KR100294729B1 - 보일러 - Google Patents

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KR100294729B1
KR100294729B1 KR1019980706187A KR19980706187A KR100294729B1 KR 100294729 B1 KR100294729 B1 KR 100294729B1 KR 1019980706187 A KR1019980706187 A KR 1019980706187A KR 19980706187 A KR19980706187 A KR 19980706187A KR 100294729 B1 KR100294729 B1 KR 100294729B1
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후미오 고다
데츠오 미무라
다카요 가와세
시게키 모리타
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가노 다다가쯔
바브콕-히다찌 가부시끼가이샤
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

현가형 과열기(52, 53) 만이 노의 출구에 배치된다. 이 과열기는 보일러가 최대부하에 있을 때 과열기의 하류에서 배기가스의 온도가 1000℃ 내지 1100℃가 되도록 전열면적의 크기가 정해진다. 과열기(52, 53)의 배기가스 통로의 하류는 배기가스의 흐름을 따라 보조통로로 분할되고, 각각의 보조통로를 흐르는 배기가스의 유량을 제어하기 위해 댐퍼가 각각의 보조통로의 출구에 배치된다. 가로형 재열기(41)는 보조통로 내에 배치된다. 재열기(41) 근처를 흐르는 배기가스의 온도(1000℃ 내지 1100℃)와 재열기(41)를 통해 흐르는 증기의 온도 사이의 차이가 크기 때문에, 전열면적이 작을 경우에도 열교환이 고효율로 수행될 수 있다. 따라서, 이러한 형상은 재열기(41)의 전열면적, 또는 보일러의 전체 크기가 커지는 것을 방지할 수 있게 한다.

Description

보일러{BOILER}
발전설비에서, 고압터빈 내에서 비교적 저압으로 일을 한 증기가 터빈으로부터 추출되고, 재열되어 중간압력 터빈 및 고압터빈으로 공급되어 그 내부에서 일을 함으로써, 터빈 전체의 열효율을 향상시킨다. 상술된 보일러는 예를 들어 상기와 같은 발전설비에 사용된다.
상기 보일러에서, 비교적 고온 고압의 증기를 발생시키는 과열기(superheater) 및 비교적 고온 저압의 증기를 발생시키는 재열기가 상류측 배기가스 통로에 배치되고, 이 상류측 배기가스 통로를 통해 노의 통로 내에서 연료의 연소에 기인하여 발생되는 배기가스가 통과한다. 특히 중용량 또는 대용량의 보일러에서, 발전설비에 사용되는 이 보일러의 최대지속 증발율은 적어도 500t/hr이고, 재열기는 과열기와 마찬가지로 고온 증기를 얻을 수 있도록 비교적 고온의 상류측 배기가스 통로에 배치된다.
어떤 유형의 보일러에 있어서는, 하류측 배기가스 통로가 배기가스의 흐름을따라 2개 이상의 보조통로로 분할되고, 상기 각각의 보조통로의 하류부에는 각각의 보조통로를 통과하는 배기가스의 유량을 조절하기 위한 댐퍼가 제공된다. JP-A-59-60103호 및 JP-A-58-217104호에는, 하나 또는 두 개의 보조통로 안에 재열기가 배치되고 나머지 보조통로 안에 과열기가 배치되는 구조가 개시된다. JP-A-62-33204호에는 하나의 보조통로 안에 과열기 및 절탄기가 배치되고, 다른 보조통로 안에는 증발기 및 절탄기(economizer)가 배치되는 구조가 개시된다.
