터빈 급수 계통 및 급수 펌프

발전소에 들어가는 증기터빈의 급수계통의 구조, 펌프 종류, 유체커플링 원리까지 알아보도록 하겠습니다. 

 

터빈 급수계통이란 무엇인가요?

화력발전소의 심장이라 할 수 있는 급수계통은 보일러에 안정적으로 물을 공급하는 핵심 설비입니다. 그중에서도 터빈 구동 급수펌프는 증기를 이용해 회전하는 터빈으로부터 직접 동력을 공급받아 고압의 물을 보일러에 주입하는 방식입니다. 이 과정은 단순히 물을 옮기는 것 이상의 정밀한 제어와 신뢰성이 요구됩니다.

 

주급수펌프의 종류와 역할

대형 발전소에서는 일반적으로 두 종류의 급수펌프가 사용됩니다. 첫 번째는 터빈을 동력원으로 하는 주급수펌프이며, 두 번째는 전기를 이용한 전동기식 급수펌프입니다. 대부분의 시간 동안에는 터빈 구동 방식이 주력으로 사용되며, 전동기식은 예비용 혹은 기동용으로 활용됩니다. 설비가 정지된 상태에서 보일러를 처음 작동시킬 때는 증기가 존재하지 않기 때문에 전동기식 펌프가 급수를 담당하게 됩니다.

 

병렬 운전과 용량 설정의 중요성

터빈식 급수펌프는 두 대가 병렬로 구성되어 운영되는 경우가 많습니다. 각각의 펌프는 정격 용량의 약 55%를 처리하도록 설정되어 있어, 두 대를 동시에 운전할 경우 전체적으로 110%의 급수 용량을 커버하게 됩니다. 이는 한 대가 일시적으로 고장 날 경우, 다른 펌프가 보조할 수 있는 여유를 확보하기 위한 조치입니다.

 

전동기식 급수펌프의 설계 특성

예비 설비로 배치된 전동기식 펌프는 터빈식에 비해 유량이 적은 것이 일반적입니다. 그러나 전동기의 출력은 발전소 내 주요 설비 중 가장 높은 수준으로 설정됩니다. 4극 유도전동기를 기반으로 약 5.1메가와트 급 출력을 가지며, 이는 송풍기나 기타 회전기기보다도 높은 전력 소비를 의미합니다.

 

유체커플링과 회전속도 조절 기술

전동기식 급수펌프는 유체커플링이라는 장치를 통해 주펌프의 회전속도를 간접적으로 제어합니다. 유체커플링은 작동유의 양을 조절하여 출력 회전수를 조정하는 원리입니다. 입력축과 출력축 사이에 위치한 작동유의 흐름은 Scoop Tube라는 관을 통해 조절되며, 유량이 많아질수록 회전속도는 상승하게 됩니다. 이 장치는 정교한 유량 제어와 함께 전동기의 부하를 실시간으로 조절해 에너지 낭비를 줄여줍니다.

 

급수 압력의 정밀 제어 방식

두 종류의 펌프가 병렬로 운전될 때는 각 펌프의 토출압력이 서로 간섭을 일으킬 수 있습니다. 특히 전동기식의 경우 터빈식보다 용량이 작기 때문에 간섭 현상이 더욱 두드러지며, 이로 인해 유량이 저하될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 전동기식은 단독 운전 시보다 높은 압력으로 설정되어 작동됩니다. 유체커플링은 물론이고, 펌프 토출부에 설치된 조절밸브를 통해 세밀한 제어가 이루어집니다.

 

균형 시스템을 통한 추력 제어

고압으로 작동하는 급수펌프에서는 회전체에서 발생하는 축방향 추력이 문제될 수 있습니다. 이를 상쇄하기 위한 장치로는 균형원판이 사용되며, 중간실과 균형실 사이의 압력차를 이용해 회전체의 위치를 안정적으로 유지합니다. 축방향 간극을 통해 압력 차이가 발생하고, 이에 따른 균형수가 흐르면서 회전축의 변동을 상쇄합니다. 이 방식은 급변하는 부하 상황에서도 설비 안정성을 유지하는 데 기여합니다.

 

효율적인 에너지 관리의 핵심

과거에는 급수 유량을 단순히 출구 밸브 조절로만 제어했기 때문에, 항상 정격 동력을 소비하는 비효율적인 방식이었습니다. 그러나 현대 급수계통은 회전속도 제어와 유체커플링을 기반으로 필요한 유량만큼만 동력을 소모하는 고효율 방식으로 발전하였습니다. 결과적으로 전동기에는 필요한 만큼만 부하가 전달되며, 전체 설비의 에너지 소비를 줄이는 데 기여하고 있습니다.

터빈 급수계통은 보일러에 안정적인 급수를 유지하기 위한 복합적 기술이 집약된 설비입니다. 터빈식과 전동기식의 조합은 고장 시 리스크를 줄이고, 다양한 운전 조건에 유연하게 대응할 수 있도록 설계되어 있습니다. 특히 유체커플링과 회전속도 제어 기술의 도입은 에너지 절감과 설비 수명을 동시에 향상시키는 핵심 요소라 할 수 있습니다.