Generator Cooling 방식에 따른 분류

Generator는 Turbine으로부터 운동에너지를 받아서 전기에너지로 변환시켜주는 장비입니다. Generator는 앞서 GT와 ST를 설명하면서 기본적인 원리와 목적에 대해서는 설명이 된 것 같습니다. 그러나 Generator만의 특징과 고려해야 할 사항들이 많이 있기 때문에 따로 글을 작성하려고 합니다.

 

냉각방식에 따른 Generator 종류

Generator cooling을 위해 어떤 매질을 사용하느냐에 따라 구분할 수 있습니다. 크게 공기, 물, 수소를 매질로 사용하여 cooling을 하며 각각 Air-Cooled Generator, Hydrogen-Cooled Generator, Water-Cooled Generator라고 부릅니다.

• Air-Cooled Generator
  • 다른 타입에 비해 상대적으로 적은 용량의 발전소에 사용되며 공기의 흐름에 따라 아래와 같이 3가지로 나눠질 수 있습니다.
    1. DAC (Direct air cooler) 또는 OAC (Open air cooler) : Fan에 의해 외부 공기를 유입되는 방식으로 필터를 통해 공기를 정화시킨 후 바로 Generator의 cooling air circle로 유입됩니다. 별도의 물이 필요 없기 때문에 관련된 배관이나 펌프가 필요하지 않습니다.
    2. TEWAC (Totally Enclosed Water to Air Cooler) : Fan에 의해 외부에서 공기가 유입되는 것은 동일하나 유입된 공기는 바로 generator를 식혀주는 것이 아닌고 물을 시켜주고 차가워진 물로 Generator를 cooling 해주는 방식입니다. DAC방식과는 다르게 Generator 내부에 물을 순환시켜주는 pump가 필요하며 공기와 물의 열교환을 위한 핀튜브 열교환기가 필요합니다.
    3. CACA (Closed Air to Closed Air Cooler) : TEWAC에서는 공기에 의해 식혀진 물로 Generator를 cooling 했다면, CACA는 공기로 공기를 식히고 식혀진 공기를 통해 Generator를 cooling 하는 방식입니다. 공기를 순환시키는 fan의 개수가 많아지기 때문이 부피가 커지지만 DAC보다는 효율이 좋고 TEWAC에 비해 별도의 pump가 필요하지 않다는 장점이 있습니다.
• Hydrogen-Cooled Generator
  • 가장 많이 사용되는 방식으로 Closed cooling water system을 이용하여 H2를 냉각시켜주고 냉각된 H2를 이용하여 Generator를 식혀주는 방식입니다.
  • Air-Cooled와 Water-Cooled보다 냉각 효율이 좋기 때문에 대형 Generator에서 주요 사용합니다.
  • 단, H2는 고위험 가스로 폭발성 가스이기 때문에 별도의 부수적인 설비가 상대적으로 많이 필요합니다.
  • H2는 O2와 만나면 폭발하기 쉽기 때문에 초기 기동시 H2가 공급되는 모든 배관에 CO2를 이용하여 Purge를 해줘야 합니다. CO2보다 O2가 가볍기 때문에 CO2를 주입해주면 관련 배관의 O2는 vent line을 통해 모두 빠져나갈 수 있습니다.
  • Vent line에 O2를 측정하여 O2가 모두 제거되었는지 확인한 후 CO2를 빼면서 H2를 관련 배관에 공급해줍니다.
  • H2는 물과 공기와는 다르게 누출되면 대형사고로 이어질 수 있기 때문에 Sealing에더 신경을 써야 합니다.
  • Steam turbine에서 Steam을 sealing 하기 위해 Steam을 사용하지만 H2를 sealing 하기 위해 H2를 사용할 수는 없기 때문에 H2는 물과 공기와도 차단될 수 있는 Oil을 통해 sealing 합니다.
  • Seal oil pump를 통해 Generator의 bearing 측에 공급되며 회수된 sealing oil은 Bearing enlargement에 모아서 oil에 섞여 있는 H2는 vent line를 통해 안전한 지역으로 배출되면 oil을 다시 oil tank로 회수됩니다.
• Water-Cooled Generator
  • Water-Cooled 타입도 Hydrogen-Cooled 타입과 마찬가지로 많이 사용되지만 Hydrogen-Cooled 타입에 비해 효율이 떨어집니다.
  • Hydrogen-Cooled 타입의 경우 위험물을 다뤄야 하기 때문에 H2 line의 관리와 Enlargement가 필요하지만 Water-Cooled 타입은 위험성이 없는 냉각수를 사용하기 때문에 설비가 간단하고 유지보수 측면에서 위험성이 덜하다고 할 수 있습니다.
  • 열교환기의 기술이 발전한다면 위험한 Hydrogen-Cooled 타입보다 Water-Cooled 타입이 더 많이 사용될 것 같습니다.

