[가스터빈 엔지니어링] Gas Turbine Design Considerations(4)

[ 출처 ] SIEMENS 산업용 발전기의 가스터빈 소개 동영상

https://youtu.be/fr5eDxiYqEs

 

가스 터빈을 채택하는 경우, 아래의 사항이 일반적으로 고려됩니다.

자본 비용, 계획에서 완료까지의 시간, 유지보수 비용 및 연료 비용

가스터빈은 가장 낮은 유지보수와 자본이 필요하고, 모든 주요 인프라 투자 비용에 대하여, 완료 시간이 가장 빠름.

 

모든 가스 터빈의 설계는 작동에 기초한 필수 기준은 아래와 같다.

1. 고효율
2. 높은 신뢰성 및 가용성
3. 서비스 용이성
4. 설치 및 커미션의 용이성
5. 환경기준 적합성 여부
6. 높은 수준의 보조 및 제어 시스템 통합
7. 다양한 서비스 및 연료 요구사항을 충족할 수 있는 유연성

 

이러한 각 기준을 살펴보면 사용자가 보다 잘 이해할 수 있음.
높은 터빈 효율에 가장 큰 영향을 미치는 두 가지 요인은 압력비임.
그리고 온도. 고압을 발생시키는 축류식 압축기를 사용하는  가스 터빈 압력비로 큰 변화를 보였으며, 그 압력비는 7:1에서  40:1로 증가함.

압력비의 증가는 가스를 증가시키며, 터빈 연소 증가에 수반되는 터빈 열효율 즉 온도. 압력비의 증가는 전체적인 효율을 증가시킴.

주어진 온도에서, 그러나 압력비를 일정 이상 증가시키는 것.

임의의 주어진 소성 온도에서의 값은 실제로 전체를 낮추는 결과를 초래할 수 있는데, 사이클 효율. 또한 매우 높은 압력비는 터빈 압축기의 작동 범위를 줄이기 위해서 임.

 

그리고 압축기 블레이드에 그리고 사이클 효율성에 큰 하락을 발생시키는데, 성능. 경우에 따라서는 압축기 서지로 이어질 수 있고, 그로 인해  화염이 꺼지거나 컴프레서 블레이드의 심각한 손상 및 고장을 초래할 수 있음.

그리고 가스터빈의 레디얼 베어링과 스러스트 베어링,.소성 온도의 영향은 100 ◦F 마다 매우 크며, (55.5 ◦C) 온도 상승, 작업 출력 약 10% 증가

그리고 약 1 ~ ½ %의 효율 증가를 제공하며,  높은 압력비와 터빈 입구 온도는 사이클 가스 터빈의 효율을 향상시킵니다.

그림 1-6은 다음과 같은 함수로서 단순 사이클 가스터빈 성능 맵을 나타냄.

 

Performance map of a simple cycle gas turbine

 

압력비 및 터빈 입구 온도를 더 높은 효율을 달성하기 위한 또 다른 방법은 재생기를 사용하는 것입니다. 

그림 1-7 압력비와 온도가 효율과 작업에 미치는 영향을 보여줌.

 

 

재생 사이클은 이 사이클에 대한 압력비의 효과는 반대이며, 단순한 사이클에서 경험할 수 있음.

재생기는 효율을 증가시킬 수 있으며, 현재 작동 온도에서 15~20% 정도임.

최적의 압력비는 재생 시스템의 경우 약 20:1, 단순 사이클의 경우 40:1임.

3000 ◦F에 육박하기 시작하는 오늘날의 터빈 입구 온도 상승(1649 ◦C).

높은 가용성과 신뢰성은 설계에서 가장 중요한 요소임.
가스 터빈의 발전소의 가용성은 발전소의 시간의 백분율이며, 발전소는 주어진 기간에 전력을 생산할 수 있음.

 

발전소의 신뢰성은 계획된 오버홀 사이의 시간 비율.

 

발전소의 가용성에 대한 기본적인 정의는 다음과 같음.

 

A = (P - S - F)/P (1-1)

여기서:
P = 기간, 시간, 통상 1년으로 가정하여 금액, 8760시간까지 라이브 그래프
S = 계획된 유지보수를 위한 정전 예정 시간
F = 강제 정전 시간 또는 수리로 인한 계획되지 않은 정전.

