화력 발전에서의 커플링: 영국 발전소 전반에 걸친 고속, 고토크 전달

적용 시나리오 · 산업용 동력 전달

화력 발전에서의 커플링: 영국 발전소 전반에 걸친 고속, 고토크 전달

증기 터빈, 열팽창, 피로 저항성 — 그리고 전력망을 유지하는 데 필수적인 정밀한 연동 엔지니어링.

화력 발전소에서 증기 터빈과 발전기를 연결하는 커플링만큼 극한의 스트레스를 받는 변속기 부품은 드뭅니다. 출력 정격이 수백 메가와트에 달하고 축 회전 속도가 1,500rpm에서 3,600rpm 사이일 때, 토크 용량, 동적 균형, 피로 내구성, 열 보상 등 거의 모든 엔지니어링 매개변수는 현대 금속공학 및 정밀 제조 기술이 제공할 수 있는 한계에 도달합니다. 영국 전역에서, 요크셔의 대형 복합 사이클 가스 터빈 발전소부터 험버 강 하구를 따라 용도가 변경되고 있는 석탄 전환 시설에 이르기까지, 단 하나의 커플링 조인트의 신뢰성은 수억 파운드에 달하는 발전 설비가 국가 전력망과 동기화된 상태를 유지할지 아니면 최대 수요 기간 동안 가동이 중단될지를 결정짓는 중요한 요소가 될 수 있습니다.

펌프, 컨베이어 또는 압축기와 같은 비교적 중간 규모의 산업용 구동 장치에 사용되는 커플링과는 달리, 증기 터빈-발전기 커플링은 계통 동기화 과정에서 발생하는 양방향 충격 하중, 증기 압력 변동으로 인한 주기적인 비틀림 진동, 그리고 터빈 케이싱이 냉간 시동에서 정격 작동 온도까지 가열됨에 따라 발생하는 느리지만 지속적인 축 방향 팽창을 동시에 관리해야 합니다. 이러한 엔지니어링 균형을 맞추는 것은 단순히 카탈로그에서 제품을 선택하는 문제가 아니라, 발전소 운영자, OEM 터빈 제조업체, 그리고 해당 분야에 대한 깊은 지식을 갖춘 커플링 제조업체 간의 긴밀한 협력을 통해 개발된 정밀하게 설계된 솔루션이 필요합니다.

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작동 원리: 커플링이 터빈 출력을 제어하는 ​​방법

증기 터빈과 발전기 사이의 연결은 단순히 볼트로 고정하는 견고한 접합부가 아닙니다. 화력 발전은 끊임없이 변화하는 기계적 환경을 만들어냅니다. 터빈 로터가 회전하면서 고압 증기가 블레이드에 작용하여 회전 에너지를 생성하고, 이 에너지는 최소한의 기계적 손실로 유연한 연결부를 통해 발전기 로터로 전달되어 전기 에너지로 변환되어야 합니다. 기어형 커플링은 이러한 용도에 전 세계적으로 널리 사용되는데, 이는 슬리브 내부에 있는 내부 스플라인 톱니와 맞물리는 크라운형 외부 기어 톱니 구조 덕분입니다. 이러한 구조는 기계적으로 견고한 연결을 제공하는 동시에 작동 중 열 부하를 받는 축에서 필연적으로 발생하는 축 정렬 불량을 보정할 수 있습니다.

영국의 한 발전소에서 냉간 시동 시 터빈 축과 발전기 축은 수백분의 1mm 단위의 매우 정밀한 공차 내에서 정렬됩니다. 그러나 증기 흐름이 시작되고 케이싱 온도가 주변 온도에서 작동 조건(입구 케이싱에서는 500°C를 초과할 수 있음)으로 상승하면 터빈은 축 방향 및 반경 방향으로 팽창합니다. 이로 인해 두 축 중심선 사이에 측정 가능한 평행, 각도 및 축 방향 변위가 발생합니다. 기어 커플링은 크라운형 톱니와 슬리브 사이의 상대적인 슬라이딩 운동을 통해 이 세 가지 변위 모드를 동시에 흡수하여, 축 베어링에 가해지는 파괴적인 굽힘 하중을 톱니와 슬리브 사이의 마찰로 발생하는 열로 변환합니다. 이 열은 커플링 허브를 통해 순환하는 윤활유에 의해 방출됩니다.

