부분 분사가 충동 증기 터빈에 어떤 영향을 미칠까요?

부분분사(partial admission)는 노즐 원주 일부를 통해서만 증기를 공급하여 충동식 증기 터빈에 영향을 줍니다. 모든 노즐을 공통 스로틀 밸브로 조절하는 방식과 비교하면 부분 부하 시 스로틀링 손실을 줄일 수 있지만, 풍손, 분사 구역 경계 손실 및 반복적인 블레이드 하중도 발생합니다. 따라서 효율 향상은 조건부입니다. 스로틀링 감소 효과가 추가 공력 손실보다 커야 하며, 블레이드 응력도 설계 한계 내에 있어야 합니다.

이러한 상충 관계는 터빈이 정격 출력보다 낮은 상태로 상당한 시간을 운전할 때 중요합니다. 노즐 그룹 운전 방식을 변경하면 특정 부하에서 증기 소비량이 개선될 수 있지만, 다른 부하에서는 효율이 저하되거나 진동이 커질 수 있습니다. 유효한 평가는 부분분사가 가능한지만 확인하는 것이 아니라, 예상 운전 범위 전반에서 각 분사 패턴이 어떻게 작동하는지를 살펴보는 것입니다.

분사율은 터빈 부하와 다릅니다

분사율은 특정 단에 증기를 공급하는 노즐 원주의 비율입니다. 원주 방향으로 배치된 노즐의 경우 ε = 유효 분사 원호 / 전체 원주로 나타낼 수 있습니다. 노즐 그룹 조속은 별도 그룹에 연결된 밸브를 열거나 닫아 유효 분사 면적을 변경합니다.

충동 단에서는 단의 압력 강하 대부분이 고정 노즐에서 발생합니다. 회전 블레이드는 생성된 제트의 방향을 바꾸고 속도를 낮춰 일을 추출합니다. 부분분사 상태에서는 각 블레이드가 거의 연속적인 원주 방향 유동을 경험하는 대신, 유효 증기 분사 구역과 비분사 구역을 반복해서 통과합니다.

분사율만으로는 질량 유량이나 출력을 결정할 수 없습니다. 노즐 목 면적, 상류 증기 조건, 하류 압력, 밸브 개도 및 초크 조건도 영향을 미칩니다. 유효 분사 원호가 같더라도 구성에 따라 유량 용량과 손실이 다를 수 있습니다.

부분분사는 터빈 전체에 동일하게 적용하기보다는 조속단에 집중되는 경우가 많습니다. 하류 단에는 원주 방향으로 재분배된 유량이 공급되지만, 유량 불균일이 지속될 수 있습니다. 따라서 조속단 효율 변화가 터빈 전체 효율에도 동일하게 나타난다고 간주해서는 안 됩니다.

부분 부하 효율 이점이 발생하는 원인

공통 밸브 스로틀링 방식에서는 부하를 낮출 때 모든 노즐에 공급되는 압력이 낮아집니다. 스로틀링은 대략 등엔탈피 과정이지만 엔트로피를 증가시켜 터빈이 이용할 수 있는 일을 줄입니다. 반면 노즐 그룹 조속은 일부 그룹을 닫고 열린 그룹은 의도된 입구 조건에 더 가깝게 유지할 수 있습니다.

이러한 차이 때문에 부분분사는 부하 변동이 있는 운전에 적합할 수 있습니다. 그렇다고 열린 그룹이 항상 스로틀링 없이 작동한다는 뜻은 아닙니다. 밸브를 순차적으로 열 때 한 그룹은 부분 개방되고 다른 그룹은 완전 개방 또는 폐쇄 상태일 수 있습니다. 이때 밸브 압력 손실, 조속단 압력비 및 하류 조건이 함께 변합니다.

의미 있는 비교를 위해서는 입구 증기 조건, 배기 압력, 회전 속도 및 출력 기준을 동일하게 맞춰야 합니다. 관련 기계 손실과 보조 동력 소비를 포함해 터빈 전체를 평가해야 합니다. 설계점의 단 계산만으로 실제 운전 사이클에서 어느 조속 방식의 증기 소비량이 더 적은지 판단할 수 없습니다.

스로틀링 감소 효과를 상쇄하는 손실

• 비분사 구역의 풍손: 비분사 구역을 통과하는 블레이드는 유효한 제트 일을 얻지 못한 채 주변 유체를 교반하고 가속합니다. 손실은 회전 속도, 유체 밀도, 블레이드 형상 및 비분사 원호에 따라 달라집니다.
• 충전 및 배출 손실: 유효 분사 구역에 진입하고 이탈하는 블레이드 통로에서는 유동이 일시적으로 형성되고 약화됩니다. 분사 원호에 비해 구역 경계의 수가 많을수록 이러한 영향이 커집니다.
• 구역 경계 혼합: 분사 경계 부근의 제트가 운동량이 더 낮은 유체와 상호작용하여 속도, 입사각 및 에너지 소산의 불균일을 일으킵니다.

분사율이 매우 낮아지면 기생 손실이 유효 단 출력에서 차지하는 비중이 커질 수 있습니다. 성능이 허용할 수 없게 되는 보편적인 분사율 기준은 없습니다. 적용 가능한 한계는 단의 형상, 운전 조건 및 최소 부하 요구 사항에 따라 달라집니다.

노즐 배열은 손실과 가진 모두에 영향을 줍니다

분사율이 같다고 성능까지 같은 것은 아닙니다. 하나의 연속된 유효 분사 구역과 여러 개의 분리된 구역은 입구 및 출구 경계의 수가 다릅니다. 분사 구역을 더 많이 나누면 경계 관련 손실이 늘어날 수 있으며, 원주 방향 힘의 분포와 블레이드 가진 주파수 성분도 달라집니다.

