KR0158763B1 - 화석연료연소 동력발생 시스템의 작동효율을 최적화하기 위한 방법 - Google Patents

화석연료연소 동력발생 시스템의 작동효율을 최적화하기 위한 방법 Download PDF

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제임스 듄 2세 토마스
스튜어트 새드런 에드워드
카와 피터
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아더 이. 푸리어 2세
컴버스쳔 엔지니어링 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동효율을 최적화하기 위한 작동 방법에 관한 것이다. SCR(56)을 선택적으로 포함하는 화석연료연소 동력 발생 시스템(10,10',10,10')은 화석연료와 공기의 연소가 실시되어 연소가스가 발생되는 버너 지역(16)과, 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 지역의 하부에 위치된 제1열전달 표면(32)과, 제1열전달 표면(32,32a)의 주위에 위치된 바이패스(44,58,64)와, 연소가스를 위하여 제1열전달 표면(32,32a)의 하부에 위치된 공기 예열기(14)와 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 지역으로부터 공기 예열기(14)까지 형성된 제1 및 제2흐름 통로와, 공기 예열기(14)로부터 배출되는 연소 가스의 온도를 검출하기 위한 센서(54)와, SCR(56)이 장착되었을 때 SCR(56)에 유입되는 가스의 온도를 검출하기 위한 센서(56)를 포함한다.

Description

화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적화하기 위한 방법
제1도는 본 발명의 작동 방법이 사용될 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 일실시예의 개략적인 수직 단면도.
제2도는 본 발명의 작동 방법이 사용될 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 제2실시예의 개략적인 수직 단면도.
제3도는 본 발명의 작동 방법이 사용될 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 제3실시예의 개략적인 수직 단면도.
제4도는 본 발명의 작동 방법이 사용될 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 제4실시예의 개략적인 수직 단면도.
제5도는 본 발명의 작동 방법이 사용된 개략적인 제어 다이아그램.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,10',10' : 화석연료연소 동력 발생 시스템 12 : 증기 발생기
14 : 공기 예열기 16 : 버너 영역
18 : 점화 시스템 30 : 제2열전달 표면
32 : 제1열전달 표면 36 : 덕트 구조물
44 : 바이패스 덕트
[발명의 배경]
본 발명은 하나 이상의 화석연료연소 증기 발생기와 공기 예열기를 포함하는 형태의 화석연료연소에 의한 동력 발생 시스템에 관한 것으로서, 특히 작동 열효율을 최적화시키고 저부하에서 효율을 최적화하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법에 관한 것이다.
가장 간단한 의미로, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율은, 화석연료연소 동력 발생 시스템으로부터 추출된 열 출력(heat output)을 화석연료연소 동력 발생 시스템으로부터 열출력을 발생시키기 위해 소모된 연료의 열입력으로 나눈 것으로 정의될 수 있다. 이와 같이, 화석연료연소 동력 발생 시스템내에 발생되는 열전달이 많으면 많을수록, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 공기 예열기로부터 방출되는 가스 온도는 낮아지게 될 것이다. 또한, 공기 예열기로부터 방출되는 가스 온도가 낮으면 낮을수록, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율은 높아질 것이다.
그러나, 공기 예열기로부터 방출되는 가스 온도가 설정된 범위 이하로 내려가는 것은 바람직스럽지 않다. 여기서 기준 온도는 산 이슬점 온도(acid dewpoint temperature)이다. 이를 위해, 만일 공기 예열기로부터 방출되는 가스 온도가 상기 산 이슬점 온도보다 낮다면, 가스내의 수증기는 가스로부터 공기 예열기의 표면에 응축되는 조건을 형성하게 된다. 이것은 공기 예열기의 가스 방출 단부에서 발생하는 부식을 초래하게 된다. 따라서, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적화시키는 표준점으로부터 공기 예열기로부터 방출되는 가스의 온도는 가능한한 낮은 것이 바람직하지만, 다른 한편으로는 공기 예열기 특히, 가스 방출단부가 부식되지 않을 가능성을 최소화시키는 표준점으로부터 공기 예열기에서 방출되는 가스의 온도는 산 이슬점 온도보다 높은 것이 바람직하다.
화석연료연소 동력 발생 시스템이 화석연료연소 증기 발생기와 공기 예열기와 함께 다른 부품들을 포함할 때, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적화로 하기 위한 능력은 훨씬 어려운 것으로 된다. 화석연료연소 동력 발생 시스템에 자주 사용되는 것을 찾아볼 수 있는 다른 부품의 예로는 NOx 방출 감소 부품을 들 수 있다. 이에 대해, 화석연료연소 동력 발생 시스템과 같은 정지된 연소원으로부터의 질소 산화물(NOx) 방출의 감소는 대부분의 선진국에서는 매우 심각한 문제로 되고 있다. 그 결과 화석연료연소 동력 발생 시스템으로부터의 NOx 방출 제어와 관련된 기술은 상당히 진보되고 있는 중이다.
예를 들어 과연소 공기, 가스 재순환, 감소된 과잉 공기 연소, 가스 혼합, 낮은 NOx 동심의 접선 연소, 정숙 연소, 유동층 베드 연소(fluidized-bed firing), 주로 선택적인 촉매 환원(selective catalytic reduction:SCR)의 사용을 통하여 화석연료연소 증기 발생기의 하향 흐름에 의한 다음의 연소 NOx 제어 등 등에 의한 화석연료 증기 발생기내에서 NOx 제어를 통하여 화석연료연소 동력 발생 시스템에 사용할 수 있는 NOx 방출 감소 처리는 엄격한 질소 산화물 방출 레벨에 맞출수 있는 대안을 제공한다. 필요한 NOx 방출 레벨에 따라, 최적의 NOx 감소 시스템은 전체 화석연료연소 동력 발생 시스템에서 상술된 기법을 일체화한 것으로 귀결된다.
상기 서술된 하나 이상의 방법을 사용하여 화석연료연소 증기 발생기내에서 NOx 제어가 실행된 후, 다음의 연소 제어는 또다른 NOx 방출 감소로 귀결될 수 있다.
선택적인 건조 촉매 환원 장치에 의해 80 내지 90%의 NOx 감소가 달성될 수 있다.선택적인 촉매 환원 처리는 본래 엄격한 NOx 방출 요구 사항이 다음의 연소 NOx 감소 기술을 사용을 지시하는 장소를 위해 개발되었다. 이들 선택적인 촉매 환원 처리는 처음에는 천연 가스 연소에 의한 동력 발생 시스템에 사용되었으며, 그후 높고 낮은 유황 오일 연소 동력 발생 시스템에, 그리고 최종적으로 석탄 연소 동력 발생 시스템에 사용되어 왔다.
상기 선택적인 촉매 환원 시스템은 NOx에서 질소 가스와 수증기를 분리시키기 위해 암모니아 가스 즉, NH3와 같은 환원제와 촉매를 이용한다. 상기 촉매 반응기 챔버는 전형적으로 화석연료연소 증기 발생기의 절탄기 출구(economizer outlet)와, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 공기 예열기의 연료 가스 입구 사이에 위치된다. 이러한 위치 선정은 300 내지 400℃(575 내지 750℉)의 온도에서 작동하는 선택적 촉매 환원 시스템을 갖는 화석연료연소 동력 발생 시스템에서는 전형적인 것이라 할 수 있다.
선택적 촉매 환원 챔버의 상부는 암모니아 분사 파이프, 노즐 및 혼합 그리드이다. 공기중의 암모니아 가스의 희석된 혼합물은 암모니아 분사 노즐의 오리피스 개구를 통하여 연료가스 흐름내로 분산된다. 상기 혼합물이 분산된 후, 연료 가스 덕트내의 탄소강 파이프(coarbon steel pipe)의 그리드에 의해 가스 흐름 내로 다시 분배된다. 그후 암모니아/연료가스 혼합물은 촉매 반응이 완료되는 반응기내로 유입된다.
