원자력 발전소의 안전을 지키는 각종 보호장치와 그 부속설비들이 들어 있는 외부와 격리된 개별 격실에 설치되있는 기기 자체가 뿜어내는 열원으로 부터 상시 열전달 3 요소 즉,대류(convectio..

지혜로운 펌글 / 원자력 발전소 필수 냉방기 (Essential Chiller)

오늘은 원자력발전소 안전 운영을 위하여 수많은 격리된  기기실들의 내부 공기정화와 온도 습도를  최적 상태로 유지되도록 자동제어하는  필수냉방기(Essential Chiller)에 대해 복습해 봤읍니다.

 https://www.youtube.com/watch?v=QlKSGDgqGF0 

 이 필수 냉방기는 원자력발전소의 전력생산 공정에 직접 관여 하는 설비는 아닌 보조 설비인지라 간혹 현장 직접 종사원이외의 일반인들의 관심이 중요도에서 벗어나지만 현장 종사원들에게는 매우 중요한 설비로 다루고 있고 실상 그 역할이 매우 광범위 하다. 

 원자력 발전소의 안전을 지키는 각종 보호장치와 그 부속설비들이 들어 있는 외부와 격리된 개별 격실에 설치되있는 기기 자체가 뿜어내는 열원으로 부터  상시 열전달 3 요소 즉,대류(convection), 전도(conduction), 복사(radiation)에 의해 온도가 상승하거나 하강하므로  온도와 습도를 조절해 주는 장치가 없을 경우 일별, 계절별로 온도와 습도가 상승 하강 이력을 반복하므로 해서 이 환경 변화에 의한 기기에 축척되는 피로(fatigue)현상으로 인해  운영되는 중요 설비들에 좋지 않는 영향을 준다.

이러한 피로가 계속 축척되면 기기중 특히 전자부품들로 구성된 민감한 전자회로는 오동작을 해서 발전설비들에 심각한 피해를 일으키거나 수명이 현격이 줄어드는 피해가 생길수 있다. 

 https://www.youtube.com/watch?v=1U6Nzcv9Vws 

그러므로 특히 안전등급(Safety Class) 설비들이 영향을 받지 않도록 

그 설비들이 들어있는 실내의 온.습도 및 내부 공기정화 작용을 통해 실내 환경을 운전중에는 거의 일정하게 유지하도록 하여 발전소의  성능을 이상없이 발휘할 수 있도록 

발전소 설계시 실내 열발생 용량 계산치에 안전율을 추가한 용량을 보유한 제품으로 각각  100% 씩의 용량을 갖춘 냉방기 두대 이상을 발전소별로 갖추게 되어 있다. 

이 필수냉방기에서 각 주요 부서로 공급되는 냉열 전달 매체는 순수한 물(pure water)로써 의 증발기(evaporator) 내부에 설치된 열전달율이 좋은 배관 내부로 흐르고 이 배관 외부에는 열전달 면적을 넓히기 위한 얇은 주름들(fin)이 잔뜩 달린 구리합금관이라  냉매(보통 R-22)의 차거운 기체가 배관내의 를 냉각수에 냉온을 전달시켜 차겁게 한후 필요한 각부로 펌프를 이용해 송출하고 다시 회수하는 루프를 이룬다.

그러면 냉방이 필요한 각 장소의 근방에는 별도의 공기처리기(AHU : air handling unit)가 설치되 있어서 공기를 차겁게 하는데 공기처리기는 제작 형식이 다양하지만 대체적으로 송풍기가 달린 자동차의 레디에이터와 비슷한레디에이터를 수납하고 공기 입구측에는 여닫는 뎀퍼가 있고 그 직후에 공기 정화를 위한 에어필터(filter) 두개를 시리즈로 설치하여 흡입 공기에 내재한 먼지를  두번 정도  거른 후에 냉각수 레디에이터를 통해 공기를 냉각 시킨후 

냉각이 필요한 실내 상부까지 에어 덕트(air duct)를 연결해서 공급하고 한편으로 실내의 더워진 공기를 흡인 회수하는 에어 덕트도 있어 다시 air handling unit 로 되돌려 순환 시키는 기능을 담당하여 각 격리된 실내 공기를 냉각, 정화, 습도 조절  한다.

