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개요일본의 상용발전은 1880년대경, 왕복증기기관 구동발전설비에서 시작하여 조명용 전력공급을 주로 담당해 왔다. 그 후 동력원으로 전기이용이 이루어져 수요가 급격하게 증가하자 소수력 전원개발이 진행되었지만, 여전히 주 전원(電源) 공급책으로는 화력 건설이 대규모로 진행되었다. 한편 장거리·고압 송전기술의 진보로 대규모 수력발전도 가능해져 산업기반으로써 전력의 지위를 확립하였다. 당시 화력·수력발전설비의 대부분은 수입, 해외 제조업체와 기술 제휴하여 기술을 습득할 수밖에 없었다. 수입기기와 도입기술에 의해 수력은 눈부신 발전을 이뤄냈지만, 화력은 처음부터 수입에 의존하였다. 1908년에 와서야 겨우 일본 최대 터빈발전기 1호 625kVA기가 제작되어 일본의 최초 증기터빈으로 구동되었다.한편, 발전기는 주요 재료의 입수난으로 인해 고속·대용량화가 진전되는데에 어려움이 있었지만, 수입기에 대한 과도한 의존으로 발생한 채무초과와 국제정세 악화에 의한 수입중지 등이 원인이 되어 일본에서도 발전기를 국산화하려는 노력이 가속, 결국 전전(戰前)에 대량 생산에 있어서 세계 톱클래스를 차지하게 되었다. 하지만 제2차 세계대전 전부터 기술적 고립으로기술기반 취약, 재료 입수난, 과혹한 운전 등과 같은 문제가 산적하자, 넘쳐나는 수요에 축적기술로 대응했지만, 기술의 ‘공백시대’는 전후까지 계속되었다.1946년경부터는 전후부흥에 의해 수급은 넘쳐나는데 반해 석탄은 상대적으로 부족하여 화력발전은 저조해지게 되었고, 결국 수력전원개발에 눈을 돌리게 되었다. 처음 건설된 수력 전원개발을 주(主)로 하여 전력회사가 대규모 개발로 대처했는데, 1955년경부터는 본격화 된 전후부흥과 고도경제성장에 따른 수요증가로 인해 수력자원이 고갈되었으며, 이를 대신하여 신설화력발전이 대두되었다.특히, 1960년대 후반에는 중동 대유전 개발로 인해 석유의 경제성이 높아지고 대용량 중유 전소화력이 급증하게 되었다. 1965년대의 전원개발은 기초 부하를 담당하는 대용량·고효율 화력발전, 피크 부하전원으로써 뛰어난 조정능력을 가진 대용량 양수발전, 그리고 미래의 전원구성의 주체로 주목받고 있는 원자력발전의 건설이 주를 이루었다.1965년대 후반 대규모 화력발전으로 인해 사회적 문제로 이슈화된 공해문제와 석유위기 때문에 총 전력량의 약 70%를 담당하는 화력발전의 건설·운용이 재인식되어 ‘에너지 절약’, ‘탈석유’로 전환하는 흐름이 이어졌다. 이러한 상황 아래 1955년경부터는 미래 에너지로서 원자력발전이 개발 착수하게 되었다. 동력로 기술은 전무하였으므로 수입설비에서 시작하여 1963년 10월 26일에 최초 원자력발전에 성공, 현재는 총 발전력량의 약 30%를 담당할 정도로 발전했다.여기에서는 고도로 발전한 화력·원자력용 터빈발전기설비 중 대용량화에 대한 기술개발의 경위를 설명하고, 또 에너지원, 환경, 글로벌화에 관계된 과제는 향후 전망에서 짚어보도록 한다.터빈발전기 기술개발의 변천과 현황 화력·원자력용 발전기 기술개발의 변천은 사회 정세와 플랜트 전체의 동향에 깊게 관계되어 왔다.·에너지 사정(자원확인 가채 매장량, 국가 정책)·전력수급사정·최적 플랜트 용량(경제성, 전력계통운용)·주요 플랜트 구성기기의 기술(특히 원자로)·주요 재료기술과 그 제조능력발전기는 발전시스템의 최후 에너지 변환장치로, 플랜트 신뢰성에 깊게 관련되어 있기 때문에 고신뢰성이 요구되고, 게다가 1축(軸)에서 플랜트 출력 해당 에너지 변환을 하기 때문에 대용량화에 제약이 많다. 특히 화력발전은 2극기, 3000, 3600min-1에서 회전하여, 축재(軸材)가 대용량화에 있어 큰 걸림돌이었다.원자력발전은 1955년 후반에 수입설비로 시작했다. 원자로 특유의 증기조건에서 저속터빈이 채용되어 발전기는 4극이 되었기 때문에, 로터(rotor)의 제약은 대폭으로 경감되고, 화력기 기술은 충분히 대응 가능하였다. 이번 장에서는 터빈발전기 대용량화에 있어 전후(前後)부터의 기술개발 변천을 개략 설명한다. 1. 발전기 기술의 변천-화력전후 부흥시대부터 급속하게 증가한 수요량에 대용량화 등으로 대응해 온 화력용 발전기 기술의 변천을 설명한다.(1) 기술공백시대 기술 격차의 확대① 전전기술의 축적 : 고립하에서의 기술 1937년 중일전쟁 후 기술제휴 상대 회사의 관계자는 퇴각하고 미국과 유럽의 기술동향 등 정보 입수가 어려워졌다. 한편, 2극-30MW, 50MW기 등 세계적 기록 용량기를 완성시켜 전쟁의 수요에 대응했다. 실적은 세계 톱 레벨이었지만, 향후 기술을 개발할 기초 기술력과 시간·자금적 여유는 없어 종전 후까지 진전이 없었다. 1951년에 기록적 공냉기의 축상 2극-43.75MVA기를 축적기술로 완성하였다.② 전후·전중 해외기술과의 격차확대 ‘기술의 공백’ 시대에 미국과 유럽에서는 발전설비의 제조가 순조롭게 계속되었다. 특히 미국에서는 전전부터 오늘날 발전기술의 기초가 된 연구를 진행하여 100MW급 대용량·고성능 화력발전으로 전시의 수요증가에 대응했다. 1950년 해외 전력조사단이 신규 기술과 대규모 제조설비를 견문하고 돌아와 기술격차를 확인하였다.(2) 기술도입 : 제 2차 기술제휴해외 제조업체와의 기술제휴로 도입된 ‘신예 화력’은 고온·고압화, 운전자동화, 열효율 향상, 신뢰성 향상 등을 실현시켜 경제성을 크게 향상시켰다.1955년경부터 수요증가에 당초에는 수력, 후반에는 화력으로 대응함에 따라 신예 대용량 화력이 잇따라 수입되었고, 1962년 ‘화주수종(火主水從)’의 구성이 되었다. 그 후 일본은 국산기술의 교육과 보수(保守)기술의 습득을 위해 1호기는 수입, 2호기 이후는 동형기(同型機)를 국산화하는 케이스를 차례로 늘려 왔다. 기술도입에서 자주기술로의 전환 경위는 전전과 비교하면 상당히 빨랐다. <그림 1>은 개별 계약의 일반적인 기술도입과정을 나타낸 것이다.(3) 수입기술에 의한 제품 국산화
