화력발전소

당진화력발전소 9,10호기

화력발전소(Thermal Power Station, 火力發電所)는 연료의 열에너지를 이용하여 증기를 발생시켜 터빈을 돌려 전기에너지로 변환하는 시설이다. 화력발전소는 수력발전, 풍력발전, 태양광발전의 제한적인 요소를 보충하기 위해 만들어졌다.

개요

화력발전소는 증기를 만드는 데 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료와 원자력, 지열(지열 발전), 태양열, 쓰레기 소각, 바이오매스 등 여러 가지 재료를 열원으로 사용하고 있어 변종이 많은 것이 특징이다. 천연가스는 일반적인 보일러에서의 연소뿐만 아니라 가스 터빈을 사용하여 발전을 하기도 한다. 가스 터빈에서 나온 폐열은 복합 화력 발전소에서 효율을 극대화하는데 사용된다. 터빈을 지난 증기은 복수기에서 냉각된 후에 다시 사용하는 것을 랭킨 사이클이라고 한다. 상업적인 발전소는 거대한 규모와 지속적인 운전이 가능하도록 건설된다. 이런 발전소에서는 3상 혹은 단상 발전기를 이용하여 50Hz 혹은 60Hz의 교류전기를 생산해 전 세계에 공급한다. 기업이나 시설에서는 전기와 열 그리고 증기를 공급받기 위한 자체 발전소를 가지고 있다. 일부 산업이나 거대 시설 혹은 도시 근처에는 열병합 발전소가 있으며 열병합 발전소에서는 전기와 발전 중 나오는 폐열을 이용한 지역난방을 제공한다. 열병합발전시스템(Cogeneration System)은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 발생시키는 종합에너지 시스템(Total Energy System)이다. 화력발전소는 일반적으로 대규모의 발전소에는 증기를 발생시키는 보일러, 회전력을 전기로 바꾸는 발전기 등이 설치된다. 비교적 규모가 작은 자가 발전용에는 회전용 기관으로 가스 터빈과 디젤 기관이 사용되고 있다.

2050년까지 탄소중립을 실현하는 것이 세계 주요 국가들의 과제로 떠오르면서 환경오염의 주범으로 불리는 석탄화력발전소 폐지 움직임도 가속화되고 있다. 독일, 영국, 네덜란드는 이미 탈석탄 정책과 함께 석탄화력발전소 발전 비율을 절반 이상 줄였다. 환경단체 기후솔루션에 따르면 독일은 2013년 44.96%였던 석탄화력발전소 발전 비율을 2020년 23.8%까지 줄였다. 영국은 2012년 40%에서 2020년 1.8%까지 떨어뜨렸다. 2020년 기준 국내 석탄화력발전소 에너지 생산 비율은 35.6%다. 2017년의 43.1% 이후 정부의 미세먼지 저감, 노후 발전소 퇴출 정책 영향으로 생산 비율이 꾸준하게 감소해왔지만 여전히 전체 에너지 생산 비율 가운데 가장 높은 비중을 차지한다.

효율

일반적인 상업 발전소에서의 전력 효율은 약 33%에서 48% 정도이다. 이 효율은 모든 열기계들이 따르는 열역학 때문에 제한된다. 나머지 에너지는 열로 빠져버린다. 이 폐열은 주로 복수기에서 냉각수와 냉각탑에서 빠져버리게 된다. 이 폐열을 지역난방에 사용하는 발전소를 가리켜 열병합발전소라고 칭한다. 사막국가에 위치한 화력발전소는 전력과 더불어 폐열을 이용하여 탈염 설비를 가동하기도 한다.

본질적으로 화력 발전소의 효율은 증기의 절대 온도의 비율에 제한되어 있어, 효율을 높이기 위해서 증기를 고온 고압으로 만드는 것이 중요하다. 역사상에는 물대신 수은을 이용한 화력 발전소 실험이 있었다. 수은은 물보다 더 높은 온도를 가지면서도 더 낮은 압력으로 발전하는 것이 가능하였으나, 수은의 독성과 낮은 열순환능력으로 인해서 퇴출당하였다.

증기 발생기

일반적인 화력 발전소 보일러에서는 순도가 높은 고온 고압의 증기를 증기 터빈으로 보내어 발전기를 돌린다. 원자력발전소에서는 가압수형 원자로의 경우엔 열 교환기인 증기 발생기에서 맡고 있으며 비등수형 원자로의 경우 원자로에서 물을 끓인다. 화력 발전소에서는 이코노마이저, 증기 드럼, 증기 발생 튜브와 과열기가 있으며, 안전밸브가 곳곳에 있어서 보일러 압력을 조절한다. 공기와 배기가스를 조절하기 위하여 통풍기, 공기예열기, 통풍 촉진용 송풍기, 집진기(정전기식 집진기 혹은 필터를 이용한 집진기)와 굴뚝이 있다. 이와 반대로 지열 발전소에서는 자연적으로 나오는 증기를 사용하기에 보일러가 필요 없지만 열 교환기가 부식에 강해야 되거나 열교환기 안에 부유물이 가득차게 된다는 단점이 있다.

보일러 가열과 증기 드럼

보일러에 들어간 물은 기화열 혹은 엔탈피가 추가되는 과정을 거치게 된다. 보일러에서는 연료를 태워서 나오는 화학적인 반응에서 나오는 에너지를 물에 전달한다. 물은 보일러에 들어가기 전에 이코노마이저(절탄기)에 전달되게 되고 이코노마이저에서는 물을 증기 드럼으로 보내게 된다. 물은 증기 드럼으로 들어가서 자연순환에 의해 밑으로 내려가게 되고 내려간 물은 보일러에 의해 가열되어 증기로 변하게 되고 증기로 변한 물은 다시 증기 드럼으로 들어가게 된다. 들어간 증기는 증기 드럼에서 증기와 물로 구분되게 되고 건조되게 된다. 보조적인 보일러 가열에는 석탄 공급 노즐과 점화기, 검댕 송풍기 등이 포함되는데 연소영역에서 석탄을 태우기 전에 석탄에서 나온 가연성 가스를 전기로 점화시켜 보일러를 가열시킨다. 전체적으로 시작하기 전에 증기 드럼(과열기과 압력 조절 탱크포함)은 안에 남아있는 공기와 물을 빼야 되며 증기 드럼은 증기 발생 튜브에서 올라온 증기를 건조하며 이 건조된 증기는 과열기(Superheater)로 들어가게 된다.

과열기

슈퍼 재가열기(Super Reheater)는 화력 발전소에서는 과열기 혹은 증기 발생기에 있는 재열기를 사용한다. 원자력 발전소에서는 과열기가 없지만 필수적으로 증기를 과열시켜버린다. 화력 발전소에서는 증기 드럼을 거친 증기를 과열기에서 가열시키는데 과열기에서는 높은 열을 가진 배기가스를 이용하여 증기를 과열시켜 버린다. 과열된 증기는 주 증기 배관을 따라서 고압 증기터빈을 돌리게 된다.

참고자료

• 〈화력 발전소〉, 《위키백과》
• 〈화력발전소〉, 《네이버 지식백과》
• "Thermal power station", Wikipedia

같이 보기

• 발전
• 발전기
• 화력발전
• 수력발전
• 풍력발전
• 태양광발전

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