증기 터빈 효율(Steam Turbine Efficiency)

ES_Rankine 소프트웨어에서 적용하는 증기 터빈 효율 값들은 소프트웨어가 자체 계산할 수도 있고, 사용자가 입력할 수도 있습니다.

발전용 증기 터빈의 효율 적용 방식은, DESIGN 창의 "Start" 탭의 "Cycle Type" 콤보 박스에서 Cycle Type을 선택할 때, 항목 명칭 뒤에 "(Efficiency by User)" 라고 기술되어 있는 항목을 선택하면 터빈 효율을 사용자가 입력하고, 그렇지 않은 항목을 선택하면 터빈 효율을 소프트웨어가 자동 계산합니다.

발전용 증기 터빈의 최종 단 배기 손실(Last Stage Exhaust Loss) 적용 방식은, DESIGN 창의 "Last Stage" 탭의 "Exhaust Loss Application" 프레임에서 선택할 수 있습니다.   사용자가 배기 손실을 입력하는 경우에는, Design Heat Balance에서 적용할 배기 손실과 함께 배기 증기 유속을 입력해야 합니다.   입력한 설계 배기 증기 유속은, Operation Heat Balance에서 배기 손실을 계산할 때 기준 점으로 사용됩니다.

BFP 구동 터빈의 효율 적용 방식은, DESIGN 창의 "Start" 탭이나 "Aux(1)" 탭의 "BFP Driving Turbine exhausting to Condenser" 프레임에서 선택할 수 있습니다.

 

증기 터빈 효율

ES_Rankine에 의해 자동 계산되는 증기 터빈 효율은 미국 General Electric 사에서 발간한 참고 문헌 [1]을 기준으로 계산하며, 동 참고 문헌 이후에 증기 터빈의 효율이 많이 개선되어, 특히 고압 터빈(HP Turbine)의 효율이 많이 개선되어서, 개선된 효율을 반영하기 위해 보완 식을 추가로 적용하여 계산합니다.

자동 계산되는 BFP 구동 터빈의 효율은 ENGSOFT에서 자체 개발한 효율 예측 프로그램으로 계산합니다.

발전용 증기 터빈 효율을 사용자가 입력하는 경우에, 입력되는 효율은 UEEP(Used Energy End Point)의 효율을 나타내는 터빈 휠 효율(Turbine Wheel Efficiency)로 간주합니다.   그리고, ELEP(Expansion Line End Point)와 터빈 내부 효율(Turbine Internal Efficiency)은 최종 단 배기 손실을 고려하여 자동으로 계산됩니다.

BFP 구동 터빈의 효율을 사용자가 입력하는 경우에, 입력되는 효율은 발전용 증기 터빈과 마찬가지로 UEEP(Used Energy End Point)의 효율을 나타내는 터빈 휠 효율(Turbine Wheel Efficiency)로 간주합니다.   ELEP는 터빈 추기(Bleed) 엔탈피와 엔트로피 값을 읽기 위해 필요한데, BFP 구동 터빈의 경우에는 추기가 없으므로 ELEP와 터빈 내부 효율 계산은 하지 않습니다.

 

최종 단 배기 손실(Last Stage Exhaust Loss)

자동으로 계산되는 최종 단 배기 손실은 미국 General Electric 사에서 발간한 참고 문헌 [1]의 계산 방식을 적용하여 계산하되, 최종 단 날개(Last Stage Blade) 별로 별개의 배기 손실 선도(Exhaust Loss Curve)를 적용하지 않고 표준 배기 손실 선도(Standard Exhaust Loss Curve)를 적용하여 계산합니다.

최종 단의 배기 손실은 날개 별로도 달라지고, 터빈 제작자 별로도 달라집니다.   경우에 따라서는 동일한 날개일지라도 제작자의 의도에 따라 달리 적용되기도 합니다.   그러므로, 범용 Heat Balance 소프트웨어에서, 비록 특정 업체의 날개 규격을 그대로 사용한다고 하여도, 날개 별로 특정한 배기 손실 선도를 적용한다는 것이 큰 의미가 없다고 할 수 있습니다.

이러한 이유로, ES_Rankine에서는 최종 단 배기 손실을 자동으로 계산할 때, 대부분의 배기 손실 선도와 유사한 선형을 가지는 표준 배기 손실 선도를 적용합니다.   참고로, ES_Rankine이 사용하는 표준 배기 손실 선도는, 배기 증기 유속 약 165 m/s에서 약 19.5 kJ/kg의 최소 배기 손실을 갖는 선도입니다.