 1953년 초 수소 냉각 55MW급 플랜트가 건설되었다. 대부분은 도입 도면으로 제조되었지만, 우시오다 화력 67MW기는 부족한 수요에 대응하기 위해 공사 기간을 단축하여 자주기술로 만든 것이었다. (<그림 2> 참조)일본에서도 전전(戰前)에 수소냉각기의 개발에 착수하여 1916년 히타치(日立)가 1,000kVA기를, 1942년 미쓰비시(三菱) 전기가 8,750kVA기를 각각 공장 시험했다.그 무렵, 초기 재열(再熱) 프랜트 75MW를 수입하여 75MW, 125MW 재열 플랜트를 연이어 건설하였다. ‘신예 화력’ 플랜트가 잇달아 미에(三重)화력, 다나가와(多奈川)화력, 가리타에서 맨 처음으로 채용되었다. 1925년~1980년에 75MW, 125MW, 175MW, 220MW, 375MW, 550MW기로 평균 35MW/년을 기본으로 단기용량이 증대되었다. (4) 자주기술에 의한 대용량화도입기(導入機)의 요소기술을 저작(詛嚼), 이미 고도화된 해석기술을 구사하고 설계법을 확립하여 자주기술로 제조실적을 쌓았다.그러나 일본 전체 유저 사이에서 기기발주의 차이가 있어 도입기를 기본으로 한 표준화의 경제성과 실적 중시의 회사, 타방(他方)자주설계·국산기의 신뢰성의 향상, 일본이 자랑하는 기능의 고품질 등을 인정하여 기록기를 일본에 발주한 회사가 있었다. 이것은 국산기술 육성이라고 하는 국가적 견지에서 요구사항을 명확하게 하고 기술을 스스로 평가하여 제조의 ‘장’을 제공한 회사들이었다. 제조업체와 운명을 함께 하기로 결단하여 시험단계 외, 설계·제조 단계에도 관여, 기록적 대용량기를 완성시켰다.도입요소기술을 기본으로 자주 설계한 500MW, 600MW, 700MW기를 차례로 제작하여, 100MW/년의 하이페이스(High-pace)로 단기용량은 증대했다. 1973년에 완성한 치타(知多)화력 800MVA -3600min-1기는 이것을 집대성한 것으로, 세계 최대급기였다.
 1980년경 대용량화와 성능 향상 요구의 대응기술로서 크로스 컴파운드형이 실용화되었다. 기존의 터빈·발전기를 관형(串形)으로 배치한 탠덤(Tandem) 컴파운드형이 일반적이지만, 1증기발생장치 2축 터빈·발전기로 구성된 크로스 컴파운드형이 도입되어, 소데가우라(袖ヶ浦)1000MW 플랜트를 완성하였다.(<그림 3> 참조) 고온·고압 증기가 공급된 프라이머리(Primary)기는 2극·고속기로 총 출력의 55%, 저온·저압 증기가 공급된 세컨더리(secondary)기는 증기성상에서 4극·저속기가 채용되어 45%출력을 담당, 플랜트 효율이 개선됐다. 한편, 융성기(隆盛期)에 건설된 발전 플랜트는 중간부하운전, 진상(進相)운전의 운용으로 저(低)사이클 피로, 국부과열의 문제가 발생했다. 결과적으로 단기용량이 급속하게 증대되면 기술력 이 부족할 수 밖에 없었던 것이다.(5) 독자기술에 의한 수출1975년경부터 일본시장의 저미(低迷), 개발도상국의 인플레이션정비, 선진국에서의 건설비 저감과 특정 제조업체의 독점상황 회피 등의 문제로 인해 플랜트 수출이 증가되었다. 수출기의 사양은 입지조건, 연료사정, 전력계통이 일본 내의 것과는 다르지만, 기술력 강화에 효과가 있었다. 계약형태가 일본과 다른 수출기의 제조는 신규 기술의 “실천의 장”으로, 기술검증에 효과적이었다. 그러나 일본의 제조업체의 자주기술은 기본 요소기술의 대부분이 도입기술로, 특허와 계약에 의해 해외에서의 사용이 규제되고, 해외 제조업체는 경쟁 상대인 일본 제조업체의 신기술 공여(供與)에 신중해져 일본 독자기술의 개발이 급선무였다. 특허 회피와 함께 고성능화 기술의 개발이 한층 더 이루어졌으며, 특히 내륙발전소에서의 엄격한 수송제한, 경쟁력 강화의 과제를 해결하는 신기술이 개발·실용되었다. (6) 다양화 요구에 대한 대응기술석유위기 이후, 1975년경부터 저성장시대에 들어 대전환기를 맞이했다. 저율(低率)이라 수요는 증가하였고, 한편으로는 입지난(立地難)과 환경규제하에서 대형 플랜트 건설, 기설기의 개량 등 다양하고 고도의 기술 요구가 증가했다. 기본적으로는 대용량화 과정에서 배양된 기술력으로 대응할 수 있었는데, 다양화 시대는 한층 더 고도화에 호기(好機)였다. 충분히 검증되지 않았던 기술을 재점검하여 급속한 대용량화와 증산기(增産期)에 제조된 기기에서 발생한 초기 결핍과 중간부하운전에 의한 노화를 해결할 수 있었으며, 또한 CPU이용에 의한 전자계 해석과 강도 해석, 3D-FEM의 진보와 재료 피로 데이터 정비에 의한 피로 설계가 기여했다.
