CCPP Start-up Curves 작성 지침

RERERENCE PROJECT : F Class GTG Combined Cycle, 2-2-1 Multi Shaft Configuration

CCPP Start-up 과정에서 IP 및 LP Steam System은 Start-up 기준으로서의 역할을 하지 않으

며, HP Steam System이 Start-up Time 등을 결정하는 기준 역할을 합니다. 그 이유는, HP

Steam이 STG 기동을 주도하며, HP Drum Steel의 두께가 가장 두꺼워 Water Temperature

Change Rate가 가장 작기 때문입니다.

Reheater는 단지 Tube만 존재하기 때문에 Ramping-up Time 등에 영향을 미치지 않으며, 그

온도 변화도 HP Steam System과 거의 동일하므로, Reheat Type CCPP의 Start-up Curves 작

성에서도 HP Steam System의 운전 상태만을 고려해도 큰 문제가 없습니다.

1. Pre-warming of HRSG HP Drum Water

1) Pre-warming 설비의 필요성

HP Drum의 Pre-warming System은 HP Drum의 수명 유지를 위해서 필요합니다.

특히, HP Drum Water가 과냉(Sub-cooled) 상태에서 Start-up을 하는 경우에는(예를 들어 15

oC), HP Drum Water의 Temperature Change Rate를 Control할 수 있는 방법이 없어서, 최소

한 HP Drum Water Temperature를 대기압에서의 포화온도인 100 oC 이상으로 유지하기 위

한 Pre-warming System은 반드시 필요합니다.

Pre-warming 운전시 Drum에서의 Water Hammering 때문에 설치를 망설이거나, 설치하지

말아야 한다는 주장도 있는데, HP Drum의 수명 유지를 위해서는 반드시 필요합니다.

Water Hammering 현상을 완화시키기 위해서는 Pre-warming을 위한 Sparging Steam의

Injection Flow Rate를 가능하면 줄여야 합니다. 즉 Pre-warming을 천천히 해야 합니다.

REFERENCE PROJECT의 HP Drum의 Pre-warming 최종 유지 온도가 185 oc이며, Pre-

warming용 Steam Line에 Temperature Control Valve(TCV)가 설치되어 있는데, HP Drum 온

도가 185 oC가 되는 시점부터 동 TCV를 사용해 HP Drum 온도를 185 oC로 일정하게 유지

하면 Injection되는 Sparging Steam Flow Rate가 작아 Hammering 현상이 거의 나타나지 않

았습니다. (180 oC에서 Open, 185 oC에서 Close 하는 형식의 Open-Close Control하며,

Sparging Flow가 크지 않도록 TCV Opening을 조절함.)

Sparging Steam을 공급하는 Aux. Boiler가 Turn-down Ratio 밑으로 운전되어 TCV 운전을 할

수 없는 경우에는, HP Drum 온도가 140 oC 이하로 떨어질 때까지 기다렸다가 Sparging

Steam을 Manual로 주입해 185 oC로 올리는데, 이때에도 비록 시간이 걸리지만 Injection

Flow Rate를 작게하여 주입하면 Hammering 현상을 많이 줄일 수 있는 것으로 나타났습니

다.

만일 장기간 정지 후 기동하여 HP Drum Water의 온도가 대기 온도와 동일한 경우에는,

Pre-warming 시간을 길게 잡고 천천히 Pre-warming을 실시함으로써 Water Hammering 현

상을 완화시켜 운전하면 됩니다.

HP Drum에 Pre-warming 설비가 없는 경우에는 Gas Turbine을 기동하여 HRSG Temp Match

상태에서 Gas Turbine Exhaust Gas로 Pre-warming을 수행해야 하는데, 이 경우에는 다음과

같은 문제점이 있습니다.

1) Gas Turbine Exhaust Gas Flow나 Temperature를 조절할 방법이 없으므로, HP Drum

의 Allowable Temperature Change Rate를 제어할 수 없습니다. 특히 과냉 상태에

서 기동하는 경우 대기압 상태의 포화 온도인 100 oC가 될 때까지는 전혀 제어가

불가능하며, 100 oC 이상에서도 약 10 kg/cm2g 압력까지는 압력 변화 대비 포화

온도의 상승률이 커서 Start-up Vent Valve나 Bypass Valve로 압력 상승률을 제어하

더라도, HP Drum의 Allowable Temperature Change Rate를 맞추기가 거의 불가능합

니다.

2) NOx 환경규제치를 초과하는 Gas Turbine 저부하 영역에서의 기동 시간이 길어져서,

기동을 2차례로 나누어 수행하는 환경제약 회피 기동을 해야할 가능성이 커지며,

그에 따라 발전소 수익률이 저하됩니다.

HRSG의 압력부에서 HP Drum의 두께가 가장 두꺼우므로, HP Drum의 Allowable

Temperature Change Rate가 가장 작습니다.

140 kg/cm2g 운전 압력의 REFERENCE PROJECT의 경우, HP Drum의 Cold Start시 Allowable

Temperature Change Rate가 3.9 oC/min.인 반면, IP Drum(27 kg/cm2g)은 10 oC/min. LP

Drum(7 kg/cm2g)은 27.8 oC/min.입니다.

2) Pre-warming 최종 온도

Pre-warming 최종 온도는 10 kg/cm2g 압력의 포화 온도인 185 oC가 적정할 것으로 사료됩

니다. 그 이유는, 앞에서 설명하였듯이 10 kg/cm2g 압력 이하에서는 압력 변화 대비 포화

온도 상승률이 커서 Start-up Vent나 Bypass Valve로 포화 온도 상승률을 제어하기가 쉽지

않기 때문입니다.

한편, Sparging Steam의 공급원 압력에 따라 Pre-warming 최종 온도가 제한된다는 점을 유

념해야 합니다. 일반적으로 보조 증기 계통의 압력이 10 kg/cm2g 이상이므로, 185 oC는

적정한 온도라고 볼 수 있으나, Sparging Steam의 공급 압력이 낮은 경우에는 최종 온도를

그에 따라 낮게 조정해야 합니다. 역으로, 보조 증기 계통과 같은 Sparging Steam 공급

원의 압력을 결정할 때, 제작자가 요구하는 Pre-warming 최종 온도를 고려하여 결정하는 것

도 하나의 방법입니다.

