온라인 터빈 성능진단 시스템 개발

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온라인 터빈 성능진단 시스템 개발

2006년 1월 31일 (화) 17:31:00 | 지면 발행 ( 2005년 12월호 - 전체 보기 )

서론발전설비의 장기간 사용에 따른 성능저하로 인해 연료비의 증가는 설비운영자에게는 많은 부담이 되므로 설비의 최적 성능을 유지하기 위한 해결책이 무엇보다 필요한 실정이다.특히 터빈 사이클의 성능열화는 터빈 설비에서의 침식, 침적물, 누설의 증가 그리고 손상에 의해 발생되고 부가적으로 비정상적인 운전으로 인해 발생될 수도 있다. 그리하여 이러한 성능변화에 대한 정보를 얻기 위한 터빈 성능모니터링의 중요성이 점점 높아지고 있다.성능모니터링의 목적은 성능변화에 대한 경향 분석을 통해 성능저하를 감지하고 성능 파라메타의 평가를 통해 성능저하의 원인을 확인하는 것이며 성능저하에 기인하는 운전 및 설비의 문제를 수정하기 위한 비용대비 효과적인 해결책을 강구하는 데 있다. 그러므로 성능모니터링은 연료비를 절감시킬 수 있는 방안을 제시할 수 있으므로 중요한 활동 중의 하나가 되어 왔다. (1) (2)성능모니터링에 널리 사용되는 2가지 방법이 있는데 하나는 주기적으로 성능시험을 수행하는 것이고 다른 하나는 발전소의 운전데이터를 수집하여 성능 파라메타를 계산하는 성능모니터링 시스템을 설치하는 것이다. (3)-(8)성능시험은 정확한 운전데이터를 입수할 수 있고 그 결과를 분석함으로써 성능변화를 탐지할 수 있고, 성능저하의 원인을 확인할 수 있지만 성능시험에 많은 시간을 필요로 하고 비교적 큰 비용이 소요된다는 단점이 있다. 또한 일반적인 성능모니터링 시스템은 단지 실제의 성능 파라메타만을 계산하기 때문에 실시간으로 성능저하를 탐지할 수 없고, 증기조건의 변화에 따른 설계성능 데이터를 제공하지 않기 때문에 데이터의 유효성에 대한 평가와 성능변화 경향의 분석에 많은 시간을 필요로 한다.그러므로 본 연구에서는 성능시험과 일반적인 성능모니터링 시스템의 단점을 보완한 실시간 터빈 성능진단 시스템을 개발하였다. 즉 실제 성능 파라메타를 실시간 모니터링할 뿐만 아니라 실시간으로 설계성능 파라메타를 동시에 모니터링함으로써 기존의 성능모니터링 시스템에서 제공할 수 없는 실시간 성능진단 기능과 최적 운전에 대한 정보 그리고 아울러 설비개선에 따른 경제성 평가가 가능하도록 하였다.터빈 사이클의 실제 성능을 모니터링 하기 위해 터빈 사이클 설비의 운전데이터를 DCS(Distributed Control System)로부터 실시간 수집하여 실제의 성능 파라메타를 계산하였고, 증기조건이 변화함에 따라 달라지는 터빈 사이클의 설계성능을 계산하기 위해 DCS에서 수집된 주증기 압력, 온도, 유량, 재열증기 온도 그리고 콘덴서 압력 등의 제어가 가능한 운전변수를 사용하여 증기조건의 변화에 따른 터빈 및 보조기기의 효율을 예측하고 이를 토대로 터빈 사이클의 열정산을 자동적으로 수행하도록 함으로써 설계성능을 계산하였다.본 시스템은 터빈 사이클의 실제 및 설계 성능을 동시에 실시간 모니터링함으로써 터빈 사이클의 성능저하를 정량적으로 실시간 평가할 수 있고 장기간 저장된 성능 파라메타의 분석을 통해 정량적인 성능저하 및 저하원인을 분석할 수도 있다. 또한 실제 및 설계성능과의 비교를 통해 최적운전을 위한 정보를 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라 터빈 시스템 내의 운전데이터에 대한 유효성을 판단할 수도 있다.터빈 사이클의 실제성능 파라메타의 계산터빈 사이클은 증기터빈, 발전기, 콘덴서, 급수가열기 그리고 급수펌프 등 많은 설비들로 구성되어 있다. 그러므로 운전중인 설비들의 실제효율과 터빈 사이클의 실제 성능 파라메타를 계산하기 위해서는 많은 운전데이터를 필요로 하며 성능 모니터링을 위한 최소한의 입력데이터는 터빈 사이클의 구조에 의존하게 된다. 운전데이터는 제어시스템(DCS) 또는 센서로부터 직접 수집된다. 대부분의 터빈 사이클에 적용할 수 있는 전형적인 운전데이터는 아래와 같다.·주증기 압력·주증기 온도·최종급수 유량(final feedwater flow or throttle steam flow)·급수가열기 급수 입출구온도(temperature of feedwater inlet & outlet)·재열증기 압력·재열증기 온도·콘덴서 압력·급수가열기 Shell 내의 온도·급수가열기 Shell 내의 압력·발전기 출력이상의 운전데이터를 이용하여 계산할 수 있는 성능 파라메타는 다음과 같다.