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발전공학

기력발전의 열사이클

기력발전의 열사이클

기력발전소의 열사이클 중 카르노사이클(Carnot cycle)을 설명하시오.

석탄화력발전에서 재열·재생사이클의 기본 구성도를 그리고 특징을 설명하시오.

화력발전소의 열사이클 중 랭킨사이클과 카르노사이클의 T-S선도를 이용하여 비교설명하고, 랭킨 사이클의 열효율 향상방안을 기술하시오.

기력발전의 열사이클에서 열효율 향상방안에 대하여 설명하시오.

카르노 사이클(Carnot Cycle)

열사클 가운데 “가장 이상적인 가역 사이클”로 2개의 등온변화와 2개의 단열변화로 이루어져 있으며, 모든 열사이클 중 최고의 효율을 나타낸다.

카르노 사이클(Carnot Cycle)
\[\eta_{carnot}=\frac{T_1-T_2}{T_1}\times[\%]\]

※ 열기관의 카르노 효율은 고열원의 온도가 높을수록 저열원의 온도가 낮을수록 열 효율이 향상됨을 나타낸다.

– 등온팽창: 온도 T1의 고열원으로부터 열량 Q1을 얻어 온도 T1을 유지하면서 팽 창한다.
– 단열팽창: 열절연된 상태에서의 팽창으로서 이 사이에 온도는 T1에서 T2로 내려 간다.
– 등온압축: 온도 T2의 저열원에 열량 Q2를 방출하여 온도 T2를 유지하면서 압축 된다.
– 단열압축: 단열상태에서 압축되어 온도 T2로부터 T1으로 올라간다.

[예] 고열원 538[℃], 저열원32[℃]인 열기관의 카르노 효율은?
\[\eta=\frac{(538+273)-(32+273)}{(538+273)}\times 100=62.4[\%]\]

랭킨사이클(Rankine Cycle)

랭킨 사이클은 기력발전소의 가장 기본적인 열사이클이다.

고온·고압의 증기는 터빈에서 팽창 후 저온·저압이 되어, 터빈을 나와서 복수기 속에서 물로 응축된다. 응축한 물은 복수한다. 저온·저압의 물은 급수펌프로 고압으로 가압되어 다시 보일러로 보내진다. 이리하여 물은 보일러와 터빈 사이를 순환하여 열의 흡수와 방출을 하는 열사이클을 구성한다. 이와 같이 “가열 → 팽창 → 응축 → 승압”을 하는 열사이클을 랭킨 사이클이라 한다. 이와같은 열사이클에 사용된 터빈을 “복수터빈”이라 한다.

랭킨사이클(Rankine Cycle)

– 1 → 2: 단열팽창(S/T)
– 2 → 3: 등온냉각(복수기)
– 3 → 4: 단열압축(급수펌프)
– 4 → 5: 등압가열(보일러)
– 5 → 6: 등온팽창(보일러)
– 6 → 1: 등압과열(과열기)

※ 배압터빈

자가용 발전 등에서 증기를 응축시키지 않고 팽창을 중도에서 막아, 터빈에서 나온 배기를 공업 프로세스의 가열원 등으로 이용하는 것이 있는데, 이와 같은 터빈을 “배압터빈”이라 한다.

※ 랭킨사이클의 열효율향상

랭킨 사이클에서 초압의 상승

① 열효율의 증가
⦁유효일은 증감은 거의 동일
⦁방출열량의 감소
② 터빈출구 증기습도 증가
⦁터빈회전날개 부식증가
⦁습증기에 의한 마찰로 내부 손실증가
③ 터빈출구에서 증기의 습도를 10%
이내로 제한

랭킨 사이클에서 초온의 상승

랭킨 사이클에서 초온의 상승

① 열효율의 증가
⦁유효일은 증가분 > 방열량 증가분
② 터빈출구 증기습도 감소
⦁터빈회전날개 부식감소
⦁습증기에 의한 마찰로 내부 손실감소
③ 초온을 높이는데 금속재료의 한계

