화력발전

Thermal Power Generation

화력발전은 연료 연소 열로 증기를 만들고 터빈·발전기로 전기로 바꾸는 방식이에요. 랭킨 사이클과 열효율·열소비율 공식이 경제성 평가의 중심이고 설비 순서가 고정되어 있어요. 고온·고압일수록 이론 효율이 올라가요. 증기·복수 온도와 효율 슬라이더로 열효율이 어떻게 변하는지 살펴봐요.

열에너지를 전기로 바꾸는 원리

🔍 화력발전의 에너지 변환 체인

①연료(석탄·LNG·유류) 연소 → 열에너지 발생

②보일러에서 물을 가열 → 고온·고압 증기 생성

③증기가 터빈을 회전 → 기계에너지

④터빈축에 연결된 발전기 → 전기에너지 출력

💡 왜 열효율이 중요한가

①화력발전의 열효율은 약 35~45%: 나머지는 모두 손실

②복수기(냉각)에서 버려지는 열이 가장 큼 (약 50%): 최대 손실원

③효율 1%p 향상 = 연료비 수억 원 절감 → 실기시험 핵심 주제

⚠️ 설비 순서

①급수 → 절탄기(급수예열) → 보일러(증기발생) → 과열기(과열증기) → 터빈(팽창) → 복수기(냉각·응축)

②절탄기(이코노마이저): 배기가스 폐열로 급수를 예열 → 보일러효율↑

③과열기(슈퍼히터): 포화증기→과열증기로 가열 → 터빈효율↑, 수분침식 방지

④재열기(리히터): 터빈 중간 추기증기를 다시 가열 → 터빈 마지막 단 습분↓

랭킨 사이클과 이론효율

증기온도 T₁540°C

복수기온도 T₂33°C

🔑 사이클 핵심 관찰

①T₁(증기온도)을 높일수록 효율 ↑ → 초임계·초초임계 발전의 근거

②T₂(복수기온도)를 낮출수록 효율 ↑ → 냉각수 온도가 중요한 이유

③카르노 효율 ηc = 1 − T₂/T₁ (절대온도 K 기준): 이론상 최대효율

열효율 공식 체계

카르노 효율

ηc = 1 − T₂T₁

T₁, T₂: 절대온도[K] = ℃ + 273

열효율 (열소비율 기반)

η = 860H × 100 [%]

H: 열소비율[kcal/kWh], 860 = 1kWh의 열량당량

열소비율

H = 연료소비량 × 발열량발전전력량 [kcal/kWh]

발열량: 연료 1kg 연소 시 발생 열량

발전단 열효율

η_p = 860 P_GB × H_f × 100 [%]

P_G: 발전기 출력[kW], B: 연료소비량[kg/h], H_f: 발열량[kcal/kg]

💡 실기 계산 포인트

①"열소비율 2,200 kcal/kWh인 발전소의 열효율은?" → η = 860/2200 × 100 = 39.1%

②"발열량 6,000 kcal/kg인 석탄을 시간당 50톤 소비, 출력 150MW일 때 열효율은?" → η = 860 × 150,000 / (50,000 × 6,000) × 100 = 43%

③860 kcal = 1 kWh 환산계수: 반드시 암기

④송전단 열효율 = 발전단 열효율 × (1 − 소내율): 소내율은 보통 3~7%

열정산도와 종합효율

보일러효율 ηB0.9

터빈실효율 ηT0.45

발전기효율 ηG0.98

종합 열효율

η_total = η_B × η_T × η_G

현재: 39.7%: 각 단계 효율의 곱

💡 효율 향상 방법

①재열 사이클: 터빈 중간 추기 → 재열기에서 다시 가열 → 터빈효율↑, 날개 침식(습분) 방지

②재생 사이클: 터빈 추기증기로 급수 예열(급수가열기) → 보일러효율↑

③절탄기(이코노마이저): 배기가스 폐열 → 급수예열 → 보일러 투입열량 절감

④복합 사이클(가스터빈+증기터빈): 배열 회수 → 종합효율 50~60%로 최고 수준

시험 총정리

열효율

860H × 100%

H=열소비율[kcal/kWh]

카르노 효율

ηc = 1 − T₂T₁

절대온도[K] 기준

연료소비량

B = 860 PH_f × η

실기 핵심 역산

종합효율

η = η_B × η_T × η_G

각 기기효율의 곱

🎯 시험 포인트

①860 kcal/kWh = 열의 일당량 환산계수 → 열효율 계산의 열쇠

②설비 순서: 절탄기→보일러→과열기→터빈→복수기

③최대손실원 = 복수기 냉각수, 열소비율 H↓ → η↑ (역수 관계)

④랭킨 사이클 4과정: 급수펌프→보일러→터빈→복수기 순서 암기

⑤복합발전 효율이 최고인 이유: 가스터빈 배열로 증기터빈까지 2단 이용

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 발열량 860kcal/kg 석탄 60톤으로 40,000kWh 발전 시 열효율은? (답: η = 860 × 40,000 / (60,000 × 860) × 100 = 66.7%)

②[기출유형] 열소비율 2,150kcal/kWh인 발전소의 열효율은? (답: η = 860/2,150 × 100 = 40%)

③[기출유형] 증기 엔탈피 825kcal/kg, 급수 엔탈피 280kcal/kg, 증기량 300t/h, 출력 75,000kW, 발전기효율 98%일 때 터빈실 열효율은?