화력발전소

 

▣ 화력 발전소에 대하여

1.화력발전소의 원리

 

증기 발전은 연료의 내부 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 것을 의미하며, 가장 간단한 형태는 전기 발전기를 돌리는 터빈(Turbine)과 보일러(Boiler)로 구성 되어 있다.

 

보일러(Boiler)는 물을 증기(Steam)로 바꾸는 장치이며, 관(Tube)를 통해 발생되는 분출증기는 터빈(Turbine)과 발전기(Generator)를 돌린다.

 

화력 발전 설비 용량은 약 250MW급에서 800MW급으로 크게 증가되었고 발전소 제어계통도 기계 유압제어 방식에서 전자 유압 제어 방식으로 전환되었다.

 

본인은 200MW발전소에 경험이 있으며 원리는 대동소이하게 보아도 무리는 아닐것이다. 여기에서는 화력 발전소의 원리를 개략적으로 설명하고 각각의 기능을 살펴 보기한다.

 

2.각 부분의 명칭과 기능

 

♠ 순환수 (Circulation Water): 발전소에서는 해수(海水)를 이용해 Steam을 응축수로 변환 시킨다. 그래서 발전소가 모두 바닷가 옆에 있는 있는것이다. (내륙에 있는 발전소는 냉각탑(Cooling Tower)을 이용하기도 한다.

 

순환수 계통은 터빈의 배출증기를 응축시켜 급수로 재사용할 수 있도록 복수기(Condenser)에 냉각수를 공급하며, 또한 발전소의 각종 기기로부터 열부하를 제거하기 위한 기기냉각수 열교환기, 복수기 진공펌프(Vacuum Pump) 밀봉수 열교환기, 스크린세척펌프(Screen Wash Pump)에 냉각수를 공급한다.

 

순환수는 2개의 토출 배관으로 부터 공통배관을 통하여 복수기에 공급되며, 복수기를 통과한 순환수는 배수배관 및 배수관로(Discharge Tunnel)를 통하여 바다로 배출된다. 배수관로에는 배수웨어 구조물을 설치하여 순환수가 복수기를 통과할 때 싸이폰(Siphon)을 유지 시키도록 한다.

 

♠ 순환수 펌프 (Circulation Water Pump):순환수펌프는 해수를 취수로로부터 흡입하여 복수기 및 기타 소요처로 공급한다.

♠ 복수기 (Condenser):복수기는 고압의 Steam이 Turbine을 회전시키고 난 후 증기를 응축시켜 핫트웰(Hot-well)에 모아서 복수펌프와 글랜드스팀 콘덴서(Grand Steam Condenser), 저압급수가열기(Low Pressure Heat Exchanger)를 거쳐 탈기기(Deaerator) 및 급수저장탱크로 보낸다. 한마디로 말하면 Steam을 물로 응축 시키는 역할을 한다.

복수기는 1개의 쉘로 구성되며, 저압터빈(LP Turbine) 배출증기 및 각종 배기, 배수를 복수기 튜브측 해수냉각수와의 열교환에 의해 응축시켜 핫트웰(Hot-well)에 모은 후 주계통에 유입토록 한다. 복수기의 튜브는 주터빈축에 직각방향으로 배열되며, 누수가 발생하지 않토록 튜브쉬트에 용접하여 부착된다. 복수기의 각 쉘 목(Neck)에는 1번 저압급수가열기가 설치되며, 터빈배기부와 복수기와는 고무신축조인트(Ruber Expansion Joint)로 연결된다.

 

♠ 복수 펌프 (Condensate Pump):복수기(Condenser) 핫트웰(Hot-well)에서 취수한 복수를 탈기기(Deaerator)및 저압급수가열기(Low Pressure Heat Exchanger)로 공급한다.

 

♠ 저압급수가열기(Low Pressure Heat Exchanger):복수 펌프에서 공급된 응축수는 Boiler에서 다시 가열하여 steam으로 변화 된다. 찬물이 보일러에서 가열되는것보다 뜨거운물을 가열하여 증기로 만드는것이 효율적이란것은 상식일 것이다. 따라서, Heater의 역할은 Boiler로 공급되는 물을 포화온도까지 충분히 올려주는 역할을 한다.

 

저압급수 가열기는 LP Turbine으로 부터 저압급수가열기 쉘측으로 추기를 공급받아 튜브측 급수를 가열하여 발전열효율을 높인다. 추기(Steam Extraction)는 FWH#1 → LP TBN, FWH#2 → LP TBN, FWH#3 → LP TBN, FWH#4 → IP TBN에서 각각 추기하여 공급한다.

