첨단 누출 감지 기술을 이용한 전기 발전 시설의 안전성 향상

요약

수소 냉각 발전기의 유지관리는 발전소를 안전하고 효율적으로 가동하는데 있어 매우 중요합니다. 그 중에서도 냉각 시스템에서 수소가 누출되는 곳을 찾아서 수리하는 작업이 핵심인데, 누출 지점을 효과적으로 찾으려면 각종 부품, 밸브, 피팅 또는 설비를 꼼꼼히 검사해야만 합니다. 하지만, 그동안 업계에서 많이 통용되던 수소 누출 탐지 기술은 정확도와 신뢰성이 상당히 떨어진다는 단점이 있었습니다. 다행히도 최근에 이산화탄소를 잡아내는 필터 기술이 적용된 광학 가스 이미징(OGI) 카메라가 출시되고, 이러한 기능이 더해진 이산화탄소 추적기를 사용하는 수소 냉각 발전기 시설은 유지관리 업무와 가스 누출 감지 업무의 정확성, 효율성이 상당히 개선되었습니다.

전기 발전용 증기 터빈의 활용

증기 터빈을 이용하는 발전기는 작동 중에 상당한 양의 열을 발생시키는데, 발전 효율을 높게 유지하기 위해서는 이 열을 식혀 주어야 합니다. 지금까지 증기 터빈을 냉각시키는 데에는 공기, 물, 오일 등이 다양하게 사용되기도 했지만, 최근에는 밀도가 낮으면서 비열과 열 전도성은 높은 기체 수소가 발전기 냉매로 많이 활용되고 있습니다. 기체 수소는 자연에서 쉽게 얻을 수 있기 때문에 가격이 저렴하다는 장점도 있습니다. 기체 수소 덕분에 전력 회사들은 이제 작은 발전기로도 상당한 양의 전력을 생산하고 있습니다. 그러나 수소 원자는 크기가 매우 작고 증기 터빈을 사용하는 발전소는 밸브와 기타 연결부가 수백 개에 달하기 때문에 아무리 관리를 철저히 해도 수소 가스의 누출은 피할 수가 없는 문제입니다. 수소는 발전기나 파이프 위를 지나가는 통로 커버 등의 있는 개스킷 조인트나 수소 건조기 스키드의 밸브 등과 같이 수소가 생산, 저장 또는 순환되는 지점에서도 새어 나오는 것으로 알려져 있습니다. 수소가 지나치게 많이 새어 나가면, 유지보수팀은 발전기가 과열되는 것을 막기 위해 상당한 양의 수소를 시스템에 보충해 주어야 합니다. 그리고 대규모로 수소가 누출되면 큰 안전 사고가 발생할 우려도 생깁니다. 따라서, 발전소 관리 담당자는 항상 수소 소비량을 모니터링하고 소비량이 지나치게 높아지면, 누출 지점이 없는지 조사를 실시해야 합니다. 수소는 휘발성이 매우 높기 때문에 발전기의 수소 소비율에 변화가 생기면 반드시 그 원인을 조사하고 누출되는 곳을 찾아 누출 방지 조치를 취해야만 안전 사고의 발생 가능성을 최소화할 수 있습니다. 누출을 방치해 수소가 대기 중에 섞일 경우, 화재 위험이 급증하게 됩니다. 특히, 통풍이 잘 되지 않는 구역에서는 수소 농도가 높아지면, 갑자기 폭발할 위험도 있기 때문에 상당한 주의를 기울여야 합니다. 대기 중에 수소 농도가 높으면 작은 공기 중의 폭발성 수소 범위는 광범위하며 점화하는데 에너지가 거의 필요하지 않습니다. 정전기 방전으로 인한 스파크조차도 올바른 상황에서 기체 수소를 발화시킬 수 있습니다.

무색 무취인 기체 상태의 수소는 육안이나 냄새로는 찾아내기가 어렵고 규모 또한 가늠하기가 매우 어렵습니다. 그동안 터빈 발전기를 대상으로 수소 누출 여부를 검사할 때 흔히 사용되던 기법들은 시간이 많이 소요될 뿐만 아니라, 신뢰도도 떨어지는 탓에 예상치 못한 사고로 인해 발전 설비의 가동을 중단해야 하는 상황이 자주 발생한다는 단점이 있었습니다.