노의 출구와 연통하는 상류측 배기가스 통로에서는, 비교적 고온의 배기가스가 통과하고, 현가형 고온측 과열기가 배치되고, 또한 이 고온측 과열기의 하류측에 현가형 고온측 재열기가 배치된다. 하류측 배기가스 통로에 비하여 상류측 배기가스 통로 안에서 열전달이 보다 효율적으로 수행된다. 이는 노 내의 연소화염에서 나오는 복사에 의한 가열에 의해 상류측 배기가스 통로 내의 배기가스의 온도가 하류측 배기가스 통로 내에서 보다 높아지기 때문이다. 유효한 열전달이 수행되는 상류측 배기가스 통로 안에 고온측 과열기가 배치되기 때문에, 과열기의 전열 부분의 면적이 커지는 것을 방지할 수 있고, 즉 과열기 전체의 크기를 축소시킬 수 있을 뿐만 아니라 더 높은 열전달 효율을 얻는 것이 가능해진다. 결과적으로, 보일러 전체의 크기 및 중량이 커지는 것을 방지할 수 있게 된다.
비교적 고온의 배기가스가 통과하는(또는 열전달율이 높은) 상류측 배기가스 통로 내에 고온측 재열기를 위치시킴으로써 재열기 전체의 크기를 축소시키는 것이 가능하므로, 고온측 과열기와 마찬가지로 고온측 재열기가 고온측 과열기의 바로 다음에 오게 된다. 그러나, 상류측 배기가스 통로 내에 배치된 고온측 과열기 및고온측 재열기의 크기가 축소되기 때문에, 이렇게 축소된 고온측 과열기 및 고온측 재열기 만에 의해, 고온측 과열기 및 고온측 재열기 전체에 필요한 전열면적을 얻기는 어렵다. 따라서 추가적인 과열기 및 재열기를 설치하는 것이 필요하다. 이들이 곧 가로형 저온측 과열기 및 저온측 재열기이고, 이들은 각각 현가형 고온측 과열기 및 고온측 재열기의 하류에서 하류측 배기가스 통로의 각각의 보조통로 내에 배치된다. 열효율의 관점에서, 현가형 고온측 과열기는 상류측 배기가스 통로 내에서 다른 것 보다 상류측에 배치된다. 따라서, 고온측 재열기는 상류측 배기가스 통로, 즉 고온측 과열기의 하류측의 제한된 공간 안에 배치되어야만 한다. 이것은 충분한 크기를 갖는 고온측 재열기를 설치하는 것을 불가능하게 한다. 고온측 재열기가 충분한 크기를 가질 수 없기 때문에, 재열기 전체에 필요한 전열면적의 주요부분이 되는 하류측 배기가스 통로의 보조통로 안에 가로형 저온측 재열기를 부가적으로 설치할 필요가 있다. 저온측 과열기 및 저온측 재열기 내의 증기는 대류에 의해 가열된 다음, 고온측 과열기 및 고온측 재열기를 거쳐 예를 들어 발전터빈과 같은 보일러의 외측으로 공급된다. 저온측 과열기 및 저온측 재열기와 접촉하게 되는 배기가스의 유량을 조절하기 위해, 내부에 저온측 과열기 및 저온측 재열기가 설치된 각각의 보조통로 안에 댐퍼가 배치된다. 저온측 과열기 및 저온측 재열기 내의 증기는 댐퍼를 제어함으로써 소정 온도까지 가열되고 고온측 과열기 및 고온측 재열기로 각각 공급된다.
저온측 과열기 및 저온측 재열기 내에서 증기의 온도제어는 상술된 바와 같이 댐퍼를 조절함으로써 수행된다. 그러나, 고온측 과열기 및 고온측 재열기가 보조통로의 상류에 배치되기 때문에, 댐퍼에 의한 증기의 온도제어는 상기와 같은 고온측 전열장치 내에서 수행되지 않는다. 따라서, 저온측 과열기 및 저온측 재열기 내의 증기온도 제어는 터빈 입구에서의 증기온도에 직접 작용하지 않는다. 환언하면, 저온측 과열기의 출구 내의 증기온도 변화와 고온측 과열기의 출구에서의 증기온도 변화 사이에서, 그리고 저온측 재열기의 출구에서의 증기온도 변화와 고온측 재열기의 출구 또는 터빈의 입구에서의 증기온도 변화 사이에서 시간지연 또는 부동시간(dead time)이 있게 된다.
