KR0163641B1 - 단일 및 다중리드 튜브를 갖춘 일회관통형 스팀발생기 - Google Patents

단일 및 다중리드 튜브를 갖춘 일회관통형 스팀발생기 Download PDF

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존 알브레트 멜빈
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로버트 제이. 에드워즈
더 뱁콕 앤드 윌콕스 컴퍼니
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Abstract

매끄러운 보어튜브와 단일리드 리브된(SLR)튜브와 다중리드 리브된(MLR) 튜브로 제조된 열교화기와 출구를 구비한 난방로를 갖춘 수직튜브 일회관통 슬라이딩압력 스팀발생기에 있어서, 상기 튜브 모두가 박벽튜브판넬로 제조되어지고, 스팀발생기에는 연로와 공기를 난방로내에서 연소시키고 저·중·고열속지역을 난방로내에 창출하는 연료버너를 갖추며, 유체가 벽판넬의 튜브를 통해 흘러 효과적인 열교환기를 제공하게 됨과 더불어 상기한 매끄러운 보어튜브가 저열속지역에 위치하게 되면서 SLR 및/또는 MLR튜브가 고열속지역과 중열속지역내에 위치된 수직튜브 일회관통 슬라이딩 압력발생기.

Description

단일 및 다중리드 튜브를 갖춘 일회관통형 스팀발생기
본 발명은 증기로 전기를 발전하는 보일러장치 또는 스팀발생기에 관한 것으로, 특히 단일리드(single-lead)와 다중리드(multi-lead) 리브형 튜브 모두를 사용하는 슬라이딩압력 일회관통형 스팀발생기에 관한 것이다.
종래에도 1926년 이래로 발전설비분야에서 일회관통형 스팀발생기가 사용되어 온 바, 이러한 일회관통형 스팀발생기는 초임계스팀압력을 조절하는 슬라이딩압력조절용 설비를 갖추는데, 제1도에 도시한 바와 같이 보일러장치(10)용 보일러공급펌프(8)가 절유기 내지는 절탄기(11)와 증발기(12) 및, 분리기(13)에 연결된 과열기(14)를 통해 물을 강제로 공급하도록 되어 있으며, 이때 물은 연속적으로 증발되어 건조된 후 별다른 스팀-물 분리없이 과열되어진다.
그리고 이러한 물순환방법은 모든 운전압력, 즉 초임계 압력(3208 psia이상)과 임계이하 압력(3208 psia 이하)에서 활용가능한 바, 통상 수직튜브식 연소로가 고장과 불균일한 튜브 대 튜브가열에 더 민감하기 때문에 보일러장치(10)에서는 증발기(12)로 나선형튜브식 연소로 회로를 사용하지만 초기운전과 저부하 운전을 위해서는 특별한 보조관로 장치가 여전히 필요하게 된다.
그리고 발전설비에서 초기와 저부하 운전상태를 조절하기 위해서는 부과적인 재순환장치를 구비한 일회관통형 보일러장치(10a, 10b)가 사용되어 온 바, 이는 제2도와 제3도에 도시된 바와 같이 상기 재순환장치는 순환펌프(15)와 오리피스(16)를 병합설치하여 유체가 연소로 벽쪽에서 부분적으로 재순환되게 함으로써 이 증발기 튜브내에 유속을 증가시키게 되는 한편, 상기 증발기(12)를 통상 초임계압력의 일정한 압력을 유지하도록 하고, 분리기(13)를 사용하여 과열기의 압력을 초기운전과 저부하운전에서 임계이하의 압력으로 감소시켜 왔지만 이러한 종류의 일회관통형 보일러장치(10a, 10b)는 통상 수직 연소로 튜브 증발기를 사용하게 된다.
그리고 일회관통형 스팀발생기는 많은 보일러 제조업체에서 제조해온 나선형과 수직형튜브직 연소로 내지는 증발기 모두를 사용할 수 있으면서 초임계 압력 또는 임계이하 압력의 스팀압력용으로 발전되어 왔지만 최근들어 슬라이딩 압력운전용 수직형튜브식 일회관통형 보일러도 사용되고 있으며, 상기한 수직형튜브식 일회관통형 보일러의 슬라이딩 압력운전은 증발기의 유량요구에 의해 약40%의 최소 부하로 제한되어진다.
그러나 일부 연료와 특정 크기의 나선형튜브식 연소로를 제외하고는 상기한 제한을 받지 않는 바, 상기한 일부 예외의 경우는 증발기의 유량요구에 의해 바람직한 것보다 최소유량이 더 높아지며, 상기한 나선형튜브식 연소로의 경우에는 튜브직경과 연소로의 질량속도(mass velocity)를 자유롭게 조화시킬 수 있게 되어 튜브를 냉각시키고 연소로의 증발기 튜브에 평행하게 안정적으로 유동시키게 될 뿐만 아니라, 연소로의 각 튜브들은 연소쳄버내의 다양한 가열지역 모두를 관통하게 되어 튜브를 간의 전체적인 열투입량의 차이가 최소로 유지되도록 되어 있다.
