화력 발전 기초 — 증기, 가스 및 복합 사이클을 통해 연료열을 전기로 변환하는 방법

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화력 발전소 굴뚝에서 솟아오르는 하얀 연기를 보며 "연료의 열이 직접 전기로 변환되는구나"라고 생각하면 효율성과 환경 부담이 왜 중요한지 간과하게 됩니다. 실제로는 발전소는 연료의 화학 에너지를 연소 가스의 열로 변환하고, 증기나 고온 가스로 터빈을 회전시켜 발전기와 변압기를 통해 전력을 전력망으로 공급합니다. 보일러, 터빈, 응축기, 배기가스 처리 장치, 냉각 장비는 모두 효율성과 출력 유연성 사이의 균형을 고려하여 설계되었습니다.

터빈 및 발전기 예시

이미지: Waste 블록 터빈 및 발전기(이루 화력 발전소) (Lauri Veerde, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. 비교에 사용된 특정 발전소의 사진이 아닌 내부 예시입니다.

30초 버전

증기 터빈은 랭킨 사이클로 작동하고, 가스 터빈은 브레이턴 사이클로 작동합니다. 배기가스 열로 증기를 생산하는 복합 사이클(CCGT)은 높은 효율을 달성합니다.
발전 효율은 연소 온도뿐만 아니라 증기 압력 및 온도, 응축기 진공도, 냉각수 온도, 부분 부하, 그리고 발전소의 시동 및 정지 빈도에도 영향을 받습니다.
석탄은 안정적인 연료이지만, CO₂와 대기 오염 물질 처리 부담이 큽니다. 천연가스 복합화력발전소(CCGT)는 배출량이 적고 시동 속도가 빠르지만, 메탄 누출과 연료 가격 변동에 취약합니다.
탈탄소화는 화력 발전을 재생 에너지 및 배터리와 결합하고, 바이오매스, 수소/암모니아 혼합 연소, 그리고 CCS/CCUS를 수명 주기 기준으로 비교하는 것을 의미합니다.
변동성이 큰 발전량을 보완하는 화력 발전의 경우, 출력보다는 최소 부하, 출력 증가율, 시동 시간, 동기 관성, 그리고 배출 강도가 더 중요한 요소입니다.

1. 열에서 전기로의 변환 과정

연소 가스, 증기 급수, 냉각수 시스템과 두 개의 발전기를 분리하는 GTCC 개략도

그림 1 — 복합 사이클은 먼저 가스 터빈 발전기를 구동한 다음, 배기가스의 열을 HRSG를 통해 증기로 변환하여 두 번째 터빈 발전기를 구동합니다. 증기는 응축되어 펌핑된 후 HRSG로 되돌아갑니다. 별도의 냉각수 시스템이 응축기의 열을 제거합니다.

연료 투입의 화학 에너지를 $Q_{in}$ , 전기 출력을 $P_e$ 라고 하면 발전 효율은 다음과 같이 추정할 수 있습니다.

송전 효율은 보조 장치 소비 후 전기 출력을 연료 투입량으로 나눈 값입니다.

여기서 $\dot m_f$ 는 연료 질량 유량이고 $LHV$ 는 저위 발열량입니다. 비교하는 것이 중요합니다. 송전 효율은 보조 설비(급수 펌프, 강제 통풍 팬, 배기가스 처리 장치, 냉각수 펌프)에서 소비되는 전력을 뺀 값입니다.

2. 랭킨 사이클과 증기 터빈

석탄, 중유, 바이오매스 등을 연소하는 보일러에서는 물이 고압 증기로 변환됩니다. 증기는 고압, 중압, 저압 터빈을 단계적으로 통과하며 팽창하고, 응축기에서 다시 물로 변환된 후 급수 펌프를 통해 보일러로 재급수됩니다. 이상적인 랭킨 사이클의 열효율은 다음과 같습니다.

랭킨 효율은 순 터빈 작업량을 보일러 열 입력량으로 나눈 값입니다.

재가열, 재생 급수 가열, 초임계 가열 등을 통해 효율이 향상됩니다.

