KR20130105628A - 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 조절 방법 - Google Patents

Abstract

유동 경로(2)를 형성하고 유동 매체(M)가 관류하는 복수의 절탄기 가열 표면, 증발기 가열 표면 및 과열기 가열 표면(4)을 구비한, 상류에 연결된 폐열 증기 발생기(1)를 이용하여, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 조절 방법이며, 이때 한 압력단에서 유동 매체(M)가 유동 경로(2)로부터 분기되어 유동 매체 측에서 각각의 압력단의 2개의 과열기 가열 표면들(4) 사이에서 유동 경로 내로 분사되며, 사전 설정된 온도 설정값으로부터 각각의 입력단의 과열기 가열 표면이면서 유동 매체 측에서 마지막인 상기 과열기 가열 표면의 배출 온도의 편차에 대한 특징을 나타내는 제1 특성값이, 분사되는 유동 매체(M)의 양에 대한 조절 변수로서 이용되는, 상기 조절 방법은, 증기 프로세스의 효율을 과도하게 저하시키지 않아야 한다. 이와 동시에 단기간 출력 상승은 폐열 증기 발생기의 구조 형상과 무관하게 전체 시스템에 대한 지나친 구조 변경 없이 가능해야 한다. 이를 목적으로, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 위해, 온도 설정값이 감소되고 특성값은 온도 설정값이 감소되는 시간 동안 일시적으로 편차에 대해 초과 비례적으로 증가된다.

Description

증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 조절 방법{METHOD FOR REGULATING A SHORT-TERM POWER INCREASE OF A STEAM TURBINE}

본 발명은, 유동 경로를 형성하고 유동 매체가 관류하는, 복수의 절탄기 가열 표면, 증발기 가열 표면 및 과열기 가열 표면을 구비한, 상류에 연결된 폐열 증기 발생기를 이용하여 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 조절 방법에 관한 것이며, 이때 한 압력단에서 유동 매체가 유동 경로부터 분기되어 유동 매체 측에서 각각의 압력단의 2개의 과열기 가열 표면들 사이에서 유동 경로 내로 분사되며, 사전 설정된 온도 설정값으로부터, 각각의 압력단의 과열기 가열 표면이면서 매체 흐름 측에서 마지막인 상기 과열기 가열 표면의 배출 온도의 편차에 대한 특징을 나타내는 제1 특성값이, 분사되는 유동 매체의 양에 대한 조절 변수로서 이용된다.

폐열 증기 발생기는 가열 가스 흐름으로부터 열을 회수하는 열 교환기이다. 폐열 증기 발생기는 종종 전력 생성을 위해 이용되는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비(Combined Cycle Power Plant)에서 이용된다. 이 경우 오늘날의 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비는 통상적으로 1개 내지 4개의 가스 터빈과 하나 이상의 증기 터빈을 포함하고, 각각의 터빈은 각각의 제네레이터를 구동하거나(다축형 설비), 또는 하나의 가스 터빈이 공동의 샤프트 상에서 증기 터빈과 함께 단일의 제네레이터를 구동한다(일축형 설비). 이 경우 가스 터빈의 가열 배기가스는 폐열 증기 발생기에서 수증기를 생성하기 위해 이용된다. 이어서 증기는 증기 터빈으로 공급된다. 통상적으로 전기 출력의 약 2/3가 가스 터빈에 할당되고, 1/3은 증기 프로세스에 할당된다.

또한, 증기 터빈의 다양한 압력단과 유사하게, 폐열 증기 발생기는, 각각 내포된 물-증기 혼합물의 상이한 열적 상태를 갖는 압력단을 복수 개 포함한다. 제1 (고압) 압력단에서는 유동 매체가 자체의 유동 경로 상에서 우선 유동 매체를 예열하기 위해 잔열을 이용하는 절탄기를 관류하고, 이어서 증발기 및 과열기의 가열 표면들의 상이한 단계들을 관류한다. 증발기 내에서는 유동 매체가 증발되고, 그런 후에 경우에 따르는 잔류 수분이 분리 장치에서 분리되며, 잔존하는 증기는 과열기 내에서 계속하여 가열된다. 그런 후에 과열된 증기는 증기 터빈의 고압부 내로 유입되어, 이 고압부에서 팽창되고, 증기 발생기의 후속하는 압력단으로 공급된다. 상기 압력단에서 증기는 다시 과열되고 증기 터빈의 후속하는 압력 섹션으로 공급된다.

과열기로 전달되는 열 출력은 부하 변동으로 인해 강한 영향을 받을 수 있다. 그러므로 빈번하게 과열 온도를 조절해야 한다. 이는 새로운 설비의 경우 대부분 냉각을 위해 과열기 가열 표면들 사이에 급수를 분사하는 것을 통해 달성되는데, 다시 말하면, 과류 라인이 유동 매체의 주요 흐름으로부터 분기되어 이에 상응하게 배치되는 분사 밸브들로 이어진다. 이 경우 분사는 통상적으로 과열기의 배출부에서 사전 설정된 온도 설정값과 상이한 온도 편차에 대한 특징을 나타내는 특성값을 통해 조절된다.

