KR20090018739A - 발전기 고정자 냉각수 계통 누출 수소가스의 감시 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소 핵심설비 중의 하나인 발전기에서 회전자 냉각용으로 사용되는 수소가스가 고정자 냉각수 계통으로 누출되는 것을 감시하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 발전기 고정자 냉각수 계통에서 부식에 의한 핀홀이나, 연결부위가 느슨해져 틈새가 생기게 되면 이곳을 통하여 누출되는 수소가스를 전기화학적인 수소센서로 조기에 검출하는 방법에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 대용량 발전기 냉각수 계통으로 누출되는 수소가스를 검출하는데 있어서, 냉각수 중의 수소가스를 냉각수로부터 분리하는 단계. 분리한 수소가스를 전기화학적인 수소가스 센서로 검출하는 단계, 수소가스 센서로부터 전류신호를 받아 이를 가스농도로 변환하여 표시하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

발전기, 수소, 누출감시, 고정자, 냉각수

Description

발전기 고정자 냉각수 계통 누출 수소가스 감시 방법 및 장치 {A method and apparatus for monitoring hydrogen leakage into the generator stator cooling water system}

본 발명은 발전소 핵심설비 중의 하나인 발전기에서 회전자 냉각용으로 사용되는 수소가스가 고정자 냉각수 계통으로 누출되는 것을 감시하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 발전기 고정자 냉각수 계통에서 부식에 의한 핀홀이나, 연결부위가 느슨해져 틈새가 생기게 되면 이곳을 통하여 누출되는 수소가스를 전기화학적인 수소센서로 조기에 검출하는 방법에 관한 것이다.

대용량 발전기에서 회전자 코일에서 발생하는 열을 제거하여 절연재의 열화를 억제하기 위하여 수소가스가 사용되고 있다. 수소가스는 밀도가 작아 풍손(회전체가 회전할 때 주위의 가스상 물질과의 마찰에 의해서 생기는 손실)이 적고, 비열과 열전도도가 높아 고속으로 회전하는 회전자 코일에서 발생하는 열을 제거하는데 적합한 특성을 가지고 있는 가스이다.

발전기에서 회전자와 고정자는 같은 공간 내에 위치하고 있어, 고정자 코일 을 냉각하는 목적에 사용되는 냉각수 계통에 부식으로 인한 핀홀이나, 연결부위가 느슨해져 틈새가 생기면 이곳을 통하여 수소가스가 고정자 냉각수 계통으로 누출될 수 있다.

수소가스는 폭발범위가 넓고, 폭발등급 및 발화등급이 낮기 때문에 폭발위험성이 큰 가스로 고정 냉각수 계통으로 수소가스가 누출되면 발전소 건물 내에 정체되어 있다가 폭발을 일으킬 수 있다. 또한, 수소누출 부위를 통하여 냉각수가 발전기 내부로 유입되면 절연이 저하하여 단락사고를 일으킬 수 있으며, 고정자 냉각수 탱크 상부가 수소가스로 채워지면 냉각수가 공기와 접촉할 수 없기 때문에 냉각수 중의 용존산소가 낮아져 고정자 냉각계통의 부식이 촉진되어 생성된 부식생성물이 냉각수의 흐름을 방해하기도 한다.

그러므로 대용량 발전기의 고정자 냉각계통에서 수소가스의 누출 여부를 상시 감시할 필요가 있다.

현재 발전기 고정자 냉각계통으로 누출되는 수소가스 감시에 사용되는 방법은 발전기 고정자 냉각계통의 냉각수 탱크의 하부로부터 일정량의 공기를 불어 넣어 냉각수 중의 수소가스를 추출하여 주입공기와 함께 배출되는 수소가스를 열전도도법에 의하여 검출하는 방법이다(미국 GE 사 개발). 이 방법은 누출되는 수소가스 량에 따라서 주입되는 공기량을 조절하지 않으면 안된다. 즉 누출되는 수소가스 량에 비하여 주입공기량이 너무 적으면 수소가스 농도가 너무 높아 센서의 측정범위를 벋어나게 되고, 주입공기량이 너무 많으면 수소가스 농도가 희박해지기 때문에 검출이 어렵게 된다. 또한, 주입되는 공기의 유량과 수소가스 검출 센서의 유량을 정밀하게 조절하여야 하기 때문에 운영유지가 어렵다는 단점이 있다.

