▲ 한전 전력연구원 수화력연구소 성능진단그룹은 지난달 19일 전력연구원 대강당에서 발전설비의 성능관리 및 효율향상 기법에 대한 정보교류를 위해 ‘제6회 발전설비 성능 및 효율관리 분야 기술교류회’를 개최했다.

한전 전력연구원 수화력발전연구소는 최근 발전기 및 변압기 기술교류 세미나와 2007년 발전설비 성능 및 효율관리 분야 기술교류회를 연달아 개최했다.

먼저 수화력발전연구소는 지난달 13일과 14일 대전시 대덕컨벤션타운에서 발전기 및 변압기 기술교류 세미나를 개최했다. 이 세미나는 발전소 주요설비인 발전기와 변압기의 최신기술을 소개하고 경험사례를 공유하기 위해 마련됐다.

발전기 및 변압기 기술교류 세미나에서 서부발전 황영하 과장이 축전류에 의한 발전기 손상사례를 홍영희 한수원 원자력발전기술원 과장이 발전소 고정자 권선 고장 정비를 각각 발표했다.

또 선현규 한수원 원자력발전기술원 과장이 원전 여자기 교체사례를, 이상길 전력연구원 수화력발전연구소 책임연구원이 발전기 비동기 운전시 문제점 검토를 발표했다.

이상길 책임연구원은 또 낙뢰에 의한 설비 손상사례를 발표했고 최형주 중부발전 과장은 풍력발전기 유도장해 대책 수립을 발표했다.

아울러 김병한 전력연구원 수화력발전연구소 수석연구원이 차세대 발전기 설계, 김병래 전력연구원 수화력발전연구소 책임연구원이 발전기 고정자 권선 누수 문제점 검토 등을 각각 발표했다.

황영하 서부발전 과장은 ‘축전류에 의한 발전기 손상사례’ 발표를 통해 최근 대형화 되고 있는 터빈 발전기와 정지형 여자시스템 도입 등에 따라 축전류 발생이 증가하고 있다며 축전류 발생에 의한 다양한 형태의 고장이 발생해 설비 손상은 물론 기기 불안정 운전의 원인이 되고 있어 이에 대한 원인 규명과 대책 수립이 필요하다고 밝혔다.

홍영희 한수원 원자력발전기술원 과장은 ‘발전소 고정자 권선 고장 정비’ 사례 발표를 통해 발전기 고정자 권선 지락고장을 심층 분석하여 고장발생 원인을 규명하고 향후 대책을 수립한 내용과 정비수행 경험을 공유하기 위한 내용을 발표했다고 밝혔다.

홍 과장은 고정자 권선은 여러 가지 원인에 의해 절연파괴가 발생할 수 있으며 절연파괴가 발생했을 경우 정비방안, 설비 신뢰성 검증방안, 정비 수행시 문제점을 검토했다고 밝혔다.

이상길 한전 전력연구원 수화력발전연구소 책임연구원은 ‘낙뢰에 의한 설비 손상사례’ 발표를 통해 최근 발전소에서 발생한 낙뢰에 의한 설비 고장 사례를 소개하고 낙뢰발생시 설비에 미치는 영향과 이에 대한 대책을 검토했다고 설명했다.

이 책임연구원은 발전소에서 낙뢰는 주로 연돌에 떨어지고 있으며 이때 고장이 발생한 주요 설비는 유인통풍기 풍량을 조절하는 Actuator라며  낙뢰가 Actuator 고장을 일으키는 원인을 분석하고 이에 대한 대책을 수립했다고 밝혔다.

김병한 전력연구원 수화력발전연구소 수석연구원은 ‘차세대 발전기 설계’ 발표를 통해 차세대 화력발전 시스템에 설치할 발전기를 설계할 때 고려해야 할 사항에 대한 검토를 수행해 발전기 최적 전압, 용량, 여자기전압, 여자기 전류 등을 각각 설명했다.

김 수석연구원은 또 최근 발전기에서 문제가 되고 있는 내용에 대한 소개와 향후 현장에서 유의해야 할 사항을 정리해 발표했다.