최근의 발전 설비에서는 높은 효율이 요구될 뿐 아니라, 가능한 유연한 작동 방식도 요구된다. 이와 같은 요건에는 짧은 개시 시간 및 빠른 부하 변동 속도 외에도 전류 접속 네트워크 내의 주파수 장애를 보상하기 위해 가능한 수단도 속한다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해, 발전 설비는 예컨대 5% 이상의 추가 출력을 수 초 이내에 제공할 수 있어야 한다.

이는 지금까지의 종래의 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비에서는 대체로 가스 터빈의 부하 상승을 통해 구현된다. 그러나 어떤 경우에는 특히 높은 부하 영역에서 원하는 부하 상승이 가스 터빈만으로는 제공될 수 없을 수도 있다. 따라서, 증기 터빈이 마찬가지로 처음 몇 초간의 주파수 보조에 추가로 기여할 수 있으며 기여하게 되는 해결책들도 점차 등장하게 된다.

이는 예컨대 이른바 스텝 밸브 또는 증기 터빈의 부분적으로 스로틀링되는 터빈 밸브들을 개방하는 것을 통해 이루어질 수 있으며, 그럼으로써 증기 터빈의 전방에서 증기 압력이 감소된다. 그럼으로써 증기는 상류에 연결된 폐열 증기 발생기의 증기 저장기로부터 릴리즈되어 증기 터빈으로 공급된다. 상기 수단을 통해, 수 초 이내에 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 증기부 내에서 출력 상승이 달성된다.

이러한 부가 출력은 상대적으로 짧은 시간에 릴리즈될 수 있으며, 그럼으로써 가스 터빈을 통한 지연된 출력 상승은 (구조 및 작동 조건에 기반하는 최고 부하 변동 속도에 의해 제한되면서) 적어도 부분적으로 보상될 수 있게 된다. 전체 블록은 상기 조치를 통해 직접적으로 출력 점프를 수행하며, 그리고 가스 터빈의 후속하는 출력 상승에 의해서는, 예비 출력이 추가로 요구되는 시점에 부분 부하 영역에 설비가 위치해 있다는 전제 조건에서, 상기 출력 수준이 지속적으로 유지되거나 초과될 수 있다.

그러나 예비량을 유지하기 위한 터빈 밸브들의 영구적인 스로틀링은 항상 효율 손실을 초래하며, 그럼으로써 경제적인 운영을 위해 스로틀링율은 반드시 필요한 정도로만 낮게 유지되어야 한다. 그 외에 몇몇 구조 형상의 폐열 증기 발생기, 예컨대 강제 순환식 증기 발생기는 경우에 따라 예컨대 자연 순환식 증기 발생기보다 훨씬 더 작은 저장기 용적을 포함한다. 저장기 크기의 차이는 상술한 방법에서 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비의 증기부의 출력 변화 시 거동에 영향을 준다.

그러므로 본 발명의 과제는, 증기 프로세스의 효율이 과도하게 저하되지 않는, 상류에 연결된 앞서 언급한 유형의 폐열 증기 발생기를 이용하여, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 조절 방법을 제시하는 것에 있다. 이와 동시에 또 다른 목적은, 단기간 출력 상승이 폐열 증기 발생기의 구조 형상과 무관하게 전체 시스템에 대한 지나친 구조 변경 없이 가능해지도록 하는 것에 있다.

상기 과제는 본 발명에 따라서, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 위해, 온도 설정값이 감소되고 특성값은 온도 설정값이 감소되는 시간 동안 일시적으로 편차에 대해 초과 비례적으로 증가됨으로써 해결된다.

이 경우 본 발명은, 급수의 추가적인 분사가 신속한 출력 변화에 추가로 기여할 수 있다는 고려 사항을 기초로 한다. 다시 말해 과열기의 영역에서 상기 추가 분사를 통해서 증기 유동량이 일시적으로 증가될 수 있다. 이 경우 분사는, 온도 설정값이 감소되면서 야기된다. 온도 설정값의 점프는 상응하는 특성값을 통해, 조절기로 하여금 분사 밸브의 개방도를 변경하게끔 하는 조절기 편차의 점프에 연결된다. 그에 따라 증기 터빈의 출력 상승은 정확히 상기 유형의 조치에 의해, 다시 말해 온도 설정값의 갑작스러운 감소에 의해 실현될 수 있다.

