KR100367918B1

KR100367918B1 - 열회수식 증기 발생기

Info

Publication number: KR100367918B1
Application number: KR10-2000-7011033A
Authority: KR
Inventors: 마크폴케; 워야즈리차드이.
Original assignee: 알스톰 파워 인코포레이티드
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2003-01-14
Also published as: AU755040B2; US5924389A; TW376425B; WO1999051915A1; ES2181400T3; DE69902369T2; KR20010074471A; EP1071911B1; CA2324472A1; PT1071911E; EP1071911A1; CN1295660A; DE69902369D1; CN1161555C; AU2873299A

Abstract

본 발명의 열회수식 증기 발생기(10)의 도수로는 저압 도수로(36)와 고압 도수로(38)를 포함한다. 양 도수로(36, 38)는 관류식으로 설계되어 있고, 이들은 라이플식 튜브를 갖는 증발기(50, 64)를 포함한다. 압력 균등화 헤더(70)는 증발기(64)와 과열기(66) 사이에 배치되고, 오리피스(68)는 유동 안정성을 위해 증발기(64)의 입구에 설치되어 있다.

Description

열회수식 증기 발생기{Heat recovery steam generator}

본질적으로, 증발기 튜브내에서의 물의 유동 방식에 의해 구별되는 세가지 형태의 보일러가 존재한다. 즉, 자연 순환식, 강제 순환식 및, 관류 유동식이다. 자연 및 강제 순환식 설계에는 일반적으로 증기로부터 물의 분리가 수행되는 물/증기 드럼이 장착되어 있다. 상기 설계에 있어서, 각 증발기에는 대응하는 드럼으로부터 하강관(downcomer)과 유입 헤더를 통해 물이 공급된다. 상기 도수로내로 공급된 물은 가스 터빈 배출 증기로부터 열을 회수하여, 물/증기 혼합물로 변형된다. 그 혼합물은 수집되어 드럼내로 배출된다. 자연 순환식 설계에 있어서, 상기 도수로에서의 물/증기 혼합물의 순환은 서멀 사이펀 효과(thermal siphon effect)에 의해 보증된다. 증발기 도수로에서의 유동 조건은 작동 압력과 국부적 열 유속(heat flux)에 의존하는 최소 순환량을 요구한다. 유사한 방법이 강제 순환식 보일러의 설계에서도 취해진다. 상기 자연 순환식 설계과의 주된 차이점은 튜브 가공과 배관의 크기이고, 또한 상기 시스템내에서의 압력 강화를 극복하기 위해 필요한 구동력을 제공하는 순환 펌프를 사용한다는 것이다.

자연 순환식 및 강제 순환식 설계에 있어서, 순환량과 그에 따른 증발기 도수로 내측의 질량 유속은 증발이 핵 비등(nucleate boiling) 방식에서만 발생하는 것을 보장하도록 충분히 높다. 이러한 비등은 대략 일정한 압력(일정한 온도)하에서 발생하고, 튜브의 내측과 튜브 내측면의 연속적인 습윤 상태에서는 높은 열전단 계수에 의해 특징지워진다. 이들 양 인자로 인해 보다 적은 증발면과 튜브 원주 둘레에서 소정 등온 벽 조건이 필요해진다. 또한, 튜브 내측면이 습윤상태에 있기 때문에, 물 증발 중에 발생하는 수용성 염분의 증착은 최소로 된다. 증발기의 비용이 감소되더라도, 전체 순환 시스템의 비용은 드럼, 하강관, 순환 펌프, 각종 밸브와 배관 및, 관련 구조체 지지 스틸과 같은 상기 부품에 대한 필요성이 존재하기 때문에 고가이다.

상기 세번째 형태의 보일러는 관류 증기 발생기이다. 이러한 설계는 드럼을 포함하지 않고, 작은 크기의 시동 시스템은 상기 강제 순환식 또는 자연 순환식 설계의 순환 부품보다 저렴하다. 정상 작동중에 유니트내에서 물의 재순환은 없다. 순수 장치(demineralizer)는 급수로부터 수용성 염분을 제거하기 위해 설비내에 설치될 수 있다. 기본적인 형태에 있어서, 관류식 증기 발생기는 단지 물이 펌핑되어 통과하는 일정한 길이의 튜브이다. 열이 흡수될때, 튜브를 통해 유동하는 물은 증기로 전환되어 소정 온도까지 과열된다. 상기 비등은 일정한 압력 공정이 아니고(포화 온도가 일정하지 않음), 상기 관류식 설계는 고온 가스와 물 및/또는 증기 사이의 실질적인 온도 차이를 나타내는 보다 낮은 대수 평균 온도차 또는 대수 온도차로 초래된다. 또한, 유체의 완전한 건조가 불가피하기 때문에, 관류식 설계에 있어서 튜브 내측의 열전달 계수는 증기의 특성이 임계값에 접근할때 저하한다. 내측 벽은 더 이상 습윤 상태로 되지 않고, 막상 비등(film boiling)의 크기는 핵 비등의 열전달 계수 보다 매우 작다. 그러므로, 작은 대수적인(logarithmic) 온도차와 낮은 내측 튜브의 열전달 계수로 인해 보다 큰 증발면이 필요하게 된다.

