TM-42. LP 터빈성능 Model 要綱 ( 이탈성능 용 ) 2016. 7. 인터내셔날파워테크널리지 ( 주 )
순 서 1. LP 터빈최종단의비등압비특성 - - - - - - - - - - -1 2. LP 최종단기초자료 - - - - - - - - - - - - - - - - 2 3. LP 터빈효율 산출 가. LP 최종단 Annulus Area 속도 산출 - - - - - 3 나. 배출손실 (Exhaust Loss) 곡선 - - - - - - - - - - 4 다. UEEP 의 Enthalpy - - - - - - - - - - - - 5 라. LP 터빈효율 ( 산출 - - - - - - - - - - - - 6 4. 터빈 Model 에활용 가. 이탈성능 용터빈 Model - - - - - - - - - - - - 8 나. 제작사의 Heat Balance 자료 - - - - - - - - - - 8 다. Heat Balance Program - - - - - - - - - - - 9 라. LP 터빈운전조건과효율 - - - - - - - - - - - - 9 [ 별첨자료 1] 500MW 표준설비출력별주증기및위치별설계유량 - 11 [ 별첨자료 2] 500MW 표준설비출력별주증기및위치별설계압력 - 12
1. LP 터빈최종단의비등압비특성 TM-42. 는 "LP 터빈 Section의성능 Model 제작 " 에관한이론상의요약으로서 TM-41. 의 " 터빈유량관리 Section(HP 1단 ) 의성능 Model 제작요강 " 에이은두번째터빈 Section별성능 Model 제작요강이다. 주어진터빈설비에서터빈유량관리 Section(HP 1단 ) 과 LP 터빈 Section의설계성능 Model을만들수있다면, 실제로해당설비전체의설계 Model을만드는데어려움은대부분해결되는것이된다. 이들두 Section이바로잘알려진터빈의두 " 非等壓比단 " 의각각을가지고있다 : 이두 " 非等壓比단 " 의하나는주증기정압조건에서 Valve 개도로증기량을조절하는 HP 1단이고, 다른하나는복수기가설치된 Condensing LP 터빈의최종단을일컫는다. 이두위치의단에서는공통적으로운전중유량이변하면단의압력비와효율이동시에변하는특성을갖는다 (TM-20, 21, 22, TM-41). 따라서설비운전중에그유량에따라두 " 非等壓比단 " 이속한해당 Section의효율은계속산출되어야하며, TM-41에서 HP 1단이속한 " 유량관리 Section" 의효율을계속 On-line에서구하는절차를설명하였다. TM-42. 에서는 LP 최종단이속한 "LP 터빈 Section" 의효율을계속 On-line에서산출하는절차를설명한다. Condensing 장치를갖는 LP 터빈의증기는습분 (%) 을가진포화증기이고, 최종단에서발생하는배출손실은직접측정되지않는등의특수한사정으로 "LP 터빈효율 " 이정량적으로쉽게정의되지않는어려움이있다. 그러나많은현장실험을통하여그손실과효율을정하는, "ELEP-UEEP Enthalpy" 방법으로알려진, 간접적산출절차가개발되어있다 (KCC p90-96). TM-42. 에서는 "ELEP-UEEP Enthalpy" 방법을활용한다. 국내 500MW 표준설비설계자료를통하여, 운전중 LP 효율산출되는과정과결과를보여준다. - 1 -
2. LP 최종단기초자료 500MW 표준설비의설계자료 (Heat Balance Diagram) 로부터복수기유량에따르는 LP 터빈성능과관련된기초자료를다음과같이준비한다 ( 표 1.). 표 1. 500MW 표준설비 LP 최종단기초자료 [ 별첨자료 1] 및 [ 별첨자료 2 참조 ] 출력단위 (%) VWO(110) 100 75 50 30 주증기유량 복수기유량 3,757,727 3,335,116 2,398,835 1,564,134 980,271 2,084,178 1,890,637 1,459,072 1,033,505 695,315 LP 입구 Enthalpy 1,344.5 1,345.4 1,349.7 1,354.6 1,338.8 131.7 118.5 89.6 61.9 39.8 Isentrop. Enthalpy 1.74265 1.74347 1.78922 1.83404 1.86786 957.40 957.87 983.09 1,007.81 1,026.46 Annulus Area 66.1 985.3 991.2 1008.0 1030.1 1,046.3 ELEP 조건 (psia) 0.7368 444.8 Y(%) 11.15 10.59 8.98 6.85 5.3 Flow 수 4-2 -