댐퍼의 제어이득이 향상되어 부동시간을 단축시키는 경우에는, 보일러 시스템이 불안정해지고 분기되어, 제어성(controlability)을 낮추게 된다. 특히 재열기에 대하여, 재열기 전체에 필요한 전열면적의 주요부분이 되는 재열기가 보조통로 안에 배치되므로 제어성이 떨어진다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은 각 재열기의 전열면적을 불필요하게 크게 하지 않고도 증기온도 제어가능성이 향상된 보일러를 제공하는 것이다.
본 발명은 보일러에 관한 것으로, 특히 중용량 또는 대용량이고, 보일러의 최대지속 증발율이 적어도 500t/hr인, 전력산업용 재열기(reheater)를 구비하는 보일러에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 보일러를 도시하는 측면도;
도 2는 종래의 보일러를 도시하는 측면도.
상기한 바와 같은 목적을 위해, 본 발명에 따르면, 노; 일단부가 상기 노의 출구와 연통하는 상류측 배기가스 통로; 상기 상류측 배기가스 통로의 타단부와 연통하고 배기가스의 흐름을 따라 보조통로로 분할되는 하류측 배기가스 통로; 상기 하류측 배기가스 통로 내에 배치되는 가로형 전열장치; 및 상기 보조통로 각각의 출구에 배치되어 각각의 보조통로를 통과하는 배기가스의 유량을 제어하기 위한 수단을 포함하여 이루어지는 보일러에 있어서, 상기 상류측 배기가스 통로 내에 배치되고, 전체가 과열기이고, 상기 보일러가 최대 부하에 있을 때 상기 하류측 배기가스 통로의 입구에서 배기가스 온도가 1000℃ 내지 1100℃가 되도록 그 전열면의 크기가 정해지는 현가형 전열장치를 더욱 포함하는 보일러가 제공된다.
본 발명에 따르면, 하류측 배기가스 통로의 입구에서의 배기가스의 온도가 종래의 보일러에 비하여 높기 때문에, 재열기를 통과하는 증기와 배기가스 사이의 열효율이 크게 되고, 따라서 재열기의 전열면적을 크게 하는 것이 불필요하게 된다.
또한 하류측 배기가스 통로의 보조통로 안에 모든 재열기가 배치되기 때문에, 부동시간을 감소시키는 것이 가능해진다. 더욱이, 모든 재열기가 제어대상이 되고, 재열기의 출구에서 증기온도의 제어가 고정밀도로 수행될 수 있고, 즉 터빈의 입구에서 증기온도 제어가 고정밀도로 수행될 수 있게된다.
이하에, 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부도면을 참조하여 이하에 설명된다.
도 1에서, 보일러는 노(1), 하류측 배기가스 통로(2), 및 노(1)의 상부를 상기 하류측 배기가스 통로(2)와 연통시키는 상류측 배기가스 통로(3)를 포함한다. 이 보일러는 예를 들어 석탄 보일러이다.
노(1)의 하부에 배치된 다수의 버너(11)에서 나오는 고온 연소가스가 노(1) 안에서 위쪽으로 통과한다. 이 배기가스는 상류측 배기가스 통로(3) 및 하류측 배기가스 통로(2)를 통과하여, 저온의 배기가스로서 출구(210)를 통해 보일러의 외부로 배기된다. 하부 수냉벽(12), 상부 수냉벽(13) 및 경사벽(15)이 노(1) 안에 제공된다. 상기 하부 수냉벽(12)은 노 안에서 노의 하부로부터 위쪽으로 나선형으로 연장하는 다수의 파이프로 구성된다. 또한 상부 수냉벽(13)은 노 안에서 수직으로 곧장 연장하는 다수의 파이프로 구성된다. 경사벽(15) 또한 다수의 파이프로 구성된다.
하류측 배기가스 통로(2)는 다수의 파이프로 구성된 벽(21)에 의해 형성된다. 하류측 배기가스 통로(2)는 배기가스의 흐름을 따라 연장하는 격벽(24)에 의해 두 개의 보조통로(22, 23)로 분할된다. 각각의 보조통로를 통과하는 연소가스의 유량을 제어하는 기능을 하는 댐퍼(25)가 각각의 보조통로의 출구에 배치된다. 또한 격벽(24)은 다수의 파이프를 구비한다.
