불순물 제거용 스팀의 압력 산출 방법{Method for Yielding Pressure of Blowing Steam}
본 발명은 스팀 블로잉(Steam Blowing)에 관한 것으로, 특히 스팀 블로잉 시 각 배관 부위에 작용하는 스팀의 힘(Cleaning Force Ratio: CFR) 즉, 스팀의 압력을 산출하는 방법에 관한 것이다. 일반적으로 스팀 블로잉이란 발전기 운전시 불순물에 의한 터빈 설비의 손상을 방지하기 위하여 터빈과 연결되는 각 배관의 제작, 운반, 설치 중 관 내부에 잔류하는 용접 플래그(Flag), 산화물 기타 불순물을 터빈 기동 전에 고압의 증기로 불어내어 제거하는 일련의 작업을 말한다. 상기 스팀 블로잉은 MCR 시의 스팀이 가지는 운동량(Momentum) 보다 큰 운동량의 스팀을 블로잉시에 보내줌으로써 그 목적을 달성할 수 있다. 즉, CFR(Cleaning Force Ratio)= 스팀 블로잉의 운동량/MCR 상태의 스팀 운동량=(m 2 v) B /(m 2 v) MCR >= 1이 만족되어야 한다. 여기서, m은 유속(Mass Flow Rate)이고 v는 비체적(Specific Volume)을 의미한다. 상기 CFR>=1을 만족시킬 수 있는 방법은 스팀 블로잉의 스팀 조건을 MCR시의 스팀과 같은 조건이나 그 이상을 만들어 주면 가능하나, 블로잉 스팀은 대기로 방출되기 때문에 같은 조건을 만들기는 불가능하다. 그러므로 CFR>=1을 만족시키기 위해서는 가설 배관의 끝단에서 쵸킹(Choking)(Mach=1)을 만들어 m(Mass Flow Rate)을 극대화하여 그 목적을 달성할 수 있다. 상기 CFR 값에 영향을 미치는 요소로는 드럼 압력(Drum Pressure)과 가설배관의 사이즈 및 라우트(Route)이다. 드럼 압력은 스팀 블로잉의 가장 중요한 요소이며 압력에 따라 유속이(Flow Rate) 이 달라져 CFR 값에 영향을 미친다. 즉, 압력이 올라갈 경우 유속이 증가하여 스팀의 운동량이 커져 CFR 값이 올라간다. 상기 가설 배관의 사이즈 및 라우트는 배관의 저항값에 영향을 준다. 배관의 사이즈가 작거나 라우트가 복잡하여 저항값이 커질 경우 배관의 저항치가 커져 스팀의 유속이 줄게 되어 CFR 값이 감소한다. 한편, 상기와 같은 블로잉이 요구되는 파이핑은 터빈과 연결되는 메인 스팀 라인(Main Steam Line), 저온 및 고온 재열 라인(Cold & Hot Reheat Line), BFPT스팀 공급 라인(Steam Supply Line) 그리고 그랜드 스팀 라인(Gland Steam Line)이다. 그리고, 메인 스팀 라인, 저온 및 고온 재열 라인은 따로 스팀 블로잉을 실시하는데 이는 각 라인의 이물질이 재열기 헤더내에 잔존하는 것을 방지하기 위한 것이다. 스팀 블로잉 압력 계산은 1)가설 배관 사이징 및 ISO. 확정 2)노드 선정 및 K값 계산 3)등가배관 사이즈 선정(가설 배관 사이즈) 및 등가배관기준으로 K값 환산 4)드럼 압력 선정 5)노드별 CFR값 계산 6)CFR값이 1이상인지 여부에 따라 드럼 압력 결정하는 과정으로 이루어진다. 상기 각 과정을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 1) 가설 배관 사이징 및 ISO. 확정 가설 배관의 사이즈는 블로잉에 요구되는 증기량을 수용할 수 있는 정도의 사이즈를 선택한다. 그러나, 사이징에 대한 특별한 기준이 없으므로 가설 배관의 사이즈는 메인 스트림 라인과 비슷한 사이즈를 선택한다. 그리고, 기작성된 블로잉 P & ID 기준으로 ISO. 