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전력계통

조속기

조속기(Governor)

개요

전력계통의 부하의 변동에 따라서 계통의 주파수는 변화하는데 이것은 발전기의 회전수가 변하기 때문이고 그 이면에서 그와 직결된 원동기(수차터빈, 증기터빈 등)의 속도가 바뀌기 때문이다. 조속기는 이와 같이 원동기의 속도 저하를 검출하여 물, 증기의 입력을 조절하여 “원동기의 회전속도의 일정하게 유지”하기 위한 장치이다.

조속기의 동작 원리 및 구성 → (기계식)

[수차터빈 조속기]

동작 원리: 부하의 감소한 경우

(1) 회전수 증가로 원심력 증가
(2) 원심추의 상승으로 수평레버가 [P0->P1], [C0->C1]으로 이동
(3) 배압밸브를 폐쇄 방향으로 움직임
(4) 압유의 방향이 서보모터를 폐쇄측으로 인가됨
(5) 서보모터에 의해서 수구 개폐장치를 폐쇄함

구성

(1) 스피더: 발전기의 회전속도를 검출
(2) 배압밸브
: 속도 검출부의 신호를 받아 서보모터의 압유의 방향을 전환함
(3) 서보모터: 배압밸브로부터 제어된 압유로 동작
(4) 복원기구
: 수평레버의 지지점을 위의 경우는 [R0->R1]으로 이동 시켜 수평레버를 C0로 들어 올리면서 배압밸브를 정지 위치에 오도록 하여 수구가 지나치게 닫히는 것을 막아서 수구 개폐장치의 개폐를 반복하여 속도가 증감을 되풀이 하는 난조 현상을 억제한다.

특징 → (기계식)

1) 속도조정이 가능한 범위는 정격속도 ±6% 정도이다.
2) 조속기의 속도조정률을 정상운전 중에 조정할 수 없다.
3) 속도조정 범위가 전기식에 비하여 대단히 좁다.
4) 속도변동률이 비교적 크다.
5) 운전 조작이 어렵다.
6) 기계적 연결부위로 인하여 부동대가 크므로 주파수 제어성능이 불량하고, 출력의 증·감발이 느리다.

⦁부동시간: 0.2~0.5sec (Speed 상승시간 ~ 서보모터 동작 직전까지의 시간)
⦁폐쇄시간: 2~5sec (서보모터의 동작시간 ~ 안내날개 폐쇄까지 걸리는 시간)

종류

기계식

기계식 조속기는 터빈 축에 직결 또는 기어에 연결되어 회전하는 원심추의 속도변동에 따른 원심력 변화를 이용하는 것으로, 터빈의 회전수 변화를 검출하여 속도를 제어하는 방식이다.

근래에 건설되는 발전소에서는 채용되지 않고 있으며, 운전 중인 설비도 경제성을 고려하여 유지정비가 편리하고 성능이 우수하며 운전이 용이한 전기식으로 점차 개조되고 있는 추세이다.

전기식

초기에는 기계식 조속기가 주류를 이루었으나 근래에는 전기식이 주류를 이루었으며, 전기식 유압 조속기는 대용량 표준 석탄화력 및 가스 터빈 제어시스템에 채용되고 있다. 구동부의 서보기구를 제외하고 연산부, 신호전달부가 모두 전기회로로 구성한 것이다.

(1) 전기식 조속기가 필요한 배경

① 터빈·발전기의 대용량화 및 제작기술의 진보에 따라 “단위 출력당 회전자의 관성이 현저히 감소”하여 부하차단시 과속도 발생가능성이 증가하여 기존의 기계식 조속기로는 “부하차단시 속도 상승을 규정치 이하로 유지하는 것이 어려움”
② 기계식 제어장치가 대형화되어 신호전달의 메카니즘에 “기계적 시간지연과 관성이 증가”하였으며, 동시에 여러 개의 증기밸브를 구동하는 서보모터의 구경이 증가하여 시정수가 증가하였다. 따라서 “응답이 빠른 제어기의 필요성이 대두”
③ 전자기술의 발달과 화력발전소 운용이 다양화되는 추세에서 컴퓨터를 중심으로 한 대규모의 자동화 제어가 가능하게 되었다. 한편으로는 전자기술이 발달하여 계산기를 중심으로 하는 대규모의 자동화가 이루어 졌고, 계산기와 제어장치를 원활하게 연결할 수 있는 기술이 발달하여 전기식 조속기가 개발

(2) 특징

① 터빈의 속도를 전기적인 장치로 검출
② 연산부 및 신호전달부가 모두 전기회로로 구성
③ 기계기 조속기에서는 마찰 등 때문에 주파수 불감대가 비교적 크지만, 전기식은 이런 문제가 거의 없다.
④ 부동시간을 짧게 할 수 있어 속응성이 좋다.
⑤ 운전 중에 속도조정률 조정이 가능하다.
⑥ 속도변동률이 작다.
⑦ 속도조정 범위가 대단히 넓다.
⑧ 연산의 정밀도가 높으며, 비선형 보정을 정확하게 할 수 있다.
⑨ 보수 점검이 용이하다.

