발전소 터빈의 원리와 분류

1. 기본 동작 원리
화력발전소는 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환기구(Conversion Nechanism)이며 크게 보일러, 터빈 및 발전기로 구성된다. 보일러는 물을 증기로 바꾸는 장치이며, 주전자 주둥이 (노즐, Nozale)로부터 분출하는 증기가 터빈과 발전(Generator)를 구동한다.
터빈이란 증기, 가스, 물과 같은 유체의 흐름을 이용하여 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치이다. 증기를 이용하는 경우를 증기 터빈(Steam Turbine), 연소가스를 이용하면 가스 터빈(Gas Turbine)이라 한다.
증기 터빈은 증기의 열에너지(Thermal Energy)를 기계적 에너지(회전력)로 변환시키고, 증기터빈 축에 연결된 발전기는 터빈에서 변환된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 기계장치이다.
단은 노 (Nozzle, Fixed Blade) 회전날개(Moving Blade, Bucket)로 구성되며.
이 한 쌍의 노즐과 회전날개를 터빈의 단이라고 한다. 제1단 노즐에서 분출된 증기는 회전날개에 부딪혀 일한 후 에너지의 일부를 잃는다. 따라서 제2단은 약간 낮은 압력으로 터빈 로터(Rotor)를 돌리며, 제3단에서도 동일한 방법으로 증기가 통과하므로 증기의 에너지는 터빈 로터에 전달된 후 배기 증기(Exhaust Steam)로서 터빈을 떠난다.
실제 터빈에서는 한 개의 단(Stage)으로 증기의 열에너지를 전부 회전력으로 변환시킬 수 없으므로 여러 단을 설치하여 증기의 열에너지를 최대한 이용한다.
2. 터빈의 분류
가. 작용 증기의 열 사이클에 의한 분류
(1) 복수 터빈(Condensing Turbine)
터빈을 통과한 증기를 물로 응축시키기 위하여 터빈 출구 측에 복수기(Condenser)를 설치한 형식의 터빈이다.
증기를 응축시키므로 복수기 내부 압력이 고진공(Vacuum)이 된다. 그러므로 배기 압력이 낮아져 터빈 내의 증기를 복수기 압력까지 충분히 팽창시킬 수 있어 증기의 열에너지를 최대로 이용할 수 있다.
응축수는 다시 보일러 급수로 사용하므로 물 처리 비용이 절감된다.
증기를 완전 진공에 가까운 저압까지 팽창시키므로 증기의 비체적이 저압터빈 마지막 단에서 거의 200~300배, 증기 속도는 약 4배까지 증가하기 때문에 증기 통로의 단면적이 커져야 한다.
그러므로 증기를 몇 부분으로 나누어 통과시키기 위하여 이류(복류, 2F), 삼류(3F), 4류(4F)의 저압 터빈을 채용한다.
(2) 재생 터빈(Regeneration Turbine)
터빈 내에서 팽창 중인 증기를 중간 단에서 일부 추출하여, 그 증기로 보일러에 공급되는 급수(Feed Water)를 가열하는 형식이다.
* 터빈에서 발생하는 기계적 에너지(회전력)가 적어진다.
* 배기 증기가 적으므로 복수기 크기도 작아진다.
* 복수기에서 응축할 때 냉각수에 버리는 열량을 감소시키고 급수를 가열하므로 발전소 열효율이 증가한다.
* 이론적으로 추기 단수를 늘릴수록 효율이 높아지나 추기 단수를 늘리면 설비가 복잡하고, 건설비가 커지므로 소용량 발전소에서는 3~5단, 대용량에서는 7~8단의 추기를 하는 것이 일반적이다.
(3) 재열 터빈(Reheat Turbine)
고압 터빈에서 나온 증기 전부를 보일러 내부의 재열기에서 가열한 후, 중압 및 저압 터빈에 보내어 팽창시키는 형식이다. 발전소 열효율을 높이기 위하여 터빈 입구 증기압력을 높게 하여 저압까지 팽창시키면 저압 터빈 마지막 단 부근에서 물방울이 발생하여 회전날개를 침식시킨다. 그러므로 팽창 도중의 증기를 재가열하여 온도를 상승시키므로 열효율을 높이고 동시에 터빈 날개의 습기에 의한 침식도 방지한다. 이렇게 하면 설비는 복잡하여지나 열효율이 증가하고 습증기에 의한 터빈 손상이 적게 되는 장점이 있다.