3) Pre-warming Time 계산

- HP Evaporator 및 Drum의 Water와 Steel의 단위 온도 올리는데 필요한 열량 계산

CMC = Mw Cpw + Mstl x Cps

wherein ;

CMC : Combined mass multiplied by Cp of HP Evaporator/Drum Water & Steel

Mw : Water mass

Cpw : Water specific heat

Mstl : Steel mass

Cps : Steel specific heat

예제) Water mass = 54432 kg, Water Cp = 1 kcal/(kg-oC)

Steel mass = 22680 kg, Steel Cp = 0.12 kcal/(kg-oC)

CMC = 54432 x 1 + 22680 x 0.12 = 57154 kcal/oC

- Sparging Steam으로부터 HP Drum Water로 전달되는 열량 계산

HA = Ms x {Hs – (Hwf – Hwi) / 2}

wherein :

HA : Heat added by sparging steam

Ms : Sparging steam mass flow rate (decided by supply system)

Hs : Sparging steam enthalpy

Hwf : Final enthalpy of HP drum water

Hwi : Initial enthalpy of HP drum water

예제) Ms = 4536 kg/hr (sparging steam system sizing flow rate),

Hs = 694 kcal/kg,

Hwf = 187.6 kcal/kg(saturation water enthalpy at 185 oC),

Hwi = 15.1 kcal/kg(Sub-cooled water enthalpy at 15 oC)

HA = 4536 x {694 – (187.6 – 15.1) / 2} = 2756252 kcal/hr

- Temperature Rising Rate by Sparging 계산

TRR = HA / CMC

예제) TRR = 2756252 kcal/hr / 57154 kcal/oC = 48.2 oC/hr = 0.8 oC/min.

- Pre-warming Time 계산

PWt = (Twf – Twi) / TRR

wherein :

Twf : Final water temperature of HP drum water

Twi : Initial water temperature of HP drum water

예제) PWt = (185 oC – 15 oC) / 0.8 oC/min. = 213 min.

주) Hot 이나 Warm Start-up 에서와 같이 Start-up 이전에 HP Drum 온도가 Pre-warming

최종 온도 보다 높은 경우에는 Pre-warming이 필요 없습니다.

2. GTG Start-up through HRSG Temp Matching Load

Gas Turbine이 Start-up하는 시점에 Start-up Vent Valves나 Bypass Valves는 닫혀 있으며, 단

지 Drain Valves 만이 열려 있습니다. Drain Valves를 통해 Steam이 흐르기는 하지만 그

양이 미미하므로, GTG가 Start-up하는 시점에 Steam Flow는 없다고 가정할 수 있으며, GTG

Exhaust Gas는 Purge하는 동안에는 HP Drum Water를 식히고, Firing하는 동안에는 HP

Drum의 온도를 상승시키는 역할을 합니다.

실제 기동 운전 자료를 검토해 본 결과, Purge하는 동안 식혀진 HP Drum Water 온도가

Firing 과정을 거치면서 다시 원래 압력으로 되돌아 오므로, Purge하는 동안과 Firing하는 동

안의 HP Drum 온도 변화를 굳이 계산할 필요는 없으나, 그 영향을 보여주기 위하여 그 계

산 과정을 아래에 기술하였습니다.

Steam Flow가 존재하지 않는 상태는 Gas Turbine Generator가 Synchronization 된 이후에

HP Drum의 압력이 0.7 kg/cm2g 이상이 될 때까지 지속되며, HP Drum 압력이 0.7 kg/cm2g

이상이 되면 Start-up Vent Valves가 열리면서 Flow가 형성됩니다.

Hot Start-up 시와 같이 HP Drum 압력이 Gas Turbine 기동 전에 이미 0.7 kg/cm2g 이상인

경우에는, Gas Turbine Generator가 Synchronization 된 이후에 바로 Start-up Vent Valves가

열리면서 Flow가 형성됩니다. Gas Turbine Generator가 Synchronization 된 이후에 Start-

up Vent Valves를 여는 이유는, Gas Turbine Generator Synchronization이 실패하여 Start-up

and Synchronization을 반복하는 경우, HP Drum이 불필요하게 대기와 통기되는 것을 방지하

기 위함입니다.

Gas Turbine Generator가 Synchronization 된 이후에 Gas Turbine은 바로 HRSG Temperature

Matching을 수행합니다.

HRSG Temperature Matching은 HRSG Superheater 및 Reheater Tubes에 충분한 냉각 유량이

형성될 때까지 Tubes를 보호하기 위하여, Gas Turbine Exhaust Gas Temperature를 Tubes의

최저 설계 온도 이하로 낮추는 Gas Turbine의 운전 조작입니다. 일반적으로 Superheater

나 Reheater 저온부에 Carbon Steel을 사용하게 되므로, HRSG Temperature Matching 온도는

Carbon Steel의 Creep Temperature인 427 oC 이하로 설정됩니다. RERERECNE PROJECT의

경우 HRSG Temperature Matching 온도는 400 oC 입니다.

HRSG Temp Matching 온도는 유량이 형성되기 전에 Tubes를 보호하기 위한 목적이므로,

HRSG의 Start-up Mode(Cold, Warm, Hot)에 관계없이 일정한 온도로 설정됩니다.

1) Gas Turbine Start-up

Gas Turbine Start-up은 DCS의 APS(Automatic Plant Start-up & Shut-down)로부터 Start 명령

을 받으면, 자체 기동 순서에 따라 자동으로 Purge Cycle부터 시작하여 Firing, IGV Open to

Minimum Angle 과정을 거쳐 Grid 주파수와 일치하는 회전속도인 FSNL(Final Speed No

Load) 상태에 도달하며, Auto Synchronization이 ON 되어 있으면 바로 Grid에

Synchronization 되면서 Minimum Load를 유지하게 됩니다. `

이러한 일련의 과정에서의 Gas Turbine Exhaust Gas Flow 및 Temperature 등과 같은 조건들

은 APS에서 제어할 수 있는 것이 아니라 Gas Turbine 자체의 특성에 따라 결정되며, 그러한

자료들은 Gas Turbine 제작자가 제공하는 Gas Turbine Start-up Curves로부터 구해야 합니다.

Purge Cycle

가스 터빈을 Start 하면 제일 먼저 HRSG Purge Cycle이 수행됩니다. Purge Cycle은 HRSG

에 잔존해 있을 가능성이 있는 가연성 가스를 Gas Turbine 연소 이전에 배출하기 위한

Cycle로, Gas Turbine Start-up Device(SFC, Motor 혹은 엔진)로 Gas Turbine을 약 23% Speed

로 공회전시켜서 가연성 가스를 배출합니다. NFPA 규정에 따르면 Purge Volume은 HRSG

의 Gas측 Volume를 최소 5회 이상 치환할 수 있는 Volume이 되어야 한다고 규정되어 있으

며, REFERENCE PROJECT의 경우 Purge Time이 11분으로 설정되어 있습니다.

Purge Cycle 동안 대기가 HRSG를 통해 흐르므로 HRSG가 냉각되며, 그 냉각 속도는 다음과

같이 계산합니다.

- HP Evaporator 및 Drum의 Water와 Steel의 단위 온도 올리는데 필요한 열량 계산

CMC : CMC : Combined mass multiplied by Cp of HP Evaporator/Drum Water &

Steel (Pre-warming Time 계산의 CMC 계산 식 참조)

CMC = 57154 kcal/oC

- Heat removed by Air

HRA = Ma x Cpa x (Twf – Ta) / 2

wherein :

Ma : Gas turbine purge air mass flow(Gas Turbine Data로부터 구함)

Cpa : Specific heat of air

Twf : HP drum water temperature before GT start

Ta : Ambient air temperature

예제) Ma = 120512 kg/hr, Cpa = 0.24 kcal/(kg-oC)

Twf = 185 oC, Ta = 15 oC

HRA = 120512 x 0.24 x (185 – 15) = 2463269 kcal/hr

- HP Drum Water Temperature Drop Rate during Purge Cycle

TDR = HRA / CMC

예제) TDR = 2463269 / 57154 = 43.1 oC/hr = 0.72 oC/min.

