랭킨사이클(Rankine Cycle, 증기동력시스템)사이클 구성과 원리

랭킨(Rankine)사이클은 동력을 생산하는 대표적인 방식이며 실제로 이 세상에서 많은 동력들이 랭킨사이클로 생산됩니다. 동력은 쉽게 전기(Electricity)에너지이며, 현대의 석탄화력발전소, 원자력발전소, 복합화력 발전소등이 이에 해당 됩니다. 산업혁명하면 떠오르는 증기기관에서 랭킨(Rankine)사이클이 발전하였습니다.
 

1. 랭킨사이클(Rankine Cycle)

증기로부터 동력을 얻는 방식입니다. 증기는 물을 끊여서 얻는 물질입니다.
물을 포함한 물질은 상태에 따라 고체, 액체 그리고 기체로 구분됩니다. 기체상태의 물질은 증기(Vapor)라고 합니다.
이러한 증기를 이용해서 동력을 얻는 것을 랭킨사이클이라고 합니다.
 
그러면 동력을 얻기 위해 어떤 물질의 증기를 이용할까요? 이 세상에서 가장 흔한 물(Water)를 이용하는 것이 보폅적입니다. 물이 증기가 된 것을 흔히 수증기(steam)라고 부르죠. 일반적인 랭킨사이클은 물(water)과 수증기(steam)으로 시스템을 구성됩니다.
 

2. 랭킨사이클의 주요 구성

“보일러, 증기터빈, 콘덴서(복수기),펌프”로 구성되며, 아래와 같이 “보일러 ⇒ 증기터빈 ⇒ 콘덴서(복수기) ⇒ 펌프”로 순환 됩니다.

랭킨사이클

 
2-1 보일러 (Boiler)

랭킨사이클의 구성을 이해하려면 기본적인 물의 물리적 특성을 이해하고 있어야 합니다.
물은 1기압에 열을 가하면 100℃에서 끓어 증기(=기체)가 됩니다.
물을 끊이기 위해서는 물을 끓이는 장치가 필요하며, 그것이 바로 보일러(Boiler)입니다.
광고에 나오는 귀뚜라미 보일러 맞습니다. 단, 보일러의 크기가 더 커서 집채만 하다고 생각하면 됩니다.
보일러가 엄청 크기 때문에 엄청나게 많은 물을 데워서 증기로 만들 수 있습니다.
물을 데우는 필요한 연료는 석탄이 될 수도 있으며, Gas가 될 수 도 있고, 핵분열을 이용할 수 도 있습니다.
물을 데우는 연료가 다를 뿐 모두 랭킨사이클을 위한 것입니다.
 
물은 1기압 일때 100℃에서 끓는다고 위에서 이야기 하였습니다.
하지만 압력이 높아지면 끊는 온도도 높아지며, 10 bar(10기압)에서 약 180℃에서 물이 끓게 되며, 100 bar(100기압)에서 약 310℃, 200 bar(200기압)에서 약 365℃에 끓게 됩니다.
증기는 끓는 온도보다 낮아지게 되면 응축수가 발생하게 되므로 증기를 사용할 때는 끓는 온도(Saturated Temperature)보다 높은 온도(Super-Heated Temperature)인 과열 증기(Super-Heated Steam)을 사용하게 됩니다.
 

2-2 증기터빈 (Steam Turbine)

증기 보일러에서 생산된 증기의 열에너지를 회전(운동)에너지로 전환하는 기계장치 입니다.
보일러에서 생산된 고온 고압의 증기가 터빈에 공급되며, 증기터빈 내부에서 터빈 블레이드를 회전시키면서 회전력 얻을 수 있습니다. 이 회전력을 직접 사용할 수도 있으며, 발전소에서는 회전에너지를 발전기의 회전자로 연결되어 전기를 생산하게 됩니다.
 그리고 터빈에서 사용된 증기는 복수기에서 응축되어 회수됩니다.
 

2-3 복수기 (Condenser)

복수기는 증기를 물로 회복시키는 기계라는 뜻입니다.
터빈에서 일을 하고 나온 증기는 복수기에서 다시 물로 상태가 바뀌게 됩니다.
복수기는 일종의 열교환기로 터빈에서 일을 다하고 나온 저온 저압의 증기를 더 차가운 냉수의 열(냉각수 또는 공기와 같은 냉매)을 이용하여 증기의 온도는 끓는점(Saturated Temp.)이하로 낮추어 응축시키는 기계 장치 입니다.
 