김병래 전력연구원 수화력발전연구소 책임연구원은 ‘발전기 고정자 권선 누수 문제점 검토’를 통해 최근 장기간 사용한 대용량발전기에서 가장 문제가 되고 있는 고정자 권선 누수 문제점과 관련해 냉각수 누설사례, 누설발생 원인, 누설발생시 설비에 미치는 영향, 정비 대책을 설명했다.

김 책임연구원은 또 ‘공랭식 발전기 문제점 검토’를 통해 진공가압함침법이 권선 조립공정을 단순화시켜 제작단가는 저렴하지만 장기간 운전할 경우 권선의 수축, 팽창에 따라 함침부위에 결함이 발생해 권선 진동을 유발하고 절연물을 마모시켜 수명을 단축시키는 역할을 한다고 밝혔다. 김 책임연구원은 이번 발표에서는 이러한 문제점을 각 발전소에 전파하고 대응방안을 강구할 수 있는 방안을 제시했다.

발전기 및 변압기 기술교류 세미나에 이어 전력연구원 수화력발전소 성능진단그룹은 지난달 19일 전력연구원 대강당에서 발전설비의 성능관리 및 효율향상 기법에 대한 정보교류를 위해 ‘제6회 발전설비 성능 및 효율관리 분야 기술교류회’를 개최했다.

전력그룹사 및 민간발전소 직원을 대상으로 열린 이번 기술교류회에서는 발전소 성능진단을 통한 효율향상 사례 외 6건의 주제발표가 있었다.

특히 최근 환경규제강화와 유가급등에 따른 에너지의 효율적 운영 및 절감이 절실히 요구되는 가운데 “고압전동기 가변장치(VFD Variable Frequency Drive System)를 통풍기에 설치해 에너지를 절약한 사례, 석탄화력발전소 보일러의 OFA(Over Fire Air) Damper Close 운전에 따른 효율향상 사례, 보일러 내 클링커 방지를 통한 설비 신뢰도제고 등이 발표돼  참석자들의 큰 관심을 끌었다.

또한 국내탄을 사용하고 있는 동해화력발전소의 유연탄혼소시험 성공으로 설비 이용효율향상에 관한 사례는 국내탄 수급의 제한에 대한 어려움을 해소할 수 있는 계기가 됐으며 국내탄발전소인 서천화력 및 영동화력에도 확대적용이 가능할 것으로 예상된다.

전력연구원 관계자는 “매년 개최하고 있는 성능 및 효율관리 분야 기술교류회는 올해 6회째로 성능관리 분야의 전문가들이 참석해 발전설비 효율관리의 중요성과 향후 효과적인 성능관리 기법에 대해 많은 의견교환이 있었으며 참석자들로부터 좋은 반응을 보였다”고 설명했다.

이 관계자는 또 “이번 세미나를 통해 각 발전회사별로 개선사례 및 전력연구원에서 연구한 내용을 중심으로 하여 기술교류의 공감대를 형성했다”며 “성능관리 분야에서는 유일한 전문기술 전달의 마당이 되는 기술교류회로써 각 발전회사 전문가와의 진지한 토의와 공감대를 구축한 귀중한 시간이 됐다”고 강조했다.

▲발전기 및 변압기 기술교류 세미나 주요발표 내용
▷변압기 탭 인출선 과열 원인 규명=박인규 한수원 원자력발전기술원 부장은 ‘변압기 탭 인출선 과열 원인 규명’ 발표를 통해 변압기 점검도중 발견한 변압기 내부 탭리드 절연지 탄화현상의 원인을 규명하고 향후 정비 방안을 설명했다.

박 부장은 변압기 탭 리드선은 여러기의 탭권선에서 다른 권선으로 연결되는 부위로 여러개의 병으로 구성된 탭리드에 순환전류가 흘러 과열이 발생했으며 과열을 방지하기 위한 목적으로 탭리드 단면적을 증대시켜 정비를 수행할 계획이라고 밝혔다.