그러나 상기 출력 상승과, 그에 따른 분사 유동량은 가능한 한 신속하게 제공되어야 한다. 그러나 이 경우, 비록 통상적인 부하 작동 상태에서 바람직하기는 하지만, 빠르게 제공되어야 하는 출력 상승의 경우에는 바람직하지 못한 사항으로 분사 유동량의 과도하게 빠른 변경을 방해하는, 조절 시스템의 완화 특성이 장애가 될 수 있다. 그러므로 조절은 단기간 출력 상승의 경우에 대해 이에 상응하게 매칭되어야 한다. 이는 특히 간단한 방식으로, 분사 유동량에 대한 조절 신호가 그에 상응하게 증폭되면서, 더욱 정확하게 말하면 목표하는 단기간 출력 상승의 시간 동안에 증폭되면서 가능해진다. 이를 위해, 사전 설정된 온도 설정값으로부터 유동 매체 측에서 마지막인 과열기 가열 표면의 배출 온도의 편차에 대한 특징을 나타내는 특성값이 온도 설정값이 감소되는 시간 동안에 일시적으로 편차에 대해 초과 비례적으로 증가된다.

앞서 기재한 방법에 따라서, 상응하는 조절 시스템에서는 감산기 부재를 통해서 목표하는 증기 온도와 측정된 증기 온도 간의 설정값 - 실제 값 비교가 실행된다. 각각 이용되는 조절 컨셉에 따라서, 상기 신호는, 직후에 입력 신호(조절 편차)로서 예컨대 PI 조절기로 전달되기 이전에, 재차 프로세스로부터의 추가 정보에 의해 추가로 수정될 수 있다. 바람직하게는 추가로 유동 매체의 분사 지점 직후의 온도, 다시 말하면 마지막 과열기 가열 표면의 유입부에서의 온도가 조절 변수로서 이용될 수 있다. 상기 유형의 이른바 이중 회로 조절의 경우 조절기 간섭을 통해 이루어지는 분사 유동량의 갑작스런 변경은 약화된다. 상기 상황에서는 신속한 간섭에 최적화된 조절이 오버슈트의 방지를 통해 안정화될 수 있다.

그러나 분사 시스템을 통한 신속 예비량의 제공을 위해 이중 회로 조절의 상기 완화 작용은 오히려 장애가 된다. 그러므로 특히 이중 회로 조절의 경우 특히 바람직하게는 특성값의 상술한 증폭식 매칭을 실행한다. 다시 말하면, 이로 인해 발생하는 증가로서, 사전 설정된 설정값에 대비되는 실제 온도의 편차의 조절 측의 인위적인 상기 증가에 의해서는, 이중 회로 조절의 경우, 마지막 과열기 가열 표면들의 유입부에서의 온도, 다시 말하면 분사 지점 직후의 온도에 의한 후속 보정이 비교적 적어지는 점이 달성된다. 그럼으로써 더욱 큰 조절 편차가 잔존하며, 이런 조절 편차는 직접적으로 더욱 강력한 조절기 응답, 다시 말하면 분사 유동량의 더욱 큰 증가를 초래하는데, 이런 점은 상기의 경우에 목표되는 사항이다. 그러나 특성값이 온도 설정값이 감소되는 시간 동안에만 일시적으로 초과 비례적으로 증가됨으로써, 상기 초과 증가의 영향은 다시 사라지며, 그럼으로써 설정값을 통해 설정된 증기 온도가 또한 실제로 달성될 수 있게 된다. 그에 따라 허용되지 않는 증기 온도 강하를 방지하는 이중 회로 조절의 장점은 여전히 유지된다.

특히 간단한 방식으로 특성값의 일시적인 증가는, 바람직하게는 설정값으로부터 온도의 편차에 대한 특징을 나타내는 특성값이, 상기 편차와, 온도 설정값의 시간별 변화량에 대한 특징을 나타내는 제2 특성값의 합으로부터 구해지면서 생성될 수 있다. 이 경우 특히 바람직한 구현예에 따라서 제2 특성값은, 실질적으로 증폭 계수로 곱해지는, 온도 설정값의 시간별 변화량이다. 이는, 조절 기술 측면에서, 사전 설정된 증기 온도 설정값이 1차 미분 부재의 입력 신호로서 이용되고 상기 부재의 출력 값은 가열 표면 배출부에서 측정된 온도와 사전 설정된 온도로부터 발생하는 차이의 적합한 증폭 이후에 감산되면서 실현된다. 그럼으로써 편차의 목표하는 인위적인 증가는 특히 간단하게 실현되며, 추가의 1차 미분 부재를 통해서는 분사 유동량과 그에 따라 증기 터빈을 통해 추가로 릴리즈되는 출력이 훨씬 더 빠르게 상승된다.

