KR100367920B1 - 대형 순환 유동층 증기 발생기용 제어 시스템 - Google Patents

대형 순환 유동층 증기 발생기용 제어 시스템 Download PDF

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KR100367920B1 KR10-1999-7005692A KR19997005692A KR100367920B1 KR 100367920 B1 KR100367920 B1 KR 100367920B1 KR 19997005692 A KR19997005692 A KR 19997005692A KR 100367920 B1 KR100367920 B1 KR 100367920B1
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Abstract

본 발명은 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 온도를 직접적으로 제어하며, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 최종 증기 과열 온도 및 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 최종 증기 재가열 온도를 독립적으로 제어(70, 72, 28a, 30a, 32a, 34, 36; 74, 28b, 30b, 32b, 34, 36)하는 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)용 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

대형 순환 유동층 증기 발생기용 제어 시스템{A CONTROL SCHEME FOR LARGE CIRCULATING FLUID BED STEAM GENERATORS(CFB)}
현재까지, 종래 기술에서는 다양한 형태의 유동층 증기 발생기를 제공하여 왔다. 이와 관련하여, 이런 다양한 형태의 유동층 증기 발생기를 구분하는 편리한 방법 중 하나는 그 내부에서 발생되는 유동화의 특성을 기준으로 하는 것이다. 본 명세서에 사용되는 "유동화"라는 용어는 고체 재료를 자유 유동 및 유체와 유사한 거동을 하게 하는 방법을 의미한다. 여기서, 가스는 유동층 증기 발생기내에 존재하는 고형체층을 통과하여 상승하게 되고, 이런 가스의 유동은 고형체를 서로 이격시키는 힘을 발생시킨다. 가스의 속도가 저속일때, 이런 힘은 고형체를 서로 이격시키기에 불충분하게 되고, 그래서, 고형체가 서로 접촉한 상태, 즉, 그들 사이의 이동이 제한되는 상태로 남아있게 된다. 이런 상태를 고정층(fixed bed)이라 지칭한다. 이런 상태가 존재하는 유동층 증기 발생기는 본 기술 분야에서 일반적으로 고정층 유동층 증기 발생기라 지칭된다.
한편, 가스 속도가 증가되면, 고형체상에 작용하는 힘이 고형체를 분리시키기에 충분한 수준에 도달하게 된다. 이런 상태가 될 때, 고형체의 층은 유동화되며, 이 상태에서는 고형체들 사이의 가스 쿠션이 고형체들을 자유롭게 이동할 수 있도록 해서 고형체의 층이 액체와 유사한 특성을 갖게 된다.
유동층 증기 발생기의 형태는 일반적으로 내부에서 발생되는 연소과정에서, 연료가 고온 불연성 입자층내에서 연소되는 형태이며, 상기 고온 불연성 입자들은 유동화 가스의 상향 유동에 의해 공중에 떠있게 된다. 더욱이, 이 유동화 가스는 일반적으로 유동층 증기 발생기 내부의 연료의 연소를 돕기위해 공급되는 공기와, 이런 연료와 공기의 연소로부터 발생되는 기체 부산물로 구성된다.
순환 유동층 증기 발생기(CFB)를 포함하지만 그에 제한되지는 않는 유동층 증기 발생기는 일반적으로 증기를 생산하기 위해 사용된다. 부가적으로, 이런 증기는 유동층 증기 발생기 내부의 공기와 연료의 연소로부터 발생된다. 부가적으로, 유동층 증기 발생기내에서 생산된 증기는 소정의 열역학 증기 사이클에 따라 기능하도록 사용된다.순환 유동층 증기 발생기(CFB)와 관련하여, EP-A-0 068 301호에는 복수개의 분리기 수단(4, 15)과, 과열 열전달면(11)을 구비한 백패스와, 각 분리기 수단과 소통하며 밸브(8)에 의해 독립적으로 제어되는 복수개의 열 전달 수단(7, 16)을 구비한 순환 유동층 증기 발생기(CFB)가 개시되어 있다. 열전달 수단 중 제 1 열전달 수단(7)은 증발 열 전달 듀티에 사용되며, 열전달 수단 중 제 2 열전달 수단(16)은 재가열기로서 작용한다. 제 1 열전달 수단으로의 고온 고체 입자의 질량 유동은 증기 발생기의 부하의 함수로서 제어되고(2페이지 6 내지 12줄 참조), 제 2 가열 수단으로의 질량 유동은 재가열 증기의 배출 온도의 함수로서 제어된다(6페이지 9 내지 11줄 참조).
본 출원의 과제는 특히, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 관한 것이며, 본 명세서에는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 범위내에서 기술하기로 한다. 여기서, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)는 벽이 수직 수벽 튜브(vertical waterwall tube)로 구성된 노 내부 공간(furnace volume)을 포함한다. 노 내부 공간의 하부 구획에서,연료와 솔벤트가 혼합되어 공기중에서 연소되어, 고온 연소 가스를 발생시키며, 이 연소 가스에 고온의 고형체가 포획되게 된다. 이들 고온 연소 가스와 그 내부에 포획된 고온 고형체는 노 내부 공간내에서 상승하게 되며, 상술한 수벽 튜브에 열이 전달되게 되고, 그에 의해, 종래의 형태로 물로부터 증발에 의해 발생된 포화 증기가 수벽 튜브내에서 상승하게 된다. 이 포화 증기는 증기와 물의 혼합물이고, 이 증기와 물은 그후, 증기 드럼에서 공지된 방식으로 분리되게 된다. 상기 증기 드럼으로부터 물은 노 내부 공간의 하부 구획내의 수벽 튜브로 복귀되게 되어 증발 루프가 완료되게 되며, 증기는 하기에 보다 상세하게 설명할 과열기(superheater)로 전달된다.
노 내부 공간의 상단부로부터, 고온 연소 가스와 그 내부에 포획된 고온 고형체들은 사이클론(cyclone)으로 안내되고, 상기 사이클론에서는 소정 크기 이상의 솔벤트와, 연소되지 않은 연료 및 비산회(flyash)가 고온 연소 가스로부터 기계적으로 분리되게 된다. 이 연소되지 않은 연료와, 비산회와, 솔벤트는 상기 사이클론으로부터 수집되어, 중력에 의해 스탠드 파이프와 밀봉 포트(seal pot)를 통해 떨어지게 되고, 그후, 노 내부 공간의 하부 구획으로 재도입되게 되며, 그곳에서, 상기 연소되지 않은 연료와, 비산회와, 솔벤트는 다시 연소 과정에 참여하게 된다. 상기한 바는 고온 연소 가스에 포획된 소정 크기 이상의 고온 고형체가 따르는 순환 경로를 설명한 것이다.
하기에는 플루 가스(flue gas)라 지칭될 상기 사이클론으로 도입된 고온 연소 가스는 여전히 유용한 에너지를 함유하고 있으며, 그로부터 소정 크기 이상의솔벤트와, 연소되지 않은 연료와, 비산회가 분리된 이후에, 부가적인 열 교환면을 구비한 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 구비된 백패스(backpass)로 안내되게 된다. 이 부가적인 열 교환면들은 일반적으로 과열면(superheat surface)을 포함하고, 재가열면(reheat surface)과, 이코노마이저면(economizer surface)을 포함할 수 있다. 공지된 형태의 과열면은 상술한 바와 같이 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 드럼에서 물로부터 분리된 증기를 가열, 즉, 과열하도록 사용되고, 여기서 과열된 증기는 고압 터빈(HPT)으로 유동하게 된다. 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 백패스에 재가열면이 있는 경우에는 고압 터빈(HPT)에서 팽창한 이후에, 상술한 과열되었던 증기는 재가열면으로 유동하게 된다. 상기 재가열면은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 드럼에서 물로부터 분리된 상술한 증기를 다시 가열, 즉, 재가열하도록 공지된 방식으로 작동되고, 재가열된 증기는 저압 터빈(LPT)으로 유동하게 된다.