박 부장은 현장내부점검 결과 지난해 9월과 올해 7월에 각각 운전중인 3번과 6번 탭리드에서 절연지의 탄화현상이 각각 발견됐다며 탭리드 3-1·6-1 Division이 탄화의 정도가 심하다고 언급했다. 박 부장은 탭리드 절연지 탄화 현상의 1차 원인은 탭리드의 과열에 따른 것이며 순환전류가 핵심적인 원인으로 지목됐다고 밝혔다.

박 부장은 탭리드의 과열을 방지하기 위해 탭리드의 단면적을 증대할 필요가 있고 전위위치 변경에 의한 순환전류 저감 방안을 언급했다. 또 기존 권선의 레이아웃을 이용한 탭리드 Division 1개 적용 및 탭리드 결선방법 변경에 의한 순환전류 저감 방안을 제시했다.

박 부장은 제품 자체의 결함은 없지만 탭리드의 규격을 결정하는 과정에서 순환전류에 대한 영향분석이 미비하고 부하전류만 고려한 설계 등이 고장원인으로 지목됐다고 설명했다.

이를 방지하기 위해 박 부장은 순환전류를 근원적으로 저감시키는 대책은 운전중인 변압기에 적용하기에는 곤란하다며 과열을 방지하는 방법으로 탭리의 단면적을 증대시키는 방안을 선택해야 한다고 지적했다.

박 부장은 이를 위해 제작사가 설계 및 제작기준 변경시에 검증이 필요하고 운전경험 반영, 신기술 반영 등 중전기기 구매 기술규격을 보완해야 한다고 밝혔다.

▷원전 여자기 교체사례=선현규 한수원 원자력발전기술원 과장은 ‘원전 여자기 교체사례’ 발표를 통해 설비 장기운전에 따른 열화 및 부품 단종에 따른 설비신뢰성 저하, 최근 도입된 EX-2000 AVR 고장 빈발 및 설계 취약점 도출, 설비표준화로 정비 및 운전 기술력 제고 필요 등의 이유로 여자기를 교체하게 됐다고 그 추진 배경을 설명했다.

여자기는 발전기 회전자에 자속을 형성시켜 발전기 전압을 유지하는 역할을 하는 설비다. 하지만 발전소에 도입된 자동전압조정기에서 고장이 빈번하게 발생하고 있고 장기간 운전에 따른 열화와 일부 부품이 단종되어 안정운전에 영향을 주고 있다. 따라서 한수원은 향후 원전에 도입하거나 교체할 여자기를 신뢰성 있고 정비와 운전이 용이한 기종으로 확보하기 위해 여자기 교체를 추진했다.

이에 따라 한수원은 지난 2005년 3월 고리1호기의 발전기/IPB/여자시스템을 일괄 계약하고 정지형 여자시스템으로 교체했다. 또 지난해 10월에는 고리 2~4호기, 영광 1~4호기에 대해 두산중공업과 일괄 계약했다.

현재 한수원은 지난 3월부터 내년 12월까지를 목표로 이들 발전소의 회전형 여자시스템을 바꾸는 작업을 추진하고 있다.

신규 여자시스템의 제어기는 DE-DEX라는 시스템이 선택됐다. 이 시스템은 CPU 및 I/O를 3중화 방식을 채택했고 실시간 운영이 가능하다. 또 연산, 제어 및 보호기능을 수행하고 자기 진단기능 등을 갖추고 있다.

빈번한 고장이 발생하고 있는 EX-2000은 한수원을 비롯해 남부발전 등 6개 발전사에 67개 유니트가 각각 설치돼 있다. EX-2000은 N지금까지 한수원의 원자력발전소에서만 발전정지 5건을 포함해 총 37건의 고장 현황이 발생했다. 이중 12건이 케이블 접촉불량으로 가장 많고 10건이 통신불량으로 판명됐다.