또한 수직형튜브식 연소로에 비해 나선형 연소로의 제조비용이 더 많이 소요되므로 수직형튜브식 슬라이딩압력 일회관통형 보일러의 개발이 요구되어 온바, 강제순환되는 일회관통형 보일러를 제조하기 위해서는 서로 용접되어 박판을 형성하는 다수의 평행한 튜브가 필요하고, 이러한 박벽 구조는 각 연소로 레벨에서 모든 튜브내의 균일한 유동과 금속온도가 요구되는데, 이제까지는 연소로내의 개별 튜브간의 가열차가 크다는 점이 수직형튜브식의 주요한 문제였다. 즉, 상기한 수직형튜브식 연소로의 튜브간의 가열 차이는 나선형튜브식 연소로에서 보다 약 2.5배 정도 큰 바, 1,500,000 내지 2,000,000 1b/hr-ft2의 평균질량속도가 현재 사용중인 일회관통형 보일러에서는 보편적이며, 통상의 주변 연소로 열흡수변화(약 35%내지는 평균보다 더 큰 변화)에 영향을 받을 때, 상기 질량속도는 크기를 감소시키는 속도변화를 초래하게 되는데, 이러한 경향을 보일러 튜브의 일회관통형 특성이라고 불리워진다.
한편 일회관통 모드에서 열의 증가로 인한 속도의 변화는 제4도에 도시된 바와 같이 음의 값이고, 만약 초과열 투입량이 단일 튜브에 가해진다면 유체질량속도의 감소가 상기 튜브에 발생하게 되어, 튜브내 유체의 출구온도가 부가적으로 상승하게 된다.
그리고 연소로의 튜브가 감소된 질량속도에 의해 작동하게 된다면, 초과열에 노출된 단일 튜브의 질량속도가 증가하고, 이러한 질량속도의 변화는 자연순환특성으로 언급되어지는 바, 수직형튜브식 일회관통형 보일러의 연소로에 낮은 질량속도를 사용하기 위해서는 버너지역내에 리브된 튜브를 사용하여 중핵비등이탈(departure from nucleate boilong;DNB)를 피해야만 한다.
또한 단일리드 리브형(Single-lead ribbed:SLR)튜브가 본 발명의 출원인 인 더 뱁콕 앤드 윌콕스사에 의해 임계압력 이하의 일회관통 수직형튜브식 스팀발생기에 사용되어 왔으며, 다중리드 리브형(Multi-lead ribbed:MLR)튜브도 마찬가지로 더 뱁콕 앤드 윌콕스사에 의해 초임계압력의 일회관통 수직형튜브식 스팀발생기와, 임계압력이하와 초임계압력하에서 모두 작동하는 일회관통 나선형튜브식 스팀발생기에 사용되어 온 바, 상기한 단일 및 다중리드 리브형 튜브 구조의 실시예들이 제6도 내지 제8도로 도시되어 있으며, 미국특허 제3,088,494호와 동국 특허 제3,289,451호로 각각 임계이하의 압력증기발생기 리브형 증기 발생튜브와, 미국특허 제3,088,494,호로 게재된 종류의 튜브내에 내부 나선형 리브를 형성하는 방법과 장치가 게재되어 있는데, 이러한 형태인 리브된 튜브에 있어서 튜브의 열전도 특성이 튜브를 통과하는 흐름의 낮은 질량속도에서도 극히 양호해야 하는 바, 일반적으로 단일리드 리브형 튜브는 동일 질량속도용 다중리드 리브형 튜브보다 높은 열속(heat fluxes)을 허용한다.
이러한 단일리드 리브형 튜브의 열전도 성능이 공개 문헌에 기록되어 있다. 즉,
(1)동력 보일러 튜브의 중핵비등 대 피막비등(film boilong)의 열전도 효과1962년 10월 동력 엔지니어링 저널지 Trans. ASME PP 365-71 H.S.Swenson과 J.R.Carver 및 G.Szoeke;
(2)홈이 형성된 보일러튜브내의 유동비등 상항 제5차 국제열전도 회의의 의사록 중 1974년 Vol. IV, pp.270-74 K. Nishikawa와, T.Fujii, S.Yoshida 및 M.Ohno 및;
(3)스팀:그 생성과 사용 40판 copyright 1992, 더 뱁콕 앤드 윌콕스사.
또한 다중리드 리브형 튜브의 열전도 성능 역시도 공개 문헌에 기록되어 있는 바, 그 내용은 참고문헌과 다음의 참고문헌에 기재 되어 있다.
(4)경사지고 수직의 매끄러운 리브형 튜브에서의 임계열속 1974년 제5차 국제 열전이 회의 Vol.IVG.W.Watson, R.A. Lee 및, M.Wiener;
(5)자연 순환 보일러의 최근 개발안 1977년 4월 18-20일 미국동력회의 의사록중 M.Wiener;
(6)열-유압 원리에 대한 NATO연구소에 제출된 J.B Kitto와 M.J.Albrecht의 화석 보일러의 2개상 유동의 요소와 1987년 6월 6-16일, 포르투갈, 포토에서 발표된 2개상 유동열교환기의 설계.
(7)화석-연료-발화 보일러:원리와 성분 John Wiley and Sons, Inc 보일러와 증발기 및 콘덴서의 6장 pp. 179-275 J.B Kitto와 M.J Albrecht 및;
(8)임계압력부 부근의 라이플된(Rifled) 튜브의 열전도 특성 1982년 제7차 국제 열전도 회의 의사록중 Vol.5 pp.313-18 Makio Iwabuchi와 Mikio Tateiwa 및 Hisao Haneda.
