화력발전

종류

화력발전은 열 에너지가 기계에너지로 변환되는 과정에 사용되는 기계설비, 즉 원동기의 종류에 따라 기력발전(氣力發電), 내연력발전(內燃力發電), 가스 터빈 발전으로 분류하며, 일반적으로 화력발전이라 할 경우 기력발전을 뜻하는 경우가 많다.

원리와 설비

화력발전

기력발전은 열에너지 매체로 증기를 이용하는 발전방식으로, 증기를 발생시키는 보일러, 원동기인 증기 터빈, 전기를 생산해내는 발전기를 주설비로 하여 각 부분의 기능이 잘 이루어지도록 연소설비·복수설비·급소설비·연료설비·전기설비·계측제어설비 등의 각종 보조설비로 이루어져 있다.

석탄, 석유, 천연 가스 등의 연료를 보일러에서 연소시켜 고온의 연소 가스가 가지고 있는 열 에너지를 이용하여 보일러 내의 물을 가열하면 고온·고압의 증기가 발생한다. 고온·고압의 증기를 증기 터빈으로 보내면 팽창하면서 큰 힘으로 증기 터빈을 고속회전시켜 기계 에너지를 만든다.

이 기계 에너지가 증기 터빈과 축(軸)으로 직결된 발전기의 전기작용에 의해 전기 에너지로 변환된 후 변압기에서 높은 전압으로 바뀌어 송전선을 통해 변전소로 공급된다. 증기 터빈을 통과한 증기는 복수기(復水器)로 들어가서 냉각수에 의해 응축되어 물로 된 후, 펌프로 가압되어 보일러에 재공급된다.

연료를 연소시키기 위한 공기는 통풍기에 의해 공기예열기를 통과하는 사이에 온도가 높아져 보일러로 공급되며, 보일러에서 물을 가열시킨 연소 가스는 연도(煙道)와 굴뚝을 통해 대기 중으로 배출된다. 이때 연도에는 집진기(集塵器)를 설치해 배출되는 가스 중에 포함되어 있는 매연·먼지·재 등을 제거한다. 원자력발전은 원료가 원자력이라는 점을 제외하고는 기력발전과 같으며, 기력발전에 포함된다.

기력발전은 열효율 향상을 위해 증기 터빈에서 사용한 증기를 보일러로 되보내 재열시키는 재열 사이클과 터빈으로부터 일부 증기를 빼내 보일러에 공급되는 급수를 가열하는 재생 사이클을 채용하는데, 근래에는 2가지를 조합한 재생재열 사이클을 사용한다.

내연력발전은 열 에너지 매체로 가스를 이용하는 발전방식인데, 원동기인 내연기관, 전기를 생산해내는 발전기를 주설비로 하여 연료설비·냉각수설비·급배기설비 등의 보조설비로 구성되어 있다. 기체연료 또는 액체연료를 기화시켜 내연기관의 연소실에서 점화 폭발시킬 때 얻어지는 높은 압력의 연소 가스를 가지고 있는 열 에너지를 이용하여 내연기관을 회전시켜 기계에너지를 얻는다.

이 기계 에너지가 내연기관에 연결된 발전기를 회전시켜 전기 에너지를 얻는다. 내연기관은 사용하는 연료에 따라 가스 기관, 휘발유기관, 석유기관, 디젤 기관이 있으며 화력발전용으로는 디젤 기관이 널리 쓰이고 있다. 일반적으로 내연력발전은 출력에 비해 발전기의 크기가 작고 가벼워 소형·경량으로 제작이 가능하고 가동·정지가 쉬우며, 열효율도 높은 장점이 있으나 왕복운동기관이기 때문에 진동문제에 대한 제약으로 큰 용량은 제작할 수 없으므로 자가발전용으로 많이 사용된다.

화력발전용으로는 예비전원 또는 섬이나 특수지역에서만 이용된다.

가스 터빈 발전은 내연력발전과 같이 열 에너지 매체로 가스를 이용하는 발전방식으로, 연소용 공기를 압축하는 압축기, 연료를 연소시키는 연소기, 원동기인 가스 터빈, 전기를 생산해내는 발전기를 주설비로 하여 재열기·열교환기 등의 보조설비로 구성되어 있다.

증기를 사용하는 원동기가 증기기관에서 증기 터빈으로 발달된 것과 같이 가스를 사용하는 원동기인 가스 터빈은 내연력발전의 내연기관에서 발달된 것이다. 연료가 연소기에서 연소될 때 생기는 고온·고압의 연소 가스가 가지고 있는 열 에너지를 이용하여 가스 터빈을 회전시켜 기계 에너지를 얻는다. 이 기계 에너지가 가스 터빈과 직결된 발전기를 회전시켜 전기 에너지를 만든다. 가스 터빈 발전은 기력발전에 비해 구조가 간단하고 건설비가 적게 들며, 기동·정지가 용이하나 열효율이 낮고 대용량 설비가 곤란하여 화력발전용으로는 첨두부하(尖頭負荷) 전원이나 특수지역에서 쓰인다.

