ST(Steam turbine)의 구성과 원리

스팀터빈이란 보일러에 생성된 고온, 고압의 steam을 이용하여 회전력을 발생시키고 그 회전력으로 전기를 생산하는 기계이며, 가스터빈과 동일하게 운동에너지를 얻기 위한 기계입니다. 가스터빈은 intake duct와 exhaust duct 안에 rotor가 위치하기 때문에 압축공기나 배기가스가 Stator와 Rotor사이로 누출되는 것을 방지하는 sealing이 불필요하지만 스팀터빈은 Stator와 Rotor사이에 sealing이 필요하며, 스팀터빈에는 오직 스팀만 흐르기 때문에 sealing 또한 steam을 이용합니다.

 

스팀터빈의 구성

스팀터빈은 가스터빈과 다르게 공급되는 steam의 조건에 따라 터빈 케이싱을 나눠서 운영합니다. 가스터빈은 공급되는 에너지가 일정하게 LNG이기 때문에 변수는 대기온도가 유일합니다. 하지만 ST는 공급되는 steam의 압력, 온도, 유량이 일정하게 공급되는 것은 이론적으로만 가능하기 때문에 유동적인 Steam condition에 대응하기 위하여 steam의 압력 별로 나눠서 터빈을 구성하고 있습니다. 가장 일반적으로는 HP, IP, LP로 3개의 스팀터빈으로 나눠져 있으며 각각의 Casing과 Rotor가 나눠져 있으며 터빈들 사이에는 Bearing이 위치하고 있습니다. 보일러에서도 HP, IP, LP에서 생성된 스팀이 개별 배관을 통하여 각각의 터빈으로 공급됩니다.

 

스팀터빈의 흐름 순서

보일러의 HP super heater에서 생성된 steam은 HP turbine으로 공급되어 Rotor를 회전시키고 에너지가 줄어든 steam은 재열을 위해 CRH(Cold ReHeater) line을 통해 다시 보일러로 공급됩니다. CRH배관을 통해 다시 공급된 steam은 보일러의 IP super heater에서 생성된 steam와 합쳐져서 보일러의 Reheater에서 다시 가열됩니다. 보일러의 Reheater에서 가열된 Steam은 HRH (Hot ReHeater) line을 통해 IP turbine으로 공급되어 Rotor를 회전시키고 에너지가 줄어들면 Cross over pipe를 통해 LP turbine으로 공급됩니다. 이때 IP turbine에서 넘어가는 steam은 보일러의 LP super heater에서 생산된 steam과 합쳐져서 LP turbine에 공급됩니다. LP turbine에서 Rotor를 회전시키고 에너지가 줄어든 steam은 condenser로 이동하면서 응축되어 다시 응축수로 상 변환하게 됩니다. Air cooled condenser는 예외지만 일반적인 surface condenser의 경우는 LP turbine와 condenser가 하나의 Hausing으로 연결되어 있으므로 condenser 쪽이 진공상태여야 LP turbine에서 condenser로 steam이 이동합니다.

 

스팀터빈과 condenser의 Vacuum

위에서 말했듯이 condenser가 진공상태를 유지해야만 LP turbine에서 Condenser로 steam이 이동합니다. 정상 운전 시 Condenser에서는 tube side의 차가운 Cooling water에 의해 shell side의 steam이 응축되는 상변환을 하면서 압력이 낮아져 저절로 진공 상태를 유지하지만 처음 터빈을 기동 할 때는 임의로 진공 상태를 만들어 줘야 합니다. 스팀터빈은 고온의 스팀을 통해 전기를 만들기 때문에 터빈 Casing의 온도가 중요합니다. 초기 기동시 Steam Turbine casing은 대기 온도와 유사한 온도이기 때문에 steam을 바로 공급한다면 온도차에 따른 casing 손상이 발생할 수 있어 warm up이 필요합니다. 초기에 보일러에서 생산된 steam은 Mode IV와 같이 Steam turbine은 Bypass 하고 condenser로 공급되면서 배관과 Steam turbine을 Warm up 합니다. 이때 Steam이 Condenser로 유입되기 위해서는 Condenser가 진공상태를 유지해야 합니다. Steam이 생산되기 전에 condenser는 진공 상태를 유지해야만 보일러에서 생성된 steam이 condenser로 유입되어 warm up이 가능한 것입니다. 정상 운전 중에는 LP turbine의 steam이 상 변환하면서 진공상태가 되지만 초기 기동시에는 Condenser를 강제적으로 진공상태로 만들어주는 Vacuum pump 또는 Ejector가 필요합니다.