종래기술의 문헌 정보

[문헌1] SLMS(Stator leackage monitoring system), GE 사, USA

본 발명은 대용량 발전기에서 냉각용으로 사용되는 수소가스가 고정자 냉각수 계통으로 누출되는 것을 감시하여 누출 수소가스에 의한 폭발사고를 예방하고, 냉각수가 발전기 내로 유입되어 절연을 저하시키는 것을 방지하는 한편, 발전기 고정자 냉각계통의 부식을 억제하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 대용량 발전기 고정자 냉각수 계통으로 누출되는 수소가스를 검출하는데 있어서, 냉각수 중에 용존상태로 존재하는 누출 수소가스를 가스 선택성 분리막을 이용하여 분리하는 단계, 분리된 수소가스를 전기화학적인 수소가스 센서로 검출하는 단계, 수소가스 센서로부터 전류신호를 받아 이를 가스농도로 변환하여 표시하는 단계, 수소가스 농도가 일정치를 초과하면 경보를 발령하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 대용량 발전기 고정자 냉각수 계통으로 누출되는 수소가스를 검출하는 방법으로 장치의 설치 및 운영이 간편할 뿐만 아니라 검출감도가 높아 발전기 고정자 냉각수 계통으로 누출되는 수소가스를 높은 감도로 감시하여 수소가스 누출에 의한 사고를 예방하고, 냉각수가 발전기 내로 유입되어 절연이 저하되거나, 누 출수소에 의하여 냉각수 중의 산소농도가 저하되어 부식이 촉진되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 발전기 고정자 냉각수 계통으로 누출되는 수소가스를 감시하는 장치의 구성도로서, 유량조절 발브(1)를 열어 발전기 고정자 냉각수의 일부가 유량계(2)에 200∼250㎖/min이 흐르도록 한다. 고정자 냉각수는 가스분리부(3)의 하부로 들어가 가스분리막(4)을 지나 계통으로 되돌아간다. 고정자 냉각수 중의 수소가스는 선택성 가스분리막을 통과하여 반대편의 공간에 모이게 된다. 공간에 모인 수소가스는 전기화학적인 수소가스 센서(5)에 의해서 검출된다. 수소가스 센서로부터 전류신호가 콘트롤러(6)로 보내져 전류 크기에 따라 가스농도로 변환되어 표시창에 나타난다. 콘트롤러에서는 데이터를 직접 저장하거나, 신호를 기록계(7)에 전송하여 기록, 저장하고, 수소농도가 일정치를 초과하면 경보를 발령한다.

냉각수 중의 수소가스를 분리하는 데 사용되는 가스 선택성 분리막으로는 테프론 계통의 막이 사용된다. 측정농도 범위에 따라 막의 종류와 두께를 적절히 선택할 필요가 있다. 분리된 수소가스의 검출에 사용되는 전기화학적 수소가스 센서는 양극(작용전극)과 음극(대극)의 두 전극으로 이루어져 있는 2전극형이나, 두 전극 사이에 비교전극이 있어 양극의 전위가 일정하게 유지되도록 하는 3전극 형이 사용될 수 있다. 두 형의 수소가스 센서에서 수소가스는 양극에서 산화되어 수소이 온(H⁺)으로 되면서 2개의 전자를 방출하고, 동시에 음극(대극)에서 공기구멍을 통하여 들어온 산소가 외부회로를 통하여 양극으로부터 이동해온 전자를 받아 환원반응에 의해서 수산이온(OH^-)으로 된다. 양극에서 생성된 수소이온과 수산이온이 반응하여 물로 된다.

H₂ 2H⁺ + 2e^-

(1)

2e^- + 1/2O₂ +H₂O 2OH^- (2)

2H⁺ + 2OH^- 2H₂O

(3)

이 때 이부회로를 통하여 흐르는 전류는 수소농도에 비례하므로 전류를 측정함으로서 수소농도를 알 수 있다.

본 발명의 발전기 고정자 냉각계통의 누출수소 감시 방법의 성능을 알아보기 위하여 도2와 같은 시험장치를 제작하여 시험하였다. 용량 5ℓ의 수조(1)에 물을 채운 다음, 가스주입 발브(4)와 유량조절 발브(11)를 연 다음 순환펌프(5)를 가동하여 유량이 250㎖/min으로 순환되도록 한다. 콘트롤러(9)의 지시창에 지시치가 안 정적으로 "0"을 나타내는지 확인한다. 지시치가 안정적으로 "0"을 나타내면 순환 펌프 가동을 중지한다. 주사기(3)에 고순도 수소가스 5㎖(수소농도 : 1,000ppm)를 정확하게 취하고, 가스주입 발브(4)를 열어 수소가스를 주입한다. 순환펌프를 가동하여 물을 순환시키면서 가스농도의 변화를 기록하였다. 그 결과를 도3에 나타내었다. 수소가스 주입 후 3분이 경과하면서 농도가 증가하기 시작하여 4시간 30분 후 1,020ppm에 도달하여 일정하게 유지되었다. 최대농도에 도달하는데 시간이 많이 소요된 것은 주입한 수소가스가 물에 완전히 용해되어 평형상태로 되는데에는 많은 시간이 걸리기 때문이다. 그러나 수소가스가 용해되어 평형상태를 이루고 있는 상태에서는 이와 같은 시간지체는 나타나지 않게 된다.

도 1은 발전기 고정자 냉각계통 누출수소가스 감시장치의 구성도.

도 2는 발전기 고정자 냉각계통 누출수소 감시방법의 성능시험 장치의 구성도.

도 3은 발전기 고정자 냉각계통 누출수소 감시방법의 성능시험 결과.

Claims (4)

1. 대용량 발전기 고정자 냉각계통으로 누출되는 수소가스를 감시하는 장치에 있어서,

   발전기 고정자 냉각수로부터 수소가스를 분리하는 단계,

   분리돤 수소가스를 전기화학적인 수소가스 센서를 사용하여 검출하는 단계,

   수소가스 센서로부터 신호를 받아 가스 농도로 변환하고, 표시하는 단계,

   수소농도가 일정치를 초과하면 경보를 발령하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉각수 발전기 고정자 냉각계통 누출 수소 감시 방법 및 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가스검출부는

   시료수로부터 수소가스를 분리하는 선택성 가스분리막,

   분리된 수소가스의 농도를 검출하는 수소가스 센서로 이루어진 발전기 고정자 냉각계통 누출수소 감시 장치
3. 제2항에 있어서, 상기 센서(5)는 전기화학적 수소센서인 것을 특징으로 하는 발전기 고정자 냉각계통 누출수소 감시 장치
4. 제1항에 있어서, 상기 콘트롤러(6)는 수소가스 농도가 기준치를 초과하면 경보를 발령하거나, 신호를 기록계(7)에 전송하여 기록, 저장하는 것을 특징으로 하는 발전기 고정자 냉각계통 누출수소 감시 장치

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