계속해서, 저압 터빈(LPT)에서 팽창한 이후에, 상술한 재가열된 증기는 물로 응결되며, 재가열된 증기로부터 응결된 물은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 백패스에 위치된 이코노마이저면으로 유동하게 되고, 여기서, 상기 물은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 드럼으로 복귀되기 이전에 가열되게 된다. 상술한 바로서 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내에서 발생되는 연소 과정으로부터 생성된 증기의 열역학적 증기 사이클이 완료된다. 그러나, 마지막으로, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 백패스내에 위치된 과열면 및 재가열면을 위한 전용의 지점에 물 분사 위치(water spray station)가 제공되고, 상기 물 분사 위치는 고압 터빈(HPT)으로 유동하는 과열된 증기의 온도 및/또는 저압 터빈(LPT)으로 유동하는 재가열된 증기의 온도를 제어하도록 사용된다. 물 분사 위치에 사용되는 물은 재가열 증기의 응결로부터 발생되어 순환 유동층 증기 발생기의 백패스내에 위치된 이코노마이저면으로 유동하는 물을 끌어다 사용하게 되고, 따라서, 물 분사 위치에 사용되는 물은 증기를 발생하는데는 사용되지 않는다.
순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 백패스를 통과하는 동안 플루 가스는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 백패스내에 위치된 과열면, 재가열면(있다면) 및 이코노마이저면과 상기 플루 가스 사이의 열교환으로 인하여 냉각되게 된다. 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 백패스로부터 배출될때, 냉각된 공기는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내의 연료의 연소를 위해 순환 유동층 증기 발생기(CFB)로 공급되는 공기를 공지된 방식으로 예열하도록 사용되는 것이 바람직하다. 그후, 공지된 형태의 상기 플루 가스는 상기 플루 가스로부터 입자를 제거하기 위해 입자 제거 시스템으로 유동하여 이를 통과하게 되며, 그후, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)와 상호협력적으로 조합된 스택(stack)으로부터 대기중으로 플루 가스가 방출되게 된다. 이것이 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내에서 공기와 연료의 연소로부터 발생된 플루 가스의 순환 경로의 전부이다.
순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 크기가 커지면, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노의 내부 공간을 한정하는 역할을 하는 수벽 튜브로의 열전달 용량이 형상학적으로 감소된다. 이는 노의 내부 공간에 대한 노의 수벽 튜브의 표면적의 비를 감소시키는 역할을 한다. 따라서, 결과적으로, 순환 유동층 증기발생기(CFB)의 증기 드럼으로 공급되게 되는 증기를 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노의 수벽 튜브내에서의 증발을 통해 충분한 양으로 형성할 수 없어지며, 동시에, 형성되는 소정의 열역학적 증기 사이클을 완료할 수 있는 충분한 양의 증기를 수반하게 하는 것도 불가능해 진다.
순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 수벽 튜브 내에서의 증발에 의해 충분한 양의 증기를 발생하도록 이 용량 감소를 보상하기 위해, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 작동시에 발생되는 고온 고형체의 순환 유동 경로내에 서로 병렬적으로 작용하며 상호협력적으로 조합된 유동층 열 교환기(FBHE)를 각각 구비한 한쌍의 사이클론이 제공될 수 있다. 본 명세서에 사용된 유동층 열 교환기라는 용어는 고온 매체와 저온 매체 사이의 열 교환을 수행하도록 설계되어 있는 주변 환형으로부터 단열되어 있는 폐쇄된 구획을 지칭하는 것이다. 본 경우에, 고온 매체는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 작동시에 발생되는 고온 고형체들을 포함하고 있으며, 저온 매체는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 열역학적 증기 사이클의 물 또는 증기를 포함한다. 이런 유동층 열 교환기(FBHE)가 제공되어 있을때, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 작동 동안 생성된 고온 고형체의 일부는 유동층 열 교환기(FBHE)로 전용되어 유동층 열 교환기를 통과하게되며, 그후, 전용된 고형체는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간으로 재도입되게 된다.
상술한 유동층 열 교환기(FBHE)는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 열역학적 증기 사이클의 듀티(duty)의 일부를 수행하도록 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 제한이 아닌 단지 예시로서, 이런 유동층 열 교환기(FBHE)는 과열면 및/또는 재가열면으로 구성될 수 있고, 과열면으로 구성된 경우, 과열 증기는 이런 과열 증기가 고압 터빈(HPT)으로 유동하기 이전에 이 과열 증기의 최종 과열을 달성하도록 유동층 열 교환기(FBHE)를 통과하게 되며, 재가열면으로 구성된 경우, 재가열 증기는 이런 재가열 증기가 저압 터빈(LPT)으로 유동하기 이전에 재가열 증기의 최종 재가열을 달성하도록 유동층 열 교환기(FBHE)를 통과하게 된다. 과열면 또는 재가열면으로 구성하는데 부가하여, 이들 유동층 열 교환기(FBHE) 중 각각의 하나는 증발면으로 구성될 수 있고, 이는 상술한 바와 같은 용광로 체적의 수벽 튜브내의 증발에 의한 증기 발생량의 감소를 만회하도록 작동될 수 있다. 노 내부 공간의 수벽 튜브와 유체 소통 관계로 연결되는 이런 증발면은 과열면 또는 재가열면의 하류에서 상술한 유동층 열 교환기(FBHE)에 제공되는 것이 바람직하다.
유동층 열 교환기(FBHE)가 노 내부 공간의 수벽 튜브내의 증발에 의한 증기 발생량의 감소를 상쇄하는 수단으로써 사용되는 이런 장치에 사용될 수 있는 제어 시스템은 일반적으로 최종 증기 과열 온도와 최종 증기 재가열 온도를 모니터링하는 것을 포함한다. 이런 최종 증기 과열 온도와 최종 증기 재가열 온도의 모니터링에 기초한 신호가 최종 재가열 온도와 최종 증기 과열 온도를 나타내도록 생성될 수 있으며, 그후, 이런 신호는 제어기로 공급된다. 이런 제어기는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 작동 동안 발생되는 고온 고형체의 순환 유동경로 내에서 유동층 열 교환기(FBHE)의 상류에 배치된 밸브를 제어하도록 작동된다. 이들 밸브의 위치는 제어기에 의해 수신되게 되는 최종 증기 재가열 온도 및 최종 증기 과열 온도를 나타내는 신호에 응답하도록 설치된다. 순차적으로, 이들 밸브의 위치는 유동층 열교환기(FBHE)로 전용되는 고온 고형체의 질량 유동율을 결정하고, 동시에, 최종 증기 재가열 온도 및 최종 증기 과열 온도를 결정한다. 그러나, 증발면과 과열면 또는 재가열면 사이에 유동층 열 교환기(FBHE)내의 단열의 부족으로 인해 유동층 열 교환기(FBHE)내의 증발 증기의 온도는 제어될 수 없으며, 따라서, 유동층 열 교환기(FBHE)내에서 발생되는 열 교환 공정에 응답하여 자체적으로 자유롭게 조절되게 된다.
한편, 본 발명의 제어 시스템은 상술한 형태의 제어 시스템의 단점인 이런 결함, 즉, 유동층 열 교환기(FBHE)내의 증발 증기 온도를 제어할 수 없다는 결함을 제거한 것이다. 따라서, 유동층 열 교환기(FBHE)가 상호 협력적으로 조합되어 있는 단일의 사이클론을 사용하거나, 각각 하나의 유동층 열 교환기(FBHE)가 상호협력적으로 조합되어 있는 두개의 사이틀론을 사용하는 대신에, 본 발명에서는 다수의 사이클론을 사용하고 있으며, 본 발명의 사이클론들은 각각 나머지 두개의 사이클론들과 병렬적으로 작동되고, 각각 상호협력적으로 조합된 유동층 열 교환기(FBHE)를 구비하고 있다. 부가적으로, 각각의 유동층 열 교환기(FBHE)는 나머지 유동층 열 교환기(FBHE) 각각과 단열되어 있다. 부가적으로, 각각의 유동층 열 교환기(FBHE)는 증기 과열 듀티(duty)나 증기 재가열 듀티 또는 증기 증발 듀티를 보조한다. 상술한 다수의 사이클론 중 하나씩과 상호협력적으로 조합된 본 발명에 따른 세개의 유동층 열 교환기(FBHE) 각각은 분리된 제어 시스템에 의해 제어될 수 있도록 설계된다. 독립적인 제어 시스템에 의해 제어될 수 있기 때문에, 본 발명에 따라서 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내의 온도 뿐만 아니라, 동시에 최종증기 과열 온도와 최종 증기 재가열 온도를 독립적으로 제어하는 것이 가능하다.