랭킨 사이클에서 배압의 영향

랭킨 사이클에서 배압의 영향

① 열효율의 증가
⦁유효일은 증가
② 터빈출구 증기습도 증가
⦁터빈회전날개 부식증가
⦁습증기에 의한 마찰로 내부 손실증가
③ 배압을 낮추는 것은 바닷물의 온도, 하천수의 온도로 제한됨

재열사이클(Reheat Cycle)

재열사이클(Reheat Cycle)

재열사이클은 고압터빈에서 어느정도 팽창한 증기를 보일러에 되돌려가지고 재열기로 적당한 온도까지 재과열시킨 다음 다시 터빈에 보내서 팽창시키도록 하여 랭킨사이클 보다 열효율을 향상시킨 것이다. 재열증기는 그 압력은 낮지만 온도가 비교적 높기 때문에 팽창종점에서의 습도가 작아져서 어느 정도 열효율을 개선할 수 있다.

다단재열 사이클의 효율

[다단재열 사이클의 효율]

(1) 터빈효율이 4~5% 정도 향상된다.
(2) 터빈증기의 소모량이 15~18% 감소한다.
(3) 복수기의 용량이 7~8% 작아진다.
(4) 터빈배기의 습도가 감소한다.

재생사이클(Regenerative Cycle)

랭킨사이클은 복수기에서 냉각수로 뺏기는 열량이 많아서 손실이 크다. 재생사이클은 팽창도중의 증기의 일부를 추기하여 그 열로 급수가열기에 이용하여 열효율을 향상시키는 열사이클 이다.

재생사이클(Regenerative Cycle)

추기단수를 늘려가면 열효율이 증대되는 경향이 있지만, 이것도 어느 단수이상되면 포화되어 보통 4~6단 정도, 일부 대용량에서 9단까지 사용한 예가 있다.

※ 추기

증기터빈에서 팽창도중의 증기를 끄집어낸 증기를 말한다.

(1) 기력발전소의 열효율은 복수기의 냉각수로 빼앗기는 열량 때문이며 배기의 잠열은 연료로 공급된 열량의 55~60%에 달하므로 기력발전소의 효율은 40% 이하이다.
(2) 추기된 증기로 급수를 가열하면 그 열량은 복수기의 손실이 되지 않는다.
(3) 추기된 증기만큼 터빈에서 일을 못하게 되지만 희생된 열량은 작은데 비해 회수될 열량이 크므로 전체적으로 효율이 향상된다.

재생·재열사이클

재생·재열 사이클은 열효율을 향상시키기 위해서 재생사이클과 재열사이클을 조합한 열사이클이다. 이와같은 조합으로 열사이클 효율을 40% 이상이 되게 한 것이다.

재생·재열사이클

※ 각종 열사이클의 열효율 비교

각종 열사이클의 열효율 비교

※ 열사이클에서 열효율을 향상시키는 방법

1) 과열증기를 사용

① 열효율 향상 → 압력과 온도가 높을수록 효율향상, 현재 650℃까지 과열
② 고온이 됨에 따라 원동기에서의 열낙차가 증가해서 증기소비량 감소로 원동기 크기 감소에 기여
③ 증기터빈내에서 마찰손실을 저감시켜 열효율 향상에 기여함
④ 수분을 제거하여 부식을 경감시킨다.

2) 복수기의 진공도 향상

복수기의 진공도는 95%(760[㎜Hg] → 722[㎜Hg])가 적합하며, 온도차가 클수록 열효율이 향상

3) 재열사이클 채용

고압터빈에서 어느정도 팽창한 증기를 보일러에 되돌려서 재열기로 적당한 온도까지 재과열하여 사용으로 습도감소로 인한 터빈날개의 부식감소 및 마찰손실 경감으로 인한 열효율 향상

4) 재생사이클 채용

터빈에서 팽창도중의 증기의 일부를 추기하여 급수를 가열하여 복수기에서 잃어버릴 열량의 일부를 유효하게 사용함으로써 열효율을 향상

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