 

발전소의 신뢰성에 대한 기본적인 정의는 다음과 같이 정의됩니다
R = (P - F)/P (1-2)

가용성과 신뢰성은 발전소에 매우 큰 영향을 미치며, 경제. 신뢰성은 전력이 필요할 때 반드시 필요하다는 점에서 필수적입니다.
전원을 사용할 수 없을 때는 전원을 생산하거나 구입하여 사용해야 함.
공장의 운영에 있어서 매우 많은 비용이 들 수 있음. 

계획된 정전은 다음과 같이 예정되어 있으며, 성수기가 아닌 시기입니다.

성수기는 대부분의 소득이 발생하는 시기이며, 평소처럼 수요에 따라 다양한 계층의 가격 책정이 있음.

전력 구매 계약에는 용량 지불을 포함하는 조항이 있으므로, 발전소의 경제성에 있어서 중요한 발전소 가용성을 만드는 것.

발전소의 신뢰성은 연료의 종류와 같은 많은 변수에 따라 달라집니다,
예방 정비 프로그램, 작동 모드, 제어 시스템, 화염의 온도와 높은 가용성과 신뢰성 요소를 달성하기 위해 설계자는 다음을 유지해야 합니다

 더 중요한 고려사항들 중 일부는, 지배적인 설계는 블레이드 및 샤프트 응력, 블레이드 하중, 재료, 보조 시스템 및 제어 시스템임.

 

[ 출처: SIEMENS ] 블레이드 이미지 사진

 

고온에 필요한 고온 효율은 터빈 블레이드 수명에 치명적인 영향을 미침.

 

적절한 냉각은 반드시 필요하며, 블레이드 금속 온도가 1000 ◦F(537 ◦C) 사이에 도달하도록 제공되어야 하며
1300 ◦F(704 ◦C) 고온 부식 시작 수준 미만.

 

 따라서 우측 적절한 블레이드 코팅과 재료를 가진 냉각 시스템의 유형이 필요함.
터빈의 높은 신뢰성을 보장하기 위하여, 모든 설계에서 서비스 가능성은 중요한 부분임.

배기온도 모니터링, 축진동 모니터링, 서지 모니터링 등 적절한 점검을 통해 서비스를 수행할 수 있으며,
설계자는 핫 부품의 빠른 시각적 점검을 위해 서,  쉬운 필드 밸런싱 포트, Balance plane에 대한 접근, 그리고 전체 뜨거운 부분을 제거하지 않고 쉽게 분해할 수 있는 연소기는 많은 방법 중 일부입니다

가스 터빈을 사용하는 또 다른 이유는 설치 및 시운전이 용이하기 때문입니다.

가스터빈 유닛은 공장에서 테스트하고 , 유닛의 사용은 가능한 한 적은 시동 사이클이 발생하도록 세심하게 계획해야 함.

환경적인 고려는 어떤 시스템의 설계에 있어서도 중요함.

시스템이 환경에 미치는 영향은 법적 한계 내에 있어야 하며 따라서 다음과 같이 고려되어야 함.

연소기는 가장 중요한 구성 요소이며, 연기가 적고 NOx가 적도록 설계하기 위해 많은 주의를 기울여야 함.

출력, 고온으로 인해 가스에서 NOx 배출이 증가하고, 터빈,  이것은 초기에 물을 주입하여 NOx 문제를 공격하는 결과를 가져옴.

가스 터빈 연소 시,  NOx 출력을 감소시키는 데 매우 중요한 구성 요소는 온도 상승임.

연료 노즐과 제어 알고리즘의 복잡성과 입구 속도를 낮추고 적절한 입구 소음기를 제공하면 공기를 줄일 수 있음.

 윤활 시스템, 중요한 보조 시스템의 경우 백업 시스템과 함께 설계되어야 하며, 가능한 한 고장 방지에 가까워야 합니다. 

발전된 가스 터빈은 모두 디지털로 제어되고 온라인 상태로 모니터링을 어느 정도 통합할 수 있음.

새로운 온라인 모니터링을 추가하기 위해서는 새로운 계측기가 필요하며,  제어 시스템은 다음과 같이 신생 기업을 위한 가속 시간 및 온도 시간 제어를  공급함.

다양한 서지 방지 밸브를 제어할 뿐만 아니라 작동 속도에서 조절해야 하며, 연료 공급 및 진동, 온도 및 압력을 모니터링해야 함.
전 범위에 걸쳐 , 서비스와 연료의 유연성은 터빈 시스템을 향상시키는 기준임.

터빈은 최대 효율로 작동되어야 하며,  이러한 유연성은 다음을 포함할 수 있습니다

두산 중공업의 발전소의 가스터빈 국산화 소개

https://youtu.be/3o_QA-OM6BQ