KR100611144B1 - 진공가열식 가스히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공급관리소에 사용되고 있는 진공가열식 가스히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스히터의 외통체의 내부에 마련된 로통과; 상기 로통과 연결되어 배기가스를 유도하는 연관과; 외통체 하부의 일측에 연결된 제1연결관과; 상기 제1연결관과 연결되어 그 내부에 충진된 작동유체와 열교환하고자 마련된 상기 외통체의 외부에 독립적인 구성으로 형성된 이코너마이저와; 상기 이코너마이저의 일측과 연결되되 상기 외통체 중간부와 연결되도록 마련된 제2연결관과; 상기 외통체의 상부에 형성된 천연가스 가열을 위한 열교환부를 포함하는 진공가열식 가스히터에 관한 것이다.

본 발명은 특히 진공식 가스히터의 외부에 마련된 이코너마이저를 포함하는 열교환 방식 및 구조에 관한 것으로, 고압 천연가스 열교환기의 열교환 효율 상승으로 인한 전열면적 감소와 부식억제작용으로 기기의 안전성을 높이며, 이코너마이저 구조를 변경시켜 연소가스 배열의 잠열(latent heat)을 회수하여 15:1 범위인 공급가스 부하에 대응하여 전 부하 영역에서 높은 열효율을 유지하여 가스히터 운전비용을 절감하며, 기기 내구성 및 유지관리가 편리하며 연소 가스측에 걸리는 압력손실이 작아 소음, 진동을 완화시킬 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.

가스히터, 감압증기식, 진공식, 열교환기, 이코너마이저

Description

진공가열식 가스히터{Gas heater with vacuum steam heating type}

도 1은 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터를 나타낸 개략도,

도 2는 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터의 연관식 이코너마이저를 나타낸 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터의 수관식 이코너마이저를 나타낸 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터의 내부 열 이동상태를 나타낸 개략도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 버너 및 송풍기 2: 연관

3: 제1연결관 4: 이코너마이저

5: 연통 6: 열교환기

7: 외통체 8: 로통

9: 플랜지 10: 제2연결관

11: 연결부 12: 배플

13: 진공감지장치 14: 진공펌프

15: 안전밸브 16: 가스검지부

17: 순환펌프 18: 열교환기 헤더

본 발명은 공급관리소에 사용되고 있는 진공가열식 가스히터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스히터의 외통체의 내부에 마련된 로통과; 상기 로통과 연결되어 배기가스를 유도하는 연관과; 외통체 하부의 일측에 연결된 제1연결관과; 상기 제1연결관과 연결되어 그 내부에 충진된 작동유체와 열교환하고자 마련된 상기 외통체의 외부에 독립적인 구성으로 형성된 이코너마이저와; 상기 이코너마이저의 일측과 연결되되 상기 외통체 중간부와 연결되도록 마련된 제2연결관과; 상기 외통체의 상부에 형성된 천연가스 가열을 위한 열교환부를 포함하는 진공가열식 가스히터에 관한 것이다.

종래기술에서는 천연가스 공급관리소에서 사용하고 있는 가스히터의 운전 목적은 LNG인수기지에서 공급되는 가스압력을 발전소 및 도시가스사에 적정압력으로 공급하기위해 정압기로 감압시키는 과정에서 Joule-Thomson효과에 의해 가스온도가 저하되며 이에 따른 정압기 하류설비에 대한 저온피해를 방지하기 위하여 정압기 상류측 가스를 예열할 목적으로 가스히터가 정압기 전단에 설치되어 운전되고 있다.