(4) 재생-재열기 터빈
재생 터빈에 재열 방식을 채용한 것으로 재생에 의한 열효율 증가 및 열이 다시 가하여지며 생긴 터빈 손상이 감소하므로, 현재 사용하고 있는 대부분의 화력발전소는 이 형식이다.
나. 로터(Rotor) 배치에 의한 분류
1) 직렬형(Tandem Compound Arrangement, Tc) 터빈
* 1개 이상의 터빈 로터가 직선으로 이어져 있다.
* 1개의 발전기를 돌린다.
• 로터 전체 길이가 길어진다.
(2) 병렬형(Cross Compound Arrangement, CC) 터빈
• 1개 이상의 터빈 로터가 2열로 배치되어 있다.
* 2개의 발전기를 돌린다.
* 정격속도를 2종류로 할 수 있다. (60H12 경우 3,600 및 1,800 rpm)
* 저압 터빈에 연결된 발전기는 최종 날개를 크게 할 수 있어
대용량화(1,000M 이상)가 가능하다.

다. 증기 팽창에 따른 분류
(1) 충동 터빈(Impulse Turbine)
충동터빈은 증기가 노즐(Nozzle)에서만 팽창하여 압력은 낮아지고 속도는 증가하며, 회전날개에서는 압력은 일정하고(팽창하지 않는다) 속도는 감소한다. 속도가 증가한 증기를 축에 설치된 회전날개에 충돌시켜 회전력으로 변환시킨다.
• 충동 터빈의 특징은 다음과 같다.
- 단면이 좌우대칭인 회전날개를 사용한다.
- 회전날개 전•후의 압력 차이가 없어 축 추력이 발생하지 않는다.
- 단수가 적고 터빈 크기가 작아진다.
실제 사용 중인 충동 터빈의 경우에도 저압 회전날개에서 증기를 팽창하여 반동력을 이용하고 있으며, 터빈 전체에 있어서 충동 작용과 반동 작용을 비교하여 충동 작용이 큰 경우를 충동 터빈이라 한다.
(가) 단식 터빈 (Single Stage Turbine)
하나의 노즐과 하나의 회전날개 열(Row)로 구성된다. 노즐에서 증기는 팽창되어 최종압력까지 감소하고 속도는 증가되 회전날개에서 압력 변화 없이 속도만 감소하여 회전력으로 변환되는 것으로 드 라발 터빈이라 한다. 단식 터빈은 증기의 열에너지를 한 단(Stage)에서 전부 회전력으로 변화시키므로 회전 속도가 고속(10,000~ 30,000rpm)이 되어 감속장치가 필요하다. 효율이 낮아 발전용으로는 사용하지 않으며 소용량 터빈에만 사용한다.
(나) 속도 복식 터빈 (Velocity Compound Turbine)
단식 터빈을 개량한 것으로 커티스(Curtis) 터빈이라 한다. 1 열의 노즐과 2열 또는 3열의 회전날개로 구성된다. 노즐에서 분출된 고속의 증기는 제1단 회전날개에서 일한 후 고정날개에서 압력 및 속도 변화 없이 방향만 변화시켜 제2단 회전날개로 보내어 속도 에너지를 흡수하므로 로터(Rotor)의 회전력을 얻게 된다. 속도 복식 터빈은 증기의 속도 에너지를 몇 번에 나누어 이용할 수 있으나, 회전날개 열의 수가 많아지면 고정날개(Fixed Blade)에서 마찰 등의 손실이 커지므로 3열 이상의 회전날개는 사용하지 않는다. 따라서 단독으로 소형 터빈에 사용되기도 하지만 고속의 증기를 효율적으로 이용할 수 있으므로 대용량 터빈의 첫 단에 많이 사용한다.