일회관통형과 수직형튜브식 및 슬라이딩압력 스팀발생기에 있어서 상기에서 기술한 다중리드 리브형 튜브의 이용은 가장 적절한 연소로 증발기에 사용하기에는 충분하지 못한 바, 그 주요한 이유는 높은 질량속도를 사용하여 중핵비등분리(DNB)를 피해야 하므로, 자연순환특성의 장점이 상실됨과 더불어, 상기한 높은 질량속도는 큰 공급 펌프와 더 많은 동력을 필요로 하므로 경제적으로도 불합리하다.
그리고 다중리드 리브형 튜브를 사용할 때는 임계압력지점(3208 psia)이나 그 부근에서의 열전도의 문제가 존재하게 되며, 상기 참고문헌(8)에 기재한 바와 같이 시팀과 물 사이의 적은 밀도차로 인해 임계압력지점이나 그 부근에서 이 다중리드 리브형 튜브내의 소용돌이 효과가 감쇠되어 임계열속(CHF)상태가 단일리드 리브형 튜브에서 보다 더 높은 질량속도에서 나타나게 된다.
여기서 상기한 튜브의 임계열속은 나쁜 영향을 미치는 초과하는 금속온도를 초래하고, 이러한 문제는 연소로 증발기를 낮은 질량속도에서 슬라이딩압력을 위한 연소로 증발기를 설계하는데 어려움을 초래하게 되는 바, 슬라이딩압력 운전을 위해서는 특정 부하위치는 튜브에 가해진 열속이 다중리드 리브형 튜브벽을 통해 유체안으로 열을 전도하기에 충분한 위치에 존재하여도 불충분하게 상승된 튜브온도가 존재함에 따라 연소로 튜브의 고장이 발생할 수 있다.
따라서 앞서기술한 문제점들을 해소한 일회관통 슬라이딩압력 증기 발생기가 요구되어 온 바, 특히 수직형튜브식 연소로 설계와 비교하여 볼 때 나선형 연소로가 고장이므로 상기한 일회관통 수직튜브 슬라이딩압력 보일러 또는 스팀발생기의 개발이 당해 분야에서 더욱 요구되어왔다.
이에 본 발명은 수직, 수평 또는 나선형(즉 수평과 수직위치 사이의 각도)으로 배치된 연소로 벽튜브를 갖춘 일회관통 슬라이딩압력 보일러 또는 스팀발생기에 관한 것으로, 본 발명의 특징은 매끄러운 보어튜브나 단일리드 리브형 튜브 및, 특별히 설치된 다중리브 리드형 튜브로 제조된 열교환기표면과 출구를 갖춘 테두리를 구비한 일회관통 슬라이딩압력 보일러에 관한 것인 바, 상기한 모든 튜브는 바람직하기로 박벽 튜브판넬로 제조되어진다.
또한 본 발명은 다중리브 리드형 튜브의 사용시에 열전도가 경감되어질 위치의 연소로안에 단일리브 리드형 튜브를 사용하므로서
써 상기한 문제들을 해소하게 되는 바, 즉 상기 단일리브 리드형 튜브는 소용돌이 발생과는 상이한 원리로 작동하므로 스팀과 물의 밀도차이에 의존하지 않게 되고, 이들의 임계열속의 성능은 본 발명에 따라 제안된 낮은 질량속도의 범위의 임계압력부근에서 적절하게 이루어지게 된다.
제1도는 종래의 일회관통형(ONCE-THROUGH) 스팀발생기 장치의 제1실시예를 도시한 개략도.
제2도는 종래의 일회관통형 스팀발생기 장치의 제2실시예를 도시한 개략도.
제3도는 종래의 일회관통형 스팀발생기 장치의 제3실시예를 도시한 개략도.
제4도는 수직연소로의 관조직용 질량특성의 변화를 기록한 그래프.
제5도는 매끄러운 내부 보어를 갖춘 튜브의 종단면도.
제6도는 단일 연속 내부나선형 리브를 갖춘 단일리드 리브형 튜브의 종단면도.
제7도는 다중 연속 내부나선형 리브를 갖춘 단일리드 리브형 튜브의 횡단면도.
제8도는 다중리드 리브형 튜브의 다른 실시예를 나타낸 종단면도.
제9도는 본 발명의 제1실시예에 따른 슬라이딩압력 운전에 적합한 일회관통 수직형튜브식 스팀발생기의 개략측면도.
제10도는 본 발명의 제2실시예에 따른 슬라이딩압력 운전에 적합한 일회관통 수직형튜브식 스팀발생기의 개략측면도.
제11도는 본 발명의 제3실시예에 따른 슬라이딩 압력운전에 적합한 일회관통 나선형튜브식 스팀발생기의 개략측면도.
제12도는 본 발명의 제4실시예에 따른 슬라이딩압력운전에 적합한 일회관통 나선형튜브식 스팀발생기의 개략측면도.
제13도는 매끄러운 튜브를 갖춘 벽판넬로서 제9도의 14-14선 개략황단면도.
제14도는 단일리드 리브형 튜브를 갖춘 벽판넬로서 제9도의 13-13선 개략횡단면도.