이렇게 냉방 수요가 있는 원자력 발전소의 각부 실내는 대체적으로 상호 영향을 주는걸 회피하여 안전성을 향상시킨 각각 별도의 방으로 격리 시킨 방들인데  예를 들면

1.주제어실 (main control room)
2.제어와 보호용 전자기판을 수납한 케비넷룸
3.전기 보호리레이실
4.무정전 인버터 전원실(uninterruptible inverter room)
5.비상배터리실
6.공학적안전계통 스위치기어실
7.전산실(main computer room)
8.원격 정지용 제어반실(remote shutdown control room)

등 위의 예 이외도  많은 격리된 실내의 주요 설비들이 있는데 현재  내가 근무하던 원전의 실제 자료를 전혀 가지고 있지 않아서 순전히 과거 기억을 들추어내고 구굴검색으로 숙제를 하다보니 이번 숙제의 전체적인 내용은 거의 실제내용을 포함하려고 노력했으나 명칭이 다르고 약간 빠진부분도 있음을 실토한다.

실제 여름철 가장 온도가 올라갈때에도 필수냉방기 한대로 만의 용량 약 70%정도로 전체 대상 부하에 대한 공기조화와 온도 조절이 필요한 수요를 담당할 수 있는 정도인 여유를 갖추고 있는데

 주기적으로  별도의 동일용량의 필수 냉방기 (redundancy backup unit)를 계획적으로 교체 투입 운영하어 설비의 운전성을 향상시키므로써 두대의 냉방기의 누적 운전 시간이 동일하게 되도록 운영하여  두기의 수명이 동일하게 되도록 운영하고 운전중인 냉방기가 고장 정지가 되는 비상시는 즉각 자동 또는 수동으로 백업 필수 냉방기가  교체투입 되도록 되어 있다. 

 https://www.youtube.com/watch?v=0rzQhSXVq60 

수많은 전자회로를 수납한 원자력 안전등급(Safety Class) 보호및 제어(protection,and control) 목적 설비들을 동작시키는 소위 두뇌에 해당되는 많은 전자회로기판으로 구성된 자동제어 담당설비인 DCS ( digital control system)과  PLC( programmable logic controller) 등을 수납한 약 백여개의( 발전소별 수량이 다름)케비냇 들이 수납된 방은 특별 출입 관리로 보안조처가 엄격하여 다른 기기실과는 완전 격리된 실내의 온도 습도및 공기정화를 담당하면서 

 또다른 격리된 실내인 중앙제어실에서 원자력발전 조종사들이 근무하는 곳인 중앙제어실은 수 많은 공정 물리변수(physical variables)인 온도, 압력, 유량, 액위, 전류, 전압, 화학물리량, 원자로 출력 지시계 등등의 변수들을 지시하는 수백개의 지시계, 기록계 컴퓨터 단말등 기기 조작 스위치들과 경보창들이 빼곡히 실장된 중앙제어실의 공기조화도 담당한다.

우스개 소리지만 이 필수 냉방기 설비는 실제 기기 장치들을 위한것으로 설치되있는데 이 설비가 작용하는 공간인 곳에서 근무하는 원자로 발전설비 조종사들과 운영직원들이 시원하고 깨끗한 공기가 게속 순환되는 곳에서 냉온방및 좋은 공기를 마시는 혜택을 받으며 근무한다고 하기도 한다.

 https://www.youtube.com/watch?v=BuLuQvxJTpQ 
 https://www.youtube.com/watch?v=pvJL70W6kyM 
 https://www.youtube.com/watch?v=ldG3OjdZqJw 

 그리고 자료 수집및 기록 관리용으로만(SCADA : supervisory control and data aquisition 에서 콘트롤작용은 하지 않는 발전소 주전산기) 작용하는 플란트 컴퓨터와 이 이들 전자 전기 설비들에 안정적인 안전등급(Safety Class)전원을 공급하는 바테리와 무정전 전원장치 인버터(uninterruptible power supply) 들이 설치되어 있는  인버터 실내 역시 필수 냉방기로 온습도 공기정화 작용이 된다. 