 적은 수량이지만 대용량 플랜트도 건설되어, 콤바인드 사이클 발전 1400MW(1계열), 석탄화력 1000MW 플랜트가 완성되었다. 석탄을 사용하는 기력화력은 입지점의 최대 활용과 함께 석탄화력의 경제성 추구와 대용량화 요구가 높아져 세계 최대급 헤키난(碧南) 화력 2극-60Hz, 1000MW기가 완성되었다. (<그림 4> 참조)이 시기의 주요성과는 다음과 같다.·고효율화 기술 : 중요 과제인 고효율화는 정격부하로 99.00%의 보증 효율을 실현·대용량 가스터빈 기축 발전 시스템 : 발전기에 의한 가스터빈 기동, 대용량 간접 냉각기 개발·대용량 석탄 화력 발전 : 1000MW급 플랜트·중간부하운전 대응기술 : 1만개 기동·정지 운전·로터 밸런스 기술 : 언밸런스 요인 배제와 조정기간의 단축(원 쇼트 밸런스)·예방보전 및 검사·진단·감시기술 : 컨디션 베이스의 점검·보수·화력발전소의 고도 정보 시스템(7) borderless/규제완화시대의 저가격 경쟁해외시장의 확대, 규제완화에 따른 기기·건설비의 저감요구 등에 의해 세계 레벨에서의 가격 경쟁력이 중요과제가 되었다. 제조 코스트 저감에는 제조합리화, 세계규모의 자재조달, 해외생산 등의 대처방안과 또 숙련기능자 부족을 보충하는 ‘기량의 정량화’와 제조자동화설비투자가 있다. 설계·제조면에서의 시책으로는 다음과 같은 것이 있다.·설계표준화·블록 설계·생산설계·소형·경량화(저감통풍 등)·기술의 로우엔드(low-end)화(고정자 간접냉각기의 확대)·고효율화(저감손실의 경제평가적용)·해외생산(발전기 전체, 부품·보기(補機)·현지공사) ·해외자재조달(특수 사양 배제, 세계표준재료)·제조자동기(도면less에 의한 NC데이터 작성) 특히, 지구촌이 한층 더 가까워지는 글로벌시대에는 제공기술 자료의 정비 등이 급선무이다. <그림 5>는 각 시기별로 요구의 추이를 나타낸 도표이다.2. 발전기 기술의 변천-원자력이 장에서는 30%가 넘는 전력량을 조달하는 원자력발전의 발전기 기술 변천을 동력로 동향과 관련지어 설명한다.(1) 원자력발전의 여명원자력발전 추진 기본방침과 동력로 도입·개발의 시책을 다음과 같이 결정하였다.※ 원자력발전 추진 기본방침① 안전성을 최대 과제로 하여 적용 규모 플랜트 실현② 한정된 핵연료를 최대 유효 활용하는 연료 사이클③ 기존 발전 시스템과 경쟁할 수 있는 자주기술에 의한 대용량 원자력 플랜트의 조기실현※ 동력로 도입·개발의 시책① 실적 있는 상용규모 플랜트에 일본 특수 환경을 고려한 플랜트 도입(안전성, 고신뢰성 우선)② 미래의 ‘일본형 원자로’ 개발을 준비한 연구③ 화력 축적기술을 살린 1차계기기의 국산화일본 원자력 위원회는 ‘기초연구에서 시작하여 국산 동력로의 건설에 필요한 각 단계의 원자로를 일본의 기술로 건설하고, 이러한 성과를 이용하여 동력로를 국산화하는 것을 궁극의 목표로 한다’는 장기 기본 계획을 작성하고 ‘동력로 기술의 습득, 원자력 제(諸)조건의 검토를 위해 동력로를 하루빨리 해외로 발주한다’고 하는 방침을 내세웠다.(2) 일본 동력로의 변천운전 실적을 증가시키기 위해, 천연 우라늄 흑연 감속탄소가스 냉각형(GCR) 원자력 발전설비를 영국에서 도입하기로 결정하여, 그것을 1957년에 창설된 일본 원자력발전(원전)이 담당했다. 일본 원자력연구소(원연)는 1963년 10월 26일초, 소형 시험용 동력로를 설치하여 BWR로에서 발전에 성공했다.① 일본 원자력발전 도카이(東海) GCR형 166MW 영국의 GEC사에서 발주된 상용 규모 도카이 발전소 166MW 플랜트는 1966년 7월에 운전을 개시했다. 대부분이 전력회사에서 파견된 인력으로 귀사(歸社) 후 원자력발전의 진전을 위해 역할을 다했다.② 일본 원자력발전 츠루가(敦賀) BWR형 357MW 1961년 책정된 ‘10년간을 미래의 본격적 발전을 예비하는 준비기간으로 하고, 그 사이 100만 kW 발전 플랜트를 개발한다’ 는 장기계획에 따라 원전 2호로는 저농축 우라늄 경수로로 결정했다. 당시 실용단계에 있었던 미국의 비등수(沸騰水)형(BWR)을 GE사에 발주하였다. 착공 후 47개월의 기록적 단공기(短工期)로 1970년에 영업 운전을 개시하였다.(<그림 6>참조)
 ③ 칸사이 전력 미하마(美浜) PWR형 340MW 원전 중심으로 추진된 원자력발전은 차례로 전력회사로까지 확대되었는데, 그 중에서 칸사이전력과 도쿄전력이 리드하였다. 당시 세계에서 운전 중인 상용 규모 원자력발전은 경험이 풍부한 미국 제조업체를 주계약자로 정하여, WH사·미츠비시 원자력 공업(로)-증기발생장치의 1차계 : WH, 터빈 등 2차계 : 미츠비시 원자력)에 발주하여, 터빈 등의 2차계는 화력 발전의 경험을 기반으로 국산화 할 수 있었는데, 이는 일본내 산업육성을 위해 노력하는 취지에 의한 것이다. 경제적으로 일본 터빈·발전기를 채용할 수 있는 가압수형로(PWR)가 유리하다고 판단하였다. ④ 도쿄(東京)전력 후쿠시마(福島) 제1 BWR형 460MW 도쿄발전은 일찍부터 적극적으로 대책을 세워 사내 준비 외에 일본 제조업체와 연구회를 조직하여 실 플랜트 계획·설계까지 연구를 진행시켰다. 그 결과, 노심부는 운전 실적을 조건으로 BWR형로 460MW로 하였다. 특히 건설 중인 츠루가 발전소와의 기술교류가 기대되며, 장기간 동안 화력에서 배양해 왔던 협력·신뢰관계를 높이고 있다. 1971년에는 동사(同社) 1호가 운전을 개시했다. 발주 시, 일본 기기라도 안전성·신뢰성이 높은 기기라면 적극적으로 일본 기기를 채용할 것과 일본 제조업체의 발주 등을 조건으로 단 획기적인 내용이었다.(3) 동력로의 개량·국산화해외의 실적 플랜트를 수입하여 그 동형기를 기술 제휴하여 공여한 도면으로 제조하였다. 도입 플랜트의 가동률 저하를 계기로 고신뢰화에 맞춘 자주기술의 대용량·고신뢰성 플랜트를 실현했다.① BWR형 원자력발전 플랜트의 변천 BWR은 1957년에 바레시토스 발전소 5,000kW로 최초 발전 후 개량되어 벌써 7세대째 원자로가 운전되고 있다. 일본의 상용규모 플랜트는 357MW, 460MW, 784MW, 1,000MW로 대용량화 되어있다. 이런 도입 플랜트에서 SCC 문제 등에 의한 가동률 저하와 건설 지연 등 심각한 사태가 발생하여 문제해결과 자주기술 확립을 목표로 개량표준화 계획을 추진하게 되었다. 