대용량 발전기의 기술변천(일본편)

서론 발전기는 전력회사에 전기를 공급하는 회전 전기기계이고, 화력·원자력·수력발전 플랜트 산업과 함께 발달해왔다. 발전기의 종류로는 전력계통 주파수를 일정하게 유지하기 위한 동기기가 이용된다. 원동기의 기계에너지를 전기에너지로 변환하기 위해 회전자는 전자석(계자)이 되고, 고정자는 출력을 삼상교류로 낸다(전기자). 화력발전은 화석연료를 태운 열로 수증기·가스를 만들고, 이것으로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 만드는 발전시스템이다. 원자력발전은 우라늄의 핵분열 반응에너지를 이용해 수증기를 만들어, 증기터빈, 발전기를 돌려 발전한다. 수력발전은 하천, 호수, 저수지, 댐 등에서 물을 끌어 물의 위치에너지로 수차를 돌려 수차와 직결된 발전기로 발전한다. 각각 발전시스템에서 원동기의 특성을 보면 화력·원자력 발전기는 고속 원통형 회전기 구조이고, 수차발전기는 저속 돌극형 회전기 구조다. 또한 원자력용 터빈은 수증기 온도·압력이 화력기와 비교해 낮기 때문에 원자력기는 화력기 회전속도의 반이 된다. 발전기는 메이지시대(1868년∼1912년) 초기에 구미에서 수입기계가 들어와 실용화 되기 시작해, 다이쇼시대(1912년∼1926년) 동안 국산화가 시작됐다. 전시중의 기술 독립화로 구미에 크게 뒤졌지만, 전후에는 수입기술을 답습해 가면서 자주기술력을 익혀 지금은 일본에서 만들어 세계를 리드하는 특징 있는 기술도 많이 있다. 앞으로 이 확립된 위치를 유지하고, 더욱 발전시켜 약 100년 역사를 개관하고 전망하는 것은 의의가 깊다. 여기서는 터빈발전기 및 수차발전기에 대해 각각의 역사와 최근 기술동향을 살펴본다. 터빈발전기 터빈발전기는 고속회전기이기 때문에 회전자 지름은 축 재료 강도에 의해, 철심 길이는 진동에 의해 제약을 받는다. 단기용량의 증대는 이런 제약을 재료·진동기술과 냉각방식의 개량, 즉 전기장하, 자기장하를 늘려 가면서 발전해왔다. 바꿔 말하면 터빈발전기의 대용량화는 냉각기술의 진보라고 말해도 지나치지 않다. 1953년 냉각성능이 뛰어난 수소가스가 처음 사용되고 그 후 가스압 상승 및 1959년에 도입된 회전자 코일 직접 냉각의 적용으로 회전자 설계는 대폭 개량되어, 1965년 수냉각 고정자 코일이 도입된 후 대용량화는 비약적으로 발전했다. 1. 대용량화의 변천 일본에서 처음으로 영업용 화력발전소가 출현한 것은 1887년이며 본격적으로 전력용 터빈발전기가 제작된 것은 1917년, 4극 12.5MVA가 처음이다. 2극기의 최초 대형기는 1933년제 22.5MVA-3,600min-1이며, 이것은 당시 세계적인 기록품이었다. 공기냉각 터빈발전기 시대는 제2차 세계대전을 지나 1951년 전력회사의 재편성이 이루어진 뒤까지 이어진다. 수소가스가 냉각효과에 뛰어난 통풍마찰 저항이 적은 냉각매체 특징을 살려 1953년 최초 수소냉각기로 55MVA급 기계가 제작되었고, 1957년 처음으로 100MVA을 넘는 160MVA-3,000min-1이 제작되었다. 이것은 간접냉각방식을 이용하고 있다. 간접냉각방식은 절연물 외부에서 코일도체를 간접적으로 냉각하기 위한 것으로, 구조는 간단하지만 가스압을 상승시켜도 냉각효과 향상은 적었다. 그 뒤 회전자 코일을 직접 수소로 냉각하는 방식이 개발되어, 단기용량의 비약적 증대를 가능하게 했다. 일본 최초의 직접냉각기로써 1959년에 208.696 MVA3,600min-1이 제작되었다. 현재는 회전자 코일 직접냉각 방식이 일반적으로 이용되고 있다. 수소가스 압력은 도입 당시 4.9kPa로 그 후 상승하고, 현재는 520kPa까지 실용되고 있다. 기술개발이 더욱 진행하면서 1965년에는 고정자 수냉각 제1호기인 442 MVA-3,600min-1이 츄부전력(주) 치타화력 1호기로 완성됐다. 고정자 코일을 중공소선(中空素線)으로 구성하고, 전도도를 제어한 냉각수로 도체내부에서 직접 냉각하는 방식이다. 