Firing through Synchronization

Purge Cycle이 완료되면 Gas Turbine(GT) Speed를 약 13% 근방으로 낮춘 다음 Firing을 시

작합니다. 이때 GT의 IGV Angle은 정상 운전시의 최저 각도인 43도 보다 작은 28도 근방

이며, 연료량을 늘려감에 따라 GT Speed가 상승하면서(Acceleration) GT Exhaust Gas 온도가

상승합니다. 그리고 GT Speed 66% 근방에서 Starting Device가 Disengage되면서 GT

Exhaust Gas 온도가 떨어지고, GT Speed 90% 근방에서 GT의 IGV Angle이 정상 운전시의 최

저 각도인 43도로 열리면서 GT Exhaust Gas 온도는 더 떨어지게 됩니다.

그리고 FSNL에 도달한 후 Synchronization 됩니다.

이 과정에서 GT Exhaust Flow Rate는 GT의 Speed와 IGV 각도에 비례하여 증가합니다.

Gas Turbine의 시간대별 Speed & Output, Exhaust Flow & Temp, IGV Angle 등은 Gas

Turbine 업체에서 제공하는 GT Start-up Curve로부터 구합니다.

이 과정 중에 HP Steam은 생산되지 않고, 단지 HP Drum의 온도만 상승하게 되며, 그 온도

상승률은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

GT Exhaust 조건이 바뀌는 단계별로 계산하는 절차는 동일하므로, 여기서는 FSNL에서

Synchronization으로 바뀌는 단계의 HP Drum 온도 상승률을 구하는 방법만 예시하도록 하

겠습니다.

- FSNL 및 Synchronization 상태에서의 GT Exhaust Gas Enthalpy 구하기

Gas Turbine 업체로부터 받은 GT Exhaust Gas 성분과 FSNL 및 Synchronization 상

태에서의 GT Exhaust Gas 온도로부터 GT Exhaust Gas Enthalpy를 구합니다.

(Flue Gas Enthalpy 계산 Software 사용)

Tgf, Tgs : GT exhaust gas temp at FSNL and Synchronization respectively

Hgf, Hgs : GT exhaust gas enthalpy at FSNL and Synchronization respectively

예제) GT Exhaust Gas Composition(volume %) : N2 = 74.6, Ar = 0.9, O2 = 12.7,

CO2 = 3.8, H2O = 8

Tgf = 420 oC (GT Exhaust Gas Temp at FSNL)

Tgs = 450 oC (GT Exhaust Gas Temp at Synchronization)

Hgf = 104.6 kcal/kg at Tgf (15 oC 기준)

Hgs = 112.7 kcal/kg at Tgs (15 oC 기준)

- HP Evaporator Outlet Gas Enthalpy 계산

GT Start-up 단계에서의 열전달량이 설계 열전달량 보다 매우 작으므로, Pinch 값은

Design Pinch 값보다 작아질 것입니다. 계산을 단순화하기 위하여 본 Firing 단계에

서의 Pinch 값이 Design Pinch 값과 동일하다는 가정하에서 HP Evaporator Outlet

Gas Temperature와 Enthalpy 값을 구하기로 합니다.

Tgevap = Twf + Dpinch

Wherein,

Tgevap : HP evaporator outlet gas temperature

Twf : HP drum water temperature before GT start

DPinch : HP evaporator design pinch value

Hgevap = Gas enthalpy at Tgevap

주) HP drum water temp로 FSNL에서의 온도를 사용해야 하지만 Pre-warming 최종

온도로부터의 온도 상승량이 미미하므로, Pre-warming 최종 온도를 공히 사용하기

로 합니다. 그러므로, FSNL과 Synchronization 상태에서의 Tgevap는 동일합니다.

예제) Twf = 185 oC, DPinch = 8.9 oC

Tgevap = 185 + 8.9 = 193.9 oC

Hgevap = 44.7 kcal/kg (15 oC 기준)

- Heat added to HP Evaporator Water by Gas

(FSNL과 Synchronization 상태의 평균값으로 계산)

HAEVAP = (Mgf + Mgs) / 2 x {(Hgf + Hgs) / 2 – Hgevap}

wherein :

HAEVAP : Heat added to HP evaporator water by gas

Mgf, Mgs : GT exhaust gas flow at FSNL and Synchronization respectively

Time_f, Time_s : Time at FSNL and Synchronization respectively

Hgf, Hgs : GT exhaust gas enthalpy at FSNL and Synchronization respectively

Hgevap = Gas enthalpy at Tgevap

예제) Mgf = 860 t/h, Mgs = 990 t/h, Hgf = 104.6 kcal/kg, Hgs = 112.7 kcal/kg

Hgevap = 44.7 kcal/kg

HAEVAP = (860 + 990) / 2 x {104.6 + 112.7} / 2 – 44.7} = 59.2e+6 kcal/hr

- Temperature Rising Rate

TRR1 = HAEVAP / CMC / 60 * HAEFF

wherein ;

TRR1 : Temperature rising rate

CMC : Combined mass multiplied by Cp of HP Evaporator/Drum Water & Steel (Pre-

warming Time 계산의 CMC 계산 식 참조)

HAEFF : Effectiveness of heat added

예제) CMC = 57154 kcal/oC, HAEFF = 0.15

TRR1 = 59.2e+6 / 57154 / 60 * 0.15 = 2.6 oC/min.

주) GT가 Firing되는 시점에는 HRSG 내부가 주변 온도 상태에 있으므로, GT 연소열

의 많은 부분이 HRSG Casing 및 Structure 등의 온도를 상승시키는데 사용됩니다.

그러므로, GT 연소열의 일부분만이 HRSG HP Evaporator의 Water및 Steel의 온도를

상승시키는데 사용되며, 그러한 영향을 나타내기 위하여 Effectiveness of Heat

Added라는 용어를 도입하였습니다. 실제 기동 운전 자료를 검토해 본 결과

Effectiveness를 15% 정도로 잡으면 적정한 것으로 나타났습니다.

2) HRSG Temperature Matching

HRSG를 Pre-warming하는 경우에 GTG Synchronization 시점에 이미 HRSG HP Drum Water

의 압력이 0.7 kg/cm2g 이상이므로, GTG가 Synchronization 된 후에 바로 HRSG HP Start-up

Vent Valves가 열리면서 HP Steam Flow가 형성됩니다.

HRSG HP Drum 압력이 Pre-warming 상태의 압력으로 일정하게 유지되고, HP Start-up Vent

Valves가 충분한 Opening으로 바로 열린다면, GTG Exhaust Gas 열량이 계속적으로 공급되고

있는 상태이므로, Steady-status 상태의 HRSG Temperature Matching Steam Flow가 바로 형

성될 것입니다.