제15도는 다중리드 리브형 튜브를 갖춘 벽판넬로서 제9도의 15-15선 개략횡단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
20 : 튜브 22 : 매끄러운 보어
24 : 단일리드 리브형 튜브 26 : 내부면
28 : 나선형홈 30 : 리브
32,36 : 다중리드 리브형 튜브 40,70 : 스팀발생기
42 : 연료버너 46 : 연료소
48 : 테두리벽 50 : 연소산물
52 : 출구 54 : 판넬
56 : 정면벽 58 : 배후벽
60 : 벽판넬 62 : 둘레 벽판넬
64 : 둘레 벽판넬 80 : 도표범례(Legend)
82 : 하부 84 : 제1중간부
86 : 제2중간부 88 : 상부
90 : 제1상부 92 : 제2상부
한편 본 발명에 따른 보일러는 연료와 공기를 테두리내에서 연소시키는 버너를 갖추고, 차례로 스팀발생기의 저열속 지역과 중간열속 지역 및, 고열속지역을 갖추며, 물 및/또는 스팀(혹은 초임계압력에서 유체로 설명됨)이 효과적인 열교환기를 제공하는 벽판넬의 튜브를 통해 유동되고, 매끄러운 보어튜브가 스팀발생기의 저열속지역에 배치되면서 단일리드 리브형 튜브와 다중리드 리브형 튜브를 스팀 발생기의 중간과 고열속지역에 선택적으로 배치된다.
그리고 본 발명은 수직형이나 수평형 또는 나선형튜브같은 다양한 설비를 갖춘 스팀발생기를 갖춘 보일러에 사용가능 하지만, 본 발명의 주요한 목적은 일회관통 수직튜브 슬라이딩압력 보일러 똔느 낮은 최소부하와 저압력 강하에서 운전가능한 부하범위가 넓은 슬라이딩압력 운전에 적합한 스팀발생기를 갖춘 보일러를 제공하기 위한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조로 상세히 설명 한다.
도면 전체에 걸쳐 동일하거나 유사한 부분은 동일한 참조번호로 도시하는바 제5도 내지 제8도는 본 발명에 사용되는 다양한 종류의 튜브의 종단면도들이다.
한편 제5도는 매끄러운 보어(22)를 갖춘 튜브(20)를 도시하고 제6도는 내부면(26)에 연속적인 나선형지대 또는 리브(30) 사이 내부에 배치된 단일의 연속적인 내부 나선형 홈(28)을 갖춘 단일리드 리브형 튜브(24)를 도시하고, 제7도는 그 내부면에 연속적인 나선형 랜드 또는 리브(30) 사이 안에 배치된 한쌍의 연속적인 나선형 홈(28)을 갖춘 다중리드 리드형 튜브(32)를 도시하고 있다.
그리고 제8도는 다수의 연속적인 내부 나선형 홈(28)이 연속적인 나선형지대 또는 리브(30)사이 내부에 배치된 다중리드 리브형 튜브(36)의 다른 실시예를 도시한 것인 바, 상기 다중 또는 단일리드 리브형 튜브에 이용되는 나선형 홈(28)과 나선형지대인 리브(30)의 기하학적 설계는 튜브 외부직경과 최소 벽두께같은 기계적인 요구치 내지는 필요한 기능에 따라 선택될 수 있으며, 당해 분야에서 공지된 바와 같은 보일러와 압력용기 코드로도 활용가능하다.
또한 제9도 내지 제12도는 본 발명의 몇몇 실시예가 도시된 바, 제9도와 제10도는 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에 따른 슬라이딩압력 운전에 적합한 일회관통 수직형튜브 스팀발생기를 갖춘 보일러에 관한 것이고, 제11도와 제12도는는 본 발명의 제3실시예와 제4실시예에 따른 슬라이딩압력 운전에 적합한 일회관통 나선형튜브 스팀발생기를 갖춘 보일러에 관한 것이다.
제9도와 제10도를을 참조하면, 도면에 도시된 바와 같이 수직형튜브 일회관통스팀 발생기(40)가 도시된 바, 개략적으로 도시된 연료버너(42)에서 연소로(46)의 연소지역(44)으로 연소되는 공기와 연료혼합물이 공급되는 바, 상기 연소로(46)는 박벽(49;제13도 내지 제15도에 도시됨)에 의해 서로 결합되어져 가스누수를 막는 테두리를 형성하는 다수의 튜브를 갖춘 테두리벽(48)으로 부분적으로 구획되고, 연소산물(50;고온의 화석가스등)이 다양한 부속물과 수평 열전도면(도시되지 않음)을 가로질러 화살표 방향으로 연소로(46)를 관통하여 윗쪽 방향으로 흐르고, 출구(52)에서 스팀발생기(40)를 빠져나가게 되고, 연소산물(50)은 그 열을 주변 테두리벽(48)쪽으로 전달하여 상기 벽들을 구비한 튜브내를 흐르는 유체를 가열하게 된다.
여기서 상기 테두리벽(48)을 갖춘 튜브는 일반적으로 공장에서 다수의 판넬(54)로 미리 제조되고 이후 용접작업을 통해 연소실 테두리벽(48)으로 조립되며, 제9도와 제10도에 도시된 스팀발생기(40)의 측벽(51) 설비는 미리 제조되어 수직하게 설치되는 5개의 판넬(54)고 구성되는 바, 상기한 적정 수의 판넬(54)은 스팀발생기(40)의 정면벽(56)과 배후벽(58)을 각각 갖추고, 각 판넬(54)의 최대폭은 설치되는 다른 설비제한에 의해 결정되고, 특히 연료버너(42)용 개구부의 위치는 대체로 수직하게 설치되어진다.