·열소비율(Heat Rate)·터빈 사이클 효율(turbine cycle efficiency)·고압터빈 효율(HP turbine efficiency)·중압터빈 효율(IP turbine efficiency)·저압터빈 효율(LP turbine efficiency)·급수가열기 효율(feedwater heater performance (TTD&DCA))·급수펌프 및 급수펌프 구동터빈 효율(BEF & BFPT efficiency)그 외에 설비 경계에서의 압력, 온도, 유량 등의 증기물성 및 추기증기 유량 등을 계산할 수 있다.터빈 사이클의 설계성능 파라메타의 계산터빈 사이클 내의 각 설비는 증기조건 또는 운전조건에 따라 설계성능이 변하는 특성을 가지고 있다. 특히 증기터빈의 성능은 제어가 가능한 운전변수(controllable operating variables)에 따라 변하게 된다. 터빈 사이클의 설계성능은 증기조건이 달라졌을 때 각 설비의 설계성능을 예측하고 이러한 설비의 설계성능을 이용하여 터빈 사이클의 열정산(heat balance) 계산을 통해 예측할 수 있다.터빈 사이클의 설계성능을 나타내는 열소비율을 계산하는 방법은 다음과 같다.·Design Parameters of Equipment Turbine Cycle·Prediction of Turbine Design Performance·Design Heat balance Calculation for Turbine Cycle제어가 가능한 운전변수제어가 가능한 운전변수는 설비운영자에 의해 제어될 수 있는 운전조건을 의미한다. 특히, 증기터빈의 설계성능은 보일러와 같은 외부요인들에 의한 운전조건의 변화에 의존하게 된다. 이러한 운전변수는 터빈 사이클의 설계 열정산을 계산하기 위한 입력데이터로 사용된다. 제어가 가능한 운전변수는 다음과 같다.·주증기 압력·주증기 온도·주증기 유량·재열증기 온도·콘덴서 압력·과열 및 재열증기 분사유량(susperheat &reheat spray flow)설비의 설계 파라메타설비의 설계성능 역시 운전변수에 따라 변하게 되며 이러한 설계 파라메타는 터빈 사이클의 설계 열정산을 계산하기 전에 결정되어야 한다. 일반적으로 계산되어야 할 설계 파라메타는 다음과 같다.·고압터빈 첫 단의 효율(HP 1st stage efficiency)·급수가열기의 성능(feedwater heater performance, TTD & DCA)·급수펌프 및 급수펌프 터빈의 효율(BFP&BFPT efficiency)·터빈과 급수가열기 사이의 압력강하율(pressure drop between turbine and feedwater heaters)터빈 설계성능의 예측증기터빈의 설계성능은 제어가 가능한 운전변수에 따라 변하게 된다. 증기조건의 변화에 따른 터빈의 설계성능은 터빈 사이클의 설계 열정산을 계산하는데 있어 매우 중요하기 때문에 정확하게 예측되어야 한다. 터빈의 설계성능은 ASME 자료로부터 계산될 수 있다.(9) 예측된 설계성능과 성능시험 결과와의 차이는 교정되어야 한다. ASME 자료로부터 계산될 수 있는 설계 파라메타는 다음과 같다.·팽창선 효율·배기손실·Packing and Valve Stem Leakage Flows·기계적 손실(mechanacal Loss)·발전기 손실(generator Loss)터빈 사이클의 설계 열정산 계산터빈 사이클의 설계 열정산 계산은 제어가 가능한 운전변수만을 사용하여 설비의 설계성능의 계산을 통해 터빈 시스템 전체의 열평형을 계산하는 것이다. 이러한 계산을 통해 터빈 시스템 내의 각 설비 사이의 증기물성과 설계 성능 파라메타를 계산하며 최종적으로 설계 열소비율을 계산한다. 터빈 시스템 내의 실제성능과 설계성능과의 비교를 통해 성능저하를 탐자할 수 있고 성능저하의 정도를 정량적으로 계산할 수 있다. 계산된 설계성능 파라메타는 다음과 같다.·설계 열소비율(design heat rate)·설비의 설계성능(design efficiency of equipment in Turbine Cycle)·설계 출력(design generator load)실증시험터빈 사이클의 구조 및 사양개발된 실시간 모니터링 터빈 성능진단시스템(Effipro)을 삼천포 화력 #4 증기 터빈 시스템에 설치하여 실증시험을 수행하였다. 삼천포 #4 증기터빈은 정격출력이 550MW이고, 1982년도에 상업운전을 시작하였으며, Tandem-compound Four flow Single Reheat Steam Turbine이다. 터빈은 고압 및 중압터빈 그리고 2개의 LP 터빈 Casing을 가지고 있고, 7개의 급수가열기로 구성되었으며 최종익의 직경은 33.5인치이다. 터빈 시스템의 구조를 <그림1>에 보여준다.