 

♠ 탈기기(Deaerator):LP Heater와 HP Heater중간에 설치하는 Gas용존 제거 장치이다.

급수는 Spray로 분사되어 증기와 혼합되며, 이론상 증기가 가지고 있는 열은 물이 흡수한 열량과 같기 때문에 Terminal 온도차는 Zero가 되어 효율이 대단히 좋아진다.

 

용존 Gas제거 원리는, 급수를 되도록 높은 온도까지 가열 시켜서 증기 압력에 대응하는 포화온도(Saturated Vapour)까지 이르게 하고, 액체중의 Air의 용존도는 온도 상승에 비례하여 감소함을 이용하여 물리적으로 탈기(脫氣)를 시킨다. 탈기 후 잔여분의 용존 Gas는 Hydrazine을 주입하여 화학적으로 처리시킨다. 탈기전(脫氣前) 0.02∼0.05cc/ℓ의 용존 산소량은 탈기 후 0.005cc/ℓ 정도로 감소한다.

 

    ※ 탈기 목적

    ☞ 급수(給水)중에 용존되어 있는 산소등의 용존 Gas 제거

    ☞ 급수와 증기가 직접 섞임으로써 급수를 가열

    ☞ 급수를 일정량 저장함으로써 급수량의 급변에 대응

    ☞ 적당히 높은곳에 설치하여 급수 펌프에 Cavitation방지를 위한 Suction Head를 준다.

 

♠ 급수승압펌프(BFP):급수승압펌프(Booster Feed Water Pump)는 그 기능상 화력발전 계통의 심장부에 상당하는 극히 중요한 기기의 하나이며, Pump 중에서도 특히 높은 기술을 필요로 한다.

 

B.F.P의 기능과 용도를 알려면 먼저 Steam의 특성과 재열사이클(Reheat Cycle), 랭킨사이클(Rankine Cycle)의 개념을 알아야 한다. 압력이 높으면 끓는점이 높아지며 Boiler는 높은 압력, 온도에서 높은 효율을 얻을 수 있다. 따라서 Boiler의 압력을 높이기 위한 승압 펌프가 필요한 것이다.

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♠ 고압급수가열기(High Pressure Heat Exchanger):저압급수가열기와 기능은 같다.

저압급수가열기를 통과한 급수(Feedwater)는 어느정도 온도가 상승되며 용존 산조를 제거하는 Deaerator를 지나고 나면 180℃정도의 온도가 된다. B.F.P를 지나 고압급수가열기로 공급된 급수는 고온의 Extraction steam에 의한 열교환을 거치며 300℃정도의 온도를 가지게 된다.

 

즉, 고압급수 가열기에서는 저압급수가열기에서 1차 가열된 급수를 고온의 급수로 가열하는 역할을 하는 것이다.

추기(Steam Extraction)는 FWH#6 → IP TBN, FWH#7 → Cold reahet steam, FWH#8 → HP TBN에서 각각 추기하여 공급한다.

 

♠ 보일러(Boiler):증기를 연속적으로 발생시켜 터빈과 보조설비에 필요한 증기를 공급하는 역할을 하며 여기서는 드럼(Drum)보일러와 순환 유동층 보일러를 기준으로 한다.

대부분의 화력 발전소에서는 관류 보일러를 사용하지만 경우에 따라서는 아임계압을 사용하는 드럼 보일러를 사용하기도 한다.

 

자세한 내용은 보일러의 종류와 특징에서 살펴 보기로 한다.

 

고압급수가열기에서 가열된 급수는 절탄기 입구의 역지변 및 정지변을 거쳐 절탄기 입구헤더에 유입된다. 급수는 절탄기에서 연소가스의 여열에 의해 예열된 후 출구헤더에 모여 드럼으로 유입된다. 드럼의 포화수는 강수관(Downcommer)을 통해 연소로 하부 헤더로 유입되고, 연소로 수벽관 또는 FBHE(Fluidized Bed Heat Exchanger) 증발기를 지나면서 열을 흡수하여 증기를 발생시킨다.

 

주증기(Main Steam)는 드럼에서 나온 증기는 1차과열기 입구 헤더에 모인후 1차 과열기를 통과시 과열된후 1차 과열기 출구헤더로 다시 모인다. 1차 과열기와 2차 과열기사이에는 물분무식 과열저감기가 설치되어 주증기의 온도를 제어한다. 1차 과열기 출구헤더의 증기는 2차 과열기 입구헤더에 모인후 2차 과열기 및 FBHE 과열기를 통과하면서 과열된다. FBHE 과열기를 통과한 증기는 주증기관을 통하여 고압터빈으로 유입된다.