그리고 박벽(49)은 각 연소로 레벨에서 모든 튜브내의 균일한 유동과 금속온도가 필수 요건인 바, 이제까지 수직튜브의 주요한 문제는 연소로내의 개별튜브들이 큰 가열 차이를 보이고 있기 때문이다.
이미 지적한 바와 같이 수직형튜브 연소로에서 튜브들 사이의 가열 차이는 나선형튜브 연소로에서보다 약 2.5배정도 크고, 1,500,000 내지 2,000,000 1b/hr-ft2평균 질량속도가 통상 일회관통 보일러에서 사용되는 속도이며, 35% 또는 평균이상의 통상의 주변 연소로 열흡수변화를 고려할 때, 상기한 질량속도는 크기를 감소시키는 속도변화를 초래하게 되는 바, 이러한 경향을 보일러 튜브의 일회관통 특성이라고 하며, 일회관통 모드에서 열의 증가로 인한 속도의 변화는 제4도 그래프에 도시된 바와 같이 음의 값이 되고, 과도한 열이 단일 튜브에 가해진다면 상기 튜브에 유체의 질량속도의 감소가 발생되어 튜브내의 유체의 출구온도를 추가적으로 증가시키게 된다.
그리고 상기 연소로 튜브가 감소된 질량속도로 운전된다면, 과열에 노출된 임의의 단일 튜브의 질량속도가 증가되고, 이러한 질량속도의 변화는 자연순환 특성으로 일컬어지는데, 수직 튜브형 일회관통 보일러의 연소로에 낮은 질량속도를 사용할 수 있게 하려면 테두리벽(48)내에 리브된 튜브를 사용하여 중핵비등분리(DNB)를 피하고 더 높은 금속온도 유발하여야만 한다.
이상에서 제기한 문제들은 본 발명에 따라 테두리벽(48)내에 매끄러운 보어튜브와, 단일리드 리브형 튜브 및/또는 다중리드 리브형 튜브를 배치시킴으로써 이루어 질 수 있는 바, 상기 단일리드 리브형 튜브(24)는 다중리드 리브형 튜브(32,36)가 사용된다면 열전도가 감소되어질 지점의 연소로(46)내에 위치하게 되는데, 상기 단일리드 리브형 튜브(24)는 소용돌이 발생과는 상이한 원리로 작동되므로 스팀과 물사이의 밀도에 의존하지 않고, 그 임계열속의 성능은 본 발명으로 제기되는 낮은 질량속도의 범위내의 임계압력 부근에서 적합하게 이루어 진다.
또한 본 발명에 따르면 단일리드 리브형 튜브(24)와 다중리드 리브형 튜브(32,36)는 수직형튜브 일회관통 스팀발생기(40)를 갖춘 판넬에 선택적으로 배치되어 제9도와 제10도에 도시된 바와 같이, 슬라이딩압력 작용에 더욱 적합하게 적용되는 한편, 나선형튜브 일회관통 스팀발생기(70)에도 배치되어 제11도와과 제12도에 도시된 바와 같이 슬라이딩압력 운전에 더욱 적합하게 적용된다.
그리고 스팀발생기(40,70)의 각 종류의 튜브조직의 위치는 운전중에 예상되는 이들 스팀발생기(40,70)가 받을 예상 부하에 대한 튜브의 유동특성과 열전도를 기초로 하여 결정되는 바, 이는 기본적으로 최대연속등급(Maximum Continuous rating;MCR)스팀 흐름의 최소 약15% 내지 30%의 최소부하로 부터 최대연소등급(MCR) 부하까지 포함하게 된다.
그리고 제9도 내지 제12도의 좌측에 스팀발생기(40,70)의 연소로(46)내에 저·중·고열속지역(QL,QM,QH)의 수직영역이 도표 범례로는 개략적으로 구획되는데, 한 지역이 끝나고 다른 지역이 시작하는 실제적인 수직 고도는 다음에서 언급될 다양한 요인에 의존하게 되면, 이러한 열속범위들의 개략적인 수치는 다음과 같다.
QL(저열속지역); 0 내지 40,000 BTU/hr-ft2
QM(중열속지역); 30,000 내지 80,000 BTU/hr-ft2
QH(고열속지역); 50,000 내지 100,000 BTU/hr-ft2 이상
그리고 상기한 연소로(46)내에서 발생하는 연소공정은 연료버너(42)와 특별한 연료에 의해 창출되는 열속속도의 수직변화를 구획하는 바, 이는 임계열속 또는 임계열속의 발생에 영향을 미칠 수 있는 열속이외의 요인을 설명하는 상기 지역의 숫자치와 일치하는 일회관통 스팀발생기 분야에서는 유용한 것이며, 연소로 테두리벽(48)의 튜브에 가해지는 실제적인 열속은 임계열속 상태가 존재하는지 아닌지를 결정하는 원인이 되는 주요한 요인이되지만, 유압이나 유속, 유량, 튜브직경, 튜브경사 및 튜브표면처리같은 다른 요인들도 테두리벽(48)의 튜브에 작용하는 임계열속 상태에 영향을 미치므로, 상기 스팀발생기(40,70)의 연소로(46)내 지역에 가해진 것과 같은 저·중·고열속지역(QL,QM,QH)의 명명은 특정 종류의 튜브가 필요한 지역을 더 간단히 기술한다.