선택적 촉매 환원(SCR)과 협력하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율의 최적화에 대해, 작동 열효율의 최적화는 SCR의 작동 온도 요구 사항이 만족되는 것을 보장할 동안 얻어져야만 한다. 이에 대해 상술한 바와 같이 희망의 성능을 실현시키기 위하여, SCR는 SCR이 노출되는 작동 온도가 300 내지 400℃(575 내지 750℉) 사이에 위치되도록 화석연료연소 동력 발생 시스템내에 위치되어야 한다. 이러한 온도 범위는 화석연료연소 동력 발생이 완전 부하(full load)로 작동될 때 SCR을 위해 유지되어야 할뿐만 아니라, 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하가 아닌 부하로 작동될 때에도 유지되어야만 한다. 또한, 체적이 작은 촉매를 이용하고 또한 부수적으로 높은 촉매 효율을 얻기 위하여 SCR에 보다 높은 입구 온도가 요구된다. 또한 촉매는 촉매 즉, SCR 작동을 위해 추천되는 사실에 기인하여 그 성능을 상실할 수도 있는 촉매 성능 효율을 복구(recover)할 수 있는 특수한 시간 주기동안 촉매를 고온에서 작동시킬 수 있는 것이 바람직하다. 이를 요약하면, SCR과 협력하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 경우, 그 작동 열효율의 최적화에 있어서 화석연료연소 동력 발생 시스템은 상술한 사항의 고려와 함께 이러한 최적화를 얻기 위한 능력에 따른 영향과 SCR의 작동에 관계된 온도 요구 사항을 고려해야만 한다.
화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율의 최적화에 대해, 이러한 최적화는 화석연료연소 동력 발생 시스템이 사용될 관찰되는 전체 부하 범위에 대해 우세하다. 화석연료연소 동력 발생 시스템에서 방출되는 가스 온도를 제어하는 융통성을 최대로 하기 위해, 그 열전달 표면의 일부 주위의 연도 가스 바이패스(flue gas bypass)가 사용될 수 있다. 이러한 바이패스는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 공기 예열기로부터 방출되는 가스 온도를 변화시키는 효과를 갖게 되므로써, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 전체 열효율을 변화시키는 효과도 갖게 될 것이다.
또한, 산 이슬점을 고려하면, 산 이슬점 온도(예컨대 석탄에서 유황%, 연도가스에서 산소% 및 대기온도)의 결정에 관여하는 많은 외부 요소가 있다. 따라서, 이러한 가변 요소와 반응하도록 가스 온도를 변화시키는 융통성을 유지할 수 있는 능력을 갖는 것이 바람직하다.
열전달 표면의 일부의 주위 즉, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 절단기 주위로 가스를 바이패스시킬 동안, 부하를 감소시키면서 SCR에 최소한의 가스 입구 온도를 유지하기 위하여, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 부하 출력이 감소됨에 따라 공기 예열기로부터 방출되는 가스의 온도는 증가하는 것을 발견하게 될 것이다. 이것은 대부분 화석연료연소 동력 발생 시스템의 부하 출력이 감소됨에 따라, 공기 예열기(및 SCR)에 유입되는 가스 온도를 일정하게 유지할 동안 공기 예열기를 흐르는 공기는 적어진다는 사실에 기인한다. 따라서, 공기 예열기내에 가열될 공기가 적기 때문에, 공기 예열기를 통하여 흐르는 가스로부터 공기 예열기를 통하여 흐르는 공기로의 열전달이 적게 된다. 따라서 가스는 공기 예열기를 통할 때 냉각되므로 가스 온도가 감소되지 않는데 즉, 이것은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하로 작동될 때 공기 예열기로부터 방출되는 가스의 온도에 비해 공기 예열기로부터 방출되는 가스의 온도가 증가된다. 이를 요약한다면, 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하로 작동될 때, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율의 최적화가 얻어지기 때문에 이와 마찬가지로 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하가 아닌 상태로 작동될 때 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율이 최적으로 된다는 것을 보장할 수 없다.
상술한 바에 따르면, NOx 감소 장치를 갖는 화석연료연소 동력 발생 시스템이 제공된다. 이에 대해 비제한적인 실시예로서, 1979년 7월 3일 허여된 발명의 명칭이 탈질기(denitrator)를 포함하는 보일러 장치인 미국 특허 제4,160,009호에 화석연료연소 동력 발생 시스템이 기재되어 있다. 상기 미국 특허 제4,160,009호에 따르면, 로(furnace)와 연소 가스 채널에서 상기 로와 보일러 장치 출구사이에 배치된 복수개의 열교환기를 포함하는 보일러 장치에 있어서, 하나 이상의 열교환기 하류에서 연소가스 채널에 배치된 촉매와, 탈질기가 배치된 제1영역과, 상기 제1영역 상부의 제2영역을 연결되는 연소 가스 채널용 바이패스 덕트와 상기 덕트에 배치된 제어 밸브 수단과, 제1영역에서 검출기에 의해 검출된 온도에 대응하여 밸브 수단을 개폐를 제어하기 위해 제1영역에 배치되어 상기 제어 밸브 수단에 연결된 검출기를 포함하는 보일러 장치가 제공된다.
비제한적인 실시예로서, 1980년 9월 2일 허여된 발명의 명칭이 가스 흐름으로부터 NOx와 미립자를 동시에 제거하는 방법과 필터 몸체인 미국 특허 제4,220,633호에 화석연료연소 동력 발생 시스템이 기재되어 있다. 상기 미국 특허 제4,220,633호는 증기 발생기와 필터 몸체를 포함하며, 상기 필터 몸체는 증기 발생기와 공기 예열기 사이에 위치되는 구성을 취하고 있다. 아몸니아를 그 분배 그리드를 통하여 연도가스(flue gas)가 증기 발생기로부터 필터 본체로 이송되는 연도 가스 입구 도관내로 도입시키기 위해 암모니아 저장 탱크가 위치된다. 상기 필터 본체는 연도가스의 이송중 연도가스 흐름으로부터 흡착된 미립자를 여과하는 동시에 이송된 연도가스 흐름으로부터 NOx 방출을 제거하거나 정화시키기 위해 작동된다.
비제한적인 실시예로서, 1991년 9월 10일 허여된 발명의 명칭이 연소 온도 가스용 촉매 탈질 제어 방법 및 시스템인 미국 특허 제5,047,220호에는 화석연료연소 동력 발생 시스템이 기재되어 있다. 상기 미국 특허 제5,047,220호는 촉매 탈질 유니트의 상류에서 과도한 질소 산화물(NOx)을 함유하고 있는 연소 연도가스뿐만 아니라 암모니아를 위한 제어 방법 및 시스템을 포함하고 있다. 상기 제어 시스템은 보일러나 가스 터빈 동력 장치에서 발생된 고온의 연소 가스원과, 암모니아를 연도가스 흐름에 분사하기 위한 노즐 수단과, 상기 암모니아 분사 노즐 수단의 부하에서 연도가스 흐름에 제공된 촉매 탈질 유니트와, 가스 샘플 수거부와 NOx 분석 장치를 포함하며, 대기와 접하고 있는 배출 도관을 포함한다.