가로형 재열기(41)가 하류측 배기가스 통로(2)의 보조통로 중 하나 안에 배치되고, 여기서 가로형 1차 과열기(51) 및 가로형 절탄기(61)가 다른 보조통로(23) 내에서 연소가스의 흐름을 따라 직렬로 배치된다. 필요하다면 증발기가 보조통로(23) 안에 배치될 수도 있다.
상류측 배기가스 통로(3)는 다수의 파이프로 형성된 천장벽(31) 및 측벽에 의해 형성된다. 현가형 2차 과열기(52) 및 현가형 3차 과열기(53)가 상류측 배기가스 통로(3) 내에서 연소가스의 흐름을 따라 직렬로 배치된다. 상기과열기들(52, 53)은 보일러가 최대 부하에 있을 때 상류측 배기가스 통로(2)의 입구에서 연소가스 온도가 1000℃ 내지 1100℃가 되도록 전체 전열면적이 설정된다.
본 명세서에 사용되는 "가로형(traverse type)"이라는 용어는 재열기와 같은 전열장치의 전열관이 수직가스 흐름에 대하여 실질적으로 수평으로 연장하는 상태를 의미한다. 또한, "현가형(suspension type)"이란 용어는 과급기와 같은 전열장치의 전열관이 수평 가스 흐름에 대하여 실질적으로 수직으로 연장하고, 입구 및 출구가 수직 상부에 제공되는 상태를 의미한다.
이하에, 보일러용 급수 시스템이 설명된다.
급수관(100)을 통해 보조통로(23) 안에 배치된 절탄기(61)로 물이 공급된다. 물이 절탄기(61)의 입구헤더(611)로부터 출구헤더(612)로 흘러 연소가스(배기가스)로부터 열을 흡수한다. 이에 따라 가열된 물은 낙하관(101)을 통해 출구헤더(612)로부터 노(1)의 하부 수냉벽(12)의 다수의 하부헤더(121)로 분포된다.
물은 노 내부의 열을 흡수하여 하부 수냉벽(12)의 각각의 관을 통해 하부헤더(121)로부터 상승하게 된다. 서로 다른 관이 서로 다른 열량을 흡수하기 때문에, 각 관 내부의 수온은 하부 수냉벽의 출구에서 불평형을 이루게 된다. 또한 고온의 물이 하부 수냉벽(12)의 각각의 관으로부터 중간 혼합 헤더(14)로 흘러 그 온도가 균일하게 된다.
혼합 헤더(14)에서 나오는 고온수가 노 내부의 열을 더욱 흡수하고, 상부 수냉벽(13) 및 경사벽(15)의 관을 통해 위로 가게 되어 액상의 고온수가 되거나 기상의 증기가 된다. 상부 수냉벽(13) 및 경사벽(15)의 관에서 나오는 고온수와 증기의 혼합물은 수냉벽 헤더(131) 및 경사벽 헤더(151)를 각각 통과하고, 상부 혼합 헤더(16) 안으로 통과하여 온도가 균일하게 되고, 다음으로 증기분리기(17) 안으로 흐르게 된다.
증기분리기(17) 안에서, 상기 혼합물은 순환펌프(18)에 의해 배수탱크(19)를 통해 이송관(100)으로 공급되는 고온수와, 천장벽(31)의 관의 입구헤더(311) 안으로 흐르는 증기로 분리된다. 보일러의 일회 작동 중에, 증기분리기(17) 안으로 흐르는 모든 유체를 구성하는 증기가 입구헤더(311)로 공급된다.