하지만, HP Start-up Vent Valves의 Opening과 HP Steam 압력이 HRSG Temperature

Matching Steam Flow을 흘리기에 일반적으로 충분하지 않고, GTG의 HRSG Temperature

Matching 작동이 끝나면 바로 Bypass Valves를 열러 HRSG HP Drum 압력을 Floor Pressure

로 끌고 올라가기 때문에, 실제 기동 운전 자료를 보면 HP Steam 압력이 증가하는 동시에

HP Steam 유량이 형성되면서 증가하는 현상을 나타내지만, HP Steam Flow가 HRSG

Temperature Matching Steam Flow까지 증가하지는 않은 것으로 나타났습니다.

한가지 알아두어야 할 점은, HRSG HP Steam 압력이 증가하는 경우에 Steady-status 상태의

HP Steam Flow가 형성되지 않습니다. 그 이유는 HP Steam 압력이 증가하는 경우, HP

Steam을 생산하는 열량 외에 HP Drum 및 Evaporator Water/Steel의 온도를 상승시키는 열

량이 추가로 필요하기 때문입니다.

예를 들어, HRSG Temperature Matching Load에서 HP Steam 압력이 10 kg/cm2g인 경우,

Steady-state HP Steam Flow는 약 72 ton/hr인 반면, 3.9 oC/min.의 속도로 HP Drum Water

온도가 상승하는 경우 HP Steam Flow는 약 50 ton/hr입니다. 즉 약 22 ton/hr HP Steam

Flow에 해당하는 열량이 HP Drum 및 Evaporator Water/Steel의 온도를 상승시키는데 사용

되는 것입니다. HP Drum Water의 온도 상승률이 크면 클수록, HP Steam Flow는 더욱 줄

어듭니다.

여기서는 HRSG HP Drum Water가 Pre-warming이 되어서 이미 포화 상태에 있거나, 아니면

Hot Start-up 상태로 포화 상태에 있다는 가정하에, GTG가 Synchronization 된 후 5분 후에

3.9 oC/min. HP Drum Water 온도 상승률의 HRSG Temperature Matching HP Steam Flow가

형성되는 것으로 가정하였으며, Drum 온도 상승률에 따른 HP Steam Flow는 다음과 같이 계

산합니다.

Cold Start-up의 실제 운전 자료를 살펴보면, 10 kg/cm2g 근방 및 그 이하의 저압 영역에서

는 압력에 따른 포화수 온도 상승률이 커서 온도 상승률을 3.9 oC/min.이나 그 이하로 유지

하지 못하기 때문에, HP Steam Flow는 그 보다 훨씬 작은 것으로 나타났습니다.

- UA Calculation from Design Conditions

열전달 식 Q = U x A x LMTD을 이용해 부분 부하에서의 HRSG 성능을 예측합니다.

Q는 전달 열량이며, U는 열전달계수, A 전열면적, LMTD는 Log Mean Temperature

Difference입니다. 열전달계수 U 값은 유체의 유속이나 물성에 따라 달라지므로

부분 부하에서 그 값이 달라지지만, 그 변화량이 크지 않으므로 일정하다는 가정하

에, Design Conditions에서의 UA 값을 아래와 같이 계산하고, 부분 부하에서의 UA

값과 Design UA 값이 동일하다고 가정합니다.

UA = Q / LMTD

wherein :

UA : Heat transfer area(A) multiplied by overall heat transfer coefficient(U)

LMTD : Log mean temperature difference

예제) Design Conditions

HP superheater outlet steam :

Ms = 185.5 t/h, Ps = 131.4 atg, Ts = 567 oC, Hs = 839.1 kcal/kg

HP evaporator inlet feedwater :

Mf = 185.5 t/h, Pf = 139 atg, Tf = 332 oC, Hf = 367.4 kcal/kg, Tsat at Pf = 335.1 oC

GTG exhaust gas :

Mgi = 1636 t/h, Tgi = 603 oC, Hgi = 155.1 kcal/kg

HP evaporator exit gas :

Mge = 1636 t/h, Tge = 344 oC, Hge = 84.3 kcal/kg

Heat transferred by gas :

Qgas = Mgi x (Hgi – Hge) = 1636 x (155.1 – 84.3) = 115,884 Mcal/hr

Heat received by HP steam :

Qs = Ms x (Hs – Hf) = 185.5 x (839.1 – 367.4) = 87,506 Mcal/hr

HP steam heat ratio to gas :

Rq = Qs / Qgas = 87,506 / 115,884 = 0.755

주) Gas 열전달량과 HP Steam 열전달의 차이는, Reheater가 흡수한 열량입니다. 부

분 부하에서도 동일한 비율로 열전달이 이루어진다고 가정합니다.

LMTD = {(Tgi – Ts) – (Tge – Tf)} / ln{(Tgi – Ts) / (Tge – Tf)}

= {(603 – 567) – (344 – 332)} / ln{(603 – 567) / (344 – 332)} = 21.8 oC

UA based on Qgas = Qgas / LMTD = 115,884 / 21.8 = 5,305 Mcal/(hr-oC)

Design Pinch = Tge – Tsat at Pf = 344 – 335.1 = 8.9 oC

Design Approach = Tsat at Pf – Tf = 335.1 – 332 = 3.1 oC

- Off-design Steady-state Performance based on Constant UA

가정) 부분 부하에서의 Pinch 및 Approach 값은 Design 값과 같다고 가정합니다.

실제 부분 부하에서의 Pinch 및 Approach 값은 Design 값보다 작으나, 그 값 차이

가 무시할 수준이므로, 같다고 가정해도 무리가 없습니다.

LMTD_Q = LMTD)_T

wherein :

LMTD_Q : LMTD calculated based on heat transfer

LMTD_T : LMTD calculated based on HP steam temperature presumed

예제)Off-design Conditions for HRSG Temperature Matching Load at 10 atg HP

Drum Pressure

GTG exhaust gas :

Mgi = 1050 t/h, Tgi = 400 oC, Hgi = 99.2 kcal/kg

HP drum pressure :

Pdrum = 10 atg, Tsat at Pdrum = 183.2 oC

HP evaporator exit gas :

Mge = 1636 t/h, Tge = Tsat at Pdrum + Design Pinch = 183.2 + 8.9 = 192.1 oC,

Hge = 44.7 kcal/kg

Heat transferred by gas :

Qgas = Mgi x (Hgi – Hge) = 1050 x (99.2 – 44.7) = 57,262 Mcal/hr

LMTD_Q = Qgas / UA = 57,262 / 5,305 = 10.8 oC

HP superheater outlet steam temperature presumed, Ts = 391 oC :

HP evaporator inlet feedwater temperature, Tf = Tsat at Pdrum – Design Approach =

183.2 – 3.1 = 180.1 oC

LMTD_T = {(Tgi – Ts) – (Tge – Tf)} / ln{(Tgi – Ts) / (Tge – Tf)}

= {(400 – 391) – (192.1 – 180.1)} / ln{(400 – 391) / (192.1 – 180.1)} = 10.4 oC

Therefore, LMTD_Q = LMTD_T and HP superheater outlet steam temperature, Ts =

391 oC is OK.

