스팀 터빈 개요 - 원리와 종류

증기터빈은 기력 발전소의 전력 생산에서 필수적인 장비로, 증기의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 발전기를 돌려 전기를 생성합니다. 이번 글에서는 증기터빈의 원리, 효율성 및 주요 종류에 대해  기술하도록 하겠으며, 이후의 글에서는 스팀 터빈의 주요 설비 및 보조 설비 등에 조금 더 상세하게 알아보도록 하겠습니다.

증기터빈의 원리

증기터빈의 기본 원리는 증기의 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 것입니다. 이 과정은 다음과 같이 진행됩니다.

 

1. 고압 증기 생성 : 보일러에서 물을 가열하여 고온, 고압의 증기를 생성합니다.

2. 증기 주입 : 고압 증기는 증기터빈의 고압 단으로 주입됩니다.

3. 팽창 및 에너지 변환 : 증기는 터빈 내부의 여러 단계의 날개(블레이드)를 통과하면서 팽창하고, 이 과정에서 열 에너지가 기계적 에너지로 변환됩니다. 터빈의 날개는 회전 운동을 일으키고, 이 회전 운동은 발전기를 구동시켜 전기를 생성합니다.

4. 저압 증기 배출 : 터빈을 통과한 후 저압 증기는 복수기에서 물로 응축되거나, 다른 산업 공정에 사용됩니다.

증기터빈의 효율성과 운전 조건

증기터빈의 효율성은 고온, 고압의 증기를 얼마나 효율적으로 사용하느냐에 따라 결정됩니다. 터빈에 투입되는 증기의 온도와 압력이 높을수록 더 많은 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있기 때문에 터빈의 열효율은 증가합니다.

 

1. 고온 증기 : 고온 증기는 터빈의 날개에 더 많은 에너지를 전달하여 회전 속도를 높입니다.

2. 고압 증기 : 고압 증기는 증기의 팽창 과정을 통해 더 많은 일을 수행할 수 있게 합니다.

증기터빈의 종류

증기터빈은 동작 원리에 따라 Impulse Turbine과 Reaction Turbine으로 나눌 수 있습니다.

 

1. Impulse Turbine

 

Impulse Turbine은 고압 증기가 노즐을 통해 가속되면서 발생하는 운동 에너지를 이용하여 터빈의 날개를 회전시키는 방식입니다.

• 작동 원리 : 고압 증기는 노즐을 통과하면서 속도가 증가하고, 이로 인해 발생한 운동 에너지가 터빈의 날개에 충돌하여 날개를 회전시킵니다.
• 특징 : 날개의 압력은 일정하게 유지되며, 운동 에너지에 의해 회전력이 발생합니다. Impulse Turbine은 일반적으로 고압 단에서 사용됩니다.
• 장점 : 구조가 간단하고, 고온, 고압의 증기를 효율적으로 사용할 수 있습니다.

2. Reaction Turbine

 

Reaction Turbine은 증기가 날개를 통과하면서 압력과 속도의 변화가 발생하고, 이로 인해 발생하는 반동력을 이용하여 날개를 회전시키는 방식입니다.

• 작동 원리 : 고압 증기는 날개를 통과하면서 압력이 감소하고, 이 과정에서 속도가 증가하여 반동력이 발생합니다. 이 반동력이 날개를 회전시킵니다.
• 특징 : 날개 내부에서 압력과 속도의 변화가 동시에 발생하며, 연속적인 에너지 변환이 이루어집니다. 반동형 터빈은 보통 저압 단에서 사용됩니다.
• 장점: 효율이 높고, 대형 터빈에서 사용하기 적합합니다

증기터빈의 적용

증기터빈은 다양한 운전 조건과 발전소 또는 플랜트의 목적에 따라 후단 설비의 구성을 달리하여 적용될 수 있습니다.

 

1. 복수터빈 (Condensing Turbine)

 

복수터빈은 주로 대형 화력 발전소와 기력 발전소에서 사용됩니다. 이 터빈은 증기를 저압까지 팽창시킨 후 배기되는 증기를 복수기에서 응축하여 다시 물로 변환하는 방식으로 작동합니다. 이렇게 함으로써 대기로 배출되는 에너지를 최소화하고 효율을 높일 수 있습니다.

• 작동 원리 : 고온, 고압의 증기가 터빈을 돌린 후 저압에서 복수기로 이동하여 물로 응축됩니다.
• 장점 : 높은 열효율과 대규모 전력 생산에 적합합니다.

2. 배압터빈 (Back Pressure Turbine)

 

이 터빈은 고온, 고압의 증기로 터빈을 작동시킨 후 배출되는 증기를 플랜트 내 작업용으로 사용함으로서 열효을 높이도록 구성되어 있습니다.

• 작동 원리 : 터빈을 통과한 증기가 공정 열원으로 사용됩니다.
• 장점 : 열효율이 높고, 공장 내 다양한 공정에 활용 가능합니다.

3. 추출 복수터빈 (Extraction Condensing Turbine)

 

추출 복수터빈은 복수터빈과 배압터빈의 장점을 결합한 형태입니다. 이 터빈은 중간 압력 지점에서 일부 증기를 추출하여 공장 공정에 사용하고, 나머지 증기는 복수기에서 응축됩니다.

• 작동 원리 : 터빈 중간 지점에서 증기를 추출하여 공정 열원으로 사용하고, 나머지 증기는 복수기로 응축하여 다시 회수합니다.
• 장점 : 높은 열효율과 유연한 열 공급이 가능합니다.

결론

증기터빈은 기력 발전소에서 핵심적인 설비입니다. 증기의 투입 온도와 압력 조건이 효율성에 큰 영향을 미치며, Impulse Turbine과 Reaction Turbine은 다른 원리와 특성을 가지며, 사용 목적과 운전 조건에 따라 복수터빈, 배압터빈, 추출 복수터빈 등 다양한 형태로 활용됩니다.  증기터빈의 적절한 선택과 운전은 전력 생산 및 산업 공정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.