복합 화력발전소의 터빈과속도 보호 설비는 발전소 출력 운전 중 제어 불능으로 인해 터빈이 과속될 때 감속, 정지시켜 대형사고를 예방할 목적으로 설치되었다. 전기 사업법 65조 및 시행 규칙 32조에 의거해 2년에 한 번씩 자체검사를 하고 매년 한 번씩 정격속도 3600rpm의 110% ± 50 rpm 범위에서 작동하는지 시험하게 되어 있다. 과속도 방지 장치를 시험하기 위해 터빈 끝단에 설치된 방지 장치를 분리 철거 후 시험기에 부착해 시험 및 조정한다.
개발 목적
첫째, 터빈과속도 방지 장치의 신뢰도 확인을 위해 가스터빈을 정상 운전해 작동 시험을 할 경우 1회의 시험만으로 확인되면 다행이지만 그렇지 않을 경우 조정 및 시험 과정을 거듭해야 한다.
둘째, 터빈 과속도 보호 설비는 Gas Turbine Tunnel 내부 Oil Chamber 내에 설치되어 있어 운전 중 약 140℃인 내부 온도가 과속도 시험 후에는 약 80℃가 되기 때문에 비정상 발생 시 즉각 조정이 불가능하다.
셋째, 각종 기기를 정지하고 터빈이 정지할 수 있는 온도(약 60℃)까지 냉각한 후에 축에 붙어 있는 과속도 방지 장치의 rpm 조정 너트를 돌려 조정하고 다시 기동하여 작동 시험을 해야 한다.
이러한 과정을 되풀이하면 시간도 많이 걸리고 연료도 추가로 소비되기 때문에 시간 단축 및 비용 감소를 위해 개발하게 되었다.
동작원리
1. Gas Turbine 오일 계통도
가스터빈의 시스템을 보면 오일 펌프에서 과속도 보호 장치로 오일 압력을 항시 7~8㎏/㎠로 유지하면서 운전하다가 터빈이 가속되어 3960±50 rpm에 도달하면 과속도 보호장치가 작동된다. 그러면 Orifice 계통의 오일이 3.87㎏/㎠로 압력이 줄어드는데 이를 압력계전기가 감지한다. 그런 후 Air Solenoid 동작에 의해 연료 차단밸브인 OST 밸브가 Close 되면서 Fuel Gas를 차단시켜 터빈이 정지하게 되어 있다. 따라서 현장에서 과속도 보호 장치를 시험 및 조정을 시행하는 데 상당한 어려움이 있다.
2. 터빈 과속도 방지장치의 메커니즘 도면
주요 구성품은 OST(Over Speed Trip) Shaft, 스프링, 조정너트, 트리거이다.
주요 개발 내용
첫째, TBN 승속비에 준하는 승속률을 제어할 수 있게 했다.
둘째, 가스터빈, 스팀터빈 과속도 장치 시험 호환성을 확보했다.
셋째, 시험 결과 값 및 연속 시험 시 결과 값 기억장치를 내장했다.
넷째, 펌프 및 소형 팬의 Weight Balancing을 교정할 수 있게 했다.
다섯째, 원심력 증가에 따른 자체 진동과 부착물의 Weight Balancing을 교정할 수 있게 만들어 외부의 영향에 따른 오동작을 줄였다.
여섯째, 관성력 방지 장치를 내장해 측정 오차 발생을 최대한 줄였다.
일곱째, 속도 측정 시 3개의 센서로 취득한 평균값을 내어 측정값의 신뢰성을 높였다.
여덟째, 운전 조작부와 OST 시험 장치를 분리해 에러 발생을 차단했다.
주요기기의 특성
1.원동기 및 인버터
원동기는 7.5마력 220V 3상 1800rpm으로 해 모터의 과부하를 방지했고 인버터는 회전수 조정 범위가 0-4200rpm까지 가능하도록 했다.
특히 관성력을 방지하기 위해 OST 동작 시 즉시 역 가압시켜 rpm이 승속되는 것을 차단, 정확한 데이터를 취득할 수 있도록 했다.
2. 동력 전달용 축 및 웨이트 부착 홀 가공 설치
동력 전달용 축은 OST 장치가 부착된 상태에서 안정적으로 유지할 수 있게 직경 및 BRG를 선정했고 벨트는 정확한 rpm 전달을 위해 슬립 방지용 타이밍 벨트를 채용했으며 장력 조정 장치도 추가했다.
자체 진동은 무 부하 시 10㎛ 이내, 부하 시 20㎛ 이내가 되도록 했고 자체진동 교정이 가능하도록 웨이트 부착 Hole을 가공·설치했다.
