추기 증기 터빈이란 무엇이며 어디에 사용될까요?

추기 증기 터빈은 증기 흐름의 일부를 하나 이상의 중간 단계에서 분기하면서 기계적 동력 또는 전력을 생산합니다. 추기 증기는 산업 공정, 지역난방 네트워크 또는 발전소 내 장비에 열을 공급할 수 있습니다. 터빈에 남은 증기는 계속 팽창하며 추가 동력을 생산합니다.

핵심적인 차이는 터빈의 최종 배기 전에 증기를 배출하는 데 있습니다. 추기를 통해 동력과 함께 유용한 열을 공급할 수 있지만, 하류에서 동력을 생산하는 데 사용될 수 있는 증기의 양도 달라집니다. 이 방식이 유리한지는 주로 현장의 증기 수요와 그 수요가 시간에 따라 변하는 방식에 따라 달라집니다.

추기 증기 터빈은 어떻게 작동하나요?

증기는 비교적 높은 압력과 온도로 터빈에 유입됩니다. 증기는 블레이드의 여러 단을 차례로 통과하면서 팽창하고, 회전축에 에너지를 전달합니다. 회전축은 발전기나 압축기 또는 펌프와 같은 기계 장비를 구동할 수 있습니다.

선택한 중간 단에서 증기의 일부가 추기 연결부를 통해 배출됩니다. 이 증기의 압력과 온도는 추기 지점과 운전 조건에 따라 달라집니다. 나머지 증기는 이후 단을 계속 통과하여 터빈 배기부에 도달합니다.

전력과 생산 공정에 사용할 중압 증기가 필요한 공장을 생각해 보겠습니다. 보일러 증기 전량을 터빈에 투입해 최저 압력까지 팽창시키는 대신, 공정에 적합한 중간 압력에서 일부를 분기할 수 있습니다. 추기 증기는 공정 장비에서 열을 전달하고, 그 결과 생성된 응축수는 조건이 허용되는 경우 회수하여 보일러 계통으로 돌려보낼 수 있습니다.

추기는 에너지를 추가로 만들어 내지 않습니다. 최종 터빈 단에 도달하기 전에 배출된 증기는 해당 단에서 생산할 수 있었던 동력을 더 이상 생산하지 못합니다. 잠재적인 이점은 추기 증기의 잔여 열에너지를 폐열로 처리하지 않고 활용하는 데서 나옵니다.

제어 추기와 비제어 추기

모든 추기 지점이 같은 방식으로 작동하는 것은 아닙니다. 제어 추기 방식에서는 밸브와 터빈 제어 장치가 추기 지점의 조건을 조절하여 수요 변화에도 지정된 증기 압력을 유지하도록 합니다. 공정에 비교적 안정적인 공급 압력이 필요할 때 유용할 수 있습니다. 공급 가능한 추기 유량과 압력은 여전히 터빈 설계와 운전 한계에 따라 달라집니다.

비제어 추기 방식에서는 추기 압력을 전용으로 조절하지 않고 중간 단에서 증기를 배출합니다. 이 압력은 터빈 부하와 증기 유량에 따라 달라집니다. 비제어 추기는 급수 가열 방식 중 일부와 같이 연결된 장비가 이러한 변화를 허용할 수 있는 경우에 적합할 수 있습니다.

터빈에는 서로 다른 압력 수준의 증기를 공급하는 추기 지점이 둘 이상 있을 수 있습니다. 하지만 추가 연결부마다 전체 증기 수지와 제어 시스템을 고려해야 합니다. 모든 추기 지점에서 서로 독립적으로 제어되는 압력의 증기를 공급할 수 있다고 가정해서는 안 됩니다.

추기 복수식 터빈과 추기 배압식 터빈

추기는 증기가 터빈에서 배출되는 지점을 설명할 뿐, 남은 증기의 처리 방식까지 나타내지는 않습니다. 일반적인 두 가지 구성은 최종 배기 조건이 다릅니다.

추기 복수식 터빈은 남은 증기를 저압 단으로 통과시킨 다음 복수기로 보냅니다. 일반적인 복수 운전 조건에서 복수기는 대기압보다 낮은 압력으로 작동하므로, 추기되지 않은 증기를 더 팽창시켜 발전량을 늘릴 수 있습니다. 복수기에서 열을 제거하려면 냉각 시스템이 필요합니다.

추기 배압식 터빈은 남은 증기를 진공 복수기가 아니라 가열 또는 공정 용도로 대기압보다 높은 압력에서 배출합니다. 따라서 중간 추기 지점과 터빈 배기부 모두에서 증기를 공급할 수 있습니다. 더 넓은 시스템에 적절한 다른 증기 배출처가 없는 경우, 발전량은 연결된 열 사용처에서 수용할 수 있는 증기의 양과 밀접하게 연동됩니다.

