터빈발전기의 수소냉각 시스템의 위험성

 

터빈발전기의 수소냉각 시스템의 위험성

 

 

 1   터빈발전기 

발전기는 3상으로서 주파수가 60Hz, 그리고 회전수가 1800rpm인 4극 동기 형식의 발전기이다. 발전기 회전자는 하나의 강철 단조품으로 제작된다. 자장은 직류 전원에 의해 생성된다. 발전기에서 발생하는 열을 제거하기 위한 발전기냉각계통은 발전기 수소냉각계통, 발전기 축밀봉유계통, 그리고 발전기 고정자 냉각수계통으로 구성되어 있다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=zORw2JqYTjk

 

증기터빈발전기 영상

 1   터빈의 냉각

동기발전기에서 고속의 터빈의 회전으로 인한 열이 발생하고 이를 냉각시키기 위해 냉각이 필요합니다. 공기냉각과 수소냉각방법이 있으며, 각각의 장단점은 다음과 같습니다.

 수소냉각 장단점 

장점	단점
1. 공기의 밀도가 낮음(공기대비 7%수준) → 공기 마찰력이 적음 →풍손 감소(1/10), 효율 증가 2. 비열이 크다 → 냉각 효율이 좋음 → 효율 증가 3. 권선의 수명 증가 4. 밀폐 구조 사용 → 소음 감소, 외부 오염에 강함	1. 폭발의 위험, 경보장치 필요 (상주 발전소: 순도가 85%이하 시 경보, 비상주 발전소: 순도가 90%이하 시 경보) 2. 설비가 고가

 냉각 매체의 냉각 능력 비교 (출처 : 일본 전기학회 화력발전 총론) 

냉각매체	상대비열	상대밀도	상대유량	냉각능력
공기	1.0	1.0	1.0	1.0
수소(200kPa)	14.35	0.21	1.0	3.0
수소(300kPa)	14.35	0.28	1.0	4.0
수소(400kPa)	14.35	0.35	1.0	5.0
수소(500kPa)	14.35	0.42	1.0	6.0
물	4.16	1000	0.012	50.0

 냉각 방식의 비교 

공기 냉각	공기 냉각형 발전기는 구조가 가장 간단하고 수소 냉각이나 물 냉각에서 필요한 보조 기계가 필요 없어 널리 적용 중이다. 최근 용량이 발전하고 있으나 냉각 성능이 수소나 물에 비해 떨어진다. 또한, 풍손이 커 300㎹A급 용량에 머물고 있으나, 높은 내열절연을 채용해 권선의 온도 상승 한도를 높이면 500㎹A까지 제작 할 수 있다는 보고가 있다. 공기 냉각형 발전기는 열 교환기를 발전기에 내장하는 밀폐형과 열 교환기 없이 주위 공기를 흡수해 발전기를 냉각한 후 주위로 다시 내보내는 개방형이 있으며, 용량이 큰 발전기의 경우 밀폐형을 많이 사용한다.
수소 냉각	수소 냉각형 발전기는 비열이 공기에 비해 약 14배며, 냉각 효율이 우수하다. 수소 가스 압력을 올리면 냉각 능력을 올릴 수도 있다. 게다가 수소는 밀도가 작아 압력 손실이 작으며, 풍손이 작다. 발전기 수명에 영향을 미치는 전기적·열적 절연 열화 현상에 대해 방전 억제, 무산소 하에서 열 열화 경감 등의 이점도 있다. 한편, 수소는 공기와 혼합해 농도가 4~75% 범위에서 폭발 위험이 있으므로 기기 안 수소 순도를 90% 이상으로 유지한다. 이 때문에 수소 가스를 봉인하는 장치가 필요하다. 이 장치는 발전기의 회전자와 고정자 측 실링 사이에 기기 안 수소 가스 압력보다 약간 높은 압력의 오일을 공급하는데, 이것으로 고정자와 회전자 사이를 지나는 수소가스가 기기 바깥으로 새는 것을 막는다. 고정자는 수소 직접 냉각형과 수소 간접 냉각형 모두 폭넓게 적용된다. 직접 냉각형은 이전부터 600㎹A 이상에까지 적용됐는데, 최근 간접 냉각형 발전기도 이 용량까지 용량을 늘리는 추세다. 고효율 복합화력발전소의 용량이 점점 커지고, 여기에 효율좋고 물 냉각에 비해 보수도 간단한 수소 간접 냉각을 적용하려는 움직임이나 높은 열전도율을 지닌 절연의 등장 등이 용량 증가의 요인으로 작용한다.
물 냉각	1960년대 들어 고정자 권선 냉각에 물을 사용하는 냉각 방식을 적용하기 시작하면서 발전기 용량을 비약적으로 키울 수 있었다. 이 방식은 고정자 권선에 속이 빈 소선을 채용해 물을 흘리는 냉각 방식이다. 물은 공기에 비해 50배 뛰어난 냉각 능력이 있기에 고정자 권선의 전류 밀도를 높일 수 있다.  한편, 냉각수는 도전율이 낮은 순수한 물을 사용하며, 이온 교환 수지, 냉각수를 순환시키기 위한 펌프 등으로 구성한 고정자 냉각수 장치가 필요하다. 여기다 회전자 등 다른 부분을 냉각하기 위해 수소 냉각과 조합하는 경우가 많은데, 그러면 앞서말한 봉인 장치도 필요해 구성이 복잡해진다.  또한, 여러 해 운전으로 생기는 코일 도체를 포함해 물이 지나는 경로상의 누수나 석출물로 말미암아 구멍이 막히는 것을 방지하기 위한 관리와 유지보수가 번거롭다. 이 때문에 속이 빈 소선 대신 스테인리스 도관을 사용해 속이 찬 소선과 조합함으로써 물의 유량과 유속을 크게 해 구멍이 막히는 것을 방지하는 방식을 택하기도 한다.