신뢰성·가동률의 향상, 선량(線量)저감을 목표로 한 개량표준화 플랜트 1,100MW가 건설되고 1,300MW급 대용량화, 신뢰성, 가동률·경제성 향상, 그리고 피폭선량 저감, 입지효율 향상 등을 목표로, 자주기술을 기본으로 한 1,300MW급 개량형 비등수형로(ABWR)가 국제협조로 개발되어 1,356MW, 1,380MW가 건설되었다. ② PWR형 원자력발전 플랜트의 변천 PWR은 1957년 쉬핑포트 발전소에서 처음 발전된 후 상용발전소가 차례로 건설되었다. 일본에서는 초호기 340MW의 도입 후 826MW, 1,175MW 1,180MW기를 건설, 대용량화 시대로 들어서게 되었다. 초기 발전 플랜트에서의 부적합 등이 계기가 되어 일본화 촉진, 기술개량으로 대처 방안을 마련, 신뢰성 향상을 도모한 890MW, 1,180MW가 건설되고, 또한 1,500MW급의 개량형 가압수형로(APWR)의 개발도 진행되고 있다.(4) 원자력용 터빈발전기 발전의 경위원자로의 발생증기는 노형, 증기 플랜트에 의해 달라지고, 그 성질과 상태는 터빈 설계와 깊게 관련된다. BWR의 증기조건을 화력발전과 비교하면 다음과 같다.① 포화증기로 압력, 온도가 낮고 열낙차가 작다.② 화력의 2배 증기량으로 터빈유로(流路)와 날개길이가 길다.③ 대구경에 의한 원심력 저감에 화력기의 반속회전수④ 증기 습도가 높고 습분제거, 침식방지가 필요이와 같은 증기조건에서 저압 최종단 날개는 길어지고, 습분(濕分)에 의한 날개의 침식방지가 날개선단주속도를 낮추기 때문에 1,500, 1,800min-1이 채용된다. 일부 해외 대용량 경수로형 발전소의 고속터빈은 모두 3,000min-1로 3,600min-1은 전무하다. 저속터빈 구동발전기는 화력용기와 질적인 차이가 없고 화력기 기술로 충분히 대응할 수 있다. 특히 화력용 고속기에서 특유의 고속심력에 의한 축강도나 진동문제가 경감되어 발전기가 플랜트 용량을 제한하지 않는다. 바꿔 말하면, 초기의 중용량 원자력 플랜트로 저속터빈을 선택하고, 그 후 대용량 플랜트로 이어가는 것이 터빈·발전기가 플랜트 용량을 제한하는 사태를 피했다는 것이다. 원자로의 대형화에 따른 발전기의 대용량화는 자주기술로 충분히 대응 가능하지만, 플랜트 전체로서의 계약, 도입형기의 채용 등에서 2차계도 기술도입의 대상이 될 케이스가 많다. 화력기의 기술도입 경과와 같은 경위를 답습했지만, 그 기술습득이나 자주기술 확립의 스피드는 비교도 못할 정도이다.3. 터빈발전기 설비의 기술개발 변천신뢰할 수 있는 최대축이 항상 그 시대의 발전기 용량을 제한하고 1축에서 전출력을 발생하기 때문에 발전기가 플랜트 용량을 제한하는 경우도 있다. 한편, 항상 대용량화 요구는 여명기에서부터 지금에 이르기까지 기본적인 상황은 아무것도 변하지 않았다. 즉, 축재강도에서 정해진 최대축경과 진동특성에서 정해진 축장의 제한 아래서, 용량증가에 비례하여 필요한 체적의 증가미달분을 출력밀도의 증대로 보충하게 된다. 출력밀도는 발생손실의 효율적인 제거에 의해 증대될 수 있으며 냉각개선에 의한 부분이 크다. 수소냉각과 직접냉각방식의 도입에 의해 단기용략이 비약적으로 증대하였다. 한편, 원동기도 최대용량을 제한하는 기술 과제로 인해, 발전기와 경쟁하듯이 문제를 해결하여 플랜트 용량의 대형화를 도모하고 있다. 이런 경위를 <그림 8>에 2극-60Hz기를 예로 들어 총괄하여 나타내었다.원자력용기는 4극·저속기이기 때문에 로터(rotor)축재에서의 제약이 대폭 경감되었고, 대형축재의 균질화(勻質化), 고정자 철심단부과열, 원격·대용량 발전소에서의 안정송전 등과 같은 과제가 있다. 2극기와 비교하여 4극 원자력기의 특징, 기술과제의 대해 이야기한다.(1) 2극기의 기본설계터빈발전기 용량 P는 다음 기본식으로 표현할 수 있다. P=k·D2·L·B·A·n여기서D : 고정자 철심 내경 L : 철심 길이B : 갭 자속밀도(자기장하)A : 전기자 암페어 도체수/m(전기장하)n : 회전속도(min-1)이 식에서 k·B·A는 출력계수(OPC라고 칭함)라 부르고 아래의 식으로 나타낸다.<그림 9>에는 발전기 용량과 출력계수의 관계를 나타내었다. 대용량화에 있어서 출력 밀도(출력계수)의 증대는 중요한 과제이다. 자기장하 B는 자기회로의 포화에서 한계에 있고 주로 전기장하 A를 증대시킨다. 이 때 냉각성능의 개선, 고정자 철심단부 표유손(漂遊損)의 저감 등이 필요하다.① 대구경·장척 로터 축재② 고성능 로터 냉각방식③ 고성능 고정자 코일④ 고성능 고정자 철심단부구조⑤ 발전기 통풍 냉각방식(2) 4극기의 기본설계4극 발전기 용량 P의 기본식은 2극기와 같다. 단, 회전속도 n이 1/2이 되기 때문에 2극기와 OPC가 같고, 동일 용량의 4극기에서는 로터 중량은 2배, 철심길이를 같게 하면 로터 지름은 , 1극 당 자속량, 암페어턴수는 가 된다. 1극 당 도체 단면적은 2극기와 같게 되기 때문에 전류밀도는 가 되어 도체온도상승은 냉각성능이 같으면 1/2이 된다. 이것에 의해 4극기에서는 로터의 제한이 대폭 완화된다.원자력용 발전기의 대용량화 과제의 하나로 고정자 전류가 있고 단자전압상승을 억제하여 대전류화를 도모한다. 4극기에서는 극수와 같이 4회로 병렬의 고정자 결선을 채용할 수 있기 때문에 전압을 저감할 수 있다. 저전압화로 전류는 증대되지만, 특수 코일결선에 의해 기외(機外)로 끄집어낸 부싱을 2군데로 분할·배치하여 부싱 1개의 전류를 낮게 억제할 수 있다.(3) 로터축·보지환(保持環)
