랭킨 사이클 효율 개선 기술
증기 발전소는 여전히 아시아 태평양 지역의 총 전력 생산의 주요 축을 이루고 있습니다. 따라서 효율성 향상이라는 작은 개선이라도 연료 절약과 온실가스 배출 감소에 큰 영향을 미칩니다.
따라서 증기 발전 사이클의 효율성을 높이는 방법과 수단을 찾는 기회를 놓치지 말아야 합니다.
어떤 개선이나 수정의 목적은 발전소의 열 효율을 높이는 것입니다. 따라서 열 효율 개선 기술은 다음과 같습니다:
작업 유체(증기)에서 열이 방출되는 평균 온도를 낮추는 것 (응축기 압력 낮추기)
터빈으로 들어오는 증기의 온도를 높이는 것
응축기 압력 낮추기
증기는 터빈을 떠나 응축기에 들어갑니다. 이때 증기는 응축기의 해당 증기 압력에 따라 포화 혼합물 상태로 존재합니다. 응축기 압력을 낮추면 증기의 더 많은 팽창이 가능해져 터빈에서 더 많은 작업량을 제공하는 데 도움이 됩니다.
T-s 다이어그램을 통해 응축기 압력 낮추기가 사이클 성능에 미치는 영향을 볼 수 있고 이해할 수 있습니다.
응축기 압력 낮추기의 긍정적 효과
더 높은 효율성을 얻기 위해 Rankine Cycle은 대기압보다 낮은 응축기 압력으로 작동해야 합니다. 그러나 응축기 압력의 하한은 해당 지역의 포화 압력에 해당하는 냉각수 온도에 의해 정의됩니다.
위 T-s 다이어그램에서 P4에서 P4’로 응축기 압력을 낮춤으로써 넷 작업 출력이 증가한 부분이 색칠된 영역으로 쉽게 볼 수 있습니다.
응축기 압력 낮추기의 부정적 효과
응축기 압력을 낮추는 효과는 부작용 없이 이루어지지 않습니다. 따라서 응축기 압력을 낮추는 것의 부정적 효과는 다음과 같습니다:
응축 재순환 온도 감소로 인한 보일러에 추가 열 입력 (응축기 압력 낮추기의 효과)
낮은 응축기 압력으로 인해 터빈의 최종 확장 단계에서 습기 함량이 증가할 가능성이 있습니다. 터빈의 후반 단계에서 습기 함량이 증가하면 효율이 약간 감소하고 터빈 날개가 마모됩니다.
응축기 압력 낮추기의 순 효과
전반적인 순 효과는 긍정적 쪽으로 더 기울어져 있습니다. 보일러의 열 입력 요구량 증가는 적지만, 응축기 압력 감소로 인해 넷 작업 출력이 더 증가하기 때문입니다. 또한 터빈의 후반 단계에서 증기의 건조도 분율은 10-12% 미만으로 떨어지지 않도록 관리됩니다.
증기를 더 높은 온도로 과열시키기
증기의 과열은 보일러의 일정한 압력을 유지하면서 증기에 열을 전달하여 더 높은 온도로 과열시키는 현상입니다.
위 T-s 다이어그램에서 색칠된 영역은 증기의 과열 온도 증가로 인한 넷 작업 (3-3’-4’-4) 증가를 명확하게 보여줍니다.
에너지 형태의 추가 열 입력은 작업으로 사이클을 떠납니다. 즉, 작업 출력 증가가 추가 열 입력 및 열 배출을 초과합니다. 증기 온도 증가로 인해 Rankine cycle의 열 효율이 증가합니다.
증기 온도 증가의 긍정적 효과
증기 온도를 증가시키는 한 가지 바람직한 효과는 마지막 단계에서 증기의 습기 %가 증가하지 않게 하는 것입니다. 이 효과는 위의 T-s 다이어그램 (Fig:2)에서 쉽게 볼 수 있습니다.
증기 온도 증가의 부정적 효과
증기 온도를 증가시키면 소폭의 열 입력 증가가 발생합니다. 증기를 과열하고 발전 사이클에서 사용할 수 있는 제한 요인은 고온에서의 금속학적 신뢰성과 경제적 실현 가능성과 관련되어 있습니다.
현재 초임계 발전 장치에서는 터빈 입구의 증기 온도가 약 620oC입니다. 증기 온도를 더 증가시키는 결정은 금속학적 검증과 비용 영향 평가를 철저히 수행한 후 신중하게 내려져야 합니다.
증기 온도 증가의 순 효과
T-s 다이어그램 (Fig:2)에서 온도 증가의 순 효과는 더 긍정적인 쪽으로 기울어져 있습니다. 넷 작업 출력의 이익이 열 입력 증가와 약간의 열 배출 증가를 능가하기 때문입니다. 따라서 신뢰성과 경제적 실현 가능성을 평가한 후 증기 온도를 높이는 것이 항상 유리합니다.
초임계 매개변수를 사용하지 않고 보일러 압력 증가
보일러 작동 압력을 증가시키는 것은 보일러에서 끓음이 발생하는 온도와 관련이 있으며, 이렇게 함으로써 사이클의 열 효율이 증가합니다. T-s 다이어그램을 통해 보일러 압력 증가가 사이클 성능에 미치는 영향을 명확하게 볼 수 있고 이해할 수 있습니다.
보일러 압력 증가로 인해 Rankine cycle은 Fig:3의 T-s 다이어그램에서 약간 왼쪽으로 이동하며, 다음을 결론내릴 수 있습니다:
위 그림의 핑크색 영역에서 보이는 넷 작업의 상당한 증가
사이클이 약간 왼쪽으로 이동함에 따라, 터빈에서 증기의 확장 중 넷 작업이 감소합니다. (위 fig:3의 회색 영역 참조)
응축기에 대한 열 배출 감소
따라서 이러한 조치들로 인해 사이클의 열 효율이 크게 증가합니다.
초임계 매개변수를 사용한 보일러 압력 증가
Rankine cycle의 열 효율을 증가시키기 위해 현재 사용되는 증기 생성기에서는 초임계 압력이 사용됩니다. 증기 생성기가 22.06Mpa 이상으로 작동할 때, 이러한 증기 생성기는 초임계 증기 생성기라고 불리며, 플랜트는 초임계 발전 플랜트라고 불립니다. 높은 작동 압력으로 인해 이러한 플랜트는 높은 효율성을 제공합니다.
재가열 Rankine 사이클
재가열 Rankine 사이클은 높은 보일러 압력에서 높은 사이클 효율을 얻으면서 터빈의 마지막 단계에서 증기의 습기 함량을 손상시키지 않는 방법입니다.
재가열 사이클을 통해 높은 사이클 효율이 가능하며, 이는 건조도 분율을 손상시키지 않고 두 단계로 증기를 터빈에서 확장시키면서 중간에 재가열함으로써 가능합니다. 재가열은 터빈의 마지막 단계에서 과도한 습기를 해결하는 실제적으로 받아들일 수 있는 방법입니다.
마지막 단계 습기 줄이기의 이론적 방법
이론적으로 증기가 터빈에 들어가기 전에 더 높은 온도로 과열시키는 방법이 있지만, 620oC를 넘어서는 금속학적 제한으로 인해 더 이상 증가할 수 없습니다. 인도에서 운영 중인 초임계 발전소는 입구 증기 온도가 약 593oC입니다.