미분 특성을 바탕으로, 다시 말하면 설정값의 시간별 변화량만을 고려하여, 시간이 계속 흐름에 따라 전체 시스템에 대한 상기 유형의 조절의 영향은 감소한다(소실 펄스). 이는, 미분 부재가 조절 편차에 추가로 영향을 미치지 않으며, 설정값을 통해 설정된 실제 온도도 달성된다는 점을 의미한다. 또한, 증기 온도의 설정값이 변경되지 않는 경우(통상적인 부하 작동 상태에서 보통의 경우)에도, 상기 유형의 구현예는 나머지 조절 구조에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 그에 따라 통상적인 부하 작동 상태에서 상기 추가의 미분 부재를 포함하는 조절 구조와 상기 추가의 미분 부재를 포함하지 않는 조절 구조 간의 증기 온도 조절의 조절 거동에서는 어떠한 차이도 발생하지 않는다.

바람직한 구현예에 따라서, 특성값들 중 하나의 특성값의 매개 변수는 설비별로 특유하게 결정된다. 다시 말하면, 증폭의 수준, 미분 부재의 매개 변수 등은 특별히 개별적인 경우에 관련된 설비에 따라서 결정되어야 한다. 이는 예컨대 사전에 시뮬레이션 계산에 의해, 또는 조절을 개시하는 동안에 이루어질 수 있다.

오늘날 통상적으로 이용되는 폐열 증기 발생기들의 경우, 유동 매체 측에서 과열기 가열 표면들의 후방에서 유동 경로 내로 분사가 이루어진다(최종 분사). 그러나 앞서 기재한 사항으로 과열기 가열 표면들 사이에 배치되는 분사(중간 분사)의 이용은 예비 출력을 제공하기 위한 이용 시 더욱 높은 에너지 수득율을 나타내는데, 그 이유는 여기에서만 흐름 방향 아래쪽에 위치하는 가열 표면들 내에 저장되는 열 에너지의 목표하는 활용이 이루어질 수 있기 때문이다. 그러나 이는 시스템에 따라서, 추가의 중간 분사가 증기 터빈에서 추가의 출력의 형태로 감지될 때까지 얼마 동안 시간이 소요되는데, 그 이유는, 맨 처음 전체 과열기 경로가 흐름 방향에서 중간 분사의 아래쪽에서, 터빈 유입부에서 추가의 분사의 결과로 증가된 증기 유동량이 감지될 수 있기 전에, 충전되어야만 하기 때문이다.

이런 이유에서, 바람직하게는, 최종 분사와, 그에 따라 증기 터빈으로 향하는 신선한 증기 라인의 증기 라인 파이프 벽에 저장된 열 에너지도 이용한다. 다시 말해, 최종 분사는 상기 신선한 증기 라인 내로의 유입부에 직접 배치된다는 사실을 바탕으로, 반응은 직접적으로 이루어지며, 다시 말하면 최종 분사의 분사 조절 밸브의 개방 시 터빈 유입부에서는 상대적으로 빠르게 더욱 높은 증기 유동량이 인가되고, 그에 따라 신속한 출력 상승이 이루어지게끔 한다. 그러나 이는 신선한 증기 라인의 열 저장기가 본 적용 사례에 대해 아직 완전하게 사용되지 않는 점에 한해서만 기능하지만, 중간 분사를 통해 추가로 획득된 출력이 효과를 발휘할 때까지는, 상기 저장기만으로도 충분한 것으로 기대된다. 이는 구체적으로, 중간 분사의 부동 시간 또는 반응 시간이 신속 예비량 제공의 관점에서 최종 분사의 편입을 통해 효율적으로 보상될 수 있다.

또한, 이를 위해, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 위한 최종 분사 시에도, 여기서도 분사되는 유동 매체(M)의 양에 대한 조절 변수로서 이용되는 온도 설정값은 감소된다. 그러나 이런 변경은 종래의 시스템에서는 (조절 기술 측면에서 예컨대 PTn 부재를 통해) 어느 정도 시간 지연되어 적용된다. 상기 시간 지연은 중간 분사와 최종 분사 사이에서 과열기 경로의 시간별 거동을 모델링 하는데, 다시 말하면, 시간 지연은 바람직하게는 과열기 가열 표면들을 통과하는 유동 매체(M)의 관류 시간과, 두 분사 지점 사이에서 상기 관류 시간의 열적 거동에 대한 특징을 나타낸다. 이런 상황에서 최초 중간 분사 조절 밸브가 개방되는데, 그 이유는 상기 중간 분사 조절 밸브가 우선에 온도 설정값의 변경이 이뤄지기 때문이다. 유입되는 분사량으로 인해서는 과열기 경로의 시간 거동과 더불어 최종 분사 이전에 온도가 감소된다. 그에 따라 통상적으로 가장 바람직한 경우에 최종 분사는 활성화되지 않으며, 이런 점은 소정의 상황에서 통상적인 작동 상태에서는 바람직하다. 그러나 이후 최종 분사가 언급한 장점들을 바탕으로 이용되어야 한다면, 상기 최종 분사는 할당된 특성값에 설정값 변경이 적용된 직후에 활성화되어야 한다. 이를 위해 바람직하게는 특성값의 결정 시 온도 설정값의 시간 지연은 비활성화된다.

