화력 발전소 – 구성 요소, 작동 원리 및 위치 선정

열력 발전소란?

에너지 보존 법칙에 따르면 에너지는 생성되거나 소멸되지 않으며, 한 형태에서 다른 형태로만 변환될 수 있습니다. 특히 전기 에너지는 다양한 에너지 원천으로부터 얻을 수 있습니다. 대규모의 전기 에너지를 생산하기 위해 설계된 시설은 일반적으로 발전소 또는 발전소라고 불립니다.

열력 발전소는 열 에너지를 전기 에너지로 변환하는 종류의 발전 시설입니다. 이러한 발전소의 열 에너지는 석탄, 디젤, 바이오 연료, 태양 에너지, 핵 에너지 등 다양한 원천에서 유래할 수 있습니다. "열력 발전소"라는 용어는 기술적으로 다양한 열원을 사용하는 발전소를 포함할 수 있지만, 주로 석탄을 이용하여 열을 발생시키는 발전소와 가장 많이 연관됩니다. 따라서 열력 발전소는 전통적인 발전 시스템으로 간주되며, 때때로 증기 터빈 발전소 또는 석탄 화력 발전소로 알려져 있습니다. 이는 주요 연료 원과 주요 에너지 변환 메커니즘을 반영합니다.

열력 발전소의 작동 원리

열력 발전소는 랭킨 사이클을 기반으로 작동하며, 이는 열을 기계 작업으로 변환하는 기본적인 열역학적 사이클입니다. 그런 다음 이 기계 작업은 전기를 생성하는 데 사용됩니다. 다음의 일선도 또는 열력 발전소의 배치도는 그 운영 구성 요소 및 과정의 시각적 표현을 제공합니다.

열력 발전소의 내부 작동 및 구성 요소

운영 과정

열력 발전소는 일반적으로 석탄과 같은 많은 양의 연료가 필요합니다. 필요한 양이 많기 때문에 석탄은 주로 기차로 운송되어 전용 연료 저장 구역에 보관됩니다. 처음에는 원석탄이 보일러에서 직접 사용하기에는 너무 큽니다. 이를 해결하기 위해 석탄은 크러셔에 넣어 더 작은 관리 가능한 조각으로 분쇄한 후 보일러로 운송됩니다.

석탄 외에도 보일러 내에서 증기를 생성하기 위해 많은 양의 물이 필요합니다. 시스템에 들어가기 전에 물은 처리 과정을 거칩니다. 여러 필터를 통해 불순물과 용해된 공기를 제거하여 순수하게 만듭니다. 처리된 후 물은 보일러 드럼으로 보내집니다. 보일러 드럼 안에서 석탄의 연소로 발생한 열이 물로 전달됩니다. 결과적으로 물은 상태 변화를 겪고 증기로 변환됩니다.

생성된 증기는 고압이고 고온이어서 전력 생산에 이상적입니다. 이 증기는 슈퍼히터로 보내져 더 많은 열 에너지를 얻기 위해 추가로 가열됩니다. 슈퍼히트된 증기는 터빈 날개로 보내집니다. 증기가 터빈 날개를 지나갈 때 그 열 에너지는 터빈에 의해 기계 회전 에너지로 변환됩니다.

터빈은 공통 축을 통해 교류발전기에 기계적으로 연결됩니다. 터빈이 회전하면 교류발전기의 로터를 움직입니다. 교류발전기는 이 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 효율적으로 긴 거리를 통해 생성된 전기 에너지를 전송하기 위해 변압기를 통해 전압을 상승시킵니다. 고전압 전기는 전송선을 통해 전력망의 최종 사용자 또는 부하까지 전송됩니다.

터빈을 통과한 후 낮은 압력과 온도의 증기는 콘덴서로 보내집니다. 콘덴서에서는 차가운 물이 증기 주변을 순환하여 증기가 다시 액체 상태로 응축됩니다. 이 응축 과정은 증기로부터 남아있는 열을 방출하여 효과적으로 압력과 온도를 감소시킵니다. 이렇게 물을 회수함으로써 발전 주기의 효율성이 향상됩니다.

응축된 물은 피드워터 펌프를 통해 보일러로 다시 보내져 다시 가열되고 증기로 변환되면서 주기를 완성합니다. 한편, 석탄 연소의 부산물인 재는 보일러 오븐에서 제거됩니다. 환경 피해를 막기 위해서는 이 재의 적절한 처분이 중요합니다. 또한, 보일러에서 석탄을 연소할 때 발생하는 연기는 굴뚝을 통해 대기 중으로 방출됩니다.