역사와 전망

화력발전의 역사와 전망

역사

세계 최초의 화력발전에 의한 전기공급은 1880년 12월 20일 미국 뉴욕에서 에디슨전기조명회사가 설립되어 1882년 9월 4일 뉴욕 시 펄 스트리트(Pearl Street) 발전소에서 이루어졌다.

이 발전소는 200마력 발전기 6대와 증기기관 6기를 갖추고 있었으며, 연료는 석탄을 사용했다. 그당시 보일러는 연관 보일러가 일반적이었고 증기압력은 10.5kg/㎠ 정도였다. 이후 급증하는 전력수요와 기계 및 재료의 기술혁신에 힘입어 화력발전 설비는 증기조건의 고온·고압화와 함께 단위기 용량의 대형화로 발전했다.

단위기 용량의 변천은 1930년대 200㎿급 발전기가 운전된 이후 1950년대 중반까지 사용되었고, 1964년부터 600㎿, 1970년에는 1,150㎿급, 또한 1973년부터 1,300㎿급이 건설되어 현재까지 최대용량으로 운전되고 있다. 증기 압력과 온도의 변천은 1920년대 15~20kg/㎠, 300℃ 정도였던 것이 1930년대에 와서는 85~100kg/㎠, 400℃ 정도로 상승했고 1950년대부터는 170kg/㎠, 566℃급이 개발되어 현재까지 이용되고 있다. 증기압력이 225.6kg/㎠를 넘는 발전소를 초임계압발전소(超臨界壓發電所)라고 하는데, 최초의 초임계압발전소는 1957년 미국 오하이오 에디슨사의 휘로 발전소로서 증기압력 315kg/㎠, 증기온도 621℃였고, 1959년 필라델피아전력회사의 에디슨 발전소는 증기압력 352kg/㎠, 증기온도 649℃의 초임계압발전소를 건설했다.

한국 최초의 화력발전은 1887년 경복궁에 세워진 설비용량 7KW의 에디슨 다이너모 발전기 3대와 왕복운동증기기관, 그리고 보일러 등으로 구성된 발전소로 연료는 석탄을 사용했다.

1930년대는 선진국의 보일러 및 증기 터빈 기술발달과 함께 5~25㎿급 화력발전 설비가 도입되었으며, 용량의 증가와 함께 증기압력과 증기온도도 초기 단계를 벗어나 35kg/㎠, 300℃에 이르렀다. 현대식 발전소는 1956년 3월 준공된 서울화력발전소 3호기로 용량 25㎿, 증기압력 63kg/㎠, 증기온도 482℃이었으며, 1960년대에는 국내 무연탄을 연료로 하는 삼척화력발전소 2호기, 부산화력발전소 1·2호기, 군산화력발전소 1호기 등의 30~75㎿, 증기압력 93kg/㎠, 증기온도 513℃급 발전소가 건설되었다. 그뒤 1979년까지 급격한 전력수요 증가에 따라 건설공사 기간이 짧고 건설비가 적게 드는 200~400㎿급 평택화력발전소·울산화력발전소 등 중유 화력발전소가 주를 이루었으나 1980년대에 들어서는 500㎿, 170kg/㎠, 540℃급의 보령화력발전소·삼천포화력발전소 등 유력한 화력발전소가 등장했다.

전망

화력발전의 세계적인 추세는 재생·2단재열 사이클, 초임계압발전소의 건설, 단위기의 대용량화 등 많은 기술개발로 열효율이 40％까지 향상되었으나, 1970년을 경계로 단위기 용량의 증대나 증기조건의 개선이 한계점에 이른 것으로 보인다.

그러나 세계 여러 나라는 전체 발전설비 중 화력발전에 대한 의존도가 60％ 정도이기 때문에 앞으로 화력발전기술은 더욱 향상될 것이다. 최근에는 현재의 석탄이나 석유 연소에 의한 공해문제를 해결할 수 있는 연료전지발전, 석탄가스화복합발전, 자기유체발전 등 여러 가지 화력발전에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.

한국에서의 화력발전설비는 1990년대에 이르러 보령화력발전소에 500MW, 246kg/㎠, 540℃급 초임계압발전기가 처음 채용되었으며, 앞으로는 이러한 형태의 화력발전이 주를 이룰 것으로 보인다.

또한 연료는 석유 중심에서 2차례에 걸친 유류파동의 영향으로 석탄 또는 가스로의 에너지 다원화 방향으로 진행되고 있다. 최근에는 급증하는 전력수요에 대응하기 위해 건설기간이 짧은 복합화력발전소와 열병합발전소를 건설해 운전중에 있다. 복합화력발전은 고온측의 사이클에는 가스 터빈 발전을 사용하고, 그 배기 가스를 열원으로 저온측의 사이클에는 기력발전을 조합하여 기술적으로 완성된 각 기관의 특징을 살려 열효율을 대폭 향상시킬 수 있는 발전방식이다.

열병합발전은 복합화력발전에서 전기를 생산하는 과정중에 얻어지는 증기를 공장에서 쓰이는 열이나 일반 주택의 난방열로 이용할 수 있는 발전이다.