화력발전 열효율

왜 배우는가: 화력발전의 열효율은 연료비와 온실가스·대기오염물질 배출량을 함께 좌우하므로 발전소 운영과 설계의 핵심 지표다. 기술사 시험에서도 열효율 영향 요소, 향상 대책, 계산식을 묻는 문항이 여러 회차에 걸쳐 반복 출제된다.

출제 이력: 제125회 1교시 6번, 제118회 1교시 3번, 제116회 4교시 3번, 제90회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

화력발전 열효율은 투입된 연료의 발열량 중 발전기 출력으로 변환된 에너지의 비율이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 열효율(Thermal Efficiency): 입력 열량 대비 출력 일량의 비
• 발전단 열효율: 발전기 출력 기준으로 계산한 열효율
• 연료소비율: 발전량 1kWh 생산에 필요한 연료량
• 증기 초온·초압: 주증기의 온도와 압력
• 복수기 진공도: 터빈 배기 압력을 낮추는 정도
• 재열·재생 사이클: 증기의 열을 다시 쓰는 사이클 구성
• 랭킨사이클(Rankine Cycle): 증기 동력 발전의 기본 열사이클
• 보일러 효율: 연료 발열량 대비 증기 흡수 열량의 비

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 같은 연료로 얼마나 많은 전기를 만드는가를 나타낸다. 연료 한 덩어리를 태워 생긴 열 중 터빈을 돌려 전기로 바뀐 부분의 비율이 열효율이다. 나머지 열은 복수기 냉각수나 굴뚝 배기가스로 버려진다.

정식 정의는 다음과 같다. 발전소가 1시간 동안 소비한 연료의 발열량에 대해 발전기 출력이 차지하는 비율이다. 열효율은 보통 백분율로 나타낸다. 값이 클수록 같은 연료로 더 많은 전기를 얻는다.

열효율은 다음 식으로 계산한다.

$\eta = \frac{860\,P_g}{B\,H}\times 100\,[\%]$

여기서 P_g는 발전기 출력[kW], B는 시간당 연료소비량[kg/h], H는 연료의 저위발열량[kcal/kg]이다. 분자의 860은 1kWh를 kcal로 환산한 값(1kWh = 860kcal)이다.

연료소비율은 발전량 1kWh를 만드는 데 드는 연료량이다. 열효율과 역수 관계에 있으며 kg/kWh 단위로 쓴다. 열효율이 높을수록 연료소비율은 낮아진다.

발전단 열효율은 발전기 단자에서 측정한 출력을 기준으로 한다. 발전소 내부 동력(급수펌프, 송풍기 등)을 뺀 송전단 효율과 구분해서 쓴다.

랭킨사이클은 물을 보일러에서 증기로 만들고 터빈에서 일을 하게 한 뒤 복수기에서 다시 물로 바꾸는 순환이다. 이 사이클의 이론 열효율은 터빈 입구 증기 상태와 복수기 압력에 따라 정해진다. 실제 발전소의 열효율은 이 이론값에 보일러·터빈·발전기 손실이 더해져 낮아진 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

화력발전은 석탄, LNG, 중유를 태워 증기를 만든다. 연료는 발전 비용의 큰 부분을 차지하므로 열효율이 1% 오르면 연료비가 그만큼 줄어든다. 자원이 부족한 나라에서는 연료를 수입하는 부담을 줄이는 수단이 된다.

환경 측면의 필요성도 크다. 같은 전력을 만들 때 열효율이 높으면 연료 사용량이 줄고, 그만큼 이산화탄소(CO₂), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 분진 배출량이 줄어든다. 석탄화력은 단위 발전량당 배출량이 커서 효율 향상의 효과가 특히 크다.

초기 증기 기관은 열효율이 몇 퍼센트에 머물렀다. 이후 증기 압력과 온도를 높이고, 복수기 진공을 키우고, 재열과 재생 사이클을 도입하면서 효율이 점차 올라갔다. 이 과정에서 열효율을 결정하는 요소가 열사이클 구성, 증기 조건, 연소 방식, 보조기기 효율로 정리되었다. 이 정리는 지금도 열효율 문항의 답안 구조로 쓰인다.