(다) 압력 복식 터빈 (Pressure Compound Turbine)
단식 터빈을 여러 개 겹쳐 구성한 것으로 라 토우 또는 졸리 터빈이라 한다. 증기는 제1단 노즐에서 일부 팽창하여 1단 회전날개를 돌리고, 다시 제2단, 제3단으로 단마다 동일한 작용을 반복한다. 각 단의 압력이 다르므로 각 단 사이에 다이어프램(Diaphragm)이 필요하다. 압력 복식 터빈은 증기를 각 단에서 조금씩 팽창시켜 매우 낮은 압력까지 증기를 유효하게 이용할 수 있으므로 효율이 높고, 속도가 실제 사용에 필요한 속도로 할 수 있으므로 대용량 터빈에 널리 사용한다.
(2) 반동 터빈(Reaction Turbine)
증기가 회전날개에서 팽창할 때 발생하는 반동력을 이용한 것으로 증기가 고정날개 및 회전날개 모두에서 팽창되어 반동력으로 회전한다. 고정날개에서 증기 압력은 감소하고, 속도는 증가하여 회전날개를 돌리며, 동시에 회전날개에서도 압력에너지가 속도 에너지로 변화되면서 발생하는 반동력이 회전날개를 돌린다.
* 반동 터빈의 특징은 다음과 같다.
- 단면이 비대칭형인 회전날개를 사용한다.
- 회전날개 전• 후의 압력 차이에 의하여 추력(Thrust)이 발생하므로 터빈과 같아/대칭형(Opposed Flow)으로 배치하고, (그림 19) 와 같아 복류형(Double Flow)으로 축 추력 방지 설계하며, 추력 발생할 때 추력을 흡수할 수 있도록 추력 베어링(Thrust Bearing)을 설치하여 터빈 손상을 방지한다.
- 순수한 반동 터빈은 증기의 팽창이 회전날개에서만 발생하지만, 일반적인 터빈은 고정날개에서도 발생하므로 반동하는 정도를 계산하여 충동 또는 반동 터빈으로 구분한다.

위 식에서 반동하는 정도가 0.5 이상인 경우를 반동 터빈이라 한다. 
- 반동터빈은 노즐 조속히 불가능하며, 고압터빈 첫 단에서 항상 전주 분사가 되어야 한다.
- 회전날개 전• 후의 압력 차이로 축 방향 누설이 많이 발생한다.
- 각 단(Stage)에서의 열 낙차가 적어 증기 속도 및 마찰손실이 적다.

(가) 축류 반동 터빈 (Axial Flow Turbine)
증기 흐름 방향이 축과 평행한 형식으로 파슨(Parson) 터빈이라고 한다. 가장 실용적인 반동 터빈으로서, 노즐과 회전날개의 단면이 동일하므로 충동 작용과 반동 작용이 절반씩 발생하여 반동하는 정도가 0.5이다.
(나) 반경 방향의 반동 터빈 (Radial Flow Turbine)
증기가 중앙에서 반경 방향(Radial Direction)으로 팽창하면서 날개에 반동을 주어 회전시키는 터빈으로 융그스트롬(Ljungstrom)터빈이라 한다. 고정날개가 없고 하나씩 건너 반대 방향으로 회전하는 상대편의 회전날개가 고정날개 역할을 하므로 반동하는 정도가 1이 되며 2대의 발전기가 필요하며, 과거 소형 터빈에 사용되었다.
(3) 혼식 터빈 (Combination Turbine)
충동 및 반동 터빈의 특징을 살려 앞에서 설명한 2종류 또는 3종류의 터빈을 조합한 것으로 최근의 발전용 터빈은 이 형식에 속한다. 터빈의 고압 부분은 증기의 부피가 작으므로 반동하는 정도를 사용할 경우 증기 손실이 증가하여 불리하므로 충동 터빈을 사용하여 열의 낙차를 많이 이용한다. 저압 부분에서는 반동 터빈을 사용하여 증기를 충분히 팽창시켜 터빈 전체의 열효율을 증가시킨다. 터빈을 분류할 때 엄격한 의미의 충동 터빈, 반동 터빈은 없으며 반동하는 정도가 0.5 미만을 충동 터빈, 0.5 이상인 것은 반동 터빈으로 분류한다.