HP superheater outlet steam :

Ps = 9 atg(estimated), Ts = 391 oC, Hs = 775.2 kcal/kg

HP evaporator inlet feedwater : Pf(= Pdrum) = 10 atg, Tf = 180.1 oC, Hf = 182.4

kcal/kg

Heat received by HP steam :

Qs = Qgas x Rq = 57,262 x 0.755= 43,239 Mcal/hr

HP steam generated, Ms = Qs / (Hs – Hf) = 43,239 / (775.2 – 182.4) = 72.9 t/h

- Heat Reduction by Temperature Ramping

Qred = CMC x TRR2

wherein ;

Qred : Heat reduction by temperature ramping

TRR2 : Temperature rising rate

CMC : CMC : Combined mass multiplied by Cp of HP Evaporator/Drum Water &

Steel (Pre-warming Time 계산의 CMC 계산 식 참조)

예제) CMC = 57154 kcal/oC, TRR2 = 3.9 oC/min.

Qred = 57,154 / 1000 x 3.9 x 60 = 13,373 Mcal/hr

- HP Steam Flow at Temperature Ramping

Qs_ramp = Qs – Qred

Ms = Qs_ramp / (Hs – Hf)

wherein :

Qs_ramp : HP steam flow at temperature ramping

예제) Qs_ramp = 43,239 - 13,373 = 29,866 Mcal/hr

Ms = 29,866 / (775.2 – 182.4) = 50.4 t/h

3. HRSG Pressure Building-up to Floor Pressure

GTG의 HRSG Temperature Matching 조작이 완료되면, Allowable HP Drum Temperature

Ramping Rate를 초과하지 않는 범위 내에서 가능하면 빠른 시간 내에 HP Steam Pressure를

Floor Pressure로 상승시켜야 합니다.

이 과정에서 Bypass Valves가 가능하면 빨리 운전되도록 하여, 생산되는 증기를 HP Start-up

Vent Valves를 통해 대기 중으로 방출하기 보다는, Condenser로 회수되도록 하여야 하며,

Floor Pressure에 도달한 이전에 가능하면 Bypass Valves 및 Bypass Valve Desuperheater가

정상 운전 되도록 하여야 합니다.

그렇게 함으로써, Floor Pressure에 도달함과 동시에 STG Temperature Matching을 수행하여

Start-up Time을 단축할 수 있습니다.

Hot Start-up과 같이 STG Temperature Matching에 의해 HP Steam 온도가 상승하는 경우에

Bypass Valve Desuperheater가 작동되지 않으면, Bypass Valves 출구 증기 온도가 출구 배관

의 설계 온도 이상으로 올라가, STG Temperature Matching 조작을 수행할 수 없습니다.

HRSG Temperature Matching 상태에서의 HP(혹은 Reheat) Steam 온도가 Carbon Steel 의

Creep Temperature 이하 온도이므로, 비록 Bypass Valves 출구 배관의 재질이 비록 Carbon

Steel일지라도, Bypass Valve Desuperheater가 작동하지 않는 상태에서 Bypass Valves를 열어

증기를 흘리더라도 출구측 배관에는 문제가 없습니다.(단 출구측 배관 설계 온도가 충분히

높아서 배관의 열팽창 측면에서도 문제가 없어야 함.)

그러므로, GTG의 HRSG Temperature Matching 조작이 완료되면 Bypass Valves를 Minimum

Opening으로 연 후, HP Drum Temperature Ramping Rate Control Mode로 전환하여 Bypass

Valves가 HP Steam Pressure를 Control하면서 Floor Pressure로 끌고 가도록 하고, HP Start-

up Vent Valves를 닫습니다. 그리고, HP Steam 생산량 및 조건이 Bypass Valve

Desuperheater가 작동하기 위한 Minimum Volume Flow 이상이 되면 Bypass Valve

Desuperheater를 AUTO로 전환하여 출구 온도를 Control 합니다.

1) Floor Pressure

2-2-1 구성의 CCPP의 경우, Floor Pressure는 대부분 GTG 1대가 NOx 환경규제치 값을 만족

하는 최저 Load로 운전될 때 형성되는 압력을 Floor Pressure로 설정합니다. 예를 들어 그

러한 부하가 50% Load인 경우, GTG 1대가 50% Load 일 때까지는 STG Inlet Governor Valves

가 Throttling하여 Floor Pressure로 일정하게 유지하고, 그 이상의 Load에서는 STG Inlet

Governor Valves가 Full Open되어 Sliding Pressure로 운전됩니다.

Floor Pressure를 가능하면 낮게 유지하면 할수록 Inlet Governor Valve Throttling Loss가 없

는 부분 부하 범위를 낮출 수 있어, STG의 부분 부하 성능을 향상시킬 수 있지만, 다음과 같

은 점을 고려해야 합니다.

- STG 제작자가 요구하는, STG 기동을 위한 최저 압력이나 정상 운전 시의 최저 요구

압력보다 크게 설정하여야 합니다.

- 아울러, Floor Pressure를 낮게 설정하면 할수록, 부하 변동 시 HRSG HP Drum이 받

은 Thermal Stress가 커지므로, 이 점과 관련한 HRSG 제작자 추천 최저 압력보다

크게 설정하여야 합니다.

일반적으로 Floor Pressure는 STG Inlet 기준 규정되지만, Start-up Curve 작성 시에는 Drum

압력이 중요하므로 Drum 기준으로 Floor Pressure를 규정합니다.

HP Steam의 압력으로 HP Drum 압력, HP Superheater 출구 압력과 STG 입구 압력 등이 사

용되는데, 이들 사이에는 유량에 따른 압력 차이만 존재하므로 Start-up Curve 작성 시 이들

압력을 모두 기술할 필요는 없습니다. 그러므로, 이들 압력 가운데 Temperature Ramping

Rate로 인해 Start-up Curve 작성에 직접적으로 간여하는 HP Drum Pressure 만을 기술합니

다.

예제) Floor Pressure, Pfl = 55 atg

2) Allowable HP Drum Temperature Ramping Rate

보일러 제관물 가운데 두께가 두꺼운 Drum은, 과도한 Thermal Stress를 방지하기 위하여

Temperature Ramping Rate를 제한하며, 그 제한 값은 Start-up Mode별로 다릅니다. 그 가

운데 두께가 가장 두꺼운 HP Drum의 Temperature Ramping Rate가 Start-up Curve를

Govern 합니다.

REFERENCE PROJECT의 HRSG Start-up Mode별 Allowable Temperature Ramping Rate는 다

음과 같습니다.

- HP drum : Cold & Warm = 3.9 oC/min., Hot = 100 oC/min.

- IP drum : Cold & Warm = 10 oC/min., Hot = 100 oC/min.

- LP drum : Cold & Warm = 27.8 oC/min., Hot = 100 oC/min

주) 100 oC/min.은 제한이 없다는 의미임.

REFERENCE PROJECT의 HRSG Start-up Mode는 다음과 같이 구분됩니다.

(unit : kg/cm2g) Hot Start Warm Start Cold Start

- HP : > 63.8 > 3.51 < 3.51

- IP : > 7.67 > 0.707 < 0.707

- LP > 3.51 > 0.707 < 0.707

예제) HP drum temperature ramping rate, TRR3 = 3.9 oC/min.

