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전기기사 전력공학 · 화력발전

Thermal Power Generation

화력 발전은 연료를 태운 열로 보일러에서 고온 · 고압 증기를 만들고, 그 증기로 터빈과 발전기를 돌려 전기를 얻는다. 증기의 흐름은 랭킨 사이클(단열 압축 → 등압 가열 → 단열 팽창 → 등압 냉각)을 따르고, 열효율은 η = 860/H × 100 [%] 처럼 열소비율로 따진다. 증기 온도를 높이고 복수기 온도를 낮출수록 이론 효율이 올라가요. 증기 · 복수기 온도 슬라이더로 T-s 선도와 카르노 효율을, 보일러 · 터빈실 · 발전기 효율 슬라이더로 아래 열정산 막대를 바꿀 수 있어요.

열에너지를 전기로 바꾸는 원리

🔍 화력 발전의 에너지 변환 순서
①석탄 · LNG · 유류 같은 연료를 태워 열에너지를 얻는다
②보일러에서 물을 가열해 고온 · 고압 증기를 만든다
③증기가 터빈을 돌려 기계 에너지가 된다
④터빈 축에 연결된 발전기가 전기 에너지를 내놓아요
💡 열효율이 중요한 까닭
①화력 발전의 열효율은 35 ~ 45% 쯤이고, 나머지는 모두 손실이다
②가장 큰 손실은 복수기에서 냉각수로 버려지는 열로, 50% 안팎에 이른다
③열효율이 조금만 올라도 연료비가 크게 줄어, 열효율 계산이 시험에 자주 나와요
⚠️ 설비 순서
①급수 → 절탄기(급수 예열) → 보일러(증기 발생) → 과열기(과열 증기) → 터빈(팽창) → 복수기(냉각 · 응축)
②절탄기(이코노마이저): 배기가스의 남은 열로 급수를 미리 데워 보일러 효율을 높인다
③과열기(슈퍼히터): 포화 증기를 과열 증기로 만들어 터빈 효율을 높이고 날개의 수분 침식을 막는다
④재열기(리히터): 고압 터빈에서 팽창한 증기를 다시 가열해 저압 터빈으로 보내, 마지막 단의 습분을 줄여요

랭킨 사이클과 이론 효율

540°C
33°C
🔑 그림에서 볼 것
①증기 온도 T₁ 을 높일수록 효율이 오른다. 초임계 · 초초임계 발전이 이 원리를 쓴다
②복수기 온도 T₂ 를 낮출수록 효율이 오른다. 냉각수 온도가 중요한 까닭이다
③카르노 효율 ηc = 1 − T₂/T₁(절대 온도 K)은 두 온도 사이에서 낼 수 있는 이론상 최대 효율이에요

열효율 공식

카르노 효율
ηc = 1 − T2T1
T₁, T₂ 는 절대 온도[K] = ℃ + 273 이다.
열효율(열소비율로 구함)
η = 860H × 100 [%]
H 는 열소비율[kcal/kWh]이고, 860 은 1 kWh 에 해당하는 열량[kcal]이다.
열소비율
H = 연료 소비량 × 발열량발전 전력량 [kcal/kWh]
발열량은 연료 1 kg 이 탈 때 나오는 열량이에요.
발전단 열효율
ηp = 860 PGB × Hf × 100 [%]
PG 는 발전기 출력[kW], B 는 연료 소비량[kg/h], Hf 는 발열량[kcal/kg]이다.
💡 실기 계산
①열소비율 2,200 kcal/kWh 인 발전소의 열효율은 η = 860/2,200 × 100 = 39.1% 다
②발열량 6,000 kcal/kg 인 석탄을 시간당 50 t 쓰고 출력이 150 MW 이면 η = 860 × 150,000/(50,000 × 6,000) × 100 = 43% 다
③1 kWh = 860 kcal 환산은 거의 모든 열효율 계산에 들어간다
④송전단 열효율 = 발전단 열효율 × (1 − 소내율)이고, 소내율은 보통 3 ~ 7% 예요

열정산도와 종합 효율

0.9
0.45
0.98
종합 열효율
ηtotal = ηB × ηT × ηG
지금 값 39.7% · 각 단계 효율의 곱
💡 효율을 높이는 방법
①재열 사이클: 고압 터빈을 나온 증기를 재열기에서 다시 가열해 저압 터빈으로 보낸다. 터빈 효율이 오르고 날개 침식(습분)을 막는다
②재생 사이클: 터빈에서 뽑아낸 증기(추기)로 급수를 데워, 복수기로 버리는 열을 줄이고 사이클 열효율을 높인다
③절탄기: 배기가스의 남은 열로 급수를 데워 보일러에 넣는 열량을 줄인다
④복합 사이클(가스 터빈 + 증기 터빈): 가스 터빈의 배열로 증기를 만들어 종합 효율이 50 ~ 60% 에 이르러요

시험 총정리

열효율
860H × 100%
H 는 열소비율[kcal/kWh]
카르노 효율
ηc = 1 − T2T1
절대 온도[K] 기준
연료 소비량
B = 860 PHf × η
실기에서 자주 거꾸로 구함
종합 효율
η = ηB × ηT × ηG
각 기기 효율의 곱
🎯 시험 포인트
①860 kcal/kWh 는 열량과 전력량을 잇는 환산 계수로, 열효율 계산의 열쇠다
②설비 순서: 절탄기 → 보일러 → 과열기 → 터빈 → 복수기
③가장 큰 손실은 복수기 냉각수이고, 열소비율 H 가 작을수록 열효율 η 가 크다(서로 반비례)
④랭킨 사이클 네 과정: 급수 펌프(단열 압축) → 보일러(등압 가열) → 터빈(단열 팽창) → 복수기(등압 냉각)
⑤복합 발전의 효율이 가장 높은 까닭은 가스 터빈의 배열을 증기 터빈에서 한 번 더 쓰기 때문이에요
📝 대표 기출 유형
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?
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