그러나 상기 조치를 위해서는, 최종 분사가 분사 품질의 관점에서 최적화됨으로써, 미세한 분무가 생성되는 점이 보장되어야 한다. 그럼으로써 큰 물방울이 증기 터빈 내로 유입되어 증기 터빈을 손상시킬 수 있는 점은 방지된다. 분무가 그에 상응하게 미세한 경우 모든 물방울은 이미 증기 터빈에 도달하자마자 곧바로 증발된다.

바람직한 구현예에 따라서, 유동 경로를 형성하고 유동 매체가 관류하는 복수의 절탄기 가열 표면, 증발기 가열 표면 및 과열기 가열 표면을 구비한, 폐열 증기 발생기에 대한 조절 시스템은 본원의 조절 방법을 실행하기 위한 수단들을 포함한다. 추가의 바람직한 구현예에 따라서, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 위한 폐열 증기 발생기는 상기 유형의 조절 시스템을 포함하며, 그리고 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비는 상기 유형의 폐열 증기 발생기를 포함한다.

본 발명으로 달성되는 장점들은 특히, 분사 조절 방법을 이용하는 조건에서 증기 온도 설정값의 목표하는 감소를 통해, 흐름 방향에서 분사의 후방에 위치하는 금속 물질 내에 저장되는 열 에너지가 증기 터빈의 일시적인 출력 상승을 위해 이용될 수 있다는 점에 있다. 이 경우 상술한 매칭된 조절 방법이 적용된다면, 증기 온도 설정값의 갑작스러운 감소의 경우에 분사 시스템에 의해 훨씬 더 신속한 출력 상승이 실현될 수 있다.

그 외에도 증기 터빈의 일시적인 출력 상승을 제공하기 위한 방법은 또 다른 조치들과 무관하게 이루어지며, 그럼으로써 예컨대 스로틀링되는 터빈 밸브들이 증기 터빈의 출력 상승을 더 강화하기 위해 추가로 개방될 수 있게 된다.

본원의 조절 방법의 효과는 상기 병행 조치들에 의해 대부분 영향을 받지 않는다.

여기서 강조되어야 하는 점은, 추가적인 출력에 대한 요건이 확고하게 사전 설정된 경우, 출력 상승을 위해 분사 시스템의 이용이 적용되어야 한다면, 터빈 밸브들의 스로틀링율이 감소될 수 있다는 사실이다. 이런 경우 목표하는 출력 릴리즈는 상기 상황에서 더욱 적은 스로틀링으로도, 가장 바람직한 경우에는 심지어 완전하게 추가의 스로틀링 없이도 달성될 수 있다. 따라서 설비는, 신속 예비량을 위해 설비가 이용할 수 있어야 하는 통상적인 부하 작동에서, 비교적 더욱 높은 효율로 작동될 수 있으며, 이런 점은 또한 운영상 비용을 감소시킨다.

본원의 조절 방법의 추가의 장점은, 온도 조절 컨셉을 통해 실제 증기 온도를 제어하면서 감소시킬 수 있다는 점에 있다. 증기 터빈의 최대 허용되는 온도 과도 현상은 상기 상황에서 출력 상승이 최대 가능한 조건일 때 초과되지 않는다. 바로 최종 분사의 추가적인 이용과 관련하여, 신선한 증기 온도는 매우 정밀하게 설정될 수 있다.

마지막으로, 본원의 조절 방법은 지나친 구조적인 조치 없이도 실현될 뿐 아니라, 조절 시스템 내 추가 모듈들을 구현하는 것만으로도 실현될 수 있다. 그럼으로써 더욱 큰 설비 유연성 및 이점이 추가 비용 없이 달성된다.

본 발명의 실시예는 도면에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 즉각적인 출력 릴리즈를 위해 이용하기 위한 중간 분사 조절 시스템의 데이터 측 회로와 함께 폐열 증기 발생기의 고압부를 유동 매체 측에서 도시한 개략적 회로도이다.
도 2는 즉각적인 출력 릴리즈를 위해 이용하기 위한 최종 분사 조절 시스템의 데이터 측 회로와 함께 폐열 증기 발생기의 고압부를 유동 매체 측에서 도시한 개략적 회로도이다.

두 도에서 동일한 부재들은 동일한 도면 부호로 표시되어 있다.

폐열 증기 발생기(1) 중에서, 도 1에는 예시로서 고압부가 도시되어 있다. 본 발명은 자연히 중간 과열을 조절하기 위한 또 다른 압력단들에서도 적용될 수 있다. 도 1에는 유동 매체(M)의 유동 경로(2) 중 일부가 개략적으로 도시되어 있다. 폐열 증기 발생기(1)의 고압부에 통상적으로 배치되는, 절탄기, 증발기 및 과열기의 가열 표면들 중에서 마지막 과열기 가열 표면들(4)만이 도시되어 있다. 가열 가스 채널 내에서 개별 과열기 가열 표면들(4)의 공간 배치는 도시되어 있지 않으며 가변적이다. 도시된 과열기 가열 표면들(4)은 각각 직렬로 접속되어 있지만 명확성을 위해 차별화되지 않은 상태로 도시되어 있는 복수의 가열 표면을 대표할 수 있다.