입구헤더(311)에서 나오는 증기는 천장벽(31)의 관을 통과하여 출구헤더(312)를 향하면서 노 내부의 열을 흡수하여 과열증기가 된다. 이 과열증기는 출구 분배 헤더(312)로부터 낙하관(201) 및 연통관(202)을 거쳐 벽(21)의 관과 연통하는 입구 분배 헤더(203) 및 하류측 배기가스 통로(2)의 격벽(24)으로 흐른다. 상기 과열증기는 노 내부의 열을 흡수하여 벽(21)의 관 및 하류측 배기가스 통로(2)의 격벽(24)을 통해 위로 올라간다. 과열증기는 직접 또는 출구 분배 헤더(204) 및 연통관(205)을 통해 출구헤더(511)로 흐른다.
과열증기는 출구헤더(511)로부터 연통관(512)을 거쳐 1차 과열기(51)로 더욱 흐른다. 계속해서, 과열증기는 2차 과열기(52) 및 3차 과열기(53)를 통해 흐르는 동안 소정의 과열증기 온도로 가열되어, 고압터빈(HP)으로 공급된다.
고압터빈(HP) 내에서 일을 한 증기는 증기관(401)을 통해 재열기(41)의 입구헤더(411)로 흐른다. 재열기(41) 내에서, 증기는 보조통로(22) 내의 배기가스로부터 열을 흡수하고 소정의 재가열 증기온도로 가열된 다음, 중간압력 터빈(IP)으로공급된다. 댐퍼(25)에 의해 보조통로를 흐르는 배기가스의 양을 조절함으로써 재열기(41) 내의 증기에 의해 흡수되는 열량, 또는 재열증기 온도를 제어하는 것이 가능하다.
도 2에 도시된 종래의 보일러(도 1에 도시된 것과 동일한 또는 유사한 구성성분은 동일한 참조번호로 나타내고 특별히 설명하지 않는다)에서, 2차 과열기(52) 내지 4차 과열기에 더하여 2차 재열기(43)가 상류측 배기가스 통로(3) 내에 배치된다. 열효율의 관점에서, 과열기(52 내지 54)가 다른 것에 우선하여 상류측 배기가스 통로(3) 내에 배치되므로, 2차 재열기(43)를 위한 공간이 넓지 않게 된다. 따라서, 2차 재열기(43)는 재열기 전체에 필요한 전열면적을 커버하는 것이 어렵게 된다. 따라서, 다음에 설명되는 바와 같이, 필요한 전열 면적을 보완하도록 부가적인 재열기(42)를 배치하는 것이 필요하게 된다. 하류측 배기가스 통로(2)는 배기가스의 흐름을 따라 연장하는 격벽(24)에 의해 두 개의 보조통로(22, 23)로 분할된다. 각각의 보조통로의 출구에 댐퍼(25)가 설치된다. 재열기(42)는 보조통로 중 하나(22)에 배치되는 반면에, 1차 과열기(51), 증발기(71) 및 절탄기(61)는 다른 보조통로(23)에 직렬로 배치된다. 하류측 배기가스 통로(2)의 입구에서 연소가스(배기가스)의 온도는 보일러가 최대 부하에 있을 때 약 800℃이다. 배기가스 온도(800℃)와 원하는 재열증기 온도(보통 560℃ 내지 600℃) 사이의 온도차가 작기 때문에, 2차 재열기(43)의 전열면적을 확장시키는 것이 필요하게 된다. 따라서, 2차 재열기(43) 크기가 크게 되어, 보일러 전체가 커지는 것을 방지할 수 없게 된다.
이와 반대로, 도 1에 도시된 실시예에서, 하류측 배기가스 통로(2)의 입구에서 연소가스(배기가스)의 온도는 보일러가 최대 부하에 있을 때 약 1000℃이다. 배기가스 온도(1000℃)와 원하는 재열증기 온도(560℃ 내지 600℃) 사이의 온도차가 크기 때문에, 재열기(41)가 더 작은 전열면적을 가져도 되므로, 보일러 전체의 크기가 커지는 것을 방지할 수 있게 된다. 보일러가 최대 부하에 있을 때 하류측 배기가스 통로(2)의 입구에서 연소가스(배기가스)의 온도를 약 1000℃로 하기 위해서는, 상류측 배기가스 통로 내의 과열기의 전열면적이 종래의 보일러(과열기 뿐만 아니라 재열기가 상류측 배기가스 통로 안에 배치됨)와 비교하여 다소 증가된다. 즉, 과열기의 크기가 다소 증가되지만 이러한 증가는 보일러의 크기 증가에 별로 영향을 미치지 않는다. 또한, 첨부 도면에서, 재열기 등의 치수비가 변경되었다.
