안녕하세요 
오랜만에 원자력으로 찾아왔습니다.
오늘은 발전소의 증기사이클의 효율을 올리기 위한 방법으로 설계된 계통을 소개해드릴까 합니다.
다시 전의 포스팅을 잠시 떠올려보자면 원자로에서 발생한 열을 사용해 증기발생기에서 열을 터빈이 연결된 2차계통으로 전달하고 이 열로 증기를 생산해 터빈으로 보내 발전기를 돌린다고 했었습니다. 그런데 우리의 목표는 최소의 에너지 손실입니다. 열심히 열에너지를 생산해 전달해줬음에도 발전에 쓰이는 에너지가 극소수라면 발전소운영에 대해 다시 한번 생각해보아야 할 것입니다.
그래서 발전소에서는 최대한 열에너지를 잘 사용하기 위해 여러 추가 장치를 설치합니다. 이 내용은 원자력 발전소에만 해당되는 것이 아닌 조금 넓은 의미로 증기를 사용한 발전기에 사용된다고 생각하시면 되겠습니다. 물론, 발전방식, 발전출력 크기의 차이 등으로 다 다릅니다.
오늘 소개할 내용은 재열사이클과 재생사이클입니다.
이 두 사이클을 제대로 이해하기 위해서는 열역학적 이해가 필요합니다.
열기관 시스템 랭킨사이클
이미 여기에 대해서 소개는 했었습니다.
다만, 당시 포스팅에서 어려웠다는 의견도 있었고 오래되기도 했으니 다시 한번 설명해보도록 하겠습니다!
우선, 효율이라는 것은 입력대비 출력의 결과 정도라고 생각할 수 있습니다.
즉, 1이라는 일을 해주었을 때 1이라는 결과를 만들어 주면 100%의 효율을 가진 것이겠죠?
반면, 1이라는 일을 해주었는데 절반의 결과물이 나왔다면 50%의 효율을 가진 것입니다.
이처럼 효율은 발전 혹은 내연기관과 같이 에너지를 사용하는 점에 있어서는 매우 중요한 문제입니다. 최소한의 소비로 최대의 일을 해야 합니다.
하지만, 근본적으로 우리는 효율이 100%인 기관을 제작할 수 없습니다.
이 내용에 대해서는 가장 이상적인 카르노기관도 효율이 100%가 안 됩니다.
왜일까요?
효율은 입력대비 출력이라고 했고 입력한 모든 값을 사용해야 한다고 했습니다.
그럼, 입력값은 여기서 무엇일까요?
바로 열에너지입니다.
그리고 열은 열역학 제 2법칙, 엔트로피 법칙에 따릅니다.
여기서 등장하는 엔트로피는 무질서도를 말하며 우리가 특별히 일을 해주지 않는다면 항상 증가하거나 일정할 수는 있어도 절대로 감사하지 않는 값입니다.
엔트로피가 감소한다는 뜻은 무질서도가 낮아진다는 뜻이며 정렬된다는 뜻입니다.
쉽게 말해서 무엇인가 정리하는 데는 일을 해야 하지만 일을 하지 않고 놔둔다면 언젠가는 어지럽혀질 것이고 이것을 누군가가 치우는 수고를 하지 않는다면 다시 자연스럽게 정리되는 기적은 일어나지 않습니다.
또는 뜨거운 커피를 생각해봅시다.
뜨거운 커피 한 잔을 책상 위에 올려놓고 스팀잇에 올라온 글들을 읽는다고 너무 정신이 팔려 1시간이 넘도록 커피를 그대로 내버려 두었다고 합시다.
그럼, 이 커피는 그대로 뜨거울까요, 차가울까요 더 뜨거울까요?
물론, 방의 환경에 따라 정도의 차이는 있겠지만 조금이라도 식었을 겁니다.
그대로 놔두었는데 혹시 식었던 커피가 다시 뜨거워지는 기적이 생길까요?
이런 기적은 생기지 않습니다.
이러하듯 열이란 것은 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳, 즉, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 자연스럽게 흐릅니다. 이런 방향성에 의해 우리가 투입해준 열 에너지는 모두 우리가 목표하는 곳의 일로 사용되지 못하고 주변 환경으로 손실되는 열에너지가 발생할 수밖에 없습니다.
즉, 100% 완벽한 효율을 가진 계는 만들 수 없습니다.
그래서 등장한 것이 카르노 기관이며 이 기관은 100% 가역 운동을 한다는 전제를 하는 이상적인 기관입니다.
보통 일반적인 환경에서는 어떤 계에 일을 가해준다고 했을 때 일을 받은 계는 주변환경과 비교해 높은 에너지를 가지게 되고 당연히 열역학 제 2법칙에 의해 주변 환경으로 열 손실이 발생합니다.
하지만, 가역과정은 일을 해주었을 때 바로바로 그 주변 환경과 평형을 이루게 되는 과정을 말합니다.
하지만, 이러한 가역과정은 현실적으로 힘듭니다.
