기력 발전소의 효율 계산 방법(발전단 열효율, 송전단 열효율)

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기력 발전소는 연료를 연소시켜 발생하는 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 전기를 생산합니다. 이 과정에서 기력 발전소의 효율을 높이기 위해 각 장치의 효율을 최적화하는 것이 중요합니다. 이번 글에서는 기력 발전소의 효율 계산 방법과 효율에 영향을 미치는 주요 요소들을 체계적으로 분석합니다.

Table of Contents

1. 기력 발전소의 기본적 효율

1) 블록 선도

기력 발전소의 기본적인 블록 선도는 연료의 화학 에너지를 열로 변환하고, 이 열을 이용하여 증기를 발생시켜 터빈을 돌린 후 전기를 생산하는 일련의 과정을 나타냅니다.

기력 발전소 블록 선도 구성

보일러(B): 연료를 연소하여 고온, 고압의 증기를 발생시키는 장치
터빈(T): 보일러에서 발생한 증기를 사용하여 회전 운동을 발생시키고, 이를 통해 전기를 생산
복수기(C): 터빈을 거친 증기를 냉각하여 물로 응축시켜 보일러로 재공급
송수펌프(P): 응축된 물을 다시 보일러로 보내는 장치

2) 효율 계산 방식

기력 발전소에서 효율을 평가하는 주요 지표는 발전 효율과 송전 효율입니다. 각각의 효율은 다음과 같이 계산됩니다.

발전 효율 ($\eta_g$): 발전소가 연료로부터 생성한 열에너지에 대한 전기 생산량의 비율
송전 효율 ($\eta_t$): 터빈에서 생산된 전력 중 송전에 성공한 비율

2. 기력 발전소의 연료 효율 산정

기력 발전소의 연료 효율 산정에는 발전 효율과 송전 효율이 포함됩니다. 이를 통해 발전소의 총 에너지 사용 효율을 계산할 수 있습니다.

1) 발전 효율 계산식

발전소의 연료 효율은 보일러, 터빈, 복수기 등 각 구성 요소의 효율에 따라 달라집니다. 효율을 계산하는 방식은 다음과 같습니다:

(1) 발전 효율 $\eta_g$

$$\eta_g = \frac{P_g}{BH} \times 100 \%$$

여기서:

$P_g$: 발전기에서 송출되는 유효 전력 ($kW$)
$B$: 연료 소비량 ($kg/h$)
$H$: 연료의 발열량 ($kcal/kg$)

(2) 송전 효율 $\eta_t$

$$\eta_t = \frac{860(P_g – P_l)}{BH} \times 100 \%$$

여기서:

$P_l$: 발전 과정 중 소모된 손실 전력 ($kW$)

3. 기력 발전소의 각 구성 요소별 효율 계산

1) 보일러 효율 $\eta_b$

보일러 효율은 연료가 보일러 내에서 실제로 사용되어 증기를 생산하는 과정에서의 효율을 의미합니다.

$$
\eta_b = \frac{(i_2 – i_3)}{BH} \times 100 \%
$$

여기서:

$i_2$: 터빈으로 공급되는 증기의 엔탈피 ($kcal/kg$)
$i_3$: 복수기에서 나오는 물의 엔탈피 ($kcal/kg$)

2) 열 사이클 효율 $\eta_c$

기력 발전소의 열 사이클은 열역학 사이클을 따르며, 일반적으로 ‘랭킨 사이클’을 사용하여 발전 효율을 측정합니다.

$$
\eta_c = \frac{i_2 – i_3}{i_2 – i_1} \times 100 \%
$$

여기서:

$i_1$: 보일러로 유입되는 물의 엔탈피 ($kcal/kg$)

3) 증기 터빈 효율 $\eta_t$

증기 터빈의 효율은 터빈에서 발생한 유효 출력과 입력 에너지의 비율로 정의됩니다.

$$
\eta_t = \frac{860 P_t}{(i_1 – i_2) \cdot Z} \times 100 \%
$$

여기서:

$P_t$: 증기 터빈 출력 ($kW$)
$Z$: 발전 과정 중 손실된 비율

4) 복수기 효율 $\eta_c$

복수기는 터빈을 통과한 증기를 냉각시켜 물로 변환하는 장치로, 복수기의 효율은 냉각수와 증기 간의 온도 차이를 줄이는 것이 중요합니다. 효율은 다음과 같이 계산합니다.

$$
\eta_c = \frac{i_2 – i_4}{i_2 – i_3} \times 100 \%
$$

여기서:

$i_4$: 냉각수의 엔탈피

4. 기력 발전소의 총 효율 계산

위의 각 구성 요소별 효율을 종합하여 기력 발전소의 전체 효율을 구할 수 있습니다. 총 효율은 발전 효율, 송전 효율, 보일러 효율, 터빈 효율 등을 종합하여 측정합니다.

$$
\eta_{total} = \eta_g \times \eta_t \times \eta_b \times \eta_c
$$

참고 사항

각 효율 요소는 발전소의 설비 구성 및 운영 환경에 따라 달라질 수 있으며, 각 구성 요소의 상태와 연료 사용량에 따라 효율이 변동됩니다. 이를 관리하기 위해 정기적인 유지보수와 효율 측정을 통한 개선이 필요합니다.

기력 발전소의 효율을 높이기 위해서는 각 구성 요소의 효율을 정확히 파악하고 관리하는 것이 중요합니다. 특히 보일러와 터빈의 효율은 발전소 전체의 효율에 큰 영향을 미치므로, 이를 최적화하기 위한 노력이 필요합니다. 발전소의 운영 효율을 높이는 것은 환경적인 이점뿐 아니라 경제적 비용 절감에도 기여할 수 있습니다.

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