도면을 작성한다. 2) 노드 선정 및 저항치 K값 계산 ISO 도면에 따른 노드 포인트 선정 기준은 단면적이 변하는 경우에는 반드시 하고 그 이외에는 Tee, Elbow 등의 배관 형태 변화가 있는 지점 등은 선정하는 것이 계산상 편리하며, 또한 파이핑의 써멀 스트레스(Thermal Stress)를 계산하기 위해 일정 간격으로 선정한다. 그리고, 스팀 블로잉은 컴프레셔블 플로우(Compressible Flow) 이므로 유동중 스팀의 밀도가 변하기 때문에 계산의 정확성을 기하기 위해 짧은 구간(노드)으로 나누어 계산한다. 그 후, 각 노드별 파이프 길이, 밸브 및 피팅(Fitting) 류를 산정하여 K 값을 계산한다. 3) 등가 배관 선정 및 등가 배관 기준으로 K 값 환산 스팀 블로잉시 증기의 조건의 계산은 Fanno Flow 이론을 항 근거로 하고 있으며, 이 이론은 유체가 흐르는 파이프의 사이즈 변화는 없어야 한다는 조건이 있다. 그러나, 블로잉이 되는 기존 배관들은 사이즈가 다양하기 때문에 이 조건을 만족시키기 위해서는 가설 배관 사이즈를 기준으로 기존 배관을 사이즈 등가화 해야 한다. 이때, 저항치 K 값은 압력 드랍(Drop) 을 기준으로 환산되어야 한다. 4) 블로잉 압력(드럼 압력) 선정 스팀 블로잉에서 블로잉 압력 선정은 파이프 끝단에서 쵸킹(Choking) 을 발생시키고 또한 모든 노드에서 CFR 값을 1 이상으로 만들 수 있는 최저값을 선정한다. 5) 노드별 CFR 값 계산 스팀 블로잉시 각 노드별 증기 조건의 계산은 Fanno Flow 이론을 근거로 하고 있다. 이 이론을 스팀 블로잉에 적용하여 설명하면, 단열된 동일 직경의 파이프 내를 흐르는 스팀이 어떠한 일도 하지 않는 경우 그 플로우의 프로퍼티(Property)는 파이프 내의 저항치 K 값에 의해 지배됨을 나타내고 있다. CFR값 계산은 하기의 가정 하에 이루어진다. 즉, 먼저, Fanno Flow로 가정하고, 스팀은 이상 가스라고 가정하며, 비열비(K)가 일정(증기 k=1.3)하다고 가정한다. 그리고, 파이프는 직관이며 면적의 변화가 없다고 가정하며 S/H 아웃릿(Outlet) 압력은 스팀 블로잉 시 계산하기 불가함으로 BMCR 시의 S/H 압력 드랍을 드럼 압력에서 빼서 계산한다. CFR 계산에 사용되는 심볼은 다음과 같다. M : Mach 번호 k : 비열비(Specific Heat Ratio) K : 저항계수(Resistance Coefficient) V : 유속 v : 비체적(Specific Volume) P : 압력 T : 온도 m : 유속(Mass Flow Rate) A : 파이프 단면적(Area) 노드의 M은 저항치 K 값에 의해 계산되며, 계산은 Try & Error 방식을 컴퓨터 프로그램에 의해 수행한다. 계산상 M 3 가 가설 배관이 아웃릿 이므로 쵸킹이 발생하여 M은 1이 된다고 가정한다. M 0 (Node_0) K 1 = f(M 0 ) - f(M 3 ) f(x) = (1-M 2 )/kM 2 + [(k + 1)/2k]ln[(k + 1)M 2 /2{1+[(k-1)/2]M 2 }] M 1 (Node_1) K 2 = f(M 1 ) - f(M 3 ) M 2 =(Node_2) K 3 = f(M 2 ) - f(M 3 ) 다음으로, 노드 0의 압력 및 온도는 정해져 있으므로 이를 기준으로 P 3, T 3 를 구한뒤, 노드 1,2에서의 P 1 , P 2 , T 1 , T 2 를 구한다. 다음으로 유속은 M, 압력, 비체적에 의해 아래와 같이 계산되어 진다. 