○ Steam Turbine 원리

가. Steam Energy (Pressure, Temp.) 가 Turbine 에서 Dynamic Energy 로 변화하여

Turbine 의 Rotor 가 회전함.

나. Nozzle : Diaphragm 에 붙어 있으며, Volume 팽창에 의해 속도에너지로 변화한

후 Blade 로 들어감.

다. Blade : Rotor 에 붙어 있으며, 속도를 감소시키며 Flow 의 방향을 바꾸어주는

역할을 함. (Blade 의 in /Outlet 의 속도차가 Turbine Rotor 를 회전

Nozzle Blade RotorSteam

ThermalEnergy

Expansion

ReducingSpeed

Torque

시키는 Energy 로 사용됨.)

라. Steam Turbine 은 여러 종류의 Blade 모양에 의해 구분되어질 수 있다.

○ Steam Turbine 종류

가. Steam 주입 방법에 의해 구분

- Back Pressure Turbine : Inlet Steam 전량 Extraction

- Condensing Turbine : Inlet Steam 전량 Condensing

- Extraction Condensing Turbine : 일부 Extraction, 일부는 Condensing

되는 Turbine

- Mixing Condensing Turbine : 중간단에서 Low Pressure Steam Injection

후 Inlet Steam 과 함께 전량 Condensing 되는 Turbine

나. Blade 모양에 의한 Stage 구분

o Rateau Stage

- Thermal Expansion 이 Nozzle 에서 발생하고 Blade 에서 속도를 줄이고, 각도

를 바꿈으로써 Static Energy 가 Kinetic Energy 로 변화함.

- Rotor 에서의 압력차가 발생하지 않으며, Turbine Rotor Disc 에도 Thrust

Force 가 발생하지 않음.

o Reaction Stage

- Thermal Expansion 이 Nozzle 과 Blade 에서 발생하고 Impulse Force 는

Nozzle 에서 발생함.

- Blade 에서 발생하는 Reaction force 는 압력강하에 의해 발생하며 압력 강하

에 의해 발생하는 압력차는 Trust Force 로 작용함.

Blade Work

Blade Work + Nozzle Work

o Curtis Stage

- 1 개의 Nozzle 과 두개의 Rotating Blade, 1 개의 Stationary Blade 로 이루어

진 Stage 로 Thermal Expansion 이 Nozzle 에서만 발생함.

- 속도감소는 Rotating Blade 에서 발생하고, Stationary Blade 에서는 Flow 의

방향만 조절함.

Degree of reaction =

○ Steam Turbine Performance

가. Turbine 의 Energy Loss 가 없다면 Entropy 의 변화없이 압력강하가 발생함.

- 따라서 이론적 Energy 변화는 Isentropic 변화임.

- Moliler Chart 에서 Steam Turbine 의 Thermodynamic 특성을 알 수 있음.

나. Steam 의 Thermal Energy 가 Expansion 하는 동안 변화하지 않는다면 이 변화

는 Isothermal Change 이고, Steam 의 Enthalpy 변화는 없음.

다. 그러나 실제 Thermal Change 는 Polytropic 변화를 함.

Polytropic Enthalpy 변화

Isentropic Enthalpy 변화

ⓑ

Enthalpy

* 효율 =

ⓐ

Entropy

ⓒ ⓐ : Isentropic Change ⓑ : Isothermal Change ⓒ : Polytropic Change

○ Steam Turbine Loss

가. Internal Loss

Displacement Loss

Ventilation Loss, Moisture Loss

Injection Loss, Leakage Loss

Disc Friction Loss

Blade Loss

Nozzle Loss

He

나. External Loss

- Throttle Loss : TTV, Governing Valve, Extraction Control Valve)

- Exhaust Hood Loss

- Mechnical Loss (Bearing Loss)

- Steam Leakage Loss (Shaft Gland, Valve Stem)

다. Leaving Loss 등이 있음.

