열사이클(랭킨·재열·재생)

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1 출제 포인트 — 이렇게 나옵니다

38회 시험 중에서 13번 나왔습니다

2010~2022년 기출 38회 시험 기준

출제 회차 2010년 1차 · 2010년 3차 · 2011년 1차 · 2011년 3차 · 2012년 2차 · 2012년 3차 · 2014년 1차 · 2015년 3차 · 2017년 3차 · 2018년 3차 · 2020년 3차 · 2021년 2차 · 2022년 1차

2 쉬운 설명

열사이클은 물을 증기로 만들어 터빈을 돌리고 다시 물로 되돌리는 순환 과정이다. 열효율은 보일러에 넣어 준 열 가운데 실제로 전기(일)로 바뀌는 비율이며, 화력발전소에는 이 열효율을 높이는 여러 방법이 있다.

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랭킨 사이클은 기력발전소 열사이클의 가장 기본이 되는 사이클로, 두 번의 등압변화와 두 번의 단열변화로 이루어진다. 물은 급수펌프 → 보일러 → 과열기 → 터빈 → 복수기 → 다시 급수펌프 순서로 돈다. 급수펌프가 물을 단열 압축하고, 보일러가 일정한 압력에서 가열해 증기를 만들며, 터빈에서 증기가 단열 팽창하며 일을 하고, 복수기가 일정한 압력에서 식혀 물로 되돌린다. 열효율은 초기 온도와 초기 압력이 높을수록 크다.

재생 사이클은 터빈에서 팽창 도중인 증기를 일부 뽑아내(추기) 그 열로 보일러에 들어갈 물(급수)을 미리 데우는 열사이클이다. 급수가 따뜻하면 보일러가 끓이는 데 드는 연료가 줄어 열효율이 오른다. 반면 추기한 증기는 터빈 끝까지 가서 일을 하지 못하므로 같은 발전량을 내려면 증기를 더 써야 한다. 증기압 · 증기 온도 · 진공도가 일정할 때 추기를 하면 추기하지 않을 때보다 단위 발전량당 증기 소비량은 늘고 연료 소비량은 준다.

재열 사이클은 터빈에서 팽창한 증기를 보일러로 되돌려 다시 가열한 뒤 터빈에 보내는 열사이클이다. 증기는 고압터빈 → 재열기 → 저압터빈 순서로 팽창하는데, 팽창하면 압력과 온도가 내려가 물방울이 생기기 쉽고 물방울은 터빈 날개를 상하게 한다. 그래서 고압터빈을 나온 증기를 재열기에서 다시 가열해 저압터빈으로 보내면 열효율이 높아지고 날개 손상도 줄어든다.

재생과 재열을 함께 쓰는 재생재열 사이클(문항에 따라 재열재생 사이클이라고도 적는다)은 랭킨 사이클에 재생과 재열을 모두 적용한 것이다. 화력발전소의 열사이클 중 열효율은 랭킨 사이클보다 재생 사이클과 재열 사이클이 좋고, 두 방법을 합친 재생재열 사이클이 가장 좋다. 카르노 사이클은 두 열원 사이에서 이론상 가장 높은 효율을 내는 이상적인 사이클로, 실제 설비에 쓰는 사이클이 아니다. 장치 선도에 재열기와 급수가열기가 함께 있으면 재생재열 사이클이다.

세로축이 절대온도 $T$ , 가로축이 엔트로피 $S$ 인 T-S 선도에서 단열변화는 바깥과 열을 주고받지 않아 $S$ 가 일정한 변화이므로, $S$ 가 고정된 수직선으로 나타난다. 반대로 $T$ 가 고정되고 $S$ 만 변하는 수평선은 온도가 일정한 등온변화이다. 열이 들어오면 엔트로피가 늘고, 열이 드나들지 않으면 그대로이다.

3 이 개념이 나온 기출문제

해설·법령 근거까지 가입 없이 보실 수 있습니다. 최신 5개년 문항은 여기 나오지 않습니다.