증기 온도가 높을수록 효율은 높아지지만, 보일러 튜브, 터빈 블레이드, 용접부의 크리프, 산화, 부식이 심해집니다. 초초임계(USC) 장치는 고크롬강과 니켈 기반 합금, 그리고 기타 재료를 사용합니다. 수명과 유지보수 간격이 발전 비용을 결정하는 주요 요인입니다. 터빈의 최종 단계에서는 습증기 속의 물방울이 블레이드를 마모시키므로, 이를 해결하기 위해 수분 분리기와 재가열기가 설치됩니다.

응축기는 증기를 저압의 물로 되돌려 터빈 출구 압력을 낮추어 추출되는 일의 양을 증가시킵니다. 여름철 해수 온도가 높거나 냉각탑 성능이 저하되면 응축기 압력이 상승하여 출력과 효율이 모두 감소합니다. 열원뿐만 아니라 냉각수와 냉각수가 취수되는 강이나 바다의 환경 조건 또한 열 사이클에 영향을 미칩니다.

3. 가스 터빈 및 복합 사이클

가스 터빈은 압축기에서 공기를 압축하고, 연소기에서 연료를 연소시킨 후, 생성된 고온 가스를 터빈을 통해 팽창시킵니다. 이상적인 브레이턴 사이클의 효율은 대략 압력비 $r_p$ 와 비열비 $\gamma$ 에 의해 결정됩니다.

이상적인 브레이턴 사이클의 효율은 압축기와 터빈의 조건에 따라 압력비가 증가함에 따라 높아집니다. 한계.

압력비를 높이면 이상적인 효율은 향상되지만, 압축기 작동량, 블레이드 온도, 서지 마진, 냉각 공기량 등이 모두 제약 조건이 됩니다.

단순 사이클의 배기가스는 여전히 뜨겁습니다. 열회수 증기 발생기(HRSG)를 사용하여 증기를 생산하고 증기 터빈을 사용하여 이를 이용하는 복합 사이클(CCGT)은 연료의 열을 두 단계로 추출합니다. 천연가스 CCGT는 높은 송전 효율과 비교적 짧은 시동 시간을 결합하여 태양광 및 풍력 발전의 변동성을 추종하는 유연한 발전 방식으로 사용됩니다.

반면, 반복적인 시동 및 정지는 열 스트레스를 증가시키고 수명을 단축시킵니다. CCGT 운전 시에는 정격 부하에서의 효율적인 운전뿐만 아니라 저부하, 최소 출력, 출력 증가율, 연료 공급, 유지 보수 계획 등도 최적화해야 합니다.

4. 배기가스 처리 및 환경 부담

연료의 탄소는 주로 CO₂로, 질소는 고온 연소로 NOx로, 황은 SOx로, 회분은 미세먼지로 변환됩니다. 탈질(SCR), 전기 집진기 또는 백필터 등이 이러한 배기가스 처리에 사용됩니다. 필터와 탈황 설비는 배출 규제를 충족하기 위해 결합됩니다. 탈황 시약, 암모니아, 팬, 흡수액 순환은 모두 보조 전력 소비와 폐기물을 증가시키므로, 배출량은 굴뚝 농도뿐만 아니라 시설 전체에 대해 계산해야 합니다.

연료의 CO₂ 배출량은 연료 소비량과 탄소 함량을 통해 추정할 수 있습니다.

연료의 탄소 함량과 탄소 대 CO₂의 분자량 비율은 직접 배출량을 결정합니다.

여기서 $w_C$ 는 연료의 탄소 질량 분율입니다. 전력원을 비교할 때는 발전 단말 기준이 아닌 송전 기준의 g-CO₂/kWh를 기준으로 하고, 장비 제조, 연료 운송 및 폐기를 포함한 전체 수명 주기를 고려하며, 출력 용량과 시동 배출량을 구분해야 합니다.

