개념 한 쪽
화력발전의 중심에는 보일러와 터빈발전기가 있다. 보일러에서 만든 증기로 터빈을 돌려 발전기를 돌리는 구조이며, 보일러를 이루는 부속장치마다 흡수하는 열의 크기와 역할이 다르다. 발전기는 터빈과 직결되어 빠르게 돌아가므로 극수가 적은 원통형 구조를 쓴다. 시험에서는 부속장치의 특징과 함께 열효율·열소비율 계산이 함께 묻인다.
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출제기준 단원 「보일러 및 부속장치」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 가스터빈 특징 비교 | 1 | 증기터빈과 비교해 틀린 설명 가리기 |
| 터빈발전기 극수 | 1 | 고속기에 맞는 표준 극수 고르기 |
| 보일러 흡수열 순위 | 1 | 부속 중 흡수 열량이 가장 큰 것 찾기 |
보일러의 열교환 부속장치는 연도가스로부터 열을 흡수하는데, 그 크기가 부속마다 다르다. 화로 벽면을 관으로 빽빽하게 둘러싼 수냉벽은 고온 화염의 복사열을 직접 받아 급수를 증발시키며, 전체 흡수열의 대략 절반을 차지해 가장 크다. 과열기는 만들어진 증기를 더 데우는 역할이고, 절탄기와 공기예열기는 굴뚝으로 나가는 폐열을 회수하는 부속이라 흡수량이 상대적으로 작다.
연도에는 열회수 장치가 순서대로 놓인다. 가스 흐름 순서는 보일러 → 절탄기 → 공기예열기 → 집진기 → 굴뚝이다. 절탄기는 급수를 데우고, 연도 맨 끝의 공기예열기는 거의 식은 배기가스의 여열로 연소용 공기를 미리 데운다.
터빈발전기는 증기터빈과 직결되어 빠르게 도는 고속기이므로 극수가 적은 원통형(비돌극형) 회전자를 쓰고, 보통 2극 또는 4극이다. 회전수 N = 120f/P에서 극수가 적을수록 빨리 돈다. 60Hz에서 2극이면 3600rpm, 4극이면 1800rpm이다. 반대로 수력발전기는 저속이라 극수가 많은 돌극형을 쓴다. 회전수가 높으면 극수가 줄고 축방향 길이와 원심력이 커지며, 발열이 커지므로 열전도율이 좋고 풍손이 적은 수소 냉각이 공기 냉각보다 유리하다.
가스터빈은 공기를 압축해 연료와 함께 태워 터빈을 도는 방식이라 증기터빈과 특징이 다르다. 기동이 빠르고 조작이 간단해 첨두부하발전에 적합하며 냉각수도 적게 든다. 그러나 무부하일 때도 압축기 등을 계속 돌려야 하므로 연료 소비가 많고 부분부하 효율이 나쁘다.
계산의 기준은 1[kWh] = 860[kcal] 환산이다. 발전량에 860을 곱해 kcal로 맞춘 뒤 연료의 총발열량으로 나누면 열효율이 나온다. 열소비율은 전기 1kWh를 만드는 데 드는 열량으로, 860을 총효율(각 단계 효율의 곱)로 나누어 구한다. 값이 작을수록 좋은 발전소다.
석탄 1kg(발열량 5000kcal/kg), 효율 40%일 때 발전량을 구한다.
유효 열량 = 5000 × 0.4 = 2000[kcal] 전력량 = 2000 ÷ 860 ≈ 2.33[kWh]
효율을 곱하지 않으면 5000 ÷ 860 ≈ 5.8[kWh]이 나오는 함정 선지에 걸린다.
열소비율 계산: 보일러 손실 20%(효율 0.8), 터빈 효율 0.5이면 총효율 = 0.8 × 0.5 = 0.4 열소비율 = 860 ÷ 0.4 = 2150[kcal/kWh]
급수의 엔탈피 130kcal/㎏, 보일러 출구 과열증기 엔탈피 830kcal/㎏, 터빈 배기 엔탈피 550kcal/㎏인 랭킨사이클 의 열사이클 효율은?
정답 ② · 랭킨사이클의 열효율은 터빈에서 발생하는 일과 보일러에서 공급받은 열량의 비로 계산됩니다. 터빈에서 발생하는 일은 (830 - 550) = 280[kcal/kg]이며, 보일러에서 가하는 열량은 (830 - 130) = 700[kcal/kg]입니다.
랭킨사이클 열효율은 터빈 일÷보일러 공급열 = (830-550)/(830-130) = 0.4이다.
터빈입구의 엔탈피 815kal/kg, 복수의 엔탈피 270kal/kg, 유입증기량 300t/h일 때, 발전기 출력은 75000kW로 된다. 발전기 효율을 0.98로 한다면 터빈의 열효율은 약 몇 [%] 인가?
정답 ② · 터빈 입구와 복수 엔탈피, 증기량, 발전기 출력이 주어졌을 때 터빈 열효율을 구하는 문제이다. 먼저 터빈 출력은 발전기 출력을 발전기 효율로 나누어 75000/0.98 약 76531kW가 된다.
터빈출력은 발전기출력÷ηG, 열입력은 Δh×증기량÷860, 효율은 두 값의 비로 40.3%가 된다.
증기터빈의 팽창 도중에서 증기를 추츨하는 형태의 터빈은?
정답 ③ · 문항은 증기터빈에서 팽창 도중 증기를 추출하는 형태의 터빈 명칭을 묻고 있다. 팽창 중간에 증기를 빼내어 다른 용도로 사용하는 터빈을 추기터빈(추출터빈)이라고 하므로 이것이 정답이다.
증기를 팽창 도중에 중간 압력으로 추출해 다른 용도에 쓰는 터빈이 추기(抽出)터빈이다.
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