3. LP 터빈효율 산출 가. LP 최종단 Annulus Area 속도 산출 식 (1) 로부터 A-A Velocity 을계산한다. - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - (1) 식 (1) 에서, LP 최종단 Annulus Area 최종단 복수기를통과하는증기유량 (lbs/hr) ELEP 압력에서건조증기비체적 (ft 3 /lbm) Y = ELEP 증기의습도 (%) Annulus area 면적 ( ) = LP 터빈 Flow의수 식 (1) 에서 은설비 LP 최종단을떠나는건조증기의시간당체적유량 (Volume Flow) 을, LP 최종단에서증기가통과하는총면적 (Total Annulus Area) 으로나눈값으로, 은 LP 최종단 "Doughnut" 형태의유로단면 (Annulus Area) 을통과하는증기의축 (Rotor) 방향가상속도이다. 식 (1) 에서사용한체적유량은복수기유량과복수기압력으로결정되므로, 실로 은주어진설비에서 LP 터빈의운전조건을의미한다. 식 (1) 에의한출력별 Annulus Area 속도 의결과는다음과같다 ( 표 2.): 표 2. Annulus Area 속도 출력 % VWO(110) 100 75 50 30 주증기유량 3,757,727 3,335,116 2,398,835 1,564,134 980,271 복수기유량 2,084,178 1,890,637 1,459,072 1,033,505 695,315 Annul Vel 865.3425 789.9326 620.5965 449.8743 307.6999-3 -
나. 배출손실 (Exhaust Loss) 곡선 설비의설계내용에따르는 " 배출손실 - " 의관계를알려주는자료 ( 배출손실곡선 ) 가 제작사에의하여제공된다. 500MW 표준설비배출손실곡선이그림 1. 에서보여진다. 관련되는설비사양 LP 최종단 Blade 길이 : 33.5 인치 Fow 당 Annulus Area : 66.1 그림 1. 배출손실곡선 -500MW 표준설비 표 3. 출력별배출손실, TEL( 그림 1.) 항목단위 (%) VWO(110) 100 75 50 30 Annul Vel 865.3425 789.9326 620.5965 449.8743 307.6999 TEL 17.8 13.2 8.5 11.5 26.5-4 -
다. UEEP의 Enthalpy ELEP(Expansion Line End Point) 가 LP 터빈팽창곡선끝점으로서 LP 터빈이 (Cross-over) Point로부터 ELEP에이르도록일을한다는생각은잘못된것이고, 실제로일이끝나는점은, 그림 2. 에서보이는 UEEP(Used Energy End Point) 이다 (KCC p90). ELEP는증기의정압이복수기압력이고동압은없는상태이고, UEEP는정압은 ELEP와같이복수기압력이나동압은최종단을떠나는증기가갖는 K.E. 값이다. 최종단을떠나는증기가갖는 K.E. 값은출력과상관이없는손실이다. 그림 2. ELEP 와 UEEP 사용에너지의끝점 (UEEP) 의 Enthaly 는다음식 (2) 에서구해진다 : - - - - - - - - - - - - - - - - (2) 식 (2) 에서, : 최종 " 가상단 " 습분 함수 UEEP 에서 Enthalpy ELEP 에서 Enthalpy - 5 -
배출손실 ( 그림 1.) UEEP 의 Enthalpy 는식 (2) 로부터다음과같이얻어진다 ( 표 4.): 표 4. 출력별 UEEP Enthalpy( ) 항목단위 (%) VWO(110) 100 75 50 30 ELEP 습분 Y(%) 11.15 10.59 8.98 6.85 5.3-1-0.0065Y 0.9275525 0.931165 0.94163 0.955475 0.96555-0.806969 0.8101136 0.8192181 0.8312633 0.8400285 0.716992 0.724323 0.745652 0.7743217 0.795507-12.7621 9.5611 6.3380 8.9047 21.0809 HBD 식 (2) H(Btu/lb) 985.3 991.2 1008.0 1030.1 1,046.3 H(Btu/lb) 998.0621 1000.7611 1014.3380 1039.0047 1067.3809 라. LP 터빈효율 ( 산출 LP 터빈효율 ( 은 LP 터빈 X-O Point 와 UEEP 사이에서다음식 (3) 으로부터 산출된다 : - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -(3) 식 (3) 에서, LP 터빈 Used Energy( 사용에너지 ) LP 터빈 Available Energy( 유용에너지 ) X-over에서 Enthalpy( 표 1.) 에서 Entropy선과복수기압력선과만나는점의 Enthalpy. 이 를구하는절차와결과가표 2. 에서보여진다. - 6 -
