터빈 BYPASS 계통

1. 개 요

터빈 바이패스 계통은 일일기동, 정지 운전 및 주기 운전에 대비하여 기동시간 및 부하 응동 시간의 최소화, 보일러 및 터빈의 독립운전, 고형입자에 의한 터빈 블레이드 침식방지, 계통과도현상에 대한 안전성을 향상시키고자 고압 및 저압 터빈 바이패스 계통으로 구성되어 있다.

○ 고압터빈 바이패스 계통은 고압터빈을 우회하여 저온 재열증기관으로 증기를 덤프시키며, 안전밸브의 기능을 겸비한 100% BMCR(Boiler Maximum Continuous Rating) 용량이다.

○ 저압터빈 바이패스 계통은 중압 및 저압 터빈을 우회하여 복수기로 증기를 덤프시키며, 65% VWO(Valve Wide Open) 용량이다. 저압터빈 바이패스 계통의 용량보다 과다한 증기의 덤프가 요구되는 경우 여분의 증기는 재열증기관에 설치된 안전밸브를 통하여 대기로 방출된다.

2. 설치목적

고압 바이패스 계통은 보일러 출구에서 저온 재열증기관의 역류 방지 밸브 하류쪽으로 증기를 보내어 다음과 같은 설치 목적에 맞는 기능을 수행한다.

○ 발전소 기동 및 부하특성 향상

○ 보일러 및 터빈의 독립 운전

○ 고형입자에 의한 터빈 블레이드 침식 방지

○ 계통 과도현상에 대한 안전성 향상

가. 발전소 기동 및 부하특성 향상

터빈이 중간부하 운전용으로 사용되기 위해서는 기동 소요 시간 및 부하변동 추종 능력에 대한 운전 요구 사항을 충족시키고 동시에 터빈 주요 기기의 수명감소율을 최소화할 수 있도록 열응력 제어가 이루어져야 한다.

터빈 주요기기의 급격한 가열 또는 냉각으로 인한 과도한 열응력의 원인은 주로 다음과 같이 분류할 수 있다.

○ 보일러 증기 온도와 터빈 금속 온도의 과도한 불일치

○ 보일러 온도의 과도한 변동

○ 과도한 부하 증감률

부하 증감률은 일반적으로 터빈에 의해 제어되는 반면, 증기온도와 터빈금속온도의 불일치와 보일러 온도의 변동은 주로 보일러 특성에 의해 결정된다.

증기온도와 터빈 금속 온도차를 신속하게 최적조건으로 맞추고, 증기온도와 금속온도의 변동을 잘 제어함으로써 궁극적으로 수명감소율 및 기동소요시간을 감소시킬 수 있다.

고압 바이패스 계통은 터빈 Rolling전에 보일러가 안정된 최소 부하상태까지 연소될 수 있도록 최단시간내에 보일러 연소율 및 보일러 유량을 증가시켜, 과열기 및 재열기 출구의 요구치에 도달할 수 있도록 하여 기동소요시간 및 수명감소율을 감소시킬 뿐만 아니라, 보일러의 증기온도 변동이 터빈에 악영향을 끼치는 것을 막을 수 있다.

나. 보일러 및 터빈의 독립운전

계통전력동요가 발생하거나 터빈이 트립되는 경우에 터빈제어계통이 터빈으로 유입되는 증기를 차단시키기 위하여 주증기 정지 밸브(MSV; Main-steam Stop Valve)를 신속히 폐쇄시키며 이에 따라 보일러는 터빈 재기동을 위하여 화염상실을 막고 최소연소율(Minimum Firing Rate)로 유지하여야 한다.

보일러의 화염상실은 상당히 장시간 동안 보일러를 퍼지(Purge)시켜야 하는 원인이 되어, 유니트(Unit)를 재기동하여 실제 부하상태까지 회복하는데 상당한 시간이 소요된다. 따라서 고압 바이패스 계통을 이용할 경우, 부하 상실시 보일러에서 발생되는 증기의 전량 또는 일부를 바이패스시킴으로써 터빈과 관계없이 보일러를 독립적으로 운전하는 것이 가능하여, 보일러 재기동으로 인한 기동시간 지연요인을 제거하여 기동시간을 단축시킬 수 있으며, 계통전력 동요시 발생하는 문제점들도 용이하게 해결할 수 있다.

