KR100367919B1

KR100367919B1 - 열회수식 증기 발생기

Info

Publication number: KR100367919B1
Application number: KR10-2000-7010492A
Authority: KR
Inventors: 베일리도날드윌리엄; 팔크스마크; 바르야즈리차드에드워드
Original assignee: 알스톰 파워 인코포레이티드
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2003-01-14
Also published as: US6092490A; WO1999051916A1; PT1068473E; EP1068473B1; EP1068473A1; CN1296560A; TW379279B; DE69902366D1; DE69902366T2; CN1161556C; AU3112099A; CA2321540A1; AU743481B2; ES2181409T3; KR20010042118A

Abstract

본 발명의 열회수식 증기 발생기(10)용 도수로는 순환 드럼형 도수로와 관류식 도수로를 조합한 혼성 시스템이다. 저압 증발기(16)는 자연 순환식 또는 강제 순환식으로 설계되고, 고압 증발기(64)는 관류식으로 설계된다. 오리피스(68)는 유동 안정화를 위해 증발기 튜브(64)의 입구에 위치될 수 있으며, 증발기(64)와 고압 과열기(66) 사이의 중간 헤더(70)는 안정성을 향상시키고, 오리피스 압력 강하를 최소화하며, 증발기 튜브(64) 사이의 압력 손실을 균등하게 만든다.

Description

열회수식 증기 발생기{Heat recovery steam generator}

본질적으로 증발기 튜브 내에서의 물의 순환 방법에 의해 구별되는 세가지 형태의 보일러가 존재한다. 즉, 자연 순환식, 강제 순환식, 및 관류 유동식이다. 상기 자연 및 강제 순환식 디자인에는 일반적으로 증기로부터의 물의 분리가 수행되는 물/증기 드럼이 장착된다. 상기 디자인에 있어서, 각각의 증발기에는 대응 드럼으로부터 하강관(downcomer) 및 유입 헤더(inlet header)를 통해 물이 공급된다. 상기 도수로 내로 공급된 물은 가스 터빈 배출 증기로부터 열을 회수하여, 물/증기 혼합물로 변형된다. 그 혼합물은 수집되어 드럼 내로 배출된다. 자연 순환식 디자인에 있어서, 상기 도수로에서의 물/증기 혼합물의 순환은 서멀 사이펀 효과(thermal siphon effect)에 의해 보증된다. 증발기 도수로에서의 필요조건은 작동 압력 및 국부적인 열유속(heat flux)에 의존하는 최소 순환량이다. 유사한 방법이 강제 순환 보일러 디자인에서도 취해진다. 상기 자연 순환식 디자인과의 주된 차이점은 관 가공 및 배관의 크기이고, 또한 상기 장치 내에서의 압력 강하를 극복하는데 필요한 구동력을 제공하는 순환 펌프를 사용한다는 것이다.

상기 자연 순환식 및 강제 순환식 디자인에 있어서, 순환량과 그에 따른 증발기 도수로에서의 질량 유속은 증발이 핵 비등(nucleate boiling) 방식에서만 발생하는 것을 보장하도록 충분히 높다. 이러한 비등은 대략 일정한 압력(일정한 온도)하에서 발생하고, 상기 비등 방식에서는 높은 열전달 계수가 특징이다. 이들 양 인자로 인해, 보다 적은 증발면이 필요해진다. 증발기의 비용이 감소되더라도, 상기 부품 즉, 드럼, 하강관, 순환 펌프, 각종 밸브 및 배관, 및 관련 구조체 지지 스틸에 대한 필요성이 존재하기 때문에 전체 순환 장치의 비용은 고가이다.

