발전소에는 왜 물이 필요할까? 발전과 물 이야기

에너지와 발전

발전소 운전에 있어서 가장 중요한 양상의 하나는 에너지 변환이다. 연료에서 얻어지는 화학적 에너지가 다양한 변화를 거쳐 전기적 에너지로 되는 것은 알고 있는 바와 같이 발전소에서 생산되는 에너지 흐름의 경로인데, 발전소 사이클은 증기와 물의 사이클이며, 에너지 흐름 경로의 집합적인 부분이다. 이 내용을 읽게 되면 물의 5가지 특성과 이러한 특성들이 물이 가열될 때 증기로 변하는 것과 물에서의 압력변화에 어떠한 영향을 미치는 것인가도 역시 알 수 있을 것이다.전력 설비의 종사자에게 있어서 에너지 전달경로는 발전소의 여러 설비를 유지, 보수하기 위하여 매우 필요한 부분이므로 상세하게 알아두어야 할 필요가 있다. 석탄이나 가스, 기름과 같은 연로에서 얻어지는 에너지의 흐름은 보일러 점화에 의해 얻어지는데, 연료의 연소에 의해 연료의 화학적 에너지는 열에너지로 바뀐다. 따라서 보일러에 공급되는 연료의 흐름을 제어하면 연료에서 발생하는 열에너지의 총량을 제어하는 것과 같은 것이 된다.열에너지는 증기를 발생시키는 데 이용되며 증기는 터빈을 구동시킨다. 증기의 열에너지는 터빈에서 기계적 에너지로 변환되며 이에 따라 터빈 축은 회전하게 된다. 터빈에서 공급되는 증기의 흐름을 제어하면 증기에 의하여 발생하는 기계적 에너지의 총량을 제어하는 결과가 된다.

 

에너지 변환을 위한 발전기와 터빈

발전기는 최종 에너지 변환장치로서, 터빈으로부터 발생하는 기계적 에너지를 발전기에 의해 전기적 에너지로 변환되며, 송전선을 통해 수용가에 전송이 된다. 에너지 전달경로의 기본적 부분이 발전소 사이클이다. 발전소 사이클 장치 없이는 열에너지가 기계적 에너지로 변환할 수 없을 것이기 때문이다. 보일러로 공급된 연료는 공기와 혼합되어 점화되며 연료의 연소에 의해 화학적 에너지가 열적 에너지로 변환된다. 열에너지의 대부분은 보일러 튜브 내에 있는 물에 전달되고 이렇게 전달된 열에너지는 물의 온도를 상승 및 비등시켜 증기를 형성한다. 증기는 더 가열되어 파이프라인을 통하여 터빈에 공급되고, 이때 증기가 보일러로부터 터빈으로 열에너지를 전달하게 된다. 터빈에 공급된 증기는 직접 터빈의 날개 사이를 통하여 흘러감으로써 증기의 열에너지는 기계적으로 변환되며 이 기계적 에너지는 터빈 축을 구동시킨다. 축의 회전에 의해 발전기가 회전하며 기계적 에너지는 변환 작용에 의해 전기적 에너지로 완전히 변하게 된다. 터빈날개들을 통과한 후 증기는 그것이 가지고 있는 열에너지를 소모하여 복수기에서 냉각되어 다시 물로 바뀌고 복수기 집수정에 모이게 된다. 이렇게 응축된 물을 응축수라고 하며 그때까지 집수정에 남아있는 응축수는 복수펌프와 급수펌프에 의해 배관을 통해 마침내 보일러로 다시 들어간다. 발전소 사이클은 이렇게 같은 물이 다시 사용되는 폐회로로서, 물은 경우에 따라 액체인 물과 증기로써 모두 사용된다. 발전소 사이클은 물의 일정한 특성에 크게 의존한다. 따라서 물의 특성과 측정 단위, 기호 등에 대한 이해가 필수적이다.

압력

압력이란 단위면적 당 힘의 양으로서, 압력측정의 기본단위는 제곱인치 당 작용하는 파운드인 PSI이며, 압력의 기호는 P로써 나타낸다. 압력은 일반적으로 절대 압이나 게이지 압을 서로 관련지어 측정되는데 절대 압의 기본단위는 "PSIA" 게이지 압의 기본단위는 "PSIG"이다. 절대 압과 게이지 압은 동일압력을 측정하는 데 사용될 수 있는데 다만 두 압력 간에는 기준점을 나타내는 "0"점이 다르다는 것이다. 절대 압은 완전진공을 0점으로 사용하는데, 지구상에는 완전진공이란 존재하지 않는다. 지구 표면에는 대기 중의 공기에 의하여 항상 얼마만 한 압력이 작용하고 있는데 이를 대기압이라 한다. 대기압은 날씨 상태와 고도에 의하여 변하는데, 해면에서 대략 14.7 PSIA이다. 게이지압은 대기압의 상태를 "0"점으로 하여 사용된다. 그러므로 해면에서 "0" PSIG는 14.7 PSIA와 같다. 대기압력 값을 더하거나 빼거나 함으로써 하나의 압력계에서 다른 압력계의 값으로 바꿀 수가 있다. 절대압을 게이지압으로 바꾸기 위해서는 대기압을 빼면 된다. 예를 들어 해면에서 214.7 PSIA는 게이지압력으로 200 PSIG가 된다. 그 이유는 214.7-14.7=200이 되기 때문이다. 게이지압을 절대압으로 환산하기 위해서는 게이지압에 대기압을 더해주면 된다.

온도

온도란 어떤 물체의 따뜻함이나 차가움을 관련된 계기로 측정한 값을 말하는데, 이 계기는 두 개의 온도를 비교하여 그 차이를 나타낸다. 보통 온도는 화씨(Fahrenhet)와 섭씨(Centigrade)의 두 가지로 측정되며, 온도의 기호는 "T"로 나타낸다. 또한 화씨는 "F"로 섭씨는 "C"로 나타낸다. 압력표시의 두 가지 방법과 마찬가지로 온도의 두 가지 계도 0점이 다르지만 압력계와는 다르게 1ºF와 1 ºC는 그 값이 매우 차이가 있다. 화씨에서의 물의 빙점은 32 ºF며 비등점은 212 ºF이며, 그 사이에 180 ºF가 있는 것이다. 반면에 섭씨(ºC)에서는 물의 빙점과 비등점 사이에 100 ºC가 있다. 한 계에서 다른 계로 변환하기 위해서는 두 계 사이의 관계를 알아야 한다. 100(ºC)과 180(ºF) 사이에 물의 빙점과 비등점이 존재하므로 두 계 사이의 관계는 100/180이나 약분식 5/9로 비를 나타낼 수 있다. 어떤 물질의 온도라는 것은 물질 자체에서 소유하고 있는 열에너지의 총량과 관련이 된다. 열에너지는 자체의 측정 단위를 가지고 있는데 열단위라고 하는 BTU가 그것이다. 1BTU는 1파운드의 순수한 물의 온도를 1(ºF) 올리는데 필요한 열의 총량과 같다. 또한 1Kcal는 1kg의 순수를 1 ºC 올리는데 필요한 열의 총량과 같다.