공기를 순환시키며 정화하고 온도와 습도를 기기 보호에 가장 적합한 상태로 맞추어야 하는 이유는 발전소 제어실내의  모든 전자회로와 설비들이 전력을 에너지원으로 사용하고 있는데 온도가 적정하게 유지 되지 않으면 오동작하거나 열화가 진행되어 수명이 줄어드므로 설계된 기능을 이상없이 발휘할 수 있도록  동작온도 범위를 정해 놓고 그 근방에서 상시 유지되도록 운전하는것이다.

그러면 이 필수냉방기의 구성요소는 어떤것이 있고 동작은 어떻게 하는가? 

기본적으로 일반적인 에어콘이 갖추고 있는 구성품들과  같은 기능의  아래 4 구성품을 아래 순서대로 차례로 연결하되 기밀이 유지되게 한 폐루프(clossed loop)로 제작되어 냉방부하를 담당한다.

 아래 4개의 구성품의 명칭은 일반 가정용 에어컨과 같으나 넓은 지역의 냉방과 공조를  위해 처리해야 할 열부하의 용량이 매우 크기 때문에 각각 부품들의 크기와 구조가 그 냉방부하의 용량에 맞게 제작되다 보니 일반적인 소형 에어컨의 부품들과는 상당히 다르다.

 기본 열역학회로 운영(refrigeration cycle operation) 은 소형 에어칸들과 동일한 동작을 하는 냉동 폐루프 회로로 되어있다.

 1.응축기(condenser)
2.압축기(compressor)
3.증발기(evaporater)
4.팽창밸브(expansion valve)

즉, 이 필수냉방기를 구성하는 응축기와 증발기는자동차나 일반가정용 에어컨에서 사용하는 레디에이터 형식의 열교환기가  아닌 내부에 관통하는 배관을 갖춘 수평으로 눕혀져 있는 길이가 약8미터 직경이 약 3미터 정도의 원통형 구조이고 

이 원통 내부에는 냉매(refrigirant) R-22 등과 같은 것들로 채워져 있으나 열교환기인 증발기와 응축기 내부를 관통하는 배관 내부에는 온도 전달용 냉각수인 순수한 물이 흐르는 구조로 되있다. 

이 필수 내방기의 기본 증발기, 압축펌프, 응축기,팽창밸브들로 구성된 첫번째  폐루프(first clossed loop)에  별도 2개의  폐루프를 올림픽 마크와 같이 세개의 별도 폐쇄 루프가 겹치게 조합하여 필수 냉방기를 제작한다.

여기서 별도의  2개 루프는 기본 루프의 응축기(condenser)를  관통하는 수십개의 구리합금 배관을 통해 내부 냉매 R-22와는 격리된 루프로서  냉방기가 운전중 거두어 들이는 응축기에(condenser) 축열된 열을 외부기인 냉각탑이나 또는 또다른 열교환기 쪽으로 별도의 순환 펌프를 사용해서 순환 냉각시키는 두번째 폐루프(2nd closed loop) 하나와  

 증발기(evaporater) 내부에 부식에 강한 구리합금배관을 통해 별도의 냉각수로 증발기의 낮은 온도를 받은 냉각수(chilled water)를  순환용 펌프로 냉각이 필요한 각 실내 근방에 설치한 공기처리기(AHU : air handling unit)로 보내 거기서 송풍기로 불어넣은 공기에 냉열을 전달한후 다시 증발기로 되돌아 와서 순환하는 세번째 폐루프(3rd closed loop)가 있다.