상기 세번째 형태의 보일러는 관류식 증기 발생기이다. 이러한 디자인은 드럼을 포함하지 않고, 작은 크기의 시동 시스템은 상기 강제 순환식 또는 자연 순환식 디자인의 순환 부품보다 저렴하다. 정상 작동중에 유니트 내에서의 물의 재순환은 없다. 순수 장치(demineralizer)는 급수로부터 수용성 염분을 제거하기 위해 설비 내에 설치될 수 있다. 기본적인 형태에 있어서, 관류식 증기 발생기는 단지 물이 펌핑되어 통과하는 일정한 길이의 튜브장치이다. 열이 흡수될 때, 상기 튜브를 통해 유동하는 물은 증기로 전환되고 소망 온도까지 과열된다. 상기 비등은 일정한 압력 공정이 아니고(포화 온도가 일정하지 않음), 상기 관류식 디자인으로 인해, 고온 가스와 물 및/또는 증기 사이의 실질적인 온도 차이를 나타내는 보다 낮은 대수평균 온도차 또는 대수 온도차가 초래된다. 또한, 유체의 완전한 건조는 불가피한 것이기 때문에, 관류식 디자인에 있어서 증기의 특성이 임계값에 접근할 때 튜브 내측의 열전달 계수가 저하한다. 내측 벽은 더이상 습윤 상태로 되지 않고, 막상 비등(film boiling)의 크기는 핵 비등의 열전달 계수보다 매우 작다. 그러므로, 낮은 대수 온도차와 낮은 내측 튜브의 열전달 계수로 인해 보다 큰 증발면이 필요해진다.

가열 표면의 증가를 최소화하기 위해, 증발기 표면 도수로의 수를 최소화함으로써 보다 큰 질량 유속이 달성된다. 그러나, 대략적으로 보다 큰 열전달 계수를 달성하는데 필요한 높은 유속은 보다 큰 압력 손실, 보다 큰 포화 온도, 및 대수 온도차의 추가 저하를 초래한다. 상기 표면상의 충돌 필요조건은 작동 압력에 의존하고, 대략 400psig 또는 2757.9kPa 이상의 보다 높은 압력 디자인에 대해서는 상대적으로 작다. 그러나, 표면상에서의 충분한 충돌을 대략 400psig 또는 2757.9kPa 미만의 저압 적용에 대해 선택하는 것은 많은 경우에 있어서 관류식 디자인을 저압 적용에 대해 실용적이지 않게 만든다.EP-A-0 359 735호에는 증기 발생 도수로(1 내지 6)와 접촉하는 열교환 상태로 유동하는 고온 가스(A)로부터 열이 회수되는 열회수식 증기 발생기가 개시되어 있다. 상기 증기 발생 도수로는 제 1 압력에서 작동하는 재순환 도수로(1, 3, 5)와 제 1 압력보다 높은 제 2 압력에서 작동하는 관류식 도수로의 조합을 포함한다. 상기 재순환 도수로(1, 3, 5)는 저압 이코노마이저 구역(1)과, 저압 증발기 구역(3)과, 액체 상태의 물로부터 저압 증기 출력을 분리하기 위한 증기 분리 드럼(12)을 포함하고, 상기 드럼(12)으로부터 분리되는 액체 상태의 물을 저압 증발기 구역(3)을 통해 재순환시키기 위한 수단(14)을 부가로 포함한다. 상기 관류식 도수로는 복수의 평행한 튜브를 구비한 고압 이코노마이저 구역(2)과, 복수의 평행한 튜브를 구비한 고압 증발기 구역(4)과, 고압 증기를 출력하기 위한 복수의 평행한 튜브를 구비한 고압 과열기 구역(6)을 포함한다.

본 발명은 열회수식 증기 발생기 특히, 그 도수로(water flow circuits)에 관한 것이다. 열회수식 증기 발생기는 가스 터빈 또는 그와 유사한 배출원의 배기 가스 스트림에 포함된 열을 회수하여 물을 증기로 전환하는데 사용된다. 전체 설비 효율을 최적화하기 위해, 선택된 압력에서 작동하는 하나 이상의 증기 발생 도수로를 포함한다.

도 1은 일반적인 수평한 열회수식 증기 발생기의 사시도.

도 2는 자연 순환식을 사용하는 본 발명의 증기 발생기의 도수로를 개략적으로 도시하는 흐름도.

도 3은 강제 순환식을 사용하는 도 2와 유사한 개략적인 흐름도.

도 4는 본 발명의 변형을 개략적으로 도시하는 다른 흐름도.

본 발명은 열회수식 증기 발생기에 관한 것으로, 특히 전체 설비 효율을 위한 향상된 도수로에 관한 것이다. 본 발명은 순환 드럼형 도수로와 관류식 도수로를 혼합하여 그들의 몇가지 단점을 배제하고 각각의 도수로 형태의 최상의 특징의 장점을 취한 혼성 열회수식 증기 발생기를 포함한다. 특히, 본 발명은 저압 증발기가 자연 순환식 또는 강제 순환식으로 설계되고 보다 고압인 증발기가 관류 유동식으로 설계된 일체화된 장치를 포함한다.