비제한적인 실시예로서, 1992년 9월 29일 허여된 발명의 명칭이 탈질부를 갖는 석탄 연소 장치인 미국 특허 제5,151,256호에는 화석연료연소 동력 발생 시스템이 기재되어 있다. 상기 미국 특허 제5,151,256호에 기재된 장치는 연소로와, 환원제인 암모니아로 산화물을 제거하므로써 연소로에서 배기 가스에 함유된 질소 산화물을 제거하기 위한 탈질 수단과, 탈질 수단을 가지며 배기 가스에 함유된 재(ash)를 수집하기 위한 수단과, 수집된 재를 연소로에 재순환시키는 수단을 포함하며, 또한 상기 장치는 연소로와 탈질 수단 사이에서 배기 가스의 흐름 통로내에 위치되는 산소 농도 계측기와, 상기 산소 농도 계측기에 의해 검출된 산소 농도를 설정값으로 또는 설정값보다 높게 제어하기 위해 연소로에서부터 탈질 수단으로 배기 가스의 흐름 통로 내측으로 공급된 공기에 대한 산소 농도 제어 수단을 포함한다.
본원에 참조 인용된 상술의 4개의 미국 특허에 따라 구성된 화석연료연소 동력 발생 시스템이 그 설계된 목적대로 작동된다 하더라도, 종래기술에서는 상기 화석연료연소 동적 시스템의 작동을 향상시키는 것이 요구된다. 특히, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해서 그 작동 방법에 대한 개선점이 요망되고 있다. 상기 목적을 위하여, 종래기술에서는 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동방법을 새롭고 향상시키는 요구가 있게 되고, 이것은 여러 가지 양호한 특징을 갖는다.
첫번째로, 이러한 비제한적인 실시예에서 그 작동 열효율을 최적으로 하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법은 SCR을 채택하기 않은 화석연료연소 동력 발생 시스템과 마찬가지로 SCR을 채택한 화석연료연소 동력 발생 시스템에도 사용할 수 있다. 두 번째 특징은, 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하에서 작동될 때나 그렇지 않은 부하로 작동될 때에도 최적의 작동 열효율을 유지할 수 있다는 점이다. 세 번째 특징은, 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법은 공기 예열기로부터 배출되는 가스의 온도를 이슬점 온도에 대해 희망한 바대로 유지하는 동시에 최적의 작동 열효율을 얻을 수 있다는 점이다. 네 번째 특징은, 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 SCR을 채택했을 때 SCR의 작동에 요구되는 작동 온도 범위가 유지되는 것을 보장하는 동시에 최적의 작동 열효율을 얻을 수 있다는 점이다.
이를 요약한다면, 종래 기술에서는 작동 열효율을 최적화하기 위해 하기와 같은 사항을 가지며 공기 예열기 배기 가스 온도를 최적으로 제어할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 방법이 요망되고 있다. 즉 첫번째로, 공기 예열기 배기 가스 온도를 부하에 대해 변경할 수 있으며 이에 따라 화석연료연소 효율의 최적 결합을 제공할 수 있고, 두 번째로, 너무 낮은 공기 예열기 출구 가스 온도로 인하여 공기 입구 단부(즉, 차가운 단부)에서의 부식을 방지할 수 있고, 세 번째로, 화석연료연소 동력 발생 시스템에 SCR이 장착되었을 때 SCR의 주위와 그 내부에서 가스 온도를 제어할 수 있으므로써 SCR의 사용에 따른 암모니아의 최적 분사를 위해 제공되는 것과 마찬가지로 NOx 촉매의 수명을 최적화할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 요망되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 선택적 촉매 환원 장치 즉, SCR을 채택하고 있지 않을 때에 그 작동 열효율을 최적으로 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 선택적 촉매 환원 장치 즉, SCR을 채택할 때 그 작동 열효율을 최적으로 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 공기 예열기를 보호하면서 특히, 상기 화석연료연소 동력 발생 시스템의 가스 출구단부가 산 이슬점 온도 이하의 가스 출구온도에 의한 부식으로부터 보호하면서, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적으로 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 목적은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하로 작동되고 있을 때 최적의 작동 열효율을 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하가 아닌 부하로 작동되고 있을 때 최적의 작동 열효율을 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 선택적 촉매 환원 장치, 즉 SCR에 요구되는 온도 범위가 만족되는 것을 보장하는 동시에 최적의 작동 열효율을 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 새로운 장치에 사용될 때 최적의 작동 열효율을 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 화석연료연소 동력 발생 시스템이 개조되었을 경우 최적의 작동 열효율을 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 설치와 작동이 용이하고 제작비가 저렴하면서도 최적의 작동 열효율을 유지할 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다.
[발명의 요약]
본 발명에 따르면, 하나 이상의 화석연료연소 증기 발생기와, 공기 예열기와, 선택적 촉매 환원 장치 즉, SCR을 선택적으로 포함하거나 포함하지 않을 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 부식을 고려하여 산 이슬점에 대해 열 효율과 작동 열효율을 최적으로 하기 위한 방법이 제공된다. 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적화하기 위한 방법은 화석연료의 연소로부터 가스를 생산하기 위해 작동되는 화석연료연소 증기 발생기를 제공하는 단계와, 화석연료연소 증기 발생기의 하부에 열전달면을 제공하는 단계와, 열전달면의 하부에 공기 예열기를 제공하는 단계와, 화석연료연소 증기 발생기내에 생성된 가스를 위하여 화석연료연소 증기 발생기로부터 열전달면을 통하여 공기 예열기까지 제1흐름 통로를 제공하는 단계와, 증기 발생기내에 생성된 가스를 위해 화석연료연소 증기 발생기로부터 공기 예열기까지 직접 형성된 제2흐름 통로를 제공하는 단계와, 공기 예열기로부터 배출된 가스의 온도를 화석연료연소 증기 발생기내에 생성된 가스가 제1흐름 통로를 통하여 화석연료연소 증기 발생기로부터 공기 예열기로 흐르는 범위와, 증기 발생기내에 생성된 가스가 제2흐름 통로를 통하여 화석연료연소 증기 발생기로부터 공기 예열기로 흐르는 범위로 제어하는 단계를 포함한다.
[양호한 실시예의 설명]
제1도에는 본 발명의 작동 방법이 사용될 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)이 도시되어 있다. 제1도에 도시된 바와 같이, 상기 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)은 화석연료연소 증기 발생기(12)와, 공기 예열기(14)를 포함한다.
하기에는 증기 발생기(12)에 대해 상세히 서술될 것이다. 제1도에서 증기 발생기(12)는 버너 영역(16)을 포함한다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 상기 버너 영역내에서는 화석연료와 공기의 연소가 시작된다. 이를 위하여, 상기 화석연료연소 증기 발생기(12)는 점화 시스템(firing system)(18)을 갖는다. 비제한적인 실시예에 따르면, 증기 발생기(18)의 구조는 1991년 6월 9일자로 특허 허여되고 본원의 양수인에게 양수된 미국 특허 제5,020,454호에 기재된 내용과, 1993년 5월 13일자로 출원되고 본원의 양수인에게 양수된 미국 특허출원 제062,634호에 기재된 내용을 포함하는 형태를 취한다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여, 증기 발생기(18)의 부품중 일부에 대해서만 설명을 하는 것이 적절하다고 여겨진다. 따라서 제1도에 가장 도시된 바와 같이, 점화 시스템(18)은 윈드박스(wind box)(20)의 형태를 취하는 하우징을 포함한다. 당업자에게 공지된 바와 같이, 상기 윈드 박스(20)는 윈드 박스(20)의 길이 방향 축선이 화석연료연소 증기 발생기(12)의 길이방향 축선에 대해 평행으로 연장되도록 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)에서 종래의 지지수다(도시않음)에 의해 지지된다. 또한, 제1도에서 도면부호 22로 도시된 바와 같이, 윈드 박스(20)는 공지된 형상의 복수개의 부품을 포함한다. 종래 형상의 부품(22)의 일부는 화석연료가 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내로 분사될 때 연료 격벽(fuel compartment)으로 작용하도록 설계되었으며, 부품(22)의 다른 일부는 공기가 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내로 분사될 때 공기 격벽(air compartment)으로 작용하도록 설계되었다. 상기 연료 격벽(22)으로부터 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내로 분사된 화석연료는 도면의 간략화를 위해 도시되지 않은 연료 공급 수단에 의해 윈드 박스(20)로 공급된다. 또한 마찬가지로, 분사된 연료와 연소되기 위해 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내로 분사된 공기의 일부는 제1도에 개략적으로 도시된 덕트(24)를 통하여 공기 예열기(14)로부터 윈드 박스(20)로 공급된다. 점화 시스템(18)의 상세한 구성과 작동 모드를 알기 위해, 상술의 미국 특허 제5,020,464호 및 미국 특허출원 제062,634호가 참조로 인용되었다.