그래서 가역과정과 비슷한 작동을 하도록 우리는 순식간에 에너지를 주고 일을 시켜 주변 환경으로 손실되기 전에 작동하도록 만들려고 노력합니다. 하지만, 손실은 발생합니다.
이러한 과정을 작동하기 위해서는 카르노기관의 작동방식인 등온과정은 한계가 있었고 이때 등장하는 것이 등온과정이 아닌 등압과정을 사용한 랭킨사이클입니다.
사이클에 대한 설명은 저번 포스팅에서 했으니 생략하기로 하고 이제 본론으로 들어가 증기를 어떤 식으로 쓰는지 알아보겠습니다.
우선, 재열사이클은 고압터빈에서 일부 증기를 추기하여 재열기로 보내어 다시 증기에 열을 가하고 이 증기를 저압터빈으로 보내 다시 한번 더 발전을 함으로써 아래 그림과 같이 T-S선도의 면적이 넓어짐을 볼 수 있습니다.
여기서 T-S선도는 x축은 엔트로피 y축은 온도입니다.
이 그래프에서는 에너지를 공급해주면 엔트로피가 증가하는 오른쪽으로 온도가 올라가는 위쪽으로 향하고 일을 하게 되면 엔트로피가 낮아지는 왼쪽 온도가 내려가는 아래쪽으로 향하고 있음을 알 수 있습니다. 그리고 온도와 엔트로피의 곱, 즉 면적은 하는 일을 말하며 면적이 넓을수록 일을 더 많이 하게 되는 것임을 알 수 있습니다.
S=∆q/T로 온도 T를 곱하면 ∆q인 공급해준 열량임을 알 수 있습니다.
이 재열사이클을 사용하면 열효율이 상승하기에 무한대로 사용하면 좋을 것이라 생각할 수 있지만 그것은 여러 단으로 증가하면 그만큼 각각의 효율이 후단으로 갈수록 떨어지고 경제적으로 손해도 커지므로 보통 3단 이상의 재열설비는 사용하지 않는다고 합니다.
이 재열사이클은 OPR-1000을 기준으로 고압터빈의 1~7단의 터빈단중에서 3단에서 추기하여 사용합니다.
한편, 재생사이클도 존재합니다.
복수기를 통해 폐열을 버리고 다시 급수로 사용되는 과정에서 복수기에 열을 버려 온도가 낮아진 급수는 증기발생기로 들어갔을 때 온도가 낮아 더 많은 열에너지를 공급받아야 하고 이러한 점은 열효율을 낮게 만드는 원인 중 하나입니다.
그래서 보통 급수를 다시 공급하기 전에 터빈에서 일부 고온 증기를 추기하여 이 증기를 복수기를 통과하여 나온 급수를 가열하는 용도로 사용합니다.
보통 하나의 재생 단을 사용하기보다는 여러 단으로 나누어서 작용하며 보통 6~7개의 급수가열기를 사용합니다.
여기서 사용되는 급수가열기는 고압터빈에서 추기되었는가 저압터빈에서 추기되었는가에 따라 복수기를 기준으로 증기발생기로 들어가는 배관에서 전단에 사용되냐 후단에 사용되냐의 차이가 있고 재열설비인 급수가열기가 밀폐형인가 개방형인가의 차이가 있습니다.
보통 저압터빈에서 추기 되는 증기는 온도가 상대적으로 낮은 편이기 때문에 복수기를 막 나온 급수를 가열하는데 사용하고 고압터빈에서 추기 되는 증기를 온도가 상대적으로 높기 때문에 증기발생기와 가까운 쪽의 급수가열기로 유입됩니다.
그리고 밀폐형이냐 개방형이냐는 급수가열기가 급수와 혼합이 되는 여부로 구분이 됩니다.
밀폐형의 경우 급수배관 주위를 둘러싼 배관으로 추기한 증기가 흐르면서 열만 단순히 전달하고 열을 빼앗긴 추기된 증기들은 복수기로 유입이 됩니다.
한편, 개방형의 경우는 급수와 직접적으로 혼합이 되는 가열기입니다. 이 개방형 급수가열기의 경우는 급수에 있는 용존 산소와 흡입된 공기를 탈기해주기 때문에 탈기기라고도 부릅니다.
이 재생사이클은 OPR-1000을 기준으로는 저압터빈 1~7단 중 6단에서 1번 저압 급수가열기로 4단에서 2번 저압 급수가열기로 3단에서 저압 급수가열기로 그리고 2단에서 탈기기인 개방형 급수가열기로 보냅니다. 또한 고압터빈 1~7단 중에 7단에서 5번 고압 급수가열기로 5단에서 6번 고압 급수가열기로 3단에서 7번 고압 급수가열기로 보내도록 설계가 되어 있습니다.
앞서 설명했듯이 저압터빈의 온도가 가장 낮은 단부터 고압터빈의 온도가 가장 높은 단의 순서대로 가열하는 용도로 순차적으로 쓰임을 알 수 있습니다.
추기 계통에 관한 설명은 이 정도로 마치도록 하겠습니다.
다음 포스팅에서는 복수기에 관해서 알아보도록 하겠습니다.
감사합니다!!