5. 수소/암모니아 혼합 연소 및 CCS

수소는 연소 시 CO₂를 배출하지 않지만, 생산 방식에 따라 전력원으로 사용할 때의 배출량이 결정됩니다. 천연가스 개질 및 CCS를 통해 생산되는 블루 수소와 재생 에너지를 사용한 전기분해를 통해 생산되는 그린 수소가 이에 해당합니다. 전기를 포함한 모든 에너지원은 에너지 효율, 운송, 누출 및 저장 문제를 포함하여 평가해야 합니다. 수소는 화염 속도와 점화성이 높아 연소기 내 역화, NOx 발생, 재료 취성 등을 모두 고려해야 합니다.

암모니아는 액체 상태로 운송이 용이하지만 연소 속도가 느려 미연소 암모니아(슬립) 및 NOx 처리가 어렵습니다. 혼합 연소 비율을 높이면 개조 작업 범위와 연료 비용이 모두 증가하므로 기존 발전소 수명 연장, 신규 전용 연소 시설 건설, 재생 에너지 및 배터리와의 비교 등을 통해 타당성을 검토해야 합니다.

CCS(탄소 포집 및 저장)는 배기가스에서 CO₂를 분리, 압축, 운송 및 지하에 저장하는 기술입니다. 아민 흡수법은 분리 과정에서 증기와 전기를 사용하므로 발전 효율이 몇 포인트 감소합니다. 저장소 부지 탐사, 누출 모니터링, 파이프라인 내 상 관리, 장기적인 책임 문제 등을 포함하여 실용성을 평가해야 합니다. CCUS에서 포집된 CO₂를 원료 또는 연료로 사용하는 경우, 회수까지 걸리는 시간도 확인해야 합니다. 결국 대기로 되돌아갑니다.

6. 전력망 운영에서의 가치

화력 발전소는 연료가 확보되는 한 지속적인 출력을 제공할 수 있으며, 동기 발전기와 같은 관성과 단락 전류를 전력망에 공급합니다. 일부 가스 터빈 발전기는 몇 분에서 수십 분 안에 시동할 수 있어 수요-공급 균형 유지에 적합합니다. 석탄 화력 발전소와 대형 증기 터빈 발전기는 최소 부하가 높고 시동 시간이 길며, 잦은 부하 추종은 수명을 단축시킵니다.

램프율을 $R=dP/dt$ , 최소 부하를 $P_{min}$ , 시동 시간을 $t_{start}$ 라고 할 때, 발전기가 재생 에너지 예측 오차를 커버할 수 있는 범위는 정격 출력만으로 평가하는 것보다 다음과 같은 이유로 더 잘 평가할 수 있습니다.

가용 전력 공급 범위는 램프율, 경과 시간 및 최소 안정 부하에 의해 제한됩니다.

화력 발전소를 배터리, 수력, 수요 반응 및 연계선과 결합하면 화력 발전소의 대기 시간을 줄일 수 있습니다. 저부하 상태에서 공회전.

7. 최신 장비 및 연구 동향 파악

일본에서는 도쿄전력/제라(TEPCO/JERA), 간사이전력, 도호쿠전력 등이 고효율 LNG 열발전, 석탄화력발전소 환경 제어, 신재생에너지와의 운영 연계 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 해외에서는 GE 버노바, 지멘스 에너지, 미쓰비시중공업 등이 대형 가스 터빈, 증기 터빈, 복합화력발전소(CCGT), 암모니아/수소 연소기 등을 개발 및 출시하고 있습니다. 제품명 외에도 정격 효율, 최소 부하, 시동 시간, 연료 사양, 유지보수 주기, 배출가스 보증 등을 비교해 보는 것이 중요합니다.

연구 주제는 초고온 소재, 저NOx 연소기, AI 기반 보일러 연소 최적화, 열회수, 고체산화물연료전지와의 하이브리드화, CO₂ 분리막, 유연 운전 수명 모델 등을 아우릅니다. 새로운 기술의 효율 향상 효과가 보조 전력, 촉매 교체, 연료 전처리, 계통 연계 비용 등을 고려했을 때에도 여전히 유효한지 확인하는 것이 중요합니다. 포함됨.

결론

화력 발전은 연료, 연소기, 열 사이클, 터빈, 발전기, 배기가스 처리, 냉각 및 전력망 운영을 하나의 통합된 전체로 설계하는 기술입니다. 효율성만 놓고 보면 고온 및 복합 사이클 구성이 유리하지만, 재료 수명, 시동-정지 주기, 연료 공급, CO₂/NOx 배출량, 냉각수, 그리고 지역 환경 조건 등 여러 제약 조건이 동시에 작용합니다.