그러나 현재 운전되고 있는 가스히터의 경우 열교환 방식이 자연대류방식을 택하고 있기 때문에 중간 열매체의 유속이 크지 않아 열교환기의 튜브내 정체부 발생으로 인한 틈부식등 고압가스용 열교환기 튜브의 부식작용으로 인해 튜브두께가 감소되고 따라서 고압가스 공급설비의 안정성을 높이기 위한 설비 교체등의 유지보수관리가 소요되고, 가스히터 연소가스측 열교환부인 연소로와 이코너마이저가 기기내부에 설치되어 있고 공급가스의 부하변동이 큰 가스히터 설계, 제작을 최대용량 기준으로 설계됨으로써 고부하시 적정효율을 유지하더라도 최대부하 이하로 운전되는 저부하시 배기가스 응축으로 인한 배기가스측 열교환기의 부식발생으로 인한 기기보수와 보수작업의 어려움, 고부하시 효율저하와 연소기 소음과 진동으로 인해 고부하 운전의 어려운 문제점이 발생된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기기 효율면에서, 동일한 구조와 전열면적을 가진 가스히터를 자연대류방식(기존방식)과 본 발명에서 실시하고자 하는 진공가열방식으로 전열실험을 시행한 결과 열효율이 고부하에서 약 7-8%상승하며, 천연가스용 열교환기의 열교환 효율으로서, 열전달방식을 변화시킴에 따라 천연가스용 열교환기의 열교환 효율이 기존 자연대류방식과 비교하여 약 2-2.5배 상승하여 전열면적 감소효과를 가져오게 되었다.

천연가스용 열교환기의 유지관리면에서, 종래 방식의 경우 운전온도가 50-70℃범위로 운전중에도 용존산소제거가 곤란하며 기기 정지시에는 용존산소의 용해도가 높으며 지속적으로 부식억제제 투입과 관리가 요구된다.

또한, 중간 열매체 내부에 용존산소가 존재하게 되면 부식반응에 의해 철이 용출되어 부식이 진행되며 부식부위와 주위유체와의 산소농도차이로 인한 틈부식으로 인한 점식(pitting)과 천연가스용 열교환기의 진동을 방지하기 위한 배플설치로 인해 배플과 튜브 접촉부에서 틈부식 발생으로 천연가스 공급압력이 70kg/㎠으로 고압인 천연가스용 열교환기의 열교환기의 안전성을 악화시키나 진공가열방식의 경우 진공유지를 위해 기기내부 공기제거와 중간 열매체의 용존산소 제거로 부식반응 진행속도를 현저히 늦출 수 있으며 기기의 안전성 제고가 가능하다.

연소로 및 이코너마이저(economizer)에서, 기존 가스히터의 경우 연소로와 이코너마이저를 기기내부에 설치함에 따라 기기 보수시 연관 열교환기의 전체를 기기와 분리하여 보수하며 또한 연관과 이코너마이저 튜브의 보수시 외부에서만 작업이 가능하여 유지관리가 어려우나 이코너마이저를 기기와 분리하여 설치할 경우 유지보수 작업이 간편한 효과가 있다.

계절별로 천연가스 공급유량변화가 심하여 실제 가스히터 운전시 저부하에서 배기가스 응축에 의한 부식과 고부하에서 배압이 크게 작용됨에 따른 연관에서 발생되는 소음과 진동의 문제점이 있으나 이코너마이저를 본체와 분리하고 연소가스의 응축을 이코너마이저에서 발생되도록 유도함으로써 기기 효율이 증가되며 이코너마이저를 부식에 대한 저항성이 높은 재료를 사용하여 집중관리하고 유지보수 및 이코너마이저교체가 간편하여 가스히터의 고효율화 및 유지비용 절감이 가능하다.

이하 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터를 나타낸 개략도로서, 이를 자세히 설명하면,

가스히터의 외통체(7)의 내부에 마련된 로통(8)과; 상기 로통(8)과 연결되어 배기가스를 유도하는 연관(2)과; 상기 외통체(7) 하부의 일측에 연결된 제1연결관과; 상기 제1연결관(3)과 연결되어 그 내부에 충진된 작동유체와 열교환하고자 마련된 상기 외통체의 외부에 독립적인 구성으로 형성된 이코너마이저(4)와; 상기 이코너마이저(4)의 일측과 연결되되 상기 외통체(7)의 중간부와 연결되도록 마련된 제2연결관(10)과; 상기 외통체의 상부에 형성된 천연가스 가열을 위한 열교환부(6)를 포함하는 진공가열식 가스히터인 것이다.

여기서, 천연가스 가열을 위한 열교환부(6)은 쉘튜브 형식, 또는 복수개의 튜브로 이루어지며, 천연가스가 상기 열교환부의 입구로 유입되어 가열되면서 출구로 유출되는 것이다.