도체는 당초에는 중공소선만으로 구성되었으나 최근에는 중공소선과 중미수선을 조합해 냉각효과를 확보해 손실을 막는 설계가 일반적이다. 또, 도체에 인접한 퉁풍 덕트에 수소가스를 흘리는 직접냉각방식도 있다. 이같은 과정을 지나 고정자·회전자 직접냉각이 대용량기의 일반적인 냉각방식이 되고, 가스압이 더욱 증가되어 1973년 츄부전력(주) 치타화력 4호기에 800MVA-3,600min-1이 완성됐다. 2001년에 츄부전력(주) 헤키난화력 4호기에 1,120 MVA-3,600min-1이 완성, 2극단기로 일본 최대 용량기가 됐다. 이것은 세계 최대급이다. 원자력 4극 발전기는 저속기를 위한 2극기와 같이 같은 회전자축 재료의 크기로 용량 한계가 억제되지 않아 대용량기 제작은 비교적 간단하며, 1976년 간사이전력(주) 오이원자력 1호기에 1,300 MVA -1,800min-1이 완성됐다. 2. 터빈발전기 기술동향 (1) 다양한 요구와 냉각방식 이상으로 대용량화의 역사적인 변천을 알아봤다. 확실히 냉각기술 진보가 대용량화에 크게 기여한 것을 보여주고 있다. 최근에는 에너지를 둘러싼 환경이 변하고 플랜트 계획에서 폐기까지를 시야에 넣은 라이프사이클 비용을 고려하여, 원동기가 다양하고 2축 크로스컴파운드형과 다축의 컴바인드사이클형도 출현하여, 운용방법의 변화로 간소한 구조의 운전· 보수가 간이화하는 경향이 있다. 즉, 수직접냉각방식에서 수소냉각방식으로, 또는 수소냉각방식에서 공기냉각방식으로써 보조장치를 줄여 운전 및 보수의 간이화를 도모하고 있다. 또, 기설기에는 리허빌리테이션을 행해 장수명화·고성능화하는 경향이 있다. 발전기 구성부품 가운데 코일절연은 기동·정지나 부하변화의 영향을 직접 받아 열화하기 쉽기 때문에 코일교환으로 장수명화하고 출력증대, 고효율화도 도모한다. (2) 코일절연 고정자 코일절연은 고전압, 장척, 전기적·기계적 스트레스가 큰 등 냉엄한 사용조건하에 있다. 특히 고전압 절연재료로써 사용되기 위해 전기절연성·내열성·기계강도에 뛰어난 무기질 마이카를 접착제로 고정시킨 구성이다. 초기에는 천연재료인 아스팔트컴파운드[내열등급 120(E종)]를 이용하지만, 1960년대 이후는 합성수지인 폴리에스테르[내열등급 130(B종)], 이어서 에폭시[내열등급 155(F종)]가 적용된다. 고전압화에 따른 코로나 발생방지 대책으로 당초에는 아스베스트가 반도전성인 특징을 살려 사용됐는데, 환경을 배려해 1980년대 이후는 아스베스트 프리재인 SiC 코로나 방지 테이프와 페인트를 효과적으로 사용하고 있다. 또, 수소냉각발전기의 경우 기내 가스압력을 증가시켜 코로나 방지 효과도 크다. 수차발전기 1. 발전전용 수차발전기 세계의 수차발전기 역사는 상당히 오래됐고, 1878년 프랑스에서 시작됐다고 전해진다. 한편, 일본에서 첫 사업용 발전기는 1981년에 제작된 80kW 직류기로, 이 발전기는 비와호 소수를 이용한 간사이전력(주) 구 케아게발전소에 들여온 수입품이었다. 그 후, 이 발전소에는 총 19대가 설치되었고 그 중 8대째(1895년)에 설치, 운전된 15호기(60kW의 일반 동력용 전원)가 일본 제1호다. 자가용 발전기는 몇 년 더 거슬러 올라가기 때문에 기록이 확실하지 않다. 그 뒤 전력수요가 전쟁을 포함한 일본경제 상황에서 변화했지만, 대국적으로는 대폭으로 증가했기 때문에 발전기도 대수 증가하지 않고, 단기용량의 증대화가 이루어졌다. 그 가운데 앞서 말했듯이 쇼와시대 초기까지는 주로 해외에서 기술을 도입해왔고, 그 후에는 연구발전에 따른 국내 메이커의 자주기술로 사회 요구에 응답해왔다. 그 결과 일본은 제2차 세계대전 후에 신예화력이 도입되기 시작할 때까지의 전원구성은 오랜 기간 수주화종 위주였다. 그 사이 현저한 실적은 제2차 세계대전 전에 제작된 것으로 현재 북한과 중국 국경에 위치한 압록강의 수풍발전소에 내입된 1940년제로 당시 세계 최대 용량 100MVA 수차발전기 5대(안의 3대는 50/60Hz 양용기)다. 또한 제2차 세계대전 후에는 수요 증대에 따라 대규모 댐식발전소가 연달아 건설되고, 발전기도 기록적인 대용량기와 고속기가 개발·설계·제조되었다. 