KR20070075971A

KR20070075971A - 냉매 기화열을 이용한 변압기 수냉각시스템

Info

Publication number: KR20070075971A
Application number: KR1020060004818A
Authority: KR
Inventors: 임성황
Original assignee: 임성황
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-07-24

Abstract

본 발명은 현재 수냉각방식을 채택하고 있는 변압기의 냉각시스템에서 냉각수 생산방식을 현재와 같이 냉각탑 뿐 만아니라 냉동사이클과 액체냉매 대기방출을 통하여 발생하는 기화열을 이용하여 냉수를 발생시키는 장치가 중첩 설치되도록 하여 냉수발생원의 다양화와 운전신뢰도를 높이는 변압기 수냉각시스템에 관한 것이다.

도심지의 전력을 공급하긴 위하여 변전소가 도시 한가운데에 건설됨에 따라 건물내 또는 지하에 건설되는 경우가 빈번히 발생한다. 이 경우 변압기에서 발생하는 열을 효과적으로 제거시키기 위하여 공랭식이나 풍냉식 대신 수냉식 냉각방식을 채택하고 있다. 현재까지 변압기의 수냉각시스템은 도1에서 도시한 바와 같이 냉각탑(13)에서 냉각수를 냉각시키는 것이 전부이다. 따라서 이 냉각탑에 고장이 발생하면 변압기 운전을 중단해야 하는 문제점과 도심지에 대형냉각탑을 설치해야 하는 부담과 냉각탑 운전에 의한 진동과 소음의 문제점이 발생하고 있다.

본 발명에서는 순환되는 냉각수를 냉각시키는 방법으로 냉각탑에 의한 방법 뿐만 아니라 냉동사이클과 액체냉매 대기방출을 통한 방법을 추가하여 이 3가지 방법을 조합하여 적용하도록 하였다. 특히 대기에 방출하여도 문제가 없는 액체질소, 액체공기 등과 같은 액체냉매(29)를 대기에 방출 하면서 발생하는 기화열을 이용하면 가동부가 없이 냉각수를 냉각시킬 수 있으므로 운전중 고장확률이 낮아진다. 액체냉매탱크(20)를 수조(12) 내부에 설치하여 액체냉매(29)의 냉열 손실을 줄이고 냉각설비의 실외노출을 감소시킬 수 있다. 또한 방열기가 존재하는 공랭식 또는 풍냉식 변압기에도 추가로 본 발명에 의한 수냉각시스템을 적용하면 냉각효과를 높일 수 있다.

변압기, 냉동사이클, 액체질소, 수냉각시스템, 냉각탑

Description

냉매 기화열을 이용한 변압기 수냉각시스템{omitted}

도 1은 기존의 수냉식 변압기 냉각시스템 설명도이다.

도 2는 액체냉매 냉수발생장치가 설치된 변압기 수냉각시스템 설명도이다.

도 3은 액체냉매와 냉동사이클에 의한 냉수발생장치가 설치된 변압기 수냉각시스템 설명도이다.

도 4는 액체냉매와 냉동사이클과 냉각탑에 의한 냉수발생장치가 설치된 변압기 수냉각시스템 설명도이다.

도 5는 수조열교환기 설명도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 : 변압기몸체 11 : 수냉식열교환기

12 : 수조 13 : 냉각탑

14 : 절연유순환펌프 15 : 냉각수순환펌프

16 : 수조냉각수유출관 17 : 열교환기냉각수유출관

18 : 냉각탑냉각수유출관 19 : 냉각수

20 : 액체냉매탱크 21 : 팽창밸브

22 : 액체냉매증발기 23 : 증발기체유출관

24 : 기체방출구 25 : 자연증발기체유출관

26 : 제어장치 27 : 온도센서

28 : 액체냉매주입구 29 : 액체냉매

30 : 증발기 31 : 팽창밸브

32 : 응축기 33 : 압축기

34 : 터빈 35 : 발전기(또는 기계장치)