 

Generator의 유지보수 측면 고려사항

Generator의 유지보수 항목은 크게 2가지가 있습니다. 하나는 Cooler의 유지보수이며, 나머지 하나는 Rotor의 유지보수입니다. 기본적으로 LNG 복합화력발전소의 경우 수명을 30년으로 계산을 하지만 사실상 30년 동안 발전소를 돌리는 경우는 없습니다. 30년 가까이 되면 투입 대비 생산되는 전기 및 열의 양이 적어 효율이 많이 떨어지기 때문에 20년 정도 사용된 LNG 복합화력 발전소는 철거하고 다시 신식 터빈을 설치하는 것이 이득일 수 있습니다.

• Generator Cooler의 교체
  • Cooler의 같은 경우 Closed cooling water가 열교환기에 공급되기 때문에 아무리 순수라고 하더라도 이물질에 의해 열효율이 떨어질 수밖에 없습니다.
  • Cooler의 교체는 Generator의 타입 및 공급사에 따라 방법이 천차만별이지만 운전원 입장에서 고려해야 할 사항은 사람 손으로 제거하고 설치할 수 있는지, Overhead Crane이 필수로 필요한지입니다.
  • 또한 Cooler를 상부로 뽑아내야 하는 타입 같은 경우는 Overhead Crane의 hook의 높이를 설계할 때 가장 크게 고려해야 할 사항입니다.
  • Cooler를 Generator의 측면에 뽑아내는 타입의 경우는 Crane 필요 없이 Chain block으로도 유지보수가 가능한 경우도 있습니다.
• Generator Rotor의 교체
  • Generator Rotor 또한 유지보수를 위해 분해하는 경우가 있는데요. Generator의 종류 및 공급사의 기술력에 따라 다르겠지만 30년 수명 동안 1~2번 정도 유지 보수하는 것이 전부라고 합니다.
  • Generator에서 가장 많은 무게를 차지하는 것이 바로 Rotor이기 때문에 GTG와 STG의 유지보수를 위한 Overhead Crane은 Rotor의 무게를 고려하여 용량 산정이 되어야 합니다.
  • Generator의 Rotor는 Overhead Crane으로 축방향으로 뽑아내야 하며, 뽑을 때 Rotor와 Generator stator의 손상을 방지하기 위해 Rail과 Roller를 이용하게 됩니다.
  • 제거된 Rotor는 반출하여 정비 후 재설치합니다.

 

Generator의 소음

Generator 또한 소음의 규제에서 벗어날 수 없습니다. Generator는 GT와 ST보다는 소음이 심하지 않기 때문에 Generator의 공급사에 따라 별도의 Enclosure나 Barrier wall이 없는 경우도 있습니다. 그러나 보통은 Barrier wall을 설치하여 소음을 최소화하는 것이 일반적입니다. Hydrogen-Cooled 타입 Generator의 경우는 이러한 barrier wall을 통해 위험구역을 최소화하는 경우도 있습니다.

 

Generator는 혼자서 작동할 수 없고 Rotor를 돌려준 터빈이나 보일러가 필요합니다. 이처럼 발전소의 모든 기계장비들은 혼자서 작동할 수 없으면 작은 밸브 하나라도 정상적으로 작동하지 않으면 효율이 떨어지거나 고장의 원인이 됩니다. LNG 복합화력 발전소에서는 GT, ST, HRSG, Generator 이외에도 없어서는 안 되는 중요한 기계들이 많이 있으니 시간 나는 대로 자세하게 포스팅하겠습니다.

아래 링크를 통해 GT, ST, HRSG 및 CFBC, BFBC 보일러뿐만 아니라 원자력 발전소에 대해서 알아보실 수 있습니다.

LNG 복합화력 발전소의 이해-GT, ST, HRSG 및 DH