그 가운데 대표적인 기계로는 전원개발(주) 오쿠타다미발전소 내입의 133MVA-15.4kV(1959년제)가 있고, 오랫동안 최대용량기로써 위치하고 있다. 그 뒤 선진국에서는 수요 급증에 대응할 수 없는 대부분을 대용량의 화력·원자력에 의지하고 있지만 수자원이 풍부한 나라들은 현재도 수력발전을 중심으로 하는 나라도 있다. 세계 대하천에는 수백만kW를 넘는 수력발전소가 많고, 그 가운데 단기용량 700MVA 이상의 저속 대용량기가 10대 이상 설치되어 있는 발전소가 4개나 있다. 또, 현재 건설중(일부 가동중)인 중국·싼샤발전소에는 840MVA가 최종 32대 설치될(총 발전소 출력 : 2천만kW 초)예정이다. 2. 양수용 발전 전동기 앞서 말했듯이 최근 선진국에서는 급속도 및 다량의 전력수요에 대응할 수 없어, 대용량 화력·원자력 발전을 중심으로 한 화주수종이 되고 있다. 그러나 전력계통을 경제적으로 운용하기 위해서는 모든 전력설비의 10∼20%는 수력발전(양수발전을 포함한다)을 하는 것이 이상적이고, 최근에는 이것을 양수발전으로 보충하는 경향이 있다. 즉, 수력발전은 치수를 겸한 거의 무공해 발전방식이라는 특징 이외에 시동정지가 쉽고, 급격한 부하변동에 대응 가능하며, 보수가 쉽다는 등의 장점이 있기 때문이다. 세계적으로는 가역회전형의 양수발전이 1931년 이탈리아와 독일에서 처음으로 이용되고 있다. 일본에서는 1959년 시코쿠전력(주) 오모리가와발전소 14MVA가 이용된 이래 댐 및 발전소 건설 비용 저감을 위해 급속히 고속·대용량화 했다. 이 같은 배경에서 양수용 발전전동기 기술은 세계적으로 보면 일본이 견인하여 발전시켰다고 할 수 있다. 1969년에는 당시 세계 최대 용량 발전전동기인 간사이전력(주) 기센야마발전소 250MVA가 제작되어, 그 뒤에도 일본이 발전전동기 기술개발을 리드하고, 2005년에는 세계 최대기인 도쿄전력(주) 간나가와발전소 500MVA를 제작하고 있다. 또한 1980년대 후반에 일본에서는 전원구성을 차지하는 원자력 발전 비율이 높아지며, 부하를 조정 운전하는 화력발전소가 증가하고, 계통 주파수 조정(AFC) 용량을 확보하는 것이 어렵게 되어, 양수시에 수차 회전속도를 변화시켜 입력조정을 하는 새로운 기술이 개발됐다. 이 가변속 기술의 특징은 종래 직류여자 방식을 저주파 교류여자로 바꿔 계통과의 동기를 유지하면서 수차 회전속도를 어떤 일정한 범위내에서 자유롭게 변화시키는 것이다. 따라서 발전전동기의 회전자는 종래의 돌극형에서 고정자 권선과 같은 권선형이 되고, 여자하는 전압도 일반기의 수백V에서 수천V의 고전압이 된다. 즉 회전자에도 고전압 권선을 배치할 필요가 있고, 코렉터 장치와 회전자 권선·철심 구조가 통상의 돌극형과 크게 달라진다. 세계 최초의 가변속 양수발전 시스템은 1990년에 도쿄전력(주) 야기사와발전소 85MVA-13.8kV(이차전압 4.8kV)-130∼156min-1로 이용되고, 실용화했다. 그 후 현재까지 일본에는 총 7기가 가변속기로서 운용되고 있고, 현재 건설 중인 것도 포함해 일본뿐 아니라 세계(특히 구미)에서 앞으로도 가변속 발전전동기 건설이 계획되고 있다. 3. 수차발전기 기술동향 수차발전기는 당초의 직류기 수십 kW로 시작해 사회 요구와 함께 100년을 걸쳐 800MVA까지 대용량화해 왔다. 이것은 전술한 터빈발전기와 같은 고정자 코일절연 개발·개량에 의한 점이 크고, 더욱 고 스트레스화와 고온화와 함께 재료의 개발 및 코일 고정방식을 포함한 시스템으로써의 최적화가 요구된다. 앞에서 말했듯이 수차발전기는 주로 공기냉각방식이 이용되고 있다. 오늘날까지 대용량화와 함께 사용재료의 고성능화에 따른 전손실화, 해석기술의 향상, 통풍경로·풍량의 최적화를 실시해왔다. 결론 발전기 및 전동기의 약 100년 역사를 되돌아보고 최근 기술동향을 정리했다. 앞으로 점점 사회 요구가 다양해지는 가운데 특히 환경·에너지절약을 고려한 발전기(시스템)가 개발과제가 된다.