*출처 : 2012년 [전력기술동향 ②] 터빈 발전기의 냉각 방식과 그 기술 동향



 2   수소냉각

 발전기 터빈 냉각에 폭발의 위험성이 있는 수소를 채택하는 이유 

• 수소는 공기에 비해 밀도가 낮아 좁은 틈새에서도 흐름성이 좋아 유체역학적 손실이 적다
• 산소가 없으므로 설비의 열화(산화)가 적어 설비 수명이 길다 
• 냉각효율 상승으로 발전기 출력이 상승하므로 동일 조건에서 높은 출력을 얻을 수 있다.

• 공기보다 비열이 크고 열전달계수가 커서 냉각효과가 3~4배 높아 제열효과가 탁월하다.

 수소의 폭발을 방지하기 위한 조치 

• 터빈의 Casing에 Seal Ring 시스템을 설치하여 수소의 누출을 방지한다.
• 수소의 폭발범위는 4~75% 이므로 냉각용 수소의 농도는 항상 97% 이상을 유지해야 한다.
• 350MW급 발전기에 소요되는 수소량은 12N㎥/D 이다. 수소의 사용량이 40N㎥/D 이상인 경우 누설여부를 확인해야 한다.
• 발전기 초기 S/Up시 폭발을 방지하기 위해 불활성 가스인 CO2를 이용하여 Purgr를 한다.
• 수소 가스 측정기를 설치하고 수소의 누설이 발생할 경우 발전기 운전 시퀜스와 연동해야 한다.

 수소냉각 방식 

 

 

 수소가스 누출 차단을 위한 Casing Sealing System 

 발전기 수소냉각 방식 

Radial Flow Type	Diagonal Flow Type
브러쉬하우징 방향(C/E)에만 설치된 원주방향 유동팬에 의해서 유입된 수소가스는 팬차압에 의하여 회전자 및 고정자 슬롯 내부를 거쳐 터빈방향(T/E)으로 이동하여 열교환기를 거쳐 다시 팬으로 순환됨.	양단 회전자 팬 회전에 의해 회전자와 고정자 사이 공극으로 수소가스가 순환됨. 수소가스는 회전자와 고정자 슬롯 내부를 수직으로 순환하며 양 끝단에서 열교환기를 거쳐 중간부분으로 이동함.

 

 

블로그 포스팅 내용은 안전보건환경에 관한 사고사례자료, 기술자료, 업무용 실무자료를 작성하여 배포하고 있습니다. 블로그 내용을 링크하여 사용하는 것은 허용됩니다. 단, 상업적 용도로 활용하는 것을 금지합니다. 상업적 용도로 사용할 경우 ulsansafety@naver.com으로 동의를 받아 사용이 가능합니다. 포스팅 일부 내용과 삽화 그림은 안전보건공단의 자료가 사용되었음을 알려드립니다. 💨 SHE실무방 "카카오 오픈 채팅방"  💨 ulsansafety 개인연락