KR100472112B1 - 나선형으로배치된증발관을갖춘1회통과식증기발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 핀(13)을 통해 서로 기밀 방식으로 용접된 증발관(10)으로 구성된 가스 연도(4)를 갖는 연속 흐름 증기 발생기에 관한 것이다. 증발관(10)은 유체가 상기 증발관을 관류하도록 평행하게 연결되어 있는데, 상기 증발관의 내부 표면에는 증발관을 관류하는 유체내에 강한 난류를 형성하기 위한 구조물이 형성되고, 상기 증발관은 연도의 점화 영역(V)내에 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되어 있다. 과도한 열응력을 야기시키지 않으면서도 상기 방식의 연속 흐름 증기 발생기(2)가 예를 들어 설계 부하의 약 20%의 낮은 부하 상태에서도 작동될 수 있도록 하기 위해서는, 동작시에 튜브를 관류하는 유체의 국부적인 압력 손실이 마찰에 의한 압력 손실의 적어도 0.5배가 되도록 연속 흐름 증기 발생기(2)의 증발관(10)을 설계하는 것이 바람직하다.

Description

나선형으로 배치된 증발관을 갖춘 1회 통과식 증기 발생기{CONTINUOUS-FLOW STEAM GENERATOR WITH SPIRAL EVAPORATION TUBES}
본 발명은 핀(fin)을 통해 서로 기밀 방식으로 용접된 증발관(steam generator tube)으로 구성된 가스 연도를 갖는 1회 통과식(once-through) 증기 발생기에 관한 것으로, 증발관은 유체가 그 증발관을 관류하도록 평행하게 연결되어 있고, 상기 증발관의 내부 표면에는 내벽으로부터 유체로의 열전달을 높이기 위한 구조물이 형성되어 있으며, 상기 증발관은 가스 연도의 점화 영역내에 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되어 있다.
점화 영역 내부가 나선형으로 배치된 증발관으로 구성된 1회 통과식 증기 발생기의 연소실벽 내부에는 통상적으로 매끄러운 튜브가 사용된다. 그러나 상기 방식의 배치는, 튜브 내부를 관류하는 유체의 유동 속도가 낮은 경우에는 매끄러운 튜브의 열전달 특성 때문에 통상적으로 1회 통과식 증기 발생기의 설계 부하의 약 40% 이상의 부하 상태에만 적합하다. 설계 부하의 약 40%의 최소 부하 이하에서는, 증발관의 충분한 냉각을 보장하기 위해, 통상적으로 증기 발생기의 1회 통과 모드에 순환 모드를 부가하게 된다. 그러나 상기 이러한 방식을 따라 순환 모드로 전환하는 것은 1회 통과식 증기 발생기의 생증기(fresh-steam) 온도를 약 80?? 만큼 하강시킨다.
특히 1회 통과식 증기 발생기에 의해 공급되는 발전소 설비가 야간에 정지되는 것을 피하기 위해서는, 1회 통과식 증기 발생기가 설계 부하의 20% 이상의 부하 상태에서 충분히 높은 생증기 온도로 작동될 수 있도록 1회 통과식 증기 발생기를 설계하는 것이 요구될 수 있다. 이것은, 증발관의 내벽으로부터 유체내로의 열전달을 높이기 위한 구조물이 증발관의 내부 표면에 예컨대 리브의 형태로(내부에 리브를 갖춘 튜브) 형성된 증발관을 사용함으로써 가능하다. 내부에 리브를 갖춘 상기 방식의 증발관을, 수직으로 배치된 증발관을 갖는 1회 통과식 증기 발생기내에서 사용하는 것은 유럽 특허 출원 공보 0 503 116 A1호에 공지되어 있다.
물론, 내부에 리브를 갖춘 증발관은 매끄러운 튜브에 비해 마찰에 의한 압력 손실이 명백하게 더 높다. 증발관을 여러 번 가열하는 경우에, 상기와 같이 증가된 마찰에 의한 압력 손실은 인접한 튜브 간에 - 특히 증발기의 출구에서 - 온도차를 야기시킨다. 이는 상기 튜브를 통해 유동하는 질량 유량의 변동 때문이다. 상기 온도차는 바람직하지 못한 열응력 때문에 손상을 야기시킬 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 하기에 자세히 설명된다:
도 1은 튜브가 기본적으로 나선형으로 배치된 연소실벽을 갖는 1회 통과식 증기 발생기의 개략도이고,
도 2는 연소실벽을 비스듬하게 절단한 단면도이며,
도 3은 선 A, B 및 C가 표시된 좌표이다.
본 발명의 목적은, 동작시에 예를 들어 1회 통과식 증기 발생기의 설계 부하의 약 20%의 낮은 부하 상태에서도 인접한 증발관의 출구에서 온도차가 매우 작게 나타나는, 전술한 방식의 1회 통과식 증기 발생기를 제공하는 것이다.