장비 또는 연구를 평가할 때는 다음 사항을 확인하는 것이 도움이 됩니다. (1) 어떤 사이클이며, 어떤 온도와 압력에서 작동하는지; (2) 송전 효율 및 부분 부하 성능; (3) 출력을 변경하는 데 걸리는 시간과 이로 인해 소모되는 수명(년); (4) 연료 생산, 운송, 배기가스 처리 및 CCS를 모두 포함한 배출량.

이해력 점검

화력 발전소는 효율 수치로 비교할 수 있습니까?

단독으로?

발열량 기준, 총 출력 대 순 출력, 부하 조건을 일치시키십시오. 효율은 부분 부하에서도 변합니다.

참고 자료

8. 열수지 및 순 출력

\dot Q_{fuel}=P_{gross}+\dot Q_{condenser}+\dot Q_{stack}+\dot Q_{other}

P_{net}=P_{gross}-P_{aux},\qquad \eta_{net}=\frac{P_{net}}{\dot m_f H}

9. 랭킨 사이클에서의 엔탈피 계산

w_t=h_3-h_4,\qquad w_p=h_2-h_1,\qquad q_{in}=h_3-h_2

\eta_R=\frac{w_t-w_p}{q_{in}} =\frac{(h_3-h_4)-(h_2-h_1)}{h_3-h_2}

10. CHP와 효율의 상한

\eta_{total}=\frac{P_{net}+Q_{useful}}{\dot m_f H}

\eta_C=1-\frac{T_L}{T_H}

11. 가스 터빈 작동과 복합 사이클

w_{GT}=w_t-w_c

\eta_{CC}=\eta_g+(1-\eta_g)\eta_s

12. 재료와 열 응력

\sigma_{th}\propto\frac{E\alpha\Delta T}{1-\nu}

13. 배출 강도와 CCS

I_{CO_2}=\frac{EF_{fuel}}{\eta_{net}}

I_{life}=I_{upstream}+I_{transport}+I_{plant}-I_{stored}

\text{Avoidance rate}=1-\frac{I_{CCS}}{I_{reference}}

14. 30MW급 작동 사례

P_{net}=1\times50\times0.60=30\ \mathrm{MW}

\dot m_f=\frac{30}{50\times0.50}=1.2\ \mathrm{kg/s}

15. 일본 주요 자료

16. 검토 체크리스트

발열량 기준, 총출력 대비 순출력, 부분부하 작동, 출력 증가율, 시동 수명 소비량, 연료 공급, 냉각수 제약 조건 등을 확인하십시오. 두 열 장치를 비교하기 전에 수명 주기 배출량을 고려해야 합니다.

17. 보조 전력 및 냉각 손실

18. 열 회수 및 증기 조건

19. 연소 제어 및 NOx

20. 유연한 운전 및 유지보수

21. 연료 수명 주기 경계

22. 안전 및 모니터링

23. 비교 범위

일관된 표기법 상호 검증을 위해 일본어판에서는 $\eta=W_{net}/Q_{in}$ , $P_{gross}$ , $\dot Q_{condenser}$ , $\dot Q_{stack}$ , $P_{aux}$ , $\dot m_f$ , $H$ , $h$ , $w_p\simeq v(P_2-P_1)$ , $T_H$ 도 사용합니다. $T_L$ , $\eta_g$ , $\eta_s$ , $\eta_g=0.40$ , $\eta_s=0.35$ , $\eta_{CC}=0.61$ , $\Delta T$ , $E$ , $\alpha$ , $\nu$ , $EF_{fuel}$ , $NH_3$ , $N_2O$ , 및 $r$ .

일본어판에서 사용되는 추가 소스는 저탄소 연료 및 전력용 CCUS입니다.

SVG 네임스페이스는 W3C SVG를 따릅니다. 그리고 다이어그램 마크업과 일치하도록 여기에 반복됩니다: W3C SVG.

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