관류식 증기 발생기의 설계에 있어서, 많은 인자가 고려된다. 가장 중요한 것은 증발기의 질량 속도이다. 증발기 튜브 내측에서 핵 비등을 촉진하기 위해 충분히 커야하고, 따라서 증발기 표면은 최소화되어야 한다. 유감스럽게도 높은 내측 튜브 열전달 계수를 달성하기 위해 요구되는 속도는 큰 유압 강하를 초래한다. 이러한 압력 강하의 결과로 급수 펌프의 동력 소비가 증가되고 비등 통로를 따라 포화 온도가 증가된다. 작동 유체의 포화 온도의 증가로 인해 가스측과 작동 유체간의 감소된 대수 평균 온도차(log-mean-temperature-difference ; LMTD)가 초래된다. 감소된 LMTD는 열전달 표면의 증가를 초래하는 핵 비등의 높은 열전달 계수를 더 많이 상쇄시킨다. 질량 속도를 감소시킬 가능성은 층이진 파형 유동 패턴의 특징인 단속적인 유동 영역의 생성가능성과 막 비등의 낮은 열전달 계수로 인해 제한된다. 이들 유동 패턴중 어느 것도 압력 손실의 증가, 열전달의 감소 및, 튜브 원주 둘레에서 높은 비등온선에 대한 가능성의 관점에서 바람직하지 않다.유럽 특허 출원 EP-A-0 425 717호에는 복수의 평행한 튜브를 갖는 이코노마이저 구역과, 라이플식인 복수의 평행한 튜브를 갖는 증발기 구역과, 압력 증기를 생성하기 위해 복수의 평행한 튜브를 갖는 과열기 구역을 구비하는 관류 유동식 도수로를 포함하는 증기 발생기 도수로와 열교환 접촉 상태로 유동하는 고온 가스로부터 열이 회수되는 열회수식 증기 발생기가 공개되어 있다. 국제 공보 WO 84 04149A호에는 증기 터빈(28)에 의해 두개의 다른 압력 레벨에서 증기를 제공하는 관류식 증기 발생기 또는 보일러(26)가 공개되어 있다. 이 보일러는 저압 튜브 회로(48)와 고압 튜뷰 회로(46)를 포함한다. 각 튜브 회로에서 다른 영역은 이코노마이저, 증발기 및 과열기로서 작용한다.

본 발명은 열회수식 증기 발생기에 관한 것이며, 특히 물 유동 회로(water flow circuit ; 도수로)에 관한 것이다. 열회수식 증기 발생기는 가스 터빈 또는 그와 유사한 배출원의 배기 가스 스트림에 함유된 열을 회수하여 물을 증기로 변환하기 위해 사용된다. 전체 발전 설비 효율을 최적합화하기 위하여, 선택된 압력에서 작동하는 하나 이상의 증기 발생 회로(도수로)를 포함한다.

도 1은 일반적인 수평 열회수식 증기 발생기의 사시도.

도 2는 본 발명의 증기 발생기 도수로를 도시하는 개략 흐름도.

도 3은 도 1과 유사하나 다른 실시예를 도시한 개략 흐름도.

본 발명은 열회수식 증기 발생기에 관한 것이며, 특히 전체 설비 효율을 위해 향상된 도수로에 관한 것이다. 본 발명은 라이플식(rifled) 튜브 증발기를 갖는 관류식 열회수 증기 발생기를 포함한다. 특히, 본 발명은 저압 도수로와 고압 도수로를 포함하고, 이들 양자는 관류식 유동을 위해 설계되고 라이플식 튜브를 갖는 증발기를 포함한다. 또한, 압력 균등화 헤더는 증발기와 과열기 사이에 설치되고, 오리피스는 입구에서 유동 안정성을 위해 증발기에 설치되어 있다.

