재생 재열 랭킨 사이클(Regenerative Reheat Rankine Cycle)

Regenerative Rankine Cycle (재열 렝킨 사이클)

급수 가열을 하는 재생 랭킨 사이클이, 급수 가열을 하지 않는 단순 랭킨 사이클 보다 열 소비율이 낮은, 즉 효율이 높은 이유를 다음과 같이 3가지 방법으로 설명할 수 있습니다.

 

1) 열역학 제 2 법칙에 의하면, 가역 과정(Reversible Process)에 가까운 과정이 효율이 제일 높습니다.  가역 과정에 가까우려면, 열 전달에 있어서 온도 차가 낮을수록 좋으며, 모든 과정이 등엔트로피(Isentropic) 과정이거나 등온(Isothermal) 과정이어야 합니다.

터빈 추기로 급수 가열을 하지 않는 단순 랭킨 사이클의 경우에는, 보일러에 유입되는 급수 온도가 복수기 응축수 온도인 약 30 oC 정도이어서, 보일러에서는 이 온도의 급수와 고온의 연소 가스 사이에서 높은 온도 차의 열전달이 이루어집니다.    즉, 보일러에서 비가역성이 큰 열전달이 발생하므로, 위에 설명한 열역학 제 2 법칙에 따라 효율이 낮아질 수밖에 없습니다.

이러한 비가역성을 줄이기 위해 재생 사이클을 사용합니다.

재생 사이클을 사용하여, 터빈에서 추기한 증기로 급수를 가열하면 보일러에서 일어나는 열전달의 온도 차를 줄일 수 있으므로, 비가역성을 줄여서 효율이 높아집니다.

 

2) 열 기관 사이클의 열 소비율은 아래와 같은 식으로 표현됩니다.

열 소비율 = 입열 / (입열 - 출열)

주)

 

열 소비율

: Heat Rate

입열

: Heat Supplied

출열

: Heat Rejected

단순 랭킨 사이클에서, 보일러로부터 공급되는 열 즉 입열이 4이고, 복수기에서 외부로 방출하는 열, 즉 출열이 3이라고 하면, 열 소비율이 아래와 같이 4가 됩니다.

열 소비율 = 4 / (4 - 3) = 4

터빈에서 복수기로 배출하는 증기 유량이 일정하게 유지한다는 가정하에서, 터빈에서 팽창하는 증기의 일부를 추기해 급수를 가열하면, 그 추출된 증기는 터빈에서 동력을 생산한 후 다시 보일러로 되돌아 가므로, 보일러에서는 그 추기된 증기 유량을 다시 가열하는 만큼의 열을 추가로 터빈 사이클에 공급해야 합니다.   즉, 출열은 일정한데 입열이 늘어나는 것입니다.

만일, 입열이 4에서 5로 늘었다고 가정하면, 열 소비율은 다음 식과 같이 4에서 2.5로 줄어듭니다.   즉 효율이 증가합니다.

열 소비율 = 5 / (5 - 3) = 2.5

 

3) 또 다른 설명 방법은, 터빈에서 추기되는 증기에 의해 생산되는 동력은 100% 효율로 생산되는 동력이라는 점입니다.  

그 이유는, 급수 가열용 추기 증기는 터빈에서 동력을 생산한 후, 나머지 열을 외부 매체에 전달하지 않고, 다시 급수와 함께 사이클을 빠져 나가므로 100% 효율로 생산되는 동력입니다.

터빈에서 복수기로 배출되는 증기에 의해 생산되는 동력은, 복수기에서 방출되는 열 만큼 효율이 낮은 동력이므로, 추기에 의해 생산되는 동력이 크면 클수록, 전체 동력 가운데 효율이 높은 동력의 비율이 커지므로, 전체적으로 볼 때 효율이 개선되는 것입니다.

 

최적 최종 급수 온도가 존재합니다.

터빈 추기를 통해 급수 온도를 높이면 높일수록 효율이 증가하는 것은 아닙니다.

앞서 2) 번의 설명에서, 급수 가열을 위해 터빈에서 추기된 증기 유량을 다시 가열하는 만큼 추가로, 보일러에서 터빈 사이클에 열을 공급함으로써 열 효율이 증가한다고 하였습니다.

그런데, 추기를 통해 급수 온도가 높아지면 그만큼 보일러에 공급되는 급수 온도가 증가하여, 보일러에서 생산되는 증기 단위 질량 유량 당 공급되는 열량이 감소합니다.

이러한 현상에 의해, 추기에 의해 급수 온도를 어느 온도 이상으로 높이면, 보일러에서 생산되는 증기 단위 질량 유량 당 공급 열량 감소율이, 추기에 의해 늘어나는 증기 유량 증가율을 초과해, 효율이 감소하기 시작합니다.   즉 터빈 추기에 의한 급수 가열에 있어서 최대 효율 점, 즉 최소 열 소비율 점이 존재하며, 그 이상으로 급수를 가열하면 효율이 떨어지는 역 효과가 발생합니다.

ES_Rankine 소프트웨어에는 이러한 최소 열 소비율을 갖는 급수 가열 온도를 알아내기 위한 "최적 엔탈피 상승 값 찾기 실행(Optimum Enthalpy Rise Run Function)" 기능이 있습니다.

 

Reheat Rankine Cycle (재열 랭킨 사이클)

열역학 사이클에서 열이 공급되는 온도가 높으면 높을수록 열 효율이 좋아집니다.

Reheat Rankine Cycle은 사이클에 공급되는 열의 온도를 높이는 역할을 하여, 열 효율을 좋게 합니다.

 

이러한 열역학적 개선 효과 외에, Reheat Rankine 사이클은, Reheat 터빈 최종단의 Moisture를 감소시킴으로써 Moisture Loss를 감소시켜 터빈 효율을 개선하는 효과가 있습니다.

이러한 효과 때문에 동일한 Moisture Contents를 유지하는 경우에는, 증기 압력을 높일 수 있어, 역시 열 효율을 개선하는 효과가 있습니다.

Reheat Rankine Cycle을 사용하면 열 효율이 약 4에서 6% 정도 개선되는 효과가 있으며, 증기 유량은 약 15% 정도 줄어드는 효과가 있습니다.  

증기 유량은 많이 줄어 들지만, 그 만큼 열 효율이 개선되지 않는 이유는, Reheat 과정에서 추가로 열이 공급되기 때문입니다.

 

참고 문헌 : Steam Turbine and Their Cycles, written by J. Kenneth Salisbury, General Electric Company, Schenectady, New York, USA, Original Edition 1950


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