대부분의 배기 손실 선도는 유사한 선형을 가지고 있습니다.  단지, 배기 손실과 배기 증기 유속의 상대적인 값만 달라집니다.   그러므로 표준 배기 손실 선도를 적용하되, 필요에 따라 배기 손실과 배기 증기 유속의 기준 점만 달리해 주면 원하는 배기 손실에 근접한 값을 얻을 수 있습니다.   이러한 배기 선도 선도의 특성을 이용하여, 표준 배기 손실 선도에서 벗어나는 경우에는, 사용자 입력 방식을 사용하면 됩니다.

최종 단 배기 손실을 사용자가 입력하는 경우에는, 사용자가 설계 배기 손실과 설계 배기 증기 유속을 입력합니다.  그러면, ES_Rankine은 Design Heat Balance에서는 입력한 배기 손실을 적용하고, Operation Heat Balance에서는 아래 식으로 계산된 배기 손실을 적용합니다.

PLoadEL = DgnEL * PLoadEL_Std / DgnEL_Std

주)

 

PLoadEL

: Operation Heat Balance 배기 손실

DgnEL

: 사용자가 입력한 Design Heat Balance 배기 손실

PLoadEL_Std

: 계산된 Operation Heat Balance 배기 증기 유속을 가지고, 표준 배기 손실 선도에서 읽은 Operation Heat Balance 배기 손실

DgnEL_Std

: 사용자가 입력한 설계 배기 증기 유속을 가지고, 표준 배기 손실 선도에서 읽은 Design Heat Balance 배기 손실

 

배기 손실 선도로부터 배기 손실을 읽어 들이기 위해서는 배기 증기 유속이 필요하며, 배기 증기 유속 계산을 위해서는 최종 단 날개 길이와 피치 직경(Pitch Diameter)을 알아야 합니다.   동 계산을 위해 필요한 최종 단 날개 길이 및 피치 직경은 사용자가 직접 입력할 수도 있으며, 소프트웨어가 제공하는 참조(Reference) 데이터 콤보 박스에서 선택하여 입력할 수도 있습니다.   현재 소프트웨어가 제공하는 참조용 날개 데이터는 미국 General Electric 사가 발간한 자료들로부터 입수한 데이터입니다.   피치 직경은 최종 단 날개 중앙 지점을 연결한 원의 직경을 의미합니다.

일반적으로 Design Load에서의 최종단 증기 유속은 배기 손실 최저점의 유속보다 빠른 200 m/s ~ 300 m/s 사이로 설계합니다.  그렇게 함으로써, Part Load로 갈수록 배기 증기 유속이 작아짐에 따라 배기 손실이 작아져서, Part Load 효율이 Design Load 효율과 거의 같아지도록 설계합니다.   Design Load에서 배기 손실이 최저가 되도록 설계하면, Part Load에서 배기 손실이 급격하게 증가하여 Part Load 효율이 크게 낮아지는 현상이 발생합니다.

발전용 증기 터빈의 최종 단은 길이가 매우 길어서 설계 및 제작이 쉽지 않습니다.   그래서 터빈 제작자들은 최종 단 제작 시 마다 매번 설계를 다시 하기 보다는, 몇 개의 이미 입증된 최종 단 설계를 가지고 그 때 그 때 적정한 최종 단을 선정하여 적용합니다.   그러한 까닭에 터빈 제작자들이 제시하는 터빈의 최종 단 배기 손실이 항상 일정하지 않습니다.   최종 단의 배기 손실이 터빈 효율에 미치는 영향이 적지 않기 때문에, 구매자가 요구하는 설계 조건에 맞는 최종 단 설계가 있는 경우에는 좋은 효율의 터빈을 제공할 수 있지만, 그렇지 않은 경우에는 터빈 효율이 나빠질 수밖에 없습니다.

특히 증기 터빈 구매 시 유의할 점은, 제작자가 선정한 최종 단이 Design Load에서의 배기 손실이 최저가 되는 설계이어서, Design Load에서의 터빈 효율은 매우 좋은 반면 Part Load에서의 효율이 부하가 떨어질수록 급격하게 나빠지는 최종 단인지 유의해야 합니다.   이러한 터빈 구매를 회피하는 방법의 일환으로, 터빈 구매 시 Design Load에서의 최종 단 배기 증기 유속 범위를 제한하는 것이 바람직합니다.

 

증기 터빈 팽창 곡선 읽기

증기 터빈 팽창 곡선(Expansion Line)으로부터 추기(Bleed) 지점의 엔탈피와 엔트로피를 읽는 방법은, 효율 자동 계산이나 사용자 입력의 경우 모두 참고 문헌 [1]에 제시된 방법으로 계산하여 읽어 들입니다.

 

참고 문헌 :

1. GER-2007C, A Method for Predicting the Performance of Steam Turbine-Generators... 16,500 kW and Larger, Revised July 1974 by R. C. Spencer, K. C. Cotton and C. N. Cannon, General Electric Company


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