노 내부 공간내의 온도를 직접적으로 제어하는 것은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 능력을 향상시킨다. 특히, 본 발명에 따라서, 증기 증발 듀티를 보조하는 유동층 열 교환기(FBHE)와 노 내부 공간의 수벽 튜브 사이의 증기 증발 듀티를 변화시킴으로써 다양한 연료 입자 크기에 대해 필요한 전체 증발 증기 유동을 충족시키는 것이 가능하다. 연료 입자의 크기가 너무 큰 경우에는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내에서 연소되는 입자는 이런 연소의 결과로 발생되는 플루 가스내에 덜 포획되게 된다. 이로 인해, 플루 가스로부터 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간을 형성하는 수벽 튜브로 전달될 수 있는 열의 양이 작아지게 된다. 부가적으로, 이로 인해, 상술한 수벽 튜브로 전달되는 열의 양이 작아지게된다. 수벽 튜브로 전달되는 열의 양이 작은 경우에, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내의 공기와 연료의 연소에 의해 발생되는 고온 고형체의 온도가 상승하게 된다. 따라서, 노 내부 공간의 수벽 튜브내에서 발생되는 증발 증기의 양이 작다는 것을 보상하기 위해 보다 많은 증발 증기가 증기 증발 듀티를 보조하는 유동층 열 교환기(FBHE)에 의해 발생되어야 한다. 고온 고형체의 온도 상승으로 인한 부가적인 현상은 노 내부 공간의 하부 구획으로 재순환되는 고온 고형체로 인해 노 내부 공간의 온도가 상승된다는 것이다. 본 발명에 따르면 유동층 열 교환기(FBHE)에 의해 수행되는 증기 증발 듀티의 양의 제어를 위해 작동되도록 설계된 제어 시스템이 노 내부 공간내의 온도 증가에 응답하여, 노 내부 공간내의 온도를 하강시키도록 작동된다.
한편, 연료의 입자 크기가 너무 작은 경우에, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내에서 연소되는 입자는 보다 많이 백패스로 유동하게 된다. 이로 인해, 고온 고형체의 온도가 감소되게 되고, 따라서, 이 고온 고형체가 노 내부 공간의 하부 구획으로 재순환됨에 따라 노 내부 공간내의 온도가 감소되게 된다. 본 발명에 따르면, 노 내부 공간내의 온도의 감소에 응답하여, 유동층 열 교환기(FBHE)에 의해 수행되는 증기 증발 듀티의 양의 제어를 위해 작동되도록 설계된 제어 시스템이 노 내부 공간내의 온도를 상승시키도록 작동된다.
본 발명에 따라서, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내에서 상이한 형식의 연료가 연소될때 필요한 증발 증기 유동을 충족시키는 것도 가능하다. 상술한 바와 같이 입자의 크기가 상이한 경우에, 증기 증발 듀티를 보조하도록 설계된 유동층 열 교환기(FBHE)와 노 내부 공간의 수벽 튜브 사이의 증기 증발 듀티를 변화시킴으로써 상술한 바가 달성될 수 있다. 상이한 형태의 연료는 상이한 양의 회(ash)를 포함하고 있다. 회의 증가와 함께 보다 많은 열이 노 내부 공간의 수벽 튜브로 전달되며, 그래서, 노 내부 공간내에서 연료와 공기의 연소로부터 발생되는 고온 고형체의 온도는 감소된다. 더욱이, 이는 이런 고온 고형체가 노 내부 공간의 하부 구획으로 재순환될때 노 내부 공간내의 온도를 감소시킨다. 본 발명에 따르면, 이 노 내부 공간내의 온도의 감소에 응답하여 유동층 열 교환기(FBHE)에 의한 증기 증발 듀티의 양의 제어를 위해 작동되도록 설계된 제어 시스템이 노 내부 공간내의 온도를 상승시키도록 작동된다. 한편, 연료에 혼합된 회가 감소되는 경우에, 플루 가스로부터 노 내부 체적의 수벽 튜브로 전달되는 열의 양이 감소되며, 그에의해, 상술한 고온 고형체의 온도가 상승하게 된다. 순차적으로, 그 효과가 이런 고온 고형체들이 노 내부 공간의 하부 구획으로 재순환될때 노 내부 공간내의 온도를 상승시킨다. 본 발명에 따르면, 이런 노 내부 공간의 온도 상승에 응답하여, 유동층 열 교환기(FBHE)에 의한 증기 증발 듀티의 양의 제어를 위해 작동되도록 설계된 제어시스템이 노 내부 공간내의 온도를 감소시키도록 작동할 수 있다.
본 발명에 따른 노 내부 공간내의 온도의 직접적인 제어로부터 얻어지는 다른 장점은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 작동 부하가 더 낮은 상태에서 노 내부공간내의 더 높은 온도를 유지하는 것이 가능하다는 것이다. 순환 유동층 증기 발생기(CFB)가 너 낮은 부하에서 작동될때 기본 연료에 부가되는 고가의 보조 연료를 사용해야하는 필요성이 감소된다. 부가적으로, 본 발명의 또다른 장점은 비산회가 탄소를 적게 포함하며, 그에 의해 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 효율이 향상되며, 동시에 순환 유동층 증기 발생기(CFB)를 작동하는 비용이 감소된다는 것이다. 본 발명의 또다른 장점은 일산화 탄소와 휘발성 유기 화합물의 양이 적어서 배기물 표준에 부합된다는 것이다.
본 발명에 따라서 노 내부 공간내의 온도를 직접적으로 제어하는 것에 의한 부가적인 장점은 노 내부 공간내의 온도에 대한 NOX, SOX, CO의 배출을 최적화 할 수 있다는 것이다. 노 내부 공간내의 온도와 주어진 연료당 발생하는 NOX, SOX, CO의 배출물 사이의 공지된 관계에 기초하여, 노 내부 공간내의 설정 온도를 선택할 수 있다. 부가적으로, 본 발명에 따라서 노 내부 공간내의 온도의 직접적인 제어를가능하게 하는 제어기는 상술한 설정 온도 부근에서 작동하도록 설계될 수 있으며, 이는 노 내부 공간내의 온도를 유지하면서 동시에 배기물 표준에 부합될 수 있도록 해준다.
본 발명에 따른 증기 과열 온도와 증기 재가열 온도를 독립적으로 제어할 수 있는 성능은 본 명세서에서 상술한 물 분사 위치를 사용할 필요가 없도록 해준다. 이는 물 분사 위치에 사용되던 물이 증기의 발생에 사용될 수 있고, 따라서, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 가용한 열 전달면의 최적화된 이용이 가능하며, 동시에, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)와 상호협력적으로 조합된 터빈이 순환 유동층 증기 발생기(CFB)로부터 공급되는 재가열 증기의 온도의 증가에 의한 및/또는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)로부터 공급되는 과열 증기의 온도 증가에 의한 열 손실을 입지 않는다.
제한적인 의미가 아닌 예시로서, 본 발명에 의한 부가적인 장점은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)와 상호협력적으로 조합된 유동층 열 교환기(FBHE)의 수가 증가될때 그 제어 시스템의 복잡성이 증가되지 않아도 된다는 것이다.