제1도에 도시된 증기 발생기(12)에 있어서, 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에서는 상술된 바와 같이 화석연료와 공기의 연소가 시작된다. 화석연료와 공기의 연소에 따라 생성된 고온의 가스는 화석연료연소 증기 발생기(12)에서 위쪽으로 상승하게 된다. 상기 화석연료연소 증기 발생기(12)에서의 상승 도중에 고온 가스는 공지된 바와 같이 종래의 형태처럼 증기 발생기(12)의 4개의 벽으로 형성된 튜브(도면의 간략함을 위하여 도시않음)를 통하여 열을 빼앗기게 된다. 그 다음, 고온의 가스는 화석연료연소 증기 발생기(12)의 후방 가스 통로(28)와 교대로 연결된 수평 통로(26)를 통하여 흐르게 된다. 도면의 간략함을 위하여 제1도에 도시되지는 않았지만, 수평 통로(26)는 열전달 표면의 형태로 적절하게 제공된다. 또한, 제1열전달 표면 및 제2열전달 표면(32,30)은 가스 통로(28)내에 적절하게 제공된다. 이에 대해 제1도에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2열전달 표면(32,30)은 각각 과열기 표면 및 절탄기 표면 형태를 취한다. 화석연료연소 증기 발생기(12)의 후방 가스 통로(28)를 통하여 이송될 동안, 제2열전달 표면(30)이 포함된 제1도의 튜브를 통한 유체흐름과, 절탄기(32)가 포함된 제1도의 튜브를 통한 유체흐름에 열을 빼앗기게 된다.
화석연료연소 증기 발생기(12)의 후방 가스 통로(28)로부터 배출될 동안, 고온의 가스는 공기 예열기(14)로 이송된다. 이를 위해, 화석연료연소 증기 발생기(12)는 제1도의 덕트 구조물(36)에 의해 그 출구단부(34)로부터 공기 예열기(14)에 연결된다. 제1도에 도시된 상기 덕트 구조물(36)은 제1부분(38)과 제2부분(40)과 제3부분(42)으로 구성되어 있다. 상기 덕트 구조물(36)의 3개의 부분(38,40,42)은 서로 연결되어 화석연료연소 증기 발생기(12)로부터 배출되는 고온 가스를 위해 화석연료연소 증기 발생기(12)의 출구 단부(34)로부터 공기 예열기(14)까지 제1흐름 통로를 형성한다. 상기 제1흐름 통로에 부가하며, 제1도에 도시된 실시예에 따른 화석연료연소 증기 발생기(12)내에서 화석연료와 공기의 연소에 의해 생성된 고온의 가스를 화석연료연소 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)로 흐르게 하기 위한 제2흐름 통로를 포함한다. 제1도에 상세히 도시된 바와 같이 제2흐름 통로는, 제2열전달 표면(30)과 제1열전달 표면(32)의 중간에 위치된 증기 발생기(12)내의 위치로부터 바이패스 덕트(44)와, 상기 바이패스 덕트(44)의 연결점의 하류에 위치된 덕트 구조물(36)의 부분(40)과 부분(42)을 통하여 공기 예열기(14)로 연장된다.
화석연료연소 동력 발생 시스템(10)의 구조를 보다 상세히 설명하고자 다시 한 번 더 제1도를 참고로 한다. 제1도에 상세히 도시된 바와 같이, 화석연료연소 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)로 이송되는 고온 가스는 공기 예열기(14)를 통한 후 배출 스택(도면을 명료하게 도시하고자 도시않음)으로 배출된다. 공기 예열기(14)를 통과하는 도중에 고온가스는 제1도에서 도면부호 48로 도시된 지점에서 공기 예열기(14)로 유입되는 공기에 열을 빼앗긴다. 공기 예열기(14)내에서 가열된 후, 도면부호 48로 도시된 지점에서 공기 예열기(14)에 유입된 공기는 상술된 덕트(24)를 통하여 점화 시스템(18)의 윈드 박스(20)로 이송된다. 도면부호 48로 도시된 지점에서 공기 예열기(14)에 유입된 공기는 공지된 바와 같이 공기 공급 수단(도시않음)으로부터 공급된다.
제1도에 도시된 실시예에 따른 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)은 완전 개폐되는 어떠한 위치에서도 작동 가능하게 이동될 수 있도록 덕트 구조물(36)의 부분(38)내에서 적절하게 이용될 수 있는 종래 형태의 장착 수단을 사용하여 적절하게 장착되는 제1댐퍼(50)와, 완전 개폐되는 어떠한 위치에서도 제1댐퍼(50)와 마찬가지로 작동가능하게 이동될 수 있도록 바이패스 덕트(44)내에서 적절하게 이용될 수 있는 종래 형태의 장착 수단을 사용하여 적절하게 장착되는 제2댐퍼(52)를 부가로 포함된다. 제5도에 도시된 바와 같이, 제1댐퍼(50)와 제2댐퍼(52)의 운동은 제1도에 도면부호 54로 도시된 센서에 의해 제어된다.
하기에 제1도에 도시된 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)의 작동 모드가 설명될 것이다. 제1도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)의 작동 모드에 따르면, 화석연료와 공기는 본 기술분야의 숙련자에 공지된 방법으로 윈드 박스(20)의 격벽(22)을 통하여 화석연료와 공기의 연소가 시작되는 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내로 분사된다. 상술한 바와 같이, 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에서 화석연료와 공기의 연소에 의해 생성된 고온의 가스는 화석연료연소 증기 발생기(12)내에서 상향으로 상승하여 증기 발생기(12)의 수평 통로(26)를 통과한 후 증기 발생기(12)의 후방 가스 통로(28)로 흐른다.