선 과장에 따르면 EX-2000은 한수원의 분석결과 제어기는 2중화 되어 있지만 제어 및 보호신호를 송수신하는 허비카드가 단일설계로 되어 있어 병목구간이 존재하는 것으로 나타났다고 설명했다. 또 제어카드의 설치 환경이 제어카드와 전력소자가 동일한 캐비넷에 설치되어 있는 등 설치 환경이 부적절 한 것으로 확인됐다.

아울러 소프트웨어 관련 고장시 고장분석이 불가능하고 설계 및 설비운영 자료 비공개 등 운영상 문제점이 노출됐다.

이에 따라 한수원은 제어기 및 정류기를 전면 교체키로 결정했으며 MARK V와 연계하는 방안을 추진하고 있다.

▷발전기 비동기 운전시 문제점 검토=이상길 한전 전력연구원 수화력발전연구소 책임연구원은 ‘발전기 비동기 운전시 문제점 검토’를 통해 발전소에서 발생하고 있는 발전기의 각종 비동기 운전사례에 대한 검토와 비동기 운전이 발전기에 미치는 영향을 분석, 비동기 운전이 발생한 경우 설비 점검 포인트에 대한 내용을 발표했다.

이 책임연구원은 발전기가 비동기로 운전이 될 수 있는 경우를 차단기 개방지연, 계자상실, 정지중 차단기 투입, 비동기 병입, 동기 탈조로 구분하고 각 경우에 대한 현상을 설명했다.

이 책임연구원은 발전기 개방 지연의 발생원인은 차단기 고장과 차단기 제어회로 고장이 원인이라며 이럴 경우 발전기가 유도전동기로 운전되고 회전자 표면이 손상될 수 있으며 저압터빈까지도 손상된다고 설명했다.

이 책임연구원은 차단기가 개방이 지연될 경우 발전기의 회전자 표면, 회전자 웻지 등의 과열 유무를 살피고 회전자 절연물의 상태를 점검할 필요성이 있다고 충고했다. 또 저압터빈의 최종단 온도 상승기록 등을 점검해야 한다고 설명했다.

이 책임연구원은 또 계자 상실 요인으로 계자 회로단락, 사고로 인한 계자차단기 개방, 브러쉬 접촉불량, 슬립링 파손, 여자기 계통 교류전원 공급 상실 등을 언급했다.

이 책임연구원은 계자가 상실되면 발전기는 유도발전기로 운전돼 가속 현상이 발생하고 계통으로부터 무효전력을 흡수해 계통이 불안정해진다고 설명했다. 또 계자상실 즉시 차단이 되지 않으면 발전기가 손상을 입을 수 있다고 언급했다.

이 책임연구원은 계자가 상실되면 차단기가 개방되면 문제가 없지만 개방이 안되면 발전기와 변압기 등을 점검해야 한다고 충고했다.

▷풍력발전기 유도장해 대책 수립=최형주 중부발전 과장은 ‘풍력발전기 유도장해 대책 수립’ 발표를 통해 풍력발전기가 일반 배전선로에 연결될 때 발생할 수 있는 유도장해 현상을 분석하고 유도장해 방지를 위한 방안을 검토했다고 밝혔다.

최 과장은 풍력발전기는 단위 용량이 작아 적은 댓수가 설치될 경우 전용선로를 설치하는 것은 비용이 많이 소요되므로 경제성이 없다며 일반 수용가와 함께 사용하는 배전선로에 풍력발전기가 연결되었을 때 유도장해 원인과 대책을 발표했다.

최 과장은 1.5㎿급 풍력발전 2기가 비교적 단거리인 48㎞의 배전망 단말에 연계된 경우에서 전력선과 병행한 통신선 전 구간에서 통신잡음이 발생했다며 풍력발전기 인버터에서 40차수 고조파가 발생한 것이 원인으로 지목됐다고 설명했다.

최 과장은 인버터 스위칭 주파수는 발전기 냉각문제로 변경이 불가능하고 고조파 필터개선, 접지저항 감소, 누설전류 영향 차단 등으로는 통신잡음이 해소 안됐다며 취약한 구간의 통신선 여유심선을 양단접지해 임시 차폐효과를 시험한 결과 통신잡음 전압이 감소됐다고 설명했다.