 전전까지는 축재의 입수난으로 인해 소용량기는 2극·고속, 중·대용량기는 4극·저속으로 나뉘었다. 초기의 2극기 로터는 소부품을 조립하여 원통형으로 하는 구조가 채용되었다. 4극기는 3분할 단조(鍛造) 조립식 로터가 채용되었다.(<그림 10> 참조)전전의 일체 괴상축(怪狀軸) 지름은 2극기용 3,600min-1-800mm, 3,000min-1-1,000mm, 4극기용 1,400mm이었다. 전후의 신예 화력에 대구경·고강도 축이 필요하여 1960년 진공주조법과 1970년 진공 카본 탈산법의 채용, 담금질의 진보, 화학성분의 개선, 비파괴검사의 진보 등으로 품질·강도는 비약적으로 향상되었다. 기계 강도 향상, 천이(遷移)온도를 저하시키고 화학성분을 검토하여 기존의 Ni-Mo-V강(鋼)에 1.5~2.5% Cr을 첨가한 Ni-Cr-Mo-V강(鋼)을 1950경부터 사용하여 절삭성은 조금 떨어지지만, 기계강도 등은 개선되도록 하였다.현재 일본의 단강(鍛鋼)기술은 세계적으로 톱 레벨이다. 그 예로서 2극-3,600min-1의 세계 최대 용량 1,000MW기 로터축 개발이 있다. 축재의 건전성·신뢰성 평가는 어렵기 때문에 실적이 있는 화학성분을 채용하고, 최종평가로 1,000MW기와 동경(同徑)·축장(縮長) 모델 로터에 의한 다빈도(多頻度)·기동정지를 포함한 시험을 실시하여 축재평가와 함께 로터 설계를 검증했다. 유저의 기본방침을 받아 단강 제조업체와 발전기 제조업체가 연휴(連携)하여 인장강도 1,000MPa를 완성시켰다. 4극기의 경우도 대형축재는 개발 과제의 하나로, 강도 레벨은 낮지만 초거대 일체 괴상·대구경, 그리고 균질(均質)한 축이 필요하였다. 예를 들면 일본 최대 1,356MW기용 축은 약 1,000t의 주강에서 약 600t, 외경은 약 1.8m가 된다. 세계에서 일본 제조업체만 이 규모의 축을 제조할 수 있으며, 결과적으로 일본 내 터빈·발전기의 대용량화·고성능화에 크게 기여하고 있다.보지환(保持環)은 로터 코일 단부에 작용하는 고원심력에 맞서 보호 유지하는데 대구경 로터에서는 주축(主軸)보다도 난도(難度)가 높다. 오랫동안 자성보지환(磁性保持環)이 사용되어 왔는데, 로터 철심단과 코일 단부에서 근방(近傍) 구조물로의 자기저항이 감소하여 발전기 단부 누설자속과 계자(界磁)전류가 증가한다.1960년경 직접냉각방식의 도입과 함께 비자성보지환(非磁性保持環)이 사용되기 시작했다. 비자성화(非磁性化)에 의해 자기저항이 증가하고 누설 자속이나 계자전류가 감소한다. 일반적으로 18Mn-5Cr강(鋼)이 사용되어 염기성전로나 ESR에 의해 고순도화 된 강괴(鋼塊)를 열간단조(熱間鍛造)로 링 형태로 가공한 후, 특수방법으로 냉간확관(冷間擴管) 가공하여 기계 강도를 높였다. 그러나 해외에서 18Mn-5Cr 보지환을 장착한 발전기에서 운전과 보관 중에 파괴사고가 발생했다. 보지환의 응력과 습도에 의한 SCC가 원인으로, 이에 대해 방습관리를 강화하여 기설기를 운전하였다. 1987년경에는 내(耐)SCC성(性)이 뛰어난 18Mn-18Cr강(鋼)이 개발되어 일본에서는 인장강도 1,300MPa급이 제작 완료 되었다. 이 서포트 기술이 없으면 발전기의 대용량화는 불가능하였다.(4) 냉각방식단기용량 증대는 냉각의 진보에 크게 의존한 것으로, 바꿔 말하면 대용량화는 냉각기술의 진보라고도 말할 수 있다. 전후의 수소냉각의 도입으로 당시의 2극 공냉기(空冷機)의 한계인 50MVA를 넘기는 발전기가 제작되고, 1957년에 100MVA 치바(千葉)화력 160MVA기(수입기), 1959년 224MVA기가 완성되어 급속하게 대용량화되었다.냉각성능의 개선으로 도체직접냉각방식이 개발되어 1959년 초 로터·고정자 수소가스 직접냉각 오사카(大阪)화력 208MVA기, 1964년 일본산 최초 고정자 유냉각 사카이미나토(堺港) 300MVA기, 1965년 일본산 1호 고정자 수냉각 치타(知多) 442MVA기가 완성, 대용량화가 급진했다.4극 원자력기의 경우 처음부터 수소·수직접 냉각이 채용되어 일본 최대 1,300MW급기의 냉각방식도 기본적으로는 당시와 같이 H2압 500kPa, 고정자 수냉각, 로터 가스냉각이 채용되고 있다.로터 수냉각은 독일, 스웨덴 등에서 개발되었는데, 특히 독일에서는 원자력용기로 다용되었다. 대형축재의 제조가 어려워 축을 소형화한 것인데, 현재는 보수하기가 어려워서 차츰 가스 냉각으로 바뀌고 있다.① 로터 코일의 직접냉각
 초기에는 수소간접냉각에서 절연물로 마이카(mica : 운모) 시트를 주로 사용하였다. 그 후 각종 직접냉각이 개발되었는데 가스냉각과 수냉각의 두 방식만 실용되었다.수냉각은 독일, 소련 등에서 개발되었는데, 중국이나 소련에서는 분산된 발전소로 수소가스를 수송하는 데 어려움이 있어 로터 수냉 2극-200MVA기를 다수 제작하였다.수냉 로터는 고정수압을 견디고 열팽장수축으로 따른 절연급배수구조, 그리고 중공도체(中空導體)의 고신뢰 접합기술 등의 과제가 있어 누수와 이에 기인한 보지환 SCC에 채용되지 못했다. 그러나 4극 원자력용기는 정수압이 낮아 독일에서 다수 제작되었다. <그림 11>은 가스냉각 로터의 대표적인 예를, <그림 12>는 각종 로터 냉각방식의 냉각효과를 비교한 것이다.2극기 냉각방식의 선정 상 유의점은 서멀(thermal) 언밸런스(열적불평형)이다. 로터 원주상의 복수(複數) 슬롯(slot) 사이에 열팽창 불균일이 있으면 축을 구부리게 되며 출력에 의한 진동변화량이 큰 경우에는 운전에 지장이 있다.세계적으로 보면 일본 유저의 진동요구치는 엄격한데, 특히 기동정지·부하변동이 많은 발전기는 열불평형 요인을 배제하고, 열팽창량을 감소시키며, 고정도 밸런스를 조정하여 해결하여야 한다.열적불평형을 막는 바람직한 냉각방식은 조건은 다음과 같다.a. 냉매유로 길이의 최소화b. 각 도체 내 냉매유량의 균일화c. 도체평균온도의 저감에어갭 픽업형, 레이디얼 플로(radial flow)형이 비교적 안정성이 높은 로터를 실현시킬 수 있다. 4극기의 경우에도 기본적으로는 2극기와 같다. 그러나 기본 설계상 로터 온도가 낮고 설계 유도(裕度)는 큰 2극기 정도의 고성능 냉각은 필요 없으며 레이디얼 플로가 일반적으로 적용된다.② 고정자 코일의 직접냉각전후에 도입된 합성수지절연은 전기·기계적 특성이 우수하여 신뢰성을 높였지만, 열전도율이 낮아(보통 0.2~0.25W/mK) 대전류화 되기엔 적합하지 않았다.전류에 비례한 도체단면의 증대에서 직류손 밀도는 일정하게 보호되지만, 교류손의 증가 비율이 크고, 깊이 250mm의 슬롯에서는 손실저감이 어려워 직접냉각 로터와 합치면 300MVA급이 한계다.대용량화에는 도체직접냉각이 꼭 필요하여 냉매로 가스, 기름, 물이 채용되었는데, 특히 수냉각에 의해 비약적으로 증대하였다. <그림 13>은 각종 냉각의 도체 전류밀도를 나타낸 것이다.가스 냉각은 로터 축에 붙인 다단 팬에 발생한 고압가스를 코일단에서 내부에 공급하고, 반대측으로 방출한다. 개구부의 고압절연, 풍손증가 등 고신뢰화, 고효율화를 위한 해결과제가 있다.