도 1은 참조번호 10으로 지시되는 통상적인 열회수식 증기 발생기의 사시도이다. 이 장치는 수평형이지만, 본 발명은 수직 가스 유동 방식의 장치에도 동일하게 적용 가능하다. 상기 열회수식 증기 발생기의 사용예는 425℃ 내지 670℃(약 800 내지 1,240。F) 범위의 온도를 가지며 회수될 다량의 열을 내포하는 가스 터빈으로부터의 유출 가스에 대한 것이다. 그후, 발생되는 증기는 증기 터빈으로 전기 발생기를 구동하는데 사용거나 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 포함할 수 있는 다양한 튜브 뱅크(14, 16, 18, 20, 22)를 포함한다. 또한, 도 1에는 증기 드럼(24) 및 연도 가스 스택(26)이 도시된다. 본 발명은 상기 장치와 열교환 표면의 작동 조건을 포함한다.

도 2는 본 발명의 일실시예의 열교환 표면의 배치를 개략적으로 도시한다. 급수가 개시되면, 저압의 급수(28)는 수집/분배 헤더(30)로 이송되고, 고압의급수(32)는 수집/분배 헤더(34)로 이송된다. 그후, 저압의 급수는 헤더(30)로부터 도수로(36)로 표시되는 저압 이코노마이저 튜브 뱅크로 이송되고, 고압의 급수는 헤더(34)로부터 도수로(38)로 표시되는 고압 이코노마이저 튜브 뱅크로 이송된다. 부분적으로 가열되는 저압 이코노마이저 튜브 뱅크(36)로부터의 저압 유동은 헤더(40)에 수집되고, 부분적으로 가열되는 고압 이코노마이저 튜브 뱅크(38)로부터의 고압 유동은 헤더(42)에 수집된다.

부분적으로 가열되는 헤더(40)로부터의 저압 유동은 라인(44)을 통해 저압 증기 드럼(46)으로 이송된다. 증기 드럼(46)의 목적은 후술되는 바와 같이 액체로부터 증기를 분리하는 통상적인 것이다. 증기 드럼(46)으로부터 분리된 물은 하강관(48)을 통해 분배 헤더(50) 내로 배출된다. 헤더(50)로부터의 유동은 증기로의 증발이 발생하는 저압 증발기(52)를 통과한다. 저압 증발기(52)에서의 유동 방향은 수평 또는 상향일 수 있다. 대부분이 포화 증기인 증기는 헤더(54)에 수집된 후, 라인(56)을 통해 증기 드럼(46)으로 복귀된다. 증기 드럼(46)으로의 이송(56) 및 이송(44)이 혼합되고, 그 증기/액체 혼합물은 58로 배출되는 증기와 하강관(48)을 통해 배출되는 액체로 분리된다. 도시되는 바와 같이, 이러한 저압 도수로는 하강관에서의 액체와 증발 도수로 사이에서의 밀도차에 의해 유동이 유도되는 자연 순환식 도수로이다.

이제 고압인 관류식 도수로에 대해서 살펴보면, 부분적으로 가열되는 수집 헤더(42)로부터의 고압 스트림(60)은 제 2 고압 이코노마이저 튜브 뱅크(62)와, 고압 증발기(64)를 통해 고압 과열기(66)로 직렬로 이송된다. 고압 증발기에서의 유동은 상향, 수평 또는 하향일 수 있다. 68로 표시되는 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. 중간 헤더(70)는 고압 증발기(64)의 튜브간의 압력 손실을 균등하게 만들고, 증발기(64)에 대한 과열기(66)에서의 임의의 유동 또는 열 교란 효과를 최소화한다. 그후, 과열된 증기는 헤더(72)에 수집되어 그곳으로부터 배출된다. 도시된 바와 같이, 이러한 고압 도수로는 고압 급수(32)로부터 출구 헤더(72)까지 모두 관류식 도수로이다.

도 3은 저압 도수로가 순환 펌프(74)의 추가로 강제 순환식 루프를 이루는 것을 제외하고는 도 2의 배열과 거의 동일한 열회수식 증기 발생기 유동 배열을 도시한다.