몇몇 경우에는 고열속지역(QH) 위의 지역내에 열속치가 저열속지역(QL)의 값으로 충분하게 감소되지 않기 때문에, 중열속지역(QM)으로 나타내고, 매끄러운 보어튜브(20)보다 다중리드 리브형 튜브(32,36)가 테두리벽(48)의 상응부에 사용되어지는 한편, 다른 경우에는 열속값이 저열속지역으로 감소되기 때문에 저열속지역(QL), 레벨과 매끄러운 보어튜브(20)가 다시 사용될 수 있다.
제0도와 제10도에 도시된 바와 같이 수직형튜브 일회관통 슬라이딩압력 스팀발생기(40)는 연소로(46)의 저열속지역(QL)내에 위치한 매끄러운 튜브 둘레벽판넬(60)내에 병합된 매끄러운 튜브(20)와, 중열속지역(QM)과 고열속지역(QH)내에 위치한 단일리드 리브형 튜브(24)의 둘레벽판넬(62) 및, 다중리드 리브형 튜브(32)의 둘레벽판넬(64)의 조합을 구비하여 중핵비등 이탈과 임계열속 및 튜브 금속온도한계에 이르는 것을 피하게 된다.
한편 제11도와과 제12도에 도시된 바와 같이 나선형튜브를 갖춘 일회관통 슬라이딩압력 스팀발생기(70)는 연소로(46)의 저열속지역(QL)에 위치한 나선형 매끄러운 튜브둘레벽판넬(60)안으로 병합된 매끄러운 튜브(20)와 중열속지역(QM)과 고열속지역(QH)에 위치한 단일리드 리브형튜브(24)의 둘레벽판넬(62)과 다중리드 리브형 튜브(32,36)의 둘레벽판넬(64)의 조합을 구비하여 중핵비등 이탈과 임계열속 및 튜브 금속온도한계에 이르는 것을 피하게 되는 바, 또한 제11도와 제12도에 도시된 바와 같은 상기 테두리벽(48)을 형성하는 튜브는 수평으로부터 통상 5-10도의 예각(θ)으로 경사져 연소로(46)의 하부에서 시작하여 이 연소로(46)의 전체 둘레를 에워싸게 된다.
그리고 당해분야에서 공지된 다양한 요건으로 구획된 몇몇 상부지역에서 튜브의 위치는 수직으로 제조되어 설계되면서 앞서 설명한 공지의 고려할 사항들을 뒷받침 하게 된다.
그리고 열변화에 의해 테두리벽(48)을 형성하는 튜브내의 흐름변화로 인해 저부하에서의 자연순환 흐름특성으로부터의 일회관통보일러 또는 스팀발생기의 장점은 가능한 임계열속 상태로부터 튜브를 보호하는 방식으로 보상되어지고, 튜브에 의해 흡수된 열이 증가한다면 흐름도 비례적으로 증가하게 되며, 약 70%부하이하 같은 열이 저부하에서의 연소로 벽을 가로지르는 열의 변화가 약 70%부하이상의 부하에서보다 더 가변적일 수 있으며, 튜브내의 흐름비 역시 부하에 비례하게 되므로 예컨대, 약 50% 부하같은 저부하에서의 흐름은 전체부하에서 흐름비의 대략 절반에 해당한다.
그러므로 열속과 모든 가능한 부하에서 존재할 수 있는 가능한 흐름변화를 고려하여야만 하고, 저부하에서의 자연순환 흐름특성을 사용하여 튜브에 가해지는 열속을 증가시키도록 흐름을 증가시킴으로써 임계열속상태의 가능성을 줄이게 되며, 보일러 또는 스팀발생기가 감소된 부하에서 일회관통흐름 특성으로 작용한다면 상기한 임계열속의 관점에서 최악의 상항을 초래하는 열속 증가에 따라 흐름이 감소되므로 바람직하지 못하고, 낮은 보일러 또는 스팀발생기 부하(≤70%부하)에서 자연순환흐름특성이 요구되어지며 높은 부하에서는 일회관통흐름특성이 존재하는 경향을 띠게 된다.
한편 일회관통 수직형튜브식 슬라이딩압력 스팀발생기(40)와 일회관통 나선형튜브식 슬라이딩압력 스팀발생기(70)에 있어서, 다중리드 리브형 튜브와 단일리드 리브형 튜브의 조합 길이와 배치는 각 둘레벽 판넬(64,62)에 대해 조절되어져 상기 단일리드 리브형 튜브(24)와 다중리드 리브형 튜브(32,36)내의 최적의 자연순환 흐름특성이 이루어지도록 되어 있으며, 각 판넬(64,62)에 대한 조절이 이루어져 최적의 자연순환 흐름특성을 이루게 된다는 점을 제외하고는 동일한 공정이 이 나선형튜브식 스팀발생기(70)에도 사용된다.
여기서 상기 단일리드 리브형 튜브(24)가 다중리드 리브형 튜브(32,36)또는 매끄러운 튜브(20)보다 더 높은 흐름저항을 가지므로 그 사용이 절대적으로 필요한 위치로만 제한되어져야 하는데, 이같은 높은 흐름저항은 바람직한 자연순환 흐름특성 효과를 감소시키는 경향을 갖기 때문이다. 그러나 외주를 둘러싼 단일리드 리브형 튜브(24)와 다중리드 리브형 튜브(32,36)의 적절한 위치와 정확한 비율은 모든 높이에서 모든 수직형 박벽튜브판넬 사이 또는 모든 나선형 박벽튜브판넬 사이의 유체와 금속의 온도차를 최소화하여 모든 부하에서도 허용가능한 한계인 화씨 100°(F)이하로 유지하게 된다.
