발전기는 수천 암페어의 전류를 생성하는 고전력 장치로, 내부에서 다량의 열이 발생합니다. 특히 고정자는 회전자와 달리 정지된 상태이므로 자연적인 열 해소가 어렵습니다. 이에 따라 별도의 냉각 시스템을 구성해야 합니다.
냉각 방식의 필요성과 매체 선택
발전소에서 발전기 회전자는 수소가스를 냉매로 활용하여 열을 제거하지만, 고정자는 열전달 효율이 높은 액체 냉매를 사용합니다. 이 중에서도 탈이온수가 가장 널리 채택됩니다.
고정자 냉각수 계통 구성과 주요 흐름
고정자 냉각수계통은 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있습니다. 주요 순환 루프는 다음과 같습니다.
탈이온수는 열교환기에서 1차 냉각수와 열을 교환하며 냉각됩니다. 이후 순환펌프를 통해 냉각된 탈이온수가 발전기 고정자 코일 내부로 공급됩니다. 고정자를 통과한 후 가열된 탈이온수는 다시 열교환기로 유입되어 냉각됩니다. 이와 같은 순환 구조는 일정한 온도를 유지하고, 고정자에서 발생하는 열을 안정적으로 외부로 방출하기 위한 것입니다.
냉각수 분배 및 회수
① 유량 및 압력 조정
감압밸브를 통해 냉각수 압력은 약 3.3kg/cm²로 낮춰지고, 시간당 약 53m³의 냉각수가 고정자 및 여자기(정류기)로 공급됩니다.
이 중 90% 이상이 고정자와 여자기로 직접 공급되며, 나머지 10%는 재처리 회로로 우회합니다.
② 재처리 루프
우회된 냉각수는 여과기(Filter-2), 이온교환장치(Deionizer), 스트레이너(Strainer)를 통과한 후 저장조로 되돌아갑니다.
이 루프는 냉각수의 전기전도도(Conductivity)를 0.5 μS/cm 이하로 유지하기 위한 장치입니다.
고정자 내부 냉각 방식
냉각수는 분배기에서 갈라진 42개의 분지 관로를 따라 고정자 상단 권선부로 공급됩니다.
상부로 유입된 냉각수는 특수 절연 재질로 제작된 배관을 통해 도입되어, 클립 구조물을 지나 권선 내부를 흐르며 열을 흡수합니다.
냉각수는 상부를 통과한 뒤 하부 권선으로 이어지며, 발전기 입구에서 출구까지 전 구간을 순환한 후 하부 집수기로 모입니다.
이와 같은 경로를 거치며 냉각수의 온도는 대략 60도까지 상승하게 됩니다.
온도 변화와 구조 안정성 관리
냉각수가 50도 이상으로 과열되면 이온교환수지의 열화가 발생할 수 있어, 이를 방지하기 위해 정밀 온도조절 밸브가 냉각 회로에 설치됩니다.
이 밸브는 공기식 제어장치를 통해 작동되며, 자동제어가 불가능한 상황에서는 수동 밸브로 조작할 수 있도록 이중 설계되어 있습니다.
반대로, 냉각수 온도가 40도 이하로 떨어질 경우 반복적인 팽창과 수축에 의한 기계적 피로가 누적될 수 있으므로, 하한 온도 제한도 함께 적용됩니다.
탈이온수의 관리와 특성
탈이온수는 전기적으로 중성에 가까우며, 금속 이온이나 기타 불순물이 제거된 상태입니다. 이는 발전기 내부의 절연 특성을 유지하고, 부식이나 스케일 형성을 방지하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
또한, 고압 상태로 운전되기 때문에 기포 발생을 방지하고, 냉각 효율을 극대화할 수 있습니다. 정기적인 전기전도도 측정, 필터링, 화학적 처리 등을 통해 순도를 유지합니다.
발전기 고정자 냉각수계통은 고출력 발전기에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하는 핵심 설비입니다. 특히 탈이온수의 순도 유지와 냉각 계통의 연속 운전이 절연 성능과 발전기 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.
따라서, 정기적인 유지보수와 수질 관리, 계측기기 점검이 반드시 필요하며, 예측정비 체계를 통해 고장을 사전에 예방하는 것이 중요합니다.