화력발전소의 주기기(보일러, 터빈, 발전기)

이번 시간에는 화력발전소의 주기기에 대해 알아보겠습니다. 이번 포스팅을 통해 발전소 주기기의 기능을 설명할 수 있고 그들 간의 상호관계애 대해 이해할 수 있을 것입니다.

 

 

보일러

발전용으로 주요 사용되는 보일러는 보일러 수가 수냉벽을 순환하는 형태에 따라 분류하면 다음 표와 같습니다.

용도	보일러수 순환 형태	종류
발전용 보일러	순환형 보일러	자연순환 보일러
		강제순환 보일러
	관류형 보일러	벤슨 보일러
		슐츠 보일러

 

가. 순환형 보일러(Circulation Boiler)

자연순환 보일러와 강제순환 보일러의 순환 계통도에 대해 살펴보겠습니다. 자연순환 보일러의 경우 보일러수가 강수관을 타고 보일러 바닥 부위까지 내려와서, 수냉벽 튜브를 타고 올라가는 힘(순환력)은 강수관 속의 보일러수 비중과 수냉벽 속의 기수 혼합물의 비중과의 차이로 의해 생기는 자연 순환력입니다. 보일러 운전압력(즉, 증기압력)이 낮으면 자연순환력이 커서 보일러수의 순환이 잘되는데, 운전압력이 높으면 자연 순환력이 점점 작아져서 운전압력 180㎏/㎠ 이상이 되면 순환력 부족으로 보일러수가 수냉벽으로 원활히 흐르지 못하여 수냉벽 과열 원인이 됩니다.

 

이러한 순환력 저하 문제를 해결하기 위해 강수관 하부에 보일러 순환펌프(BCP)를 설치하여 보일러수를 펌핑해 줌으로써 순환력을 아주 양호하게 개선한 것이 강제순환 보일러입니다.

 

나. 관류형 보일러(Once-Through Boiler)

관류형 보일러인 벤슨보일러와 슐처보일러의 순환 개념도를 살펴보겠습니다. 벤슨보일러는 보일러수가 수냉벽 튜브를 타고 올라가면서 전부 증발하여 과열기로 이송되기 때문에 보일러수가 수냉벽을 전혀 순환하지 않습니다.

 

슐처보일러는 저부하시 즉시 보일러 기동 후 보일러 부하(증발량)가 30% 이하까지는 보일러수가 수냉벽을 순환하지만, 그 이상이 되면 즉, 고부하시는 벤슨 보일러처럼 보일러수가 모두 증발되어 과열기로 이송됩니다.

 

터빈(Turbine)

증기터빈을 증기의 사용조건에 따라 분류하면 재생식 터빈, 재열식 터빈, 복수식 터빈으로 구분할 수 있는데, 발전용은 주로 재생-재열-복수식 터빈을 사용하고 있습니다. 증기가 터빈에 작동되는 방식에 따라서는 충동터빈, 반동터빈으로 구분할 수 있습니다. 우선 재생-재열-복수식 터빈의 개념도에 대해 살펴보겠습니다.

 

가. 작용 증기의 열사이클에 따른 분류

(1) 재생식 터빈

터빈을 돌리고 있는(즉, 터빈 내부에서 팽창 중인) 증기를 일부만 빼내어 복수 또는 급수를 가열하는 방식의 터빈

(2) 재열식 터빈

고압터빈을 돌리고 나온 증기는 온도와 압력이 떨어져 있는데, 이중온도를 높이기 위해 다시 보일러의 재열기를 통과시켜 가열, 온도를 높여서 중압터빈에 공급하는 방식의 터빈

(3) 복수식 터빈

저압터빈을 돌리고 나온 증기를 복수기에서 냉각, 응축시켜 다시 물로 만들어서 보일러에 공급해 주기 위해 복수기를 설치한 터빈

(4) 재생, 재열, 복수 터빈

급수가열기, 재열기, 복수기가 있는 터빈으로 우리나라의 기력발전소는 모두 이 방식의 터빈입니다.

 

나. 작용증기의 팽창에 따른 분류

(1) 충동터빈(Impulse Turbine)

증기가 터빈의 고정노즐을 통과하면서 압력이 떨어져 팽창하게 되면 증기 속도는 상승하게 되는데 이 속도 상승분이 회전날개에 충동력으로 작용하여 회전되는 터빈입니다. 증기가 회전날개를 통과할 때는 압력이 떨어지지 않습니다. 충동단 및 반동단에서 증기의 압력과 속도 변화를 살펴보아야 합니다.

 

(2) 반동터빈(Reaction Turbine)

증기가 터빈의 고정날개를 통과하면서 압력이 떨어져 팽창하면 증기의 속도 상승분이 회전날개에 충동력을 주고, 증기는 회전날개를 통과하면서도 팽창하여 회전날개에 반동력도 줍니다. 회전날개를 통과한 증기는 압력이 떨어집니다.

 

발전용 증기터빈의 경우 고압터빈은 회전날개를 모두 반동형으로 하기도 하지만, 대부분은 충동형과 반동형을 복합시켜 사용하고 있습니다. 중합터빈과 저압터빈은 주로 반동형 회전날개를 사용합니다.

 

발전기

가. 발전기 원리

"도체가 자속을 끊으면 그 도체에는 전자유도법칙에 의해서 기전력이 발생한다."가 발전기의 근본원리입니다. 발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기계입니다. 발생되는 전기가 직류냐 교류냐에 따라서 직류발전기 또는 교류발전기라고 합니다.

 

나. 발전기 분류

(1) 발생전압의 상수에 의한 분류

(가) 단상(Single Phase Winding)

1쌍의 자극에 대해 1개의 코일 군을 가진 구조로 되어 있으며 단상 교류전력을 발생하는 기기입니다.

 

(나) 다상(Poly Phase Winding)

전기자 권선이 다상으로 되어 있는 것으로 대부분이 3상이며, 6상 등이 특수한 용도로 쓰인다. 3상 발전기는 3개의 코일 군의 전기자 권선이 전기각으로 120˚ 간격으로 배치되어 맥동이 적은 매끄러운 파형의 전력을 얻을 수 있고, 고정자 권선에 많은 권선을 감을 수 있어 경제적인 발전기를 만들 수 있다.

 

3상 발전기의 경우 상간접속을 Y 또는 델타 어느 것으로도 할 수 있으나 Y결선으로 하면 아래와 같은 장점이 있습니다. 

• 중성점을 접지할 수 있다.
• 높은 선간전압을 얻을 수 있다.
• 같은 단자전압이면 상절연이 용이하다.

 

(2) 자극의 구조에 의한 분류

(가) 회전전기자형(Revolving Armature Type)

자극이 고정되어 있고 전기자가 회전하는 구조로 되어있는 것으로서 소용량 저전압 동기기에 적용된다.

 

(나) 회전계자형(Revolving Field Type)

전기자를 고정하고 계자를 회전시키는 구조로서 다음과 같은 장점이 있다.

• 3상권선의 배열 및 결선용이
• 고압의 전기자권선 절연용이
• 기계적으로 튼튼한 구조로 제작