유동 매체(M)는 도 1에 도시된 공급 펌프의 부분 내로의 유입부 전방에서 상응하는 압력 조건에서 폐열 증기 발생기(1)의 고압 유동 경로(2) 내로 공급된다. 이 경우 유동 매체(M)는 우선 복수의 가열 표면을 포함할 수 있는 절탄기를 관류한다. 절탄기는 일반적으로, 해당 위치에서 효율을 높이기 위한 잔열의 이용을 달성하기 위해, 가열 가스 채널의 최저온 부분에 배치된다. 이어서 유동 매체(M)는 증발기 및 제1 과열기의 가열 표면들을 관류한다. 이 경우 증발기와 과열기 사이에는 유동 매체(M)로부터 잔류 수분을 제거하는 분리 장치가 배치될 수 있으며, 그럼으로써 순수한 증기만이 과열기 내에 도달하게 된다.

미도시된 제1 과열기 가열 표면의 후방에는 유동 매체 측에서 중간 분사 밸브(6)가 배치되고, 추가의 최종 분사 밸브(8)는 마지막 과열기 가열 표면(4)의 후방에 배치된다. 여기서 더욱 저온이면서 증발되지 않은 유동 매체(M)는 폐열 증기 발생기(1)의 고압부의 배출부(10)에서 배출 온도를 조절하기 위해 분사될 수 있다. 중간 분사 밸브(6) 내로 유입되는 유동 매체(M)의 양은 분사 조절 밸브(12)를 통해 조절된다. 이 경우 유동 매체(M)는 앞서 유동 경로(2)에서 분기된 과류 라인(14)을 통해 공급된다. 또한, 유동 경로(2)에는 분사의 조절을 위해 복수의 측정 장치가 제공되는데, 다시 말하면 중간 분사 밸브(6)의 전방에 온도 측정 장치(16)가 배치되고, 중간 분사 밸브(6)의 후방과 과열기 가열 표면들(4)의 전방에 온도 측정 장치(18) 및 압력 측정 장치(20)가 배치되며, 과열기 가열 표면들(4)의 후방에는 온도 측정 장치(22)가 배치된다.

도 1의 나머지 부분에는 중간 분사를 위한 조절 시스템(24)이 도시되어 있다. 우선 온도 설정값이 설정값 생성기(26)에서 설정된다. 상기 온도 설정값은 과열기 가열 표면들(4) 후방의 온도 측정 장치(22)에서의 온도와 함께 감산기 부재(28)로 전달되며, 그에 따라 감산기 부재에서는 설정값으로부터 과열기 가열 표면들(4)의 배출부에서의 온도의 편차가 구해진다. 상기 편차는 가산기 부재(30)에서 보정되며, 보정은 과열기 가열 표면들(4)을 통과할 때 온도 변경의 시간 지연을 모델링한다. 이를 위해 과열기 가열 표면들(4)의 유입부에서의 온도가 온도 측정 장치(18)로부터 시간 지연식 PTn 부재(32)로 전달된다. 생성되는 신호는 온도 측정 장치(18)에서의 값과 함께 감산기 부재(34)로 전달되며, 감산기 부재의 출력 값은 가산기 부재(30)로 공급된다. 그런 후에 감산기 부재(34)는 온도 측정 장치(18)에서 온도를 변경한 이후 어느 정도의 시간 동안에만 영(0)과 상이한 값을 공급하며, 이 값은 가산기 부재(30)에 인가된 편차를 보정한다.

가산기 부재(30)에 인가된 신호는 추가의 신호들과 함께 추가의 매개 변수를 고려하는 최솟값 부재(36)로 전달된다. 요컨대 한편으로 중간 분사 후방의 온도는 압력에 좌우되는 비등 온도에 대해 어느 정도 간격을 가져야 한다. 이를 위해 압력 측정 장치(20)에서 측정된 압력이 함수 부재(38)로 전달되며, 이 함수 부재는 상기 압력에 상응하는 유동 매체(M)의 비등 온도를 출력한다. 가산기 부재(40) 내에서는 생성기(42)로부터 앞서 설정되고 예컨대 30℃일 수 있고 비등선에 대해 안전 간격을 보장하는 상수가 가산된다. 이와 같이 결정된 최소 온도는 온도 측정 장치(18)에서 실제로 측정된 온도와 함께 감산기 부재(44)로 전달되고, 그에 따라 결정된 편차는 최솟값 부재(36)에 제공된다. 도 1에는 명확성과 관련하여 몇몇 스위칭 연결부들이 도시되어 있는 것이 아니라, 상응하는 연결 기호들(<A>, <B>, <C>)에 의해 지시되어 있다.

