다리우스 풍력터빈의 속도설정을 터빈이 만드는 토크와 발전기가 요구하는 토크의 Balance를 통해 찾아낼 수 있음을 검토하였다. 풍속에 따른 속도-토크곡선에서 일정v곡선과 일정P곡선이 만나는 점이 터빈의 동작점으로 되며 이는 stable 및 instable이 될 수도 있다. 또한 풍속과 출력이 각각 변할 때 이 동작점이 어떻게 이동되는가 하는 점을 제시하였다.
포항풍력에너지연구소와 (주)보국전기는 에너지 관리공단의 지원으로 2002년부터 직접구동형 풍력 터빈 KBP-750D에 사용될 발전기를 개발해 오고 있다. KBP-750D에 사용되는 발전기는 증속을 위한 gearbox를 사용하지 않는 직접 구동형 이라는 것과, 영구자석을 사용하여 여자하는 형식이라는 것이다. 이런 특징은 풍력발전에서 요구하는 주요 요구조건인 고효율, 고신뢰성을 만족시키기 위해서 매우 중요하다. 개발된 발전기는 25 rpm 정격에서 800 kW의 정격을 가지도록 설계되었다. 공극 직경은 3,320 mm 이며, stator의 길이는 705 mm, 4.5 mm의 공극, 84극을 가지고 있으며, 전체중량은 약 20 ton이다. 이 보고에서는 이 발전기의 물리설계 공학설계 등에 관해서 논의한다.
국내에서는 조류속이 강한 곳이 다수 존재하여 조류발전 가능성이 높다. 이러한 조류발전은 유속이 빠른 곳에 터빈과 발전기를 설치하여 해수의 운동에너지로부터 전기를 생산하는 발전방식이다. 본 연구에서는 조류발전 시스템에 사용되는 헬리컬 터빈의 효율과 특성치 등을 현장실험을 바탕으로 파악하고자 하였다. 현장실험을 위하여 지름 2.2 m, 높이 2.5 m의 터빈을 제작하고, 울돌목 협수로의 한 쪽 면에 쟈켓구조물을 설치하여 터빈에 대한 실험을 실시하였다. 3-blade 헬리컬 터빈은 1.5 m/s와 2.1 m/s 사이의 유속에서 30 %정도의 효율을,6-blade 터빈은 25 %정도의 효율을 나타내었으며, 이러한 효율은 유속의 변화에 따라 변함없이 거의 일정한 수준을 나타내었다. 3-blade 터빈의 TSR은 2.4정도인 것으로 파악되었고, 6-blade 터빈의 TSR은 1.9정도로 관찰되었다. 이러한 터빈들의 TSR은 유속이 1.5 m/s에서 2.1 m/s로 변화해도 거의 일정하게 측정되었다.
최근 가스터빈 발전기는 전력계통의 주파수 조절용으로 널리 사용되고 있다. 가스터빈의 입구온도는 기기의 성능과 수명에 관련된 핵심요소이지만 터빈구조 및 운전환경 등의 이유로 입구온도를 직접 측정하지 않고 가스터빈 배기가스 온도 측정값을 이용하여 입구온도의 추정 값을 구해 이를 연소제어에 사용하고 있다. 특히 재열 가스터빈의 입구온도는 안정적 운전관리에 있어서 매우 중요하지만 제작사가 산출 식에 대한 정보를 제공하지 않고 있어 현장 실무자들은 많은 어려움을 겪고 있다. 이에 본 연구에서는 폴리트로픽 과정식의 기반 위에 머신러닝 기반의 선형회귀 분석기법을 사용하여 가스터빈의 입구온도를 추정할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 또한 선형회귀분석을 통해 얻어진 입구온도 산출 모델식의 유용성 분석과 검증을 통해 입구온도 산출 알고리즘을 제안함으로서 재열 가스터빈 연소튜닝 기술수준 향상에 도움이 되고자 한다.
포항풍력에너지연구소와 (주)보국전기는 에너지 관리공단의 지원으로 2002년부터 직접구동형 풍력터빈( KBP-750D) 에 사용될 발전기 개발을 시작하여 2005년 3월 개발을 완료하였다. KBP-750D에 사용되는 발전기는 증속을 위한 gearbox를 사용하지 않는 직접 구동형이고, 영구자석을 사용하여 여자하는 형식이다. 이런 특징은 풍력발전에서 요구하는 주요 요구조건인 고 효율, 고 신뢰성을 만족시키기 위해서 매우 중요하다. 개발된 발전기는 25 rpm 에서 800 kW의 정격을 가지도록 설계되었다. 공극 직경은 3,320mm 이며, stator의 길이는 705mm, 공극은 4.5mm 이고, 극수는 84이다. 또한 전체 중량은 약 22 ton이다. 이 논문에서는 발전기의 물리설계, 공학설계, 제작 및 시험결과에 관해서 기술한다.
