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I. 발전소의 종류
인간이 살아가는데 필요한 에너지로 주종을 이루어왔던 각종 화석연료(석탄, 석유, 천연가스 등)을 이용하여 Steam(에너지)을 발생시켜 Generator(발전기)를 회전 시키면 전기가 발생된다.
이렇게 화석 연료를 사용하여 에너지를 얻는 발전소를 화력 발전소라고 말하며, 우라늄이 핵분열할 때 나오는 에너지를 이용하는 발전소를 원자력 발전소라 한다.
터빈(Turbine)을 돌리고 남은 증기(Steam)는 많은 양이 복수기(Condenser)에서 손실 되지만 열병합 발전소는 버리는 증기를 재사용하는 발전소를 말하며, 일반적으로 대규모 주택단지나 공장에 난방용이나 공정용, 기타 용도로 쓰이기 때문에 열 이용효율이 높은 발전소이다.
II. 화력 발전소
1. 화력발전소의 원리
증기 발전은 연료의 내부 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 것을 의미하며, 가장 간단한 형태는 전기 발전기를 돌리는 터빈(Turbine)과 보일러(Boiler)로 구성 되어 있다.
보일러(Boiler)는 물을 증기(Steam)로 바꾸는 장치이며, 관(Tube)를 통해 발생되는 분출증기는 터빈(Turbine)과 발전기(Generator)를 돌린다.
화력 발전 설비 용량은 약 250MW급에서 800MW급으로 크게 증가되었고 발전소 제어계통도 기계 유압제어 방식에서 전자 유압 제어 방식으로 전환되었다.
본인은 200MW발전소에 경험이 있으며 원리는 대동소이하게 보아도 무리는 아닐것이다. 여기에서는 화력 발전소의 원리를 개략적으로 설명하고 각각의 기능을 살펴 보기한다.
2. 각 부분의 명칭과 기능
1) 순환수 (Circulation Water): 발전소에서는 해수(海水)를 이용해 Steam을 응축수로 변환 시킨다. 그래서 발전소가 모두 바닷가 옆에 있는 있는것이다. (내륙에 있는 발전소는 냉각탑(Cooling Tower)을 이용하기도 한다.
순환수 계통은 터빈의 배출증기를 응축시켜 급수로 재사용할 수 있도록 복수기(Condenser)에 냉각수를 공급하며, 또한 발전소의 각종 기기로부터 열부하를 제거하기 위한 기기냉각수 열교환기, 복수기 진공펌프(Vacuum Pump) 밀봉수 열교환기, 스크린세척펌프(Screen Wash Pump)에 냉각수를 공급한다.
순환수는 2개의 토출 배관으로 부터 공통배관을 통하여 복수기에 공급되며, 복수기를 통과한 순환수는 배수배관 및 배수관로(Discharge Tunnel)를 통하여 바다로 배출된다. 배수관로에는 배수웨어 구조물을 설치하여 순환수가 복수기를 통과할 때 싸이폰(Siphon)을 유지 시키도록 한다.
2) 순환수 펌프 (Circulation Water Pump):순환수펌프는 해수를 취수로로부터 흡입하여 복수기 및 기타 소요처로 공급한다.
3) 복수기 (Condenser):복수기는 고압의 Steam이 Turbine을 회전시키고 난 후 증기를 응축시켜 핫트웰(Hot-well)에 모아서 복수펌프와 글랜드스팀 콘덴서(Grand Steam Condenser), 저압급수가열기(Low Pressure Heat Exchanger)를 거쳐 탈기기(Deaerator) 및 급수저장탱크로 보낸다. 한마디로 말하면 Steam을 물로 응축 시키는 역할을 한다.
복수기는 1개의 쉘로 구성되며, 저압터빈(LP Turbine) 배출증기 및 각종 배기, 배수를 복수기 튜브측 해수냉각수와의 열교환에 의해 응축시켜 핫트웰(Hot-well)에 모은 후 주계통에 유입토록 한다. 복수기의 튜브는 주터빈축에 직각방향으로 배열되며, 누수가 발생하지 않토록 튜브쉬트에 용접하여 부착된다. 복수기의 각 쉘 목(Neck)에는 1번 저압급수가열기가 설치되며, 터빈배기부와 복수기와는 고무신축조인트(Ruber Expansion Joint)로 연결된다.
4) 복수 펌프 (Condensate Pump):복수기(Condenser) 핫트웰(Hot-well)에서 취수한 복수를 탈기기(Deaerator)및 저압급수가열기(Low Pressure Heat Exchanger)로 공급한다.
5) 저압급수가열기(Low Pressure Heat Exchanger):복수 펌프에서 공급된 응축수는 Boiler에서 다시 가열하여 steam으로 변화 된다. 찬물이 보일러에서 가열되는것보다 뜨거운물을 가열하여 증기로 만드는것이 효율적이란것은 상식일 것이다. 따라서, Heater의 역할은 Boiler로 공급되는 물을 포화온도까지 충분히 올려주는 역할을 한다.
저압급수 가열기는 LP Turbine으로 부터 저압급수가열기 쉘측으로 추기를 공급받아 튜브측 급수를 가열하여 발전열효율을 높인다. 추기(Steam Extraction)는 FWH#1 → LP TBN, FWH#2 → LP TBN, FWH#3 → LP TBN, FWH#4 → IP TBN에서 각각 추기하여 공급한다.
6) 탈기기(Deaerator):LP Heater와 HP Heater중간에 설치하는 Gas용존 제거 장치이다.
급수는 Spray로 분사되어 증기와 혼합되며, 이론상 증기가 가지고 있는 열은 물이 흡수한 열량과 같기 때문에 Terminal 온도차는 Zero가 되어 효율이 대단히 좋아진다.
용존 Gas제거 원리는, 급수를 되도록 높은 온도까지 가열 시켜서 증기 압력에 대응하는 포화온도(Saturated Vapour)까지 이르게 하고, 액체중의 Air의 용존도는 온도 상승에 비례하여 감소함을 이용하여 물리적으로 탈기(脫氣)를 시킨다. 탈기 후 잔여분의 용존 Gas는 Hydrazine을 주입하여 화학적으로 처리시킨다. 탈기전(脫氣前) 0.02∼0.05cc/ℓ의 용존 산소량은 탈기 후 0.005cc/ℓ 정도로 감소한다.
※탈기 목적
① 급수(給水)중에 용존되어 있는 산소등의 용존 Gas 제거
② 급수와 증기가 직접 섞임으로써 급수를 가열
③ 급수를 일정량 저장함으로써 급수량의 급변에 대응
④ 적당히 높은곳에 설치하여 급수 펌프에 Cavitation방지를 위한 Suction Head를 준다.
7) 급수승압펌프(BFP):급수승압펌프(Booster Feed Water Pump)는 그 기능상 화력발전 계통의 심장부에 상당하는 극히 중요한 기기의 하나이며, Pump 중에서도 특히 높은 기술을 필요로 한다.
B.F.P의 기능과 용도를 알려면 먼저 Steam의 특성과 재열사이클(Reheat Cycle), 랭킨사이클(Rankine Cycle)의 개념을 알아야 한다. 압력이 높으면 끓는점이 높아지며 Boiler는 높은 압력, 온도에서 높은 효율을 얻을 수 있다. 따라서 Boiler의 압력을 높이기 위한 승압 펌프가 필요한 것이다.
8) 고압급수가열기(High Pressure Heat Exchanger):저압급수가열기와 기능은 같다.
저압급수가열기를 통과한 급수(Feedwater)는 어느정도 온도가 상승되며 용존 산조를 제거하는 Deaerator를 지나고 나면 180℃정도의 온도가 된다. B.F.P를 지나 고압급수가열기로 공급된 급수는 고온의 Extraction steam에 의한 열교환을 거치며 300℃정도의 온도를 가지게 된다.
즉, 고압급수 가열기에서는 저압급수가열기에서 1차 가열된 급수를 고온의 급수로 가열하는 역할을 하는 것이다.
추기(Steam Extraction)는 FWH#6 → IP TBN, FWH#7 → Cold reahet steam, FWH#8 → HP TBN에서 각각 추기하여 공급한다.
