KR100260468B1 - 화석 연료 연속흐름 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

수직 파이프(2,3)로된 수직 연도(1)를 가진 화석 연료 버너를 구비한 연속증기 발생기에 있어서, 상기 파이프의 유입단부는 유입 매니폴드(9)에, 그리고 그것의 유출 단부는 유출 매니폴드(12)에 접속된다. 본 발명에 따라 각각의 파이프(2)로부터 동일한 높이(H)에 균압 파이프(25)가 분기되며, 상기 파이프(25)는 균압 용기(4)에 접속되고, 상기 높이(H)는 유입 매니폴드(9)와 균압 파이프(25)의 분기 사이에 있는 개별 파이프(2)의 과열시 모든 파이프(2)의 평균 가열에 비해 상기 개별 파이프(2)를 통과하는 유동량이 증가하도록 선택된다.

Description

화석 연료 연속흐름 증기 발생기

제1도는 연속 흐름 증기 발생기를 개략적으로 나타낸 종단면도이고,

제2도는 균압 용기로 연결되는 연속 흐름 증기 발생기의 균압관을 갖춘 단일관의 확대 종단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 수직 가스 연도 2, 3 : 관

4 : 균압 용기 5, 9, 17, 20 : 유입 헤더

7, 12, 19, 22 : 배출 헤더 11 : 메인 버너

14 : 분리기 25 : 균압관

본 발명은 유입 단부가 유입 헤더에 연결되고 배출 단부가 배출 헤더에 연결되는 수직 관의 수직 가스 연도를 가진 화석 연료 버너를 구비한 연속 흐름 증기 발생기에 관한 것이다.

본 발명은 또한 하단부에 깔대기부를 갖는 연속 흐름 증기 발생기에 관한 것으로서, 이러한 깔대기부는 가스 기밀 방식으로 서로 용접된 적어도 4개의 벽을 갖추고 있고, 관에 대한 유입 헤더 및 배출 헤더를 갖추고 있다.

수직 관으로 구성된 노벽을 구비한 화석 연료 연속 흐름 증기 발생기에서, 노벽의 관은 배출부에서 종종 큰 온도차를 나타내는데, 그 이유는 평행관 시스템의 각각의 관으로 상이한 열이 전달되기 때문이다. 상이한 열량이 전달되는 원인은 상이한 열 유량(heat flux) 밀도 분포의 차 -예컨대, 노의 코너부에서는 버너 근처에서 보다 적은 열이 전달됨 - 및 석탄 연소용으로 설계된 연속 흐름 증기 발생기인 경우에는 특히 깔대기형 영역에서의 가열되는 관 길이의 차이 때문이다.

이와 같은 관 단부에서의 온도차를 줄이기 위해, VGB Kraftwerks-technik 64, 4권 298 및 299페이지에는 스로틀 오리피스 및 균압 헤더를 적용시키는 기술이 개시되어 있다. 이러한 기술에 따르면, 각각의 관의 물/증기 처리량이 관의 가열 정도 및 길이차에 적응되도록 각각의 관은 그의 유입부에 스로틀 오리피스를 갖추고 있다. 그러나, 이러한 기술은 관 유입부에 있는 스로틀 오리피스가 단지 단일의 작동 상태에 대해서만 설계될 수 있고, 따라서 노벽의 다양한 결함에 의해 개별 관에서 비례적인 온도차 보다 큰 온도차가 발생될 수도 있는 문제점이 있다. 또한, 스로틀 오리피스는 막히게 될 수 있고, 이 경우에는 관련된 관에 물이 거의 공급되지 않을 수도 있는 문제점이 있다.

상기한 경우, 균압 헤더는 습증기 구역 - 즉, 모든 관이 동일한 온도를 가지지만 상이한 증기 함량을 갖는 습증기가 통과하는 영역 - 에서 보일러의 부하가 35%일 때 80%의 평균 증기 함량이 얻어지는 곳에 배치된다. 증발기의 잔체 질량유동이 균압 헤더를 통과하므로, 그 결과로써 평행한 관다발의 각각의 관으로부터 빠져 나온 습증기의 혼합이 이루어지게 된다.