 한편, 액냉방식은 주절연으로 개구부가 없고 초기엔 변압기유, 현재는 비열과 대류에 의한 열전달이 크고 구하기 쉬운 물이 넓게 이용되고 있다. <그림 14>는 직접냉각 코일의 대표적 단면을 나타낸 것이다. 코일 높이를 억제하여 저손실화 하기 위한 중공·중실 도체를 조합한 혼합소선코일 또는 상하 코일의 온도차를 저감하여 열평창을 균일화하도록 설계하는 불등단면 코일의 채용은 장척 코일의 대용량기와 온도변화가 많은 중간부하 운전기에 꼭 필요하다.그러나 냉매의 누수가 절연층으로 침투하면 습열노화가 발생하고 2차적 손상의 원인이 된다. 또 수질관리가 불충분한 경우 중공동선의 부식이나 공식이 발생한다. 따라서 장기신뢰성을 위한 설계면, 제조면 및 운전면에서의 개선이 한층 요구되었다.4극 원자력기의 경우, 초기의 중용량기에 가스직접냉각을 채용하였지만, 대용량기는 수냉각으로 혼합소선·불등단면 코일을 적용하였다.(5) 고정자 코일의 절연전전의 아스팔트 컴파운드 절연 대신에 1945년 후반 폴리에스테르수지, 1960년경 에폭시수지를 이용한 진공가압함침(VPI) 절연이 채용되었다. 또 1963년경 에폭시수지를 접착제로 테이핑한 후 프레스나 탱크 액압으로 가열·경화 처리한 레진리치(resin-rich) 절연이 도입되었다.합성 수지절연은 우수한 수지특성에 보이드레스(void-less) 절연이 되기 때문에 우수한 전기·기계적 특성을 가진다. 고내열화(高耐熱化) 등 고(高)스트레스화(化)(2.5~3.5kV/mm)가 대용량화에 크게 공헌하고 있다.최근 가스터빈 기축 발전시스템이 보급되고 원동기의 운전·기동특성에서 발전기는 높은 운전성·보수성이 요구되어 간단한 구조의 간접냉각 고정자가 이용되었다. 콤바인도 사이클용 발전기의 대용량화는 주로 고정자 용량에서 제한되기 때문에 내열 클래스 H, 열저항저감의 고열전도절연(HTC 절연) 등의 컨셉트가 검토되어 500MVA급 공기냉각기, 750MVA급 수소냉각기까지 개발·완료되었다.4극기의 경우, 기본적으로는 2극기의 기술을 적용할 수 있어 일반적으로 2극기보다 저전압이 되므로 제한이 적다.(6) 고정자 코일 단부 지지 구조코일전류 증가에 따라 보통 운전과 과도 대전류 발생 시 전자력은 증대한다. 특히 코일 단부는 지지·고정이 어려워 강고(强固)한 지지구조가 요구되었다.전전에 사용된 마 끈, 나무, 페놀수지 적층품을 대신하여 전후에는 유리 기재 적층품, 유리 코드, 합성수지 접착제가 사용되어 기계 강도나 형상 안정성이 우수해져 신뢰성이 대폭 개선되었다. 대용량기는 코일 사이나 코일과 지지구조물 사이를 딱딱하지 않은 특수 스페이서(spacer)나 수지함침 유리 섬유로 조립하여 굳은 후 강고하게 고정시킬 수 있는 고신뢰 지지방식이 실용되었다.한편, 코일 열팽창을 강하게 구속시킨 경우, 절연층이 벗겨져 절연노화된다. 코일의 열심력 저감에 축 방향 슬라이드 기구부착 지지방식이 개발·실용되었다. 최근 내열 클래스 F, H의 대용량 고정자 간접 냉각기가 다용되고 있지만, 수냉각 코일보다 운전온도가 높고, 큰 코일단면에 비례한 열적인 힘이 작용하기 때문에 슬라이더 기구는 필요하다. 전자력, 온도 등에 맞춘 간이형 지지구조가 개발·실용되었다. 4극기의 경우, 2극기의 기술을 적용할 수 있다. 2극기에서는 코일 피치가 180도 정도로 코일단장이 길지만, 4극에서는 90도 정도로 고정자 철심 내경이 크다는 점을 감안해도 짧아지므로 지지구조의 강성이 높고 2극기 보다 설계는 쉽다.(7) 고정자 철심 지지 및 철심 단부 구조
 고정자 철심에 자기진동(磁氣振動)이 발생한다. 2극기는 4절 진동모드(<그림 15>참조)로 철심고유 진동수를 발전주파수의 2배에서 이조(離調)하여 진동진폭을 수십 ㎛레벨로 억제하는 등 철심진동의 기초대로 전달방지부터 철심을 스프링하고 탄성 지지하여 전동절연한다.4극기의 경우, 8절 진동(<그림 15>참조)이 된다. 고유 진동수는 2극기의 약 3배, 진동 진폭은 약 1/3이 되므로 진동절연은 불필요하여 간략구조가 된다.대용량기의 기본설계에서 고정자 철심단부온도는 제한요소의 하나로 누설자속과 표유손의 저감, 냉각강화가 필요하다. 특히 진상운전에서는 증자작용(增磁作用)에 의해 단부누설자속이 증가하고 철심과열이 발생한다. 기본 대책은 누설자속저감을 위한 자기저항의 증가, 자속의 집중완화이다. 그 주요 대책은 다음과 같다.·단부철심 티스부의 단락 및 슬릿(slit) 가공(자속집중완화, 과전류 패스 단축)·비자성구조재의 사용(자기저항의 증가)·고정자 철심 압 실드판(동판), 강제냉각 실드판(과전류손 저감, 냉각강화)·자속션트(자속분로)일반적으로 단부철심 티스부의 단락, 비자성구조, 동판 실드판이 채용되어 2극기에서는 700MW급까지 대응할 수 있다. 대용량화, 소형·경량화에 전기장하는 증가는 필수이고, 자속션트 방식이라고 불리는 자속분로를 만들어 단부철심으로의 침입자속을 저감하는 방법이 개발·실용되고 있다.(<그림 16>참조)4극기의 경우, 출력 밀도가 같은 2극기와 비교하면 단부 누설자속은 적다. 로터 설계에 여유가 있기 때문에 이것을 최대화하여 발전기 길이를 줄이는 설계를 지향한다. 철심단부의 누설자속 저감에는 자속션트가 효과적이다.