상기 화석연료연소 증기 발생기(12)의 후방 가스 통로(28)를 통과하는 도중에, 고온 가스는 튜브를 흐르는 유체에 열을 빼앗겨서 제2열전달 표면(30)에 수집된다. 제2열전달 표면(30)을 통과한 후, 화석연료연소 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)로 흐르는 고온 가스는 상술한 제1흐름 통로나 제2흐름 통로를 통과하게 되며, 상기 제1 및 제2흐름 통로의 연소부로 흐르는데, 상기 고온가스의 일부는 제1흐름 통로에 의해 공기 예열기(14)로 흐르고 고온 가스의 다른 일부는 제2흐름 통로에 의해 공기 예열기(14)로 흐른다. 고온의 가스가 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)로 흐르게 되는 특별한 흐름 통로는 덕트 구조물(36)의 부분(38)에서 댐퍼(50)가 점유하는 위치와 바이패스 덕트(44)에서 댐퍼(52)가 점유하는 위치에 의해 결정된다. 덕트 구조물(36)의 부분(38)에서 댐퍼(50)가 점유하는 상대적 위치와, 바이패스 덕트(44)에서 댐퍼(52)가 점유하는 상대적 위치는 본 발명에 따르면 공기 예열기(14)의 출구 단부(46)에서 가스 온도에 대한 함수로 설계된다. 즉, 공기 예열기(14)를 떠나가는 가스의 온도는 본 발명에 따른 방법 즉, 제1도에 도시된 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적화하기 위한 방법에 따르면, 공기 예열기(14)의 가스 출구 단부(46)에서 발생하는 부식을 최소화하기 위해 공기 예열기(14)를 떠나가는 가스온도를 산 이슬점 온도에 대해 희망의 레벨로 유지시키는 것을 보장하면서, 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)의 작동부하에서 가능한 낮게 유지되도록 설계된다. 이를 위하여, 상술된 바와 같이 센서(54)는 공기 예열기(14)의 가스 출구 단부(46)에 위치된다. 센서(54)는 공기 예열기(14)의 출구 단부(46)에서의 가스 온도를 검출하여 가스 출구 온도에 대한 신호를 발생시키도록 설치된다. 센서(54)에 의해 감지된 신호는 덕트 구조물(36)의 부분(38)에서 댐퍼(50)의 위치조정과 바이패스 덕트(44)에서 댐퍼(52)의 위치 조정을 실행하도록 작동된다. 센서(54)에 의해 감지된 공기 예열기(14)의 가스 출구 단부(46)에서의 온도를 표시하는 센서(54)에서 수신된 신호에 대응하여 덕트 구조물(36)의 부분(38)에서의 댐퍼(50)의 위치 조정과, 바이패스 덕트(44)에서의 댐퍼(52)의 위치 조정의 결과, 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에서 화석연료와 공기의 연소에 의해 생성된 고온 가스는 상술한 제1흐름 통로나 제2흐름 통로 또는 제1 및 제2흐름 통로 양자를 따라서 공기 예열기(14)로 흐르게 된다.
즉, 덕트 구조물(36)의 부분(38)에서의 댐퍼(50)의 위치 조정과, 바이패스 덕트(44)에서의 댐퍼(52)의 위치 조정에 따라, 제2열전달 표면(30)의 튜브를 통과하는 유체에 고온 가스가 열을 빼앗기는 도중에 후방 가스 통로(28)에 유입되어 과열기(30)를 통과한 후, 고온 가스는 후방 가스 통로(28)와 제1열전달 표면(32)를 통과하게 되며 그 와중에 고온가스는 제1열전달 표면(32)의 튜브와 덕트 구조물(36)의 부분(38,40,42)을 통하는 즉 제1흐름 통로를 따라 공기 예열기(14)로 흐르는 도중에 유체에 열을 빼앗기게 되며, 또한 바이패스 덕트(44)와 바이패스 덕트(44)와 부분(40)을 연결하는 연결점의 하부에 위치된 덕트부(36)의 부분(40)을 통하여 즉, 제2흐름 통로를 따라 공기 예열기(14)로 흐르게 되며, 또는 바이패스 덕트(44)를 통하여 흐르는 고온가스의 일부가 공기 예열기(14)에 도달하기 전에 어떠한 열전달 표면에도 열을 빼앗기지 않도록 고온가스의 나머지가 바이패스 덕트(44)에 의해 공기 예열기(14)로 흐르는 동안, 고온가스의 일부는 절탄기(32)를 흐르는 동안 제1열전달 표면(32)의 튜브를 흐르는 유체에 열을 빼앗기게 된다. 고온 가스가 상술의 제1흐름 통로나 제2흐름 통로 또는 제1흐름 통로와 제2흐름 통로의 조합에 의해 공기 예열기(14)에 도달하는 것에 관계없이, 공기 예열기(14)를 통과하는 도중에 고온 가스는 도면부호 48로 도시된 지점에서 공기 예열기(14)에 유입되는 공기에 부가적으로 열을 빼앗기므로 덕트(24)를 통하여 윈드 박스(20)로 공기가 통과하기 전에 상기 공기를 가열시키므로써, 가열된 공기는 버너 영역(16)내에서 연료를 연소시키기 위해 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)에 분사된다.
따라서, 상술한 바에 따라 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에서 화석연료와 공기의 연소에 의해 생성된 고온 가스는 공기 예열기(14)로부터 도면부호 46으로 도시된 지점에서 가스가 배출될 때까지 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)에서 고온 가스가 생성된 때로부터 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)의 여러 위치에서 열을 빼앗기게 된다는 것을 알 수 있다. 또한, 공기 예열기(14)로부터 가스가 배출되는 온도는 원래의 지점, 즉 증기 발생기(12)의 버너 영역과 공기 예열기(14)로부터 도면부호 46으로 도시된 지점에서 배출되는 지점사이에서 빼앗기게 되는 열량의 함수인 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 화석연료연소 동력 발생 시스템의 차가운 단부 부식과 작동 열효율을 최적화하기 위한 방법에 의해, 본래의 위치로부터 공기 예열기(14)로부터의 배출점까지 흐를 동안 고온 가스가 빼앗기게 되는 열량을 제어하므로써 즉, 덕트 구조물(36)의 부분(38)에서의 댐퍼(50)의 위치 조정과 바이패스 덕트(44)에서의 댐퍼(52)의 위치 조정을 고온가스가 절탄기(32)를 지나서 후방 가스 통로(28)를 통하여 흐르거나 흐르지 않는 정도로 제어하므로써, 제1열전달 표면(32)의 튜브를 통하여 흐르는 유체에 열을 빼앗기므로써 냉각되거나 냉각되지 않는다. 이에 대해 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 댐퍼(50,52)는 센서(54)로부터 수신된 신호에 응답하여 일체로 이동하도록 되어 있다. 따라서, 공기 예열기(14)로부터 도면부호 46으로 도시된 지점에서 배출되는 가스의 온도를 본 발명의 작동 방법에 따라 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 요구되는 희망의 온도 레벨과 산 이슬점 온도에 대해 수용가능한 온도 레벨로 유지하기 위해, 제2열전달 표면(30)을 떠나는 고온가스는 공기 예열기(14)를 통과하는 도중에 고온가스가 공기 예열기(14)를 통과하는 공기에 필요한 열을 빼앗긴 후 공기 예열기(14)로부터 배출되는 가스가 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)의 작동 열효율의 최적화를 실시하는데 필요한 희망의 온도 범위로 유지되는 것을 보장하도록 제2열전달 표면(30)을 떠나는 고온가스의 온도가 저하되는 정도에 따라 제1열전달 표면(32)을 부분적으로 또는 전체적으로 통과하지 않는다.
하기에 본 발명의 방법이 사용될 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 제2실시예가 기술될 것이다. 제2도에는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 제2실시예가 도면부호 10'로 도시되어 있으며, 그 그조 및 작동 모드는 제1도에 도시된 실시예와 거의 유사하며 동일한 부품에 대해서는 동일부호가 사용되었다. 제1도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)과 제2도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10')의 주요한 차이점은 제2도의 동력 발생 시스템(10')은 제1도처럼 증기 발생기(12)와 공기 예열기(14)도 포함하며, 제1도의 동력 발생 시스템(10)에 사용되지 않았던 선택적 촉매 환원 장치 즉, SCR(56)을 포함하고 있다는 것이다. 또한 제1도의 동력 발생 시스템(10)은 단일 섹션의 절탄기(32)를 포함하고 있지만, 제2도의 동력 발생 시스템(10')은 2섹션의 제1절탄기부(32a')와 제3열전달 표면(32b')을 포함한다는 점이다.