도 1은 참조부호 10으로 지시된 통상적인 열회수식 증기 발생기의 사시도이다. 이 장치는 수평형이지만, 본 발명은 수직 가스 유동 방식의 장치에도 동일하게 적용할 수 있다. 상기 열회수식 증기 발생기의 사용 예는 425 내지 540℃(대략 800 내지 1000℉) 범위의 온도를 가지며 회수될 다량의 열을 내포하는 가스 터빈으로부터의 유출 가스에 대한 것이다. 그후, 발생된 증기는 증기 터빈으로 전기 발생기를 구동하기 위해 사용되거나 또는 처리 증기로서 사용될 수 있다.

열회수식 증기 발생기(10)는 가스 유동이 입구 덕트로부터 열전달면을 포함하는 전체 단면까지 확장되는 확장 변형식 입구 덕트(12)를 포함한다. 열전달면은 예를 들어 저압 이코노마이저, 저압 증발기, 고압 이코노마이저, 고압 증발기 및 고압 과열기를 각각 포함하는 다양한 튜브 뱅크(14, 16, 18, 20, 22)를 포함한다. 또한, 연도 가스 스택(26)이 도 1에 도시되어 있다. 본 발명은 상기 구성과 열교환 표면의 작동 조건을 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환면의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다. 먼저, 저압 관류식 도수로에 대해 설명하면 다음과 같다. 급수가 개시되면, 저압 급수(28)는 수집/분배 헤더(30)에 공급되고, 고압 급수(32)는 수집/분배 헤더(34)에 공급된다. 그런다음, 저압 급수는 헤더(30)로부터 도수로(36 ; water flow circuit)로 표시되는 저압 이코노마아저 튜브 뱅크에 공급되고, 고압 급수는 헤더(34)로부터 도수로(38)로 표시되는 고압 이코노마이저 튜브 뱅크에 공급된다. 저압 이코노마이저 튜브 뱅크(36)로부터 부분적으로 가열되는 저압 유동은 헤더(40)에 수집되고, 고압 이코노마이저 튜브 뱅크(38)로부터 부분적으로 가열되는 고압 유동은 헤더(42)에 수집된다.

헤더(40)로부터 부분적으로 가열되는 저압 유동은 라인(44)을 통해 수집/분배 헤더(46)에 공급된 후에, 증기로의 증발이 발생하는 저압 증발기(50)를 통과한다. 대부분이 포화 증기인 증기는 헤더(52)에 수집되어 저압 증기로서 54로 배출된다. 도시된 바와 같이, 이러한 저압 도수로는 관류식 도수로(once-through circuit) 이다. 본 발명의 이러한 저압 증발기는 라이플식(rifled) 튜브로 형성된다.

이제, 고압 관류식 도수로에 대해 살펴보면, 수집 헤더(42)로부터 부분적으로 가열되는 고압 스트림(60)은 제 2 고압 이코노마이저 튜브 뱅크(62)와, 고압 증발기(64)를 통해 고압 가열기(66)에 직열로 공급된다. 고압 증발기에서의 유동은 상향, 수평 또는 하향중 하나일 수 있다. 참조부호 68로 표시된 오리피스는 유동 안정성을 위해 증발기 튜브 뱅크(64)의 각 튜브의 유입구에 설치될 수 있다. 증발기(64)와 고압 과열기(66) 사이의 중간 헤더(70)는 안정성을 향상시키고 오리피스 압력 강하를 최소화한다. 이 중간 헤더(70)는 고압 증발기(64)의 튜브간의 압력 손실을 균등하게 하고, 증발기(64)에 대한 과열기(66)에서의 임의의 유동 또는 열 난류 효과를 최소화한다. 그런 다음, 과열된 증기는 헤더(72)에 수집되어 이로부터 배출된다. 도시된 바와 같이, 이러한 고압 도수로는 고압 급수(32)로부터 출구 헤더(72)까지 모든 관류식 도수로이다. 저압 도수로내의 증발기(50)에 대해, 고압 도수로 내의 증발기(64)는 라이플식 튜브로 형성된다.