필수냉동기와 거의  동일한 구조로 제작된 냉방기들이  실생활에서 많이 사용되는데 그 장소는 대형상업용건물, 고층건물, 사무실건물, 공장, 병원등에서도 널리 사용한다. 

여기서 원자력발전소의 필수 내방기(essential chiller)는 상업용 대형 냉방기와 어떤 면에서 다른가 하면 구성된 모든 부품들이 법령에서 규제하는 요구조건을 만족하는 품질을 가진 부품들들로 제작되어 부품들이 출생에서 조립 완성된 이력을 추적할 수 있는 품질서류가 구비된 부품들로 조립제작되고 엄격한 조건 시험을 통과한것들이라  내구력과 안전도가 그만큼 뛰어나고 가격도 일반용에 비해 서너배 정도 고가인것이 다른점인데 실제 생긴 모양이나 운영하는 방법을 거의 동일하다고 보면된다. 그림참조

여기서 잠시 에어컨의 원리를 기계에 접목해 발명된 최초의 에어콘에 대해 간략히 서술하면  

1902년 미국 기술자 윌리스 케리어(Willis Carrier)가 세계 최초로 에어컨을 발명해서 공장 생산 환경 개선용으로 생산성과 품질관리를 위해 사용하였다

당시는 대당 가격이 워낙  비싸서 공장 이외는 일반화 되지 못했는데 

2차대전 이후 1950년도 이후부터 일반 대중 단체 생활 공간인 영화관, 백화점 같은 상업 건물등에 에어컨 시설들이 필수 항목으로 진출 하기 시작해서 

오늘날은  교통수단인 자동차 열차 선박등에도 모두 갖추어야 하는 가장 널리 사용되는 필수적으로 수요가 많은 생활 용품이 되었다.

따라서 대형 냉방설비(chiller)나 소형 에어컨으로 냉장고,냉동창고 등등 이 분야에 생산 제작, 운전, 검사, 고장수리, 부품제작등 이분야 업무에  종사해서 먹고 사는 인류가 그만큼 많다는 이야기임 ㅎㅎㅎ

한편, 대규모 생산시설인 발전소, 제철공장,석유화학공장, 반도체공장 등등  대단위 프로세쓰 공업지역에 시설되는  각종 기기도 최적 사용 온도와 습도 그리고 환기를 통한 공기의 청결을 유지해야 하는데 

우리나라의 특산품인 반도체를 생산하는 공장에서도 원자력 발전소용 필수 냉방기(essential chiller)의 공기조화 특성 못지 않은 엄격한 여건을 통과한 냉방기를 사용하여 먼지가 거의 없는 작업환경에 온도와 습도를 조절한 공장 환경을 유지해 정밀도가 높은 일관성있는 생산활동을 할것이란것이 유추된다.

다시 원자력 발전소의 필수 냉방기(essential chiller)로 돌아와서 각 부품의 사양을 들여다 보면

1. 원심펌프(Centurifugal pump) : 증발기에서 일을 하고 나온 저압 냉매를 원심력으로 압력을 높혀서 기체 밀도를 높혀 응축기로 보내는 능동 부품으로 a. 입구 가변 가이드베인(variable guide vane) : 펌프 입구로 들어오는 베인의 각도를 조정해서 입구의 넓이를 조정하여 냉매 가스의 양을 조절해서 부하추종제어 엑추에이터로 작용  b. 임펠러(Impeller): 원판 표면에 회전 날개를 수직으로 달아 펌프 중앙으로 냉매를 흡인하여 원주방향으로 냉매가스를 가속력을 부쳐 뿜어내는 펌프날개 c. 볼류트(volute) : 압력과 운동에너지로 온도가 높아진 가스를 출구쪽으로 유도하는 달팽이관같은 유도관
d. 펌프구동용 유도전동기(induction motor) : 정속도 모터인데 일반적으로 펌프의 회전 속도를 높히기 위해 모터 샤프트에 큰기어를 달고 펌프에 작은기어를 달아논 밀폐형 기어박스(gear box)를 이용해서 증속하고 있다. 근래 신형으로 개발되는것은 가변주파수구동회로(VFD : variable frequency driver)를 부가시켜 부하추종성을 원심펌프 입구의 가변베인 대신 모터 속도로 부하량을 제어하는 제품도 판매되고 있다.(구굴 자료참조)