따라서, 상기 공지된 균압 헤더는 하나의 인출 관들이 물을 우세하게 수용하고, 다른 관들은 증기를 우세하게 수용하는 방식으로 유입되는 습증기의 분리가 일어나도록 한다. 결과적으로, 균압 헤더 위의 관벽이 균일하게 가열되더라도 증기의 온도 증가에는 큰 차이가 있을 것이고, 따라서 관벽의 온도차가 발생하고, 이에 기인한 열 응력에 의해 관이 균열되어 파괴될 수도 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 개별적인 각각의 관이 불가피하게 상이하게 가열되더라도, 모든 관의 배출부에서 증기 온도가 실질적으로 동일하고, 또한 관 유입부에서 스로틀 오리피스의 막힘에 의해 발생될 수 있는 작동장애가 방지되도록 수직 가스 연도의 관벽이 설계된 화석 연료 연속 흐름 증기 발생기를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 연속 흐름 증기 발생기는,

화석 연료용 버너,

유입 헤더,

배출 헤더,

증기가 관류하는 수직적으로 배열된 관들을 포함하는 수직 가스 연도,

균압 용기, 및

수직적으로 배열된 각각의 관으로부터 분기되어 있고 버너 위의 동일한 높이에서 분기되어 균압 용기에 연결되어 있는 균압관들을 포함하고 있으며, 그리고 수직적으로 배열된 관들이 유입 헤더에 연결된 유입 단부와 배출 헤더에 연결된 배출 단부를 각각 갖추고 있으며, 배출 단부는 증기를 특정한 온도로 배출 헤더로 이송시키며, 수직적으로 배열된 관내의 측지적 압력 강하가 수직적으로 배열된 관내의 마찰에 기인한 압력 강하의 수 배 이상이 되도록 수직적으로 배열된 각각의 관의 분기점의 높이가 선택되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 수직적으로 배열된 관들은 다중 나사산을 형성하는 내부 리브를 갖추고 있으며, 이러한 내부 리브가 수직적으로 배열된 관의 길이의 50%를 초과한다.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, 수직 가스 연도의 수직적으로 배열된 관들을 가스 기밀 방식으로 연결하는 하나 이상의 용접부를 더 포함하고 있다.

상기한 본 발명의 목적은 보다 강하게 가열되는 관이 평균적 가열을 받고 있는 평행관과 비교하여 보다 큰 유동량을 가질 수 있는 높이에서 균압 용기를 노벽의 외부면에 배치함으로써 달성된다. 이는 일반적으로 평균 가열된 관의 측지적(geodetic) 압력 강하가 마찰에 기인한 압력 강하의 수 배인 경우이다. 이러한 압력 강하는 증발기로의 입구에 놓인 헤더와 균압 용기로의 하류 분기 사이에 놓인 증발기 관의 부분에서 일어난다. 보다 강력히 가열되는 관에서 질량유동 증가에 대한 조건은 다음과 같다.

즉, 유량(M)이 일정하게 유지되는 강력한 가열(△Q)의 경우에는, 고려되는 관 부분의 총 압력 강하(△P_ges)가 줄어들어야 함을 의미한다. 내부에 리브를 구비한 관에 있어서 마찰에 기인한 압력 강하(△P_R)는 Q. Zheng, W. Koehler, W, Kastner 및 K. Riedle 저, “Druckverlust in glatten und innenberippten Verdampferrohren, Waerme - und Stoffuebertragung 26” 323-330 페이지, Springer 출판사, 1991에 따라 결정될 수 있는 반면, 측지적 압력 강하(△P_G)는 Z. Rouhani 저 “Modified Correlation for void-fraction and two-phase pressure drop”, AE-RTV-841, 1969에 따라 결정될 수 있다. 이에 비해, 가속에 기인한 압력 강하(△P_B)는 별로 중요하지 않으며 상기 계산에서 무시될 수도 있다.