3) Pressure Building-up to Floor Pressure

앞 절에서 GTG가 Synchronization 된 후 5분 후에 HP Drum Temperature Ramping Rate로

상승할 때의 HRSG Temperature Matching HP Steam Flow가 형성된다고 하였습니다.

그 이후 즉시 HP Start-up Vent Valves 혹은 Bypass Valves에 의해 HP Drum Pressure가

Allowable HP Drum Temperature Ramping Rate로 Floor Pressure까지 상승합니다.

이 기간 동안에 주요 기기들의 운전 상태는 다음과 같습니다.

- Lead GTG : HRSG Temperature Matching Load를 유지합니다.

- Lead HRSG HP Drum Temp : GTG Synchronization 시점의 HP Drum Temp로부터

Allowable HP Drum Temperature Ramping Rate로 Floor Pressure에 해당하는 포화

온도까지 상승합니다.

- Lead HRSG HP Drum Press : 위에서 계산된 HP Drum Temp에 해당하는 포화 압력

으로 설정됩니다.

- Lead HRSG HP Steam Flow : GTG Synchronization 시점의 HP Steam Flow에서, Floor

Pressure에서의 HP Steam Flow로 Linear하게 변화하는 것으로 설정합니다. 물론,

그들 두 Flows는 HP Drum Temperature Ramping Rate로 상승할 때의 Flow입니다.

Floor Pressure에서의 HP Steam Flow는 앞 절에서 설명된 HRSG Temperature

Matching HP Steam Flow 계산 방식과 동일한 방식으로 계산합니다.

- Lead HRSG HP Steam Temp : 위의 Steam Flow 계산시 계산된 HP Steam Temp 사이

에서 Linear하게 변화하는 것으로 설정합니다.

위와 같은 과정을 거쳐 Floor Pressure에 도달하면, Temperature Ramping이 끝나고, Floor

Pressure에서의 Constant Pressure 운전이 시작되는데, 3분에 걸쳐서 Constant Floor Pressure

에서의 HP Steam Flow로 Linear하게 변화하는 것으로 설정합니다.

4. STG Temperature Matching

앞 절에 기술된 과정이 완료되면, GTG는 STG Temperature Matching를 수행하며, HRSG HP

Drum Pressure 및 Temperature, HP Steam Flow는 Floor Pressure에서의 STG Temperature

Matching HP Steam Pressure, Flow, Temperature로 바뀝니다.

STG Temperature Matching Load로 변화되는 시간으로 3분 정도면 충분하며, 그 시간 동안

각 조건들이 Linear하게 변하는 것으로 설정합니다.

Floor Pressure에서의 STG Temperature Matching HP Steam Pressure, Flow, Temperature는 앞

절에서 설명된 HRSG Temperature Matching HP Steam 계산 방식과 동일한 방식으로 계산합

니다.

4. STG Lead Piping Warming-up

STG가 Roll-up을 시작하기 위해서는 STG 입구 증기의 압력과 온도가 STG가 요구하는 값 이

상이어야 합니다. 압력은 Bypass Valves의 Pressure Control에 의해 즉시 맞출 수 있지만,

온도는 STG Lead Piping의 초기 상태와 Warming-up Valves의 Steam 배출 용량에 따라 긴

시간이 필요하기도 합니다. 특히 Cold Start-up의 경우 STG Lead Piping Warming-up Time

이 Start-up Time을 의외로 길어지게 할 수 있습니다.

Warming-up을 해야 하는 STG Lead Piping은 STG 기동 방법에 따라 달라집니다. IP Steam

Turbine을 Hot Reheat Steam으로 기동하는 경우에는 IP Steam Turbine으로 연결되는 Hot

Reheat Piping의 Warming-up Time이 중요하며, HP Steam Turbine으로 기동하는 경우에는

HP Turbine Inlet Piping의 Warming-up Time이 중요합니다.

HP Turbine으로 기동하는 경우에는 기동 시의 압력인 HP Steam Floor Pressure가 비교적 높

으므로, Warming-up Valves을 통해 흐르는 유량을 비교적 쉽게 확보할 수 있지만, IP Turbine

으로 기동하는 경우에는, 기동 시의 압력인 Hot Reheat Steam Floor Pressure가 비교적 낮으

므로, Warming-up Valves를 통해 흐르는 유량을 확보하는데 어려움이 있습니다.

대부분의 경우 Warming-up Valves를 통해 흐르는 Steam의 유동은 질식 유동(Choked Flow)

이므로, Warming-up Valves를 통해 흐르는 Steam의 유량은 입구 유량에 정비례합니다.

Steam Line의 Warming-up은 대부분의 경우 Drain Valves로 수행합니다. Drain Valves는 배

출 증기 및 Drain을 Condenser로 배출하거나, Condenser가 없는 경우에는 Atmospheric

Drain Tank로 배출합니다.

정상 운전시에는 Drain Valves를 통해 응축수가 배출되지만, 기동 시에는 Drain Valves를통해

입구 증기가 그대로 배출됩니다. 그러므로, Drain Valves Discharge Piping의 설계 온도는

입구 증기의 최대 온도에서의 증기 엔탈피와 Discharge Piping에서 예상되는 최대 압력에

해당하는 온도보다 최소 15 oC 이상 큰 온도로 설정해야 합니다.

Drain Valves를 통해 STG Lead Piping의 Warming-up이 여의치 않을 경우에는, STG Lead

Pipng의 STG 입구 쪽에 충분한 용량의 Vent Valves를 설치해 Warming-up Time을 단축하는

것도 하나의 방법이나, 이는 오랜 시간의 증기 대기 방출을 초래하므로 Make-up Water 문

제 등도 함께 고려해야 합니다.

STG가 기동을 위한 증기의 온도를 Sensing하는 온도계는 STG 입구 측에 설치되어 있으며,

STG Lead Piping Warming-up을 위한 Drain Valves나 Vent Valves는 반드시 STG 기동 증기

온도 Sensor 하류 측(Downstream)에 설치되어 있어야 합니다. 그렇지 않으면, Warming-

up Valves를 통해 아무리 많은 증기가 흘러도, STG 기동용 증기 온도 Sensor의 온도는 쉽게

올라가지 않습니다. 초기 설계 시 Warming-up Drain Valves(혹은 Vent Valves)가 STG 기동

증기 온도 Sensor 하류 측에 설치되는 것을 확인하지 않아, 시운전 때 애를 먹는 경우가 종

종 있습니다.

한편, STG Inlet Governor Valves나 Emergency Stop Valves에도 Seat Drain Valves가 있고, STG

기동 시 이들 Valves가 자동으로 열리므로, 이들 Seat Drain Valves가 STG Lead Piping

Warming-up에 도움을 준다는 점도 고려할 필요가 있습니다.

HRSG 출구에서의 증기 온도가 STG에서 요구하는 온도 이상일 경우, STG 입구 증기 온도는

STG Metal Temperature 이상이면 대부분의 STG 업체가 STG Roll-up Start를 허용합니다.