상술한 바로부터, 본 발명이 재가열을 포함하는 증기 사이클을 사용하는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되었을때, 본 발명의 이용은 하기한 바와 같은 두가지 목적을 성취할 수 있다는 것이 명백하다. 즉, 본 발명에 따라서, 노 내부 공간내의 온도를 직접적으로 제어하는 것이 가능하고, 그에 의해, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 작동에 관련하여 융통성이 증가된다는 것이다. 두번째로는 본 발명에 따라서, 최종 증기 과열 온도와 최종 증기 재가열 온도를 독립적으로 제어하는 것이 가능하고, 따라서, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 물 분사 위치를 제공할 필요가 없다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용하기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내의 온도를 직접적으로 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용하기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다양한 형태의 연료와 상이한 입자 크기의 연료를 사용할 수 있으며, 다양한 요구 부하에 따라 작동될 수 있는 보다 양호한 융통성을 가지고 작동되는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내의 온도에 대한 NOX, SOX, CO 방출을 최적화하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최종 증기 과열 온도와 최종 증기 재가열 온도를 독립적으로 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 사용시 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 제어 시스템의 복잡성이 증가되지 않는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이용시 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 사이클의 증기 과열부와 증기 재가열부에 고가의 물 분사 위치를 설치할 필요가 없는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 화석 연료를 사용하는 순환 유동층 증기 발생기(circulating fluidized bed)(CFB)에 관한 것으로, 보다 명확하게 말하면, 이런 화석 연료 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 온도를 직접적으로 제어하는 것과, 이런 화석 연료 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 최종 증기 과열(superheat steam) 온도와 최종 증기 재가열(reheat steam) 온도를 간접적으로 제어하는 것에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 노 내부 공간과, 사이클론 영역과, 백패스 영역과, 밀봉 포트 영역 및 유동층 열 교환기(FBHE)를 포함하는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 개략적인 측면 입면도.
도 2는 도 1에 도시된 순환 유동층 증기 발생기에 사용되는 열역학적 증기 사이클의 유체 순환 경로의 단순화된 개략도.
도 3은 노 내부 공간과, 사이클론 영역과, 백패스 영역을 도시하는 도 1에 도시된 순환 유동층 증기 보일러(CFB)의 평면도.
도 4는 노 내부 공간과, 유동층 열 교환기(FBHE) 및 상술한 유동층 열 교환기(FBHE)용 제어 시스템을 도시하는 도 1에 도시된 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 부분 평면도.
본 발명에 따라서, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내의 공기와 연료의 연소로부터 발생된 고온 고형체의 순환 유동 경로를 가지는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)가 제공되고, 상기 고온 고형체의 순환 유동 경로는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간으로부터 각각 배출 및 복귀되는 복수의 분리된 개별적인 경로로 구성된다.
본 발명에 따라서, 고온 고형체를 위한 복수의 분리된 개별적인 경로 각각 내에는 유동층 열 교환기(FBHE)가 제공되며, 상기 유동층 열 교환기는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 열역학적 증기 사이클의 독립적인 일부를 위한 열 교환 듀티를 수행하는데 사용된다.
본 발명에 따라서, 상기 각 유동층 열 교환기(FBHE)와 상호협력적으로 조합된 제어 시스템이 제공되고, 상기 제어 시스템은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간 내의 온도를 직접적으로 제어하도록 작동된다.
또한, 본 발명에 따라서, 각 유동층 열 교환기(FBHE)와 상호협력적으로 조합된 제어 시스템은 부가적으로 최종 증기 과열 온도와 최종 증기 재가열 온도를 독립적으로 제어하는 것을 가능하게 한다.
고온 고형체의 순환 유동 경로는 연료와 공기가 혼합되어 연소되는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간의 하부 구획에서 시작된다. 이런 연소는 고온 연소 가스를 발생시키고, 연료의 연소동안 발생되는 고온 고형체가 고온 연소 가스내에 포획되게 된다. 고온 고형체가 수반된 고온 연소 가스가 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간 내에서 상승함에 따라, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간을 한정하는 수벽 튜브로 열이 전달된다. 이 열전달의 결과로 노 내부 공간의 수벽 튜브 내의 증발에 의해 증기가 발생된다.
노 내부 공간의 상단부에서 고온 고형체가 수반되어 있는 플루 가스라 지칭되는 고온 가스는 서로 병렬적으로 배열된 복수개의 분리된 개별적인 덕트를 통해 유동한다. 이들 덕트 각각의 배출 단부에는 사이클론이 배치되고, 각 사이클론은 고온 고형체가 수반된 플루 가스로부터 소정 크기 이상의 고온 고형체를 기계적으로 분리한다. 상기 사이클론으로부터, 상기 플루 가스는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 사이클에의해 필요한 열전달 듀티의 부가적인 일부를 수행하기 위해 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내에 적절히 제공되어 있는 공용의 백패스로 안내된다. 한편, 사이클론내에서 중력의 영향하에 상기 플루 가스로부터 분리된 고온 고형체는 상기 플루 가스로부터 상기 고온 고형체를 분리하는 사이클론을 통해 하강한다. 각 사이클론의 하류에는 스탠드 파이프와 밀봉 포트가 순차적으로 적절히 제공되고, 그를 통해 상기 사이클론내의 플루 가스로부터 분리된 고온 고형체의 일부가 유동하게 된다. 밀봉 포트를 통과한 후 이들 고온 고형체들은 노 내부 공간의 하부 구획으로 재도입되게 되고, 그곳에서 이 재순환된 고온 고형체들은 다시 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내에서 발생되는 연소 과정에 참여하게 된다.
한편, 플루 가스로부터 고온 고형체를 분리하는 특정 사이클론과 상호협력적으로 조합된 특정 밀봉 포트에 도달하기 이전에 사이클론내에서 플루 가스로부터 분리된 고온 고형체들의 나머지 부분은 플루 가스로부터 고온 고형체를 분리하는 특정 사이클론과 상호협력적으로 조합된 특정 유동층 열 교환기(FBHE)로 전용된다. 유동층 열 교환기(FBHE)를 통과하는 동안, 열전달이 발생되고, 그에 의해 고온 고형체들은 유동층 열 교환기(FBHE)로 들어갈때보다 유동층 열 교환기(FBHE)로부터 배출될 때의 온도가 낮다. 상술한 유동층 열 교환기(FBHE)를 통과한 이후, 이런 고온 고형체, 즉 고온 고형체의 나머지 부분들은 노 내부공간의 하부 구획으로 재도입되게 되고, 여기서, 재순환된 고온 고형체들은 순환 유동층 증기 발생기(CFB)내에서 발생되는 연소 과정에 다시 참여하게 된다. 유동층 열 교환기(FBHE)를 통과하는 동안 고온 고형체들이 열전달 과정을 격기 때문에, 유동층 열 교환기(FBHE)로부터 노 내부공간의 하부 구획으로 재순환된 고온 고형체들의 온도는 밀봉 포트로부터 노 내부공간의 하부 구획으로 재순환된 고온 고형체들의 온도 보다 낮다.
부가적으로, 상기 유동층 열 교환기(FBHE)는 고온 고형체들에 대해서는 단일 입력/단일 출력 능력을 가지고, 유동층 열 교환기(FBHE)를 통과하는 상대적으로 냉각되어 있는 증기에 대해서는 다중 입력/다중 출력 능력을 갖는다. 상기 증기와 고온 고형체 사이에 열전달이 발생한다. 증기가 공용의 도입 해더(header)로부터 안내되어 공용의 배출 해더로 공급되게 되는 특정 유동 층 열 교환기(FBHE)내에서는 어떠한 매체의 혼합도 발생되지 않으며, 상기 증기는 유동층 열 교환기(FBHE)를 통과하는 동안에는 고온 고형체들속에 담겨진 튜브 다발내에 가두어져 있는 상태로 존재하게 된다.
본 발명에 따라서, 각 유동층 열 교환기(FBHE)는 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 사이클의 특정 구획을 위한 열 전달 듀티를 수행하기 위해 사용된다. 즉, 하나는 과열 증기에 대한 열 전달 듀티를 수행하고, 다른 하나는 증기 재가열에 대한 열 전달 듀티를 수행하며, 나머지 하나는 증발 증기에 대한 열 전달 듀티를 수행한다.