표 5. 출력별 LP 터빈효율, 출력 % VWO(110) 100 75 50 30 주증기유량 ( 지배적 ) 3,757,727 3,335,116 2,398,835 1,564,134 980,271 복수기유량 ( 종속적 ) 2,084,178 (55.46%) 1,890,637 (56.69%) 1,459,072 (60.82%) 1,033,505 (66.08%) 695,315 (70.93%) Annul Vel 865.3425 789.9326 620.5965 449.8743 307.6999 LP 입구 Enthalpy 1,344.5 1,345.4 1,349.7 1,354.6 1,338.8 H(Btu/lb) 985.3 991.2 1008.0 1030.1 1,046.3 H(Btu/lb) 998.0621 1000.7611 1014.3380 1039.0047 1067.3809 식 (3) 89.15 90.39 91.49 90.98 86.66 그림 5. - 7 -
그림 6. VAN vs. 4. 터빈 Model에활용가. 이탈성능 용터빈 Model 이탈성능 용터빈 Model은매우구체적목적을위한특수한 Model의경우이다. 그내용은현존설비의설계당시의 Model로서이미고정되어있다. 이 Model을제한된설계자료로부터 Computer 적으로재생시키어, 현재임의의운전조건에서현재존재하지않는假想的인설계성능을얻도록하는것이다. 나. 제작사의 Heat Balance 자료 제작사의 Heat Balance 자료는해당설비의설계자료를요약한것으로서몇개의 대표적인경우에다음의내용을유형별로담고있다 : (1) 지배적운전조건주증기의온도, 압력및유량 (2) 종속적운전조건주요위치별온도, 압력및유량 (3) 설비성능출력, Heat Rate 이제작사자료는해당설비의설계내용과설계성능을알려주는데, 해당설비의 Computer Model 을만드는데결정적인역할을한다. - 8 -
다. 전문 Heat Balance Program 제작사의 Heat Balance 자료가, 해당설비의대표적인지배적운전조건 ( 주증기유량, 압력등 ) 에서그종속적설계운전조건자료 (Local 유량과압력 ) 와설비의설계성능 (Heat Rate, 출력 ) 자료를제공하는데반하여, 非제작사의전문 Heat Balance Program 은해당설비에서나타나는임의의지배적운전조건에대한설계자료 ( 종속적운전조건및성능 ) 를제공하는중요한보조적수단의기능을갖는다. 전문 Heat Balance Program 은다음의설계자료의입력과 Tuning 으로구체적인 설비의 Model Program 이되어활용된다 : (1) 해당설비의유형자료및각종보조설비의설계자료 (2) VWO에서지배적및종속적운전조건설계자료 (3) VWO 이외의다른지배적운전조건에딸린종속적운전조건에서만족하도록 Tuning 결과적으로제작사가발전소에제공하는설계자료를통하여알려지는, 각출력 ( 예를들면 VWO, 100%, 75%, 50%, 30%) 별지배적운전조건에서모든종속적운전조건자료 ( 주요위치에서유량, 압력등 ) 를재생할수있어야한다 ( 별첨자료 1. 및 2. 참조 ). 최근에출시되는전문 Heat Balance Program 들은이기능을수행한다고알려져있다. 이러한요건을만족시키는 Program 의선정은성공적인 이탈성능 용터빈 Model을만드는데필수, 불가결의과제이다. 라. LP 터빈운전조건과효율 LP 터빈효율산출에필요한 LP 터빈운전조건은 LP 터빈입구의증기조건 과복수기유량 등이포함된다. 이들은, 앞에서설명한데로, 지배적운전조건에따라산출되는데순전히전문 Heat Balance Program 의몫이다. Heat Balance Program 에의하여 LP 터빈운전조건이알려지면, LP 터빈 효율 ( 은이번 TM-42. 의표 1. 표 5. 에서보여주는과정에따라산출된다. LP 터빈효율 ( 산출주요단계 : 1 단계. 주증기조건 ( 압력과온도 ) 과유량을 On-line 에서 Monitoring. - 9 -