예를 들어, IP Turbine Start를 하는 REFERENCE PROJECT의 경우, STG Cold Start-up에서 요구

하는 Hot Reheat 증기 온도가 378 oC인데, HRSG Hot Reheat 출구 온도가 378 oC 이상인

상태에서 STG 입구 Hot Reheat 증기 온도가 228 oC 이상이면 STG Roll-up Start를 허용합니

다. Cold Start-up Mode에서 IP Turbine의 최고 온도는 220 oC 이므로, 228 oC 의 증기도

IP Turbine을 냉각시키지는 않습니다.

Piping이 Steam에 의해 Warming-up되는 과정은 다음과 같다고 볼 수 있습니다.

즉, Piping 초기 온도에서부터 Warming Steam 압력에 해당하는 포화 온도까지는, Piping 표

면에서 응축이 일어나면서 Piping의 온도가 증기의 포화 온도까지 상승하며, Piping 온도가

Warming Steam 압력에 해당하는 포화 온도에 다다른 후에는, Piping 온도가 Warming

Steam의 과열 온도 근방까지 상승하는 과정으로 볼 수 있습니다.

예를 들어, Piping의 초기 온도가 15 oC이고, Warming-up Steam의 조건이 6.5 atg, 400 oC이

면, Piping의 온도는 15 oC 부터 6.5 atg의 포화 온도인 167.1 oC까지는 증기의 응축열에 의

해 배관이 가열되며, 그 이후부터 원하는 증기 온도까지는 증기의 현열에 의해 가열되며, 이

때 Warming-up Valve 배출 증기의 엔탈피는 배관의 온도와 동일하다고 가정합니다. 배관

의 온도가 포화 온도보다 낮아 증기가 배관 벽에서 응축되는 경우에는 응축수를 통한 열전

달율이 매우 크므로, 응축열에 의해서만 배관이 가열된다고 가정해도 무리가 없습니다.

이와 같은 가정하에서 STG Lead Piping Warming-up Time은 다음과 같이 구합니다.

1) Temperature Rise to Saturation Temperature

- Energy required to raise Pipe Steel Temp

E1 = Mp x Cpp x (Tsat – Ti)

wherein :

E1 : Energy required to raise pipe steel temp

Mp : Pipe steel mass

Cpp : Specific heat of pipe steel

Tsat : Saturation temp at inlet steam pressure

Ti : Pipe initial temp

주) Pipe Steel Mass는 일반적으로 Bypass Inlet에서부터 ST Inlet까지의 배관 질량입

니다. HRSG에서부터 Bypass Inlet까지의 배관은 Bypass Steam에 의해 빠른 속도

로 가열되므로 문제가 되지 않기 때문입니다.

예제) Mp = 15000 kg, Cpp = 0.12 kcal/(kg-oC), Tsat = 167 oC at 6.5 atg, Ti = 15 oC

E1 = 15000 x 0.12 x (167 – 15) = 273,600 kcal

- Pipe Warming-up Time to Saturation Temp

Time1 = E1 / Mws / (Hsatg – Hsatl)

wherein :

Time1 : Pipe warming-up time to saturation temp

Mws : Warming-up steam flow rate

Hsatg : Saturation steam enthalpy at inlet steam pressure

Hsatl : Saturation water enthalpy at inlet steam pressure

주) Warming-up steam flow rate는 Warming-up Valves의 유동 해석으로 구한 유량

입니다. Warming-up Valves를 통한 유동은 질식 유동(Choked Flow)이므로, 유량은

입구 압력에 비례하고, 절대 온도의 제곱근에 반비례합니다. Warming-up시

Warming-up Valves의 입구 온도가 변화하나 그 영향이 미미하므로, Inlet 조건에서

구한 유량을 일정하게 사용합니다.

예제) Mws = 3500 kg/hr, (Hsatg – Hsatl) = 491.6 kcal/kg at 6.5 atg

Time1 = 273,600 / 3500 / 491.6 x 60 = 9.5 min.

2) Temperature Rise to Final Piping Temperature

- Energy required to raise Pipe Steel Temp

E2 = Mp x Cpp x (Tf – Tsat)

wherein :

E2 : Energy required to raise pipe steel temp

Tf : Pipe final temp

예제) Tf = 228 oC

E2 = 15000 x 0.12 x (228 - 167) = 109,800 kcal

- Average Temperature of Pipe Warming-up Outlet Steam

Tavg = (Tf – Tsat) / 2

wherein :

Tavg : Average temp of pipe warming-up outlet steam

Tf : Pipe final temp

주) Outlet steam temp는 Pipe temp보다 열전달을 위해 필요한 온도 차이만큼 높

을 것입니다. 그 값은 5 oC 이내일 것으로 추정되므로, 무시합니다.

예제) Tf = 228 oC, Tsat = 167 oC

Tavg = (228 – 167) / 2 = 197.5 oC

- Pipe Warming-up Time to Pipe Final Temp

Time2 = E2 / Mws / (Hs – Havg)

wherein :

Time2 : Pipe warming-up time to pipe final temp

Hs : Inlet steam enthalpy

Havg : Steam enthalpy at Tavg and inlet steam pressure

예제) Mws = 3500 kg/hr, Hs = 780.7 kcal/kg, 400 oC at 6.5 atg,

Havg = 677.5 kcal/kg, 197.5 oC at 6.5 atg

Time2 = 109,800 / 3500 / (780.7 – 677.5) x 60 = 18.2 min.

3) STG Lead Piping Warming-up Time

Time_warm = Time1 + Time2 + Time_margin

wherein :

Time_warm : STG lead piping warming-up time

Time_margin : Marginal time for uncertainty

주) 계산된 시간에 여러 가정과 불확실성이 있으므로, 5분을 Marginal Time으로 추가합니다.

예제) Time_warm = 9.5 + 18.2 + 5 = 32.7 min.

HRSG Temperature Matching이 완료되면 Bypass Valves들이 작동하므로, 이 때부터 STG

Lead Piping Warming-up이 시작된다고 볼 수 있습니다.

STG Temperature Matching이 완료되면 STG Roll-up을 Start할 시점인데, 만일 STG Lead

Piping Warming-up이 이미 완료되지 않았다면 Warming-up이 끝날 때까지 기다린 후 STG

Roll-up을 Start 해야 합니다.

그러므로, HRSG Temperature Matching이 완료된 후, 위에서 계산된 Warming-up Time이 경

과된 시각이 STG Temperature Matching이 종료된 시각 이전이면 바로 STG Roll-up을 바로

시작하며, 이후이면 STG Temperature Matching이 종료된 후 STG Lead Piping Warming-up이

종료될 때까지 기다린 후 STG Roll-up을 시작해야 합니다.

HP Drum Pre-warming 하는 동안에 가능하면 보조 증기를 사용해 STG Lead Piping을 가능

한 온도까지 미리 Warming-up을 해두면 Start-up Time을 줄일 수 있습니다.

5. STG Roll-up to FSNL

STG Temperature Matching과 STG Lead Piping Warming-up이 완료되면, STG Control System

에 Start-up Signal을 보내 STG를 기동합니다.