부가적으로, 본 발명에 따라서, 각 유동층 열 교환기(FBHE)로의 고온 고형체의 질량 유동율은 독립적으로 제어된다. 이와 관련하여, 와열 증기에 사용되는 유동층 열 교환기(FBHE)와 증기 재가열에 사용되는 유동층 열 교환기(FBHE)는 각각 동일한 방식으로 제어된다. 즉, 유동층 열 교환기(FBHE)로부터 배출되는 과열 또는 재가열된 증기의 온도가 감지되며, 감지된 온도를 나타내는 신호가 제어기로 공급된다. 감지된 증기 온도가 소정 설정 온도값 보다 큰지 작은지에 따라서, 제어기는 상호협력적으로 조합되어 있는 밸브를 보다 완전히 개방 또는 보다 완전히 폐쇄하여 배출되는 증기의 온도가 감지된 특정 유동층 열 교환기(FBHE)로의 고온 고형체의 질량 유동율을 규제하여, 감지된 증기 온도를 소정의 사전설정된 온도값으로 복귀시킨다. 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 사이클의 증기 재가열 구획 및 증기 과열 구획에 대한 열전달 듀티에 사용되는 유동층 열 교환기(FBHE)가 각각 서로독립적 및 개별적으로 제어되기 때문에, 본 발명에 따라서 최종 증기 재가열 온도 및 최종 증기 과열 온도를 독립적으로 제어하는 것이 가능하다.
상술한 바와는 대조적으로 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 사이클의 증발 증기에 대한 열전달 듀티에 사용되는 유동층 열 교환기(FBHE)의 제어 방식은 하기와 같은 방식으로 달성된다. 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간의 온도가 감지되고, 감지된 온도를 나타내는 신호가 상술한 제어기와는 독립적인 별개의 제어기로 공급된다. 감지된 노 내부 공간의 온도가 소정 설정 온도값보다 작은지 큰지에 따라서, 상술한 제어기와 유사한 제어기가 상호 협력적으로 조합된 밸브를 보다 완전히 개방되거나 보다 완전히 폐쇄되도록 하여, 증기 증발 듀티에 사용되는 특정 유동층 열 교환기(FBHE)로의 고온 고형체의 질량 유동율을 규제함으로써 감지된 노 내부 공간의 온도를 소정 설정 온도값으로 복귀시킨다.
도면중 도 1을 참조하면, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)가 도시되어 있으며, 도면부호 2로 표시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 순환 유동층 증기 발생기(2)는 도면부호 4a로 도시된 수벽 튜브에 의해 한정되는 도면 부호 4로 표시된 노 내부 공간과, 도면부호 6으로 표시된 제 1 배관 영역과, 도면부호 8로 표시된 사이클론 영역과, 도면부호 10으로 표시된 제 2 배관 영역과, 도면부호 12a로 표시된 배관이 연장되어 있는 도면부호 12로 표시된 백패스 공간을 포함한다.
도면 중 도 3을 참조하면, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 평면도가 도시되어 있다. 도 3에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 사이클론 영역은 각각 도면 부호 8a, 8b, 8c로 표시된 세개의 사이클론으로 구성되어 있다. 부가적으로, 도 3에는 도면 부호 6a, 6b, 6c로 각각 표시되어 있는 세개의 덕트로 구성된 제 1 배관 영역(6)이 도시되어 있다. 더욱이, 도 3에 도시된 바와 같이, 각 덕트(6a, 6b, 6c)는 각각 서로 병렬적으로 연장되어 있으며, 각각 그 일단부가 노 내부 공간(4)의 상부 구획과 유체 유동 관계로 연결되어 있고, 그 나머지 단부는 세개의 사이클론(8a, 8b, 8c) 중 대응하는 하나와 유체 유동 관계로 연결되어 있다. 마지막으로, 도 3에는 도면 부호 10a, 10b, 10c로 각각 표시되어 있는 세개의 덕트로 구성된 제 2 배관 영역(10)이 도시되어 있다. 덕트(6a, 6b, 6c)와 유사한 형태로, 각 덕트(10a, 10b, 10c)는 서로 병렬적으로 연장되어 있으나, 각 덕트(10a, 10b,10c)의 일단부는 노 내부 공간(4)의 상부 구획과 유체 유동 관계로 연결되는 대신 백패스 공간(12)의 상부구획과 유체 유동 관계로 연결되고, 다른 단부는 세개의 사이클론(8a, 8b, 8c) 중 대응하는 하나와 유체 유동 관계로 연결되어 있다.
도면 중 도 1을 다시 참조하면, 사이클론 영역(8)의 하부 구획은 유체 유동 시스템을 통해 노 내부 공간(4)의 하부 구획과 유체 유동 관계로 연결되어 있고, 상기 유체 유동 시스템은 도면부호 14 및 14a로 도시되어 있는 스탠드 파이프와, 도면부호 16으로 도시되어 있는 밀봉 포트와, 도면부호 18로 도시되어 있는 고온 고형체 입구와, 도면부호 20으로 도시되어 있는 유동층 열 교환기(FBHE) 입구와, 도면부호 22로 도시되어 있는 제어 밸브와, 도면 부호 24로 도시되어 있는 유동층 열 교환기(FBHE)와, 도면 부호 26으로 도시되어 있는 유동층 열 교환기(FBHE) 출구로 구성되어 있다. 설명의 편의를 위해, 하기에는 제 1 배관 영역(6)과, 사이클론 영역(8)과, 유체 유동 시스템(14, 14a, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28)을 고온 고형체 순환 경로라고 지칭하고, 도면부호 64, 66, 66', 64로 표시한다. 부가적으로, 유체 유동 시스템(14, 14a, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28)은 각 사이클론(8a, 8b, 8c)과 상호협력적으로 조합되어 있는 일반적인 유체 유동 시스템이다. 본 명세서에서는 단지 하나의 유체 유동 시스템(14, 14a, 16, 18, 22, 24, 26, 28)에 대해서만 설명하기로 하며, 그 이유는 세개의 사이클론(8a, 8b, 8c)중 나머지 두개의 유체 유동 시스템도 그 구성이나 작동이 동일하기 때문이다. 마지막으로, 도면 중 도 1에 도시된 바와 같이, 노 내부 공간(4)은 도면부호 56으로 도시된 솔벤트 및 연료 공급원과 도면부호 56'로 도시된 공급라인을 통해 소통하고 있으며, 도면부호 60으로 도시된 공기 공급원과 도면부호 60'로 도시된 공급 라인을 통해 소통하고 있다.
도면 중 도 1과 관련하여, 노 내부 공간(4)의 하부 구획에서 도면부호 58로 도시된 연료와 솔벤트의 혼합물은 연소를 위해 도면부호 62로 도시된 공기와 혼합된다. 공지된 방식으로, 이 연소로부터 도면부호 64로 도시된 고온 연소 가스가 발생되며, 도면부호 66으로 도시된 고온 고형체는 고온 연소 가스(64)내에 포획된다. 고온 고형체(66)가 포획되어 있는 이 고온 연소 가스(64)는 노 내부 공간(4)내에서 상승하게되며, 노 내부 공간(4)의 상단부에서 고온 고형체(66)가 포획되어 있는 고온 연소 가스는 서로 병렬적으로 연장되어 있는 배관(6a, 6b, 6c)을 통해 대응하는 사이클론(8a, 8b, 8c)중 하나로 유동하게 된다. 각 사이클론(8a, 8b, 8c)내에서 유입된 고온 고형체(66)중 소정 크기 이상의 고온 고형체는 그들이 포획되어 있던 고온 연소 가스로부터 분리된다. 미연소 연료, 비산회, 솔벤트 등을 포함하고 있는 분리된 고온 고형체(66)는 상기 사이클론(8a, 8b, 8c) 중 대응하는 하나를 통과하게 된다. 상기 사이클론(8a, 8b, 8c)으로부터, 고온 고형체(66)는 중력의 영향에 의해 대응하는 스텐드 파이프(14, 14a)로 배출되며, 그곳으로부터 고온 고형체(66)의 일부는 스텐드 파이프(14a)를 통해 대응하는 밀봉 포트(16)로 유동한다. 그후, 밀봉 포트(16)로부터 상기 고온 고형체(66)의 일부는 애응하는 고온 고형체 입구(18)를 통해 노 내부 공간(4)의 하부 구획으로 재도입되며, 그곳에서, 상기 고온 고형체(66)의 일부는 다시 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)내에서 발생되는 연소 과정에 참여하게 된다. 소정 크기 이상인 고온 고형체(66)의 나머지는 세개의 사이클론(8a, 8b, 8c) 중 대응하는 하나로부터 대응하는 열 교환기 입구(20)를 경유하여 대응하는 유동층 열 교환기(FBHE; 24)로 전용되게 되고, 그곳으로부터 대응하는 열 교환기 출구(26)를 경유하여 노 내부 공간(4)의 하부 구획으로 간다.
