[원자력이야기] 증기터빈

chosungyun (59)in #kr-science • 6 years ago

안녕하세요 @chosungyun입니다.

지금까지 주로 해오던 1차측인 원자로를 포함한 시스템의 핵심적인 이론은 핵물리를 바탕으로 이해를 해야 했다면 2차측인 발전계통쪽은 열역학에 관한 이해가 필요합니다.
오늘은 언급되지 않겠지만, 다음에 소개할 터빈에서 중간에 증기를 빼내는 계통을 이해하려면 꼭 필요한 개념입니다.
그래서 원자력발전소에 관한 포스팅 초반에 관련 포스팅을 한적이 있으나 오래되었기에 중간 중간 필요할 때 설명을 하고자 합니다.

저번시간에 증기발생기라는 설비를 통해 원자로의 열을 안전하고 효과적으로 발전에 사용함을 알 수 있었습니다.
이 설비는 원자력발전소만의 설비였고 특히 PWR만의 설비였습니다.
오늘 소개할 터빈은 원자력 발전뿐만 아니라 화력발전, 복합화력 발전소에서도 사용을 하는 증기터빈에 대해 알아보려고 합니다.
다만, 여기서 설명하는 조금 세분화된 내용들은 우리나라 원자력발전의 OPR-1000을 기준으로 하겠습니다.

터빈의 구조에 대한 설명하기전에 발전은 어떻게 가능한지 잠깐 알아볼까요? 도대체 뜨거운 증기를 가지고 발전을 어떻게 할까요? 정답부터 말하자면 발전은 터빈이 하는 것은 아닙니다. 열심히 운동을 할 뿐이죠.

운동기구 중에 자전거 페달을 돌리는 운동기구가 있습니다. 이 운동기구는 페달을 돌리면 전기를 생산합니다.
즉, 터빈은 이 패달정도의 역할이고 결국 발전을 하는 것은 터빈에 연결된 발전기입니다.

고온∙고압의 증기는 높은 운동에너지를 터빈에 전달해 기계에너지로 전환하여 터빈이 돌아가고 터빈과 같은 축에 연결된 발전기의 회전자는 돌아가게 됩니다.
이 회전자는 자석으로 이루어져 있으며 돌아가면서 자석을 둘러싸고 있는 코일들에 유도전류를 만들어 냅니다.
즉, 기계에너지가 전기에너지로 전환이 되는 겁니다.

우리는 터빈의 구조가 어떻게 되었길래 운동에너지를 기계에너지로 전환하는지에 관심을 가지고 보도록 하겠습니다.

터빈

그림에서 보이듯이 수많은 날개들이 하나의 축에 붙어 나열되어 있고 날개들 사이를 증기들이 지나면서 날개를 밀면서 축이 돌도록 만들어진 구조입니다.

터빈 블레이드

위 그림에서 터빈 블레이드는 하나의 회전자, 즉 날개를 말합니다.
이 터빈 블레이드는 고정 블레이드인 노즐과 회전 블레이드인 버켓으로 구분이 됩니다.
여기서 고정 블레이드인 노즐은 기본적으로 증기의 유로를 유도하는 역할을 하며 점점 좁아지는 관의 형태를 나타내고 있어 유체의 압력을 증가시켜 가속시키는 역할을 합니다.
그리고 회전 블레이드인 버켓은 실제 증기에 의해 기계적 에너지를 얻어 돌아가 축을 회전하게 하는 곳입니다.

(충동터빈)

(반동터빈)