또한, 분리된 재열기(42, 43) 대신에 단일의 재열기(41)가 사용되기 때문에, 재열기(41) 내에 있는 증기의 열흡수만을 댐퍼(25) 제어의 제어대상으로 하는 것이 가능하게 되므로, 제어이득을 향상시키게 된다. 따라서, 재열증기 온도가 올라간다. 또한, 제어응답에 부동시간이 없게 된다.
더욱이, 댐퍼(25)에 의한 배기가스의 유량제어가 재열기(41) 내의 증기에 의해 열흡수에 직접 작용하기 때문에 헌팅현상이 없게 된다.
이러한 제어성의 향상은, 본 발명의 실시예와 같이, 하류측 배기가스 통로의 보조통로 중 하나에는 재열기만 배치되고, 다른 보조통로에는 과열기 및 절탄기 만 배치될 때 특히 효과적이다.
석탄 보일러의 경우, 일반적으로 많은 양의 석탄재가 연소가스에 함유된다.석탄재의 연화온도는 약 1100℃이다. 석탄재가 연화되어 전열장치의 전열면에 부착되면, 이 석탄재는 냉각되어 경화된다. 연화와 부착의 반복에 의해 석탄재가 성장하는 소위 슬러깅(slugging)은 열전달 효율을 떨어뜨린다. 따라서, 석탄재를 주기적으로 제거하는 것이 필요하게 된다. 본 발명이 상기 실시예와 같이 석탄 보일러에 적용될 경우, 가로형 전열장치, 예를 들어 1차 재열기(41), 1차 과열기(51) 및 절탄기(61)는 현가형 전열장치 보다 장치에 부착되어버린 석탄재를 제거하는 것을 더 어렵게 한다.
그러나, 본 발명에 따르면, 가로형 전열 장치의 상류에서의 배기가스 온도는 1000℃ 내지 1100℃이다. 이는 석탄의 연화 온도 보다 낮기 때문에, 슬러깅을 방지할 수 있게 된다. 또한, 원하는 재열온도(560℃ 내지 600℃) 보다 충분히 높기 때문에, 하류측 배기가스 통로 내의 전열 장치를 크게 할 필요가 없게 되고, 따라서 보일러 전체의 크기가 커지는 것을 방지하게 된다. 상술된 바와 같이, 본 발명은 석탄 보일러에 특히 효과적이다.
본 발명에 따르는 보일러는 대용량의 발전설비에 적용가능하게 된다.

Claims (3)

  1. 노;
    일단부가 상기 노의 출구와 연통하는 상류측 배기가스 통로;
    상기 상류측 배기가스 통로의 타단부와 연통하고 배기가스의 흐름을 따라 보조통로들로 분할되는 하류측 배기가스 통로;
    상기 하류측 배기가스 통로 내에 배치되는 가로형 전열장치; 및
    상기 보조통로 각각의 출구에 배치되어 각각의 보조통로를 통과하는 배기가스의 유량을 제어하기 위한 수단을 포함하여 이루어지는 보일러에 있어서,
    상기 상류측 배기가스 통로내에 배치되고, 전체가 과열기이며, 상기 보일러가 최대 부하에 있을 때 상기 하류측 배기가스 통로의 입구에서 배기가스 온도가 1000℃ 내지 1100℃가 되도록 그 전열면의 크기가 정해지는 현가형 전열장치를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가로형 전열장치는 재열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 보일러.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 보조통로 중 하나에 가로형 재열기가 배치되고, 과열기, 증발기 및 절탄기 중에서 적어도 과열기와 절탄기가 다른 보조통로 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 보일러.
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