2 단계. 전문 Heat Balance Program 을통하여 와복수기유량 산출. 3 단계. TM-42. 의표 1. 표 5. 에서보이는절차를따라 및 산출. LP 터빈효율산출되면, 실측성능과비교하여이탈성능 ( 와 ) 을구한다. LP 터빈효율에오류가있으면이탈성능 ( 와 ) 에상당한영향을준다. 1% 의 LP 터빈효율만의오류로, LP 터빈의출력구성율에따라, 0.43% 에서 0.5% 범위의이탈성능 (, ) 오류를가져올수있다 (KCC p347).( 끝 ). - 10 -
[ 별첨자료 1] 500MW 표준설비출력별주증기및위치별설계유량 ( 설비공급계약서참조 ) 터빈내위치 VWO 100% 75% 50% 30% 주증기 3,757,727 (100%) 3,335,116 (100%) 2,398,835 (100%) 1,564,134 (100%) 980,271 (100%) N2 Pkg. 50,176 (1.0335%) 44,519 (1.3349%) 32,012 (1.3345%) 20,873 (1.3345%) 13,084 (1.3347%) HP Extr1 311,698 (8.2949%) 257,070 (7.7080%) 159,902 (6.6658%) 89,083 (5.6954%) 49,120 (5.0109%) HP Extr2 377,849 (10.0553%) 325,878 (9.7711%) 209,864 (8.7486%) 118,092 (7.5500%) 63,314 (6.4588%) CRHT 2,991,603 (79.6120) 2,682,773 (80.4402%) 1,978,357 (82.4716) 1,323,871 (84.6392%) 847,345 (86.4399%) HRHT 2,999,035 (79.8098%) 2,690,381 (80.6683%) 1,984,540 (82.7293%) 1,327,900 (84.8968%) 849,703 (86.6804%) IP Extr1 121,654 (3.2374%) 105,372 (3.1595%) 71,984 (3.0001%) 44,091 (2.8189%) 25,974 (2.6497%) IP Extr2 108,828 (2.8961%) 94,742 (2.8407%) 64,991 (2.7093%) 39,562 (2.5293%) 23,081 (2.3546%) BFP 208,198 (5.5405%) 187,348 (5.6174%) 113,094 (4.7145%) 51,419 (3.2874%) 21,181 (2.1607%) LP X-O 2,607,311 (69.3853%) 2,344,543 70.2987%) 1,764,304 (73.5484%) 1,212,294 (77.5058%) 791,573 (80.7504%) LP Exh 2,084,178 (55.4638%) 1,890,637 (56.6888%) 1,459,072 (60.8242%) 1,033,505 (66.0752%) 695,315 (70.9309%) - 11 -
[ 별첨자료 2] 500MW 표준설비출력별주증기및위치별설계압력 ( 설비공급계약서참조 ) 터빈내위치 VWO 100% 75% 50% 30% 주증기 3,514.7 3,514.7 2,860.2 1,914.6 1,152.6 Bowl 3,409.3 (3% ) 3,409.3 (3% ) 2,774.4 (3% ) 1,857.2 (3% ) 1,118.0 (3% ) HP 1 단 2,309.0 (34.3% ) 2,309.0 (34.3% ) 1,683.5 (41.1% ) 1,128.0 (41.1% ) 723.9 (37.2% ) HP Extr1 1,035.7 915.9 676.1 458.0 296.3 HP Extr2 639.2 574.0 424.6 285.0 179.5 CRHT 639.2 574.0 424.6 285.0 179.5 HRHT(PIV) (PB) 581.6(9.9% ) 570.0(2% ) 522.3(9.9% ) 511.9(2% ) 386.4(9.9% ) 378.7(2% ) 259.3(9.9% ) 254.1(2% ) 163.4(9.9% ) 160.1(2% ) IP Extr1 246.4 221.6 164.3 110.6 69.8 IP Extr2 135.7 122.2 92.3 63.8 41.0 BFP 131.7 118.5 89.6 61.8 39.8 LP Bowl 131.7(3% ) 118.5(3% ) 89.6(3% ) 61.9(3% ) 39.8(3% ) LP Exh 1.5 inhga 1.5 inhga 1.5 inhga 1.5 inhga 1.5 inhga - 12 -