상기 이코너마이저(4)는 연소 배기가스와 중간 열매체가 열교환 되는 형식으로써 도 2, 도 3과 같이 연관식 또는 수관식 형태의 열교환기가 사용될 수 있다.

상기 제1연결관(3)와 제2연결관(10)은 연결부(11)에 의하여 탈부착이 용이하도록 이루어진다.

도 2는 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터의 내부 열 이동상태를 나타낸 개략도로서, 상기에 기재된 본 발명에 따른 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

본 발명인 진공가열식 가스히터는 외통체(7) 내부의 압력은 대기압 이하의 압력으로 항상 유지하며, 작동유체로서 사용되는 물의 경우 작동압력이 낮아짐에 따라 비등온도가 낮아지는 원리를 이용하여 중간 열매체의 증발과 응축과정을 통하여 천연가스를 가열하는 장치인 것이다.

가스히터의 내부에 존재하는 불응축 가스를 배출하여 진공상태를 유지하기 위하여 외통체(7) 외부에 진공펌프(14)를 마련하고, 상기 가스히터 내부의 진공도를 감지하여 상기 진공펌프(14)를 필요한 진공압력이 유지되도록 작동시키기 위한 릴레이 장치로써 중간 열매체의 기체부와 액체부의 온도차를 감지하여 진공도를 감지하거나 설정 압력이상에서 진공펌프를 구동시키기 위한 진공감지장치(13)를 외통체(7) 외부에 장착하여 높은 열전달 효율을 유지하며, 기기 내부압력이 천연가스 가열 열교환부로부터 고압의 천연가스가 누출될 경우 기기 보호를 위해 외통체(7) 외부에 안전밸브(15)를 설치하여 가스히터의 열전달 효율과 안전성 향상이 가능한 것이다.

연관(2)에서 중간 열매체로 전달되는 배기가스 열회수의 최종단계인 현열과 잠열 회수를 위하여 다수개의 열교환관 형식으로 형성된 이코너마이저(4)의 튜브를 가스히터 외부에 설치하고, 외통체(7) 하부측과 이코너마이저(4)의 하부측에 제1연결관(3)을 설치하고, 이코너마이저(4)의 상부측과 외통체(7) 중간부에 제2연결관(10)을 형성하고, 상기 제1연결관(3)과 제2연결관(10)에는 연결부(11)로 체결되며, 플랜지(9)에 의해 이코너마이저와 연소가스 출구측 연관이 연결됨으로써 이코너마이저 보수 또는 교체 작업이 용이한 구조로 구성된 것이다.

상기 이코너마이저(4) 내부 구조는 배기가스와 중간 열매체가 열교환 될 수 있는 다양한 형식의 열교환이 가능한 구조로 구성이 가능하며, 연관 또는 수관식 열교환기 구조를 적용할 경우 배기가스와 중간 열매체가 열교환되는 과정에서 중간 열매체의 비등으로 인한 밀도변화로 자연적인 순환이 가능한 구조인 것이다.

상기 이코너마이저(4)는 연관(2)으로부터 발생된 배기가스 열을 잠열까지 최종적으로 회수하는 부분이므로, 배기가스 응축에 의한 부식발생 가능성이 매우 높으므로, 분해 및 정비가 용이하고 재질도 가스히터 구성부품의 재질과 다른 부식에 내성이 있는 재질을 선택하는 것이 가능한 것이다.
상기의 구성에서 상기 이코너마이저(4)는 상기 연관(2)과 동일 수평선상에 위치하도록 상기 제1연결관(3)과 연결되며, 이에 따라 상기 연관(2)을 통해 이동되는 배기가스로부터의 열을 직접 전달받아 그 내부에 충진된 중간 열매체와 배기가스가 열교환되도록 하는 것이다.
또한, 상기 제2연결관(10)은 상기 이코너마이저(4)의 일측과 연결되되 상기 열교환부(6)와도 연결되도록 마련되는데, 이때, 상기 제2연결관(10)의 상기 열교환부(6)와의 연결된 지점은 상기 열교환부(6)에 수용된 중간 열매체 중 액상으로 존재하는 중간 열매체의 수위보다 상측에 위치하도록 구성된다. 이에 따르면, 상기 제2연결관(10)을 통해 상기 열교환부(6)로부터 액상의 중간 열매체가 상기 이코너마이저(4)로 이동되는 이른바, 중간 열매체의 역류현상을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이에 기인하여, 상기 중간 열매체의 정방향 순환을 위한 펌프 등의 별도 구성품을 배제시킬 수 있다. 또한, 상기와 같이, 제2연결관(10)의 상기 열교환부(6)와의 연결된 지점이 상기 열교환부(6)에 수용된 중간 열매체 중 액상으로 존재하는 중간 열매체의 수위보다 상측에 위치하게 되면, 상기 제2연결관(10)을 통해 상기 열교환부(6)로 유입되는 기상의 중간 열매체(이코너마이저에 의한 흡열에 의해 기체로 상변화됨)가 상기 열교환부(6)에서 보다 직접적으로 천연가스를 가열하도록 하여 가열효율을 높일 수 있게 된다.

