를 포함하는 터빈발전시스템의 비상운전방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열 제어 수단은 상기 일 지점에서부터 분기 관에 차례로 설치되는 열저장 밸브와, 열저장기 및 배출 밸브로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터빈발전시스템의 비상운전방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열 저장기는 열교환기로 이루어지며, 열 저장기에서 교환된 열량이 열수요 시설로 전달되는 것을 특징으로 하는 터빈발전시스템의 비상운전방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 입구센서부의 측정 신호를 실시간으로 접수 받으면서 상기 열저장 밸브와 배출 밸브를 제어하는 한편, 상기 싱크로나이저에 상기 인입밸브 제어 지령을 내리는 제어부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 터빈발전시스템의 비상운전방법.
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