Start-up Signal을 받으면 STG Control System은 STG Speed를 FSNL(Final Speed No Load)까

지 일정 구배를 가지고 올리는데, Cold Start-up 같은 경우에는 중간 속도에서 일정 시간

Soaking Time을 갖기도 합니다.

STG Roll-up 자료는 STG 업체에서 제공하는 Start-up Curves로부터 구합니다.

6. STG Synchronization

STG FSNL에서 Soaking이 완료되면, STG가 Grid에 Synchronization 되면서 Grid와의 안정적

인 연결 상태를 유지하기 위한 STG Minimum Load로 Loading 됩니다.

IP Steam Turbine으로 기동하는 STG의 경우에는, Synchronization 이후 STG가 요구하는 일정

시간이 지난 다음, ICV to CV Transfer 즉 IP Turbine Governor Valves 제어에서 HP Turbine

Governor 제어로 전환합니다. ICV to CV Transfer시 빠른 속도로 부하를 증가시켜야 안정

적인 Transfer를 이룰 수 있습니다.

REFERENCE PROJECT Cold Start-up Mode의 경우, STG Synchronization Load는 3% MCR

Load이며, ICV to CV Transfer시 STG Load는 3% MCR Load에서 8% MCR Load로 5% Load /

min. 의 속도로 Loading 됩니다.

이러한 STG Loading이 GTG가 STG Temperature Matching Load을 유지한 상태에서 이루어져

야 하므로, GTG 1대의 STG Temperature Matching Load에서의 증기 생산량이 이러한 STG

Loading을 하기에 충분해야 합니다.

즉, STG Minimum Load (IP Turbine 기동의 경우 ICV to CV Transfer Load)를 유지한 상태에서

Bypass Valves가 Minimum Opening을 유지하기 위한 증기 유량보다 커야 합니다. Cold

Start-up시의 STG Temperature Matching Load가 가장 작으므로, Cold Start-up시 이러한 조

건을 만족하는지 확인해야 하며, 만족하지 못하는 경우에는 다른 방법을 찾아야 합니다.

7. STG Loading to Rated HP Steam Temperature

STG Synchronization(혹은 ICV to CV Transfer)이 완료되면, Bypass Valves를 Forced Close하여

HRSG 생산된 모든 증기가 STG를 통해 흐르도록 한 다음, GTG Load를 NOx Emission

Guarantee를 위한 최저 부하, 즉 GTG 50% Load까지 끌고 올라가야 하는데, 먼저 HP Steam

Temperature가 Rated Temperature에 다다를 때까지는 HP Steam Temperature Ramping Rate

를 STG 업체가 요구하는 Rate로 끌고 올라갑니다.

REFERENCE PROJECT Cold Start-up의 경우, STG ICV to CV Transfer가 완료된 시점의 HP

Steam Temperature는 378 oC이며, 이로부터 2.5 oC/min.의 속도로 Rated HP Steam

Temperature인 578 oC까지 GTG 부하를 Temperature Matching Mode로 끌어 올립니다.

즉, GTG를 Load Control로 Loading하지 않고, Temperature Matching Reference Temperature

를 578 oC로, Temperature Matching Ramping Rate를 2.5 oC/min.로 설정한 다음 GTG의

Temperature Matching Control을 ON 시키면, GTG Exhaust Gas Temperature Control Mode로

GTG를 Loading합니다.

GTG를 Loading Control로 Loading하는 경우에는, GTG Exhaust Gas Temperature가 정교하게

Control 되지 않아, STG Load Hold 현상이 Loading 중간에 자주 발생합니다.

8. GTG Loading to 50% Load

STG Loading to Rated HP Steam Temperature가 완료되면, GTG Load를 NOx Emission

Guarantee를 위한 최저 부하, 즉 GTG 50% Load까지, STG에서 요구하는 STG Load Ramping

Rate를 만족시키면서 끌고 올라갑니다.

9. Lag GTG Loading to 50% Load

이제까지의 설명에서 언급된 GTG는 Lead GTG이며, Lag GTG는 Lead GTG가 50% Load에 다

다르기 전에 미리 50% Load에 도달해 있어서, Lead GTG가 50% Load에 도달하면 바로 Lag

GTG Addition을 수행할 수 있도록 해야 합니다.

Lag GTG를 50% Load까지 끌어 올릴 때는 STG와 연결되어 있지 않으므로, HRSG에만 문제

가 없도록 가능한 빠른 시간 내에 50% Load까지 끌어 올리면 됩니다.

즉, GTG Synchronization 후 HRSG Temperature Matching을 실시하고, Reheat Cycle의 경우

Reheat Piping에 충분한 Cooling Steam이 형성되면, Allowable HP Drum Temperature

Ramping Rate를 넘지 않는 범위 내에서 HP Pressure를 Floor Pressure까지 올린 다음, Lag

GTG를 Load Control로 50% Load까지 GTG의 Maximum Ramping Rate의 반 정도의

Ramping Rate로 끌어 올립니다. 이 때 Lag GTG를 Maximum Ramping Rate로 끌어 올리

지 않는 이유는, HRSG Superheat/Reheater Attemperator Temperature Control과 Drum Level

Control을 안정되게 유지하기 위해서 입니다.

10. Lag GTG Addition

Lead GTG가 50% Load에 도달하면, 미리 50% Load에 도달해 있는 Lag GTG의 Isolation

Valves를 열고, Lag HRSG의 Bypass Valves를 Forced Close해서, Lag HRSG에서 생산된 증기를

모두 STG로 흘려 보냅니다. 이 때 STG의 Loading Rate가 STG 제작자가 제시한 허용치를

넘지 않도록 Lag HRSG의 Bypass Valves는 Closing Rate를 조절해야 합니다.

11. Both GTG’s Loading to 100% Load

Lag GTG Addition이 완료되면, Both GTG’s를 STG가 허용하는 Loading Rate로 100% Load까

지 끌어 올립니다.

대부분의 경우, 이 때 STG가 허용하는 Loading Rate는 GTG의 최대 Loading Rate이므로, Lag

GTG Addition 후 Both GTG’s 가 100% Load에 도달하는 시간은 7, 8분 이내입니다.

한편, GTG의 Loading Rate가 매우 빠르므로, GTG는 100% Load에 도달하여도 HRSG에서

GTG Load에 해당하는 증기가 생산되는데는 시간이 걸리며, 따라서 STG가 100% Load에 도

달하는데 시간이 걸립니다.(STG Saturation)

GTG의 MCR Load가 대기 온도에 따라 다르므로, STG의 MCR Load를 정확히 알 수는 없습

니다. 그러므로, STG Saturation Time을 측정하는데는 어려움이 있습니다.

이러한 관점에서 복합화력발전소의 Start-up Time을 규정할 때, 복합화력 출력이 MCR Load

에 도달한 시점까지를 규정하지 않고, GTG가 Base Load에 도달하는 시각까지를 Start-up

Time으로 규정합니다.

이제까지 기술된 내용에 따라 Start-up Curves를 작성하는 엑셀 시트를 참조 바랍니다.

(끝)