[참조 1] 증기터빈의 기본제어

[참조 2] 증기터빈 조속기

발전기 부하가 감소하면 터빈 속도가 증가하여 원심력이 증가하므로 원심추는 중력을 극복하고 상부로 이동한다. 이에 따라 보조밸브의 피스톤이 올라가므로 서보모터 하부의 제어유는 배출되고 상부에는 제어유가 유입된다. 따라서 조절밸브가 닫히므로 터빈으로 유입되는 작동유체(증기)의 양이 감소하여 속도가 감소한다. 즉, 부하가 발전기인 경우 발전기 출력이 감소한다.

60Hz, 2극, 60,000[kW] 터빈발전기가 전력계통에 접속되어 있다. 계통의 주파수가 갑자기 60.5[Hz]로 상승하였다고 하면, 이 발전기의 출력은 어떻게 되는 지 계산하시오. 
(단, 터빈의 속도조정률은 4[%], 속도는 직선으로 변한다고 하자)

※ 발전기의 주파수 특성정수(Kg)와 속도조정률(δ) 관계

\[\delta=\frac{\frac{\Delta f}{f_n}}{\frac{\Delta P}{P_n}}\times 100 =\frac{\Delta f\cdot P_n}{\Delta P\cdot f_n}\times 100=\frac{100P_n}{K_g\cdot f_n}\] \[\to K_g=\frac{100P_n}{\delta\cdot f_n}\]
\[P_n=60[MW], F_n=60[Hz], \delta : 속도조정률\] \[K_g=\frac{100P_n}{\delta f_n}=\frac{100\times60}{4\times 60}=25[MW/Hz]\] \[K_g=\frac{\Delta P}{\Delta f}=25(\Delta f=0.5[Hz])\] \[∴\Delta P=25\times 0.5=12.5[MW]\]

– 0.5[Hz] 주파수 상승으로 발전기의 출력은 12.5 [MW] 감소
– 이 발전기의 출력은 47.5 [MW]
– 위의 관계를 전력·주파수 특성 그래프로 나타내면 다음과 같다.

정격출력 800[MW], 1,200[MW]인 두 발전기가 무부하로 병렬운전 중에 부 하가 1,500[MW]일 때의 각 발전기의 출력을 구하시오.
(단, 속도조정률은 각각 2.5%, 3.0% ,주파수는 정격 주파수(60Hz))

G1 발전기의 주파수 특성정수(Kg1)

\[K_{g2}=\frac{100\cdot P_{g2}}{\delta_2\cdot f_n}=\frac{100\times 1,200}{3\times60}=666.67[MW/Hz]\]

G2 발전기의 주파수 특성정수(Kg2)

\[K_{g2}=\frac{100\cdot P_{g2}}{\delta_2\cdot f_n}=\frac{100\times 1,200}{3\times 60}=666.67[MW/Hz]\]

발전기의 주파수 특성정수(Kg)

\[K_{g}=K_{g1}+K_{g2}=533.33+666.67=1,200[MW/Hz]\] \[K_g=\frac{\Delta P}{\Delta f},\Delta f=\frac{\Delta P}{K_g}=\frac{1,500}{1,200}\]\[=1.25[Hz]\]


∴ 부하가 증가로 인해서 두 발전기 모두 1.25[Hz] 감소

각 발전기의 부하부담

\[K_{g1}=\frac{\delta P_1}{\Delta f}, \]\[\Delta P_1=K_{g1}\cdot\Delta f=533.33\times1.25=666.66[MW]\] \[K_g1=\frac{\Delta P_2}{\Delta f},\]\[\Delta P_2=K_{g2}\cdot\Delta f=666.67\times1.25=833.34[MW]\]

두 발전기는 부하의 증가에 따라서 조속기 자유운전(G.F)으로 자신의 속도조정률에 따라서 부하를 분담하게 되는데,

– G1 발전기는 666.66 [MW] 출력을 증가시키고,
– G2 발전기는 833.34 [MW] 출력을 증가시키며,
– 주파수는 1.25Hz가 감소된다.

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