그러나, 본 발명에 따르면, 강력한 가열을 받고 있는 관 내의 질량유동은 일정하게 유지되는 것이 아니라 오히려 증가되어야 한다(△M>0). 만일 등식(1)이 충족된다면, 이것은 평행관 시스템의 경우이다. 따라서, 보다 강력하게 가열되는 관에는 다음의 식(2)이 적용된다.

상기 식(2)은 질량 유동의 한도에 대한 어떤 증가가 있음을 말하는 것이 아니고, 보다 강력한 가열을 단지 완전히 보상하는 증가에 대한 것이다. 이 경우에 보다 강력하게 가열되는 관에도 평균적으로 가열되는 관에서와 동일한 열 증가, 즉 동일한 엔탈피 증가가 이루어질 것이며, 이것은 전술한 온도차를 0까지 매우 현저하게 감소시킬 것이다. 이것에 대한 조건은 다음 식(3)과 같다.

상기 식(3)에서, Ref는 평균 유량(M) 및 평균 열 흡수(Q)을 가진 기준 관을 나타낸다.

실제로, 식(3)의 조건이 항상 충족되는 것은 아니다. 따라서, 균압 용기의 높이, 즉 내부 리브가 일부분 이상의 길이로 내장된 수직 관의 평행관 시스템에 균압 용기를 설치하는 높이는 다음의 조건식들 중 하나가 충족되도록 선택된다.

이러한 유동 구성은 모든 평행관이 상이하게 가열될 때 상이한 유량을 형성하지만, 관의 증기 함량(습증기의 경우) 또는 온도(과열된 증기의 경우)가 대략 동일하기 때문에, 전체 질량유동이 균압 헤더를 통과될 필요가 없도록 한다. 전체 질량유동이 균압 헤더를 통과하는 것은 재차 물-증기 혼합물(습증기)이 분리될 위험이 있기 때문에 바람직하지 못하다. 따라서, 전체 습증기 스트림의 일부만이 관류하는 단 하나의 균압 용기가 제공된다. 이러한 자가-조절 부분-스트림(self-adjusting partial-stream)은 흐름 분포의 균일화 및 유입 헤더와 균압 용기로 뻗은 균압관 사이의 평행관에서 형성되는 가열 프로파일에 매칭되는 흐름 분포를 일으킬 뿐만 아니라, 균압관을 통해 낮은 유량을 갖는 관에 부가의 질량 유동을 공급함으로써, 균압관과 그 하류의 배출 헤더 사이의 관에서 거의 균일한 흐름 분포가 이루어지도록 한다. 습증기가 물과 증기로 분리될 위험이 없기 때문에, 증기 발생기 상부에서 모든 관이 대략 동일한 온도를 가지며, 또한 열 응력으로 인한 손상이 생기지 않는다.

이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

수직 가스 연도(1)를 갖춘 제1도에 따른 연속 흐름 증기 발생기는 관벽으로 이루어지며, 이러한 관벽은 수직적으로 서로 나란히 배열된 관(2)이 가스 기밀 방식으로 서로 용접된 하부와, 수직적으로 서로 나란히 배열된 관(3)이 가스 기밀 방식으로 서로 용접된 상부를 포함하고 있다. 가스 기밀방식으로 서로 용접된 관은 예컨대 관-웨브(web)-관 구조 또는 핀(fin)형 관구조의 가스 기밀 방식의 관벽을 형성한다.

수직 가스 연도(1)는 그의 하단에 재(ash)를 수집하기 위한 깔대기부(10)를 갖추고 있으며, 깔대기부의 둘레벽은 마찬가지로 관벽에 의해 형성되어 있다. 수직 가스 연도(1)의 하부에는 화석 연료용 메인 버너(11)가 설치되어 있다.

관(2)의 유입 단부는 유입 헤더(9)에 연결되어 있고, 유입 헤더(9)의 중심축에서부터 측정할 때 높이(H)에서 관(2)의 배출 단부가 관(3)의 유입 단부로 직접 연결되어 있다. 관(3)의 배출 단부는 배출 헤더(12)에 연결되어 있다.