이러한 분류는 장비 설명을 검토할 때 유용합니다. 예를 들어 증기 터빈 제품군에는 추기 복수식과 추기 배압식 구성이 모두 포함됩니다. 저압 공정 배기가 필요한 공장과 복수기를 중심으로 설계된 공장은 증기 시스템 구성이 다르므로 이 구분이 중요합니다.

추기 증기는 어디에 사용되나요?

가장 잘 알려진 적용 분야는 동일한 증기 시스템으로 발전과 유용한 열 공급을 함께 수행하는 열병합발전입니다. 외부 산업 공정에 증기를 공급하지 않는 발전소 내부에서도 추기를 사용합니다.

• 펄프 및 제지: 터빈이 전력을 공급하는 동시에 증기를 건조와 기타 공정 가열 등의 용도로 사용할 수 있습니다. 필요한 추기 압력은 제지 공장의 증기 네트워크와 운전 조건에 따라 달라집니다.
• 화학 및 정유 시설: 중압 증기를 가열 및 기타 공정에 사용할 수 있습니다. 여러 압력 수준이 필요할 수 있으므로, 터빈 설계에서 현장의 증기 수지가 중요합니다.
• 식음료 생산: 적절한 증기 시스템이 있는 경우 추기 증기를 가열, 조리, 건조 또는 세척에 사용할 수 있습니다. 용도별로 증기의 품질과 제품과의 분리 요건을 고려해야 합니다.
• 지역난방: 추기 증기는 열교환기에서 물을 가열하여 건물에 공급할 수 있습니다. 난방 수요는 날씨와 계절에 따라 변하며, 이에 따라 추기 유량과 발전량도 달라집니다.
• 발전소: 중간 단에서 추기한 증기로 보일러 급수를 가열한 뒤 증기 발생기로 되돌릴 수 있습니다. 이러한 재생 가열 방식은 증기 사이클의 열역학적 성능을 향상하지만, 터빈 후단에 사용할 수 있는 증기의 양은 줄어듭니다.
• 바이오매스, 폐기물 에너지화 및 폐열 시스템: 이러한 열원에서 적합한 증기를 생산하는 경우, 추기를 통해 발전과 함께 열 사용처에도 증기를 공급할 수 있습니다. 이 방식의 가치는 증기 공급원과 열 수요의 신뢰성 및 발생 시점에 따라 달라집니다.

이러한 적용 분야라고 해서 모든 시설에 추기가 필요한 것은 아닙니다. 중간 압력 증기를 실용적으로 사용할 곳이 없는 공장이라면 터빈에서 증기를 분기할 이유가 거의 없을 수 있습니다. 반면 열 부하가 상당한 현장은 전체 증기 및 전력 시스템의 일부로 추기 적용을 검토할 수 있습니다.

추기가 적합한지 결정하는 요인은 무엇인가요?

터빈 구성을 결정하기 전에 증기 압력과 온도를 고려해야 합니다. 배관과 제어 장비의 압력 손실을 감안해 열 사용처에서 활용할 수 있는 조건의 증기를 공급해야 합니다. 터빈에 추기 지점이 있다는 이유만으로 이를 선택하면 공정에 필요한 압력이 부족하거나 불필요하게 높은 등급의 증기를 공급할 수 있습니다.

열 수요와 전력 수요를 함께 고려해야 합니다. 공정 증기 수요가 증가하면 추기량이 늘어나고 하류 단에서 발전에 사용할 수 있는 증기는 줄어들 수 있습니다. 열 수요가 감소하면 시스템은 달라진 유량을 관리할 수 있어야 합니다. 추기 복수식 설비는 설계 한도 내에서 적절한 증기를 복수기 쪽으로 계속 보낼 수 있지만, 배압식 구성에서는 배기 증기를 사용할 곳이나 이를 처리할 다른 방안이 필요합니다.

설계점뿐만 아니라 운전 조건의 변동도 중요합니다. 생산 일정, 계절별 난방 부하, 보일러 출력, 발전기 수요는 모두 변할 수 있습니다. 최소 및 최대 추기 유량, 압력 제어 범위, 터빈 부하 한계, 기동 조건을 통해 이러한 변화 전반에 걸쳐 해당 구성이 현장의 요구를 충족할 수 있는지 판단할 수 있습니다.

응축수 및 냉각 설비는 전체 시스템에 영향을 줍니다. 깨끗한 응축수를 회수하면 보충수 필요량을 줄이고 열을 보존할 수 있지만, 환수 방식은 공정 조건과 오염 위험에 따라 달라집니다. 복수식 터빈에는 적절한 냉각 및 응축수 처리 시스템도 필요합니다. 이러한 요구 사항은 발전량 증가 가능성과 함께 고려해야 합니다.

따라서 추기 터빈은 증기 에너지를 발전과 하나 이상의 유용한 열 부하에 배분하는 방식으로 이해하는 것이 가장 적절합니다. 적합성은 터빈뿐 아니라 전체 증기 시스템의 압력, 유량, 운전 일정 및 연결 장비에 따라 달라집니다.