산업현장의 밸브에서 가스가 누출되고 있는 모습

기존 수소 누출 감지 기법

누출되는 수소의 양을 최소화해야 하는 발전기 유지보수 담당자에게 일차적으로 가장 중요한 것은 바로, 수소 기체를 정확히 찾아내는 일입니다. 누출을 확인하는 가장 기초적인 방법은 Snoop® 액체 누출 디텍터(물과 계면 활성제의 혼합물) 또는 비눗물을 누출이 의심되는 부분에 뿌린 뒤, 가스 기포의 발생 여부를 확인하는 방법입니다. 단, 이 같은 누출 탐지 기법을 효과적으로 활용하려면, 유지보수 담당자가 비눗물을 대략 어디에 뿌려야 하는지를 알고 있어야 하기 때문에 상당한 시간이 소요됩니다. 아울러, 검사가 필요한 설비에 접근이 불가능한 경우도 많고, 접근이 가능하더라도 Snoop 또는 비눗물을 뿌리기 위해서는 비계를 활용해야 하는 곳도 많기 때문에 이를 사용한 검사에는 상당한 어려움이 따를 우려가 있습니다. 발전 시설에서는 "스니퍼"라고 하는 휴대용 수소 검출기를 이용한 검사도 현재 자주 사용되고 있습니다. 스니퍼의 경우, 가스 누출을 정량화하고 가스 농도도 측정할 수 있지만, 누출 지점을 비교적 정확히 알고 있어야 하는 등 Snoop과 비슷한 제약이 있습니다. 스니퍼를 효과적으로 활용하려면 기기를 가스 기둥에 직접 대는 것이 중요한데, 이 가스 기둥은 대체로 부피가 작아서 놓칠 가능성도 상당히 높습니다. 광학 가스 이미징은 기존에 사용되던 방법에 비해 기술적으로 향상된 솔루션을 제공합니다. 최근, 일부 발전 시설에서는 정기적인 유지보수를 위해 발전 설비의 가동을 중단시킬 때, 소량의 육플루오르화황(SF6)을 수소에 첨가하여 광학 가스 이미징 카메라로 이를 추적하는 작업을 실시하고 있습니다. SF6 추적 가스는 발전 설비가 다시 가동되면 수소와 함께 냉각 시스템에 투입되기 때문에 수소가 누출되면 SF6도 함께 누출됩니다. 이는 카메라가 수소는 감지할 수 없기 때문에 활용되는 방법으로, SF6은 미량의 누출도 잡아 낼 수 있어 수소와 함께 사용 시, 매우 효과적으로 감지해낼 수 있습니다. 이 같은 기법은 Snoop 또는 스니퍼를 사용하는 것보다 정확도가 훨씬 높고 유지보수 담당자가 발전기와 안전한 거리를 유지한 채 검사를 진행할 수 있게 도와줍니다. 그러나 추적 가스로 활용되는 SF6는 지구온난화지수(GWP 23,000)가 매우 높은 온실 가스인 관계로 다양한 규제에 따라 사용이 엄격히 규제되고 있습니다. 이에, 규모에 따라 SF6의 사용이 어렵거나 비용 효율성이 떨어지는 경우도 있습니다.

가스가 새어나가고 있는 밸브의 모습. FLIR GF343과 같은 광학가스 이미징 카메라를 사용하면, 전기 발전 업계 전반에 걸쳐 발생할 수 있는 유사한 유형의 누출을 검사하고 예방할 수 있습니다. 

