증기터빈은 기술개발에 따라 성능 증가를 위해 보일러의 증기조건(압력, 온도 등)을 증가시켜왔다. 이에 따라 최근 초초임계압 증기터빈이 개발 되었으며, 이미 다양한 국가 및 지역에 건설되고 있다. 초초임계압 증기터빈은 일반적으로 27MPa, 610oC의 증기가 보일러로부터 터빈으로 공급되며, 600~1000MW의 출력과 45~49%의 효율을 가지는 것으로 알려져 있다. 증기터빈은 보일러, 터빈 등의 주요 구성부의 경우, 운전조건을 급격하게 변화시키지 않고 정격 출력(일반적으로 최대 출력의 95%)으로 운전하는 것이 안정적이다. 이러한 방식으로 운전하는 원인은 주요 구성부의 손상, 수명 등과 관련한 유지보수와 깊은 관련이 있다. 이와 더불어 현재 발전 플랜트의 구성부가 원활하게 구동되는지 파악할 수 있는 증기터빈 성능 분석과 관련된 연구는 꾸준하게 수행되어 왔다.
본 논문에서는 초초임계압 증기터빈의 성능분석 및 구동특성을 분석할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 이론 및 실험적인 상관식을 통해 설계 및 탈설계 해석이 가능하도록 모델링하였다. 또한 추가 유량이나 추기 계통의 구동 특성을 파악하기 위하여 전체 터빈 시스템을 단 별로 해석하였다. 일반적인 증기터빈 운전인 제어 밸브를 통한 운전과 보일러의 증기조건을 조절하는 운전을 시뮬레이션 할 수 있도록 개발하였다. 과부하 밸브 운전은 보다 안정적으로 최대 출력을 얻기 위해 개발된 운전이다. 본 논문에서는 일반적인 운전과 더불어 과부하 밸브 운전에 대한 시뮬레이션을 진행할 수 있도록 프로그램을 설계하였으며, 이를 통해 운전 별 성능 및 구동 특성을 분석하였다.
최근 초초임계압 증기를 통해 구동되는 터빈의 경우, 그 구동 특성이 이전에 개발된 터빈과 유사할 것으로 예상하고 있다. 반면 이전에 개발된 터빈을 기준으로 제작된 상관식을 초초임계압 증기터빈의 성능 예측에 사용하는 경우, 오차가 발생할 수 있으며 이는 부정확한 성능 예측으로 이어질 수 있다. 본 논문에서는 상용 프로그램에서 널리 사용되는 터빈의 구동 특성 예측을 위한 상관식들에 대한 고찰을 위해 초초임계압 조건의 증기가 공급되는 고압 터빈에 대해 유동해석을 진행하였다. 다양한 경계조건을 통해 넓은 범위의 운전조건에 대해서 고압 터빈의 구동 특성을 단 별로 분석하였으며, 이 결과를 종합하여 현재 상용 프로그램에서 사용되고 있는 상관식들에 대한 검토와 수정을 진행하였다. 또한 과부하 밸브 운전의 효과를 분석하기 위해 고압 터빈 2단 및 3단 그리고 과부하 밸브 유로에 대한 유동해석을 진행하였으며, 이를 통해 과부하 밸브 운전 시 단의 구동 특성을 도출하였다. 추가로 과부하 밸브 유로의 경우, 파이프를 통해 두 방향으로 공급된 과부하 밸브 유량이 터빈을 감싸는 케이싱(casing)과 같은 형태의 유로를 통해 2단과 3단 사이로 공급된다. 따라서 현실적이고, 정확한 구동 특성 분석을 위해 2단과 3단의 전체 터빈 유로와 과부하 밸브 유로에 대해 모델링하여 이에 대한 유동해석을 진행하였다.
유동해석 결과를 통해 도출한 보정곡선을 프로그램에 도입하여 프로그램의 정확도를 개선하였다. 프로그램을 통한 시뮬레이션 결과와 유동해석 결과를 비교하여 개선된 모델링의 정확도를 확인하였다. 개발된 프로그램을 통해 최근 건설되고 있는 초초임계압 증기터빈 발전 시스템의 터빈 구동 특성을 분석하고 성능 예측을 수행할 수 있으며, 이를 통해 현재 발전 시스템을 평가하여 성능 진단에의 활용을 기대하고, 구성부의 결함을 분석할 수 있을 것으로 기대한다.

Steam turbine technologies have been developed steadily for performance augmentation. As a results, an ultra-supercritical (USC) steam turbine has recently been developed and installed in many countries. It is widely known that in a USC steam turbine, steam is provided by a boiler to a turbine at 27MPa and 610°C, and the plant has a power output of 600?1000MW and an efficiency of 45~49%. A steam turbine is usually operated at its rated output (often 95% of the maximum power) because of the stability of its main components, including the turbine and boiler. This is closely related to the maintenance, degradation, and life of the main components. For this reason, the performance analysis of steam turbines has been constantly researched.
In this study, a simulation program capable of performing analyses of the performance and operating characteristics of USC steam turbines was developed. This program was designed to perform both design and off-design analyses using semi-theoretical and empirical correlation equations. In addition, stage-by-stage analysis of the entire turbine system can be performed to determine the operating characteristics of a steam turbine with admission and extraction flows. The program was developed to permit the simulation of conventional operations such as the control valve operation and sliding pressure operation. The overload valve operation was developed to achieve the maximum power more stably. The simulation program designed in this thesis makes it possible to simulate the overload valve operation and analyzed the performance and operating characteristics.
It was recently reported that the operating characteristics of USC steam turbines are similar to those of existing turbines. However, predicting the performance of USC steam turbines using a correlation equation produced on the basis of the existing turbines may produce significant errors and result in inaccurate performance predictions. In this thesis, a computational analysis of a high-pressure(HP) steam turbine was performed to examine the correlation equations that are widely used in commercial programs for predicting the operating characteristics of turbines. A stage-by-stage analysis was conducted of the performance and operating characteristics of each HP turbine stage under a wide range of boundary conditions. Thus, the correlations adopted by the existing commercial programs were reviewed and modified. In addition, to analyze the effect of the overload valve operation, a computational analysis was conducted for stages 2 and 3 of an HP turbine and the flow passage of the overload valve. In the case of the flow passage of the overload valve, the overload valve flow was provided from two directions through a pipe positioned between stages 2 and 3 through a casing-shaped flow passage covering the turbine. Consequently, in order to conduct a practical computational analysis and derive accurate performance prediction methods (such as correction curves for the stage efficiency), the computational analysis included modeling of the entire flow passage in stages 2 and 3 of the turbine and the flow passage of the overload valve.
The prediction methods derived using this computational analysis were embedded into the program to improve its accuracy. A comparison of the results of a simulation using the program and those of a computational analysis confirmed the accuracy of the improved modeling. The developed program can analyze the operating characteristics and predict the performance of the recently constructed USC steam turbine systems. Such an application can contribute to the evaluation and performance diagnosis of the present power generation systems by analyzing their possible defects.