○ Steam Turbine Efficiency 계산 예제 ▷ Operation Condition (절대압, ℃ 기준)

Flow 압력 온도

Inlet STM 300 105 500

Extraction 200 40 400

Exhaust 100 0.15 42

▷ Front Side

- Inlet Steam Enthalpy : 807 Kcal/Kg

- Extr’ Steam Enthalpy : 742 Kcal/Kg

- Isentropic Enthalpy : 725 Kcal/Kg

* 효율 = (807-742)/(807-725) = 0.79

Po

Pe

Pe’

P2

= 약 79 %

▷ Rear Side

- Inlet Steam Enthalpy : 742 Kcal/Kg

- Exha’ Steam Enthalpy : 521 Kcal/Kg

- Isentropic Enthalpy : 470 Kcal/Kg

* 효율 = (742-521)/(742-470) = 0.81

= 약 81 %

* Front Side : Back Press. Turbine* Rear Side : Condensing Turbine

▷ Total 사용동력 계산

가. 사용동력 계산 Formula

* 사용동력 = Steam Flow (Ge) x Turbine 효율 (η) x Enthalpy 차(Ho)/860

(1 kW.H = 860 Kcal/Hr)

나. 사용 동력 계산 결과

* Front Side 동력 = 300,000 kg/Hr x 0.79 x 65 Kcal/Kg / 860 Kcal/KW

= 17,912 kW.H

* Rear Side 동력 = 100,000 kg/Hr x 0.81 x 221 Kcal/Kg / 860 Kcal/KW

= 20,815 kW.H

* Total 소요동력 = Front Side 동력 + Rear Side 동력

= 17,912 kW.H + 20,815 kWH = 38,727 kW.H

다. Total Efficiency 계산

* Total Efficiency = [(Front Side 효율 x 사용 동력) +(Front Side 효율 x

사용 동력)] / (Total 사용 동력)

= (0.79 x 17,912 + 0.81 x 20,815)/38727 = 80.07 %

cf. 다른 Rear Side 효율계산 방법

* Rear Side required 동력 = Total 필요동력 – Front Side 동력

* Exhaust Side 소요 Steam Flow : Flowmeter 기준

* Rear Side Efficiency

= (Rear Side 필요동력 x 860) / (Enthalpy 차 x Exhaust Side Steam Flow)

* 단점 : Compressing 및 Pump 유체 변화에 따라 Compressor 및 Pump 필요

동력이 변화하여, 정확한 동력 계산이 어려움.

○ Steam Turbine 운전 변화에 따른 Performance Curve 활용 예제

가. 운전 Curve Review 결과 (일정 Load 기준)

Steam Inlet Flow Extraction Flow Exhaust Flow

189 T/H 150 T/H 39 T/H

177 T/H 130 T/H 47 T/H

160 T/H 100 T/H 60 T/H

나.Exhaust Flow 3 T/Hr 감소시 Inlet & Extraction Flow 예측

o Exhaust Steam Flow 변화 (189 T/H) : 189 – 150 = 39 T/Hr

o Exhaust Steam Flow 변화 (177 T/H) : 177 – 130 = 47 T/Hr

o Exhaust Ton 당 Extraction Flow 계산

= (Extraction 변화/Exhaust 변화) = -2.5

o Exhaust 3 T/Hr 감소시 Extraction 변화 = -2.5 x -3 T/H = 7.5 T/H

o Total Inlet Flow 변화 = - 3 T/H + 7.5 T/H = 4.5 T/H

○ Steam Turbine Extraction/ Exhaust Flow 계산 예제

가. Operation Condition 확인 결과

항 목 Value 항 목 Value

Required Power 22,000 kW Inlet Steam 온도 510 ℃

Speed 4,500 rpm Extraction 압력 14.5 Kg/cm2g

Inlet Steam Flow 155 T/H Exhaust Steam 압력 591 mmHg

Inlet Steam 압력 106 Kg/cm2g

나. Inlet Steam Flow 보정

Goh =Gah x (Sh x Po x To x Peh) = 155 x(0.955x0.992x0.987x1.009)= 146

T/H

* Sh : Speed 보정 Factor * Po : Inet Steam 압력 보정 Factor

* To : Inlet Staem dhshe 보정 Factor * Peh : Extraction 압력 보정 factor

다. Extraction Steam Flow : 100 T/H (Performance Graph)

Exhaust Steam Flow : 46 T/H (146 – 100)

라. Extraction 온도 (보정 Factor 에서 계산) = 293 – (515-510) = 288 ℃

Exhaust 압력 : 591 mmHg = 0.23 Kg/cm2a

마. Actual Exhaust Steam Flow

Goc = Gac x (Sc x Pec x Te x Pc) 에서,

* Sc : Speed 보정 Factor, * Pec : Extraction 압력 보정 Factor

* Te : Extraction 온도 보정 factor * Pc : Exhaust 압력 보정 Factor

Gac = Goc / (Sc x Pec x Te x Pc) = 46 / (0.966x0.992x1.003x0.959) = 50 T/H

바. Actual Extraction Steam Flow : 105 T/H (155 – 50)