개념 한 쪽
화력발전소의 전기설비와 운전은 가스터빈과 증기터빈의 차이, 터빈발전기의 극수와 냉각, 보일러 부속설비의 열회수, 연료 발열량과 발전효율 계산을 함께 다룬다. 각 설비의 구조와 운전 특성을 구분하고, 열량과 전력량의 환산 관계를 적용해 효율을 판단하는 것이 핵심이다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「화력발전소의 전기설비와 운전」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 가스터빈 장단점 판별 | 1 | 가스터빈과 증기터빈의 특성을 비교해 옳지 않은 설명을 가린다 |
| 터빈발전기 극수 판별 | 1 | 터빈발전기에 쓰는 표준 극수를 고른다 |
| 보일러 흡수 열량 판별 | 1 | 보일러 부속설비 중 흡수 열량이 가장 큰 장치를 고른다 |
가스터빈은 공기를 압축해 연료와 함께 태워 터빈을 돌리는 방식이라 증기터빈과 특징이 다르다. 가스터빈은 기동이 빠르고 조작이 간단해 급한 전기 수요에 대응하는 첨두부하발전에 적합하며 냉각수도 적게 든다. 그러나 무부하일 때도 압축기 등을 계속 돌려야 하므로 연료 소비가 많고 부분부하 효율이 나쁘다.
터빈발전기는 화력·원자력 발전소에서 증기터빈과 직결되어 빠르게 돌리는 발전기다. 빠른 회전에 유리하도록 극수를 적게 만들며, 원통형인 비돌극형 회전자로 보통 2극 또는 4극을 쓴다. 회전수는 N = 120f/P로 구하고, 60Hz에서 2극이면 3600rpm, 4극이면 1800rpm이 된다. 수력발전기는 저속이라 반대로 극수가 많다.
보일러의 열교환 부속 중 수냉벽은 화로 벽면 전체를 관이 빽빽하게 둘러싼 구조라 고온 화염의 복사열을 직접 받아 보일러 급수를 증발시킨다. 수냉벽은 전체 흡수열의 대략 절반을 차지해 흡수 열량이 가장 크다. 과열기는 만들어진 증기를 더 데우는 역할이고, 절탄기와 공기예열기는 굴뚝으로 나가는 폐열을 회수하는 하위 부속이라 흡수량이 상대적으로 작다.
화력발전소의 연도에는 열회수 장치가 순서대로 놓이며, 가스 흐름은 보일러에서 절탄기, 공기 예열기, 집진기, 굴뚝으로 이어진다. 공기 예열기는 연도의 맨 끝 최후단에 설치되어 거의 식은 배기가스의 남은 열로 연소 공기를 미리 데운다. 절탄기는 공기 예열기 앞단에서 급수를 데우고, 터빈은 연도 계통 밖의 설비다.
발전효율 계산에서는 1kWh가 860kcal에 해당한다는 환산 관계를 쓴다. 석탄 1kg의 발열량이 5000kcal이고 효율이 40%이면 5000×0.4÷860≈2.3kWh가 된다. 보일러 손실이 20%이면 보일러 효율은 80%이고, 터빈 출력이 입력의 50%이면 총효율은 0.8×0.5=0.4가 되어 열소비율은 860÷0.4=2150kcal/kWh가 된다. 열효율은 발전량에 860을 곱한 열량을 연료량과 발열량의 곱으로 나누어 구한다.
발전기의 회전수가 높으면 원심력이 커지고 극수가 적어지며 축방향 길이가 길어진다. 고속·대용량 발전기는 손실과 발열이 커서 냉각이 중요하고, 수소는 공기보다 열전도율이 좋고 밀도가 낮아 회전 손실도 적으므로 공기 냉각보다 유리하다. 열의 일당량은 일량을 열량으로 나눈 비율이라 단위가 kg·m/kcal이고 값은 약 427이다.
가스터빈 문제에서는 기동이 빠르고 냉각수가 적게 든다는 장점과 무부하·부분부하에서 연료 소비가 많다는 단점을 뒤집는 선지를 가려낸다. 터빈발전기의 극수를 수력용 다극으로 제시하거나, 고속 발전기에서 원심력이 작아지고 극수가 많아진다고 서술하면 틀린 설명이 된다. 보일러에서는 수냉벽보다 과열기나 절탄기의 흡수 열량이 크다고 바꾸는 선지가 함정이고, 연도 끝 장치를 절탄기로 제시하는 경우도 구분해야 한다. 효율 계산에서는 860 환산을 빠뜨리거나 ton을 kg으로 바꾸지 않는 실수가 답을 어긋나게 만든다. 열의 일당량 단위를 kcal/kg이나 kg/cm³로 제시하는 선지도 정의식과 맞지 않는다.
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.
전기공사산업기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.