 

초기 기동시 Sealing steam의 공급 이유

Vacuum pump와 Ejector를 이용하여 Condenser내부의 공기를 배출하여 condenser 내부를 진공으로 만들어야 합니다. 그러기 위해서는 Condenser와 LP turbine와 Rotor가 전부 sealing이 되어야 있어야 합니다. 결국 Sealing Steam이 각각의 터빈에 공급되어야만 Vacuum pump와 Ejector를 이용하여 condenser를 진공으로 만들 수 있고 Condenser가 진공상태를 유지해야만 보일러에서 생산된 Steam을 condenser로 유입시켜 Steam turbine을 warm up 할 수 있습니다. ST를 초기 기동 하기 위해서 가장 먼저 해야 할 일은 sealing steam을 공급하는 것입니다. 정상 운전 중에는 Steam turbine 자체적으로 sealing steam을 공급 가능하지만 초기 기동시에는 별도의 보일러를 통해 sealing steam을 Steam turbine에 공급합니다. 일반적으로 LNG를 연료로 구동하는 보일러나 전기를 연료로 구동하는 보일러를 통해 Steam을 공급합니다. 이러한 별도의 보일러는 Aux. boiler 또는 start-up boiler라고 부릅니다. 

 

스팀터빈을 위한 윤활유의 특징

가스터빈과 마찬가지로 스팀터빈도 회전기기이기 때문에 베어링에 윤활유를 공급해줘야 합니다. 마찰에 의한 열이 발생하기 때문에 스팀터빈의 윤활유 또한 냉각기를 거쳐 베어링에 공급해줘야 하며 회수되는 윤활유는 필터로 이물질을 걸려줘야 합니다. 이때 회수되는 윤활유는 어차피 다시 공급될 때 필터를 통해 이물질을 걸러주기 때문에 윤활유 공급라인은 SUS로 적용하고 회수 라인은 Carbon으로 적용하는 경우가 일반적입니다. 스팀터빈은 가스터빈과 다르게 스팀을 이용하는 기계이기 때문에 베어링으로 Sealing steam이 공급되기도 하고 100% 차단이 안될 수도 있기 때문에 스팀터빈의 회수되는 윤활유에는 증기가 섞여있을 경우를 고려해야 합니다. 수분이 윤활유에 섞여 있다면 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 가스터빈에는 없지만 스팀터빈 윤활유 시스템에는 Oil Purifier가 설치되어 있어 수분은 제거해줍니다. 이것이 가스터빈의 윤활유 시스템과 스팀터빈의 윤환유 시스템과의 가장 큰 차이점입니다.

 

소음규제를 준수하기 위한 설비

스팀터빈 역시 코드에 근거하여 85dB를 넘지 않아야 합니다. 스팀터빈의 경우 가스터빈과 비교했을 때 Casing과 Rotor가 소규모이기 때문에 소음 규제치를 준수하기가 쉽습니다. 일부 스팀터빈 공급사는 별도의 Enclosure나 Acoustic barrier wall 없이도 소음 규제치 85dB를 준수하는 경우도 있습니다. 이 경우 별도의 시공비용이라던지 소방설비를 할 필요가 없기 때문에 여러 가지로 유리합니다. 보통 스팀터빈은 지붕이 없는 Barrier wall 만 설치해도 충분히 소음을 잡을 수 있기 때문에 별도의 소방설비 없이 건물의 소방설비로 커버 가능합니다. 간혹 스팀터빈에는 LNG 같은 고위험 가스설비가 없기 때문에 소방설비가 불필요한 것이 아니냐는 의견이 있을 수 있지만 윤활유가 베어링에 공급되고 있기 때문에 소방설비가 필수적입니다. 윤활유가 가열되어 유증기 형태로 누출된다면 전부 타기 전까지는 불을 끌 수 없기 때문에 LNG 만큼이나 위험한 물질입니다.

 

스팀터빈의 가동시간을 결정하는 요소

스팀터빈은 앞에서도 설명했듯이 Casing의 온도에 따라 가동시간이 달라집니다. 정상 운전 중에 Casing이 100 degree C라고 가정할 때 운전을 정지하게 되면 100 degree C는 대기 온도와 동일한 온도가 되려고 서서히 식게 됩니다. 이때 Casing의 재질이나 표면적, 보온재의 보온성에 따라 Casing이 식는 속도는 달라지게 됩니다. 이처럼 스팀터빈 공급사는 터빈이 중지되고 난 후부터 몇 시간이 흘렀냐에 따라 Casing의 온도를 계산하고 Casing의 식은 정도에 따라 재가동시 Warm up 시간이 달라 지기 때문에 정지 후 경과 시간에 따라 재가동 시간을 나타내는 Start-up curve를 제공하게 됩니다. 예를 들어 이 Curve에서는 가동중지 후 1시간이 경과했다면 재가동하는데 10분이면 된다고 하거나 가동중지 후 10시간이 경과했다면 재가동할 때 Warm up 시간이 더 필요하기 때문에 2시간이 소요된다고 표시하게 됩니다.

 

가스터빈에 이어 스팀터빈엔 대해서도 간략하게 설명해봤는데요. 가스터빈과 유사하게 보일 수 있지만 엄연히 사용하는 연료와 에너지, 고려해야 할 사항들이 다르기 때문에 완전 다른 기계라고 봐도 무방합니다. 앞서 가스터빈에 대해서 많은 언급을 했는데요. 본 포스팅을 먼저 보신 분이라면 아래 가스터빈에 대한 포스팅도 함께 보시면 이해하는데 더 도움이 되실 거라고 생각합니다.

GT(Gas turbine)의 구성과 원리

 

LNG 복합화력 발전소의 이해-GT, ST, HRSG 및 DH