정격운전 조건에서의 증기조건은 다음과 같다.·주증기 압력:169.77 kg/cm2·주증기 온도:537.8℃·주증기 유량:1,660,043 kg/hr·재열증기 온도:537.8℃·콘덴서 압력:1.5 inHg(abs.)운전데이터의 수집삼천포#4 발전설비에는 제어시스템(Bailey-INFI 90)과의 원활한 통신을 위해 TenoreNT 시스템이 설치되어 있다. TenoreNT는 제어시스템으로부터 아날로그 및 디지털 운전데이터를 수집하고 데이터의 분석과 계산을 위해 데이터베이스 관리 및 응용프로그램 인터페이스(API)를 제공하고 있다. EffiPro 시스템은 실시간 데이터베이스(RTDB) 내에 저장되어 관리되는 TenoreNT의 API 기능으로부터 운전데이터를 취득한다.취득된 운전데이터는 3분동안 EffiPro 내에 저장되고 안정적으로 성능 파라메타를 계산하기 위해 3분 동안의 평균값을 사용하며 계산된 성능 파라메타를 매 3분 동안 스크린 화면에 보여준다.실증시험의 결과 및 분석<그림2>에 주증기 유량의 변화에 따라 설계 열정산을 통해 계산된 설계 열소비율과 건설 후 수행된 성능시험으로부터 수행된 열소비율의 변화를 보여준다. 주증기 유량이 800~1,800 ton/hr의 범위에서 설계 열소비율과 성능시험의 열소비율과의 차이가 0.1~0.4%의 오차를 보여주고 있어 설계열정산에 의한 열소비율의 계산이 매우 정확한 것으로 나타났다. EffiPro 시스템의 실증시험은 2005년 2월 이후 수행되어 왔으며 <그림3>은 2주 동안 시험결과로부터 얻어진 실제 및 설계데이터를 보여준다. 운전시간에 따라 주증기 유량의 변화를 <그림3>의 상단에서 보여주고 발전기의 실제출력 및 설계 예측출력을 <그림3>의 중간에서 보여주며 실제 및 설계 열소비율의 변화를 <그림3>의 하단에서 보여준다.여러 증기조건에서 전반적으로 실제 및 설계 예측출력은 일정한 간격을 유지하였으나 저출력에서 실제출력과 설계예측출력 사이의 간격이 약간 증가하는 것으로 나타났다. 실제 열소비율과 설계 열소비율 사이의 경향은 유사하였으나 저출력에서 실제 열소비율이 설계 열소비율에 비해 매우 높게 나타났다.<그림4>에 주증기 유량의 변화에 따른 실제 열소비율과 설계 열소비율의 변화를 보여준다. 저출력에서 실제 열소비율이 설계 열소비율에 비해 매우 높게 나타난 것으로 보아 저출력에서 터빈 사이클의 성능저하가 발생된 것으로 추정된다.<그림5>는 운전시간에 따라 각각 고압(HP) 터빈, 중압(IP) 터빈 그리고 저업(LP) 터빈의 효율 변화를 보여준다. 주증기 유량이 감소함에 따라 고압터빈의 실제 및 설계 효율 사이의 간격이 항상 일정하였으므로 고압터빈에서 성능열화는 발생되지 않은 것으로 나타났다. 반면에 중압터빈의 실제효율은 설계효율에 비해 출력의 변동에 따라 급격한 변화를 보여주었고, 저압터빈의 효율은 저출력에서 설계효율과 반대되는 경향을 보여주었다.<그림6>은 운전시간에 따라 고압터빈, 중압터빈 그리고 저압터빈의 실제출력 및 설계 예측출력의 변화를 각각 보여준다. 증기조건의 변화에 관계없이 고압터빈과 중압터빈의 실제출력과 설계 예측출력 사이의 간격변화는 거의 없었으나 저압터빈에서는 저출력에서 실제출력과 설계 예측출력 사이의 간격은 증가하는 것으로 나타났다. 그러므로 단순하게 터빈의 내부효율만을 고려한다면 저압터빈에서 성능저하가 일어난 것으로 판단되지만 본 시스템에서 터빈 End Point의 엔탈피를 <식1>로 계산하였는데 <식1>로 계산할 경우 Spray 유량이나 계기에 나타나지 않은 사이클 누설이 발생될 경우 TBN End Point의 엔탈피가 증가함으로써 저압터빈의 효율이 감소할 수 있다.여기서 H TBN End Point : TBN End Point에서의 엔탈피(kcal/kg)그러므로 저출력에서의 터빈 사이클의 성능열화는 Spray 유량이나 계기에 나타나지 않은 사이클 누설에 의한 원인일 가능성이 높은 것으로 추정되며, 일단은 저출력 운전은 지양하고 적어도 1,500 ton/hr 이상의 주증기 유량으로 운전할 필요가 있다.이상의 분석결과로부터 설계 열정산으로부터 계산된 설계성능 파라메타는 운전데이터로부터 계산된 실제 성능 파라메타와 매우 일치하는 경향을 보여주었고 운전중 실시간 성능진단이 가능한 것으로 나타났다. 그러므로 EffiPro 시스템은 터빈 사이클의 성능저하에 대한 정량적인 분석에 사용될 수 있을 것으로 사료된다.

