화력 발전소 - Surface Condenser

앞의 글에서 언급한 것과 같이 발전소의 Condenser로는 Surface Condenser가 일반적으로 사용됩니다. 이 글에서는 서피스 콘덴서의 주요 구성 요소와 그 기능, 다양한 종류, 장단점에 대해 설명하겠습니다.

Surface Condenser 주요 구성 요소

1. 튜브 번들 (Tube Bundle)

• 튜브 번들은 서피스 콘덴서의 핵심 요소로, 다수의 얇고 긴 튜브가 번들 형태로 배열되어 있습니다. 이 튜브를 통해 냉각수가 흐르고, 외부로 유입된 증기는 튜브 외부에서 응축됩니다.
• 튜브의 재질로는 구리 합금, 스테인리스 스틸, 티타늄 등이 사용됩니다. 각 재질은 열전도율, 부식 저항성, 내구성 등의 특성에 따라 선택됩니다. 다만, 대용량의 발전소에서는 해수를 냉각수로 사용하기 때문에 티타늄 재질이 주로 사용됩니다.
• 증기와 냉각수 간의 열 교환을 통해 증기를 물로 응축시키는 역할을 합니다.

2. 쉘 (Shell)

• 쉘은 튜브 번들을 둘러싸는 외부 구조물로, 콘덴서의 주요 프레임을 형성합니다.
• 일반적으로 탄소강으로 제작되며, 내부에는 코팅을 통해 부식 방지 처리가 됩니다.
• 증기가 유입되어 응축되는 공간을 제공하며, 튜브 번들을 보호하고 지지하는 역할을 합니다.

3. 핫 웰 (Hot Well)

• Hot Well은 콘덴서 하부에 위치한 수조로, 응축된 물이 모이는 공간입니다.
• Hot Well에 응축된 물은 Condensate Extraction Pump에 의해 Feed Water System으로 다시 보내는 역할을 합니다. 

4. 워터 박스 (Water Box)

• Water Box는 냉각수가 콘덴서 튜브로 들어가고 나가는 출입구를 포함한 구조물입니다.
• 앞에서 언급한 것과 같이 해수를 냉각수로 사용하는 대용량의 발전소에서는 Water Box 표면은 Rubber Lining을 적용합니다.
• 냉각수가 튜브 번들로 균일하게 분배되도록 하며, 유출된 냉각수를 다시 외부로 배출하는 역할을 합니다. 또한, 워터 박스는 정기적인 청소와 유지 보수를 위해 접근 가능한 구조로 설계되어야 합니다.

5. 공기 제거 설비 (Air Removal System)

• Air Removal System은 콘덴서 내부에서 비응축성 가스를 제거하는 장치입니다.
• Ejector 또는 Vacuum Pump가 적용되며, 이 부분에 대해서는 별도의 글에서 상세히 설명하도록 하겠습니다.
• 비응축성 가스가 열 교환 효율을 떨어뜨리는 것을 방지하여 콘덴서의 성능을 유지합니다.

6. Condenser Tube Cleaning System (CTCS)

• Condenser Tube 내부를 주기적으로 Cleaning 해주는 설비입니다.
• Sponge Ball이 Tube 내부로 유입되어 표면을 청소해줍니다. CTCS도 별도의 글에서 상세히 설명하도록 하겠습니다.

Surface Condenser 종류

1. 증기 유입 방향에 따른 분류

• 측면 배기 콘덴서 (Side Exhaust Condenser) : 증기가 콘덴서의 측면에서 유입되어 응축되는 방식입니다. 이 유형은 구조가 단순하고, 설치가 용이합니다.
• 다운 배기 콘덴서 (Down Exhaust Condenser) : 증기가 콘덴서의 상부에서 하부로 유입되어 응축되는 방식입니다. 이 유형은 중력에 의해 응축수가 자연스럽게 핫 웰로 모여 효율적인 응축이 가능합니다. 

2. 응축수 흐름 방향에 따른 분류

• 다운 플로우 콘덴서 (Down Flow Condenser) : 응축수가 중력에 의해 하향으로 흐르는 방식입니다. 이러한 방식은 응축수가 빠르게 핫 웰로 모이게 하여, 응축 효율을 높일 수 있습니다.
• 센트럴 플로우 콘덴서 (Central Flow Condenser) : 응축수가 콘덴서의 중앙 부분으로 흐르는 방식입니다. 이 유형은 응축수의 분포를 고르게 하여 열 교환 효율을 높입니다.

3. Tube Pass 수에 따른 분류

• 단일 패스 콘덴서 (Single Pass Condenser) : 냉각수가 한 번의 경로를 따라 튜브를 통과하여 열 교환이 이루어집니다.
• 먼티 패스 콘덴서 (Multi Pass Condenser) : 냉각수가 여러 경로를 따라 튜브를 반복적으로 통과하여 열교환이 이루어집니다.

서피스 콘덴서의 장단점

장점

1. 순수한 응축 가능 : Surface Condenser는 증기를 물로 응축시켜 재사용이 가능한 순수한 응축수를 제공합니다. 이는 보일러 급수의 품질을 유지하게 해줍니다.

2. 저품질 냉각수 사용 가능 : Surface Condenser는 냉각수와 증기가 직접 접촉하지 않기 때문에, 비교적 저품질의 냉각수를 사용할 수 있습니다.

3. 높은 진공 효율 : Surface Condenser는 높은 진공 효율을 유지하여 증기의 응축 효율을 극대화할 수 있습니다. 이는 터빈의 열효율을 향상시키는 데 중요한 역할을 합니다.

 

단점

1. 큰 설치 면적 필요 : Surface Condenser는 상당한 설치 면적을 필요로 합니다. 이는 발전소의 설계 및 배치에 영향을 미칠 수 있습니다.

2. 많은 냉각수 필요 : Surface Condenser는 효과적인 응축을 위해 대량의 냉각수가 필요합니다. 이는 물 자원이 제한된 지역에서는 제약이 될 수 있습니다.

3. 복잡한 구조 : 서피스 콘덴서는 상대적으로 복잡한 구조를 가지고 있어, 설계 및 설치가 어렵고 비용이 많이 들 수 있습니다.

4. 높은 유지보수 비용 : 서피스 콘덴서는 정기적인 청소와 유지보수가 필요하며, 이에 따른 비용이 높습니다. 특히 튜브 번들의 청소와 교체는 비용이 많이 듭니다.

 

Surface Condenser는 발전소에서 증기 터빈의 효율을 극대화하고, 폐열을 회수하여 재사용하는 데 필수적인 장비입니다. Tube Bundle, Shell, Hot Well, Water Box 등 다양한 구성 요소가 결합되어 작동하며, 여러 가지 기준에 따라 다양한 종류로 분류됩니다. 각 발전소의 특성과 요구에 맞게 Surface Condenser를 선택하고, 최적의 성능을 유지하기 위해 정기적인 관리와 점검이 필요합니다. 이를 통해 발전소는 안정적인 전력 생산을 유지하고, 자원 효율성을 극대화할 수 있습니다.