제2도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10')은 제1도의 동력 발생 시스템(10)과 마찬가지로 화석연료연소 증기 발생기(12)와, 공기 예열기(14)와, 증기 발생기(12)의 출구 단부(34)를 공기 예열기(14)에 연결시키는 덕트 구조물(36)을 포함한다. 또한 제2도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10')의 증기 발생기(12)는 제1도의 동력 발생 시스템(10)의 증기 발생기(12)와 마찬가지로, 윈드 박스(20)의 격벽(22)내로 분사되는 화석연료와, 덕트(24)와 수평 통로(26)와 제2열전달 표면(30) 및 제1절탄기부(32a')가 각각 적절하게 위치된 후방 가스 통로(28)에 의해 공기가 공기 예열기(14)로부터 공급된 후 윈드 박스(20)의 격벽(22)을 통하여 분사되는 공기의 연소를 실시하기 위해 점화 시스템(18)이 작동되는 버너 영역(16)을 포함한다. 제1도의 동력 발생 시스템(10)의 공기 예열기(14)와 마찬가지로, 가스는 도면부호 46으로 도시된 지점에서 배출되고 공기는 도면부호 48로 도시된 지점에서 제2도의 동력 발생 시스템(10')의 공기 예열기(14)에 유입된다. 또한, 제2도의 동력 발생 시스템(10')의 공기 예열기(14)는 제1도의 동력 발생 시스템(10)의 공기 예열기(14)와 마찬가지로 도면부호 46으로 도시된 지점에서 공기 예열기(14)에서 배출되는 가스의 온도는 검출하는 센서(54)를 포함한다. 제1도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10)의 덕트 구조물(36)과 마찬가지로, 제2도의 동력 발생 시스템(10')의 덕트 구조물(36)도 서로 연결된 3개의 부분(38,40,42)을 포함한다. 그러나, 제1도의 동력 발생 시스템(10)의 덕트 구조물(36)의 부분(42)과는 달리 제2도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10')의 덕트 구조물(36)의 부분(42)은 그 내부에 SCR(56)과 상기 SCR(56)의 하부에 위치된 제3열전달 표면(32b')을 갖는다. 제1도의 동력 발생 시스템(10)의 부분(40)과 동일한 형태를 취하는 제2도의 동력 발생 시스템(10')의 부분(40)은 바이패스 덕트(44)에 의해 제2도의 동력 발생 시스템(10')의 후방 가스 통로(28)에 연결된다.
마지막으로, 제2도의 동력 발생 시스템(10')은 제1도의 동력 발생 시스템(10)과 마찬가지로 제2도의 시스템의 센서(54)로부터 수신된 신호에 응답하여 이동하기 위해 제2도의 부분(38)내에 적절하게 장착된 댐퍼(50)와, 제2도의 시스템(10')의 센서(54)로부터 수신된 신호에 응답하여 이동하기 위하여 제2도의 시스템(10')의 바이패스 덕트(44)내에 적절하게 장착된 댐퍼(52)를 포함한다.
하기에 제2도의 화석연료연소 동력 발생 시스템(10')의 작동 모드에 대해 기술될 것이다. 제2도의 시스템(10')의 작동 모드는 2가지 점 즉, 제2도의 시스템(10')은 제1도의 시스템(10)과는 달리 SCR(56)과 제3열전달 표면(32b')를 사용한다는 점을 제외하고는 제1도의 시스템(10)의 작동 모드와 동일하다. 또한 SCR(56)는 그 작동상 그 사이를 통과하는 가스의 온도는 상술의 온도 범위내에 존재할 것을 요구하기 때문에, 제2도의 시스템(10')의 경우는 제1도의 시스템(10')과는 달리 고온의 가스가 SCR(56)을 통과할 때 제2도의 시스템(10')의 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)까지 너무 많은 열을 빼앗기지 않고 그 결과 고온 가스의 온도가 상술의 온도범위 이하로 유지될 것을 보장하거나 또는 고온의 가스가 SCR(56)을 통과할 때 제2도의 시스템(10')의 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)까지 충분한 열을 빼앗기지 않고, 그 결과 고온 가스의 온도가 상술의 온도범위 이상으로 유지될 것을 보장할 필요가 있다. 이를 위하여, 제2도에서 도면부호 55로 도시된 센서가 SCR(56)의 상단부에 위치된다. 상기 센서(55)는 SCR(56)의 상단부에서 가스의 온도를 검출하고 SCR(56)에 유입되는 가스의 온도가 상술의 온도 범위 즉 TMIN이하 또는 TMAX이상이 될 때마다 SCR(56)에 유입되는 검출된 가스 온도에 대응하는 신호를 발신한다. 또한 고온의 가스가 제3열전달 표면(32b)을 포함하는 튜브를 통과하는 유체에 열을 빼앗기는 도안 증기 발생기(12)로부터 제2도의 시스템(10')의 공기 예열기(14)에 도달하기 위해 고온 가스는 제3열전달 표면(32b')을 지나가야만 하기 때문에, 제2도의 시스템(10')의 공기 예열기(14)를 통과하는 도중에 고온 가스는 도면부호 48로 도시된 지점에서 공기 예열기(14)에 유입되는 공기에 부가적인 열을 빼앗겨서 그 결과 도면부호 46으로 도시된 지점에서 제2도의 시스템(10')의 공기 예열기(14)로부터 배출되는 가스의 온도는 공기 예열기(14)의 부식을 최소화하도록 산 이슬점 온도에 대해 수용가능한 레벨로 유지되면서 제2도의 시스템(10')의 작동 열효율이 최적화를 얻기 위하여 가능한 한 낮게 되어야 한다는 점을 고려하였을 때, 제3열전달 표면(32b')으로부터 배출되는 고온가스의 온도 레벨은 충분해야 할 필요가 있다. 따라서, 제3전달 표면(32b')의 고온가스에 대해 실시되는 냉각 효과와 마찬가지로 SCR(56)의 작동 온도 요구사항은 제2도의 시스템(10')의 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)까지 고온가스가 흐르는 흐름 통로를 고려할 필요가 있다. 이를 위하여, 제2도의 시스템(10')의 센서(55)와 센서(54)로부터 수신된 신호에 기초하여 제2도의 시스템(10')의 댐퍼(50,52)는 고온 가스가 제2도의 시스템(10')의 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)까지 흐르는 각각의 흐름 통로를 따라 흐르도록 적절하게 위치된다. 즉 고온가스는, 가스 출구 온도가 산 이슬점 온도에 대해 허용가능한 레벨로 유지되는 것을 보장하고 고온가스의 온도 레벨이 SCR(56)의 작동에 요구되는 상술의 온도내에서 유지되는 보장하면서 제2도의 시스템(10')의 작동 열효율이 최적화로 유지되도록 제2도의 시스템(10')의 공기 예열기(14)로부터 배출되는 가스 온도가 가능한한 낮게 유지되도록 제2도의 시스템(10')의 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)까지 각각의 흐름 통로를 따라 흐르므로써 각각의 흐름 통로를 따라 흐르는 고온가스에 의해 빼앗기는 열량은 제2도의 시스템(10')의 댐퍼(50,52)의 위치 조정에 의해 적절하게 제어된다.