환경 친화적 추적 가스를 활용하는 열화상 기술

다행히도 발전 시설의 수소 누출 여부 검사에 활용할 수 있는 가스는 SF6만 있는 것이 아닙니다. SF6을 대체할 수 있는 추적 기체 중에서도 가장 효과적으로 사용이 가능한 것은 바로, 3~5 % 농도의 이산화탄소(CO2)입니다(FLIR GF343 카메라 활용). 이산화탄소는 모든 발전 시설에서 쉽게 구할 수 있고 저렴할 뿐만 아니라, GWP 지수도 훨씬 낮기 때문에 SF6보다 사용에 대한 제한이 훨씬 적습니다. 특히, 이산화탄소는 정상 작동 중인 발전 설비에 수소와 함께 직접 첨가되더라도 터빈 또는 냉각 기능에 사용되는 수소에는 영향을 주지 않기 때문에 수소의 농도에 변화가 발생하지 않습니다. 수소 누출 여부를 찾는 가장 안전하고 좋은 방법은 설비 가동을 중단하고 설비 전반에 걸쳐 충전된 수소를 모두 제거하고 이를 이산화탄소로 대체하는 것입니다. 이 같은 방법으로 이산화탄소의 농도를 높이면, 누출을 더욱 쉽게 잡아 낼 수 있습니다. FLIR의 GF343 카메라는 이산화탄소 가스의 적외선 흡수 대역에 카메라가 반응하도록 스펙트럼 필터링된 초점면 배열(Focal Plane Array) 안티몬화 인듐(InSb) 디텍터를 사용하는 제품입니다. 감도가 높아, 안전한 거리에서 실시간으로 이산화탄소 누출을 쉽게 시각화 할 수 있기 때문에 시설 유지보수 담당자는 설비 가동을 중단하거나 고액의 벌금을 부담할 필요 없이 작은 누출까지도 문제 지점을 파악해 수리를 실시할 수 있습니다.

광학 가스 이미징(OGI)의 장점

수소 냉각식 시스템의 유지보수 담당자에게 있어, 광학 가스 이미징 카메라는 기존의 누출 감지 기법과 비교했을 때, 다양한 장점을 제공하는 기기입니다. 우선, 가볍고 휴대가 용이하여, 유지보수 담당자는 검사 대상 설비와의 물리적인 접촉 없이도 다양한 거리에서 여러 구역을 빠르게 검사할 수 있습니다. 또한, 수소 냉각식 시스템에 사용되는 수백 개의 연결부 및 설비 등 접촉식 측정 도구로는 검사를 모두 진행하기 어려운 곳도 손쉽게 검사할 수 있습니다. Snoop이나 스니퍼와 같은 기존의 기법은 정확도가 떨어져, 발전 설비가 가동 중일 때에는 심각한 누출 사고가 발생하더라도 그 원인 지점과 누출 규모를 파악하기가 매우 어렵습니다. 정확도를 높이려면 설비의 가동을 불가피하게 중단해야 하는데, 이는 발전 시설의 수익성에 상당한 악영향을 미치기 때문에 막대한 피해가 발생하기도 합니다.

하지만 FLIR GF343을 사용하는 광학 가스 이미징으로 설비를 정상 작동하는 과정에서 검사를 수행할 수 있어, 계획에 없던 작업 중단 등 피해를 예방할 수 있습니다. 또한, 발전 설비가 가동 중일 때, 수소 건조기 스키드와 같은 시스템의 특정 부분에서 누출을 검사하고 필요한 수리 작업도 신속하게 진행할 수 있습니다. 아울러, 광학 가스 이미징 카메라의 대다수는 이미지나 영상에 GPS 데이터 정보까지 더해주기도 합니다. 이러한 위치 정보는 다음 정기 유지보수 작업에 실시할 수리 작업을 요청할 때 사용할 수 있도록 기록/저장도 가능합니다. 저장된 누출 이미지를 통해 유지보수 담당자는 특정 누출이 시간이 지남에 따라 악화되었는지 여부도 가늠할 수 있습니다. 하지만 무엇보다 중요한 것은 광학 가스 이미징 카메라 시스템을 활용할 경우, 수소 누출을 허용 수준 이하로 유지하는데 필요한 정보를 직원에게 제공해 줌으로써 발전 설비가 안전한 작동 상태를 유지할 수 있게 도와줍니다.

결론

예상치 못한 사고로 설비의 가동을 중단해야 하는 경우, 발전 시설에 상당한 부담이 가해질 수 있습니다. 기존의 검사 방법 대신, 추적 가스로 이산화탄소를 활용하는 고감도 광학 가스 이미징 카메라를 사용하면, 수소 누출을 실시간으로 시각화하고 시간에 따른 모니터링도 가능하기 때문에 발전 시설을 대상으로 하는 유지보수 작업을 보다 정확하고 비용 효율적으로 시행할 수 있습니다. 광학 가스 이미징 카메라는 가스 누출 및 온도 관련 이상 현상을 조기에 발견해 줌으로써 유지보수 및 가동 중단에 따른 비용을 줄여 주고 심각한 부상이나 위험으로부터 작업자를 보호해 줍니다. 그리고, 다른 가스 누출 감지 기법에 비해 장점은 많고 단점은 적기 때문에 활용 가치가 상당히 높습니다.

구독