41 : 수조유입밸브 42 : 냉각탑유입밸브

43 : 냉각탑유출밸브 51 : 수조열교환기

52 : 열교환관

도심지의 전력을 공급하기 위하여 변전소가 도시 한가운데에 건설됨에 따라 건물내 또는 지하에 건설되는 변압기의 경우 변압기에서 발생하는 열을 효과적으로 제거시키기 위하여 수냉각방식을 채택 하고 있다. 현재까지 변압기의 수냉각시스템은 도1에 도시한 바와 같이 냉각탑(13)에서 냉각수를 냉각시키는 것이 유일한 방법이다. 따라서 이 냉각탑에 고장이 발생하면 변압기 운전을 중단해야 하며 도심지에 대형 냉각탑을 설치해야 하고 냉각탑 운전에 의한 진동과 소음의 문제점를 해결해야 하는 등 많은 문제점이 발생하고 있다. 변압기에 있어서 수냉각시스템도 도입 초보단계이므로 순환되는 냉각수(19)를 냉각시키는 효율적인 방법이 정립되지 않은 상태이다.

본 발명은 변압기 수냉각시스템에서 순환하는 냉각수(19)를 냉각시키는 방법을 다양화 시키고 중첩되게 설치하여 변압기에서 발생하는 열 변화를 감지하여 설치된 냉각설비가 조합으로 가동되어 각 순간에 최소의 비용으로 냉각시스템이 운영되도록 한다. 그리고 혹시 발생 할 수 있는 하나의 냉각설비의 고장에도 다른 종류의 냉각설비가 작동하도록 하여 변압기 냉각시스템의 운전신뢰도를 높인다. 또한 대기에 방출하여도 문제가 되지 않는 액체질소, 액체공기 등의 액체냉매(29)를 대기에 방출하여 냉열을 얻는 방법도 적용한다. 그리고 액체냉매 냉열의 손실을 최소화시키는 방법을 강구한다.

도1은 기존의 수냉식 변압기 냉각시스템 설명도이다. 변압기몸체(10)에서 열이 발생하면 절연유에 열이 전달되고 절연유는 절연유순환펌프(14)에 의해 변압기몸체(10)와 수냉식열교환기(11) 사이를 순환하면서 열교환기 내부에 흐르는 냉각수에게 열을 전달하는 방법으로 냉각이 된다. 냉각수(19)는 냉각수순환펌프(15)에 의해 수조(12)내부에서 시작하여 수조냉각수유출관(16)을 타고 수냉식열교환기(11) 내부로 유입되며 열교환기냉각수유출관(17)을 통하여 수냉식열교환기(11)를 빠져나와 냉각탑(13)으로 보내지고 이 냉각탑에서 다시 냉각된 후 냉각탑냉각수유출관(18)을 통하여 수조(12)에 유입되어 냉각의 한 사이클을 마친다. 본 방식은 도심지에 대형 냉각탑(13)을 설치해야 하는 단점이 있고, 진동, 소음, 열발산, 겨울철 관의 동파 등의 문제점을 유발해 왔다.

도2는 액체냉매 냉수발생장치가 설치된 변압기 수냉각시스템 설명도이다. 본 발명에 따른 액체냉매(29) 냉수발생장치는 냉각탑(13)을 사용하지 않는다. 수조(12)내부에는 단열처리가 된 액체냉매탱크(20)를 설치하고 그 내부에는 액체냉매(29)를 액체냉매주입구(28)를 통하여 주입한다. 액체냉매탱크(20)는 냉각수(19) 내부에 완전히 잠기게 하여 액체냉매탱크(20)가 외부로도 냉각수(19)와 만 열교환하도록 하여 냉기의 상실을 최소화 한다. 팽창밸브(21)를 열었을 경우 액체냉매(29)가 별도의 동력 없이 중력에 의해 액체냉매증발기(22)로 유입되도록 액체냉매탱크(20)를 액체냉매증발기(22) 상부에 위치하도록 한다. 액체냉매(29)는 팽창밸브(21)를 통하여 액체냉매증발기(22) 내부로 흘러들어가서 냉각수(19)와 열교환하여 기화된다. 기화된 기체냉매는 증발기체 유출관(23)을 통하여 수조(12) 상부로 유출되고 최종적으로 관을 지나 기체방출구(24)를 통하여 대기로 방출된다. 액체냉매탱크(20) 내부로 침입한 열에 의해 기화한 기체냉매는 자연증발기체유출관(25)을 통하여 액체냉매증발기(22) 내부로 유입된다. 제어장치(26)는 온도센서(27)의 온도신호를 감지하여 팽창밸브(21)를 제어하여 수조(12) 내부의 냉각수(19)의 온도를 운전자의 의지에 따라 조절한다. 냉매주입구(28)는 비상시 액체냉매탱크(20) 내부에서 이상 고압이 발생시 안전밸브 역할을 하도록 설정된 압력 이상에서는 자동개방되는 구조로 만든다. 증발기체유출관(23)은 유출 기체냉매가 냉열을 냉각수(19)와 완전히 열절교환하도록 다중 U자관 형태로 만들 수 있다. 냉각수(19)는 냉각수순환펌프(15)에 의해 수조(12) 내부에서 시작하여 수조냉각수유출관(16)을 타고 수냉식열교환기(11) 내부로 유입되며 열교환기냉각수유출관(17)을 통하여 수냉식열교환기(11) 를 빠져나와 다시 수조(12)로 유입되어 냉각의 한 사이클을 마친다. 변압기와 열교환 원리는 도1에서 설명한 바와 같다.