하기에 본 발명의 방법이 사용되는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 제3실시예에 대해 기술될 것이다. 본 발명의 제3실시예(10)의 구조와 작동 모드 및 부품들은 제1도의 시스템(10)과 동일하다. 제3도의 시스템(10)이 제1도의 시스템(10)과 다른 점은, 제1도의 시스템(10)은 외부 바이패스 즉, 그 내부에서의 이동을 위하여 적절하게 장착되는 댐퍼(52)와 덕트 구조물(36)의 부분(38)에 적절하게 장착되는 댐퍼(52)를 포함하지만, 제3도의 시스템(10)은 단일의 댐퍼 형태를 취하는 제1댐퍼 수단(60)과, 복수개의 댐퍼 형태를 취하는 제2댐퍼 수단(62)을 포함하며 상기 제1 및 제2댐퍼 수단은 단일체로서 수렴 이동되기 위해 종래 형태의 연결 수단에 의해 서로 집단 형태로 연결되는 내부 바이패스(58)를 포함한다. 상기 댐퍼(60,62)는 제1도의 시스템(10)의 댐퍼(50,52)와 동일한 기능을 한다. 즉, 검출된 값에 기초하여 제3도의 시스템(10)의 센서(56)는 고온 가스가 내부 바이패스(58)에 의해 제3도의 시스템(10)의 공기 예열기(14)로 흐르는 정도 즉, 제3도의 시스템(10)의 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)까지 흐르는 도중에 고온 가스에 의해 열이 빼앗기는 정도를 제어하기 위해 제3도의 시스템(10)의 센서(56)는 댐퍼(60,62)에 신호를 발신하여 댐퍼(60,62)의 위치 조정을 실행한다.
하기에 본 발명의 방법이 사용될 수 있는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 제4실시예가 기술될 것이다. 제4도에는 본 발명의 동력 발생 시스템의 제4실시예가 도면부호 10'으로 도시되어 있다. 제4실시예의 구조와 작동 모드는 제2실시예의 시스템(10')과 동일하여 동일한 부품에는 동일한 도면부호로 도시되었다. 제4도의 시스템(10')과 제2도의 시스템(10')의 차이점은 제2도의 시스템(10')은 외부 바이패스 부 즉, 그 내부에서의 이동을 위해 적절하게 장착된 댐퍼(52)가 덕트 구조물(36)의 부분(38)에 적절하게 장착된 댐퍼(50)를 구비한 바이패스 덕트(44)를 포함하지만, 제4도의 시스템(10')은 제4도에 도시된 바와 같이 단일 댐퍼 형태의 제1댐퍼 수단(66)과 복수개의 댐퍼 형태인 제2댐퍼 수단(68)을 구비하며, 상기 제1 및 제2댐퍼 수단은 단일체로 수집 이동되도록 종래의 연결 수단에 의해 집단 형태로 서로 연결되는 내부 바이패스(64)를 포함한다. 상기 댐퍼(66,68)는 제2도의 시스템(10')의 댐퍼(50,52)와 동일한 기능을 한다. 즉, 검출된 값에 기준하여 제4도의 시스템(10')의 센서(54,55)는 고온 가스가 내부 바이패스(64)에 의해 제4도의 시스템(10')의 공기 예열기(14)로 흐르는 정도와 제4도의 시스템(10')의 증기 발생기(12)로부터 공기 예열기(14)로 흐르는 도중에 고온 가스에 의해 열이 빼앗기는 정도를 제어하기 위해 댐퍼(66,68)에 신호를 전송한다.
마지막으로, 제5도는 본 발명의 작동 방법이 사용되는 개략적인 제어 다이아그램으로서, 센서(54)는 도면부호 46으로 도시된 위치에서 비제한적인 실시예로서 제2도의 시스템(10')의 공기 예열기의 가스 출구 온도를 검출하며, 센서((55)는 SCR(56)에 유입되는 가스 온도를 검출하며, 센서(54,55)는 비제한적인 실시예로서 제2도의 시스템(10')에 의해 검출된 값에 대응한 신호를 댐퍼(50,52)에 전송하며, 상기 센서(54,55)에 의해 전송된 신호는 댐퍼(50,52)의 희망의 위치 조정을 실행하도록 작동된다. 이에 대해, 센서(55)의 작동 모드는 센서(55)에 의해 발생된 신호는 센서(54)에 의해 발생된 신호를 지배하므로써 SCR(56)에 유입되는 가스 온도가 SCR(56)에 요구되는 상술의 온도 범위내에서 유지되도록 되는 것이 양호하다. 제5도에 상세히 도시된 바와 같이, 센서(54,55)는 회로수단(70)에 의해 회로에 연결된다. 특히, 상기 회로 수단(70)은 제5도에 개략적으로 도시된 회로(72,74)에 의해 센서(54,55)를 댐퍼(50)에 연결하며, 또한 센서(54,55)를 회로(72,76)에도 연결한다.
따라서 이를 요약하면, 본 발명에 따라 작동 열효율을 최대로 하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법은 증기 발생기를 떠나가는 가스 온도와, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 SCR을 채택할 때 SCR에 유입되는 가스 온도와, 공기 예열기에 유입되는 가스 온도와, 연료와 지역 특성에 따라 공기 예열기를 떠나가는 가스 온도에 대한 넓은 범위의 최적화를 제공한다. 또한 본 발명에 따라 작동 열효율을 최적으로 하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법은 시스템이 SCR을 포함할 때 후방 가스 통로에서 과열기의 하부에 위치된 절탄기 표면과, 절탄기 바이패스 덕트부와 SCR의 하부에 위치되는 부가적인 절탄기 표면들의 조합을 이용하여 공기 예열기 출구 가스 온도를 최적으로 제어한다. 이를 위하여 절탄기 바이패스 덕트부는, a) 화석연료연소 동력 발생 시스템 효율의 최적의 조합을 제공하기 위해 부하에 대해 공기 예열기 출구 가스 온도를 변경시키고, b) 공기 예열기 출구 가스 온도보다 낮음에 기인한 공기 예열기의 차가운 단부 부식을 방지하고, c) 화석연료연소 동력 발생 시스템의 SCR을 채택할 때 SCR의 암모니아 분사와 촉매 수명의 최적화를 얻기 위해 SCR 내부와 SCR 주위에서의 고온 가스의 온도를 제어하기 위해 사용된다. 또한, 본 발명에 따라 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템을 작동하는 방법은 시스템이 SCR을 채택하였을 때 촉매의 체적이 적고 부분적으로 촉매 수명의 높은 효율을 초래하게 되는 SCR로의 높은 입구온도를 허용한다. 또한, 이러한 방법은 SCR이 추천된 가스 온도보다 낮은 온도에서 작동될 때, 시간 주기에 기인하여 손실된 촉매기능 효율을 복구할 일정시간동안 촉매를 높은 온도에서 작동할 절탄기 바이패스 덕트부를 통하여 처리 제어를 가능하게 한다. 또한, 높은 SCR 입구 온도에 요구되는 낮은 촉매 체적은 낮은 드래프트 손실을 초래하여 낮은 팬 동력 소모로 귀결되며 화석연료연소 동력 발생 시스템의 수명에 대해 촉매 제거 비용을 감소시킬 것이다.
따라서 본 발명에 따르면, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면 화석연료연소 동력 발생 시스템이 선택적 촉매 장치 즉, SCR을 포함하지 않을 때 시스템의 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다. 또한 본 발명에 따르면, 화석연료연소 동력 발생 시스템이 선택적 촉매 장치 즉, SCR을 포함할 때 시스템의 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다. 또한, 본 발명에 따르면 화석연료연소 동력 발생 시스템의 공기 예열기 특히 그 출구 단부가 낮은 가스 출구 온도에 기인한 부식으로부터 보호되는 것을 보장하면서 최적의 동력 효율을 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다. 본 발명에 따르면, 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하로 작동할 때 최적의 작동 열효율을 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다. 또한 본 발명에 따르면, 화석연료연소 동력 발생 시스템이 완전 부하가 아닌 상태로 작동할 때 최적의 작동 열효율을 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다. 또한 본 발명에 따르면 선택적 촉매 환원 장치 측 SCR의 작동에 요구되는 온도 범위가 만족되는 것을 보장하는 동시에 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동방법이 제공된다. 또한 본 발명에 따르면, 화석연료연소 동력 발생 시스템이 새로이 적용될 때에도 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동방법이 제공된다. 본 발명에 따르면, 화석연료연소 동력 발생 시스템이 개조되었을 때에도 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다. 마지막으로, 본 발명에 따르면, 작동이 용이하고 제작비가 저렴한 화석연료연소 동력 발생 시스템을 제공하면서 작동 열효율을 최적으로 유지하기 위해 화석연료연소 동력 발생 시스템의 개량된 신규의 작동 방법이 제공된다.