이에 따라 최 과장은 전력선과 병행한 통신선 전구간을 차폐케이블로 교체가 필요하고 전용선로를 구성해 임피던스가 작은 계통에 연계해야 한다고 밝혔다.

최 과장은 분산전원 시설 확대로 유사 문제점 발생이 예상되고 있다며 건설시 근접시설에 대한 유도장애 영향에 대한 검토가 필요하다고 밝혔다.

▲2007년 발전설비 성능 및 효율관리 분야 기술교류회 주요 발표내용

▷고압전동기 가변장치 설치를 통한 에너지 절약=고지호 중부발전 과장은 제주기력 3호기의 통풍계통 가변속장치를 소개해 주목을 받았다.

기존 제주화력 기력3호기에는 1999년 제작된 압입통풍기와 유인통풍기가 각각 설치돼 있었다. 하지만 정속운전에 따른 소내전력량 소비 및 vane 손실이 발생했다. 또 최초 기동시 기동전류가 정격전류의 5~10배의 전류가 순간적으로 돌입해 전동기 절연성능이 저하됐다.

이에 따라 제주화력은 가변속 장치(인버터)를 설치해 vane 손실 발생을 없앴다. 또 기동전류 제한으로 전동기의 수명이 증가하게 됐다. 소내전력 절감과 기존 제어시스템과 연계를 통한 설비 신뢰도 제고 등이 필요했기 때문이다.

이에 따라 제주화력은 지난해 7월 제주기력 3호기의 ESCO 투자사업 기본계획을 확정하고 9월 공사착공에 들어가 올 1월 준공했다.

고 과장은 기력3호기의 가변속장치 시운전 결과 국내최초로 상용전원(Vane) 모드에서 VFD모드로 절체하는데 성공했다고 밝혔다.

고 과장은 인버터 설치전의 소비전력량이 18,407kWh에서 인버터를 적용한 결과 6,656kWh로 낮아졌다며 이에 따른 일일평균 절감 전력량이 11,458kWh로 나타나 평균 절감율이 62.2%에 달했다고 설명했다.

이에 따라 연간 4억3,000여만원의 소내 소비전력 감소에 따른 에너지절감을 기할 수 있고 연료절감에 따른 이산화탄소 배출 감축효과가 연간 2,872톤에 달해 환경친화성을 높였다고 설명했다.

특히 가변속장치 적용에 따른 신뢰도 검증으로 전 사업소로 확대할 수 있는 기반을 다졌다는 점에서 큰 의미를 지닌다고 밝혔다.

현재 제주화력은 내연 1호기의 탈황설비에 가변속장치 설치공사를 진행하고 있다. 또 내년에는 기력2호기 통풍계통에 가변속장치 설치공사를 실시한다는 방침이다.

▷OFA 댐퍼 Close 운전에 따른 효율향상=김성덕 남부발전 과장은 하동화력 1~6호기 탈질설비 설치가 완료되고 아역청탄 구매량 증가로 보일러 설비운용방법 개선의 필요성이 대두돼 OFA(Over Fire Air) 댐퍼의 Close 운전을 추진하게 됐다고 설명했다.

OFA란 NOX 저감 목적으로 연소온도를 낮추기 위해 주연소구역에서는 부족한 공기를 공급하고 노 상부로 추가 공기를 공급해 완전연소가 되도록 공급하는 에어를 말한다.

그동안 화력발전소에서는 탈질설비 설치에도 불구하고 NOX 저감이 목적인 OFA 댐퍼의 운전방법을 변경 검토없이 기존 방법으로 운전해 왔다.

현재 탈질설비는 석탄화력 32기를 비롯해 유류 및 기타발전소에 13기 등 총 45기가 설치돼 있다.

김 과장은 OFA 사용으로 주연소구역 공기공급 부족으로 주연소 영역의 온도가 낮아 연소시간이 길어져 미연탄소 증가의 원인이 되고 있다며 OFA 댐퍼를 Close 운전하는 방법으로 연소조건을 개선해 과잉공기량 및 미분기 운전조건을 변화시켜 보일러의 최적 효율 달성을 추진했다고 설명했다.