2. 응축기(condenser) : 전형적인 원통형 열교환기로 내부에 관통하는 열교환용 배관을 다수 설치한 구조인데 입구에서 출구 까지 냉매흐름 방향을 배치하는 방식이 a.한방향인 한쪽으로 들어와서 다른쪽으로 나가는 방식 b. 들어와서 나가는 방향이 열교환기 한쪽 면을 사용하는 되돌아오는 U관 형식등이 있다

3.팽창밸브(Expansion valve) : 고온 액체 상태의 냉매를 밸브의 출구 구멍 크기를 조절해서 이동시키는 냉매의 압력은 낮추되 냉매의 속도를 높혀 기화열로 저온으로 변한 냉매개스를 생성해 증발기로 보내는 역할을 하는데 일반적인 소형 에어컨에서는  증발기 출구배관에 팽창식 액체가 들어있는 온도 센서를 달아 증발기 출구 온도에 따라 센서내부 압력의 변화를  온도센서와 일체형인 캐필러리 세관의  센서 반대쪽을 팽창밸브 상부의 다이아프람으로 연결시켜 팽창밸브의 개구부를 조절하는 방식인데 

대형인 필수냉방기의 팽창 밸브들은 일반적으로 증발기 출구 배관에 측온저항체나 저항온도센서를 달아 실제 온도값 신호를 받아 냉방기 자체에 제어박스에 실장된 자동제어용 PLC 내의 프로그램을 이용해서 온도 설정 목표치와 비교해서 차이가 나는 오차 신호를 증폭해서 밸브 구동기로 보내 구동기를 조작하여 발브 통과 냉매량을 조절하는 네가티브 피드백 콘트롤(negative feed back control) 방식이 일반적으로 사용된다.  

                                                                                                                                  
4. 증발기(evaporator) : 저압 기체상태로 들어온 냉매의 기화열 즉 차거운 온도를 순환냉각수에 전달하는 열교환기로 제작된 구조는 응축기(condenser)와 비슷하지만 운전중에는 항상 차거운 상태이므로 주변온도의 영향을 받아 차거운 온도가 손실되지 않도록 보온 재질로 두껍께 싸여있고 증발기를 통해 차가워진 냉각용 순환수를 이송하는 파이프들의 순환되는 경로 모두와 순환용 이송 펌프 모두 보온재로  두껍게 둘러싸서 냉기가 손실되는걸 최소화 한다.

5. 센서류(sensors)와 엑츄에이터(actuators) : 필수 냉방기는 운전 변수를 감시하고 제어 해야할 각부의 요소별로 센서가 여럿 달려 있는데 이들 센서류의 종류로는 a. 온도센서 b. 압력센서 c. 유량센서 d. 레벨센서(level sensor) e. 진동센서  f, 전류, 전압, 주파수, 전력량등 전기관련센, 차압센서(differential)들과  조작을 위한 엑츄에이터로 a. 가이드베인 엑추에이터, b. 팽창밸브 액추에이터 c. 냉각탑 공급수밸브, d.공기처리기 뎀퍼, 히터 스위치등등 …. 이 있고

6. 윤활유 설비 박스(lubrication system) : 유도전동기와 냉매 압축펌프 중간을 연결하는  중간 기어박스(gear box)와 압축기 입구 베인 콘트롤 기구등에 사용되는 윤활유 순환펌프및 윤활유 점도 유지용 히터들을 수납한 윤활장치가 있는데 물론 냉방회로 내의 냉매에는 윤활유가 필요없지만 움직임이 있는 가동부의 액추에이터들이 고장없이 순조로은 운전을 위해서는 윤활장치가 필요하다.
 https://www.youtube.com/watch?v=qxRHCbitLzI 