그 후, 각 노드에서의 CFR 값을 구한다. 그리고, CFR>= 1이면 P 0 가 확정되고, CFR<= 1이면 드럼 압력을 다시 선전하여 CFR 값을 다시 반복 계산한다. 전술한 바와 같이, 종래에는 스팀 블로잉 시 각 배관 부위에 작용하는 스팀의 힘(Cleaning Force Ratio)을 Fanno Flow 이론에 근거하여 수계산으로 계산하기 때문에, 배관을 10~15 구간으로 나누어 각기 복잡한 계산식에 의해 계산을 해야 하며 서로 값이 일치할 동안 Try & Error 방식으로 계산이 되어야 하므로 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 스팀 블로잉시 각 배관 부위에 작용하는 스팀의 힘을 자동 산출함으로써, 수계산에 따른 부정확성을 줄이고, 또한 많은 시간 및 비용 손실을 줄이며, 현장에서 데이터의 변경시 신속하게 대응할 수 있도록 하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 불순물 제거용 스팀의 압력 산출 절차를 나타내는 순서도.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 스팀 블로잉을 할 배관을 노드로 구분하는 단계와; 상기 노드에 대응하는 프로그램 계산 쉘(Shell)을 생성하는 단계와; 상기 프로그램 상에 BMCR 상태를 입력하고, 노드별 배관 사이즈, 배관 데이터를 입력하며, 가설 배관의 사이즈로 대체되는 변환된 파이프 사이즈를 입력하는 단계와; 드럼 압력을 변화시켜 CFR 값이 1.3 이상이 되는 드럼 압력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 불순물 제거용 스팀의 압력 산출 방법을 제공하는데 있다. 이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 종래 수계산에 의존하던 방식에서 벗어나 엑셀 프로그램의 매크로(Macro)를 이용해 스팀 블로잉시 각 배관 부위에 작용하는 스팀의 힘을 산출하는 것이다. 즉, 본 발명의 불순물 제거용 스팀 압력 산출은 첨부한 도면 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 스팀 블로잉을 할 배관을 노드로 구분한다(S1). 이때, 노드는 너무 길지 않게 하며 배관의 사이즈가 변하는 곳은 반드시 노드로 구분하는 것이 바람직하다. 그리고, 배관의 노드 수 만큼 프로그램의 계산 쉘(Shell)을 늘린 다음(S2), 프로그램 상에 BMCR(Boiler Maximum Continuous Rate) 상태를 입력한다(S3). 그 후, 노드별 배관 사이즈(Size & Schedule), 배관 데이터(길이, 밸브 & 피팅 개수등)를 입력하고(S4,S5), 변환된 파이프 사이즈를 입력한다(S6). 상기 변환된 파이프 사이즈는 가설 배관의 사이즈로 대체된다. 이 후, 드럼 압력을 변화시켜 CFR 값이 1.3 이상이 되도록 하는데, 드럼 압력은 40~70kg/cm2.g 이내에서 변화시킨다(S7,S8,S9). 또한, 본 발명에 따른 실시 예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 범위 내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 스팀 블로잉시 각 배관 부위에 작용하는 스팀의 힘을 자동 산출함으로써, 수계산에 따른 부정확성을 줄이고, 또한 많은 시간 및 비용 손실을 줄일 수 있으며, 현장에서 데이터의 변경시 신속하게 대응할 수 있는 효과가 있다. |