9) 보일러(Boiler):증기를 연속적으로 발생시켜 터빈과 보조설비에 필요한 증기를 공급하는 역할을 하며 여기서는 드럼(Drum)보일러와 순환 유동층 보일러를 기준으로 한다.
대부분의 화력 발전소에서는 관류 보일러를 사용하지만 경우에 따라서는 아임계압을 사용하는 드럼 보일러를 사용하기도 한다.
고압급수가열기에서 가열된 급수는 절탄기 입구의 역지변 및 정지변을 거쳐 절탄기 입구헤더에 유입된다. 급수는 절탄기에서 연소가스의 여열에 의해 예열된 후 출구헤더에 모여 드럼으로 유입된다. 드럼의 포화수는 강수관(Downcommer)을 통해 연소로 하부 헤더로 유입되고, 연소로 수벽관 또는 FBHE(Fluidized Bed Heat Exchanger) 증발기를 지나면서 열을 흡수하여 증기를 발생시킨다.
주증기(Main Steam)는 드럼에서 나온 증기는 1차과열기 입구 헤더에 모인후 1차 과열기를 통과시 과열된후 1차 과열기 출구헤더로 다시 모인다. 1차 과열기와 2차 과열기사이에는 물분무식 과열저감기가 설치되어 주증기의 온도를 제어한다. 1차 과열기 출구헤더의 증기는 2차 과열기 입구헤더에 모인후 2차 과열기 및 FBHE 과열기를 통과하면서 과열된다. FBHE 과열기를 통과한 증기는 주증기관을 통하여 고압터빈으로 유입된다.
재열증기(Reheat Steam)는 고압터빈을 거친 저온재열증기(Cold Reheat Steam)는 재열기 및 FBHE 재열기를 통과함으로써 과열도가 높은 고온 재열증기가 되어 중압(IP)터빈으로 유입된다.
10) 고압 터빈(High Pressure Turbine)
11) 중압 터빈(Intermediate Turbine)
12) 저압 터빈(Low Pressure Turbine)
터빈은 증기발생기에서 나온 고온, 고압의 증기가 갖고 있는 열에너지를 일로 전환시키는 터빈과 터빈의 기계적 에너지를 받아 전기를 발생하는 발전기로 구성어 있다. 발전소의 터빈은 3단계로 구성되어 있으며 고압터빈은 Main Steam압력에 의해 회전하며, 중압 터빈은 Reheat Steam, 저압 터빈은 중압터빈을 회전시킨 Steam으로 회전한다.
발전소에서 가장 중요한 설비이며 고가이다.
13) 발전기(Generator)
발전기의 원리 이해
자속 밀도가 일정한 자기장 안에 코일이 감겨진 실린더 모양의 회전자가 회전하고 있다. 회전자가 회전을 할 때, 회전자에 감겨진 코일에는 자속의 변화가 일어나게 된다. 코일에 나타난 자속의 변화에 의하여 전류가 발생되고 이로 인하여 교류 전압이 발생하게 된다. 발생된 교류 전압은 코일의 양 단자에 연결된 슬립 링을 통하여 출력된다. 슬립링을 정류자로 대치하고 정류를 하여 직류 발전기로 사용이 된다. 발전소의 모든 시스템은 전기를 생산하기 위한 것으로서 최종적인 목표는 발전기를 회전시켜 원하는 전기를 얻는 것이다.
14) 변압기(Transformer):발전기에서 생산된 전기는 고압의 전기로 승압 시켜야 한다. 변압기는 전압을 승압 또는 DOWN시켜주는 역할을 하며 발전소의 변압기는 승압시켜주는 역할을 주로한다.
발전소의 변압기는 3가지의 종류가 있다.
Main Transformer (주 변압기): 발전기에서 나온 전기를 승압시켜 변전소로 보낸다.
Aux. Trasnformer (보조 변압기): 주 발전기가 고장났을때 주변압기 역할을 해준다
Start-up Trasnformer (기동 변압기): 초기 발전소 운전을 위해 외부 전원을 받아(수전) 전기를 발전소내에 공급해주는 변압기이다.
15) 송전 탑(Transmission Tower):변압기로 부터 받은 고압의 전기는 옥외 변전소(Switch Yard) 지나 송전탑에서 소요처로 공급해준다.
16) 통풍기(通風機)Fan:통풍기는 보일러에 공급된 석탄(미분탄)을 연소(燃燒)시키기 위한 공기를 기계적으로 공급해주는 역할을 한다. 연소용 공기의 종류가 3가지가 있으므로 Fan의 종류도 3가지가 있다.
Primary Air (1차 공기): 미분탄의 운송과 분사가 주 역할이며 1차공기는 Hot Air Duct에서 분기하여 P.A Fan으로 압력을 올려 미분탄을 혼합시켜 Coal Burner로 운송하고 분사를 한다.
Secondary Air (2차 공기): 2차공기는 석탄연소 보일러의 주 연소용 공기로 Burner주위에 공급되며 전체 공기량의 50 ~ 70% 정도를 차지한다.
Teriary Air (3차 공기): 3차공기는 석탄연소 보일러의 보조연소용 공기로 Burner하부 노벽(爐壁)의 Air Port를 통해 공급된다. Burner Zone부위에서 산소가 많이 소모되어 연소실 하부로 갈 수록 산소 농도가 저하되어 완전연소가 곤란하므로 이때에 보조 공기를 공급하여 연소를 촉진시킨다.
17) I.D Fan (Induced Draft):Boiler에서 석탄을 연소시킨후 발생된 먼지나 Air를 전기집진기로 송풍하는 역할을 한다.
18) 전기 집진기 (Electrostatic Precipitator):Boiler에서 연소후 배출되는 Flue Gas중의 Fly Ash및 매연(Soot)를 포집하여 환경 오염 방지와 포집된 Fly Ash의 회수 역할을 한다.
3. 보일러
1) 드럼 보일러 (Drum Boiler)
발전용 보일러에는 Drum의 유무에 따라 드럼 보일러와 관류 보일러로 대별 된다. 드럼 보일러는 보일러내에서 보일러수의 순환이 자연력(중력)에 의해 행해지는 자연 순환보일러와 자연력만으로는 보일러수 순환이 불충분 하여 강제로 보일러수(feed water)를 순환 시키는 강제 순환 보일러로 나누어 진다.
① 자연 순환 보일러 (Natural Circulation Boiler):
물과 증기의 비중량차에 의해 순환한다.
- 특징
ü 임계압(Critical Pressure)이상에서는 관수가 순환할 수 없다.
ü 압력은 180㎏/㎠ 이하로 유지한다. 물과 비중량차가 압력이 상승함에 따라 점차 감소하여 임계압력 이상에서는 두값이 같아진다.
- 자연순환 보일러의 장단점
장점 | 단점 |
- 관수 순환을 위한 장치가 불필요 하므로 구조가 간단 | - 보일러의 압력을 제한해야 한다. - 보일러수 량이 많아 체적이 커진다. - 기동 시간이 오래 걸리고 정지시 열손실이 크다. |
② 강제 순환 보일러 (Forced Circulation Boiler):
보일러의 압력이 높아지면 포화수와 포화증기의 비중량 차가 작아져서 자연순환만으로는 관수 순환을 충분히 행할 수 없다. 따라서 강수관의 도중에 관수펌프(Boiler Water Circulation Pump)를 설치하여 보일러수를 순환시키는 방법이다.
- 특징
ü 직경이 작은관을 사용할 수 있다.
ü 운전 압력의 제한이 없다.
ü 운전 압력은 200㎏/㎠ 이하로 한다.
- 강제순환 보일러의 장단점
장점 | 단점 |
- 관(Tube)이 과열될 위험이 없다. - Tube의 내압강도가 크다.(직경이 작기 때문) - 기동 및 정지시간 단축(보유 수량이 적기 때 문) - 부하 변동에 따른 수위 변동이 적다. - 보일러의 높이를 낮게 설치할 수 있다. | - 펌프(Pump)에의한소비동력증가 - 순환 펌프의 유지 보수가 힘들다. - 기동, 정지시 운전이 복잡 |
2) 관류 보일러(Once-through Boiler)
급수가 긴 관을 1회 통과하는 동안 가열, 증발, 과열되어 출구에서는 소요의 과열 증기가 되어 배출된다.그러므로 이 보일러는 드럼이 없고 증발관의 구성은 많은 작은 관 을 병렬로 배열하며, 각 관의 온도 및 압력차를 줄이기 위해 해더를 이용한 분류와 합류를 반복하면서 전열면을 구성한다.
