화력 발전소의 열 사이클 (전력공학)

 

화력 발전소의 열 사이클

화력 발전소에서 사용되는 열사이클(열역학 사이클)은 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 전기를 생산하는 과정입니다. 가장 일반적으로 사용되는 열사이클은 열역학 사이클의 Rankine 사이클입니다. 이 사이클은 주로 증기 터빈을 사용하는 발전소에서 적용됩니다.

 

Rankine 사이클의 정의 및 구성

Rankine 사이클은 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 열역학 사이클로, 주로 화력 발전소에서 사용됩니다. 이 사이클은 네 개의 주요 과정으로 구성됩니다. 증기 생성, 터빈에서의 팽창, 응축, 펌프에서의 압축.

1. 증기 생성 (Boiler Process)

• 과정: 고온의 연료가 연소되어 생성된 열이 보일러에서 물을 가열하여 증기로 변환합니다.
• 열역학적 변화: 액체 상태의 물이 고온, 고압의 증기로 변환됩니다.
• 목적: 증기의 에너지를 통해 터빈을 회전시켜 기계적 에너지를 생성합니다.

2. 터빈에서의 팽창 (Turbine Process)

• 과정: 고온, 고압의 증기가 터빈으로 들어가서 팽창하며 터빈의 회전력을 발생시킵니다.
• 열역학적 변화: 증기가 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하며, 압력과 온도가 감소합니다.
• 목적: 회전하는 터빈을 통해 전기를 생산합니다.

3. 응축 (Condenser Process)

• 과정: 터빈을 통과한 증기가 응축기에 들어가면서 차가운 물로 열을 방출하여 응축됩니다.
• 열역학적 변화: 증기가 액체 상태로 변환되면서 열 에너지를 방출합니다.
• 목적: 증기를 다시 액체 상태로 변환하여 다음 단계의 압축 과정으로 이동시킵니다.

4. 펌프에서의 압축 (Pump Process)

• 과정: 응축된 액체가 펌프를 통해 압축되어 보일러로 다시 보내집니다.
• 열역학적 변화: 액체 상태의 물이 높은 압력으로 압축되며, 온도는 상대적으로 상승합니다.
• 목적: 보일러에서 증기가 되기 위해 필요한 압력을 생성합니다.

 

 

Rankine 사이클의 주요 공식과 개념

열효율: 사이클의 열효율은 열사이클의 입력 에너지 대비 출력 에너지 비율을 나타냅니다.

열 입력: 보일러에서 증기를 생성하는 데 필요한 열 에너지입니다.

일 출력: 터빈에서 생성되는 기계적 에너지입니다.

 

Rankine 사이클의 변형

• 재생 Rankine 사이클: 사이클의 열효율을 높이기 위해 응축기에서의 열을 일부 회수하여 보일러로 다시 보내는 방식입니다.
• 초임계 Rankine 사이클: 초임계 상태의 증기를 사용하여 사이클의 효율성을 높이는 방식입니다.

 

Rankine 사이클의 장점과 단점

• 장점
  • 비교적 간단한 설계와 운영
  • 안정적인 전력 생산
• 단점
  • 열효율이 상대적으로 낮음
  • 높은 온도와 압력에서의 설계와 유지보수가 필요