또한, 분사 이후에는 작동상의 이유에서 하회되어서는 안 되는 유동 매체(M)의 어느 정도의 엔탈피가 보장되어야 한다. 이를 위해 최솟값 부재(36)의 상류에 연결되는 엔탈피 모듈(46)에는, 중간 분사의 이전 및 그 이후에 위치하는 압력 측정 장치(20)의 신호들뿐 아니라 온도 측정 장치들(16, 18)의 신호들이 전달된다. 엔탈피 모듈(46)은 상기 매개 변수들을 기반으로 자체적으로 해당하는 온도 차이를 계산하며, 이 온도 차이는 입력 신호로서 후속하는 최솟값 부재(36)로 전달된다. 최솟값 부재(36) 내에서 결정된 신호는 분사 조절 밸브(12)를 제어하기 위한 PI 제어 부재(48)로 전달된다.

배출 온도의 조절을 위해서뿐 아니라 신속 예비 출력의 공급을 위해서도 분사 시스템을 이용할 수 있도록 하기 위해, 상기 분사 시스템은 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 조절 방법을 실행하기 위한 상응하는 수단들을 포함한다. 이를 위해 우선 설정값 생성기(26)에서 온도 설정값이 감소되며, 이런 점은 중간 분사량의 증가를 야기한다. 또한, 상기 중간 분사량의 증가가 직접적으로 출력 상승을 달성하도록 하기 위해, PI 제어 부재(48)의 신속한 제어 응답이 보장되어야 한다. 그러나 온도 설정값으로부터 실제 온도의 편차는 PTn 부재(32)에 의해 변경 직후에 감소된다.

목표하는 신속한 출력 상승의 경우에 상기 사항을 방지하기 위해, 온도 설정값을 위한 설정값 생성기(26)의 신호가 1차 미분 부재(DT1)로 전달된다. 이를 위해 PT1 부재(50)는 입력 측에서 설정값 생성기(26)의 신호를 공급받고 출력 측에서는 설정값 생성기(26)의 원래의 신호와 함께, 출력값이 곱셈 부재(54)와 연결되어 있는 감산기 부재(52)로 접속되며, 상기 곱셈 부재는 신호를 생성기(56)로부터의 인수만큼, 예컨대 5만큼 증폭한다. 상기 신호는 재차 감산기 부재(58)를 통해 가산기 부재(30)로 향하는 신호로 제공된다. 설정값을 변경하는 경우에 회로는 PT1 부재(50)를 통해 영(0)과 상이한 신호를 생성하고, 이 신호는 곱셈 부재(54)를 통해 증폭되면서 편차에 대한 특징을 나타내는 특성값을 인위적으로 초과 비례적으로 증폭한다. 그런 다음 PTn 부재(32)를 포함하는 루프를 통한 신호는 비교적 더욱 작아지면서, PI 제어 부재(48)의 더욱 신속한 제어 응답이 강요된다. 그에 따라 신속하게 증기량 증가가 달성되고, 하류에 연결된 증기 터빈의 출력이 증대된다.

도 2에는 최종 분사와 관련된 조절 시스템(24)의 부분들이 도시되어 있다. 여기서는 유동 경로(2)에서 최종 분사 밸브(8)의 후방에 추가의 온도 측정 장치(60)가 위치한다. 여기서도 마찬가지로 설정값 생성기(26)의 온도 설정값이 조절 변수로서 이용된다. 온도 설정값의 신호는, PTn 부재(32)와 유사하게 과열기 가열 표면들(4)을 통한 시간 지연을 모델링하는 PTn 부재(62)로 제공된다. PTn 부재의 출력 신호는 설정값 생성기(26)의 신호와 함께 최댓값 부재(64)로 제공되며, 최댓값 부재의 출력 신호는 온도 측정 장치(60)의 신호와 함께 감산기 부재(66)로 제공된다. 감산기 부재에서 산출된 편차는 최종 분사의 분사 조절 밸브(70)를 조절하는 PI 제어 부재(68)로 제공된다.

설정값 생성기(26)를 통해 온도 설정값을 변경하는 경우에, 여기서 PTn 부재(62)는 최댓값 부재(64)와 조합되어 PI 제어 부재(68)의 제어 응답을 지연시킨다. 최종 분사가 신속하게 요구되는 경우 상기 지연을 방지하기 위해서, 상기의 경우에 시간 지연, 다시 말하면 PTn 부재(62)는 잠시 동안 비활성화된다. 그럼으로써 제어 응답은 이에 상응하게 가속되고 신속한 출력 릴리즈가 가능해진다.