관류 보일러의 종류는 벤슨 보일러(Benson Boiler), 복합 순환 보일러 (Combined Circulation Boiler) 및 슐저 보일러 (Sulzer Boiler) 등이 있다.
순서 : 절탄기 → 증발관 → 과열기
물 습증기 과열증기
- 특징
ü 보일러 내에 물의 저장이 불가능하고, 관수 순환이 없으므로 점화가 되면 급수를 공급해야 하고, 또 공급량만큼 배출시켜야 한다.
ü 연소실 벽이 Membrane Wall로 구성되므로 전열면의 국부적인 과열을 방지해야 하며, 모든 관에 유량을 균등히 유지하여 각 관의 입구 및 출구에서의 온도차가 작고 동일하게 유지해야 한다.
ü 모든 관에 보일러 수가 균등히 흐르게 하기 위해서는 급수량이 정격 증발량의 30 ∼ 40% 이상 유지해야 하며, 이로 인해 출력을 정격 출력의 30 ∼ 40% 이상 유지해야 한다.
ü 기동시와 같이 물이나 저질의 증기가 배출되어 터빈에 수용할 수 없을 때를 위해 터빈 바이패스(By-Pass) 계통이 설치되어야 한다.
ü 증발관을 통과하는 동안 완전 증발하므로 기수분리 과정이 불필요하며 이로 인해 초임계압 보일러에 적합하다.
이 보일러는 드럼이 없어 C.B.D를 행할 수 없으므로 수질이 특히 좋아야 하며, 물의 증발시 불순물의 석출이 급증하는 증기질 85% 이상의 증발은 가스 온도가 낮은 부위에 배치한다.
① 벤슨보일러(Benson Boiler):
벤슨 보일러는 관류 보일러의 대표적인 보일러이다. 급수펌프에 의해 공급된 급수는 절탄기에서 가열되어 복사 증발관에 보내어진다. 이 복사 증발관은 20 ∼ 30mm의 수관을 다수 병렬로 배치하여 노벽을 형성하고, 각 수관내에는 물이 균등하게 흐르도록 상하에 헤더를 설치하여 하나의 조(Set)를 만들고 이러한 조들을 직열로 연결하여 전열면을 형성한다. 복사 증발관에서는 약 85%의 물이 증발하며 그 상태의 기수 혼합물이 잔부 증발관에 유입되어 증발이 완료된 후, 1차 및 2차 과열기에서 과열되어 배출된다. 이와 같이 하면 급수중에 함유된 불순물은 대부분 잔부 증발관에서 석출되며, 이 잔부 증발관은 연소 가스의 온도가 700℃ 정도로 낮은 부위에 배치하여 관의 과열로 인한 사고를 감소시킨다.
② 슐저 보일러 (Sulzer Boiler):
증발관 입구에 Valve가 설치되고 출구에는 유량 조정점이 있어 이 점에서 유량을 측정하여 입구 Valve 개도를 가감, 모든 관에 관수가 균등하게 흘러가게 한 구조이다. 또 관의 배치는 상하 방향이 아니고 노의 주위 벽을 아래 쪽에서 서서히 위 쪽으로 향하는 코일(Coil) 상으로 말아 올리는 구조로 한다. 그러므로 입구 해더와 출구 해더 사이에 거의 해더를 필요로 하지 않아 경비가 절감되나 수관을 거의 코일상태로 말아올리는 공작이 필요하게 되며 또 부분적인 제작이 벤슨 보일러만큼 용이하지 않다. 초기의 슐저 보일러는 출구에서 5∼8%의 수분을 함유한 기수 혼합물을 소형의 기수 분리기에 보내 기수를 분리하여 증기는 과열기로 보내고 고형물이 농축된 물은 급수 가열기로 보내거나 버리도록 한 구조이다.
③ 복합 순환 보일러 (Combined Circulation Boiler):
이 보일러는 벤슨 보일러의 단점을 개선한 형태로서 기동시나 저 부하시에 증발관 출구에서 일부의 보일러수를 증발관 입구로 재순환시켜 연소실 부위의 증발관에 충분한 양의 관수가 흘러 관의 과열을 방지한 것이다. 이 보일러는 아임계압에서 초임계압까지 모두 사용 가능하고, 특히 대용량 초임계압 보일러에는 이 형식이 적절하다.
3) 드럼 보일러와 관류 보일러의 비교(比較)
Boiler | 장점 | 단점 |
드럼 보일러 (Drum Boiler) | - 모든 증발관에 관수 순환량을 균등히 유지할 수 있어 관이 과열될 위험이 없다. - 관의 직경이 작으므로 내압 강도가 증가하여 관 재료가 절약되고, 열전달율이 좋아 증발관의 금속 온도가 낮게 유지되며, 보유 수량이 적으므로 기동 및 정지시간이 단축된다. - 또 관 파열시 피해가 적으며 일시적으로 운전을 연장할 수 있고, 부하 변동에 따른 수위변동도 작다. - 전열면의 수관을 자유롭게 배치할 수 있어 연료나 연소 방식에 따라 적당한 연소실을 구성할 수 있다. - 보일러 수의 순환에 문제가 없으므로 보일러를 낮게 할 수 있고, 드럼의 설치가 용이하다. - 관수 순환 펌프가 설치되므로 산세정시 순환수 순환이 용이하다. - 관수순환펌프 전후의 압력차를 이용하여 관내 관석(Scale)누적량을 추정할 수 있다. - 기동시 관수를 순환시킬 수 있어 관내 관석 생성 비교적 적다. - 정격 부하에서 운전압력 범위를 넓게 잡을 수 있다. | - 관수 순환 펌프가 설치되므로 소비동력이 증가한다. - 관수 순환 펌프의 유지 보수가 용이하지 않고, 고장시 출력 감발이 따른다. - 기동, 정지 및 운전이 복잡하다 |
관류 보일러(Once-through Boiler) | - 드럼 및 대형 해더가 없고 관경이 작으므로 압력부위 중량이 가볍다. - 보일러의 보유 수량이 적어 기동 및 정지 시간이 단축된다. - 보일러수는 급수 펌프에 의해 강제 순환되므로 관수 순환에 따른 문제가 없다. - Blow Down이 없으므로 보충수가 적다 - 기수 분리과정이 없으므로 초임계압 보일러에 적당하다 | - 작은 관 내에 충분한 유속을 유지해야 하므로 압력 손실이 커져 급수 펌프의 동력 손실이 크다. - 기동시 보일러수를 계속 배출시키므로 열 손실이 크다. - 일시 정지한 후 재 기동할 때는 반드시 전열면을 냉각해야 하므로 시간이 오래 걸리고 열 손실이 크다. - 최저 부하 한도가 30∼40%로 제한된다. - 고 순도의 급수를 공급해야 하므로 급수 처리 기술 및 시설이 추가되어야 한다. - 고도의 제어기술과 각종 보호장치가 필요하다. |
4. 보일러 연소방식의 종류
1) 수직 연소방식(Vertical Firing):
연소실 상부 Arch부에 Burner를 수직으로 설치하여 노를 향하여 하향 분사하는 방식으로 화염이 U자형 또는 W자형으로 길게 유지되면서 연소가 이루어 진다. 이 형식은 Arch부의 수관 구성이 복잡해지고 Burner 주위에 복사열이 닿으므로 과열 우려가 많아 과열 방지 대책이 필요하다.
따라서 수직연소식은 Oil 연소 Boiler에서는 채용예가 적고 무연탄 연소 Boiler에서 석탄을 노내에 오래 머무르게 하여 완전연소를 시키고자 할 경우에 채용되고 있다. 수직연소식 보일러에서는 2차공기에 의해 화염안정용 Oil이 착화, 연소되고 이어서 미분탄의 착화와 연소가 시작된다.