그리고 자연순환 흐름특성으로 스팀발생기(40,70)의 증발기의 튜브는 연소로튜브의 위치가 수직형이거나 나선형이거나 상관없이 튜브 설계의 함수인 상이한 열특성에도 불구하고 유사한 출구온도를 갖으며, 실제로 각 종류의 튜브조직의 위치는 연소로의 기하학적 크기와 연료의 형태, 종류및 유니트의 용량 변화요구치의 함수이다.
또한 앞서기술한 개념의 활용은 각 종류의 스팀발생기(40,70)내에 연소로(46)의 수직형 또는 나선형 판넬용으로 구분될 수 있으며, 하나의 판넬내에 튜부조직의 설치종류들 간의 변이의 위치는 이에 인접한 판넬의 튜브사이의 변이의 위치와 동일하거나 더 높거나 낮은 상이한 고도에 위치하게 된다.
그리고 다양한 종류의 매끄러운 보어튜브(20)와 단일리드 리브형 튜브(24), 다중리드 리브형 튜브(32)가 위치할 수 있는 스팀발생기(40)내의 위치를 자세히 설명하기 위해서, 제9도 내지 제12도는 도면들 좌측으로 수직 도표범례(legend;80)를 갖추고, 상기한 수직 도표범례(80)는 연소로(46)의 몇몇 지역을 개략적으로 구획하면서 구분하는 바, 즉 상기 연소로(46)의 바닥에서부터 직접적으로 수직상방향으로 이동하는 순서는 하부(82)와 제1중간부(84), 제2중간부(86)및, 상부(88)를 나타내며, 상기 상부(88)는 제10도와 제12도에 있어서 제1상부(90)와 이 제1상부(90)바로 윗쪽에 제2상부(92)로 구분되며, 다양한 종류의 튜브(20,24,32)는 상기한 부분에 각 튜브가 노출된 열유압상태에 의거하여 특정종류의 튜브와 함께 배치 된다.
따라서 본 발명은 기존의 수직형튜브 일회관통 슬라이딩압력스팀 발생기와 나선형 또는 수평형 일회관통 슬라이딩 보일러장치의 다중리드 리브형 튜브와 매끄러운 보어튜브의 사용으로 결부된 열유압문제를 해소하게 되는 바, 수평형 튜브 일회관통 스팀발생기에 있어서, 예각(θ)은 0도가 될 수 있으며, 상기 튜브가 연소로의 외부주위를 단일하게 에워싸는 것이 완료됨에 따라 단기간동안 수직쪽으로 고르게 구부러져 앞선 레벨로부터 수직으로 분지되면서 그 초기의 수평방향에 대향한 방향으로 다시 수평하게 에워싸기 시작하게 된다.
또한 본 발명에 따르면 기존의 나선형 연소로에다 보다 수직형튜브식 연소로로 적용됨으로서 큰 비용절감을 꾀할 수 있으며, 본 발명에 따르면 낮은 최소부하와 연소로 회로를 가로질러 저압력 강하를 가지므로 적은 운전력을 요구됨에 따라 부하가 적은 공급펌프를 사용할 수 있게 되는 한편, 상기한 바와 같은 개량된 슬라이딩압력 일회관통 보일러는 완전부하와 일부 부하에서 기존의 일회관통 보일러와 임계이하의 드럼형 보일러에 비해 효율을 증가시킬 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명은 특별한 실시예들를 참조로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위에서 다양한 변형실시예가 가능하다.

Claims (20)

  1. 유체냉각밀폐벽체들에 의해 부분적으로 구획되는 연소로를 갖추고 특히 저부하와 넓은 부하범위에 걸쳐 슬라이딩 압력운전에 적합한 일회관통형 스팀발생기에 있어서, 한개 이상의 고열속지역과 한개 이상의 저열속지역을 가진 상기 테두리벽상에 열속비율의 수직변화가 이루어지도록 연소과정에서 연료와 공기를 연소시키기 위한 연료버너와, 매끄러운 보어튜브가 설치된 연소로의 한개 이상의 저열속지역을 감싸는 테두리벽들로 이루어지되, 상기 테두리벽이 한개 이상의 고열속지역 내에서 중핵비등분리와 임계열속을 피하도록 단일리드 리브형 튜브와 다중리드 리브형 튜브 양자를 구비한 한개이상의 고열속지역을 감싸서 이루어진것을 특징으로 하는 단일 및 다중리드 리브형 튜브를 갖춘 일회관통형 스팀 발생기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테두리벽은 연소로의 하부를 둘러싸서 벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브와, 상기 연소로의 하부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이 연소로의 제1중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 다중리드 리브형 튜브, 상기 제1중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이 연소로의 제2중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 단일리드 리브형 튜브및, 상기 제2중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이 연소로의 상부를 둘러싸서 벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브로 이루어지되, 상기 연소로의 각부분에 있는 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 연소로의 각부분에 있는 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이 연소로의 하부에 있는 튜브로 유입된 유체가 상기 연소로의 상부에 있는 튜브쪽으로 이송되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 연소로에서는 연속 작용시 한개이상의 저열속지역과 한개이상의 중열속지역및 한개이상의 고열속지역을 갖춘 테두리 벽에서 열속비율의 수직변화가 발생되는 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀 발생기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 테두리벽은 연소로의 하부를 둘러싸서 벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브와, 상기 연소로의 하부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이 연소로의 제1중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 다중리드 리브형 튜브, 상기 제1중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이 연소로의 제2중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 단일리드 리브형 튜브, 상기 제2중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이 연소로의 상부의 제1상부를 둘러싸서 둘레벽 판넬을 형성하는 다중리드 리브형 튜브및 , 상기 상부의 제1부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이 연소로의 상부의 제2상부를 둘러싸서 벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브로 이루어지되, 상기 연소로의 각 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연소로의 각부분에 있는 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이 연소로의 하부에 있는 튜브로 유입된 유체가 상기 연소로의 상부에 있는 튜브쪽으로 이송되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 테두리벽은 미리 공장에서 제조된 튜브를 갖춘 박벽판넬들이 인접한 박벽판넬들과 용접되어 가스의 밀봉이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 조립 용접되는 벽판넬들은 튜브의 수직판넬 안으로 조립 설치되는 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 테부리벽은 연소로의 하부및 중간부가 수평방향에 대해 예각(θ)으로 경사진 튜브의 나선형 판넬안으로 조립 설치되어 연소로의 주변을 둘러싸도록 이루어진 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  10. 