소수의 큰 구역을 사용하면 경계 수를 줄일 수 있지만, 저차 유동 불균일이 더 커질 수 있습니다. 분산된 구역은 원주 방향 균형을 개선할 수 있지만, 각 블레이드가 회전당 더 많은 하중 변화를 겪게 됩니다. 어느 배열도 자동으로 우수한 것은 아니며, 실제 밸브 개방 순서를 기준으로 공력 및 구조 평가를 수행해야 합니다.

노즐 속도도 압력비에 따라 달라집니다. 따라서 밸브가 작동함에 따라 블레이드 속도와 제트 속도의 관계 및 입구 입사각이 설계값에서 벗어날 수 있습니다. 열린 노즐 그룹의 압력을 유지한다고 해서 조속 범위 전체에서 속도 삼각형이 최적 상태로 유지되는 것은 아닙니다.

주기적인 블레이드 하중은 진동뿐 아니라 피로 문제입니다

각 회전 블레이드는 유효 분사 구역에 진입할 때 공기역학적 힘이 커지고, 이탈할 때 감소합니다. 이로 인해 회전 속도 및 분사 패턴과 관련된 고조파 성분이 포함된 가진이 발생합니다. 구역의 폭과 간격, 밸브 상태는 이 주파수 스펙트럼에 영향을 미칩니다.

가진 성분이 블레이드 또는 블레이드 그룹의 고유 진동수에 가까워지면 동적 응력이 증가할 수 있습니다. 평가 시에는 모드 형상, 감쇠, 해당하는 경우 슈라우드 또는 레이싱의 거동, 고온 운전 조건을 고려해야 합니다. 캠벨 선도는 유용하지만, 주파수 교차를 확인하는 것만으로는 응력 진폭이나 피로 허용성을 판단할 수 없습니다.

베어링 진동이 낮다고 해서 블레이드 동적 응력도 낮다는 뜻은 아닙니다. 국부 블레이드 모드는 케이싱 또는 베어링 센서에서 큰 응답을 나타내지 않을 수 있습니다. 반대로 전체 진동이 높아도 부분분사 대신 불평형, 정렬 불량, 베어링 또는 다른 원인이 문제일 수 있습니다.

부하 변동이 지속되는 운전에서는 허용된 분사 조합과 관련된 운전 전환이 블레이드 가진 평가에 포함되었는지 확인을 요청하십시오. 문제가 되는 조건을 잠깐 통과하는 것보다 그 조건 부근에서 반복 운전하는 것이 더 중요할 수 있습니다.

효율 저하 또는 진동 변화 조사

노즐 그룹 전환 부근에서 증상이 나타나면 먼저 밸브 상태와 연동되는지, 아니면 다른 운전 변수를 따르는지 확인하십시오. 출력만으로 판단하지 말고 증기 조건과 배기 압력을 일치시킨 정상 운전점을 비교하십시오.

1. 분사 상태를 기록합니다. 각 밸브 위치, 가능한 경우 밸브 챔버 또는 노즐 그룹 압력, 회전 속도, 증기 유량 및 출력을 기록합니다. 실제 밸브 동작이 지령된 순서와 일치하는지 확인합니다.
2. 과도 상태와 정상 상태를 구분합니다. 밸브가 움직일 때 발생하는 짧은 교란과 조건이 안정된 뒤에도 지속되는 손실 또는 가진은 서로 다릅니다.
3. 진동 스펙트럼을 검토합니다. 전환 전후의 주파수 성분을 비교합니다. 전체 진폭만 보지 말고 변화가 축 회전 차수, 분사 패턴 및 확인된 모드와 어떤 관계가 있는지 살펴봅니다.
4. 다른 원인도 확인합니다. 밸브 누설 또는 고착, 증기 조건 변화, 배기 압력 변동 및 측정 오류도 분사 관련 문제처럼 보일 수 있습니다.

효율 저하만 없애기 위해 밸브 중첩 또는 개방 순서를 변경하지 마십시오. 이러한 변경은 가진, 조속 안정성 및 부하 응답에 영향을 줄 수 있습니다. 조정은 제조업체가 승인한 운전 맵과 제어 절차 범위 내에서 이루어져야 합니다.

부하 변동 설계를 승인하기 전에 요청할 자료

유용한 기술 자료에는 대표 부하에서 보증되는 성능, 해당 밸브 조합, 최소 연속 부하 및 운전이 제한되는 구간이 포함됩니다. 또한 조속단 계산과 기계 전체 성능을 구분하고 부분분사 손실에 적용한 가정을 명시해야 합니다.

성능 비교에는 합의된 측정 경계와 보정 방법도 필요합니다. 증기 소비율, 축 출력 및 전기 출력은 서로 바꿔 쓸 수 있는 기준이 아닙니다. 경쟁 제안을 평가하기 전에 입구 조건, 배기 압력, 해당하는 경우 추기 유량 및 불확도 처리 방법을 정해야 합니다.

플랜트 차원의 평가에는 다른 원동기도 포함될 수 있습니다. 공급되는 가스 터빈 제품군에는 출력이 2~114.5 MW로 기재된 모델과 모델별 연료 옵션이 있습니다. 이는 별도의 구성 방식 비교이며 증기 단의 분사 손실을 해결하는 방법이 아닙니다. 증기 공급 가능성, 연료 공급, 열 수요 및 부분 부하 성능을 각각 평가해야 합니다.

증기 터빈 자체에 대해 결정적인 근거는 출력, 밸브 상태, 증기 소비량 및 허용 운전을 연결한 검증된 운전 맵입니다. 계획된 운전에서 부분분사 부하 또는 노즐 그룹 전환 부근의 운전 시간이 상당하다면 정격 효율이 높다는 사실만으로는 충분하지 않습니다.