에어컨의 실외기가 복수기의 원리이며, 발전소에서는 증기를 응축하기 위한 냉각수로 해안지역에서는 바닷물(해수), 내륙에서는 냉각탑을 이용한 냉각수 공급 또는 강물을 이용합니다.
 

2-4 펌프 (Pump)

복수기를 통해서 증기에서 응축되어 물로 변환 된 것을 다시 보일러로 공급하기 위해서 펌프를 이용하며, 이 펌프를 보일러급수펌프(Boiler Feedwater Pump, BFP)로 부릅니다.
BFP를 통해서 공급된 물은 다시 보일러에서 고온고압의 증기가 되고 터빈을 통해서 전기를 생산하게 되는 것입니다.

이렇게 랭킨사이클은 물과 증기가 순환하면서 전기를 생산하게 됩니다.

3. T-S 선도에서의 랭킨사이클

지금부터는 열역학에 대한 지식이 조금 필요합니다.

 
온도와 압력의 상관관계를 이해하려면 T-S선도를 보는 것이 가장 직관적입니다.
 
그래프의 꼭대기점을 보면 Critical Point라고 적혀있습니다. 이게 물의 임계점을 의미 합니다.
물의 임계점의 온도는 374.14℃, 압력은 218.3기압이며, 임계점 이상에서는 아무리 압력을 가해도 물은 액체 상태로 존재할 수 없으며, 액체와 기체의 구분이 없는 초임계 유체 상태가 됩니다.
그래서 임계점 가운데 점선을 기준으로 왼쪽에는 물(Water), 오른쪽은 증기(Vapor)가 됩니다.
 
그리고 빨간선과 파란선이 있으며, 두 선은 각각의 등압선으로 압력이 동일하다는 뜻입니다.
반대로 초록색과 주황색은 압력이 변화하는 것입니다. 아래쪽에서 위로 올라갈 수록 압력이 증가하며, Boiler와 Condenser가 있는 곳은 온도와 압력이 일정하며 물의 상태가 변화하는 구간입니다.
이곳에서 물의 상태가 “물⇒증기” 또는 “증기⇒물”로 변환되는 것입니다.
물질의 상태가 변화할 때는 온도와 압력이 일정하며 흡열 또는 방열을 위한 가열과 냉각이 필요합니다.

먼저 랭킨사이클의 시작을 A지점이라고 하겠습니다.
랭킨사이클에서 에너지를 순환하는 매체는 물입니다. 물은 순수가 필요하며 별도의 수처리 시설이 필요합니다. 수처리 시설을 통하여 공급되는 물을 복수기에 저장하게 됩니다.
이렇게 공급된 물은 대기압(1기압) 상태로 존재합니다. 대기압의 물을 고압으로 만들기 위해서 펌프(BFP)를 이용하게 됩니다. 발전소 마다 다를 수 있지만 대략 200기압 정도로 가압하게 됩니다.
200기압은 엄청나게 높은 압력으로2,000m(한라산 1950m) 산에 물을 공급할 수 있는 압력입니다.
이 과정이 A ⇒ B, 단열압축 ; 가압을 하기 위해 펌프를 사용하기 때문에 일부의 동력이 소모됩니다.

다음은 B지점인데요. BFP로 200기압으로 물은 가압되었지만, 온도는 그렇게 높지가 않습니다. 물론 BFP에서 압력이 높아지면서 온도가 조금 상승하지만, 물의 상태변화에 영향을 주지는 않습니다. 
그래서 보일러의 열을 통해서 물의 온도를 높여 주게 됩니다. 단, 압력은 일정합니다.
보일러를 통해서 온도가 높아지는 처음에는 계속 액체상태이며, 점점 열에너지를 공급하게 되면 증기로 상태가 변화하고, 증기에 더욱 가열하면 최종 과열증기가 되면서 C지점에 도달하게 됩니다. C지점에서의 온도는 대략 600℃ 정도가 됩니다.
 
엄청뜨겁죠? 즉, C지점에서는 약 200기압이 정도이며 약 600℃ 정도의 고온, 고압의 상태가 됩니다.
이 과정이 B ⇒ C, 등압가열 ; 보일러에서 연료의 열에너지를 사용하게 됩니다.