김 과장은 1,2차 시험결과 미연탄소분 4%이하 과잉공기율 15%로 조정한 5단계 시험에서 보일러 효율이 90.12%로 최대였다며 보일러 운전의 최적 조건을 확인했다고 설명했다.

▷석탄화력 클링커(clinker) 방지를 통한 설비신뢰도 제고=조영권 동서발전 과장은 당진화력에서 적용한 클링커 방지설비와 방안을 발표해 관심을 모았다.

당진화력 5·6호기에서는 최초점화 이후 그동안 총 8회의 대형 클링커가 발생해 4번의 발전정지를 초래했다.

특히 6호기의 경우 지난해 4월 발생한 대형 클링커로 인해 SDCC 출구가 대형 클링커로 막혀 바텀애쉬 처리가 불가능해 발전이 정지됐다. SDCC는 물속에 잠긴 상태에서 체인의 동력으로 바텀애쉬를 보일러 밖으로 이송하는 설비를 말한다.

또 같은 4월 대형클링커 5개가 발생, 이중 1개의 절반이 탈락해 SDCC가 낙하되고 열팽창으로 물과 파쇄 클링커가 분출돼 정지후 이를 제거했다.

이에 따라 당진화력은 탄종별 클링커 생성여부를 검토했으며 설계범위탄의 연소조정시험을 거쳐 클링커 발생 최소화 방안을 강구했다. 또 클링커 감시설비를 보강했으며 Peep Hole에 대한 일일 1회 주기적 청소로 클링커의 대형화를 방지했다. 아울러 클링커 부착 방지를 위해 Soot Blower Opening Hole에 Seal Air를 공급해 애쉬 퇴적에 의한 클링커 생성을 방지할 수 있도록 했다.

아울러 SDCC 처리능력을 소형으로 파쇠할 수 있도록 개선했고 도어 탈락에 의한 누수를 방지시켰다. 또 저융점탄 혼탄시 부착량 증가에 대비하기 위해 Soot Blower를 증설했다.

조영권 과장은 향후 클링커 정도가 높은 탄종 단계별 연소시험을 추진하고 첨가제를 주입할 방침이라고 밝혔다. 또 탄종별 최적 운전지침서를 작성, 발간할 예정이며 오는 2009년에는 최적 석탄 수급계획 수립 시행할 예정이라고 설명했다.

▷수입탄 혼소에 의한 이용률 향상=임봉천 동서발전 과장은 동해화력에서 적용한 수입탄 혼소 기술을 설명해 이목을 받았다.

동서발전 동해화력은 국내 무연탄 배정량 축소와 혼합 연소시 설비에 미치는 영향 분석, 출력 20만㎾ 이하에서 혼소시험 입증, 이용률 향상으로 전력거래 수익증대를 위해 이 사업을 추진해 왔다. 시험 탄종은 호주산 유연탄과 국내탄 혼합탄을 혼소했으며 총 4회차에 걸쳐 혼소율을 10%씩 상향하는 방법으로 지난 4월 18일 동안 혼소시험을 전개했다.

시험결과 무연탄을 전소에서 유연탄을 30% 혼소할 경우, 연간 114억원의 연료비를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 또 68%의 이용률을 85%까지 높일 수 있어 이에 따른 전력거래 수익 증대가 기대되고 있다.

특히 시험결과 출력 20만㎾에서 유연탄 혼소율을 30%까지 높여도 설비가 안정적으로 운영되는 것을 입증했다. 또 유연탄 탄종은 Rio-Tinto 또는 Xstrata가 최적의 입도 조건을 보이는 것으로 나타났다.

이에 따라 동서발전 동해화력은 유연탄 저탄장 인근부지에 사일로형 유연탄 저탄시설을 설치할 계획이다. 또 탄종 선정의 다각화로 가격 경쟁력 향상을 추진하고 관련 데이터를 구축할 방침이다.