랭킨사이클(Rankine Cycle, 증기동력시스템)의 재열, 재생 사이클

​이번은 랭킨사이클의 심화버전인 재열, 재생 사이클에 대하여 알아 보겠습니다.

랭킨사이클은 증기로 동력을 생산하는 시스템이라는 것이라고 하였습니다.

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랭킨사이클(Rankine Cycle, 증기동력시스템)사이클 구성과 원리

 

 

이번에는 랭킨사이클의 효율과 출력을 높일 수 있는 방법을 알아 보겠습니다.

 

랭킨사이클에서 효율과 출력의 향상 시킬 수 있는 방법은 재열(Reheat)과 재생(Regeneation) 2가지가 있습니다.

 

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1. 재열 랭킨사이클 (Reheat Rankine Cycle)

재열은 말 그대로 다시 가열한다는 의미입니다.

랭킨사이클에 에너지를 운반하는 것은 증기이며, 증기에 에너지를 싣어 주는 것은 보일러 입니다.

재열이란 증기를 보일러에서 다시 가열하는 의미 입니다.

 

한번 증기터빈에서 일을 하고 나온 증기(1→2)를 보일러를 다시 가열(2→3)하는 것입니다.

 

재열 랭킨사이클을 T-S선도로 표현하면 위와 같은 그림이 되죠.

선도를 보고 말씀드리면 왼쪽의 노란색 부분은 기존의 랭킨사이클이 생성한 Net Work입니다.

 

그런데 2-3구간에서 보일러에서 재열이 이루어지면서 오른쪽의 분홍색 부분이 증가하면서 Net Work가 기존보다 증가하게 됩니다. 재열을 하면 Net Work가 2-3-4-4' 만큼 증가하게 됩니다.

 

여기서

1). HP 터빈출구에서 나오는 증기(1→2)를 재열할 때의 압력은 처음보다 낮아 집니다. 

다시 말하면 6~1 구간의 압력, 2~3구간의 압력 보다 높다는 것입니다. 1→2 구간에서 일을 하면서 압력이 감소했기 때문입니다.

HP 터빈 출구에서 나온 증기를 복수기(Condenser)로 보내지 않고 다시 보일러로 보내 가열을 시켜 고온의 증기를 만들게 됩니다. 그러나 처음 보일러에서 발생된 증기처럼 고압으로 되지 않습니다.

 

2). 재열의 온도는 최대 몇도까지 올릴 수 있을까요?

최대 온도는 보일러의 성능 및 재질과 관련 있으며, HP로 공급되는 1번의 온도와 비슷한 정도까지 일반적으로 올리게 됩니다. HP로 공급되는 1번의 온도가 보일러가 올릴 수 있는 최대의 온도 부근 이기 때문입니다.

 

3). 재열을 하는 이유

터빈에서 일을 최대로 하고, 출력을 올리기 위함입니다.

출력을 올리기 위해서는 보일러에서 증기의 온도를 최대한으로 높여야 합니다.

즉, 1번의 온도를 초대로 높여야 합니다. 왜냐하면 1지점과 4지점 차이가 클 수 록 생성되는 일이 커지게 됩니다.

그런데, 1번의 온도(증기온도)를 계속 높이게 디면 문제점이 발생합니다.

그것은 4지점이 4'지점인 왼쪽으로 이동한다는 것입니다. 4지점에 왼쪽으로 이동하게되면 터빈출구쪽의 건도가 낮아지고 습분이 증가하게 됩니다. 즉, 배기증기에 습분이 증가 되면서 이 습분이 터빈 블레이드와 충돌을 일으키고 이로인해 터빈 블레이드를 침식시키는 문제가 발생하게 됩니다.

그러면 터빈의 효율이 저하되는 것은 물론이며, 터빈의 블레이드 손상으로 교체하여야 문제가 발생하게 되는 것입니다.

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그러면, 재열을 몇 번이나 할 수 있을까요? 통상적으로 2번 혹은 3번을 합니다.

재열을 할수록 재열되는 압력은 점점 낮아지게 되므로 재열을 4번, 5번하기에는 불가 합니다.

예를 들어, 3번 재열하는 경우에 터빈이 재열되는 압력에 따라서 High, Intermediate, Low Pressure Turbine이라고 3구간으로 구분하기도 합니다.

 

2. 재생 랭킨사이클 (Regeneration Rankine Cycle)

재생사이클은 터빈에서 증기의 일부를 추기하여 급수의 온도를 높이는 데 사용하는 것입니다.

터빈에서 증기의 일부를 추기하여 보일러의 역할을 하게 만드는 것입니다. 그래서 보일러에서 필요한 열의 양을 줄일 수 있는거죠.

기존의 랭킨사이클은  1-3구간에서 증기의 양(A+B 으로 가정)으로 일(전력생산)을 합니다.

재생사이클에선 A양만큼의 증기를 증기터빈에서 따로 추기하여 5-6 구간의 급수를 가열시키게 됩니다. 그렇기 때문에 터빈의 증기 일부가 보일러의 역할을 하게 되는 것입니다.

 

그러니깐 보일러는 5-1구간의 급수를 가열시켜야하는데 A의 추기 증기로 인하여 7-1구간만 가열시키면 되는거죠. 그러면 보일러의 연료 사용량이 감소하게 됩니다.

하지만, 터빈속의 증기를 일부 추기하였기 때문에 터빈의 출력도 줄어 들게 됩니다. 

Condenser 유입되는 증기의 양이 감소하기 때문에 condenser에서 응축되는 복수의 양이 적어지게되고 이로인하여 응축하면서 배출되는 에너지가 적어지게되어 전체적인 효율이 증가하게됩니다. 물론 응축에 필요한 냉각수의 양도 적어지게됩니다. 

 

다시 설명하자면, 터빈의 출력(Output)도 감소하고 보일러연료의 양(Input)도 감소하지만, 출력이 감소하는 것보다 응축하면서 배출되는 에너지가 적어 전체적인 효율은 상승하게 되는 것입니다.

 

그리고 재생사이클에서 또 다른 특징이 있어요. 위와 같은 경우의 재생랭킨사이클의 경우 재열과 달리 펌프가 추가 됩니다.

 

위와 같은 재생랭킨사이클의 경우는 펌프가 추가가 되지 않아, 펌프가  따른 비용이 절감될 수 있습니다.

하지만, 5-6구간의 온도를 많이 높히지 못해요. 이전의 재생랭킨사이클은 7지점까지 온도를 높였으니깐요.

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3. 재열·재생 랭킨사이클의 구성

현재 기력발전소에서 가장 많이 적용되고 있는 기술입니다. 재열의 단점을 재생이 보완해주고, 재생의 단점을 재열이 보완해 주는 서로의 장점을 적용하여 출력과 효율을 향상시킨 된 최적화된  기술입니다.

 

 

딱 보기엔 복잡해 보이지만, 하나 하나 뜯어보면 그리 복잡하지 않습니다.