Burner Zone 부위에서의 급격한 연소반응으로 산소가 많이 소모되어 연소실 하부로 갈수록 산소농도가 저하되어 완전연소가 곤란하므로 이때에 보조공기를 공급하여 연소를 촉진 시킨다. 미분탄의 운송과 분사가 주역활인 1차공기는 P.C. Feeder 하부의 Venturi Mixer를 통과하면서 미분탄을 혼합시켜 Coal Burner로 운송하고 분사를 한다. 1차공기의 분사속도는 화염전파속도보다 약간 빠르게 유지시켜야 역화를 방지할 수 있고 또 안정된 화염이 유지된다.
2차공기는 석탄연소 Boiler의 주연소용 공기로 Burner 주위로 공급되며 전체 공기량의 50∼70% 정도를 차지한다.
3차공기는 석탄연소용 Boiler의 보조연소용 공기로 Burner 하부 노벽의 Air Port를 통하여 공급된다.
1) 수평 연소방식(Horizontal Firing):
연소실 측면에 3∼4층에 Burner를 설치하는 방식으로 연료의 종류와 관계없이 가장 많이 채용하고 있다.
수평연소식에서는 각 Burner마다 연소용 공기를 선회시키면서 송입하여 단독의 화염을 형성시켜 연소시키는 방식이 많으며 연소상태가 Air Register의 영향을 크게 받는다.
Air Register는 분사된 연료에 연소용 공기를 효과적으로 혼합 교반시켜 확실한 착화와 화염의 안정을 도모하기 위한 장치로서, 연소용 공기에 선회운동을 주어 투입된 연료와 혼합효과가 좋아지도록 Vane을 설치하여 Burner 주위를 선회 하면서 공급하는 방법과 화염의 안정성을 확실히 하기위해 Burner주위에 내통을 설치하여 1차공기는 내통 내부를 따라 소량 공급하여 착화를 확실히 해주고 나머지 주연소용 공기는 내통 외부를 따라 선회력을 주면서 공급하는 방식이 있다.
3) Corner 연소방식(Tangential Firing):
Furnace의 각 Corner에 4∼6층의 Burner를 설치하여 노 중앙으로 연료를 분사시켜 노 중앙부에 Fire Ball을 형성시켜 연소가 이루어지는 방식으로 연소용 공기를 선회시키지 않아도 연료와 공기의 혼합이 잘 이루어져 화염이 노내 전체에 고르게 퍼지면서 연소가 이루어 진다.
C-E Type Tangential Firing 방식은 다른 연소방식보다 열흡수 양상이 균일하며 연료와 연소용 공기는 노의 Corner로 유입되지만 실제 연소는 노 중앙부에서 Fire Ball을 형성하면서 이루어 지므로 열 분포는 연료가 유입되는 쪽 혹은 노내 어느 한 부분에 집중되지 않고 Boiler의 부하변동에 따른 연료량이 증감되어도 열흡수 양상은 크게 변동되지 않는다.
또한 Corner Firing 방식의 특징의 하나는 Tilting Device를 설치하여 화염의 각도를 조절할수 있는 것이다.
4)석탄 유동층 (CFBC)
석탄 유동층 연소 Boiler는 석탄을 미분화시키지 않고서도 연소할 수 있는 Boiler로 미분탄 설비가 생략되므로 건설비가 저렴하고 층내 탈류, 저온연소에 의한 저 NOx 배출특성, Boiler의 Compact화, 광범위한 탄종 사용가능 등 우수한 면을 지닌 단기 실용 가능한 기술로서 세계적으로 주목되어 개발되고 있다.
① 석탄 유동층 연소 Boiler의 원리
석탄석, 연료의 재, 모래등 불활성 고체입자군(Bed Material)으로 이루어진 층의 밑부분에서 공기를 불어넣으면 고체입자군은 상하로 유동, 즉 비등하게 되는데 이러한 부유 유동화된 고체입자층을 유동층(Fludized Bed)이라 한다. 이 유동층내에서 석탄등 가연물질을 연소시키는 방식을 유동층연소(FBC:Fludized Bed Combustion)라 한다.
② 유동층 연소 Boiler 특징
- 광범위한 연료 연소가능(고·저유황 유연탄 및 무연탄, Pepro Coke, 저질서탄, 기타 모든 가연성물질)
- 불활성 열매체(모래, 회재, 석회석 등)의 유동에 의해 저질 연료의 연소가능
- 석회석 주입에 의한 직접 탈황이 가능(90%이상)하므로 별도의 탈황설비 불필요
- 연소온도가 낮아 질소산화물(NOx)발생이 적다.
- 연료의 주입설비 간단
- 연료를 미분화시키지 않으므로 연료분쇄기 설비가 저렴
- 회융점 이하(750∼950℃)에서 연소되므로 Slagging발생이 없다.
- 급격한 부하변동에 따른 응답이 좋다.
- 미분탄 연소설비보다 동력소모가 적다.
- 다른 고체연소 보일러보다 자동제어가 용이하다.
5. 전기 집진 장치 (Electrostatic Precipitator)
Boiler에서 연소후 배출되는 Flue Gas중의 Fly Ash 및 매연(Soot)을 포집하여 환경 오염 방지와 포집된 Fly Ash의 회수 이용을 위하여 다양한 방식의 집진기가 있다.
종래의 집진설비는 주로 Fly Ash의 포집 목적으로 설치 하였으나 현재는 Fly Ash외에도 매연과 기타 공해 물질의 배출 한계를 법률로 규제하고 있는 실정이다.
전기 집진기는 두개의 전극에 직류 고전압을 가하여 Crona방전을 이르켜 Gas중의 Dust를 대전(帶電)시켜서 전계(電界)의 힘으로 Dust를 분리시키는 방식이다.
전기 집진기는 유지,보수비등이 많이 소요되나 미세한 입자도 양호한 집진율을 유지시킬 수 있어 현재는 발전소 거의가 전기집진기를 설치하고 있다.
1) Corona 방전(放電)
Dust를 함유치 않는 대기중에서 동심(同心) 원통(圓筒) 전극간에 전압을 가하여 점점 전압을 높이면 방전극 부근에 Corona를 발(發)하면서 양전극간에 방전전류가 흐르기 시작하는데 이를 Corona "개시전압"이라 한다.
더욱 전압을 올리면 방전전류는 점차 증가 되다가 드디어는 불꽃에 의해 양전극이 섬각되는데 이것을 "불꽃개시전압"이라 한다. 이 Corona 방전대(放電帶)는 대기중에 전이(電離)되어 있던 전자 및 ION이 방전극 부근의 강한 전계(電界)에 의해 가속되어 Gas분자와 함께 충돌 전이되어 다수의 ION 및 전자를 발생시킨다.
이러한 Corona방전대를 이용하여 분진을 포집 시키는 것이 전기집진기이다.
전기집진기는 Corona방전에 의한 전계의 힘을 이용하여 분진을 포집하는 것으로 Gas의 유속이 1~2m/s로 유속분포가 균일한 실내에 10 inch 정도의 간격으로 집진극과 방전극을 수직으로 배열시켜 이 전극에 D.C 30~70KV정도의 고전압을 가하여 Corona방전을 형성시킨다.
이 전장내에 Dust가 함유된 Gas를 통과시키면 방전극 부근의 전계에서 Corona방전에 의한 Gas의 충돌로 Dust는 ION화 되고 (-)전하를 띠게 되어 (+)극인 집진극에 유인되어 포집이 이루어 진다.
이때 집진극에 유인되어 다달은 (-)ION의 Dust는 전하를 잃게되어 낙하되고 Fly Hopper에 쌓이게 된다.
포집된 Fly Ash는 내화벽돌로서 재사용 되어지며 기타 분진은 Ash Pipe를 통해 회처리장(Ash Disposal Area)으로 이송되어 매립 및 회처리된다.
3) 전기집진기의구조
- 집진실 (고정형 + 이동형)
방전극과 집진극이 설치되어 있는 전계의 장(Field)을 말하며, 집진실은 한(1)대 당 2개의 챔버로 되어있고, 운전중 집진실에 이상이 발생할 경우 관련 챔버에만 하전을 중지시켜 집진실을 보호하도록 되어있다.
- 방전극
하전설비로부터 고전압을 받아 코로나 방전을 발생시켜 배기가스에 포함된 분진 을 하전시키는 기능을 갖는다. 방전극에는 직류고전압이 하전되어 있기 때문에, 집진극이나 집진실 등으로 부터 전기적으로 절연시키고, 또한 다수의 방전극을 기계적으로 보호 지지하기 위하여 방전극 지지기구를 갖고 있다.