주요 구성 요소

열력 발전소는 발전 과정을 촉진하기 위해 조화롭게 작동하는 여러 중요한 구성 요소로 구성됩니다:

• 보일러: 석탄의 연소가 이루어지고, 열이 물로 전달되어 증기를 생성하는 열력 발전소의 핵심 구성 요소입니다.

• 터빈: 고압 증기의 열 에너지를 기계 회전 에너지로 변환합니다.

• 슈퍼히터: 보일러에서 생성된 증기의 온도를 높여, 보다 효율적인 발전을 위한 에너지 함량을 증가시킵니다.

• 콘덴서: 터빈에서 나온 배기 증기를 다시 물로 응축하여 열을 회수하고 주기의 효율성을 유지합니다.

• 이코노마이저: 연소 가스의 열을 이용하여 피드워터를 예열하여 보일러의 전체 에너지 소비를 줄입니다.

• 피드워터 펌프: 콘덴서에서 응축된 물을 보일러로 순환시키며, 증기 생산을 위한 연속적인 공급을 보장합니다.

• 교류발전기: 터빈의 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력망을 통해 배포할 수 있도록 합니다.

• 굴뚝: 석탄 연소 중 발생하는 연기를 대기 중으로 제어된 방식으로 배출합니다.

• 냉각탑: 콘덴서에서 사용되는 물을 냉각하여 재사용할 수 있도록 합니다.

열력 발전소의 구성 요소, 위치 선택 및 효율성

열력 발전소의 주요 구성 요소

보일러

분쇄된 석탄과 예열된 공기는 보일러에 공급되며, 이는 고압 증기를 생성하는 핵심 구성 요소입니다. 그 주요 기능은 석탄에 저장된 화학 에너지를 연소 과정을 통해 열 에너지로 변환하는 것입니다. 석탄이 보일러 내에서 연소되면 강한 열이 발생하여 물을 증기로 변환하는 데 충분한 온도를 달성합니다. 보일러의 크기는 열력 발전소의 열 요구 사항에 따라 직접 결정됩니다. 열력 발전소에서 사용되는 다양한 보일러가 있으며, 하이콕과 왜건 탑 보일러, 파이어튜브 보일러, 원통형 파이어튜브 보일러, 그리고 워터튜브 보일러 등 각각의 설계 특성과 운영 장점이 있습니다.

터빈

보일러에서 생성된 고압 고온 슈퍼히트 증기는 터빈으로 보내집니다. 이 증기가 터빈 날개를 때리면 터빈이 움직입니다. 터빈은 증기의 열 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하도록 특별히 설계된 정교한 기계 장치입니다. 터빈은 공통 축을 통해 교류발전기의 로터를 구동합니다. 증기가 터빈을 통과한 후 온도와 압력이 감소하고, 그 다음에는 콘덴서로 보내져 추가 처리를 받습니다.

슈퍼히터

증기 터빈 기반 발전 시스템에서 슈퍼히트 증기는 터빈의 효율적인 작동에 필수적입니다. 보일러에서 나오는 습기 찬 포화 증기는 슈퍼히터로 공급됩니다. 이 장치는 증기를 건조하고 슈퍼히트 증기로 변환하여 열 에너지 함량을 크게 증가시키는 중요한 역할을 합니다. 열력 발전소의 모든 구성 요소 중 슈퍼히터는 가장 높은 온도에서 작동합니다. 주로 사용되는 세 가지 유형의 슈퍼히터는 대류 슈퍼히터, 복사 슈퍼히터, 그리고 별도로 가열되는 슈퍼히터입니다. 슈퍼히터는 보일러에서 생성된 증기의 온도를 높여 전력 생산 과정의 전체 효율성을 향상시킵니다.

콘덴서

증기가 터빈을 통과한 후 온도와 압력이 감소하면 배기 증기는 다시 발전 주기로 재활용됩니다. 터빈의 효율성을 최적화하기 위해서는 증기를 응축하여 적절한 진공을 생성하고 유지해야 합니다. 콘덴서는 작동 압력을 감소시켜 진공 수준을 높입니다. 이 진공 수준의 증가는 증기의 부피를 확장시켜 터빈에서 더 많은 일을 추출할 수 있게 합니다. 결과적으로 발전소의 전체 효율성이 향상되고, 터빈의 출력도 증가합니다.