상기 전술한 목적 및 기타 목적들을 달성하기 위해, 본 발명에 따라 1회 통과식 증기 발생기가 제공되며, 그 증기 발생기는 점화 영역을 가지는 가스 연도, 길이(L) 및 외경(d)을 가지는 증발관, 및 상기 증발관들을 기밀 방식으로 서로 용접하는 핀(fin)을 포함하며; 상기 증발관은 내부 벽 표면, 및 그 내부 벽 표면으로부터 흐름 매체로의 열전달을 높이기 위한 내측 표면 구조물을 구비하며; 상기 증발관은 상기 점화 영역내에 대략적으로 나선형으로 배치되며; 상기 점화 영역내에 있는 튜브의 길이(L) 및 튜브 외경(d) 값들의 쌍에 의해 결정되는 좌표내의 점들이 다음과 같이 규정된 선들을 따라 위치되도록 상기 각각의 증발관이 구성된다. 즉,
- 핀의 폭이 12㎜인 경우에는, L = 59.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 93.6m, d = 44.5㎜의 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들,
- 핀의 폭이 16㎜인 경우에는, L = 64.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 99.8m, d = 44.5㎜의 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들,
- 핀의 폭이 20㎜인 경우에는, L = 70.6m, d = 31.8㎜ 및 L = 106.9m, d = 44.5㎜의 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들에 의해 규정되는 좌표내의 선상에 놓이도록 증발관이 설계된다.
튜브의 길이는 시작값과 종결값 사이에 있는 증발관의 길이이며, 이 경우 시작값은 가스 연도 하부에 제공된 재깔때기(ash funnel)가 가스 연도로 변화되는 부분에 더하여 상기 재깔때기의 높이의 1/3을 부가함으로써 정해진다. 종결값은, 나선형으로 배치된 증발관이 수직 배치로 변화되거나 또는, 예를 들어 수집 용기를 통해 압력과 관련하여 서로 연결되는 관들로써 정해진다.
1회 통과식 증기 발생기는 매우 큰 또는 매우 작은 벽두께를 가지는 증발관 또는, 매우 큰 또는 매우 작은 외벽 경사각을 갖는 재깔때기를 구비할 수 있다. 그러한 1회 통과식 증기 발생기가 설계 부하의 약 20%의 낮은 부하 상태에서도 확실하게 동작될 수 있도록 하기 위해서는, 모든 증발관의 튜브 길이가 바람직하게 상기 좌표내의 관련 선들에 의해 정해진 튜브 길이의 15% 이상을 벗어나지 않아야 한다. 핀의 폭이 전술한 핀의 폭과 다른 경우에, 튜브의 길이는 주어진 선으로부터 얻어지는 핀의 폭과 선형으로 외삽(外揷; extrapolated) 또는 내삽(內揷; interpolated)된다.
본 발명은, 증발관의 다중 가열이 상기 증발관을 관류하는 질량 흐름 밀도를 단지 조금만 감소시키는 경우에, 다중으로 가열된 증발관의 출구와 보통으로 또는 평균적으로 가열된 증발관의 출구 사이의 온도차는 매우 작을 수 있는 생각으로부터 출발한다. 다중으로 가열된 증발관의 질량 흐름 밀도는 감소하는데, 그 이유는 다중 가열 때문에 관련 증발관의 마찰에 의한 압력 손실이 증가하기 때문이다. 그러나 증발관내의 전체 압력 손실은 "마찰에 의한 압력 손실"과 같은 압력 손실 성분 및 "측지학적인(geodetic) 압력 손실"과 같은 압력 손실 성분으로 구성되기 때문에, 전체 압력 손실 중에 "측지학적인 압력 손실" 의 압력 손실 성분이 충분히 높게 되면, 증발관의 다중 가열이 상기 증발관의 질량 흐름 밀도에 미치는 영향은 감소될 수 있다. 예를 들어 마찰 압력 손실의 0.5배 이상의 충분히 높은 "측지학적인 압력 손실"의 압력 손실 성분은 증발관을 적절하게 설계함으로써 도달될 수 있다.
증발관의 마찰에 의한 압력 손실은 예컨대 간행물 Q. Zheng et al., "Druckverlust in glatten und innenberippten Verdampferrohren", Waerme- und Stoffuebertragung 26, Pages 232 to 330, Springer Verlag 1991 및 Z. Rouhani, "Modified Correlations for Void-Fraction and Two-Phase Pressure Drop", AE-RTV-841 (1969)에 따라 측정될 수 있다.
다중으로 가열된 증발관과 보통으로 가열된 증발관 사이의 온도차가 작은 경우에 모든 증발관의 관류를 더욱 개선하기 위해서는, 증발관의 내경이 연소실 점화 영역의 하부 영역에서 보다 상부 영역에서 더 큰 것이 바람직하다.
모든 도면에서 동일 부분은 동일한 도면 부호로 표기하였다.
