증기 터빈 및 발전

증기 터빈 및 발전

증기 터빈은 가압 증기의 열 에너지를 유용한 기계 작업으로 변환하는 기계 장치입니다. 발전소의 심장부입니다. 그것은 더 높은 열역학적 효율과 더 낮은 전력 대 중량 비율을 가지고 있습니다. 증기 팽창에 여러 단계를 사용하여 이상적인 가역 공정에 더 가깝게 접근하기 때문에 열역학적 효율성의 대부분을 얻습니다. 증기 터빈은 발전기를 구동하는 데 사용되는 가장 다양하고 오래된 원동기 기술 중 하나입니다. 증기 터빈을 사용한 발전은 100년 이상 사용되었습니다. 터보 발전기는 전력 생산을 위해 발전기에 직접 연결된 터빈의 조합입니다. 대형 증기 발전기가 전력의 대부분을 제공합니다.

증기 터빈은 효율성이 높고 비용이 낮기 때문에 발전소에서 사용되는 초대형 전력 구성에 이상적입니다. 발전소에서 증기 터빈은 전력을 생산하기 위해 발전기에 부착됩니다. 터빈은 발전기에 회전 운동을 제공함으로써 시스템의 보다 기계적인 측면으로 작용하는 반면, 발전기는 전력을 생산하기 위해 전기 및 자기 법칙을 사용하여 전기 측면으로 작용합니다.

증기 터빈 로터에는 바퀴와 블레이드가 부착된 회전 부품이 있습니다. 블레이드는 증기에서 에너지를 추출하는 구성 요소입니다. 화석 연료로 구동되는 증기 터빈 기반 발전용 발전소의 일반적인 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.

 그림 1 증기 터빈 기반 발전의 개략도

에너지 전환 과정

Steam에는 다음과 같은 세 가지 에너지 구성 요소가 있습니다.

• 운동 에너지 –  속도 덕분에
• 압력 에너지 – 압력으로 인한 에너지
• 내부 에너지 – 온도로 인한

에너지의 마지막 두 구성 요소를 함께 엔탈피라고 합니다. 증기의 총 에너지는 운동 에너지와 엔탈피의 합으로 나타낼 수 있습니다.

증기 터빈을 사용한 에너지 생성은 연료에서 열 에너지를 추출하여 증기를 높이는 데 사용하고, 증기의 열 에너지를 터빈에서 운동 에너지로 변환하고, 회전식 발전기를 사용하여 터빈의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 세 가지 에너지 변환을 포함합니다. .

고압 증기는 터빈에 공급되어 기계 축을 따라 교대로 고정되고 움직이는 여러 열의 블레이드를 통과합니다. 터빈의 증기 입구 포트에서 배기 지점으로 갈수록 블레이드와 터빈 캐비티는 증기의 팽창을 허용하도록 점진적으로 커집니다.

고정 블레이드는 증기가 팽창하여 속도는 증가하지만 압력은 낮아지는 노즐 역할을 합니다(압력 에너지가 떨어지면 운동 에너지가 증가한다는 베르누이의 에너지 보존 원리). 증기가 움직이는 블레이드에 충격을 가하면 운동 에너지의 일부를 움직이는 블레이드에 전달합니다.

터빈은 응축, 비응축, 재가열, 추출 또는 유도 유형일 수 있습니다. 콘덴싱 터빈은 일반적으로 발전소에서 사용됩니다. 이 터빈은 일반적으로 90%에 가까운 품질의 부분적으로 응축된 상태로 증기를 대기압보다 훨씬 낮은 압력에서 응축기로 배출합니다. 비응축 터빈은 배압 터빈이라고도 하며 공정 증기 응용 분야에 가장 널리 사용됩니다. 배기 압력은 공정 증기 압력의 요구 사항에 맞게 조절 밸브에 의해 제어됩니다. 이들은 많은 양의 저압 공정 증기가 필요한 산업에서 일반적으로 사용됩니다. 재가열 터빈은 발전소에서도 거의 독점적으로 사용됩니다. 재가열 터빈에서 증기 흐름은 터빈의 고압 섹션에서 나와 추가 과열도가 추가되는 보일러로 되돌아갑니다. 그런 다음 증기는 터빈의 중간 압력 섹션으로 돌아가 팽창을 계속합니다. 추출 터빈에서 증기는 난방, 플랜트 공정 또는 급수 히터 요구 사항을 위해 하나 이상의 압력에서 하나 이상의 단계에서 회수됩니다. 이러한 터빈은 블리더 터빈으로도 알려져 있습니다. 추출 흐름은 밸브로 제어하거나 제어되지 않은 상태로 둘 수 있습니다. 유도 터빈은 추가 전력을 생산하기 위해 중간 단계에서 저압 증기를 도입합니다.
두 가지 기본 증기 터빈 유형, 즉 임펄스 터빈과 반응 터빈이 있습니다. 블레이드는 터빈을 통과하는 증기의 속도, 방향 및 압력을 제어하도록 설계되었습니다.

임펄스 설계에서 로터는 블레이드에 가해지는 증기의 힘으로 인해 회전하는 반면 반응 설계는 로터가 블레이드를 떠날 때 증기로부터 회전력을 유도한다는 원리에 따라 작동합니다.