 

재열증기(Reheat Steam)는 고압터빈을 거친 저온재열증기(Cold Reheat Steam)는 재열기 및 FBHE 재열기를 통과함으로써 과열도가 높은 고온 재열증기가 되어 중압(IP)터빈으로 유입된다.

 

♠ 고압 터빈(High Pressure Turbine)

♠ 중압 터빈(Intermediate Turbine)

♠ 저압 터빈(Low Pressure Turbine)

터빈은 증기발생기에서 나온 고온, 고압의 증기가 갖고 있는 열에너지를 일로 전환시키는 터빈과 터빈의 기계적 에너지를 받아 전기를 발생하는 발전기로 구성어 있다. 발전소의 터빈은 3단계로 구성되어 있으며 고압터빈은 Main Steam압력에 의해 회전하며, 중압 터빈은 Reheat Steam, 저압 터빈은 중압터빈을 회전시킨 Steam으로 회전한다.

 

발전소에서 가장 중요한 설비이며 고가이다.

 

♠ 발전기(Generator)

 

☞ 발전기의 원리 이해

자속 밀도가 일정한 자기장 안에 코일이 감겨진 실린더 모양의 회전자가 회전하고 있다. 회전자가 회전을 할 때, 회전자에 감겨진 코일에는 자속의 변화가 일어나게 된다. 코일에 나타난 자속의 변화에 의하여 전류가 발생되고 이로 인하여 교류 전압이 발생하게 된다. 발생된 교류 전압은 코일의 양 단자에 연결된 슬립 링을 통하여 출력된다. 슬립링을 정류자로 대치하고 정류를 하여 직류 발전기로 사용이 된다. 발전소의 모든 시스템은 전기를 생산하기 위한 것으로서 최종적인 목표는 발전기를 회전시켜 원하는 전기를 얻는 것이다.

 

 

 

♠ 변압기(Transformer):발전기에서 생산된 전기는 고압의 전기로 승압 시켜야 한다. 변압기는 전압을 승압 또는 DOWN시켜주는 역할을 하며 발전소의 변압기는 승압시켜주는 역할을 주로한다.

 

발전소의 변압기는 3가지의 종류가 있다.

 

☞ Main Transformer (주 변압기): 발전기에서 나온 전기를 승압시켜 변전소로 보낸다.

☞ Aux. Trasnformer (보조 변압기): 주 발전기가 고장났을때 주변압기 역할을 해준다

☞ Start-up Trasnformer (기동 변압기): 초기 발전소 운전을 위해 외부 전원을 받아(수전) 전기를 발전소내에 공급해주는 변압기이다.

 

♠ 송전 탑(Transmission Tower):변압기로 부터 받은 고압의 전기는 옥외 변전소(Switch Yard) 지나 송전탑에서 소요처로 공급해준다.

 

통풍기(通風機)Fan:통풍기는 보일러에 공급된 석탄(미분탄)을 연소(燃燒)시키기 위한 공기를 기계적으로 공급해주는 역할을 한다. 연소용 공기의 종류가 3가지가 있으므로 Fan의 종류도 3가지가 있다.

 

Primary Air (1차 공기): 미분탄의 운송과 분사가 주 역할이며 1차공기는 Hot Air Duct에서 분기하여 P.A Fan으로 압력을 올려 미분탄을 혼합시켜 Coal Burner로 운송하고 분사를 한다.

 

Secondary Air (2차 공기): 2차공기는 석탄연소 보일러의 주 연소용 공기로 Burner주위에 공급되며 전체 공기량의 50 ~ 70% 정도를 차지한다.

 

Teriary Air (3차 공기): 3차공기는 석탄연소 보일러의 보조연소용 공기로 Burner하부 노벽(爐壁)의 Air Port를 통해 공급된다. Burner Zone부위에서 산소가 많이 소모되어 연소실 하부로 갈 수록 산소 농도가 저하되어 완전연소가 곤란하므로 이때에 보조 공기를 공급하여 연소를 촉진시킨다.

자세한 내용은 Boiler Part에서 다루기로 한다.

 

♠ I.D Fan (Induced Draft):Boiler에서 석탄을 연소시킨후 발생된 먼지나 Air를 전기집진기로 송풍하는 역할을 한다.

 

♠ 전기 집진기 (Electrostatic Precipitator):Boiler에서 연소후 배출되는 Flue Gas중의 Fly Ash및 매연(Soot)를 포집하여 환경 오염 방지와 포집된 Fly Ash의 회수 역할을 한다.

 

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