도 1에는 단면이 직사각형인 1회 통과식 증기 발생기(2)가 도시되어 있는데, 상기 발생기의 수직의 가스 연도는 하부가 깔때기 모양의 바닥(6)으로 변화되는 외부벽 또는 연소실벽(4)으로 형성된다.
가스 연도의 점화 영역(V)내에서는, 단지 2개만 도시된 개구(8)내에 있는 화석 연료용 다수의 버너가 증발관(10)으로 구성된 연소실벽(4)내에 제공된다. 증발관(10)은 점화 영역(V)에서 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되며, 상기 점화 영역내에서 증발관은 증발 가열 표면(12)에 대해 기밀 방식으로 서로 용접되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 증발관(10)은 폭(b)을 갖는 핀(13)을 통해 기밀 방식으로 서로 용접되어, 예를 들어 튜브-핀-튜브 구조 또는 핀-튜브 구조로 구성된 연소실벽(4)을 기밀 방식으로 형성한다. 증발관은 그 내부 표면에 상기 증발관의 내벽으로부터 유체로의 열전달을 높이기 위한 구조물을 포함한다. 상기 방식의 표면 구조물은 예를 들어 독일 공개 공보 203281호에 기술되어 있다.
가스 연도의 점화 영역(V) 상부에는 대류 가열 표면(14, 16 및 18)이 있다. 상기 가열 표면 위에는 연도 가스 배출 채널(20)이 있는데, 상기 채널을 통해 화석 연료의 연소에 의해 형성되는 연도 가스(RG)가 수직의 가스 연도를 떠난다. 연도 가스(RG)는 증발관(10) 내부를 관류하는 물 또는 물-증기 혼합물을 위한 가열 매체로서 이용된다.
증발관(10)은, 1회 통과식 증기 발생기(2)의 작동시에 증발관(10)을 관류하는 유체의 측지학적인 압력 손실이 마찰에 의한 유체의 압력 손실의 적어도 0.5배가 되도록 설계된다. 상기 목적을 위해, 1회 통과식 증기 발생기(2)의 증기 발생량과 관계없이, 증발관(10)내에서 충분히 높은 측지학적 압력 손실이 보장되어야 한다. 그렇게 하기 위해, 상기 증발관(10)은 점화 영역(V)내에서의 튜브의 길이(L)와 튜브 외경 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들이 좌표내에서 도 3에 도시된 선(A, B 또는 C)들 중의 하나 위에 대략적으로 놓이도록 설계된다. 이 경우 상기 선 A는, 핀폭(b)이 12㎜인 핀(13)을 통해 기밀 방식으로 서로 용접된 증발관(10)을 갖는 1회 통과식 증기 발생기(2)를 위한 구조적 기준을 제공한다. 그와 달리 상기 선 B 및 C는 핀의 폭(b)이 16 또는 20㎜인 경우를 위한 구조적 기준을 각각 제공한다.
점화 영역(V)내에 있는 튜브의 길이(L)는 시작점(AP)과 종결점(EP) 사이에 있는 증발관(10)의 평균 길이이다. 시작점(AP)은 외부벽(4)의 하부 에지(U)에 깔때기 모양의 바닥(6) 높이(H)의 1/3을 가산하여 정해진다. 종결점(EP)은 증발관(10)이 수직 배치로 변화되거나 또는 압력과 관련하여 서로 연결되는 장소로 정해진다. 자세하게 도시하지는 않았지만, 증발관(10)의 내경은 상기 점화 영역(V)의 하부 영역(22)에서 보다 점화 영역(V)의 상부 영역(21)에서 더 크다.

Claims (2)

1회 통과식 증기 발생기로서,
핀(13)을 통해 서로 기밀 방식으로 용접된 증발관(10)으로 구성된 가스 연도(4)를 포함하고, 증발관(10)은 유체를 관류시키기 위해 평행하게 연결되며, 상기 증발관의 내부 표면에는 내벽으로부터 유체로의 열전달을 높이기 위한 구조물이 형성되고, 상기 증발관은 가스 연도(4)의 점화 영역(V)내에 기본적으로 나선형으로 감겨져 배치되며, 점화 영역(V)내에 있는 튜브의 길이(L) 및 튜브 외경(d) 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들이,
- 핀의 폭이 12㎜인 경우에는, L = 59.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 93.6m, d = 44.5㎜의 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들,
- 핀의 폭이 16㎜인 경우에는, L = 64.7m, d = 31.8㎜ 및 L = 99.8m, d = 44.5㎜의 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들,
- 핀의 폭이 20㎜인 경우에는, L = 70.6m, d = 31.8㎜ 및 L = 106.9m, d = 44.5㎜의 값들의 쌍에 의해 결정되는 점들에 의해 규정된 좌표내의 하나의 선(A, B, C)상에 놓이도록 증발관이 설계된 1회 통과식 증기 발생기.
제 1항에 있어서, 상기 증발관(10)의 내경은 점화 영역(V)의 하부 영역(22)에서보다 상부 영역(21)에서 더 큰 것을 특징으로 하는 1회 통과식 증기 발생기.
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