한편, 하기에서는 플루 가스라 지칭될 사이클론(8a, 8b, 8c)을 벗어난 고온 연소 가스(64)는 사이클론(8a, 8b, 8c)으로부터 병렬적으로 연장된 덕트(10a, 10b, 10c)를 경유하여 백패스 공간(12)으로 안내되고, 그곳에서 하기에 보다 명확하게 설명될 부가적인 열 전달 듀티가 성취된다. 상기 백패스 공간(12)으로부터 상기 플루 가스(64)는 배관(12a)를 통해 입자 제거 시스템(도면의 단순화를 위해 도시되어 있지 않음)으로 배출되고, 그곳에서, 상기 플루 가스(64)는 스택(도면의 단순화를 위해 도시되지 않음)을 통해 대기중으로 배출된다.
노 내부 공간(4)에서 발생하는 연소 과정이 어떻게 고공 고형체 순환 경로(64, 66, 66', 64) 및 플루 가스(64)의 유동 경로와 통합되는 지와, 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 도면부호 100으로 도시된 열역학적 증기 사이클과 통합되는 지를 보다 양호하게 이해할 수 있도록 하기 위하여, 도면중 도 2를 참조로 설명한다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이 열역학적 증기 사이클(100)은 제 2 증기 증발 루프(50, 28c, 30c, 32, 50)와 병렬적으로 작동하도록 설계된 제 1 증기 증발 루프(50, 52, 4a, 54, 50)를 포함한다. 마지막으로, 도 2로부터, 열역학적 증기 사이클(100)은 증기 과열 구획(50, 70, 72, 28a, 30a, 32a, 34, 36)과, 증기 재가열 구획(74, 28b, 30b, 32b, 34, 36) 및 이코노마이저 구획(38, 40, 42, 44, 76, 50)도 포함하고 있는 것을 알 수 있다.
상기 제 1 증기 증발 루프(50, 52, 4a, 54, 50)는 노 내부 공간(4)내에서 발생되는 연소 과정의 함수로서 작동하게 된다. 상술한 바와 같이, 그에 포획된 고온 고형체(66)를 가진 고온 연소 가스(64)는 노 내부 공간(4)내에서 상승하고, 그로부터 노 내부 공간(4)을 한정하는 역할을 하는 수벽 튜브(4a)로 전달된다. 결과적으로, 도 2에 도면 부호 50으로 도시되어 있는 증기 드럼으로부터 수벽 튜브(4a)로 도입되는 도 2에 도면부호 52로 도시되어 있는 포화수는 증발되어 도 2에 도면 부호 54로 도시되어 있는 포화 증기와 포화수의 혼합물로 변환된다. 그후, 이 혼합물(54)은 분리를 위해 증기 드럼(50)으로 유동하며, 포화수(52)는 다시 한번 수벽 튜브(4a)로 유동하게 되며, 도 2에 도면부호 72로 도시된 포화증기는 도 2에 도면 부호 72로 도시된 과열면으로 유동하게 되고, 하기에 보다 상세히 설명될 상기 과열면은 백패스 공간(12)내에 절절히 제공되어 있다.
제 2 증기 증발 루프(50, 28c, 30c, 32c, 50)는 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)내에서 발생하는 열 전달 과정의 결과로서 작동된다. 증기 드럼(50)으로부터 발생된 도 2에 도면 부호 28c로 도시되어 있는 포화수는 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)로 들어간다. 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)를 통한 그 경로 중에, 포화수(28c)는 도 2에 도면 부호 66'로 도시된 고온 고형체가 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)를 통과할때 발생되는 열 전달의 결과로서 도 2에 도면부호 32c로 도시되어 있는 포화 증기와 포화수의 혼합물로 전환된다. 상기 포화증기와 포화수의 혼합물(32c)은 분리를 위한 증기 드럼(50)으로 유동하고, 그곳에서, 포화수(28c)는 다시한번 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)로 유동하게되며, 동시에 도 2에 도면 도면 부호 70으로 도시된 포화 증기는 하기에 보다 상세히 설명될 도 2에 도면 도면 부호 72로 도시되어있는 과열기로 유동하게 된다.
과열기(72)내에서 하기에 설명될 비교적 고온의 플루 가스(68)와 비교적 저온의 포화증기(70) 사이에 열전달이 발생하게 된다. 도 2에 도면부호 28a로 도시된 과열기(72)로부터 배출되는 증기는 과열 상태이다. 과열기(72)로부터, 상기 증기(28a)는 도 2에 도면 도면 부호 24a로 도시된 유동층 열 교환기(FBHE)로 유동하게 되며, 그곳에서, 상기 증기(28a)는 유동층 열 교환기(FBHE; 24a)를 통해 순환하는 비교적 고온의 고형체(66')로부터 전달되는 열에 의해 추가적으로 과열되게 된다. 유동층 열 교환기(FBHE; 24a)로부터 배출될때, 도 2에 도면 부호 32a로 도시된 증기는 매우 과열된 상태이며, 도 2에 도면 부호 34로 도시된 고압 터빈(HPT)으로 유동하게 된다.
고압 터빈(HTP; 34)내에서 팽창한 이후에, 도 2에 도면 부호 32로 도시된 여전히 과열된 상태의 증기는 도 2에 도면 부호 74로 도시된 재가열기로 유동하게 된다. 재가열기(74)내에서 상술한 여전히 상대적으로 고온인 플루 가스(68)로부터 비교적 저온의 과열 증기(36)로의 열전달이 발생된다. 도 2에 도면 부호(28b)로 도시되어 있는 재가열기(74)로부터 배출된 증기는 여전히 과열된 상태이다. 재가열기(74)로부터, 상기 증기(28b)는 도 2에 도면 부호 24b로 도시되어 있는 유동층 열 교환기(FBHE)로 유동하게 되고, 그곳에서, 상기 증기(28b)는 유동층 열 교환기(FBHE; 24b)를 통해 순환하는 상대적으로 고온의 고형체(66')로부터 상대적으로 저온인 과열 증기(28b)로의 열전달에 의해 부가적으로 과열되게 된다. 상기 유동층 열 교환기(24b)로부터 배출될때 도 2에 도면 부호 32b로 도시되어 있는 증기는 다시 매우 과열되어 있는 상태이며, 도 2에 도면 부호 34로 도시되어 있는 저압 터빈(LPT)으로 유동하게 된다.
저압 터빈(LPT)에서 부가적으로 팽창한 이후에, 도 2에 도면 부호 36으로 도시되어 있는 포화 증기는 도 2에 도면 부호 38로 도시되어 있는 응축기로 유동하게 되며, 그곳에서, 포화 증기(36)는 도 2에 도면부호 40으로 도시된 물로 전환되게 된다. 상기 물(40)은 그후 도 2에 도면부호 42로 도시되어 있는 펌프에 의해 도 2에 도면부호 76으로 도시된 이코노마이저로 유동하게 된다. 이코노마이저(76)내에서, 상술한 여전히 상대적으로 고온인 플루 가스(68)로부터 도 2에 도면부호 44로 도시된 상대적으로 저온인 물로 열 전달이 발생한다. 상기 이코노마이저(76)로부터 배출될때, 도 2에 도면 부호 48로 도시된 물은 포화상태이며, 증기 드럼으로 유동하게 된다. 이것으로 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 증기 사이클(100)에 대한 설명을 마친다.