상기 방식으로 조절되는 폐열 증기 발생기(1)는 이제 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비에서 이용된다. 여기서는 하나 또는 복수의 가스 터빈의 가열 배기가스가 연도 가스 측에서 폐열 증기 발생기(1)를 통해 안내되며, 그에 따라 폐열 증기 발생기는 증기 터빈을 위한 증기를 제공한다. 이 경우 증기 터빈은 복수의 압력단을 포함하는데, 다시 말하면 폐열 증기 발생기(1)의 고압부에 의해 가열되어 증기 터빈의 제1 단계(고압단)에서 팽창되는 증기는 폐열 증기 발생기(1)의 중압단 내로 안내되어 새로이 과열되지만, 더욱 낮은 압력 수준으로 과열된다. 이미 언급한 것처럼, 실시예는 본 발명을 본보기로 도시하기 위한 폐열 증기 발생기(1)의 고압부를 도시하고 있지만, 이는 또 다른 압력단들에서도 적용될 수 있다.

상기 유형의 폐열 증기 발생기를 구비한 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비는, 허용되는 최대 부하 변동 속도를 통해 제한되는 가스 터빈의 단기간 출력 상승을 통해서뿐 아니라, 증기 터빈의 즉각적인 출력 릴리즈를 통해서도, 전류 접속 네트워크의 주파수를 보조하는 역할을 하는 출력 상승을 신속하게 제공할 수 있다.

또한, 상기 예비 출력이 통상적인 온도 조절 외에도 분사 밸브들의 이중 사용을 통해 달성됨으로써, 예비량을 제공하기 위한 증기 터빈 밸브들의 영구적인 스로틀링도 감소될 수 있거나, 또는 완전하게 생략될 수 있으며, 그럼으로써 정규 작동 동안 특히 높은 효율이 달성되게 된다.

Claims (10)

1. 유동 경로(2)를 형성하고 유동 매체(M)가 관류하는 복수의 절탄기 가열 표면, 증발기 가열 표면 및 과열기 가열 표면(4)을 구비한, 상류에 연결된 폐열 증기 발생기(1)를 이용하여 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 조절 방법이며, 이때 한 압력단에서 유동 매체(M)는 유동 경로(2)로부터 분기되어 유동 매체 측에서 각각의 압력단의 2개의 과열기 가열 표면들(4) 사이에서 유동 경로 내로 분사되며, 사전 설정된 온도 설정값으로부터 각각의 압력단의 과열기 가열 표면이면서 유동 매체 측에서 마지막인 상기 과열기 가열 표면의 배출 온도의 편차에 대한 특징을 나타내는 제1 특성값이, 분사되는 유동 매체(M)의 양에 대한 조절 변수로 이용되는, 조절 방법에 있어서,
   증기 터빈의 단기간 출력 상승을 위해, 상기 온도 설정값이 감소되고 상기 특성값은 상기 온도 설정값이 감소되는 시간 동안 일시적으로 편차에 대해 초과 비례적으로 증가되는, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 추가로 상기 유동 매체(M)의 분사 지점 직후의 온도가, 분사되는 유동 매체(M)의 양에 대한 조절 변수로서 이용되는, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 특성값은, 편차와, 온도 설정값의 시간별 변화량에 대한 특징을 나타내는 제2 특성값의 합으로부터 구해지는, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 방법.
4. 제3항에 있어서, 제2 특성값은 실질적으로 증폭 계수로 곱해지는, 온도 설정값의 시간별 변화량인, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 특성값들 중 하나의 특성값의 매개 변수가 설비별로 특유하게 결정되는, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 폐열 증기 발생기(1)에서 유동 매체(M)는 유동 매체 측에서 과열기 가열 표면들(4)의 후방에서 유동 경로(2) 내로 분사되고, 제1 특성값은 분사되는 유동 매체(M)의 양에 대한 조절 변수로서 이용되며,
   증기 터빈의 단기간 출력 상승을 위해 온도 설정값이 감소되며, 상기 제1 특성값의 결정 시 상기 온도 설정값의 시간 지연은 비활성화되는, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 시간 지연은 두 분사 지점들 사이에서 상기 과열기 가열 표면들(4)을 통과하는 상기 유동 매체(M)의 관류 시간, 및/또는 상기 관류 시간의 열적 거동에 대한 특징을 나타내는, 증기 터빈의 단기간 출력 상승을 조절하기 위한 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따르는 조절 방법을 실행하기 위한 수단들을 포함하는, 유동 경로(2)를 형성하고 유동 매체(M)가 관류하는 복수의 절탄기 가열 표면, 증발기 가열 표면 및 과열기 가열 표면(4)을 구비한 폐열 증기 발생기(1)를 위한 조절 시스템(24).
9. 제8항에 따르는 조절 시스템(24)을 포함하는, 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비를 위한 폐열 증기 발생기(1).
10. 제9항에 따르는 폐열 증기 발생기(1)를 포함하는 가스 및 증기 터빈 복합 발전 설비.

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