랭킨사이클 효율 증대 방법에 대한 기계공학 이론 지식을 확인한다. 발전소 핵심 사이클에 대한 이해와 실제 적용 아이디어를 평가한다.
이 질문 뒤에 면접관이 확인하려는 것은 따로 있습니다.
랭킨사이클 효율을 높이는 방법으로 알고 있는 건 크게 세 가지입니다. 재열(Reheat), 재생(Regeneration), 그리고 증기 압력·온도 상향입니다. 재열은 터빈 팽창 중간에 증기를 다시 가열해서 습분 생성을 줄이면서 일 출력을 올리는 방식이고, 재생은 추기 증기로 급수를 예열해서 보일러 입력 열량을 줄이는 방식입니다. 이론상 온도와 압력을 올릴수록 효율이 높아지지만, 재료 내열성과 비용이 실제 설계의 상한이 됩니다. 수업에서 T-S 선도를 그리면서 이 개념을 익혔는데, 각 방법이 선도 위에서 어떻게 달라지는지를 보면 이해가 빠르게 됐습니다. 아직 실제 플랜트 설계를 해본 건 아니라 실무에서 어느 조합을 택하는지는 경험으로 배워야 할 부분이지만, 기본 원리는 이렇게 이해하고 있습니다.
랭킨사이클 효율을 높이는 또 다른 방향은 증기 조건을 임계점 이상으로 올리는 초임계(supercritical) 방식입니다. 임계점을 넘으면 기액 구분이 사라지고 에너지 밀도가 높아져 같은 연료로 더 많은 일을 얻을 수 있습니다. 열역학 수업에서 T-S 선도를 그릴 때, 임계점 이상으로 올리면 선도 면적이 커지면서 이상 효율이 높아진다는 것을 확인했습니다. 또한 가스터빈과 증기터빈을 결합하는 복합화력(Combined Cycle) 방식도 실용적인 효율 향상 방법인데, 가스터빈 배기열을 증기 생성에 재활용해 전체 에너지 사용률을 높이는 구조입니다.
단일 사이클보다 복합화력이 현재 발전소 효율의 상한을 높이고 있습니다. 효율은 조건과 구성을 동시에 최적화할 때 높아집니다. 열은 버리지 않을수록 가치가 생깁니다.
랭킨사이클 효율을 생각할 때 입력 열량을 높이는 것과 손실 열량을 줄이는 것 두 방향이 있습니다. 재열·재생이 입력 측 개선이라면, 응축기 냉각 효율 개선과 배기열 회수는 손실 측 개선입니다. 응축기에서 냉각수 온도가 낮을수록 증기를 더 낮은 압력으로 응축할 수 있고, 이 온도차이가 클수록 터빈 팽창 범위가 넓어져 효율이 높아집니다. 열역학 수업에서 카르노 효율 공식을 배울 때, 저온 열원 온도가 낮아질수록 이상 효율이 높아진다는 원리가 이와 연결된다는 것을 이해했습니다.
열손실을 줄이는 것이 입력을 늘리는 것만큼 효율에 기여합니다. 효율은 양쪽 방향에서 동시에 접근할 때 최대화됩니다. 손실은 기회입니다.
답변에서 흔히 빠지는 것들 — 빠져 있으면 꼬리질문이 깊어집니다.
이 질문에 이어 한국수력원자력 시스템설계 면접관이 던질 가능성이 높은 후속 질문.
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