유체밀폐냉각 테두리벽에 의해 부분적으로 구획되는 연소실을 갖추고 이 테두리벽을 형성하는 튜브들에 유체를 이송시키어 스팀을 발생하는 수직형튜브식 일회관통형 스팀발생기에 있어서, 상기 연소로의 하부를 둘러싸서 벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브와, 이 연소로의 하부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 연소로의 제1중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 다중리드 리브형 튜브, 상기 제1중간부의 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 연소로의 제2중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 단일리드 리브형 튜브및, 상기 제2중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 연소로의 상부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브로 이루어지되, 이들 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 연소로의 각 부분에 있는 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이 연소로의 하부에 있는 튜브로 유체가 유입되어 상기 연소로의 상부에 있는 튜브쪽으로 이송되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 일회관통형 스팀발생기.
  12. 제10항에 있어서, 상기 연소로의 상부의 제1상부를 다중리드 리브형 튜브가 감싸되, 상기 제1상부는 제2중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되고 상기 매끄러운 보어튜브가 연소로의 상부의 제2상부에 배치된 연소실 상부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하며, 상기 제2상부는 상부의 제1상부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형튜브식 일회관통형 스팀보일러.
  13. 제10항에 있어서, 상기 테두리벽은 미리 공장에서 제조된 튜브를 갖춘 박벽판넬들이 인접한 박벽판넬들과 용접되어 가스의 밀봉이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수직튜브식 일회관통형 스팀발생기.
  14. 유체밀폐냉각 테두리벽에 의해 부분적으로 구획되는 연소실을 갖추고 이 테두리벽을 형성하는 튜브들에 유체를 이송시키어 스팀을 발생하는 나선형튜브식 일회관통형 스팀발생기에 있어서, 상기 연소실의 하부를 둘러싸서 벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브와, 상기 하부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 연소로의 제1중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 다중리드 리브형 튜브, 상기 제1중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 연소로의 제2중간부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 단일리드 리브형튜브및, 상기 제2중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 연소로의 상부를 둘러싸서 둘레벽판넬을 형성하는 매끄러운 보어튜브로 이루어지되, 상기 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형 튜브식 일회관통형 스팀발생기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 연소로의 각 부분에 있는 튜브들은 서로 유동적으로 연결되어 이 연소로의 하부에 있는 튜브로 유체가 유입되어 상기 연소로의 상부에 있는 튜브쪽으로 이송되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 선형튜브식 일회관통형 스팀발생기.
  16. 제14항에 있어서, 상기 연소로의 상부의 제1상부를 다중리드 리브형 튜브가 감싸되, 상기 제1상부는 제2중간부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 상기 매끄러운 보어튜브가 연소로의 상부의 제2상부에 배치된 연소실 상부를 둘러싸서 벽판넬을 형성하며, 이 제2상부는 상부의 제1상부 바로 윗쪽에 수직으로 배치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형튜브식 일회관통형 스팀발생기.
  17. 제14항에 있어서, 상기 테두리벽은 미리 공장에서 제조된 튜브를 갖춘 박벽판넬들이 인접한 박벽판넬들과 용접되어 가스의 밀봉이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 나선형튜브식 일회관통형 스팀발생기.
  18. 제14항에 있어서, 상기 테두리벽은 연소로의 하부와, 제1중간부, 제2중간부 및 상부의 제1상부들이 수평방향에 대하여 예각(θ)으로 경사지게 이 연소로 주변을 감싸도록 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형튜브식 일회관통형 스팀발생기.
  19. 제4항에 있어서, 상기 튜브들은 연소로의 하부와 제1중간부, 제2중간부및, 상부의 제1상부들이 수평방향에 대하여 예각(θ)으로 경사지게 이 연소로 주변을 감싸도록 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형튜브식 일회관통형 스팀발생기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 연소로 상부의 제2상부를 둘러싸는 튜브는 대체로 수직방향으로 연장되어 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형튜브식 일회관통형 스팀발생기.
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