개념 한 쪽
화력발전은 연료의 화학에너지를 열로 바꾸고 그 열로 증기를 만들어 터빈을 돌려 전기를 생산하는 발전 방식이다. 연료가 가진 발열량과 발전소의 효율 관계를 이해해야 출력·연료소비량·열효율 계산 문제를 해결할 수 있다. 랭킨사이클의 열효율과 엔탈피 개념도 빈번히 출제되므로 핵심 공식을 숙지해야 한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「화력발전의 원리와 종류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연료량·효율로 발전량 환산 | 1 | 석탄량·발열량·효율로 생성 전력량을 계산하는 절차를 묻는다 |
| kWh→kcal 환산으로 열효율 판단 | 1 | 전력량을 kcal로 환산하여 연료열량과 비교해 열효율을 구하는 문제 |
| 엔탈피 이용 랭킨사이클 효율 | 1 | 과열증기·배기·급수 엔탈피 차로 랭킨사이클 열효율을 구하는 문제 |
열효율은 '얻어낸 열량 ÷ 넣어 준 열량 × 100'으로 정의한다. 화력발전 문제에서는 전력량을 열량으로 바꾸기 위해 1kWh = 860kcal 환산값을 반드시 사용한다. 따라서 효율 계산의 표준 절차는 '전력량(kWh)×860 → 연료총열량(kcal)으로 나누어 백분율' 순서로 진행한다.
석탄 등의 연료를 전기로 환산할 때 공식은 일관되게 '발전량[kWh] = (연료량[kg] × 발열량[kcal/kg] × 효율) ÷ 860' 또는 역으로 '필요 연료량 = 발전량×860 ÷ (발열량×효율)' 형태로 정리된다. ton 단위를 사용할 때는 kg 변환(1ton = 1000kg)을 잊지 않아야 오답을 피할 수 있다.
랭킨사이클의 열효율은 터빈에서 얻는 일(터빈 입구 엔탈피 − 배기 엔탈피)을 보일러가 공급한 열(과열증기 엔탈피 − 급수 엔탈피)으로 나눈 값으로 계산한다. 엔탈피는 증기 1kg이 보유한 총열량(액체열과 증발잠열의 합)이라는 점을 구분해야 한다.
발전설비의 출력·효율 문제는 단위 정리에 의해 풀이 경로가 고정된다. 발전기 효율이 주어지면 터빈 출력은 '발전기 출력 ÷ 발전기 효율'로 구하고, 증기가 준 열량은 '엔탈피 차 × 증기량'으로 구해 kcal→kW 환산(÷860) 후 효율을 계산한다.
예시 1 — 석탄 10ton, 발열량 5500kcal/kg, 발생 전력 24000kWh일 때 열효율 계산 절차는 다음과 같다. 발전량 열량 = 24000 × 860 = 20,640,000kcal, 연료 총열량 = 5500 × 10000 = 55,000,000kcal, 효율 = 20,640,000 ÷ 55,000,000 × 100 ≈ 37.5%로 판단한다.
예시 2 — 석탄 1ton, 발열량 5000kcal/kg, 효율 20%일 때 발생 전력량은 총열량 = 1000 × 5000 = 5,000,000kcal, 전기로 변환되는 열 = 5,000,000 × 0.2 = 1,000,000kcal, 발전량 = 1,000,000 ÷ 860 ≈ 1,160kWh로 구한다.
발열량 5500kcal/kg의 석탄 10ton을 연소하여 24000kWh의 전력을 발생하는 화력발전소의 열효율은 약 몇 % 인가?
정답 ④ · 열효율은 발생 전력에너지를 투입 연료의 열량으로 나눈 백분율입니다. 투입 열량은 발열량(5500kcal/kg) × 연료량(10ton=10000kg)이며, 1kWh는 860kcal에 해당합니다.
열효율 = 발전량×860 ÷ (발열량×연료량), 24000×860/5500만 ≈ 37.5%.
화력발전소에서 1톤의 석탄으로 발생시킬 수 있는 전력량은 약 몇 KWh 인가? (단, 석탄 1Kg의 발열량은 5,000 kcal, 효율은 20%이다.)
정답 ③ · 문항은 석탄 1톤으로 화력발전소에서 발생할 수 있는 전력량을 계산하는 문제이다. 계산식은 발전량[kWh] = (질량(kg) × 발열량(kcal/kg) × 효율) ÷ 860이다.
발전량 = 석탄 총발열량 × 효율 ÷ 860kcal, 즉 5,000,000×0.2÷860 ≈ 1,160kWh → ③
어떤 발전소에서 발열량 5000kcal/kg의 석탄 10ton을 사용하여 20000kWh의 전력을 발생하였을 경우 이 발전소의 열효율은 몇 [%]인가?
정답 ③ · 문제는 석탄의 발열량과 사용량으로 발전소의 열효율을 계산하는 것이다. 열효율은 발전으로 얻은 열량(전력량을 kcal로 환산)÷투입된 연료열량으로 계산하므로 전력(kWh)에 860을 곱해 kcal로 바꾸고 연료질량(kg)×발열량(kcal/kg)으로 나눈다.
열효율 = 발전량(kWh)×860 ÷ 사용열량(kcal), 20000×860 ÷ 5×10⁷ = 34.4%이다.
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