본 발명에 따른 가스히터는 기기 효율면에서, 동일한 구조와 전열면적을 가진 가스히터를 자연대류방식(기존방식)과 본 발명에서 실시하고자 하는 진공가열방식으로 전열실험을 시행한 결과 열효율이 고부하에서 약 7～8%상승하였으며, 천연가스용 열교환기(6)의 열교환 효율은 열전달방식을 변화시킴에 따라 천연가스용 열교환기(6)의 열교환 효율이 기존 자연대류방식과 비교하여 약 2～2.5배 상승하여 전열면적 감소효과를 가져오게 되었다.

종래기술의 경우에 천연가스용 열교환기(6)의 유지관리 운전온도가 50～70℃범위로 운전중에도 용존산소제거가 곤란하며 기기 정지시에는 용존산소의 용해도가 높으며 지속적으로 부식억제제 투입과 관리가 요구된다.

또한, 중간 열매체 내부에 용존산소가 존재하게 되면 다음과 같은 부식반응에 의해 철이 용출되어 부식이 진행되며 부식부위와 주위유체와의 산소농도차이로 인한 틈부식으로 인한 점식(pitting)되고 천연가스용 열교환기(6)의 진동을 방지하기 위한 배플설치로 인해 배플과 열교환기 튜브 접촉부에서 틈부식 발생으로 천연가스 공급압력이 70kg/㎠으로 고압인 튜브다발(tube bundle)의 안전성을 악화시키나 진공가열방식의 경우 진공유지를 위해 기기내부 공기제거와 중간 열매체의 용존산소 제거로 부식반응 진행속도를 현저히 늦출 수 있으며 기기의 안전성 제고가 가능하다.

종래의 가스히터의 경우 연소로와 이코너마이저(economizer)를 기기내부에 설치함에 따라 기기보수시 연관 tube 전체를 기기와 분리하여 보수하며 또한 연관(2)과 이코너마이저(4)튜브의 보수시 외부에서만 작업이 가능하여 유지관리가 어려우나 이코너마이저(4)를 기기와 분리할 경우 유지보수 작업이 간편한 효과가 있다.

계절별로 천연가스 공급유량변화가 심하여 실제 가스히터 운전시 저부하에서 배기가스 응축에 의한 부식과 고부하에서 배압이 크게 작용됨에 따른 연관에서 발생되는 소음과 진동의 문제점이 있으나 이코너마이저(4)본체와 분리하고 연소가스의 응축을 이코너마이저(4)부분에서 발생되도록 유도함으로써 기기 효율이 증가되며 이코너마이저(4)를 부식에 대한 저항성이 높은 재료를 사용하여 집중관리하고 유지보수 및 이코너마이저(4)교체가 간편하여 가스히터의 고효율화 및 유지비용 절감이 가능하다.

또한, 제1연결관(3)에 순환펌프(17)를 장착하여 중간 열매체의 순환유량을 증가시킴으로써 이코너마이저(9)의 열교환 능력 증대도 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 진공가열식 가스히터는 다음과 같은 효과를 포함하고 있는 것이다.