 (8) 여자방식고정자 전류가 만드는 교번자속과 계자자속의 전자기 결합은 발전기 출력에 해당하고, 그 제어에서 안정적으로 전력을 공급할 수 있다. 결합을 제어하는 것은 여자 시스템으로 그 특성개선은 발전기의 신뢰성, 경제성, 보수성 등의 개선, 그리고 안정도 향상, 최대 송전전력의 증대, 대전력·장거리 송전의 실현 등으로 공헌하여 왔다. 원래 발전기의 기본 특성은 계통운용에서의 요구에 맞춰 선정해야 하지만, 역사적으로는 발전기측의 요구를 중시하여 온 느낌도 없진 않다. 제작한계용량의 확대, 소형·경량화, 제조 코스트의 저감, 수성제한 등의 완화 등이다. 그러나 여자시스템을 비롯하여 계통운용·릴레이 기술로 보완하여 안정공급을 실현해 왔다. 발전기용량, 계통운용, 운전환경, 경제성, 기기수명 등을 고려하여 최적여자 시스템을 선택할 필요가 있다. 여자방식은 전원의 종류에 의해 호칭되며, 최근 대용량기에서 채용된 주 방식은 다음과 같다.a. 교류여자방식 : 회전계자형 동기기를 발전기에 직결하여 출력을 반도체 변환기에서 직류로 한다. 전환축수의 증가에 의한 진동조정의 복잡성, 여자의 고속응도화(高速 ? 度化)에 따른 기기의 대형화, 기초대의 연장에서부터 대용량기로의 채용이 차차 감소되어 왔다.b. 브러쉬레스(brushless) 여자방식 : 회전 전기자형 동기기를 발전기에 직결하여 출력을 회전반도체 변환기에서 직류로 한다. 회전축과 축받이의 증가, 회전자 지름이 전자강판 강도에서 제한되어 정상전압이 낮은 점 등의 문제로 인해 높은 여자속응도가 요구되는 대용량기의 적용은 줄고 있다.c. 정지형 여자방식 : 발전기 출력의 일부를 여자변압기나 변류기로 뽑아내 직류변환으로 사이리스터를 사용한 방식을 사이리스터 여자라고 한다. 높은 속응도를 얻을 수 있기 때문에 원격·대용량 발전 플랜트로 많이 이용된다. 원자력용 발전기에서는 높은 속응도의 요구로 인해 사이리스터 여자가 다용되어 정상전압 1,500~2,000V(직류)가 실용되고 있다. 최고 허용전압이 여자회로의 절연강도, 장기 절연내력에서 제한되지만, 사이리스터에 있어서의 다음과 같은 특유의 과제를 먼저 해결해야 한다.① 높은 정상전압에 대한 절연설계 및 스파이키(spiky) 전압에 의한 절연노화 높은 정상전압의 발생에 전원전압도 높아 2,500~2,000V(교류)급까지 실용되고 있다. 정상전압 발생시 최고전압이 되고 여기에 사이리스터 전류 서지가 중첩되어 대지간 전압은 한층 높아진다. 정상전압 발생은 드물지만, 문제는 보통 운전이다. 보통 운전 시 사이리스터 게이트 제어에서 전압은 비교적 낮지만, 서지를 포함한 전압변동진폭은 정상전압 발생시의 대지전압과 비슷하고 누적시간은 절연노화의 지배요인이 된다. 로터 절연을 구성하는 합성수지 적층판(FRP)의 서지를 포함한 전압에 있어 장기간 절연노화 특성을 파악한 절연설계가 요구된다.② 스파이키 전압에 의한 축전압 사이리스터 출력에 포함되는 고주파는 건전한 로터 절연에서도 축에 전압·전류를 발생시킨다. 터빈·발전기 로터에 발생하는 축전압에서 유막의 방전파괴를 발생, 손상시킨다. 축수보호를 위해 축수 부근에 저저항 브러쉬를 설치하여 터빈·발전기 로터를 복수점에서 접지한다. 브러쉬의 접지저항, 접지회로 사이의 순환전류를 허용치 이하로 하는 회로저항의 최적화가 필요하다. 4극 원자력기의 경우, 터빈축에서는 고습분증기에 의한 마찰 정전기에 발전기 축전압이 중첩되어 현상이 복잡해지는데, 최근에는 축전압·전류감시장치를 설치하여 접지상태를 상시감시·진단하고 있다.(9) 고속 밸런스 기술터빈·발전기의 발전과정에 직면한 중요과제로 밸런스 문제가 있는데, 특히 2극 발전기·고속 터빈에 고정도 밸런스가 불가결하여 고도 밸런스 기술이 없으면 오늘날의 세계 톱 레벨의 고성능·대용량 터빈·발전기는 실현시킬 수 없다고 해도 과언이 아니다. 주 과제와 대응기술은 다음과 같다.·직접냉각 로터의 풍속량 불균일에 의한 진동문제·통전 밸런스(운전온도에서 단체 밸런스 조정)·CPU시스템에 의한 공장·현지 밸런스 조정이를 실현하여 현지 밸런스 조정기간을 대폭으로 단축할 수 있었다.향후 전망터빈발전기의 향후 전망, 기술동향을 단독으로 논하는 것은 정확성을 놓칠 우려가 있어, 시스템 전체의 향후 동향을 같이 놓고 평가, 통찰해야만 한다.발전플랜트 전체의 향후 동향을 개관해 볼 때, 21세기의 발전 플랜트는 다음의 삼중고를 어떻게 해결해야 하느냐에 달렸다고 말할 수 있다.· 에너지 고갈· 경제성장 유지· 지구환경 악화그 한 가지 방법으로서 연료별로 대상발전시스템을 고찰하면, 증기터빈 구동발전이 각종 연료로 공통적인 기조 기술로 기력발전, 콤바인드 사이클 발전, 원자력발전 등의 발전에 관여하여 향후 발전 시스템의 주요 구성기기로써 더욱 발전하리라 기대하고 있다.에너지 공급 시스템의 향후 동향은 이상적으로 하이브리드 전기·가스 공급 시스템으로의 이행, 특히 전력과 가스의 분산형 공급 시스템의 실현이다. 이에 따라 증기 터빈, 발전기 등의 기기 단체(單體)의 발달뿐 아니라 각 기기를 조합하여 보다 높은 경제성·환경성을 가지는 시스템 기술이 한층 중요해졌다. 이를 위해서는 각 기기의 특성을 끌어낼 수 있는 우수한 시스템 인터그레이션(integration) 기술의 실효가 필요하다.한편, 장기간에 걸쳐 저성장시대, 그리고 에너지 비소비형 생산구조로의 이행 과정에 있지만, 여전히 연율 1.0~1.5%의 꾸준한 증가를 나타내는 전력 수요 및 화력 융성기에 건설된 설비의 노화갱신에 대·중규모 발전 시스템 등의 대응이 필요하다.또한, 가스터빈 기축 발전 시스템은 대용량 발전 플랜트로서 우수한 환경성과 운전성에서의 향후 전력수요에 대응하여 전원발전의 중핵으로 발전 시스템의 일익을 담당하리라 생각된다. 그러나 그 주요 연료인 LNG의 확인 가채매장량에 한계가 있어, 금후 장기에 걸쳐 공급할 수 있는 연료기술이 확립 등 불확정 요소가 있다. 연료 다양화에 의한 안전보장의 관점에서 유한(有限) 연료인 LNG, 방사성 폐기물 문제가 있는 핵연료, 배출가스의 문제는 안고 있어도 무한(無限)하다고 할 만큼 풍부한 석탄 등 각 연료별로 저마다의 문제는 있지만, 각 특징을 잘 살려 취합하여 활용할 필요가 있다.1. 터빈발전기의 제작 한계위의 관점에서 추찰할 수 있는 중심적인 발전시스템은 두 가지로, 그 첫 번째는 환경문제로부터 비교적 자유로운 원자력 발전이고, 두 번째는 환경대응기술면에서 두드러지게 발전하여 에너지 절약, 고효율화 기술을 확립한 대용량 화력발전 플랜트이다. 그 중 후자는 아래와 같이 ‘이극화’하여 생각할 수 있다.