다음은 이 모든 것을 설계한 이유인 동력생산입니다.
C지점에서 D지점으로 증기가 팽창하면서 열에너지를 회전에너지(운동)로 전환되고 회전에너지로 동력을 생산하게 됩니다. 일을 하고 나온 고온, 고압의 증기는 저온, 저압의 상태로 전환되는 것입니다.
즉, 고온/고압 ⇒ 저온/저압으로 팽창하면서 동력을 생산하게 됩니다.
이렇게 최종적으로 D지점으로 오게 됩니다.
이 과정이 C ⇒ D, 단열팽창 ; 터빈에서 열에너지는 회전에너지로 변환되어 동력을 생산합니다.

근데 최종 D지점에서의 상태를 보면 거의 Vapor가 됩니다.
저온으로 되었으니 증기에서 물이 되어야 하지 않을까 생각할 수도 있지만, D지점에서도 여전히 증기상태입니다.
왜냐면 압력이 매우 낮은 상태로 진공상태입니다.
 
물은 1기압, 100℃에 끓죠? D지점은 0.06기압정도라서 온도가 100℃ 보다 낮아도 아직 증기상태입니다.
저온, 저압의 증기를 물로 상태 변화시켜 회수하기 위해서 복수기를 이용합니다.
저온, 저압의 증기를 상태변화하기 위해서는 더 차가운 물을 이용해서 증기를 물로 회수하거나, 공기를 이용해서 물로 회수합니다. (해수, 냉각탑의 냉각수, Air)
 
저온저압의 증기를 복수기에서 응축하여 재사용하는 이유는 비용절감을 위한 것입니다. 새로운 물을 연속으로 공급하게 되면 순수를 만들기 위한 비용이 많이 투입되기 때문입니다.
보일러 및 터빈에 사용할 수 있는 물은 순수이기 때문에 수처리 과정에서 상당한 비용이 소모됩니다.
그래서 복수기에서 열교환을 통해서 A지점으로 물로 만드는 것입니다.
이 과정이 D ⇒ A 등압냉각 ; 복수기에서 저온 저압의 증기를 냉각수를 이용하여 응축합니다.
 
랭킨사이클의 효율은 다음과 같이 계산됩니다.

 
대형 발전소와 원자력 발전소들은 대부분 바닷가 근처에 있는 이유가 응축에 필요한 대량의 냉각수(해수)를 얻기 위한 것입니다.
 

이러한 모든 과정이 랭킨사이클 입니다.

 

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의문점

 
1. 증기의 온도를 600℃ 이상으로 올리면 효율이 올라가지 않나요
⇒ 최근에는 약625℃까지 보고 되고 있으며, 보일러와 터빈의 재질(내열합금강)의 이유로 고온에는 제한이 있습니다.
 
2. D지점이 더 왼쪽으로 오거나 더 오른쪽으로 가면 안되나요?
⇒ T-S선도를 잘보시면 C지점과 D지점은 등엔트로피이기 때문에 C와 D는 일직전상에 놓이게 됩니다.
 그러면 만약 C가 600도 이상의 온도로 높이게 된다면 C은 왼쪽 위로 올라가게 됩니다.

 
위와 같은 그림의 상태가 되는거죠. 그러면 D역시 왼쪽으로 움직이게 됩니다.
그러면 처음 D의 상태보다 D'의 상태일 때 저온, 저압의 증기속에 Water양이 많아집니다. Water양이 많아지면 터빈의 ⇒ 블레이드에 충격을 가하게 되면서 침식을 일으키고 터빈의 수명을 단축시킵니다.
그래서 더 높은 온도를 높이는 것이 어렵습니다.

3. Condenser의 압력은 왜 대기압이 아닌 대기압보다 낮은 압력인가요?
⇒ 만약 대기압보다 높은 경우는 터빈이 생산할 수 있는 동력의 양이 감소하게 됩니다. (살구색 부분이 일의 양입니다.)
증기를 고온, 고압으로 만든 이유는 압력의 차이를 최대한 크게 만들어서 많은 동력을 생산하기 위해서 입니다. 그래서 대기압보다 낮은 압력으로 유지하는거에요. 압력차이를 최대한 크게해야 효율이 올라가게됩니다.
 
3.1 그러면 완전 진공상태로 만들면 되지 않나요? 라고 생각할 수 있습니다.
⇒ 이론상 완전 진공상태로 만드는 것이 가장 좋으나 진공으로 만들기 위해서 엄청나게 많은 동력이 필요하게 됩니다. 그러면 발전소의 효율이 떨어 지게됩니다.