최근들어 전력수요와 상시 전력공급이 요구되는 시설이 증가함에 따라 독립적으로 전력을 공급할 수 있는 상용 또는 비상용발전기가 많이 이용되고 있는 추세이다. 이러한 소형 발전시스템에는 디젤엔진이나 터빈 엔진에 발전기를 연결하여 전력을 공급하는 코젠 시스템(co-generation system)이 주로 이용된다[1]. 일반적으로 코젠시스템은 운전중에 매우 높은 수준의 소음이 발생되므로 건물 주변이나 사람의 왕래가 잦은 곳에 설치되는 경우에 필히 소음저감을 위한 대책이 필요하게 된다[2,3]. 본 사례는 대형놀이시설의 전력공급용으로 설치된 옥내(발전실내)의 상용/비상용 발전기(3600 KW 디젤엔진 2대)에서 발생한 상당량의 소음이 놀이시설주변까지 전달되어, 소음원 및 그 전달경로를 규명하고 대책을 수립한 내용이다. 놀이시설의 개장을 앞두고 소음문제가 발생되었기 때문에 신속하고 현실적인 해결책의 적용이 요구되었으므로 발전기 및 발전실 주변의 소음레벨 및 주파수특성의 분석을 통하여 주소음원을 규명하는 방법을 택했다. 분석결과로부터 주 소음원은 엔진 배기구에서 발생되는 저주파수 특성을 갖는 소음으로 규명되었고, 그 주파수특성에 적합한 흡음 및 반사특성을 동시에 갖는 조합형 2차 소음기를 추가로 설치하여 발전실 주변소음레벨을 크게 저감할 수 있었다.
축정렬이 불량한 경우 축진동이 과도하게 발생하여 출력이 감소하고 소음이 발생하며, 심한 경우 회전체의 파손과 같은 손실을 입을 수 있다. 특히 축 정렬불량으로 인한 진동은 교정이 안되는 것이 특징이므로 근본적으로 진동 을 해결하기 위해서는 축 정렬을 다시 시행해야 한다. 그러나 터빈은 다른 기계 구조물과 달리 분해 점검에 많은 시간과 경비가 요구되므로 축 정렬시 정확한 작업이 요구된다. 본 연구에서는 터빈계통의 축정렬을 수행하는 절차 와 방법에 대해서 검토하였다. 이를 위해 축정렬이 입력데이터로 쓰일 수 있 는 상태측정방법중 커플링 원주와 커플링 면 측정방법이 설명되었으며, 측정 값으로부터 축정렬을 수행하기 위해, 베어링의 이동량 계산과정과 쉼 가감량 의 계산방법을 기술하였다. 축정렬의 원리와 방법의 적용과정을 실제로 알아 보기 위해 평택화력 1,2호기에 대한 축정렬이 수행되었다. 1,2호기는 고압터 빈, 2단계의 저압터빈 및 발전기로 구성되어 있는 다축 시스템으로서, 제작 사측에서 요구하는 정렬 기준값을 감안하여 축정렬에 필요한 베어링 조정량 을 계산하였다. 계산과정은 기준로터로 지정된 저압터빈에서부터 축정렬상태 도를 작성하여 가면서 단계적으로 설명되었으며, 최종적으로 쉼의 가감량까 지를 보여줌으로서 축정렬과정을 완료하였다.
발전설비에 대한 비파괴 검사 기술은 발전소 운전 신뢰성 및 안전성 유지확보 그리고 건전성을 보장하기 위한 필수적인 기술이다. 이 설비 중 터빈, 보일러 등 주요 발전설비에 대한 초음파 검사는 매우 신중하고 정확하게 검사할 필요성이 있으나, 일반적 초음파 검사방법으로는 불가능한 부분이 많고 일부분에 대해서는 이를 외국 제작사 기술용역에 의존하고 있는 실정이다. 특히 발전기 로타 웨지와 같이 재질상 감쇄가 심한 재료에 대해서는 검사 자체가 어렵고, 지금의 초음파 검사 방법으로는 결함의 크기나 형태를 파악하기도 어려워 이에 대한 개선책이 시급한 실정이다. 최근에 개발이 시작된 Phased Array UT분야는 발전설비중 접근자체가 어렵고, 형상이 복잡하여 결함의 탐지 및 평가가 힘든 부분에 적용하면 검사신뢰도 및 신속성을 향상시킬 수 있으며 접근성에 대한 제한 또한 감소시킬 수 있다. 따라서 본 논문은 발전기 부품에 발생하는 일반적인 결함에 대하여 Phased array UT 기술을 도입하여 신호의 특성을 분석하는 결과평가에 도음이 되고자 하였다.
35년 이상 동안 운전된 2대의 가스터빈 발전기(70 MVA, 13.8 kV) 고정자 권선의 절연상태를 평가하기 위해 정지중 절연진단 시험을 수행하였다. 성극지수, 교류전류, 유전정접 및 부분방전 크기 등을 측정한 결과 모두 양호하여 절연상태가 매우 건전하게 평가되었다. 유전정접이 서서히 증가하는 전압이 부분방전 개시전압과 거의 일치하며, 이 전압은 다시 제1차 전류 급증점 보다는 3 kV정도 낮게 분석되었다. 그리고 발전기 고정자 권선의 부분방전 패턴은 내부방전으로 분석되었다.
최근 대체에너지에 대한 관심이 많아진 가운데 풍력발전에 대한 관심이 증대하고 있다. 풍력발전기는 사람의 접근이 용이하지 않은 산간벽지에 주로 설치됨에 따라 상시 운전상태를 모니터링하기 위한 원격 모니터링 장치가 필요하다. 본 논문에서는 풍력발전기의 원격 모니터링 시스템을 개발에서 필요한 요소기술 분야의 설계 방법을 제시한다. 다수의 풍력발전기가 설치되는 풍력단지에서 효과적으로 모니터링을 위해 Zigbee 무선통신을 사용하여 모니터링하고, 모니터링 시스템 구현이 용이한 LabVIEW를 활용하여 실시간 상태 모니터링의 설계 요소를 제안한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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