상술한 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 증기 사이클(100)내에서 발생되는 증기는 고압 터빈(HPT; 34)과 저압 터빈(LPT; 34)을 구동하는데 필요한 동력을 제공하도록 공지된 방식으로 작동된다. 고압 터빈(HPT; 34) 및 저압 터빈(LPT; 34)은 종래의 방식으로 전기를 발생하는 발전기(도면의 단순화를 위해 도시되지 않음)와 상호협력적으로 조합되어 있다.
도면 중 도 4를 참조하면 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 부분 평면도가 도시되어 있으며, 상호협력적으로 조합된 세개의 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c)가 도시되어 있다. 세개의 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c) 각각은 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 노 내부 공간(4)과 유체 유동관계로 독립적으로 연결되어 있다. 도 4로부터 고온 고형체(66')가 세개의 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c) 각각을 통해 순환한다는 것을 알 수 있다. 도면중 도 1에 관한 설명에서 설명된 바와 같이, 열 교환기 입구(20)는 고온 고형체(66)의 주 유동으로부터 고온 고형체(66')를 전용하도록 작동된다. 부가적으로, 도 4로부터 각 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c) 내에서 고온 고형체(66')는 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 증기 사이클의 증기 과열 구획(50, 70, 72, 28a. 30a, 32a, 34, 36), 증기 재가열 구획(74, 28b, 30b, 32b, 34, 36) 및 증기 증발 루프(50, 28c, 30c, 32c, 50)의 열 전달면(30a, 30b, 30c)과 각각 열적으로 접혹하여 순환한다. 상술한 열적 접촉을 통해, 상기 고온 고형체(66')로부터 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 상술한 증기 사이클의 작동 유체로 열전달이 이루어진다. 따라서, 이 열전달로 인해 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c)로부터 배출된 고온 고형체(66')의 온도는 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c)로 도입되는 고온 고형체(66')의 온도보다 낮다.
도면 중 도 4를 참조하면, 각 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c)로 전용되는 고온 고형체(66')의 질량 유동율은 독립적인 별개의 제어 시스템에 의해 제어된다. 여기서, 각 독립적인 별개의 제어 시스템은 도 4에 도면 부호(80a, 80b, 80c)로 각각 도시된 온도 센서와, 도 4에 도면 부호 82a, 82b, 82c로 각각 도시된 온도 신호와, 도 4에 도면 부호 84a, 84b, 84c로 도시된 제어기로 구성되어 있으며, 도 4에 도면 부호 86a, 86b, 86c로 도시된 명령 신호를 각각 발생하도록 작동한다. 순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 증기 사이클(100)의 증기 과열 구획(50, 70, 72, 28a. 30a, 32a, 34, 36)과 증기 재가열 구획(74, 28b, 30b, 32b, 34, 36)에 각각 사용되는 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b)로의 고온 고형체(66')의 질량 유동율을 규제하는 상술한 독립적인 별개의 제어 시스템은 그 구성과 작동 특성이 동일하다. 따라서, 나머지 하나는 동일하기 때문에 이들 두개의 독립적인 별개의 제어 시스템 중 단지 하나의 작동 및 구성의 특성에 관해서만 설명하기로 한다.
여기서, 이들 두개의 독립적인 별개의 제어 시스템은 각각 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b)로부터 배출되는 증기(32a, 32b)의 온도를 감지하기 위해 각각 작동되도록 위치된 온도 센서(80a, 80b)를 각각 구비하고 있다. 각 온도 센서(80a, 80b)는 그에 의해 감지된 증기 온도를 나타내는 온도 신호(82a, 82b)를 각각 발생시키도록 작동된다. 각 온도 신호(82a, 82b)는 제어기(84a, 84b)로 각각 입력되고, 상기 제어기는 소정의 방식으로 상기 온도 신호(82a, 82b)에 각각 응답하여 작동한다. 즉, 만약, 유동층 열 교환기(FBHE; 42a, 42b)로부터 공급되는 배출 증기(32a, 32b)의 온도가 사전설정된 온도값을 초과하여 상승할 경우에는 제어기(84a, 84b)로부터 발생된 명령 신호(86a, 86b)가 각각 제어 밸브(22a, 22b)로 안내된다. 이 신호(86a, 86b)는 각각 제어 밸브(22a, 22b)가 각각 보다 완전히 폐쇄되어 유동층 열 교환기(24a, 24b)로의 고온 고형체(66')의 질량 유동율을 각각 감소시켜 배출 증기 온도(32a, 32b)를 소정 설정 온도값으로 복귀되게 한다. 반대로, 만약 배출 증기(32a, 32b)의 온도가 각각 소정 설정 온도값 미만으로 하강하게 된다면, 명령 신호(86a, 86b)는 각각 제어밸브(22a, 22b)를 각각 보다 완전히 개방되도록 하여 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b)로의 고온 고형체(66')의 질량 유동율을 증가시켜 배출 증기(32a, 32b)의 온도를 소정 설정 온도값으로 각각 복귀되게 한다.
도면 중 도 4를 참조하면, 증기 증발 루프(50, 28c, 30c, 32c, 50)에 사용되는 유동층 열 교환기(FBHE; 24a)로의 고온 고형체(66')의 질량 유동율은 독립적인 별개의 제어 시스템 중 나머지 하나에 의해 제어된다. 상술한 독립적인 별개의 제어 시스템은 도 4에 도면 부호 80c로 도시된 온도 센서를 포함하고, 상기 온도 센서는 노 내부 공간(4)의 온도를 감지하기 위해 작동하도록 위치되어 있다. 상기 온도 신호(82c)는 온도 센서(80c)로부터 도 4에 도면 부호 84c로 도시된 제어기의 입력값으로서 공급되며, 상기 제어기는 소정 방식으로 상기 수신된 온도(82c)에 응답한다. 즉, 만약 노 내부 공간(4)의 온도가 소정 설정 온도값을 초과하여 상승하는 경우에 상기 제어기(84c)로부터 발생된 도 4에 도면부호 86c로 도시된 명령 신호를 도 4에 도면 부호 22c로 도시된 제어 밸브로 안내한다. 상기 신호(86c)는 제어밸브(22c)가 보다 완전히 개방되어 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)로의 고온 고형체(66')의 질량유동율과 그로부터 노 내부 공간으로의 질량 유동율을 증가시키며, 그에 의해 노 내부 공간의 온도를 소정 설정 온도값으로 복귀시킨다. 반대로, 만약 노 내부 공간의 온도가 소정 설정 온도값 미만으로 떨어지는 경우에, 명령 신호(86c)는 제어 밸브(22c)를 보다 완전히 폐쇄하여 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)로의 고온 고형체의 질량 유동율과 그로부터 노 내부 공간(4)으로의 질량 유동율을 감소시키며, 그에 의해 노 내부 공간(4)의 온도를 소정 설정 온도로 복귀시킨다.