① 1,000MW급기 이상 석탄 화력 플랜트② 500MW급 1축형 단위기 복수대로 구성된 1,500MW 콤바인드 사이클 발전 플랜트 원자력발전은 각종 발전시스템 가운데 최대급 플랜트 용량을 실현하였는데, 기기 기술 외에 전력계통 연휴(連携)에 의해 최대 유닛 용량 완화, 대전력·장거리 송전기술의 진보 등에 의한 제한 요인 해소, 더 나아가서 터빈발전기의 대용량화를 진행시켜왔다. 이상으로 이것의 중심적인 발전 시스템으로 사용된 터빈발전기에 대한 한계용량을 고려한다.(1) 기력발전용 터빈발전기① 현용 냉각방식의 한계 용량 2극-60Hz, 1,120MVA기용 축, 인장강도 1,000MPa급은 세계적으로도 최고급으로, 이 축재에 의한 최대용량은 1,250MVA정도, H2압 630kPa에서는 약 1,350MVA가 된다. 축강도 1,050MPa, 축경 1,200mm의 경우 단기용량의 한계를 <그림 17>로 나타내었다. 한계 용량기의 로터길이는 축강성이 지배적인데 축진동 응답감도 등 운전성을 고려하여 결정하였다. 축강성을 축경/축장(L/D)으로 나타내면 경험적 상한 7.3에서는 약 1,450MVA-H2압 520kPa, 가스압 630kPa의 경우 1,580MVA가 된다. L/D를 실용 레벨로 선택하면 1,500MVA-H2압 630kPa가 현용 냉각방식의 한계이다. 일부 기술 개량하여 L/D : 7.3, H2압 : 630kPa, 단락비 : 0.5의 조건에서 1,670MVA-1,500MW기는 실현가능하지만, 축진동이 최중요과제이다. 저단락비에 의한 철심과열문제는 없다.② 타 냉각 방식의 한계용량현재까지 연구·개발되어 온 냉각의 고성능화 기술 중 비교적 실현성이 높고, 실용화가 전망되는 기술은 다음과 같다.·수냉 로터(기존형 고정자, 완전 수냉각)·초전도 로터(공극권선 고정자와의 조합)초전도 발전기는 대용량·고효율화 기술면에서 뛰어난 발전기의 특성으로 인한 계통운용의 이점, 소형·경량화에 따른 코스트 저감을 종합적으로 평가하면, 기존의 것과 비교하여 우위성은 확실히 볼 수 있다. 그러나 실현하기에 있어 최난관은 장기 신뢰성의 확인으로, 과거의 예로 보면 기존 기술에서 목적·요구에 맞춰 신뢰성이 확보된 경우, 새 컨셉트가 아무리 혁신적이어도 입수하기는 어렵다.(2) 콤바인드 사이클용 터빈발전기원동기의 특성에서 보면 운전성이 뛰어나고 간단 구조가 적용되는 공냉기가 바람직하지만, 원동기의 대형화에 의해 수소간접과 수냉각 고정자 발전기가 채용되었다. 여기에서는 고정자 수소간접 발전기의 한계용량을 검토한다. 이는 기력용 발전기의 한계용량 확대와는 달리, 현용 기술의 표준용량범위를 어디까지 로우엔드 기술로 치환가능한가 하는 것이다. 따라서 그 성과는 콤바인드 사이클용 기에 한정되지 않고 기력용 발전기에도 경제적 이점으로 적용될 수 있다. 간접냉각 고정자 전류의 증대에 복수의 설계 컨셉트가 있는데, 고내열(高耐熱) 클래스화, 고전계(高電界) 스트레스화(절연두께저감에 의한 열저항감), GVPI(전 진공가압수지함침절연)이 일반적으로, 새롭게 일본이 실용한 HTC절연이 있다. 여기에서는 HTC절연을 채택한다. HTC절연은 마이카테이프에 고열전도 필러(filler)를 첨가하여 절연층을 고열전도화한 절연으로, 효율적으로 열을 제거하여 대전류화한다. 열전도율을 기존의 약 2배로 개선한 절연은 개발제로, 배증(기존 절연의 4배)한 ‘개량 HTC절연’에 의한 출력밀도향상의 검토하니, 약 8%의 출력밀도 증가가 전망, 최대용량은 800MVA가 넘게 된다.(<그림 18>참조) 개량 HTC절연 시스템의 개발은 기존 기술의 연장선상에 있다고 생각되는데, 특성 개선 코스트와 발전기 코스트 저감효과의 트레이드오프(trade off : 어느 것을 얻으려면 반드시 다른 것을 희생하여야 하는 경제 관계)를 생각하면 개발을 꼭 진행하여야 하는지에 대한 판단은 신중해야 한다.(3) 원자력용 터빈발전기세계 톱 레벨의 대형축재 제조, 초기 저회전 속도의 채용에 의한 설계유도도(設計裕度度)로 발전기에 의한 발전 유닛 용량의 제한은 없고 현용 기술에서 1,600MW급, 기술개량에서 2,500MW급까지 가능하다.2. 터빈발전기의 미래 과제‘발전 코스트의 저감’과 ‘CO2 배출량 삭감’의 2대 과제와 ‘콤팩트화’, ‘시스템 간략화’, ‘고효율화’의 양립을 위한 신기술과 합리설계에 의한 초기실현이 전망된다. 특히, 기기 코스트 저감에 관련된 ‘제품 만드는 법’, ‘재료 사는 법’ 등이 ‘기술의 과제’와 조합하여야 하므로 콤팩트형과 고효율화의 양립, 기술의 로우엔드화, 라이프 사이클 코스트 저감 등의 해결이 급선무이다.<표 1>은 실무 레벨의 터빈발전기에 관련된 정세와 요구를 나타낸 것이다. 여기에서 유추해낼 수 있는 과제로 엄격한 운전조건, 장수명화에서 피로설계를 들 수 있다. 일반적으로 전기 기계의 노화가속요인은 터빈기기와 비교해보면 1회 운전에서의 노화 레벨이 낮아 소비수명을 산출해내기가 어렵지만, 운전은 다빈도(多頻度)·급속기동정지, 부하조정운전로 인해 심해지는 한편, 기술의 고도화가 기대된다. 노화요인의 배제·완화를 위해, 노화를 야기하는 설계 컨셉트의 배제하여 합리적 기술 레벨에서의 고내력(高耐力), 고신뢰성화 실현이 필요하다.사업적인 관점에서의 현대 과제는 국제경쟁력 강화이지만, 화력용기와 원자력용기도 그 대상으로, 일부 개발도상국에서의 대규모 전원개발로 인해 전세계적으로 주요 자재가 부족해지고 가격이 폭등하여 일본 제조업체도 입수난으로 고생하고 있다. 세계 규모에서의 재료조달에는 높은 재료평가기술력이 요구된다. 또한 기설 플랜트의 예방 유지 관리와 필요최소한의 보수(補修)에 의한 설비능력 확보가 필요하며, 기기상황의 감시, 남은 수명 진단 기술의 고밀화·고정도화가 필수적이다. asset management(자산관리)를 제안하여 라이프 사이클 코스트 저감을 위한 판단·추장이 요구된다.맺음말전후부터 오늘날까지, 터빈발전기의 대용량화를 주로 기술개발의 변천에 맞춰 과거/현재의 인식·분석과 향후 전망을 통찰해보았다.터빈발전기의 역사는 그 시대 최대축재의 제한 아래, 대용량화 요구에 맞춘 냉각성능의 개선의 역사였다. 단기 출력의 대용량화 추이와 관련하여 축재, 냉각방식, 출력계수 및 주변기술의 변천을 시기별로 나누어 개관해 봄으로써 밀접한 상관관계를 이해할 수 있었다. 본문에서 과거 기술 개발의 경위는 독립행정법인국립과학박물관 산업기술사 자료정보센터가 진행한 ‘기술의 계통화’에 주임조사원으로 참여하여 취합한 ‘전력용 터빈발전기 기술발전의 계통화 조사’(2005년) 및 ‘원자력용 터빈발전기 기술발전의 계통화조사’(2007년)의 성과 일부분을 인용한 것이다.
<Energy News>
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