발전소 발전기의 보조설비-수소가스 제어계통

발전소 발전기의 보조설비-수소가스 제어계통

 

가. 개요

수소냉각 발전기에서 발전기 운전 중 희전자 권선 및 고정자 철심에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각하기 위해 공기보다 비열이 크고 밀도가 적으며 열전달 계수가 큰 수소를 냉각 매체로 사용한다.

발전기에서 수소를 발전기내에 넣거나 빼내는 조작과 일상 운전에서 수소 보급 및 순도 유지를 목적으로 수소가스 제어장치가 설치되어 있다.

수소는 보통 수소 병(Bottle)에 있는 것을 사용하며 감압변, 가스 조정장치를 경유해서 발전기 내로 보내진다. 수소는 발전기내 가스압력계와 순도계 등이 서로 관련되어 수소를 자동 공급되도록 되어 있다. 수소와 CO, 공급시 비중이 서로 달라 수소는 발전기 상부 Manifold로, CO2 는 하부 Manifold로 주입하여 두 기체가 섞여 지는 것을 억제하고 있다.

또한 발전기의 수소를 빼내거나 수소를 충진할 때 수소가스가 공기와 접촉하여 폭발하지 않도록 매개체를 치환하여야 한다.

 

나. 수소가스 치환방법

발전기 냉각매체로 사용하는 수소가스는 공기 중에서 고도로 높은 폭발의 위험성이 있기 때문에 수소와 공기가 직접 접촉하지 않도록 매개체(진공 또는 CO2 매체)를 사용하여 충진하는 것을 치환이라고 한다. 이 매개로 진공을 사용하는 것을 직접치환법이라 하고 CO2 를 사용하는 것을 간접치환법이라 한다.

(1) 직접치환법

발전기 내를 진공으로 해서 수소를 치환하는 방법으로 운전중 치환이 가능하다.

• 수소 충진시 : 공기 - 진공 - 수소
• 수소 배출시 : 수소 - 진공 - 공기

여기에서 말하는 운전중이란 발전기 정상 운전중이 아닌 터닝기어 운전상태를 의미한다.

 

(2) 간접치환법

CO2를 수소와 공기와의 중간에 사용하여 치환하는 방법으로 발전소에서 널리 채용되며, 운전중 치환이 가능하나 수소와 CO2의 소비량이 많아진다.

• 수소 충진시 : 공기 - CO2 - 수소
• 수소 배출시 : 수소 - CO2 - 공기

 

다. 수소 치환시 주의할 사항

• 발전기내에 수소가스가 존재하는 한 밀봉유 계통은 계속 운전되어야 한다.
• 수소는 보통 Bottle에 든 것을 사용한다
• 수소가스 계통 주위에서 용접이나 흡연 등 화기를 사용 해서는 안된다.
• 정상 운전중 수소 Gas 순도를 통상 98~99% 정도 유지하여야 한다.

사용하는 CO는 주위온도 20도씨에서 압축되어 있어 이를 그대로 팽창시키면 주위의 기화열을 흡수하여 밸브나 배관의동결 위험이 있으므로 이에 대한 조치를 강구하여야 한다.

 

라. 주요기기

수소가스 계통에는 발전기에 수소를 상시 공급하며, 수소의 압력과 순도를 유지하고 감시한다. 또한 발전기 정지시에 이산화탄소를 공급하여 수소를 배출시키고, 또 공기로써 이탄화탄소를 배출시킬 수 있다.

수소가스 계통의 주요기기 구성은 수소 냉각기(H2 Cooler), 가스분석기(Gas Analyzer), 가스건조기(Gas Dryer), CO2 팽창장치, 액체 누설탐지기(Liquid Detector) 등이 있다.

(1)수소냉각기(H2 Cooler)

수소가스는 발전기 내부에서 발생한 열을 흡수함으로서 더워지며, 더워진 수소가스는 수소냉각기를 통과하면서 냉각된다.

수소냉각기는 발전기 용량에 따라 설치대수를 정하고 설치형태에 따라 수평형과 수직형이 있으며 설치위치도 발전기 상부 또는 하부에 적절히 설치한다.