석탄에서 가스로의 전환 발전소(요크셔 및 험버 지역) 험버 강 하구와 요크셔 전역에 위치한 여러 대형 화력 발전소는 현재 수명 중반 단계에 접어들었으며, 원래 석탄 화력 증기 사이클용으로 설계된 발전 설비를 천연가스 혼합 연소 또는 완전 가스 전환으로 개조하고 있습니다. 이러한 개조 작업에는 새로운 증기 유입구 구성을 수용하기 위해 터빈 축열 장치를 수정하는 경우가 많으며, 이로 인해 저압 터빈 로터의 열팽창 프로파일이 변경됩니다. 이러한 개조에 필요한 교체용 커플링은 변경된 축 형상, 새로운 토크 정격 및 변경된 열팽창 계수에 맞춰 맞춤 설계되어야 합니다. 이러한 작업에는 로터 동역학 시스템에 대한 상세한 유한 요소 해석 능력과 대구경 축에 H7/r6 이상의 내경 공차를 제공할 수 있는 제조 정밀도를 모두 갖춘 커플링 공급업체가 필요합니다.

복합 사이클 가스 터빈 발전소(CCGT) - 잉글랜드 및 스코틀랜드 버밍엄 인근과 스코틀랜드 중부 지역에서 가동 중인 여러 발전소를 포함한 최신 복합화력발전소(CCGT)는 가스 터빈, 폐열 회수 증기 발생기, 증기 터빈을 복잡한 다축 구조로 연결합니다. 이러한 발전소에서 증기 터빈의 저압(LP) 단계와 발전기 사이의 연결부는 가스 수요 변동에 따라 증기 터빈이 빈번하게 시동 및 정지하기 때문에 특히 까다로운 작동 사이클을 겪습니다. 각 열 사이클은 연결부에 피로 손상을 가중시킵니다. CCGT용으로 선정되는 기어 연결부는 일반적으로 추가적인 피로 여유를 두고 설계되며, 이러한 기계가 겪는 수많은 열 변동 동안 치면 접촉 응력을 줄이기 위해 치형의 크라운 반경을 더 크게 합니다.

원자력 발전소 증기 터빈 열차 (서머싯 및 서퍽) — 힝클리 포인트와 같은 지역의 원자력 발전소 서퍽(Suffolk)에 위치한 서머셋(Somerset)과 시즈웰(Sizewell) 원자력 발전소는 대형 증기 터빈-발전기 세트를 운영하고 있으며, 이러한 발전소의 연결 장치 요구 사항은 일반 산업 표준을 훨씬 뛰어넘습니다. 원자력 안전 평가 기준에 따라 연결 장치 설계에는 추가적인 요구 사항이 부과되는데, 여기에는 최대 부하 시 전기 차단 사고와 관련된 토크 급증을 견딜 수 있는 능력이 포함됩니다. 최대 부하 시 전기 차단 사고는 발전기 회로 차단기가 최대 출력에서 ​​순간적으로 개방되어 전체 전기 토크가 기계적 비틀림 충격으로 변환되어 연결 장치를 통해 터빈 축으로 전달되는 시나리오입니다. 원자력 발전소의 연결 장치는 이러한 사고 발생 시 파손이나 분리 없이 견딜 수 있도록 설계되어야 하며, 일반적으로 원자력 규제청(Office for Nuclear Regulation)이 승인한 제3자 기관의 독립적인 엔지니어링 검토를 받습니다.

바이오매스 및 폐기물 에너지화 발전소 (영국 여러 지역) 노스요크셔의 드랙스(Drax)와 같은 곳에서 바이오매스 발전 용량이 확대됨에 따라 20년 전에는 존재하지 않았던 증기 터빈용 커플링 시장이 크게 성장하고 있습니다. 바이오매스 증기는 일반적으로 석탄 화력 발전보다 염화물 부식에 더 취약하여 커플링 외부 표면에 대한 추가적인 보호 조치가 필요합니다. 셰필드의 중공업 단지와 웨스트 미들랜즈 제조 지역 전역에서 바이오매스 발전소의 운영 및 유지보수를 담당하는 엔지니어링 계약업체들은 서비스 간격을 연장하기 위해 부식 방지 코팅 강화, 스테인리스강 체결 부품, 밀폐형 윤활 장치를 갖춘 커플링을 점점 더 많이 지정하고 있습니다.

산업용 열병합 발전소 및 CHP 발전소(셰필드 및 버밍엄) — 내부에서 운영되는 열병합 발전 시스템 셰필드와 버밍엄의 산업 단지에서는 5~50MW급 소형 증기 터빈을 사용합니다. 이 터빈들은 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 동시에 인근 공장에 공정용 증기를 공급합니다. 열병합 발전(CHP) 터빈 트레인에 사용되는 연결 장치는 대형 발전소용 장치보다 크기는 작지만, 요구되는 부하량은 결코 적지 않습니다. 많은 CHP 발전소는 연간 8,000시간 이상 연속 가동됩니다. 공장 휴가 기간 동안의 짧은 유지 보수 시간 때문에 연결 장치는 신속한 접근과 재윤활이 가능하도록 설계되어야 하며, 숙련된 연결 장치 엔지니어들은 슬리브와 윤활 피팅 구조에 이러한 기능을 반영합니다.