본 발명은 여러 실시예를 위주로 기술되었지만, 본 기술분야의 숙련자라면 그 개조 변경이 가능함을 인식할 것이다. 따라서 본 발명의 범위 및 정신내에 속하는 모든 변경에 대해서는 첨부된 청구범위에 의해 커버될 것이다.

Claims (16)

  1. 작동 열효율을 최적화하기 위한 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법에 있어서 a) 버너 영역(16)과 가스 통로(26,28)를 구비하는 화석연료연소 증기 발생기(12)를 제공하는 단계와; b) 연소 가스가 발생되고 화석연료연소의 가스통로(26,28)로 흐르도록 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에서 화석연료와 공기를 연소하는 단계와; c) 상기 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)의 하부에 있는 화석연료연소 증기 발생기(12)의 가스통로(26,28)와 여기에 대한 가스 흐름관계에 있는 제1열전달 표면(32)을 제공하는 단계와; d) 상기 제1열전달 표면(32)의 하부에 공기 예열기(14)를 제공하는 단계와; e) 상기 제1열전달 표면(32)을 가스 흐름 관계로 공기 예열기(14)에 연결되는 제1부분(38), 제2부분(40) 및 제3부분(42) 형태로 덕트 구조물(36)을 제공하는 단계와; f) 화석연료연소 증기 발생기(12)의 가스통로(28)에 위치된 제1열전달 표면(32)과, 덕트 구조물(36)의 제1부분(38), 제2부분(40) 및 제3부분(42)을 통하여 상기 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)으로부터 공기 예열기(14)까지, 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에 발생된 연소 가스용 제1흐름통로를 제공하는 단계와; g) 상기 화석연료연소 증기 발생기(12)의 가스통로(28)로부터 덕트 구조물(36)의 제2부분(40)까지 제1열전달 표면(32)의 상류에 연결부를 제공하는 단계와; h) 상기 화석연료연소 증기 발생기(12)의 가스통로(28)로 부터의 상호 연결부를 통하여 상기 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)으로부터 덕트 구조물(36)의 제2부분(40)까지, 그리고 상기 덕트 구조물(36)의 제3부분(42)을 통하여 덕트 구조물(36)의 상기 덕트 구조물(36)의 제3부분(42)을 통하여 덕트 구조물(36)의 제2부분(40)으로부터 공기 예열기(14)까지, 화석연료연소 증기 발생기(40)으로부터 공기 예열기(14)까지, 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에 발생된 연료가스용 제2흐름 통로를 제공하는 단계와; i) 공기 예열기(14)로부터 배출되는 연소가스의 온도를 감지하는 단계와; j) 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에 발생된 연료가스가 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)으로부터 공기 예열기(14)까지 제1흐름 경로를 따라 흐르는 범위와, 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)내에 발생된 연소가스가 화석연료연소 증기 발생기(12)의 버너 영역(16)으로부터 공기 예열기(14)까지 제2흐름 경로를 따라 흐르는 범위로, 공기 예열기(14)로부터 배출된 연소가스의 온도감지에 따라 제어함으로써 공기 예열기(14)로부터 배출된 연소가스의 온도를 제어함으로써, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 온도를 제어함으로써, 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 열효율을 최적화 함과 동시에, 공기 예열기(14)가 산 이슬점 온도 아래로 떨어지는 공기 예열기(14)로부터 배출되는 연소가스 온도에 의하여 발생되는 부식에 대하여 보호되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화석연료연소 증기 발생기의 가스통로로부터 구조물의 제2부분까지의 상호 연결부는 화석연료연소 증기 발생기의 외부에서 제1열전달 표면(28) 주위에 제공되는 바이패스(44)를 포함되는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  3. 제2항에 있어서, 댐퍼(52)를 가진 바이패스(44)를 제공하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 공기 예열기로부터 배출된 연소가스의 온도 감지에 따라 바이패스내의 댐퍼의 위치선정을 제어함으로써, 화석연료연소 증기 발생기의 버너 영역내에 발생된 연소가스가 화석연료연소 증기 발생기의 버너 영역으로부터 공기 예열기까지 제2흐름경로를 따라 흐르는 범위를 상기 바이패스내의 댐퍼의 위치선정을 통하여 제어하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1열전달 표면의 하류에 댐퍼(50)를 제공하는 단계를 부가로 포함하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 공기 예열기로부터 배출된 연소 가스의 온도 감지에 따라 제1열전달 표면의 하류에 제공되는 댐퍼의 위치선정을 제어함으로써, 화석연료 증기 발생기의 버너 영역내에 발생된 연소가스가 화석연료연소 증기 발생기의 버너영역으로부터 공기 예열기까지 제1흐름 경로를 따라 흐르는 범위를 제1열전달 표면의 하류에 제공된 댐퍼의 위치선정을 통하여 제어하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 바이패스내에 제공된 댐퍼(52)의 위치 선정과, 제1열전달 표면의 하류에 제공된 댐퍼(50)의 위치 선정을, 공기 예열기로부터 배출되는 연소가스의 온도 감지에 따라 일체로 수행하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 화석연료연소 증기 발생기의 가스통로로부터 덕트 구조물의 제2부분까지의 상호 연결부는 화석연료연소 증기 발생기의 내부에서 제1열전달 표면 주위에 제공되는 바이패스(58)를 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1열전달 표면의 상류에 댐퍼(60)를 제공하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 공기 예열기로부터 배출된 연소가스의 온도감지에 따라 제1열전달 표면의 하류에 제공되는 댐퍼(60)의 위치선정을 제어함으로써, 화석연료연소 증기 발생기의 버너 영역내에 발생된 연소가스가 화석연료연소 증기 발생기의 버너 영역으로부터 공기 예열기까지 제2흐름경로를 따라 흐르는 범위를 제1열전달 표면의 상류에 제공된 댐퍼의 위치선정을 통하여 제어하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1열전달 표면의 하류에 갱형상(gang-like)으로 정렬된 다수의 댐퍼(62)를 제공하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 공기 예열기로부터 배출된 연소가스의 온도 감지에 따라 제1열전달 표면의 하류에 제공되고 갱형상으로 정렬된 다수의 댐퍼(62)의 위치 선정을 제어함으로써, 상기 화석연료연소 증기 발생기의 버너 영역내에 발생된 연소가스가 화석연료연소 증기 발생기의 버너 영역으로부터 공기 예열기까지 제1흐름 경로를 따라 흐르는 범위를 상기 제1열전달 표면의 하류에 제공되고 갱형상으로 정렬되는 다수의 댐퍼를 통하여 제어하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1열전달 표면의 상류에 제공된 댐퍼(60)의 위치 선정과, 공기 예열기로부터 배출되는 연소가스의 온도감지에 따라 제1열전달 표면의 하부에 제공되고 갱형상으로 정렬되는 다수의 댐퍼(62)의 위치 선정을 일체로 수행하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 화석연료연소 증기 발생기의 가스통로에서 가스흐름 관계로 제1열전달 표면의 상류에 제2열전달 표면(30)을 제공하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  15. 제14항에 있어서, 제1열전달 표면의 하류에 선택적인 촉매감소 장치(56)를 가스흐름 관계로 제공하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 선택적 촉매 감소 장치의 하류에 제3열전달 표면(32'b)을 제공하는 단계를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화석연료연소 동력 발생 시스템의 작동 방법.
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