수소냉각기는 튜브내로 냉각수가 흐르고 쉘(Shel) 측으로 수소가스가 지나간다. 냉각수로는 기기냉각수(cCw: Closed Cooling Water)를 사용하며 튜브는 핀 플레이트(Fin Plate) 구조를 대부분 사용하고 있다.

각 수소냉각기에는 공기 제거용 밸브(Vent Valve)가 설치되어 있어 처음 냉각수를 충수할 때는 반드시 공기를 제거시켜야 하며, 특히 주의할 사항은 냉각수 공급 및 출구측에 있는 밸브는 동시에 닫아서는 안된다.

왜냐하면 냉각기내에 있는 냉각수가 가열됨에 따라 팽창에 의해 냉각기가 손상 받을 우려가 있기 때문이다.

 

(2)가스 분석기

발전기내의 수소 및 CO2의 순도는 가스 분석기에 의하여 분석된다. 가스분석기의 측정원리는 가스의 열전도도가 가스농도에 따라 달라지는 것을 이용하여 발전기내의 가스를 열전도도가 일정한 순수수소 (기준수소)와 비교하여 그 차이를전기 브릿지회로에서 검출하도록 되어 있다.

발전기 회전자에 부착되어 있는 편의 전후 차압으로 발전기내 순도를 별개의 점검용으로 사용할 수 있으며 수소의 순도가 낮거나 또 수소에 습분이 많이 포함되어 있으면 팬 전, 후 차압은 증가한다. 또한 화학부의 순도 분석도 병행 시행하도록 한다.

 

(3) 가스 건조기(Gas Dryer)

발전기에 공급되는 수소에는 미량의 수분이 포함되어 있어 이 수분의 축적을 방지하기 위한 목적으로, 수소가스 건조기가 발전기 외부에 설치되어 있으며 발전기 내부의 수소가스를 일부 추출하여 가스건조기를 통과시킨 습분이 제거된 수소가스를 다시 발전기로 공급한다.

가스건조기 내에는 실리카겔이 들어 있으며 실리카겔이 건조상태에서는 청색이며 흡습상태에서는 분홍색이다. 발전기내의 수소가스 일부가 가스건조기를 통과하면 건조기내의 실리카겔이 습분을 빼앗아 점차 분홍색으로 변하면 건조기에 부착되어 있는 팬과 전열기를 기동하여 열풍을 건조기 내의 실리카겔에 보내면 실리카겔이 건조되어 다시 청색으로 된다. 일부 발전소에서는 실리카겔이 들어 있는 두 대의 용기(Tower)가 있고 일정시간 후 자동적으로 교체되면서 연속적으로운전가능 하게한 것도 있다.

 

(4) COa Expansion (CO2 팽창장치)

발전기 내부로 CO2를 충진할 때 CO2 기체를 고압력으로 압축시켜 액체로  용기에 주입하였으므로 Bottle의 밸브를 열어 CO2를 팽창시키면 주위의 기화열을 흡수하여 밸브나 파이프가 동결되어 가스의 이동을 방해하기 때문에 이를 방지하기 위한 CO2 Expansion이 설치되어 있다.

이는 팽창도중의 가스를 규정온도(40~80%)로 가열시키는 Heating Unit(가열장치)를 통과토록 되어 있으며 가열장치는 특수액체로 채워져 있어 전열기로 이 액체를 가열하고 가열된 액체에 의해 CO2가 가열된다.

일반적으로 CO2 팽창장치를 설치하거나 발전소내 보조증기 계통의 증기(Steam)를 일부 추출하여 CO2 Bottle에 직접 분사하여 사용하는 방법을 채택하기도 한다.

(G) 액체 누설 탐지기(Liquid Detector)

밀봉유 계통 이상으로 오일이 발전기 내로 유입 될 수 있으며 또 수소냉각기나 고정자 냉각수 계통의 누설로 발전기내로물이 유입될 수 있다.

발전기 내로 누설되는 액체를 감지하는 장치가 액체 누설 탐지기이며 발전기 케이싱 하부에 설치되어 있다.