3. 계기 사양
컨트롤 박스를 별도 분리 제작하여 외부 영향을 받지 않게 하고 아날로그와 디지털 속도 지시기를 각각 설치해 자동 및 수동으로 속도를 조정할 수 있 게 했다. OST 동작을 감지하는 조립 센서는 레버 동작, 기계적 동작, 전기적 센서 감지 순으로 동작하게 했으며 전후 좌우 이동이 용이하도록 해 크기가 다른 OST 장치도 시험할 수 있게 했다.
4. 스피드 센서 및 레코더
스피드 센서는 3개를 설치해 이들 센서 평균값이 2개 공차 값 이내일 때 디지털 지시계에 나타나도록 설계했고, 레코더는 속도변화 그래프로 나타내 시험 일자 및 동작 RPM이 기록되도록 했다.
5. OST 장비의 특징
누구나 쉽게 시험 장비를 조작 운전하고 프로그램의 편집, 수정도 할 수 있게 해 언제 어디서나 원하는 것을 데이터로 취득할 수 있도록 제작했고 동일 작업 수행 시 데이터를 백업 받아 동일 조건으로 재현할 수 있도록 했다.
또한 아날로그와 디지털 속도계를 동시에 읽을 수 있게 해 동작 속도를 순서대로 기억하게 하고 일괄적인 시험이 되도록 했으며, 기존의 기기에서 생각하지 못한 관성력 제어 및 기기의 회전력에 의한 진동 등 외부의 영향을 받지 않도록 캐리 마스터 받침대를 사용해 기존의 장비에 비해 정확한 데이터를 취득할 수 있도록 연구 개발하게 되었다.
개발 효과
1. 정비 업무 효율적 측면
가. 정비 후 시운전 시 터빈 Rotor 열응력을 최소화하기 위해 OST 작동 시험 전 약 2시간 이상을 3600rpm에서 무 부하 및 저 출력 운전 후 시험한다. 그리고 과속도 보호 작동 범위 3960±50 rpm에 부적합할 경우 터빈을 정지시키고 터빈 내부온도가 약 60℃ 이하 및 기타 작업 조건이 만족될 때까지 정비 시간을 지연시킨 후 다시 상기와 같은 시험을 시행하여 적정 범위를 만족시켜야만 정상 운전을 할 수 있다. 이러한 어려움이 있기 때문에 시험 장비를 제작 사용하면 단 한 번의 시험에서 우리가 원하는 값을 얻을 수 있다
나. 시험 장비를 이용하면 터빈 계획 예방 정비 공사 중 과속도 보호 장치를 분리 시험할 수 있어 별도의 시간이 필요 없다.
다. 시험 장면을 실제 눈으로 확인할 수 있기 때문에 회전수 작동 범위에서 벗어나면 즉시 조치 및 시험을 할 수 있어 정확한 데이터를 취득할 수 있다.
2. 정비 품질 향상 측면
가. OST 장치를 터빈에서 분리한 후 시험 장비로 분해 시험을 하기 때문에 조정이 쉽고 여러 번 반복해서 시험할 수 있어 기기의 신뢰성 확보도 가능하다.
나. 시험 장비가 없으면 터빈을 기동, 정지 조정을 반복 시행해 터빈 기동에 따른 에너지 소비가 많고 터빈의 과냉과 과열이 반복되어 기기의 손상이 우려되는데 시험장비를 사용하면 이런 문제는 간단히 해결되고 시험 또한 간단하다.
다. 터빈 계획 예방 정비 공사가 끝나면 전기안전공사 전기 사업법 65조 및 시행 규칙 32조에 의거해 과속도 시험 후 그 결과가 시험 조건에 만족해야만 정상 운전이 가능하므로 시험 장비의 신뢰성을 확보 할 수 있는 공인기관의 인증서만 획득할 수 있다면 현장의 시험은 불필요하리라 생각한다.
3. 안전성 측면
재조정 시 보온재로 인한 피해, 협소한 작업 공간에서의 안전사고를 방지할 수 있고 고온부 작업으로 인한 화상 및 화재를 예방할 수 있다.
4. 신뢰도 향상 측면
OST 장비 개발로 과속도 보호 설비의 신뢰성을 확보하고 신 기법을 통한 기술적 우위로 기술전문 회사로서의 위상을 높일 수 있다.
5. 기술적 측면
위의 화면처럼 터빈에서 직접 수행하던 기존 방법에서 OST 장치를 분리, 조정해 정비 인력 감축, 열악한 작업 환경을 개선하고 정비 시간을 단축할 수 있었다.
또한 정비 품질 향상 측면에서는 시운전 기동 횟수 감소에 따른 기기 손상 방지 효과, 조립 시 인적 실수 방지, OST 장치 작동 값 불량에 따른 공기 지연 방지 효과를 얻을 수 있었다.
향후 방향
Gas Turbine만이 아닌 표준 발전소에서도 사용 가능한 터빈 과속도 Test 장비로써의 위상을 높일 수 있도록 연구 개발에 정진해 장비만으로도 시험한 값이 공인될 수 있는 날이 오길 기원한다.
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