4 체크리스트 + 암기팁

암기팁 추기 = 증기는 더 쓰고, 연료는 덜 쓴다(급수를 미리 데워서).

암기팁 재생 = 추기해서 급수를 데움 · 재열 = 증기를 다시 가열 · 열효율은 랭킨 < 재생 · 재열 < 재생재열.

함정 주의 재열 사이클은 고압터빈 → 재열기 → 저압터빈 순서이다. 저압터빈에서 다시 가열해 고압터빈으로 보낸다고 쓴 보기는 틀린 설명이다.

추기를 하면 단위 발전량당 증기 소비량은 늘고 연료 소비량은 준다(증기압 · 증기 온도 · 진공도가 일정할 때). 증기 소비량이 줄어든다는 보기는 실제 효과와 반대이다. 빠져나간 증기는 터빈에서 일을 다 하지 못하므로 증기는 오히려 더 쓴다. 연료 소비량이 줄어드는 것이 추기의 핵심 효과이므로, 둘 다 늘어난다는 보기도 틀린다.
재생 사이클은 팽창 도중의 증기를 추기해 급수를 가열하고, 재열 사이클은 팽창한 증기를 보일러로 되돌려 다시 가열한다. 급수를 가열하는 것은 재열 사이클이 아니다.
재열기는 증기를 가열하고, 공기예열기는 연소용 공기를 가열하며, 절탄기는 급수를 배기가스의 열로 가열한다. 석탄을 말리는 것은 재열기의 일이 아니다.

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열사이클 효율 향상 방법이 아닌 것은 조속기의 설치이다. 조속기는 증기밸브를 조절해 발전기 회전속도를 일정하게 지키는 제어 장치이다. 고압 · 고온 증기와 과열기, 절탄기 · 공기예열기, 재생 · 재열 사이클은 효율 향상 방법이다.
열효율은 발전량을 kcal 로 바꾼 값을 연료의 총 발열량으로 나눈 비이다. $1\,\mathrm{kWh}\approx 860\,\mathrm{kcal}$ 이므로 40000 kWh 는 $40000\times 860=3.44\times 10^{7}\,\mathrm{kcal}$ , 석탄 20톤(발열량 5000 kcal/kg)은 $20000\times 5000=1\times 10^{8}\,\mathrm{kcal}$ 이어서 열효율은 약 34.4 % 이다.
증기의 엔탈피는 증기 1 kg 의 보유열량이다. 현열(온도를 올리는 데 쓰이는 열)이나 잠열(상태가 바뀔 때 드는 열) 한쪽만을 가리키지 않고, 증발열을 그 온도로 나눈 값도 아니다.

5 예제 — 이 개념, 실제로 이렇게 나왔습니다

2011년 1차 전력공학 31번 — 추기할 때 증기·연료 소비량 변화증기압, 증기 온도 및 진공도가 일정할 때에 추기할 때는 추기하지 않을 때보다 단위 발전량 당 증기 소비량과 연료 소비량은 어떻게 변화하는가?옳은 것 고르기해설 보기 →2015년 3차 전력공학 35번 — 열효율이 가장 좋은 열사이클일반적으로 화력발전소에서 적용하고 있는 열사이클 중 가장 열효율이 좋은 것은?옳은 것 고르기해설 보기 →2021년 2차 전력공학 25번 — 추기로 급수를 데우는 사이클증기터빈내에서 팽창 도중에 있는 증기를 일부 추기하여 그것이 갖는 열을 급수가열에 이용하는 열사이클은?옳은 것 고르기해설 보기 →

6 이론 근거 — 정의가 곧 정답입니다항목 12개 · 눌러서 펼치기눌러서 닫기

랭킨 사이클

급수펌프, 보일러, 과열기, 터빈, 복수기의 순서로 물과 증기가 순환한다.

출처: 기출 해설의 이론 근거 · 이 개념 기출 13문항 중 2문항이 인용

기력발전소의 열사이클

랭킨 사이클을 기본으로, 재열기를 더하면 재열 사이클, 추기로 급수를 가열하면 재생 사이클, 둘을 함께 쓰면 재열재생 사이클이다.