해상 가스 압축 플랫폼 (북해, 영국 해역) 전통적인 화력 발전소 환경은 아니지만, 영국 북해 해역의 해상 압축 플랫폼은 육상 증기 터빈 커플링과 유사한 엔지니어링 요구 사항을 충족하는 조건에서 가스 터빈 구동 원심 압축기를 가동합니다. 이러한 요구 사항에는 고속 회전, 연속 운전, 유지보수 접근성의 어려움, 그리고 까다로운 환경 조건이 포함됩니다. 가스 터빈 발전 터빈과 원심 압축기를 연결하는 커플링은 열팽창, 축 방향 부양력, 피로 하중을 견뎌야 할 뿐만 아니라, 시간이 지남에 따라 외부 커플링 표면을 열화시키는 염분과 습도에도 견뎌야 합니다. 영국 해상 운영업체들은 일반적으로 이러한 용도에 대한 표준으로 API 671을 지정하며, 이 표준은 커플링 설계, 재료 문서, 시험 및 예비 부품 제공에 대한 최소 요구 사항을 규정합니다.

영국 셰필드 로어 돈 밸리에 위치한 열병합 발전소를 운영하는 지역 에너지 사업자는 18MW급 추출식 응축 증기 터빈에서 반복적인 진동 경보를 경험했습니다. 1990년대 중반에 제작된 이 터빈은 22년 이상 기저부하 발전에 사용되어 왔습니다. 베어링 근접 센서에서 수집된 진동 추세 데이터는 18개월 동안 진동 진폭이 1배씩 점진적으로 증가하는 양상을 보였으며, 터빈 감시 계측 시스템으로 측정된 커플링 캐비티 온도 또한 주기적으로 상승하는 것을 보여주었습니다.

공장 회전 기계 엔지니어의 근본 원인 분석 결과, 기존 커플링의 기어 톱니 측면에 마모가 발생했으며, 외부 허브 톱니와 내부 슬리브 톱니 모두에서 활성 톱니면 폭의 약 65%에 걸쳐 프레팅 자국이 확인되었습니다. 커플링의 윤활 피팅이 부분적으로 막혀 톱니 맞물림을 통한 오일 흐름이 감소하고 이전 유지 보수 기간 동안 마모 속도가 가속화되었습니다. 원래 OEM 커플링 제조업체는 해당 제품 라인을 단종하여 더 이상 직접적인 대체품을 공급받을 수 없었습니다.

운영사는 고장난 커플링의 CMM 측정 치수 데이터 전체와 원래 터빈 축 배치 도면 사본을 Ever Power에 제출했습니다. Ever Power의 엔지니어링 팀은 72시간 이내에 상세한 역설계 제안서를 작성했으며, 여기에는 정렬 불량 허용 오차를 개선하기 위해 크라운 반경을 증가시킨 수정된 치형 설계가 포함되었습니다. 이는 기존 설계의 알려진 한계를 해결한 개선 사항입니다. 교체 커플링은 DIN 6급 기어 정밀도로 제작되었고 G2.5 등급으로 동적 밸런싱되었습니다. EN 10269에 따른 재료 인증서와 모든 치수 검사 기록이 제품과 함께 제공되었습니다.

교체용 커플링은 셰필드 시의회 지역난방 네트워크와 협의하여 진행된 5일간의 계획된 정비 기간 동안 설치되었습니다. 이 정비 기간 동안에는 증기 터빈 가동 중단 시간 동안 석유를 연료로 사용하여 발전소를 부분적으로 가동해야 했습니다. 재가동 후, 터빈 구동단 베어링의 1배 진동 진폭은 정비 전 87µm 피크-투-피크에서 14µm로 감소했으며, 이는 해당 기계 등급에 대한 ISO 10816 허용 한계치 이내입니다. 이후 발전소는 14,000시간 이상 연속 가동되었으며 진동 이상 현상은 재발하지 않았습니다. 운영사는 예비 교체용 커플링을 발전소 창고에 보관하기 위해 사전 주문을 했습니다.

© Ever Power — 영국 발전 및 산업 분야를 위한 정밀 커플링 솔루션

gzl님이 편집함