- 집진극
방전극과 함께 집진 전계를 형성하고, 대전 미립자를 정전력에 의하여 포집하는 기능을 갖는다. 집진판은 집진효율의 향상과 포집된 분진이 가스유동에 의한 영 향을 받아 재비산하는 것을 방지하도록 되어있다.
- 추타장치
방전극과 집진극에 부착하여 퇴적한 분진을 하부에 설치되어 있는 호퍼로 낙하시 키는 장치로서, 방전극용 및 집진극용과 가스 정류판용이 있다.(4~5 Field 집진 극은 제외) 추타운전은 집진극 위의 퇴적된 분진층이 어느정도의 두께로 되어 코로나 방전 류가 저하하기 직전에 추타하는것이 바람직하다.
- Dust Scrapping 장치
이동형 집진극 (4~5 Field)에 부착하여 퇴적한 분진을 집진극 하부에 있는 Brush 로 털어내는 장치를 말하며 고정형 집진극의 추타장치와 같은 기능을 갖는다.
- 가스정류장치(Gas Distribution Device)
집진실내의 가스유속을 균일하게 분포시키기 위하여 설치되는 설비로서 불균일한 가스유속에서 발생하는 전극판위의 퇴적 분진 재비산, 전극 사이에서의 가스 정 체 및 응결을 방지함으로써 집진효율의 저하를 방지한다.
- 하전장치
방전극과 집진극 사이에 고전압을 인가하기 위하여 설치되는 설비로서 고전압 인 가장치(High Tension Power Supply)로부터 집진실에 하전된다.
- 애자실
방전극에 하전하는 고전압을 방전극 이외의 것과 전기적 절연을 취하기 위한 설 비이며, 연소가스의 누설로 인한 애자 손상을 방지하기 위하여 절연실 내부에는 퍼지 공기 통풍기(Purge Air Blower)와 가열기(Heater)를 거친 더운 공기가 필요 시 공급된다.
- 배출장치
집진판에 포집되어 추타장치(Dust Scrapping System 포함)에 의하여 떨어지는 분 진을 축적하기 위하여 집진실 하부에 호퍼가 설치되어 있으며, 축적된 분진은 회 처리설비에 의하여 주기적으로 호퍼 하부로 배출되어진다.
호퍼 주위에는 가열증기튜브(Heating Steam Tube)를 설치하여 호퍼를 예열시키므 로 호퍼 내부에 축적된 분진이 온도강하에 의하여 노점(이슬점) 이하로 내려가 굳지 않도록 보호되어 있으며, 회처리가 실시되는 동안 호퍼내 벽에 부착되어 있 는 분진 제거와 배출을 용이하게 하기 위하여 진동(Vibrating) 설비가 설치되어 있다.
6. 탈황설비 (F.G.D)
석탄은 화석연료중에서 가장 풍부하게 존재하는 자원이다. 석탄의 분포는 석유처럼 중동에 밀집해 부존해 있지 않고 전세계에 널리 퍼져있다.
현재 세계의 많은 나라가 그들의 에너지수요를 석탄으로 충당하고 있다. 앞으로도 이 추세는 계속될 것 같고, 중국이나 동남아시아 여러나라들은 발전용 에너지원으로 석탄을 중장기 계획 속에 넣고 있다.
그러나 문제가 되는 것은 석탄이 환경 특히 지구 환경문제를 가장 어렵게 하고 있는 에너지원이라는 점이다.
석탄에서 배출된 공해로 인한 온실효과(溫室效果)라는 물리적 현상에 의해 대기의 온도상승을 가져올 것이고, 이는 곧 해면(海面)의 상승을 동반할 것이다. 또한 이에 따른 기후의 변화는 세계의 농업(農業)에 막대한 영향을 가져올 것은 물론, 인류의 생활, 심지어 생존에 이르기까지 여러가지의 영향을 초래할 것이 분명하다.
따라서 지구의 환경을 생각하는 하나의 해결 방법은 너무도 자명하게, 화석연료의 사용을 최대한 억제하는 것이다. 어려운 일이긴 하지만, 인류가 자기자신의 지구의 파괴를 지연시키기 위하여 충분히 할 수 있는 일일 것이다
잘 알려져 있는 산화황(SOx)과 산화질소(NOx)같은 공해물질들은 이미 탈황(脫黃), 탈질(脫窒)을 위한 장치가 발전소의 보일러나 자동차등에 설치되어 있어 대기 중에 방출되지 못하게 하고 있다.
탈황설비는 배기가스 속의 아황산가스를 제거하는 공정으로서 석탄이나 석유연소에 의한 아황산가스 배출을 줄이는 방법으로는 황분이 적은 연료의 사용, 청정연료의 보급 확대, 고체연료의 사용 규제 그리고 배가스 탈황 장치의 설치 등이 있다.
배연중의 아황산가스를 제거하는 방법에 대해서는 1920년 이래 많은 연구가 진행되었다.
그 방법은 크게 습식법(Wet Process)과 건식법(Dry Process)이 있다.
습식법(Wet Processs)은 흡수액 같은 액상의 물질을 사용하여 탈황하는 방법이고, 건식법(Dry Process)은 고체상의 흡수제 또는 촉매 등을 사용하여 탈황하는 방법을 말한다. 현재 주로 사용되고 있는 방법은 습식법이며, 흡수액을 이용하여 아황산가스를 흡수 제거하는 방법으로 여러 종류의 흡수액이 고안되어 있으며 흡수 후, 흡수액을 회수하는 것과 그대로 방류하는 방법이 있다.
화력발전소에서는 일반적으로 효율이 높은 습식법(Wet Processs)을 적용하고 있다.
1) 건식법(Dry Process)
① 적용범위
도시쓰레기 소각도 및 Furnace 배기에 유리하며, 재농도 Sox함량에 용이하다.
② 특징
폐수처리설비가 필요 없으며, 부산물 재활용 가치가 없으므로 주로 매립 처리된다.
③ 화학 반응 메카니즘
2) 습식법(Wet Processs)
① Lime-Gypsum Process
- 적용범위
파워플랜트(Power Plant)의대형보일러배기
화학공장의중형이상의보일러배기, 금속전련/제련공장배기, 정유/석유화학공장의 Furmacea 배기, 황산공장의배기그리고정유공장의황회수공정배기등
- 특징
운전조업이 용이하고, SO2 제거율이 높으며 부하 변동에 대한 유용성이 우수하다.
건설 및 조업비가 낮아서 부지 활용에 용이하다.
부산물 재생이 가능하며 폐수 발생량이 상대적으로 적으나, 슬러지 처리를 위한 탈수기(Dehydrator)가 필요하다.
- 화학 반응 메카니즘
② Dual Alkali Scrubbing
- 적용범위
중유/석탄의연소에위한배기
황산제조장치, 초자용해도등의배기, 금속제련공장배기
- 특징
SO2 흡수 효율이 높으며, 에너지 소모가 적다.
Scable Trouble이 없으며, Product질이 우수하지만, 부식에 유의해야 하며 부하변동에 대한 유동성이 크다.
Raw Mateuial Cost가 상대적으로 높은 단점이 있다.
- 화학 반응 메카니즘
③ Wellman-Lord
- 적용범위
파워플랜트(Power Plant)의대형보일러배기
석유, 석탄등에의한열공급시설
화학/정유공장공정의배기, 갈탄연소시설배기
- 특징
고농도 SO2 가스(95%)생산 및 재생이 용이하지만, 프로세스가 복잡하고 운전이 어려우며, 투자비, 운전비가 높은 단점이 있다.
- 화학 반응 메카니즘
III. 복합화력 발전소
1.복합화력 발전소의 원리
복합화력은 천연가스나 경유등의 연료를 사용하여 1차로 가스터빈을 돌려 발전하고, 가스 터빈에서 나오는 배기가스를 다시 보일러에 통과시켜 증기를 생산, 2차로 증기 터빈을 돌려 발전하는 발전소이다.