배출 헤더(12)는 연결라인(13)을 통해 분리기(14)에 연결되어 있으며, 이러한 분리기(14)에는 배출라인(15) 및 연결라인(10)이 연결되어 있다.

연결라인(16)은 과열기 가열표면(18)의 유입 헤더(17)로 뻗어 있으며, 이러한 과열기 가열표면(18)의 배출 단부는 과열기 배출 헤더(19)에 연결되어 있다. 또한, 수직 가스 연도(1)의 내부에는 유입 헤더(20) 및 배출 헤더(22)를 갖춘 중간 과열기 가열표면(21)과, 유입 헤더(5) 및 배출 헤더(7)를 갖춘 이코노마이저 가열표면(6)이 배치되어 있다. 배출 헤더(7)는 연결라인(8)을 통해 유입 헤더(9)에 연결되어 있다.

제2도는 균압관(25)이 분기되는 위치(H)에서 관(2)의 배출 단부가 관(3)의 유입 단부에 직접 연결되는 하나의 단일 관(2)을 도시하고 있다. 균압관(25)은 수직 가스 연도(1)의 외부에 놓인 균압 용기(4)에 연결되어 있다. 관벽의 각각의 관(2)으로부터 각각 하나의 균압관(25)이 분기되어 있다.

급수 펌프(도시되지 않음)는 물을 유입 헤더(5)로, 그리고 거기서부터 이코노마이저 가열표면(6)내로 공급하며, 이코노마이저 가열표면(6)에서 물이 예열된다. 그후, 물은 연결라인(8) 및 유입 헤더(9)를 통해 수직연도(1)의 관벽의 관(2)내로 흐르고 거기서 대부분이 증발한다. 나머지 증발과 첫번째 과열이 수직 가스 연도(1)의 관벽의 관(3) 내에서 일어난다.

분리기(14)는 시동 공정 동안에만 작동한다. 즉, 불충분한 열공급으로 인해 관벽내의 물이 전부 증발하지 않은 동안에 작동한다. 분리기(14)에서는 유입된 물-증기 혼합물이 분리된다. 분리된 물은 배출라인(15)을 통해, 예컨대 도시되지 않은 방출부로 이송되고, 분리된 증기는 연결라인(16)을 통해 과열기 가열표면(18)으로 흐른다. 중간 과열기 가열표면(21)에서 증기 터빈의 고압부에서 방출된 증기가 재가열된다.

수직적으로 배열된 관(2, 3)내의 질량유동 밀도는 관 내의 측지적 압력 강하가 마찰에 기인한 압력 강하 보다 훨씬 더 크도록 선택된다. 따라서, 보다 강하게 가열되는 관은 보다 높은 유량을 수용하게 되고, 배출 온도의 견지에서 볼 때 과열의 효과가 대부분 보상되게 한다. 예컨대, 단일-경로 구조의 연속 흐름 증기 발생기에 사용되는 바와 같은 매우 긴 수직 증발기 관에서, 100% 부하와 관련해서 1000kg/m²s 이하의 낮은 질량유동 밀도에도 불구하고, 수직 가스 연도의 상부의 관에서의, 즉 관(3)에서의 마찰에 기인한 압력 강하는 큰 증기 부피로 인해 현저하게 증가된다. 따라서, 마찰에 기인한 압력 강하는 측지적 압력 강하에 비해 현저하게 커져서, 보다 강하게 가열된 관의 유량이 평행관에 비해 오히려 줄어들고, 이로 인해 관 단부에서는 바람직하지 못한 높은 증기 온도가 발생하게 된다.