도3은 액체냉매와 냉동사이클에 의한 냉수발생장치가 설치된 변압기 수냉각시스템 설명도이다. 도2에서 설명한 바에서 냉동사이클에 의한 냉수발생장치가 추가된 것이다. 증발기(30), 팽창밸브(31), 응축기(32), 압축기(33), 터빈(34), 다시 증발기(30) 순서로 관으로 연결된 냉동온도차발전사이클을 구성한다. 터빈(34) 축에는 발전기(또는 기계장치)(35)가 설치된다. 압축기(33)는 기체상태 냉매를 압축하고, 응축기(32)에서 압축된 냉매가 열을 발산하면서 액체가 되고, 액체상태의 냉매는 팽창밸브(31)를 통과하면서 기체상태로 변화를 일으키며 부피가 팽창하기 시작한다. 팽창밸브(31)를 빠져나온 냉매는 팽창밸브(31)와 연결된 증발기(30)에서 증발기(30)를 감싸고 있는 냉각수(19)로부터 기화열을 흡수하면서 기체가 된다. 증발기(30)를 지나온 기체는 터빈(34)을 회전시키고 압축기(33)로 들어가 압축되면서 냉동온도차발전사이클의 한 주기를 종료한다. 터빈(34)의 회전에 따라 그 축에 연결된 발전기(또는 기계장치)(35)에서는 전기 또는 물리에너지가 생산된다. 냉각효과를 높이기 위하여 증발기(30)는 냉각수(19)에 완전히 잠기고 넓은 외부면적을 갖도록 한다. 팽창밸브(31)도 팽창밸브(21)와 마찬가지로 제어장치(26)에 의해 제어되도록 한다(미도시). 나머지 변압기와 열교환 및 액체냉매 방출을 통한 냉수발생장치 기능은 도2에서 설명한 바와 같다.

도4는 액체냉매와 냉동사이클과 냉각탑에 의한 냉수발생장치가 설치된 변압기 수냉각시스템 설명도이다. 도3에서 설명한 바에서 냉각탑에 의한 냉수발생장치 가 추가된 것이다. 열교환기냉각수유출관(17)을 T분기하여 한 쪽 관은 수조유입밸브(41)를 통하여 수조(12)로 연결되도록 하고, 다른 한 쪽 관은 냉각탑유입밸브(42)를 통하여 냉각탑(13)으로 연결시킨다. 냉각탑냉각수유출관(18) 중간에 냉각탑유출밸브(43)를 설치하여 냉각탑을 사용하지 않을 경우 수조(12) 내부에서 발생되는 기체냉매의 유입을 차단한다. 수조유입밸브(41)와 냉각탑유입밸브(42) 조절을 통하여 수조(12) 내부 냉각수(19)의 냉각방식을 선택한다. 수조유입밸브(41)가 열리고 냉각할유입밸브(42)와 냉각탑유출밸브(43)가 닫힌 경우는 냉각수(19)가 도3에서 설명한 것과 같이 흐르고, 수조유입밸브(41)가 닫히고 냉각탑유입밸브(42)와 냉각탑유출별브(43)가 열린 경우는 냉각수(19)가 도1에서 설명한 것과 같이 흐른다. 나머지 작동원리는 도3에서 설명한 바와 같다.