가스히터 내부의 부식억제 작용과 열교환 효율 향상을 위하여 기기 내부를 진공으로 유지함으로써 중간 열매체 내부의 용존산소가 제거됨으로써 기기내부의 부식진행 억제가 가능하여 기기수명과 유지보수비용이 감소되며, 진공유지에 따른 중간 열매체의 상변화온도 감소로 열교환 과정이 증발과 응축에 의해 열전달이 됨으로써 기존 자연대류방식과 비교하여 열전달 효율이 높아 천연가스 열교환기의 전열면적 감소와 기기효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 연소가스측 열교환기 구조를 기기내부에 로통, 연관, 이코너마이저를 일체로 설치하는 방식에서 기기내부에 연소실과 연관를 설치하고 기기외부에 이코너마이저를 설치함으로써 기기내부의 배기가스 온도를 저부하 운전시에도 연소로 출구온도가 배기가스 응축온도이상 유지하여 배기가스 응축으로 인한 열교환기 보수, 교체주기가 기존방식보다 길게 되는 장점을 가지며, 기기내부에 로통만 설치함으로써 높아진 출구 연소가스 온도를 회수하기 위하여 기기외부에 쉘튜브방식등 다양한 열교환기를 설치함으로써 저부하와 고부하 운전시 일정한 배기가스 출구온도를 유지할 수 있으며 기기 효율의 극대화를 위하여 연소가스를 전부하 범위에서 응축시켜 회수가 가능하다.

또한, 연소가스를 이코너마이저에서 응축되도록 유도함으로써 집중관리가 가능하고 유지보수시 이코너마이저를 분리시켜 보수함으로써 보수가 간편하며 연소가스측 압력손실을 작도록 설계할 수 있음으로써 고부하시 연소가스측 압력손실증가로 인한 가스히터의 소음, 진동발생을 억제할 수 있다.

Claims (5)

1. 가스히터의 외통체(7)의 내부에 마련된 로통(8)과; 상기 로통(8)과 연결되어 배기가스를 유도하는 연관(2)과; 가스히터 외통체(7) 하부에 연결된 제1연결관(3)과; 상기 연관(2)과 동일 수평선상에 위치하도록 상기 제1연결관(3)와 연결되어 그 내부에 충진된 중간 열매체와 배기가스가 열교환 될 수 있도록 상기 배기가스로부터의 열을 직접 전달받는 이코너마이저(4)와; 상기 외통체(7)의 상부에 천연가스를 가열하기 위해 형성된 열교환부(6)와; 상기 이코너마이저(4)의 일측과 연결되되 상기 열교환부(6)와 연결되도록 마련되며 상기 열교환부(6)와의 연결된 지점이 상기 열교환부(6)에 수용된 액상 중간 열매체의 수위보다 상측에 위치하도록 구성된 제2연결관(10)으로 이루어지되, 가스히터의 내부에 존재하는 불응축 가스를 배출하여 진공상태를 유지하기 위한 진공펌프(14)와, 상기 가스히터 내부의 진공도를 감지하여 상기 진공펌프(14)를 구동시키기 위한 릴레이 장치로써 중간 열매체의 기체부와 액체부의 온도차를 감지하여 진공도를 감지하거나 설정 압력이상에서 진공펌프(14)를 구동시키기 위한 진공감지장치(13)와, 기기 내부압력이 천연가스 가열 열교환부로부터 고압의 천연가스가 누출될 경우 기기 보호를 위한 안전밸브(15)를 포함하고,

   상기 이코너마이저(4)의 내부는 연소 배기가스와 중간 열매체가 열교환 되는 형식으로써 연관식 또는 수관식 형태의 열교환기 형식으로 형성되며, 일측은 연관(2)으로부터 배출된 연소가스가 유동하며 열교환기 내부에 충진된 중간 열매체를 가열시키고 연소가스가 연통(5)을 통하여 외부로 배출되며, 중간 열매체는 제1연결관(3)으로부터 유입되어 연소가스에 의해 가열되어 부력에 의해 제2연결관(10)을 거쳐 외통체(7) 내부로 자연순환되며,

   상기 연관(2) 출구측 및 연통(5)과 이코너마이저(4)와의 연결은 플랜지(9)에 의해 연결되며 제1연결관(3)과 제2연결관(10)은 연결부(11)에 의하여 연결되어 탈,부착이 용이하도록 마련된 것을 특징으로 하는 진공가열식 가스히터.
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