터빈성능진단 시스템의 구조터빈성능진단시스템은 <그림7>에 보여주는 것처럼 성능모니터링, 최적운전 그리고 성능분석 모듈 등으로 구성되어 있다. 성능모니터링 모듈은 매3분 마다 운전데이터로부터 계산된 터빈 사이클 내의 실제 및 설계성능 파라메타를 실시간으로 보여준다. 최적운전 모듈은 성능 모니터링 모듈에서 계산된 실제 및 설계 성능 파라메타 중에서 고압, 중압, 저압, 배기손실, 콘덴서 압력 그리고 열소비율을 보여준다. 성능분석 모듈에서는 터빈, 급수가열기 그리고 펌프 등 터빈 사이클 내의 설비의 개선에 따른 열소비율의 변화를 5분내에 계산할 수 있다.실제 및 설계 성능 모니터링성능 모니터링 모듈은 <그림8>에 보여주는 것처럼 실제 및 설계 성능 파라메타를 실시간으로 모니터링하는 기능을 보여준다. 실제 성능 파라메타는 터빈 시스템 내의 모든 운전데이터를 이용하여 계산하며 설계 성능 파라메타는 단지 제어가 가능한 운전변수만을 이용하여 설계 열정산을 통해 계산하게 된다.

최적운전터빈 시스템의 성능을 결정하는 주요 인자는 고압, 중압, 저압 터빈의 효율과 배기손실 등이다. 최적운전의 정도를 최적운전 모듈에서 감시할 수 있으며, 주증기 유량과 콘덴서 압력을 조정함으로써 효율을 향상시킬 수 있다. 성능분석터빈사이클 내의 설비의 성능열화의 정도를 정량적으로 계산함으로써 설비 운용자는 보수 및 교체와 같은 정비의 수행 여부를 결정해야 하며, 경제성 평가는 이러한 정비활동을 결정하는데 있어 필수적이다. 이러한 정비활동으로 인한 열소비율의 향상의 장도는 경제성 평가를 수행하기 위해 계산되어야 하고 이것은 터빈 사이클 열정산을 통해 얻어질 수 있다. 그러나 열정산 계산은 많은 시간과 비용을 필요로 하지만 성능분석 모듈에서는 설비운용자가 쉽게 계산될 수 있다.<그림9>에 삼천포 #4 증기터빈의 주증기 밸브에서 고압 첫 단 Shell까지 효율의 변화에 따른 열소비율의 변화를 성능분석 모듈을 사용함으로써 계산된 결과를 보여준다. 고압 첫단 효율이 60~80%까지 변할 때 열소비율은 1,926~1,915 kcal/kwh로 향상되었고, 열소비율은 고압 첫 단 효율 1% 당 0.03%로 나타났다.

결론실시간 감시가 가능한 터빈 성능진단시스템이 개발되었고, 개발된 시스템의 신뢰성과 성능을 검증하기 위해 실증 시험을 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.설계열정산을 이용한 설계 성능 파라메타는 증기조건과 관계없이 운전데이터로부터 측정하여 계산된 실제 성능 파라메타와 매우 정확하게 일치하였다. 또한 실제 및 설계 성능 파라메타와의 비교를 통해 정량적으로 터빈 사이클의 성능열화를 분석할 수 있고, 실시간으로 성능저하를 감시하는 데 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.