복합화력은 고온구역과 저온구역에서 작동하는 상이한 Cycle을 조합시킨 것으로 고온측 Cycle에서는 연료의 연소열을 열원으로 하는 Gas Turbine의 Plant Cycle을 이용하고 저온 측 Cycle에서는 고온측 Cycle의 작동 매체인 연소가스 배기의 여열을 열원으로 하는 Rankine Cycle을 이용하여 조합시켜 열기관으로서의 작동온도 구역을 고온에서 저온까지 확대시켜 종합 열효율 향상을 도모하는 것이다.
2. 복합화 발전방식
단순 배열회수식(Non Fired HRSG)
배기 조연식(Supplementary HRSG)
배기 재연식(Refired HRSG)
과급 보일러식(Super Changed Boiler)
급수 가열식(Feed Water Heating & Boiler)
3. 복합화력의 특성
1) 열 효율이 높다.
복합화력의 설계 열효율은 종래의 일반 화력의 약 40%에 대해 현재의 1100℃급 가스 터빈 을 사용할 때 43%정도에 달하며 부분 부하율이 높은점등이 종래의 일반화력에 비해 약 10%의 연료 절약을 가능케 한다.
2) 부분 부하에 있어서 열효율 저하가 적다.
복합화력 Plant는 비교적 소용량 단위기를 조합시켜 대용량 Plant가 구성된다. 이 때문에 출력의 증감은 이 단위기의 운전대수의 증감으로 행함으로써 넓은 출력 범위에서 정격출력시의 동등의 높은 열 효율울 유지할 수가 있다.
3) 기동 정지 시간이 짧다.
소용량 조합으로 되어 있기 때문에 부하 변동율이 크게 되며, 단시간에 기동 정지가 가능 하다.
4) 최대 출력이 대기온도에 의해서 변화한다.
복합화력은 가스 터빈을 주체로 구성되기 때문에 그 최대 출력은 대기 온도에 의해서 크게 변화하고 대기 온도가 낮을 수록 크다.
5) 온배수량이 적다.
복합화력의 증기 터빈은 입구 증기 조건이 일반 화력에 비해 나쁘나, 분당 출력이 발전소 전체의 1/3 정도로 적기 때문에 복합화력의 온 배수량은 동 용량 화력의 60∼80%정도로 된다.
4. 복합화력과 일반 화력의 비교
복합화력은 뛰어난 부하 추종성과 기동 특성등으로 계통운영의 유연성을 향상 시킬수 있고, 기술적, 경제적으로 우수한 발전방식으로 평가 되고 있으나 LNG는 타 연료에 비해 고가이므로 고 효율의 발전 방식 채택이 필요하다. 복합 화력은 열효율이 42∼47%정도로서 화력 발전의 35∼40%보다 6∼10%정도 높으므로 설비형식 선정에 따라 약 10∼25%의 연료비를 절감 시킬수 있고, 냉각수량도 줄일수 있다. 또한 동 용량의 발전소 건설에 필요한 부지의 소요 면적도 1/2에 지나지 않는다. 따라서 복합화력이 일반화력에 비해 첨두부하 담당, 환경문제 해결 및 부지 확보면에서는 적합한 발전 방식이라 보아도 될것이다.
열병합 발전(Combined Heat & Power Plant, Total Energy Supply System)이란 하나의 에너지원으로부터 열과 전력을 동시에 생산하는 것을 말한다. 일반 화력발전은 투입된 에너지 중 많은 양이 복수기(Condenser)에서 손실되나, 열병합 발전의 경우 복수기에서 손실되는 열량의 대부분을 공정용 및 난방용으 사용하므로써 에너지 이용효율이 일반화력에 비해 매우 높다.
열병합 발전은 생산된 에너지를 어떻게 사용하느냐에 따라 토핑 사이클(Topping Cycle)과 버토핑 사이클(Botopping Cycle)로 구분된다.
1) 토핑 사이클(Topping Cycle)
- 연료를 연소시켜 생산된 고온,고압의 증기 또는 가스를 1次的으로 전기 생산에 이용한다.
- 1次的 사용후의 여열(餘熱) 또는 일부의 열을 생산 공정용이나 지역 난방용으로 사용한다.
- 우리나라의 경우 대부분 이 방식을 채택하고 있다.
2) 버토핑 사이클(Botopping Cycle)
- 산업체의 공정과정에서 발생되는 산업여열(産業餘熱) 또는 폐열을 이용하거나 폐 가스를 연 료로 사용하여 전력을 생산하는 방식이다.
3) 열병합 발전의 장,단점
- 장점
ü총연료소비량감소에따라환경공해감소
ü발전설비가수요지와인접되어있기때문에송전손실감소
ü 집단화에 따른 공해방지 설비 설치가 용이하며 설비비도 절감된다.
ü화재등재해발생확률감소
ü저질연료또는쓰레기등의폐자재이용이가능
- 단점
ü 초기 투자비가 많이든다.
ü 지역난방용의경우지역공해증가
ü 숙련된인력이필요
ü 에너지 이용효율은 좋으나 발전 효율이 떨어진다.
ü 열병합 발전은 열이 공급되는 용도에 따라 생산 공정용, 지역 난방용, 급탕용 등으로 나눌 수 있다.
우리 나라의 경우 수도권 신도시의 대규모 아파트 단지에 집단 에너지 공급을 위 한 열병합 발전을 하고 있다.
열 수용가의 개별적인 열원에 의한 소규모 난방 실시를 지양(止揚)하고 집중화된 대규모 열원 Plant를 통해 생산된 증기나 온수를 각 사용처에 공급함으로써 효율적인 에너지 사용 을 도모하는 난방방식을 말한다.
1) 지역난방 계통의 주요 構成要素
- 지역난방 열교환기(Heat Exchanger)
- 열교환기 드레인 펌프(Drain Pump)
- 지역 난방수 순환 설비(Hot Water Reverse System)
- 축열 설비 etc..
7. 냉각탑 (Cooling Tower)
발전소 냉각수는 크게 주 냉각수와 보조 냉각수 계통으로 나눌 수 있다. 주 냉각수는 통상적으로 일컫는 복수기 순환수로써 거의 해수를 사용하고 있으며 일부는 하 천수를 이용하는 경우도 있다. 그러나 발전소가 해안에서 멀리 떨어진 내륙(內陸)에 건설되어 충분한 양의 냉각수 공급이 어려운 경우나 수자원 보존을 위해 온수 배출이 제한되는 경우에는 냉각수를 자체 순환시켜 다시 사용하여야 한다.
냉각수 재 사용을 위해 냉각수를 냉각 시켜주는 장치로써 냉각탑이나 스트레이 폰드(Spray Pond)가 있다. 냉각탑은 냉각수의 열을 대기중으로 직접 발산시키는 게방 순환형 냉각방식 (Open-recirculation Cooling System)으로 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 주 냉각수를 순환방식에 의해 다시 사용할 경우 보조 냉각수(기기 냉각용)도 주 냉각수와 같이 냉각탑을 통한 냉각이 이루어져야 한다.
최근 신도시에 신설된 복합화력 발전소는 내륙에 건설되어 있어서 냉각수의 재 사용을 위해 냉각탑이 설치 운용되고 있다.
8. 배열회수 보일러 (HRSG : Heat Recovery Steam Generator)
복합발전 방식에는 5종류가 있고 각 방식에는 각각의 특징이 있으나 선택에 있어서는 Plant 의 출력, 연료의 종류, 부지 면적등의 설치조건 또는 운전조건등을 고려하여 최적의 방식이 선택된다.
1) 단순 배열회수식(Non Fired HRSG)
가스터빈의 배기를 배열회수 보일러에 도입하여 그 회수 얄에 의해서 증기를 발생하고 터빈 을 구동하는 방식이다.
설비가 단순하고 운용상 유리한점 등의 이점이 커 단순 배열회수식이 복합발전의 주류를 이루고 있다.
2) 배기 조연식(Supplementary HRSG)
가스터빈의 Gas에 연료를 추가 투입하고 배기 Gas중의 잔존 산소를 사용하여 연소 시켜서 배기 Gas의 온도를 높여 배열회수 보일러에 도입하는 방식이다.
3) 배기 재연식(Refired HRSG)
보일러 압입 통풍기 대신에 가스터빈 발전 설비를 설치하여 그 배기를 보일러에 도입 여열 을 회수하는 것이다.
