원자력발전소 주변압기 냉각기의 외부 풍속에 의한 냉각능력 영향 분석 = Analysis of the Effect of External Wind Speed on the Cooling Capability of Main Transformer Coolers in Nuclear Power Plants

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nuclear power plants in Korea are mostly located in coastal regions and are frequently exposed to strong and highly fluctuating winds. Such environmental winds can degrade the cooling performance of main transformer coolers, potentially limiting allowable transformer loading during high-wind events. This study quantitatively evaluates the effects of external wind speed and direction on the performance of axial fans and fin–tube heat exchangers using computational fluid dynamics (CFD).
The CFD model employs the realizable k–ε turbulence model, an ε–NTU-based dual-cell heat exchanger model, and a pressure-jump fan model to represent the coupled fan– heat-exchanger system at the cooler-unit level. Wind direction angles of 0°, 45°, and 90° and wind speeds ranging from 0 to 50 m/s are considered to assess changes in airflow, heat-transfer rate, and oil outlet temperature under environmental wind conditions.
The results indicate that, under headwind conditions, increasing wind speed induces stagnation and recirculation zones at the fan inlet, which substantially reduces fan pressure rise and airflow through the heat exchanger. Consequently, the heat-transfer rate decreases by up to approximately 52% relative to the calm condition, accompanied by an increase in the oil outlet temperature. Performance degradation is also observed under 45° and 90° crosswind conditions; however, the most pronounced reduction occurs under headwind inflow.
These findings demonstrate that environmental winds can significantly impair the cooling capability of main transformer coolers, which may increase top-oil and winding temperatures and reduce allowable transformer loading. Therefore, external wind conditions should be considered in the design and selection of cooling fans and in mitigation strategies such as shielding structures and layout improvements. The results of this study provide a quantitative basis for evaluating cooling-performance derating and for establishing improved design and operational guidelines for nuclear power plant main transformer cooling systems.

국문 초록 (Abstract)

국내 원자력발전소의 주변압기는 대부분 해안가에 위치하여 강풍 및 돌풍과 같은 외기환경에 빈번히 노출되며, 이러한 조건은 냉각기 냉각능력 저하를 유발할 수 있다. 최근 현장 에서 강풍 시 냉각팬 성능 저하 및 비정상 정지 사례가 보고됨에 따라, 외부 풍속 및 풍향변화가 주변압기 냉각기 성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 필요성이 제기되고 있다.
본 연구에서는 전산유체해석(CFD)을 활용하여 외기 유동 조건 변화가 주변압기 송유풍냉식(ODAF) 냉각기의 팬 입구 유동 특성 및 열교환기 전열 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
해석에는 Realizable k–ε 난류모델, ε–NTU 기반 열교환기 모델, 그리고 Pressure Jump 팬 모델을 적용하여, 국부 유동 세부보다는 냉각기 계통 단위에서의 성능 변화를 평가할 수 있 도록 해석 모델을 구성하였다. 해석 결과, 정면풍 조건에서 외기 풍속이 증가함에 따라 팬 입구 영역에 정체 및 재순환 유동이 형성되었으며, 이로 인해 팬 압력상승 특성과 열교환기 전열 성능이 현저히 저하되는 것으로 나타났다. 해당 조건에서 열전달량은 무풍(Calm) 조건 대비 최대 약 52.7% 감소하였고, 절연유 출구 온도는 뚜렷한 상승 경향을 보였다. 또한 45° 및 90° 풍향 조건에서도 냉각 성능 저하가 관찰되었으나, 정면풍 조건에서 그 영향이 가장 크게 나타났다. 이러한 외기 풍속에 의한 냉각능력 저하는 주변압기의 절연유 온도 및 권선 온도 상승을 유발하여 변압기 허용 용량 감소 및 발전소 출력 감발 요구로 이어질 수 있음을 확인하였다. 따라서 주변압기 냉각기 설계 및 선정 시 외기 풍속 및 풍향 조건을 고려한 팬 용량 산정과 차폐 구조 도입 등 냉각 성능 저하를 완화하기 위한 보완 대책 마련이 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 1
• 1.3 연구 범위 및 구성 2
• 2. 이론적 배경 3
• 2.1 전력용 변압기 일반 3
• 2.2 열교환기 열전달 이론 17
• 2.3 냉각팬 성능 및 Pressure Jump 모델 23
• 2.4 전산유체해석(CFD) 기본 이론 28
• 3. 수치해석(CFD) 모델 구성 34
• 3.1 지배방정식 및 난류모델 34
• 3.2 해석 영역 및 격자 생성 35
• 3.3 메쉬 독립성 검토 39
• 3.4 경계조건 설정 41
• 3.5 팬 모델링(Pressure Jump Method) 45
• 3.6 해석 모델 검증 (Validation) 46
• 4. 수치해석 결과 및 고찰 52
• 4.1 풍속풍향에 따른 냉각팬 유동 변화 53
• 4.2 열교환기 내부 온도장 분석 57
• 4.3 열교환기 출구온도 및 열전달량 변화 분석 58
• 4.4 팬 회전수 증배 운전 효과 60
• 4.5 종합 고찰 62
• 5. 결론 64
• i
• 5.1 연구 요약 64
• 5.2 연구 의의 및 적용 가능성 65
• 5.3 향후 연구 과제 66
• 5.4 결론적으로 67
• 참고문헌 68
• Abstract 71
• 감사의글 72