다. 고형입자에 의한 터빈 블레이드 침식방지

일일 기동정지 운전을 포함한 주기 운전방식 발전소의 경우 기저 부하용 발전소보다 발전소의 정지가 빈번하고 전체적인 정지 기간도 길어진다. 보일러 및 터빈 싸이클(Cycle)내의 기기의 부식은 주로 이러한 정지기간에 이루어지며, 이때 형성된 부식생성물이 보일러 재기동시, 고형입자로서 증기와 함께 터빈에 유입되어 터빈 블레이드(Blade) 및 밸브의 침식(Erosion)에 의한 손상을 가져올 수 있다.

터빈 바이패스 계통을 설치함으로써, 기동시 이러한 고형입자들이 터빈에 유입되는 것을 방지할 수 있고, 또한 과열기와 재열기를 통하여 흐르는 증기가 튜브를 냉각시킴으로써 튜브내부의 산화층의 형성률도 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 다양한 기동조건에 대한 기동운전의 유연성도 확보할 수 있다.

라. 계통 과도현상에 대한 안전성 향상

송전선 사고시 계통과도현상에 대한 안정성은 주로 계통에 투입되는 전력을 신속히 줄이는 관점에서 추구되어 온바, 이는 관련 터빈밸브들을 신속히 폐쇄시킴으로써 가능하다. 이러한 투입 전력의 신속한 감소를 위하여, ICV(Interce- pter Control Valve)의 반복적인 패쇄-개방 작동이 급격하게 이루어질 겨우, 재열기 안전밸브가 갑자기 열리게 되거나, 보일러에 악영향을 끼칠 우려가 있다.

ICV 뿐만 아니라 CV도 작동시킬 필요가 있는 과도현상의 경우, 터빈 바이패스 계통을 사용함으로써 CV의 신속한 작동이 보일러에 미치는 영향을 감소시킬 수 있다.

3. BYPASS의 용량

고압 바이패스의 용량을 결정하기 위해서는 모든 발전소 기기 및 제어계통에 미치는 영향을 고려하고, 전 부하(Full Load)에서 소내 부하로 즉각 부하를 변동시킬 수 있는 기기 및 제어계통의 능력을 고려하는 것이 중요하다.

고압 바이패스 용량은 주증기 안전밸브가 없는 경우에는 기동, 부분 부하 운전 및 부하상실(Load Rejection)에 충분하도록 전 부하 증기량의 100% 용량을 기준으로 설계한다.

드럼형 보일러를 사용하는 발전소의 고압 바이패스 용량은 100%로 설계할 수도 있으나, 드럼형 보일러를 사용하는 재열 발전소의 경우 고압 바이패스 용량은 25～70% 범위로 설계하고 있다.

표준석탄화력의 경우, 고압 바이패스 계통은 100% VWO용량을 갖고 있으며, 보일러 과열기 출구헤더에서 나오는 4개의 과열 증기관에 각각 설치된 바이패스 계통은 고압 과열증기를 저온 재열관으로 보냄으로써 고압터빈을 바이패스시킨다.

보일러 기동시 주증기압력은 고압 터빈 바이패스 밸브에 의해 조절되며, 터빈 Rolling 요구 압력이 될 때까지 고압 터빈 바이패스 밸브의 개도는 일정하게 유지된다.

고압 바이패스 밸브는 과열저감기를 내장하고 있으며, 바이패스되는 증기의 유량, 압력, 온도를 제어한다. 고압 터빈 출구측에는 바이패스된 증기가 고압 터빈 출구측으로 역류하는 것을 막기 위하여 동력 구동식 역류 방지 밸브가 설치된다. 또한, 고압 바이패스 밸브는 과열기 안전밸브 기능을 가지고 있으며, 주증기 압력에 따라 바이패스 밸브의 설정치가 변하는 변압운전방식을 채택하고 있다.