본 발명에서, 증발기 내의 라이플식 튜브는 통상적인 재료가 현재 사용되고 질량 유동이 감소되기 때문에 비용 절감을 달성한다. 이 라이플식 튜브는 다른 유동 난류를 나타내고, 벽 튜브의 건조(dryout)의 징후를 지연시킨다. 라이플링은 유연한 보어 튜브를 갖는 것 보다 낮은 질량 유동에서 핵 비등을 생성한다. 라이플식 튜브의 이점은 핵 비등에 한정되지 않고 더 확대된다. 막상 비등 방식에서 증가된 난류는 유연한 보어 튜브에서 관측된 것 보다 충분히 우수한 열전달 특성을 포함한다. 이것은 증발기가 현재 작게될 수 있는 것을 의미한다. 라이플식 튜브로부터의 이점은 초임계 설계 뿐만 아니라 서브 임계 설계에 적용할 수 있고, 증발기 내측에서의 유동 방향은 상향 또는 하향중 한 방향이다. 오리피스는 유동 안정성을 위해 증발기 입구에 설치된다. 증발기와 과열기 사이의 중간 헤더는 안정성을 향상시키고 오리피스 압력 강화를 최소화하기 위해 제공된다. 이 헤더는 증발기 튜브 간의 압력 손실을 균등화하고, 과열기 또는 증발기에서 임의의 유동 또는 열 난류 효과를 최소화한다.

도 3은 시동중에 사용하기 위해 분리기(74)를 포함하는 본 발명의 다른 실시예이다. 증발기(64)가 포화 증기를 생성하는 시동 상태하에서, 압력 균등 헤더(70)로부터의 증발기 출구는 유체(76)가 포화 증기(78)로부터 분리되는 분리기(74)에 들어간다. 그런다음, 이 건조 증기(78)는 헤더(80)에서 과열기(66)로 통과한다. 관류식 작동중에, 증발기는 혼합 헤더로서 작용한다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 하기 신규 구성을 특징으로 하는 관류식 설계를 구체화한 열회수식 증기 발생기에 관한 것이다.

1. 저유속에서 실용적인 작동을 나타내는 라이플식 튜브 증발기. 생성된 고열전달 효율은 열전달면 조건을 감소시킨다. 또한, 등온 조건은 하중 영역을 통하여 튜브 벽의 원주 둘레에 유지된다. 이 등온 조건은 튜브와 부착된 외부 핀에서의 응력을 최소화하고, 튜브 내측면상에 보호 자철광층을 유지한다.

2. 열전달 구역이 유동 안정성에 대해 가스 측면 불균일성 효과를 최소화하는 과열기와 증발기 사이에 배치된 압력 균등화 헤더. 이 헤더는 유동 안정성에 의해 요구된 입구 오리피스 압력 손실에 대한 요구 조건을 감소시킨다.

Claims

복수의 평행한 튜브를 갖는 이코노마이저 구역과, 라이플식인 복수의 평행한 튜브를 갖는 증발기 구역 및, 압력 증기를 생성하기 위해 복수의 평행한 튜브를 갖는 과열기 구역을 갖는 관류 유동식 도수로를 포함하는 증기 발생기 도수로와 열교환 접촉 상태로 유동하는 고온 가스로부터 열이 회수되는 열회수식 증기 발생기에 있어서,

제 1 압력에서 작동하고, 복수의 평행한 튜브를 갖는 저압 이코노마이저 구역(36)과, 저압 증기 출력을 생성하고 라이플식인 복수의 평행한 튜브를 갖는 저압 증발기 구역(52)을 갖는 제 1 관류식 증기 발생 도수로와,

상기 제 1 압력보다 높은 제 2 압력에서 작동하고, 각각 출구를 갖는 복수의 평행한 튜브를 가지는 고압 이코노마이저 구역(62)과, 각각 입출구를 갖는 복수의 평행한 튜브를 가지는 고압 증발기 구역(64)과, 상기 증발기 구역(64)의 복수의 평행한 튜브중 하나의 입구를 상기 이코노마이저 구역(62)의 복수의 평행한 튜브 각각의 출구에 연결하고 각각 연결된 튜브 쌍에서 유동 안정화 오리피스를 갖는 수단과, 상기 증발기 구역(64)의 복수의 평행한 튜브의 출구에 연결된 압력 균등화 헤더(70) 및, 상기 압력 균등화 헤더(70)에 연결되고 고압 증기 출구를 갖는 복수의 평행한 튜브를 가지는 고압 과열기 구역(66)을 구비하는 제 2 관류식 증기 발생도수로를 포함하는 것을 특징으로 하는 열회수식 증기 발생기.
제 1 항에 있어서, 상기 증발기 구역(64)의 분리된 물의 유출구에서 상기 분리된 물의 일부를 회수하여 그 압력을 증가시키고, 상기 분리된 물의 일부를 고압 이코노마이저(62)로 공급하기 위한 수단(78)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열회수식 증기 발생기.
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