7. 공기처리기(air handling unit) : 이 설비는 중앙에 위치한 필수냉방기에서 냉열을 받아 온 냉각수를 레디에이터 같은 열전달판넬에 송풍기로 실내의 공기를 흡인 송풍하여 열교환을 한후 냉각이 필요한 실내로 차거운 공기를 에어 닥트(air duct)관로를 통해 보내고 또다른 공기회수 닥트를 통해 더워진 공기를 회수해서 다시 순환시키는 작용을 하는데

 부하조절은 입구측에 설치된 가변 루버의 각도를 조정해서 순환 에어의 양을 조절 실내 온도를 조절한다. 공기처리기(air handling unit)에는 보통 두개의 필터가 약간 간격을 두고 설치되 있는데 이 필터들의 전후로 공기압 차압계기가 달려있어 필터가 먼지로 오염되어 막히면 차압게기의 스위치가 닫겨 알람을 발할때나 또는 순회 점검하는 직원이 필터 막힘의 지시인 차압계를 보고 필터를 한개씩 떼내 교체하여 청결을 유지하여 정상운전이 되도록한다.

 한편 겨울철 같이 오히려 냉방보다 온방을 해야 할 필요가 있을 경우에는 air handling unit의 필터 이후의 냉각용 레이에이터에서 약간 뒤에 설치된 전기히터 코일에 전류를 흘려 열을 발생시키고 순환 공기의 온도를 올려 각부 실내로 보내 온도 유지를 한다.

8.  냉각탑과 냉각열교환설비(cooling tower, heat exchanger ) : 일반 산업 영업용 냉방기에서는 응축기로 회수된 열을 방출시키기 위해 실외에 냉각탑을 설치해서 냉각하는것이 보통이나 원자력 발전소에서는 응축기에서 온도를  낮추기 위한 또다른  열교환기를 설치해서 냉각을 시키고 순환시키는 작업을 한다.

이렇듯 쾌적하고 안정된 환경을 조성해 주는 기기인 필수 냉방기도 그 성능을 원자력 발전소의 핵 연료 교체 주기에 이르기 까지 연속으로 18개월간은 연속운전에 이상이 없어서 냉방기의 고장이 발전소의 정지로 확대되지 않도록 발전소 운영에 지장을 주지 않게 하려면 

일상점검을 철저히 하여 조금이라도 설계된 범위 외 변수 변화가 보이거나 나타나면 즉각적인 조치를 하여 정상화 시켜야 하며 한번 정비를 마치면  장기 연속사용에 이상이 없도록  함과 동시에 각각의 폐루트의  운전 효율과 성능을 저하시키는 각종 필터에 끼인 오물로 인한 장애는 수시로 필터를 교체하는등 하여 효율 높은 운전을 하도록 관리해야 하면서

발전소 정기 오버호울(Overhaul)시에는 18개월 연속사용을 위한 내용연수가 정해져 있는 교체 부품들은 육안과 그동안 사용실적으로 이상이 없어 보여도  과감히  폐기하고 신품으로 교체해서 다음 연속 18개월 사용에 이상이 발생하지 않도록 조처해야한다.

최종적인 원전 운영은 결국 이를 운영하는 종사원들의 일상업무에 달려있다.

 종사원들이 모두 합심 협력하여  컴퓨터내에 프로그램과 데이터로 저장되고 수정관리되고 있는  운영과 정비 기술 절차서와 부품 재고 관리 절차서를 현실에 맞게 자주 수정보환하면서 개선 운영하여 세월이 흐름에 따라 변화하는 운영 환경을 최적으로 적합화 시키므로써  생산원가를 최소로하되 안전하고 품질 좋은 전력생산에 만전을 기하여햐 한다.