개념 한 쪽
발전소 설비와 연료 간의 열에너지 흐름을 이해하는 것이 열역학의 개요의 핵심이다. 연료의 발열량과 각 단계 효율을 이용해 열효율과 열소비율을 계산하는 기본 원리를 익혀야 한다. 단위 환산 규칙, 특히 1kWh = 860kcal과 ton↔kg 환산을 정확히 적용하는 것이 계산 실수를 피하는 요령이다.
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출제기준 단원 「열역학의 개요」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 장단점 판별 | 1 | 가스터빈의 장점과 단점 중 옳지 않은 설명을 가리기 |
| 극수 판별 | 1 | 터빈발전기의 일반적인 극수를 가리기 |
| 흡수열 판단 | 1 | 보일러 부속 가운데 흡수 열량이 가장 큰 부속을 가리기 |
가스터빈은 공기를 압축해 연료와 함께 연소시켜 직접 터빈을 구동하는 방식이며, 증기터빈과 비교해 기동이 빠르고 조작이 간단하며 냉각수 소요가 적은 장점이 있다. 그러나 압축기를 계속 구동해야 하므로 무부하나 부분부하에서 연료 소비가 많고 부분부하 효율이 나쁜 단점이 있다. 따라서 장점과 단점을 구분해 기억해야 한다.
발전기의 극수는 회전수와 연관되어 N = 120f/P 식으로 표현된다. 증기터빈을 직접 연결하는 터빈발전기는 고속 회전에 유리하도록 극수를 적게 하여 보통 2극 또는 4극을 사용한다. 반대로 수력발전기는 저속 운전에 적합해 극수가 많아진다.
보일러와 연도 계통의 열회수 설비들 가운데 수냉벽은 화염에 가장 가까이 있어 복사열을 직접 흡수하므로 흡수열이 가장 크다. 연도의 최후단에는 공기예열기를 두어 배기가스의 남은 열로 연소 공기를 예열해 열회수를 최대로 한다. 과열기·절탄기·공기예열기는 각각 다른 위치와 역할을 가지므로 배열 순서를 이해해야 한다.
열에너지와 전기에너지 간 환산에서 핵심 상수는 1kWh = 860kcal이다. 열효율은 투입된 연료의 열량 대비 발전된 전기에너지의 비율로 정의하며, 단위와 환산을 맞춘 뒤 계산해야 정확한 값을 얻는다. 열의 일당량은 일량을 열량으로 나눈 값으로 단위는 kg·m/kcal이고 값은 약 427kg·m/kcal이라는 의미를 갖는다.
발전소 전체의 총효율은 각 단계(예: 보일러 효율, 터빈 효율 등)의 곱으로 구하며, 열소비율은 860을 총효율로 나눈 값으로 구한다. 단계별 효율을 올바르게 곱하고 860 환산을 적용하는 것이 열소비율과 열효율 문제의 기본 원리다.
대표 계산 1 — 석탄 1kg의 전력량 환산 예: 석탄 발열량이 5000kcal/kg이고 발전소 효율이 40%일 때, 실제 유효 열량은 5000×0.4 = 2000kcal이다. 이를 전력량으로 환산하면 2000 ÷ 860 ≈ 2.33kWh가 되어 1kg 석탄으로 약 2.3kWh의 전력을 얻는다고 본다.
대표 계산 2 — 열소비율 계산 예: 보일러 손실이 20%이면 보일러 효율은 0.8이고, 터빈 출력을 입력 대비 50%라면 터빈 효율은 0.5이다. 총효율은 0.8×0.5 = 0.4이고, 열소비율은 860 ÷ 0.4 = 2150kcal/kWh가 된다.
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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