보일러의 예열기가 불필요하게 되므로 보일러 배기 가스의 열 회수를 위해 급수 가열기등을 설치한는 것이 일반적이다.
4) 과급 보일러식(Super Changed Boiler)
기스터빈의 Compressor 토출공기를 가압 보일러에 도입하여 보일러 연료를 가압 연소 시킨 다. 그 배기 가스를 가스터빈에 도입하여 일을 시킨후 또 다시 가스터빈 배기가스 여열을 보일러의 급수 가열에 이용하는 방식이다.
5) 급수 가열식(Feed Water Heating & Boiler)
가스터빈 배기(排氣)로 증기 cycle의 급수를 가열하는 방식이다.
가스터빈의 배열을 유효하게 회수하여 Plant전체의 열효율을 향상시키기 위해서는 가스터빈 용량에 비하여 증기터빈 용량이 충분히 큰 것이 필요하다.
VII. 원자력 발전소
1. 원자력의 역사
원자핵속에 막대한 에너지가 들어 있다는 것을 발견하고 그 에너지를 이용하기 시작한 것은 20세기에 들어와서이다. 아인슈타인의 '질량에너지 등가원리'가 규명되자 비로소 물질에 대한 미시적 세계의 해석이 가능하게 되었다. 그 후 차드윅의 중성자 발견과 함께 핵반응을 일으킬 수 있다는 사실이 밝혀지면서 원자력에 대한 기술개발이 급속도로 발전하였다. 1942년 미국 시카고 대학에서 이탈리아 출신의 물리학자 엔리코 페르미가 설계한 CP-1이라는 원자로에서 세계 최초로 우라늄 핵분열 연쇄반응 실험이 성공하였다.
1942년은 일본이 진주만을 공격하한 시기에 미국이 원자력연구를 급속히 진행시킨데에는 그만한 이유가 있었다. 독일이 원자폭탄을 만들어 전쟁에 이용하려고 했기 때문에 전쟁에 이기기 위해서는 독일보다 먼저 만들어야 한다고 생각했기 때문이었다. 세계대전이라고 하는 불행한 환경때문에 원자력의 위력이 원자폭탄 형태로 처음 인류에게 선을 보이게 되었지만 많은 과학자들은 원자력이 평화를 위해 사용된다면 우리들의 생활에 큰 도움이 될 것으로 생각하고 있었다.
1951년부터는 원자력의 평화적 이용을 위한 연구가 확대되기 시작하였고, 1953년에 미국의 아이젠하워 대통령이 유엔에서 "원자력의 평화적 이용"을 제창하면서 미국의 원자력기술이 세계에 공개되었다. 이로 인해 많은 국가에서 원자력발전 등에 관한 연구개발이 시작되었다.
1956년에는 영국의 콜더 홀 원자력발전소가 세계 최초로 상업적으로 가동되기 시작했고, 뒤이어 1957년에는 미국의 쉬핑포트 원자력발전소가 가동되는등 원자력산업이 활발해지기 시작했다.
우리나라는 1962년에 원자력에 대한 연구가 본격적으로 시작되었습니다. 1971년에 기공된 우리나라 최초의 원자력발전소인 고리 1호기는 1978년부터 상업운전을 시작했다.
1. 발전용 원자로의 종류
현재 전세계적으로 가동되고 있는 상용 원자로는 미국에서 개발한 「가압경수로」와 「비등경수로」영국에서 개발한 「고온가스 냉각로」카나다에서 개발한 「가압중수로」등 크게 4종류로 나눌 수 있다.
1) 가압경수형 원자로(Pressurized Water Reactor: PWR)는 우라늄-235의 함유율이 2∼5%정도 되는 저농축 우라늄을 연료로 사용한다. 또한 냉각재와 감속재로는 물(경수)을 사용한다. 원자로계통을 약 150 기압으로 가압하므로써 원자로내에서 물이 끓지 못하도록 하고 있으며, 고온으로 가열된 물은 증기발생기로 보내져 2차계통의 물과 열교환을 통해 증기로 만들어 진다. 열교환을 거친 1차계통의 물은 다시 원자로내로 순환되어 가열된 후 증기발생기로 보내지는 과정을 반복한다. 우리나라는 월성원자력발전소를 제외한 모든 원자력발전소가 가압경수형이다.
① 원자로 ② 가압기 ③ 증기발생기 ④ 냉각재펌프 ⑤ 주급수펌프 ⑥ 저압터빈 ⑦ 고압터빈
⑧복수기⑨발전기⑩원자로건물
2) 가압중수형 원자로(Pressurized Heavy Water Reactor: PHWR)는 천연우라늄을 연료로 하고 중수를 감속재와 냉각재로 사용하고 있다는 점외에는 가압경수형 원자로와 크게 다를 바가 없다. 우리나라의 월성원자력발전소가 이러한 형식으로서, 특히 중수로는 운전 중에도 연료를 교체할 수 있다는 장점을 지니고 있다.
① 원자로 ② 가압기 ③ 증기발생기 ④ 냉각재펌프 ⑤ 주급수펌프 ⑥ 저압터빈 ⑦ 고압터빈
⑧ 복수기 ⑨ 발전기 ⑩ 원자로건물
3) 비등경수로(Boiling Water Reactor: BWR)는 가압경수로와 마찬가지로 1950연대 말에 미국에서 개발되었다. 비등경수로는 명칭 그대로 핵반응이 일어나는 원자로 용기속에서 냉각수가 끓어 직접 증기가 생산되는 개념으로, 증기를 발생시키는 방법이 화력발전과 같다.
4) 고온가스냉각로(High Temperature Gas-Cooled Reactor: HTGR)는 헬륨 냉각재, 흑연 감속재에 93%의 농축 우라늄을 사용한다. 가스냉각재는 저압에서도 고온상태의 냉각재를 유지할 수 있기 때문에 열전달 계통을 고압용기로 제작할 필요가 없다. 반면에 가스는 열전달 특성이 좋지 않아 원자로 용기 및 열교환기들이 크고 가스펌프의 용량도 커야하는 단점이 있다.
3. 원자력발전의 원리
댐에서 물을 떨어뜨려 그 힘으로 터빈을 돌려 전기를 만드는 것이 수력발전이다. 석유나 석탄을 태워서 보일러로 물을 끓이고 여기에서 나오는 증기의 힘으로 터빈을 돌려서 전기를 만드는 것이 화력발전이다.
원자력발전도 화력발전과 마찬가지로 증기의 힘으로 터빈을 돌려서 전기를 만든다. 다만 차이가 있다면 화력발전은 석유나 석탄을 태워서 증기를 만들지만 원자력발전은 우라늄을 연료로 하여 핵분열할 때 나오는 열로 증기를 만든다는 점이다. 원자력발전에서는 원자로가 화력발전의 보일러와 똑같은 역할을 하고 있다.
원자로는 우라늄이 핵분열하여 에너지를 낼 수 있도록 만들어진 우라늄 전용 보일러이다. 원자로는 우라늄과 같은 원자핵이 중성자를 쉽게 흡수하여 핵분열 연쇄반응이 잘 일어날 수 있도록 중성자의 속도를 늦춰주는 역할을 한다. 중성자의 속도를 늦춰주는 감속재로 물(경수, 중수)이나 흑연 등이 사용되고 있다. 이와 함께 원자로는 핵분열 연쇄 반응이 너무 급격하게 일어나지 않도록 하는 제어기능도 갖고 있다. 이러한 제어기능은 제어봉이 담당합니다. 원자로는 원자로의 기능과 개발단계에 따라 여러 가지로 구분된다.
먼저 기능에 따라 분류해 보면 연구용 원자로, 동력용 원자로, 플루토늄 생산용 원자로로 구분할 수 있습니다. 연구용 원자로는 동위원소 생산, 재료시험, 그리고 중성자 조사 연구등에 이용되는 원자로이다.
동력용 원자로는 선박추진이나 전력생산 및 열원으로 이용되는 원자로이고, 플루토늄생산 원자로는 폭탄용 플루토늄 생산을 위해 만들어진 군사용 원자로를 말한다. 개발단계에 따라 구분해 보면 원자로에 관한 이론의 실증을 위한 「실험로」실용화 가능성을 확인하기 위한「원형로」 원자로의 안전성과 경제성을 입증하기 위한 「실증로」그리고 상업적으로 이용하기 위한 「상용로」로 구분해 볼 수 있다.
