이번 글에서는 복합화력 발전소의 증기 터빈 바이패스 시스템의 설계시 고려하여 할 사항에 대한 이야기 입니다. 실업무 수행시 참고 사항이 되었으면 합니다.
증기 터빈(Steam Turbine) 바이패스 시스템 설계 및 고려사항 (II) [ Steam Turbine Bypass System Design Guide ]
복합화력 발전소의 증기 (HP/IP/LP) 바이패스 시스템은 발전소 기동 시, Load 변화 시 및 정지 (Normal & Emergency)시에 발전소의 운전을 원활하 게하고, 공급 된 Steam 이 외부로 방출되지 않도록 하여 응축수System 으로 회수하도록 하는 것이 주 목적이다.
다시 말해서, 증기터빈 바이패스 시스템은 ;
- 발전소 Initial Start up 시 GTG 의 경우는 시동 후 빠르게 부하 증가가 가능하지만, HRSG 의 Warm-up 및 Temperature Matching ( HRSG 튜브 재질에 대한 온도의 일치) 가 필요하기 때문에 이 목적을 위해서 사용되며,
- 시동 중 재열 (Reheat)시스템으로 증기 우회 운전이 가능하기 때문에 증기흐름과 더 높은 연료 증가율을 가능케 하며,
- 시동 시 보일러의 튜브 내부에서 발생되는 스케일을, HP 바이패스 시스템을 통해 우회 배출 되게 함으로써 스케일에
의한 Turbine Blade 마모 및 침식 손상으로부터 터빈 내부를 보호하며,
- 운전 중 부하 변동이 (Gird 및 플랜트 프로세스 변화, 등) 요구 될 때 사용되며,
(급격한 부하 변동 시 터빈 부하와 보일러 부하 사이에 큰 불균형이 발생 할 경우 터빈 바이패스 시스템을 사용하여
증기의 일부분을 재열 ( Reheat) 시스템 / 복수기(Condenser 로 우회함으로써 안정적으로 보일러 운전을 가능하게 함.)
또한, 터빈의 부하 변동이 요구되는 경우 보일러가 추종하지 못하는 부하 변동폭에 대하여, 터빈 바이패스 설비를 이용하여 양호한 부하 응답 특성을 얻을 수 있다.
(예를 들면, Gird 계통 사고로 인해 Gird 주파수 상승(Load 감소) 이 발생 했을 때, 터빈 TPS(Turbine Protection System) 는 과속 방지를 위해 보호 장치가 동작하며, 재열(Reheat) 증기 조절밸브(ICV)가 닫혀서 압력이 급격이 상승할 수 있으며, 이 때 바이패스 밸브는 제어 로직에 따라 Open 되여 증기를 우회시킴으로써, 보일러로 부터 터빈으로 유입되는 증기량이 감소시키고, 압력 상승을 제어한다.
변압운전(Sliding pressure operation)시 증기 헤더 압력변화(Pressure Ramping)에 따라, 바이패스 시스템은 Sliding ㅖPressure Ramping 를 추종하도록 압력값이 (Opening Reference Pressure Values) Setting 되어 보일러를 보호하며, 이 운전 Mode 에서는 헤더 압력이 설정값을 초과 할 경우 Opening 되어, 보일러의 유량을 일정하게 흐르게 함으로써 보일러 튜브쪽에 과열이 발생되지 않도록 한다.
- 발전소의 비정상적인 Process Upset 상황이 발생되었을 경우에도 헤더 압력 제어 및 증기 터빈을 보호하며, 추출 된
증기를 외부로 내보지 않고 응축수 (Condensating System) 시스템으로 회수되도록 한다.
- 결론적으로, 바이패스 시스템은 발전소 기동시 시간 단축, 부하 변동에 따른 원활한 운전성 확보 (발전소 운전의 신축 성 부여) , 보일러와 터빈의 독립 운전 가능 및 비정상적인 운전상황 발생시 발전소의 운전을 안전성을 확보하는
기능을 한다.
· MSS: Main Steam Stop Valve
· SPV : Spray Water Control Valve
· S : Turbine Stop Valve
· C : Turbine Control Valve
· I : Condenser element
· RFV : Reverse Flow Valve
· HPB : High Pressure Bypass Control valve
· LPB : Low Pressure Bypass Control Valve
· * : 일부 Desupereate는 별도의 Spray Water Control Valve 가 필요하지 않음. ㄴㅊ
[ From : ANSI/ISA-77.13.01-1999 - Fossil Fuel Power Plant Steam Turbine Bypass System, Conventional Type Boiler ]
1) 터빈 바이패스 시스템 설계 고려 사항 및 용량
1) 바이패스 밸브 용량은 정격 증기 압력 및 온도에서의 "BMCR의 %"로 표기됨.