이코노마이저

이코노마이저는 발전소 내에서 에너지 소비를 최소화하도록 설계된 특수한 열 교환기입니다. 보일러에서 배출된 연소 가스는 대기 중으로 방출되며, 이코노마이저는 이러한 연소 가스의 열을 활용하여 물을 예열합니다. 콘덴서에서 회수된 물은 피드워터 펌프에 의해 이코노마이저로 보내집니다. 여기서 연소 가스의 열을 흡수하여 보일러로 들어가기 전에 온도를 높입니다. 연소 가스의 폐열을 재사용함으로써 이코노마이저는 발전 주기의 전체 효율성을 크게 향상시킵니다.

피드워터 펌프

피드워터 펌프는 보일러에 물을 공급하는 역할을 합니다. 물의 출처는 콘덴서에서 응축된 물이나 신선한 물일 수 있습니다. 이 펌프는 물의 압력을 증가시켜 보일러의 요구 사항을 충족할 수 있는 연속적이고 충분한 공급을 보장합니다. 일반적으로 피드워터 펌프는 원심식 또는 양압식이며, 각각 성능과 효율성 측면에서 독특한 장점을 제공합니다.

교류발전기

터빈과 공통 축을 통해 기계적으로 연결된 교류발전기는 발전 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 증기의 힘으로 터빈이 회전하면 교류발전기의 로터를 구동합니다. 이 회전은 전자기장을 유도하여 전기 에너지를 생성합니다. 본질적으로 교류발전기는 터빈의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 전력망을 통해 전송 및 배포할 수 있도록 하는 변환기 역할을 합니다.

굴뚝

대부분의 석탄을 연료로 사용하는 열력 발전소에서 보일러 내에서의 연소 과정은 연소 가스를 생성합니다. 굴뚝은 이러한 연소 가스가 안전하게 대기 중으로 방출되는 경로를 제공합니다. 그 작동은 자연 대류와 스택 효과의 원칙에 기반합니다. 덜 밀도가 높은 뜨거운 공기는 상승하여 연소 가스를 위로 끌어올리는 대류를 생성합니다. 굴뚝의 높이는 중요한 요소이며, 더 높은 굴뚝은 더 강한 대류를 생성하여 가스 분산을 더욱 효율적으로 만듭니다.

냉각탑

냉각탑은 그 이름처럼 폐열을 대기 중으로 방출하는 데 주로 사용됩니다. 다양한 열 전달 방법을 사용하여 냉각탑은 물의 열을 증발시켜 더 차가운 물을 재사용할 수 있도록 합니다. 콘덴서에서 응축된 물은 냉각탑으로 보내집니다. 열력 발전소에서 강제 유동 냉각탑이 일반적으로 사용되며, 공기는 타워의 아래에서 위로 순환하여 열 전달 효율을 향상시킵니다.

열력 발전소의 위치 선택 기준

연료의 가용성

대부분의 열력 발전소에서 석탄이 주요 연료이며, 대규모 전기 생산을 위해 필요한 양이 많기 때문에 발전소를 석탄 광산 근처에 위치시키는 것이 매우 유리합니다. 이러한 근접성은 운송 비용을 크게 줄여 발전 과정을 경제적으로 만들 수 있습니다.

교통 시설

열력 발전소는 많은 대형 기계와 장비를 보유하고 있습니다. 따라서 발전소 부지는 우수한 교통 인프라가 있는 지역에 선택되어야 합니다. 석탄의 효율적인 이동뿐만 아니라 새로운 장비의 배송과 작업자, 기술자, 엔지니어의 이동을 위한 신뢰할 수 있는 철도 또는 도로 교통이 필수적입니다. 또한, 근처에 대중교통이 있으면 발전소 직원들의 접근이 편리해집니다.

물의 가용성

열력 발전소는 고압 고온 증기를 생산하기 위해 많은 양의 물이 필요합니다. 따라서 발전소는 강둑이나 지속적이고 풍부한 물 공급이 가능한 위치에 있어야 합니다. 이는 증기 생성 및 냉각 과정에 필요한 물의 연속적인 수요를 충족시킬 수 있습니다.

토지의 가용성

열력 발전소의 건설에는 큰 면적의 토지가 필요합니다. 또한, 토지 비용은 합리적이어야 합니다. 부지 선택 시 미래 확장을 위한 여지도 고려해야 합니다. 발전소는 무거운 기계를 보유하고 있으므로, 토지는 충분한 하중 지지 능력을 가져야 하며, 장비를 지원하기 위한 견고한 기초가 필요합니다.