충동터빈과 반동터빈

터빈은 회전 블레이드의 형태에 따라 충동터빈과 반동터빈으로 구분이 되어 설계가 됩니다.
큰 차이는 충동터빈은 노즐에서 가속된 증기가 버켓을 때려 운동경로가 바뀌게 되는데 이때 운동경로를 바꾸며 손실되는 에너지를 버켓이 받아 돌아가게 됩니다.
반면 반동터빈은 노즐과 버켓이 비슷하며 버켓통로를 통해 가속되는 증기의 제트유동에 의한 반동으로 회전을 하게 됩니다.
이러한 이유는 충동터빈은 압력이 노즐에서만 낮아지는데 반동터빈은 노즐과 버켓모두에서 압력이 떨어집니다.
이러한 차이로 두 터빈은 명확한 차이가 생깁니다.
충동터빈은 고압으로 증기를 때려내게 하지만 노즐에서만 압력이 떨어지므로 복수기의 압력인 음압까지 떨어뜨리기는 어렵습니다.
그래서 보통 다단의 터빈을 구성하게 되는 이유를 제공합니다.
반동터빈의 경우는 반동터빈 노즐에서 빠져나가는 증기가 충동터빈에 비해 절대속도가 느립니다.
그래서 속도가 습분과 불순물에 의한 날개 손상측면에서 충동터빈보다 강한 특성이 있습니다.
하지만, 충동터빈에 비해 더 큰 압력강하가 일어나기 때문에 증기가 여러단을 지나감에 따라 압력강하에 따른 부피증가에 대응하기 위해 부피가 충동터빈에 비해 훨씬 커지게 됩니다.

고압터빈과 저압터빈

원자력발전소에서는 고압터빈과 저압터빈으로 두단의 터빈을 사용합니다.
고압터빈은 위의 충동터빈을 사용하고 저압터빈은 반동터빈을 사용하는데 고압터빈은 고압의 환경이고 저압터빈은 저압의 환경으로 고압터빈을 통과한 증기를 저압터빈으로 보내고 저압터빈을 통과한 증기는 복수기로 보내지게 됩니다.

원자력 발전소의 증기터빈

이는 발전소마다 차이가 있지만 한울 원자력 3,4호기의 경우 한대의 고압터빈과 3대의 저압터빈이 직렬로 연결되어 있습니다.

이 터빈들은 1,800rpm의 회전수를 가지며 화력에 비해 낮은 회전수를 보여줍니다.

즉, 화력에 비해 출력이 낮다는 사실을 알 수 있습니다.
이 이유는 증기발생기를 통해 간접적으로 열을 전달하면서 화력만큼 높은 압력의 상황에서 증기를 얻을 수 없기 때문입니다.

각각의 터빈은 증기가 중간에서 들어와 양쪽으로 나가는 형태로 설계가 되어 있습니다.
즉, 고압터빈을 통과하면 유로가 두개로 나눠지고 이 증기를 다시 합쳐 ‘재열’ 이라는 과정을 지나 3개의 저압터빈에 나눠서 유입하게 됩니다.
그리고 저압터빈도 2개의 유로로 나눠지므로 총 6개의 유로가 생기게 됩니다.

고압터빈

터빈의 중앙에 노즐박스로 증기가 유입되고 양쪽으로 증기가 나가면서 회전 블레이드를 회전시킵니다.
고압터빈은 양쪽 동일하게 하나의 터빈 블레이드 세트(하나의 날개덩어리)인 단을 7단씩 총 14단을 가지고 있고 각각의 단이 가지는 노즐과 버켓의 수는 조금씩 수가 다릅니다.

저압터빈

고압터빈을 지나온 증기는 3개의 저압터빈의 중앙부에 유입이 되고 가속과 팽창을 하며 회전 블레이드를 회전시키고 복수기로 배출합니다.
저압터빈도 양방향으로 증기가 나가며 각각의 방향마다 7단의 단을 가집니다.
그런데 각각의 단마다 가지는 블레이드의 수를 고압터빈과 비교해보면 회전 블레이드는 전체적으로 저압터빈이 더 많고 고정 블레이드는 초기단에는 저압터빈이 더 많지만 단이 높아지면서 고압터빈보다 더 적은 고정 블레이드를 저압터빈은 가지게 됩니다.
이것은 저압터빈이 부피가 더 크고 압력이 낮다는 점을 고려한 설계로 보입니다.

오늘의 포스팅은 여기까지입니다.
터빈에 관해서 좀 더 자세한 내용을 설명해드리고 싶었지만 제가 아는 수준에서는 이 이상은 한계네요..ㅎㅎ
그래도 기본적인 터빈에 관한 내용을 소개해드렸고 잘 전달되었기를 바랍니다.^^