냉각탑의 종류와 분류

냉각탑

대부분의 발전소는 해안가에 설치되어 바닷물을 복수기 냉각수로 사용하게 된다. 그러나 발전소가 해안에서 멀리 덜어진 내륙에 건설되어 충분한 양의 냉각수 공급이 어려운 경우나 수자원 보존을 위해 온수배출이 제한되는 경우는 냉가수를 자체 순환시켜 다시 사용해야 한다. 

 

냉가수를 다시 사용하기 위해 냉각수 자체를 냉각시켜 주는 장치로 냉각탑이 있으며, 내륙에 위치한 일산, 분당, 안양, 부천 열병합 등에 냉각탑이 설치되어 운영되고 있다. 주 냉각수를 순환방식에 의해 다시 사용할 경우 보조 냉각수도 주 냉각수와 같이 냉각탑을 통한 냉각이 이루어져야 한다.

 

발전소에 사용되는 냉각탑은 공기를 이용하여 냉각수를 냉각시키는 일종의 열교환 장치로, 냉각원리는 다음과 같다.

■ 물과 공기의 온도차를 이용하는 현열 교환

- 전체 열용량 중 20~25% 정도의 열 교환

 

■ 물의 증발 작용에 의한 잠열 교환

- 전체 열용량 중 75~80% 정도의 열 교환

 

냉각탑에서 증발에 의해 물이 냉각되어질 수 있는 최저온도는 대기의 습구온도(Wet-bulb Temperature), 즉 이슬점이다. 실제적으로 냉각탑에서 물의 평균온도가 습구온도까지 냉각되도록 설계하기는 어렵고, 물과 공기의 온도차를 얼마로 접근시킬 수 있는가에 기술 개발의 관심이 두어진다.

 

냉각탑에 유입된 물은 탑의 상부에서 균일하게 분배되어 상승하는 공기 층 속으로 물방울 상태로 흘러내리며 열 교환이 일어난다. 물과 공기의 접촉을 증가시키기 위해 충진제(Packing or Filling)가 사용된다. 냉각된 물 온도와 습구 온도와의 차를 결정하는 영향인자는 공기의 양, 물과 공기의 접촉시간, 충진재의 표면적, 물의 분배형태 등이다.

 

냉각탑의 종류

냉각탑은 통풍방식에 따라 자연통풍식과 기계통풍식으로 나누며, 냉각방식에 따라 습식, 건식, 습건식 혼합형으로 나눈다.

 

통풍 방식에 의한 분류

기계통풍식 냉각탑(Mechanical Draft Cooling Tower)

큰 팬으로 수직적인 공기의 흐름을 유도하여 냉각하는 방식으로, 유인통풍식과 강제통풍식으로 다시 나눌 수 있으며, 기계통풍식의 특징은 다음과 같다.

 

○ 장점

- 공기량 조절이 용이하여 냉각수의 냉각온도 조절이 쉽다.

- 대기 중 습도의 영향을 크게 받지 않는다.

- 설치비가 자연 통풍식보다 저렴하고, 구조물이 낮다.

 

○ 단점

- 공기 유도용 팬 사용으로 소음이 심하다.

- 냉각탑에서 배출된 수증기로 인해 스모그를 형성할 확률이 높다.

- 유지정비 및 가동비가 자연통풍식에 비해 많이 든다.

- 따스하고 축축한 배기가 공기 취입구로 흡입되어 재순환될 우려가 있다.

- 다수의 냉각탑을 설치해야 하므로 자연통풍식보다 설치면적이 커진다.

 

자연통풍식 냉각탑(Natural Draft Cooling Tower)

탑을 200m 정도로 높게 설치하여 탑 내의 더운 공기와 주위 대기와의 온도차를 이용하여 공기의 흐름을 유도하는 방식이다.

 

○ 장점

- 기계나 전자 부품을 사용하지 않기 때문에 고장 날 확률이 적다.

- 팬이 없으므로 소음이 없다.

- 유지정비 및 가동비가 기계통풍식에 비해 적게 든다.

- 백색 수증기(Plume)가 높은 곳에서 배출되므로 지면에 안개가 끼거나 재순환되지 않는다.

 

○ 단점

- 냉각탑이 높아야 하므로 기계통풍식에 비해 설치비가 많이 든다.

- 굴뚝효과는 습도가 감소함에 다라 약화되며, 이로 인해 무덥고 건조한 날씨에는 불리하다.

- 통풍이 되지 않는 밀집된 지역에서의 사용은 비경제적이다.

 

물을 냉각시키는 방식에 의한 분류

습식 냉각탑(Wet Cooling Tower)

습식 냉각탑은 물이 공기와 직접 접촉함으로서 냉각이 이루어지며, 물과 공기의 흐름방향에 따라 직교류형, 향류형 등으로 분류된다.

 

○  습식 냉각탑의 특징

- 물과 공기가 직접 접촉함으로써 냉각효과가 우수하여 규모를 작게 할 수 있고 초기투자비가 적게 든다.

- 물방울 및 안개가 발생한다.

- 냉각수 증발 및 블로우다운(Blow-down)으로 보충수의 양이 많다.

- 냉각용량에 따라 여러 셀(Cell) 구성이 가능하므로 설비운영에 융통성이 있다.

 

건식 냉각탑(Dry Cooling Tower)

공기와 냉각수가 직접 접촉하지 않도록 한 공랭식 열교환기이다.

 

○ 건식 냉각탑 특징

- 물방울 및 안개가 발생하지 않는다.

- 직접식인 경우 냉각수 증발 및 블로우 다운이 없어 보충수 소모가 거의 없다.

- 전열면적이 넓어 규모가 크고 투자비(습식의 5~10배)가 높다.

- 설치공간이 많이 소요되고 운전 및 유지비가 많이 든다.

 

습건식 혼합형(Wet-dry Cooling Tower)

습식에서 사용되는 충진재와 건식 열교환기를 함께 사용하는 방식으로 분당, 일산, 안양, 부천복합 등에 설치되어 운영 중이다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 습건식 혼합형으로 먼저 건식 열교환기를 이용해 물 온도를 낮춘 후 습식 충진재를 통과 시킴으로써 증발량을 감소시킨다.

 

건식 열교환기를 통과한 고온 건조한 공기는 습식 충진재를 통과한 다습한 공기와 혼합 배출됨으로써 습도가 감소된다. 따라서, 건식 열교환기를 통과하는 공기 양과 습식 충진재를 통과하는 공기 비율을 조절하여 백색 수증기를 눈에 보이지 않게 하거나 백색수증기가 주위의 기후에 미치는 영향을 줄일 수 있으며 기후 조건에 다라 아래와 같이 효율적으로 운전할 수 있다.

○ 하절기나 부하가 많이 걸릴 경우에는 효율이 좋은 습식운전

○ 겨울철과 같이 기온이 낮아 백색 수증기 발생이 우려되는 경우 건식 운전 또는 습건식 혼합 운전