증기터빈 베어링-축계에서 발생되는 저주파 불안정 진동의 감소방안에 관한 연구

Abstract

발전소 핵심설비인 증기터빈이 운전 중 고진동이 발생되면 발전설비 운전 신뢰성에 큰 영향을 미친다. 발생되는 진동 중 조화(Synchronous, 1X)진동은 가장 비중이 높고, 다양한 원인을 갖고 있지만 질량평형(Weight Balancing)으로 임시 또는 근본해결이 가능한 특징이 있다. 그러나, 저주파 불안정 진동(Sub-synchronous Instable Vibration)은 질량평형으로 해결되지 않는 특징이 있고, 불안정 진동은 자려진동(Self-excited Vibration) 중 하나이기 때문에 진동이 발생되면 진동크기가 터빈 경보치(Alarm point: 150㎛)는 물론 트립 설정치(Trip point: 225㎛)를 상회하여 터빈기동 또는 출력을 제한하는 경우가 있어서 증기터빈에서는 중요한 이슈이다. 본 연구에서는 최근 대형화력 증기터빈에서 발생된 증기유도에 의한 저주파불안정 진동사례의 메카니즘을 연구하고, 근본원인을 분석하여 향후 터빈 운전의 신뢰성을 향상시키기 위한 진동감소 방안을 연구하였다. 증기터빈 정상 출력운전 중 출력, 증기공급제어밸브 개도변화에 따른 베어링 메탈 온도 및 진동을 측정하여 저주파 불안정진동 특성을 분석하고, 발생 메카니즘을 작성하였다. 불안정 진동원인 분석결과 근본원인은 증기터빈 출력이 상승할 때 마지막으로 개방되도록 시��스 설계된 증기공급제어밸브 CV#4가 열리면서 베어링 메탈온도가 급격히 저하되고, 베어링-축계 강성이 저하되어 안정성 여유(Stability Margin)가 감소되어 저주파 진동이 발생된 것으로 판단하였다. 안정성 여유를 확보하기 위하여 첫째, 베어링 단위면적당 하중이 증가되어 베어링-축계 수직강성(Direct Stiffness)이 증가되도록 고압터빈 베어링 축선을 상향 조정하였고, 베어링 폭을 줄이고, 간극을 감소시켰다. 둘째, 터빈 실(Seal)에서 발생되는 교차강성(Cross-coupled Stiffness)이 감소되도록 반경방향 간극을 증가시켰고, 유체평균유속비(λ)가 감소되도록 앤티 스월패킹(Anti-Swirl Packing)을 추가 설치하였다. 설계변경 후 성능검증 결과 증기공급제어밸브 CV#4 개도 30% 이내에서는 30～50 ㎛ 이내로 저주파 진동이 나타나지 않음을 확인하였고, 출력을 증가시켜 CV#4 개도 30% 이상에서도 설계변경전과 비교할 때 저주파 진동값이 현저히 감소되었고, 고압터빈 베어링 메탈온도의 변화가 없음을 확인하였다. 즉, 안정성여유를 증가시켜서 저주파 불안정 진동을 감소시키기 위해 수행한 메카니즘 분석 및 이에 따른 설계변경조치는 성능시험 결과와 일치하였다. 증기유도에 의한 저주파 불안정 진동사례에 관한 본 연구는 향후 증기터빈 분야 불안정 진동 문제해결에 이론적, 경험적 측면에서 도움이 될 것이다.

주요어 : 저주파 불안정 진동(Sub-synchronous Instable Vibration), 안정성 여유(Stability Margin), 수직강성(Direct Stiffness), 교차강성(Cross-coupled Stiffness), 유체평균유속비(λ)