도5는 수조열교환기 설명도이다. 도1,도2, 도3, 도4에서는 수조(12) 내부의 냉각수(19)가 전부 순환을 하지만 본 그림에서 보면 수냉식열교환기(11)와 수조(12) 사이를 순환하는 냉각수는 폐회로를 형성한다. 수조열교환기(51) 내부의 1차냉각수는 냉각수순환펌프(14)에 의해 수조냉각수유출관(16)을 지나 수냉식열교환기(11)로 유입되고 열교환기냉각수유출관(17)을 통하여 다시 수조열교환기(51) 내부로 유입된다. 변압기 열을 흡수한 수조열교환기(51) 내부의 1차냉각수는 수조(12) 내부에 설치된 다수의 열교환관(52) 내부를 흐르며 냉각수(19)와 열교환 한다. 수조(12)의 냉각수(19)를 냉각시키기 위한 냉각수 발생장치는 미도시 하였으나 앞서 제시한 냉각탑, 액체냉매, 냉동사이클에 의한 3가지 방법을 모두 적용할 수 있다.

도심지에 전력을 공급하는 변전소는 도심지에 건설되어야 하고 외관상 건물 내부 또는 지하에 건설되는 것이 상례이다. 이 경우 변압기 냉각이 문제이고 지금까지 수냉식열교환기(11), 수조(12), 냉각탑(13)을 이용한 수냉각시스템이 적용되어 왔지만 냉각탑(13) 배치공간 확보문제, 진동, 소음, 열발산, 겨울철 관의 동파 등의 문제점을 유발해 왔다. 본 발명에서는 강력한 냉각능력을 발휘하며 사용 시간과 장소를 달리하여 생산할 수 있는 액체냉매와 사용시간 전에 미리 가동하여 냉열을 축적시켜 놓을 수 있는 냉동사이클을 이용함으로써 위의 문제들을 해소시키고, 경제적이고 신뢰도 높은 변압기 운전을 가능하게 할 수 있다고 판단된다.

Claims

대기에 방출하여도 문제가 되지 않는 액체공기 또는 액체질소를 대기에 방출하면서 발생하는 기화열 또는 폐회로 냉동사이클 증발기(30)에서 발생하는 냉매의 기화열을 이용하여 수조(12)의 냉각수(19)를 냉각하고 이 냉각수(19)로 수냉식 열교환기(11)를 통하여 변압기몸체(10)의 열을 냉각시키는 방법.
수조(12)와; 수조(12) 내부의 냉각수(19)와; 수조(12) 외부 또는 내부 냉각수(19)에 잠기게 설치되는 액체냉매탱크(20)와; 액체냉매탱크(20)에 관으로 연결되는 수조(12) 안의 액체냉매증발기(22)와; 액체냉매탱크(20)와 액체냉매증발기(22) 사이관에 설치되는 팽창밸브(21)와; 액체냉매증발기(22) 끝에 설치되는 증발기체 유출관(23)과; 액체냉매탱크(20) 상부와 액체냉매증발기(22)를 연결하는 자연증발기체유출관(25)과; 냉각수 내부에 설치되는 온도센서(27)와; 온도센서(27) 신호로 팽창밸브(21)를 제어하는 제어장치(26)와; 액체냉매증발기(22) 상부에 연결되어 수조(12) 밖으로 연장된 파이프 끝에 설치되는 액체냉매주입구(28)와; 액체공기 또는 액체질소 중 하나인 액체냉매(29)와; 수조(21) 상부에서 인출된 파이프 끝에 설치되는 기체 방출구(24)와; 수조(12) 벽면에서 인출되고 수냉식열교환기(11)에 연결되는 수조냉각수유출관(16)과; 수냉식열교환기(11)에서 인출되고 수조(12) 벽면에 연결되는 열교환기냉각수유출관(17)과; 수조냉각수유출관(16) 일부에 설치되는 냉각수순환펌프(15)로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 변압기 수 냉각시스템.
제2항에 있어서, 수조(12)에 잠기도록 설치되는 증발기(30)와; 증발기(30), 팽창밸브(31), 응축기(32), 압축기(33), 터빈(34) 다시 증발기(30) 순서로 관으로 폐회로를 형성하는 냉동온도차발전사이클과; 터빈(34) 축에 연결되는 발전기(또는 기계장치)(35)로 구성되는 것을 특징으로 하는 냉매 기화열을 이용한 변압기 수냉각시스템.