4. 핵분열
모든 물질을 구성하는 원자.
원자는 양자와 중성자로 되어 있는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 전자로 구성되어 있다. 우라늄과 같이 무거운 원자핵이 중성자를 흡수하면 원자핵이 쪼개진다. 이를 핵분열이라고 한다.
우라늄 같이 무거운 원자핵이 분열할 땐 많은 에너지와 함께 2∼3개의 중성자가 나온다. 그 중성자가 다른 원자핵에 흡수되면 또 다시 핵분열이 일어나고, 이런 식으로 계속해서 핵분열이 일어나는 것을 핵분열 연쇄분열반응이라고 한다. 핵분열 연쇄반응에서 생기는 막대한 에너지가 바로 원자력이다.
핵반응으로 얻어진 열로 원자로 냉각재를 데우고 이를 이용하여 증기로 만든 후 터빈 발전기를 구동시켜 전기를 만드는 곳이 원자력 발전소이다. 원자력 발전 설비는 크게 3가지로 나눌 수 있는데 이중 원자로 설비는 핵반응이 일어나는 원자로를 중심으로 방사성 물질을 함유하고 있는 냉각재가 흐르는 증기발생기, 가압기, 원자로 냉각재, 펌프 등을 말한다. 다른 2가지는 전기를 생산하는 터빈/발전기와 발전소 전체의 성능향상을 위한 보조기기이다.
5. 원자로 설비
1) 원자로
핵연료를 장전하여 연쇄반응이 발생되는 장소로서 방사선의 영향과 고온 고압의 상태에서 견딜 수 있도록 설계되어 있는 두꺼운 철판으로 만들어진 용기이다.
2) 증기 발생기
원자로 냉각재가 흐르는 수천개의 U자형 수직 튜브를 내장하고 있는 용기로 1차 계통과 2차 계통이 교차되어 2차 계통의 물이 증기로 변환되는 곳이다.
3) 원자로 냉각 펌프
수직으로 선 펌프로서 고온, 고압의 원자로 냉각재를 증기발생기에서 취수하여 원자로로 토출한다.
4) 가압기
원자로 냉각재 유로 중 원자로 출구관 하나에 위치하여, 발전소 부하변동에 따라 압력변화를 제한하는 완충장치를 하는 용기이다.
6. 한국형표준경수로
경수로란 원자력발전소에 설치되는 원자로의 한 종류로서 우라늄-235를 약 3%로 저농축시킨 핵연료를 사용하고 냉각재와 감속재로 경수(보통물, H2O)를 사용하는 원자로를 말하며 가압경수로(PWR)와 비등경수로(BWR)로 나눌 수 있다.
우리나라에서 현재 운영중인 10기의 원자력발전소 중에서 중수로형인 월성 원자력발전소를 제외한 나머지 9기의 원자력발전소 원자로가 가압경수로형이다. 우리나라는 처음 원자력발전소 건설 당시 외국업체가 주계약자가 되는 방식으로 건설되었다.
그러나 고리 3, 4호기와 울진 1, 2호기를 건설하면서부터 차츰 국산화율을 높이고 중요한 기술을 습득하면서, 마침내 영광 3, 4호기에 이르러서는 국내업체가 분야별로 주계약자가 되는 명실상부한 원전건설 기술자립의 기반을 다지게 되었다.
한국형표준경수로란 우리나라의 기술자립노형인 영광원전 3, 4호기를 기본모델로 하고 현실성있게 개량하여 표준화한 우리 고유의 100만 kW급 원자로 모델을 말한다. 울진 원전 3, 4호기를 한국형표준경수로라고 말할 수 있으며 그 특징을 보면 이용률 및 가동률을 향상시키고 안전성, 설계여유, 제어계통 개량, 운전절차 간소화 및 경제성 향상등 우리 조건에 맞도록 개선한 원자로를 말하는 것이다.
(A)터빈 건물: ① 고압터빈 ② 저압터빈 ③ 발전기 ④ 복수기
(B)보조 건물: ⑤ 주 제어실 ⑥ 충전펌프
(C)원자로 건물: ⑦ 천장크레인 ⑧ 가압기 ⑨ 증기발생기 ⑩ 원자로용기
⑪ 원자로 냉각재 펌프
(D)원전 연료 건물: ⑫ 사용후핵연료 저장조 ⑬ 신연료 저장조
7. 방사선
방사능이란 어떤 물질이 시간당 방사선을 낼 수 있는 능력을 말하고 방사성물질이란 이러한 능력을 갖고 있는 물질을 말한다. 방사선이란 물질을 투과할 수 있는 힘을 가진 광선과 같은 것으로 그 종류로는 크게 알파선, 베타선, 감마선이 있다.
방사선은 종류에 따라 물질을 투과하는 투과력이 각각 다르다. 많은 사람들이 방사선 하면 먼저 두려움부터 갖는 것이 보통인데 사실 방사선은 공기나 물과 같이 이 세상을 구성하고 있는 수많은 필수요건 중의 하나로 우리와 함께 존재하고 있다. 이처럼 방사선은 우리 생활주변 어디에나 있지만 특별히 관심을 두지 않아도 되는 적은 양이기 때문에 우리는 아무 문제없이 생활해 나가고 있는 것이다.
그러나 우리에게 이로움을 주는 것이라 할지라도 어떤 환경이나 조건 아래서는 우리에게 해를 끼칠 수도 있다. 우리 생활주변 어디에나 존재하는 방사선 역시 우리가 어떻게 사용하고 관리하느냐에 따라서 그 영향은 크게 달라질 수 있습니다. 방사선은 인간이 원자력을 이용하기 시작하면서 만들어진 것이 아니다.
방사선은 지구의 역사와 함께 존재하여 왔고 앞으로도 계속 우리와 더불어 존재할 것이다. 그러므로 방사선을 우리생활과 분리하여 생각할 수는 없는 것이다.
1) 방사선이 인체에 미치는 영향
우리가 방사선과 함께 생활을 해도 아무런 문제가 없는 것은 우리 주위에 있는 방사선의 양이 특별히 관심을 두지 않아도 되는 적은 양이기 때문이다. 그러나 우리를 따뜻하게 해주는 열이나 물체를 볼 수 있게 해주는 빛도 순간적으로 너무 많이 받으면 몸에 해로운 것처럼 일시에 너무 많은 방사선을 받게 되면 여러 가지 신체적 장애가 나타난다.
방사선이 인체에 미치는 영향을 말할 때 우리는 특별히 밀리렘(mrem)이라는 단위를 사용한다. 예를 들어 가슴에 X-선을 1회 촬영하는 데에는 약 100밀리렘의 방사선량을 받는다고 말한다.
사람이 70만 밀리렘의 방사선을 한꺼번에 전신에 받을 것 같으면 여러 증세를 보이다가 수일내에 사망하게 된다. 그러나 암치료를 위해 국소에 이용하면 효과를 볼 수 있다. 10만 밀리렘의 방사선을 한꺼번에 전신에 받는다면 구토와 설사증세등은 보이지만 생명에는 즉각적인 영향이 없다.
그러나 1백명중 1명쯤은 몇 년 후에 암에 걸릴 수도 있다.
1만 밀리렘의 방사선을 한꺼번에 전신에 받을 경우에는 생물학적으로 별다른 영향이 나타나지 않는다.
500밀리렘은 보통 사람이 이 정도는 받아도 아무런 영향이 없다고 정한 한계선량이다.
240밀리렘은 우리가 일상생활을 하면서 연간 받을 수 있는 평균 자연방사선량이다.
세상에 살고 있는 모든 사람은 누구든지 대략 이 정도의 방사선량은 받지 않을 수 없는 것이다.
5밀리렘은 원자력발전소 주변지역에 생활하면서 받을 수도 있는 최대 양이다.
그러나 실제로는 원자력발전소 주변에 살고 있다고 해도 1밀리렘 정도밖에 받지 않는다는 것이 최근의 실제 측정치다. 방사성폐기물처분장을 운영함으로써 받을 수 있는 방사선량은 1밀리렘 이하라는 것이 처분장을 운영해 오고 있는 외국의 실제 경험이다. 무시해도 좋을 정도다.
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