터빈 효율을 최대화하기 위해 증기가 확장되어 여러 단계에서 일을 생성합니다. 이 단계는 에너지가 어떻게 추출되는지에 따라 특징지어지며 임펄스 또는 반작용 터빈으로 알려져 있습니다. 대부분의 증기 터빈은 반응 및 임펄스 설계를 혼합하여 사용합니다. 각 단계는 하나 또는 다른 단계로 작동하지만 전체 터빈은 둘 다를 사용합니다. 일반적으로 고압 섹션은 임펄스 유형이고 저압 단계는 반응 유형입니다.
임펄스 터빈에는 증기 흐름을 고속 제트로 향하게 하는 고정 노즐이 있습니다. 이러한 제트에는 상당한 운동 에너지가 포함되어 있으며, 이는 증기 제트가 방향을 변경할 때 버킷 모양의 로터 블레이드에 의해 샤프트 회전으로 변환됩니다. 압력 강하는 고정 블레이드에서만 발생하며 스테이지 전체에서 증기 속도가 증가합니다. 증기가 노즐을 통해 흐를 때 증기의 압력은 입구 압력에서 출구 압력(대기압 또는 보다 일반적으로 콘덴서 진공)으로 떨어집니다. 이러한 높은 증기 팽창 비율로 인해 증기는 매우 빠른 속도로 노즐을 떠납니다. 움직이는 블레이드를 떠나는 증기는 노즐을 떠날 때 증기의 최대 속도의 큰 부분을 차지합니다. 이 더 높은 출구 속도로 인한 에너지 손실은 일반적으로 이월 속도 또는 이탈 손실이라고 합니다.

반응 터빈에서 회전자 블레이드 자체가 수렴 노즐을 형성하도록 배열됩니다. 이러한 유형의 터빈은 로터에 의해 형성된 노즐을 통해 증기가 가속될 때 생성되는 반력을 사용합니다. 증기는 고정자의 고정 날개에 의해 회전자에 전달됩니다. 이는 고정자를 로터의 전체 둘레를 채우는 제트로 남깁니다. 그런 다음 증기는 방향을 변경하고 블레이드의 속도에 비례하여 속도를 증가시킵니다. 고정자와 회전자 모두에 걸쳐 압력 강하가 발생하며, 증기는 고정자를 통해 가속되고 회전자를 통해 감속되며, 단계 전체에 걸쳐 증기 속도의 순 변화는 없지만 압력과 온도가 모두 감소하여 수행된 작업을 반영합니다. 로터의 구동.

두 가지 유형의 터빈이 그림 2에 나와 있습니다.

 그림 2 터빈 유형

그림 3의 도표는 보일러 증기 터빈 사이클을 요약한 것입니다.

그림 3 간단한 보일러 증기 터빈 사이클

증기 터빈은 그림 4와 같이 랭킨 사이클을 사용하여 열역학의 기본 원리에 따라 작동합니다. 보일러를 떠난 후 과열 증기는 고온 고압에서 터빈으로 들어갑니다. 고열/고압 증기는 노즐(임펄스형 터빈의 경우 고정 노즐, 반작용형 터빈의 경우 고정 블레이드)을 사용하여 운동 에너지로 변환됩니다. 증기가 노즐을 떠나면 고속으로 이동하여 터빈 블레이드로 보내집니다. 블레이드에 가해지는 증기의 압력으로 인해 블레이드에 힘이 생성되어 블레이드를 움직입니다. 발전기 또는 기타 그러한 장치를 샤프트에 배치할 수 있으며 증기에 있던 에너지를 이제 저장하고 사용할 수 있습니다. 가스는 유입된 것보다 낮은 온도와 압력에서 포화 증기로 터빈을 빠져나가고 냉각을 위해 응축기로 보내집니다.

Rankine 주기의 그림 4 T-s 다이어그램

터빈의 배기 증기는 증기에서 기화 잠열을 추출하는 응축기에서 물로 응축됩니다. 이것은 증기의 부피가 0이 되도록 하여 압력을 거의 진공 상태로 극적으로 감소시켜 터빈 전체의 압력 강하를 증가시켜 증기에서 최대량의 에너지를 추출할 수 있게 합니다. 그런 다음 응축수는 다시 사용되는 급수로 보일러로 다시 펌핑됩니다.

거버너는 터빈의 속도를 제어하는 ​​장치입니다. 터빈의 손상을 방지하기 위해 터빈의 속도를 천천히 올려야 하고 교류 전력을 생산하기 위해서는 정밀한 속도 제어가 필요하기 때문에 거버너를 이용한 터빈의 속도 제어가 필요하다. 터빈 로터의 제어되지 않은 가속은 과속 트립으로 이어질 수 있으며, 이로 인해 터빈으로의 증기 흐름을 제어하는 ​​노즐 밸브가 닫힙니다. 이것이 실패하면 터빈이 부서질 때까지 계속해서 가속될 수 있으며 종종 치명적입니다. 최신 터빈에는 센서를 사용하여 로터 톱니를 '보고' 터빈 속도를 모니터링하는 전자 거버너가 있습니다.

증기 터빈은 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 발전기를 구동합니다. 발전기는 회전 필드 동기 기계입니다. 증기 터빈은 발전기에 직접 연결됩니다. 발전기는 전력 시스템의 주파수에 따라 일정한 동기 속도로 회전해야 합니다. 가장 일반적인 속도는 주파수가 50Hz인 전원 시스템의 경우 3,000RPM입니다. 이러한 고용량 발전기의 에너지 변환 효율은 초대형 기계의 경우 98% 또는 99%에 이를 수 있습니다.