도 4는 관류식인 고압 도수로용 물의 초기 가열이 저압인 강제 순환식 도수로에서 행해지는 본 발명의 다른 변형을 도시한다. 도시된 바와 같이, 모든 급수는 28에서 분배 헤더(30)로 이송된 후 저압 이코노마이저 튜브 뱅크(36)로 흐른다. 저압 급수(28)의 양이 증가되기 때문에, 저압 이코노마이저의 가열량이 증가될 필요가 있다. 이는 복식 저압 이코노마이저로 표시된다. 저압 이코노마이저의 출력은 40에 수집된다. 도 3의 실시예에 도시된 바와 같이, 전체 저압 이코노마이저 출력은 라인(44)을 통해 증기 드럼(46)으로 유동한다. 본 실시예에서 증기 드럼으로부터의 하강관(48) 내의 액체는 저압 유동 및 고압 유동으로 분류된다. 저압인 강제 순환식 도수로용 액체는 다시 순환 펌프(74)로 진행하고, 도 3에 도시된 바와같은 저압인 강제 순환식 도수로에서 순환된다.

고압인 관류식 도수로용 액체는 분리식 하강관 시스템을 통해 76에서 고압 급수 펌프(78)로 인출되고, 분배 헤더(80)까지 고압으로 이송된다. 이 지점에서부터는 고압인 관류식 도수로는 도 2 및 도 3에서와 동일하다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 순환/드럼형 디자인과 관류식 디자인의 가장 양호한 특징을 실시하는 혼성 열회수식 증기 발생기이다. 이러한 디자인은 자연 순환식/강제 순환식 또는 관류식 디자인에 대해서 비용상의 장점을 제공한다.

Claims

(정정) 저압에서 작동하는 재순환 도수로와, 고압에서 작동하는 관류식 도수로와, 고압 증기를 출력하기 위한 고압 과열기 구역을 포함하고, 상기 저압 재순환 도수로는 저압 이코노마이저 구역과, 저압 증발기 구역과, 액체 상태의 물로부터 저압 증기 출력을 분리하기 위한 증기 분리 드럼과, 상기 저압 증발기 구역을 통해 상기 증기 분리 드럼으로부터 분리되는 액체 상태의 물을 재순환시키기 위한 수단을 구비하고, 상기 관류식 도수로는 복수의 평행한 튜브를 구비한 고압 이코노마이저 구역과 복수의 평행한 튜브를 구비한 고압 증발기 구역을 구비하는, 증기 발생 도수로와 접촉하는 열교환 상태의 고온 가스 유동으로부터 열이 회수되는 열회수식 증기 발생기(10)에 있어서,

상기 저압 증기 발생 도수로는 액체 상태의 물로부터 저압의 증기를 분리하기 위한 증기 분리 드럼(46)에 연결되는 유출구 및 분리된 물의 유출구(48)를 구비하는 저압 이코노마이저 구역(36)과, 증기 드럼의 물의 유출구(48)에 연결되는 유입구(50) 및 증기 드럼(46)으로 복귀 연결되는 유출구(56)를 구비하는 저압 증발기 구역(52)을 포함하고, 상기 증기 드럼(46)은 분리된 저압 증기 유출구(58)를 부가로 포함하고,

상기 고압 증기 발생 도수로는 각각 유출구를 구비하는 복수의 평행 튜브를 구비한 고압 이코노마이저 구역(62)과, 각각 유입구 및 유출구를 구비하는 복수의 평행 튜브를 구비한 고압 증발기 구역(64)과, 유동 안정화 오리피스(68)를 포함하는 상기 증발기 구역(64)의 복수의 평행 튜브 중 하나에 상기 이코노마이저 구역(62)의 복수의 평행 튜브를 각각 연결하는 연결 수단과, 상기 증발기 구역(64)의 복수의 평행 튜브의 유출구에 연결되는 압력 균등화 헤더(70)와, 상기 압력 균등화 헤더(70)에 연결되는 복수의 평행 튜브를 구비하며 고압 증기 유출구를 구비하는 고압 과열기 구역(66)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열회수식 증기 발생기.
제 1 항에 있어서, 상기 증기 드럼(46)의 분리된 물의 유출구에서 상기 분리된 물의 일부를 인출해서 그 압력을 증가시키고, 상기 분리된 물의 일부를 고압 이코노마이저(62)로 이송하기 위한 수단(78)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열회수식 증기 발생기.
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