밀집 지역과의 거리

열력 발전소는 작동 중에 연소 가스, 재, 먼지, 연기를 방출하며, 이는 인간에게 심각한 건강 위험을 초래하고 주변 대기와 토지에 환경 피해를 줄 수 있습니다. 이러한 영향을 최소화하기 위해 발전소는 도시 지역, 주거 지역, 농업 농장과 멀리 떨어진 곳에 위치해야 합니다. 또한, 발전소의 기계, 교류발전기, 변압기, 팬, 터빈 등에서 발생하는 소음은 발전소를 원거리에 위치시키는 것을 더욱 필요로 합니다.

재 처리 시설

석탄의 연소로 인해 재가 발생하며, 이는 석탄 소비량의 약 30-40%를 차지합니다. 적절한 재 처리는 매우 중요합니다. 재는 보일러 오븐의 바닥에서 수집되며, 대부분은 연소 가스에 의해 운반됩니다. 재를 효과적으로 관리하기 위해 두 가지 주요 재 처리 시스템이 사용됩니다: 바텀 재 처리 시스템과 플라이 재 처리 시스템. 발전소 부지는 재의 안전하고 환경 친화적인 처리를 위한 적절한 시설을 갖추어야 합니다.

부하 중심과의 근접성

교류발전기에서 생성된 전기 에너지는 전력 변압기를 통해 전압이 상승된 후 전송선을 통해 부하 중심으로 전송됩니다. 열력 발전소를 부하 중심에 가깝게 위치시키면 전송 비용과 손실을 줄여 전기의 보다 효율적이고 경제적인 배포를 가능하게 합니다.

열력 발전소의 효율성

열력 발전소에서 전기 생성은 여러 에너지 변환 단계를 포함합니다. 먼저 석탄의 화학 에너지는 열 에너지로 변환됩니다. 이 열 에너지는 다시 운동 에너지 또는 기계 에너지로 변환되며, 마지막으로 전기 에너지로 변환됩니다. 이러한 여러 에너지 변환 과정으로 인해 열력 발전소의 전체 효율성은 비교적 낮으며, 일반적으로 20-29% 범위입니다.

열력 발전소의 효율성은 발전소의 크기와 사용되는 석탄의 품질等多种因素影响。热力发电厂的效率通常在30%左右。大约50%的总热能会在冷凝器中作为废热散失。其余的热能在烟囱排放的烟气和煤燃烧产生的灰烬中损失。这种在冷凝器和其他途径中的大量热损失突显了传统热力发电过程的固有低效性。 전력 발전소의 전체 효율성은 석탄 연소 중 발생하는 총 열 에너지에 대한 전기 출력의 열 동등값의 비율로 계산됩니다. 이 지표는 석탄에 저장된 초기 화학 에너지에서 최종 전력망으로 전송되는 전기 에너지까지의 모든 에너지 변환 단계를 포괄하는 발전소의 성능을 종합적으로 측정합니다. 발전소가 석탄의 에너지를 사용 가능한 전기 전력으로 변환하는 데 얼마나 효과적인지를 나타내며, 복잡한 발전 과정의 각 단계에서 발생하는 손실을 고려합니다.

열력 발전소의 전체 효율성

열력 발전소의 전체 효율성은 발전 주기 전체에서 발생하는 모든 손실을 포괄합니다. 이는 석탄 연소, 열 전달 과정, 증기 터빈 작동, 그리고 특히 교류발전기의 성능을 포함합니다. 교류발전기는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 이러한 각 단계는 전체 에너지 손실에 기여하며, 결국 석탄의 초기 에너지 중 실제로 사용 가능한 전기 전력으로 변환되는 비율을 결정합니다.

열력 발전소의 전체 효율성은 발전소의 크기와 발전 용량, 일반적으로 메가와트(MW)로 측정되는 것과 밀접하게 관련되어 있습니다. 일반적으로 열력 발전소의 용량과 효율성 사이에는 직접적인 상관관계가 있습니다: 용량이 낮은 발전소는 일반적으로 전체 효율성이 낮습니다. 작은 발전소는 대형 발전소가 가진 규모의 경제와 최적화된 설계 특징을 갖추지 못하여, 발전 과정의 각 단계에서 상대적으로 더 많은 에너지 손실이 발생합니다. 이는 연료 당 생성되는 전기의 양이 줄어들어 에너지 효율성이 낮아짐을 의미합니다.