순환 유동층 증기 발생기(CFB; 2)의 도면 중 도 2에 도시된 바와 같은 증기 사이클(100)과, 도면중 도 4에 도시된 바와 같은 독립적인 별개의 제어 시스템과, 도면 중 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같은 고온 고형체 순환경로(64, 66, 66', 64)에 관한 상술한 설명으로부터 유동층 열 교환기(FBHE; 24a, 24b, 24c)는 서로 단열되어 있고, 각각 독립적으로 구분되어 제어된다는 것과, 유동층 열 교환기(FBHE; 24a)는 증기 사이클(100)의 증기 과열 구획(70, 72, 28a, 30a, 32a, 34, 36)을 가진 증기 사이클 듀티에 사용되고, 유동층 열 교환기(FBHE; 24b)는 증기 사이클(100)의 증기 재가열 구획(74, 72, 28b, 30b, 32b, 34, 36)에 사용되며, 유동층 열 교환기(FBHE; 24c)는 증기 사이클(100)의 증기 증발 루프(50, 28c, 30c, 32c, 50)에 사용된다는 것을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명에 따라, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 특히 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템이 제공된다. 더욱이, 본 발명에 따라서, 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내의 온도를 직접적으로 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용하기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템이 제공된다. 더욱이, 본 발명에 따라서 다양한 형태의 연료와 상이한 입자 크기의 연료를 사용할 수 있으며, 다양한 요구 부하에 따라 작동될 수 있는 보다 양호한 융통성을 가지고 작동되는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템이 제공된다. 또한, 본 발명에 따라서 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 노 내부 공간내의 온도에 대한 NOX, SOX, CO 방출을 최적화하는 것이 가능한 것을특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템이 제공된다. 부가적으로, 본 발명에 따라서 최종 증기 과열 온도와 최종 증기 재가열 온도를 독립적으로 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템이 제공된다. 부가적으로, 본 발명에 따라서 사용시 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 제어 시스템의 복잡성이 증가되지 않는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템이 제공된다. 마지막으로, 본 발명에 따라서 이용시 순환 유동층 증기 발생기(CFB)의 증기 사이클의 증기 과열부와 증기 재가열부에 고가의 물 분사 위치를 설치할 필요가 없는 것을 특징으로 하는 특히, 대형 순환 유동층 증기 발생기(CFB)에 사용되기에 적합한 새롭고 개선된 제어 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예를 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련자들은 상술한 바에 대한 변용을 용이하게 수행 할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 본 발명의 범위와 정신 내의 다른 변용들과 본 명세서에 언급된 응용을 포함하는 첨부된 청구범위에 의해 한정되어야할 것이다.

Claims (10)

  1. 노 내부 공간과,
    상기 노 내부 공간내로 연료와 솔벤트(sorbent)를 도입하는 제 1 공급 수단과,
    상기 제 1 공급 수단에 의해 노 내부 공간으로 도입된 연료가 연소되어 플루 가스(flue gas)와 고온 고체 입자를 발생시키고, 고온 고체 입자가 상기 플루 가스에 포획되도록 연소를 수행하기 위한 공기를 노 내부 공간으로 도입하는 제 2 공급 수단과,
    플루 가스를 받아들여, 그로부터, 소정 크기 이상의 고온 고체 입자를 분리시키도록 각각 작동하는 복수개의 분리기 수단과,
    적어도 과열 전달면을 구현하는 백패스 공간(a backpass volume)과,
    유체가 순환하는 복수개의 열 교환 수단과,
    노 내부 공간으로부터 복수개의 분리기 수단중 대응하는 하나로 고온 고체 입자를 수반한 플루 가스를 전달하도록, 노 내부 공간을 상기 복수개의 분리기 수단 중 대응하는 하나와 유체 유동 관계로 각각 연결하는 복수개의 제 1 도관 수단과,
    상기 플루 가스로부터 분리된 소정 크기 이상의 고온 고체 입자를 상기 분리기 수단들 중 대응하는 하나로부터 복수개의 열 교환 수단 중 대응하는 하나로 전달하여 순환시키도록 상기 복수개의 분리기 수단중 대응하는 하나를 상기 복수개의 열 교환 수단 중 대응하는 하나와 유체 유동 관계로 각각 연결하고, 상기 복수개의 열 교환 수단 중 대응하는 하나를 통해 순환된 이후에 상기 고온 고체 입자를 노 내부 공간으로 전달하여 재도입시키도록 상기 열 교환 수단들 중 대응하는 하나와 노 내부 공간을 유체 유동 관계로 각각 연결하는 복수개의 제 2 도관 수단과,
    노 내부 공간의 온도를 직접적으로 제어하며, 적어도 증기 과열 온도를 독립적으로 제어하는 제어 시스템을 포함하는 순환 유동층 증기 발생기에 있어서,
    상기 제어 시스템은,
    a) 상기 복수개의 열 교환 수단 중 증발 열전달 듀티에 사용되는 제 1 열 교환 수단의 상류에 위치되어 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 1 열 교환 수단으로의 고온 고체 입자의 질량 유동율을 제어하는 제 1 밸브 수단과,
    b) 노 내부 공간의 온도를 감지하여 노 내부 공간의 온도를 나타내는 온도 신호를 발생시키는 제 1 온도 센서 수단과,
    c) 상기 제 1 온도 센서 수단 및 상기 노 내부 공간과 회로 관계로 연결되고, 상기 제 1 온도 센서 수단에 의해 발생된 온도 신호를 수신하여 수신된 온도 신호가 소정 설정 온도값과 다를때 수신된 온도 신호에 응답하는 명령신호를 발생시키며, 발생된 명령 신호를 상기 제 1 밸브 수단에 제공하여 상기 제 1 밸브 수단이 상기 복수개의 열 교환 수단 중 하나로의 고온 고체 입자의 질량 유동율을 제어함으로써 노 내부 공간의 온도를 소정 설정 온도값으로 복귀시키도록 작동하는 제 1 제어 수단과,
    d) 상기 복수개의 열 교환 수단 중 과열 열전달 듀티에 사용되는 제 2 열 교환 수단의 상류에 위치되어 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단으로의 고온 고체 입자의 질량 유동율을 제어하는 제 2 밸브 수단과,
    e) 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 온도를 감지하여 감지된 유체 온도를 나타내는 온도 신호를 발생시키는 제 2 온도 센서 수단과,
    f) 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단 및 상기 제 2 온도 센서와 회로 관계로 연결되고, 상기 제 2 온도 센서 수단에 의해 발생된 온도 신호를 수신하여 수신된 온도 신호가 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 소정 설정 온도값과 다를때 수신된 온도 신호에 응답하는 명령 신호를 발생시키며, 발생된 명령 신호를 상기 제 2 밸브 수단으로 공급하여 상기 제 2 밸브 수단이 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단으로의 고온 고체 입자의 질량 유동율을 규제함으로써 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 온도를 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 소정 설정 온도값으로 복귀시키도록 작동하는 제 2 제어기 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 증기 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 백패스 공간은 재가열 열전달면을 포함하고,
    상기 제어 시스템은,
    a) 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단의 상류에 위치되어 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단으로의 고온 고체 입자의 질량 유동율을 제어하는 제 3 밸브 수단과,
    b) 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 온도를 감지하여 감지된 유체 온도를 나타내는 온도 신호를 발생시키는 제 3 온도 센서 수단과,
    c) 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단 및 상기 제 3 온도 센서와 회로 관계로 연결되고, 상기 제 3 온도 센서 수단에 의해 발생된 온도 신호를 수신하여 수신된 온도 신호가 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 소정 설정 온도값과 다를때 수신된 온도 신호에 응답하는 명령 신호를 발생시키며, 발생된 명령 신호를 상기 제 3 밸브 수단으로 공급하여 상기 제 3 밸브 수단이 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단으로의 고온 고체 입자의 질량 유동율을 규제함으로써 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 온도를 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체의 소정 설정 온도값으로 복귀시키도록 작동하는 제 3 제어기 수단을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 증기 발생기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 복수개의 분리기 수단은 세개이고,
    상기 복수개의 분리기 수단은 사이클론을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 증기 발생기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 복수개의 열 교환 수단은 세개이고,
    상기 복수개의 열 교환 수단은 유동층 열 교환기를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 증기 발생기.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 밸브 수단, 상기 제 2 밸브 수단 및 상기 제 3 밸브 수단은 밸브를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 증기 발생기.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 2 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체는 과열 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 증기 발생기.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단으로부터 배출되는 유체는 재가열 증기를 포함하는 것을 특징으로 하는 순환 유동층 증기 발생기.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 복수개의 열 교환 수단 중 제 3 열 교환 수단은 재가열 열 전달 듀티(reheat heat transfer duty)에 사용되는 순환 유동층 증기 발생기.
  9. 삭제
  10. 삭제
KR10-1999-7005692A 1996-12-23 1997-12-01 대형 순환 유동층 증기 발생기용 제어 시스템 KR100367920B1 (ko)

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