균압 용기(4)는 압력 강하에 관련해서 관(2)을 관(3)으로부터 분리시키는 효과를 가진다. 하부로부터 상부로 관류되며 유동에 따라 평행하게 연결된 모든 관(2)은 유입 헤더(9)와 균압 용기(4) 사이에서 동일한 압력 강하를 갖는다. 이러한 압력 강하 중에서 측지적 압력 강하의 양이 마찰에 기인한 압력 강하의 양의 수 배이고, 이는 개별 관이 더욱 강하게 가열되는 경우에는 증가된 유량을 이용하는 것이 매우 효과적임을 의미한다. 이는 깔대기부 및 메인 버너의 영역에서 상이한 가열이 특히 두드러지는 수직 가스 연도(1)의 하부에서 중요하다.

관(3)이 놓이는 수직 가스 연도(1)의 상부에서의 가열 및 그의 불균일성은 수직 가스 연도(1)의 하부에서 보다 적다. 균압 용기(4)는 균압관(25)의 일부분을 통해 관(2)으로부터 균압 용기(4)로 흐르게 하는 부분-스트림을 일으키고, 또한 균압관(25)의 다른 부분을 통해 균압 용기(4)로부터 관(3)으로 부분-스트림이 흐르게 하는 작용을 한다. 따라서, 심지어 관(2)이 매우 상이하게 가열되는 경우에도, 관(2)의 불균일한 흐름에도 불구하고 관(3)의 균일한 흐름이 얻어진다.

본 발명에 따르면, 이러한 효과는, 100% 부하에서 개별 관이 a%의 증가된 가열을 받는 경우 상기 개별 관의 질량유동이 다른 제한 조건에 따라서 적어도 0.25·a% 또는 0.50·a% 또는 0.75·a%만큼 증가하는 높이에서 균압 용기가 평행관 시스템에 연결되는 경우에, 특히 명백하게 나타난다.

관이 다중 나사산을 형성하는 내부 리브를 갖춘 경우에는, 관(2, 3)의 냉각이 개선됨으로써 관벽 온도가 떨어진다. 이것은 특히 높은 열방출 영역에서, 예컨대 버너(11)의 영역에서 필요하다. 다중 나사산을 형성하는 리브는 바람직하게는 관(2) 길이의 50% 이상 연장되어 있다.

공지된 균압 헤더를 갖춘 장치와 비교하여, 불꽃 챔버의 영역에서 내부에 리브를 구비한 관 및 균압용기를 가진 본 발명에 따른 장치는 내부 리브를 구비한 관의 양호한 열전달 특성으로 인해 질량유동 밀도가 전체 부하시 1000kg/m²s 보다 작을 것이다.

Claims (3)

1. 연속 흐름 증기 발생기로서, 화석 연료용 버너, 유입 헤더, 배출 헤더, 증기가 관류하는 수직적으로 배열된 관들을 포함하는 수직 가스 연도, 균압 용기, 및 상기 수직적으로 배열된 각각의 관으로부터 분기되어 있고 버너 위의 동일한 높이에서 분기되어 상기 균압 용기에 연결되어 있는 균압관들을 포함하고 있으며, 그리고 상기 수직적으로 배열된 관들이 상기 유입 헤더에 연결된 유입 단부와 상기 배출 헤더에 연결된 배출 단부를 각각 갖추고 있으며, 상기 배출 단부는 상기 증기를 특정한 온도로 상기 배출 헤더로 이송시키며, 상기 수직적으로 배열된 관 내의 측지적 압력 강하가 상기 수직적으로 배열된 관 내의 마찰에 기인한 압력 강하의 수 배 이상이 되도록 상기 수직적으로 배열된 각각의 관의 분기점의 높이가 선택되는 연속 흐름 증기발생기.
2. 제1항에 있어서, 상기 수직적으로 배열된 관들이 다중 나사산을 형성하는 내부 리브를 갖추고 있으며, 상기 내부 리브가 상기 관의 길이의 50%를 초과하는 연속 흐름 증기 발생기.
3. 제1항에 있어서, 상기 수직 가스 연도의 상기 수직적으로 배열된 관들을 가스 기밀 방식으로 연결하는 하나 이상의 용접부를 더 포함하는 연속 흐름 증기 발생기.