2) HP 바이패스 설계 입구 압력 : 보일러 과열기 출구압력
3) LP 바이패스 설계 압력 : 재열기 출구 압력
4) 바이패스 시스템 밸브의 용량은, 보일러의 최소 연소율, 보일러 열관성, 현장 시운전 조건, 시동 조건,
부하 감발, 등 고려
5) 일반적으로 복합화력 발전소에서는 최대 부하에서 증기터빈 또는 발전기 Trip, Load Rejection (부하 차단)시 헤더에
설치 된 안전 밸브가 열리지 않도록 MCR 유량의 100%를 처리하도록 설계되어야 하면 세부적으로 고려사항은
아래와 같다.
• 운전 조건 : 밸브의 입구 및 출구 압력, 온도 및 유량조건
• 설계 압력 : 입구 및 출구의 최고 압력 고려
• 설계 온도 : 입구 및 출구의 최고 온도 고려
• 입구 배관 : 밸브 입구 직전 배관 내경과 같은 Size 사용
• 출구 배관 : 밸브 출구 직후 배관 내경과 같은 Size 사용
• Noise Level Limit: 최대 소음 수준 (ISA-S75.07-1997 참조)
• 밸브 leakage Class : 설계 온도/압력에서 V (TSO type)(ANSI/FCI 70.2)
• 밸브 작동 시간 : 최고 운전 압력에서 Full Open to Full Close 에 대한 시간, Quick Opening Device 가 고려되어야 함.
• Fail시 밸브위치 : Fail Closed (전기 Fault, Bad Quality, 기타 등등시)
• Condenser 배압 : IP/LP 바이패스 밸브는 Condenser 의 허용 배압 기준 확인필요
• 블록밸브 (차단밸브) : Leakage Class : V (TSO type) 가 되어야 하며, 밸브 내경은 바이패스 밸브 내경보다 크거나 같 아야 함.
• 일체형으로 Spray water control valve 가 제공되는 경우 물분사 시스템에 대한 평균 물방울 크기와 분포 및 증발 길이 (총 물방울 질량의 90%)에 대한 기술적인 사항을 밸브 공급업체로부터 확인받아 배관 설계에 반영 필요. (작동 중 Condensate 발생으로 인한 Water Hammering 예방)
2) 과열저감기(Desuperheater)
• 재질 : 운전 압력 온도를 고려하여 적절한 재질 선정
(내부 구성 요소의 재료는 지정 or 공급 업체 STD 적용, 별도의 Spec. 요구 조건이 있는 경우 고려되어야 함.)
• 형식 : 과열저감기의 형식 지정
• 설계 조건 : 과열 저감을 위한 설계 압력/유량/온도 지정
• 설치 위치 : 바이패스에 설치 위치 지정
• 기타 : 평균 액적(Droplet) 크기 및 분포, 증발길이에 대한 공급업체 자료 확인
• Connection End : 용접 끝단 or 플랜지 여부 결정 (Code 및 프로젝트 Spec. 에 준함)
3) 과열저감기(Desuperheater) 분무제어 밸브(Spray Water Control Valve)
• 설계 조건: 입구 및 출구 압력, 온도 및 유량 조건
• 설계 압력 : 입구 출구 최고 압력
• 설계 온도 : 입구 출구 최고 온도
• 입구 배관 : 밸브 입구 직전 배관 내경과 같은 Size 사용
• 출구 배관 : 밸브 출구 직후 배관 내경과 같은 Size 사용
• Noise Level Limit: 최대 소음 수준 (ISA-S75.07-1997 참조)
• 밸브 leakage Class : 설계 온도/압력에서 V (TSO type)(ANSI/FCI 70.2)
• 밸브 작동 시간 : 운전 압력/온도 에서 Full Open to Full Close 에 대한 시간,
(Full 스트로크 작동에 필요한 최대 시간)
• Control Rangeability : Turndown Ration 고려
• 블록밸브 (차단밸브) : Control Valve 입구/출구 내경과 동일해야 함
4) 기타 사항
• 저온 재열기 역지 밸브 (Cold Reheat Non-return valve) : TSO Leakage Class
• 복수기 (Condenser) Element : 유입압력으로 인한 충격과 부식에 견딜 수 있도록 고려되어야 함.
• Dump Tube 관련사항은 아래 사항이 고려되어야 함. ( Air Cooled Condenser Dump Tube 설치 Guideline)
