KR100626464B1

KR100626464B1 - 물-증기 분리 장치용 분리기

Info

Publication number: KR100626464B1
Application number: KR1020017001877A
Authority: KR
Inventors: 홀거 슈미트; 에버하르트 비트차우
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1998-08-17
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2006-09-20
Also published as: ES2178900T3; RU2217655C2; CN1312901A; DK1105675T3; KR20010072462A; CA2340674A1; WO2000011401A1; US6408800B2; EP1105675A1; US20010018897A1; DE19837250C1; DE59901751D1; ATE219228T1; JP2002523716A; CA2340674C; CN1178020C; EP1105675B1; JP4805454B2

Abstract

본 발명은 물-증기 분리 장치용 분리기에 관한 것이다. 증기측 배출관(2) 및 수분측 배출관(3), 그리고 다수의 유입관(5)과 상기 수분측 배출관(3)의 상류에 배치된 와류 파괴 장치(7)간의 분리 챔버(10)를 갖는 물(\)과 증기(D)를 분리시키기 위한 분리기(1)에 의해, 높은 매체 유동량 및 효율적인 분리를 보장함과 동시에 가능한 한 압력 손실을 최소화하기 위해, 상기 분리 챔버(10)의 길이(A)는 분리 챔버의 내경(DI)의 5배 이상이고, 상기 유입관(5)의 전체 흐름 횡단면(F[m²])에 대한 상기 분리 챔버(10)의 내경(DI[m])의 제곱의 비(K)는 0.2 내지 0.3 이다. 물-증기 분리 장치(11)의 내에서 상기 분리기(1)는, 집수 탱크(15)의 상단부(OK)가 수분측 하단부(UE)로부터 상기 분리기(1)의 길이(L) 절반보다 낮은 곳에 배치되도록, 집수 탱크(15)에 연결된다.

Description

물-증기 분리 장치용 분리기 {SEPARATOR FOR A WATER-STEAM SEPARATING DEVICE}

본 발명은 증기측 배출관 및 수분측 배출관, 그리고 다수의 유입관과 수분측 배출관의 상류에 배치된 와류 파괴 장치 간의 분리 챔버를 갖는 물과 증기를 분리시키기 위한 분리기에 관한 것이다. 또한 집수 탱크에 연결된 하나 이상의 상기 분리기를 갖는 특히 연속 흐름 증기 발생기용 물-증기 분리 장치에 관한 것이다.

DAS 1 081 474에는 원심력 수분 분리기가 공지되어 있으며, 여기서 직경 대 높이의 비는 대략 1:6 이상이어야만 한다. 또한 Technische UEberwachung 9(1968), 제 2권 46 내지 50 페이지에 실려있는 Juergen Vollrath의 논문 "Dampfabscheidung bei Siedewasser - und Siedeueberhitzerreaktoren"에는 분리기의 증기측 배출관의 직경이 분리기의 내경의 52%로 선택된다는 것이 공지되어 있다. 또한 JP 1-31 23 04 A에는 물-증기 분리 장치가 공지되어 있으며, 수분측으로 볼 때 분리기에 연결된 집수 탱크는 분리기의 수직 높이에 의해 결정된 수직 높이에 배치된다.

독일 특허 출원 공개 제 DE 42 42 144 A1호에 공지되어 있는 분리기는 통상적으로 증기 발생기, 특히 연속 흐름 증기 발생기의 증발 시스템에서 사용된다. 상기 문서에서, 증기 발생기 용량에 따라, 평행하게 배치된 다수의 분리기는 물-증기 분리 장치 내의 공동 집수 탱크에 연결된다. 특히 상기와 같은 연속 흐름 증기 발생기의 시동 작동시, 일반적으로 증발 시스템에서 많은 양의 물이 생성된다. 여기서, 하나 또는 전체 분리기는 물과 증기를 분리시키기 위해 사용되며, 물은 증발기 순환계로 리턴되고, 증기는 가능한 한 물방울 없이 과열 장치 내로 가이드된다.

연속 흐름 증기 발생기는 자연 순환 증기 발생기와 반대로 압력 제한을 받지 않고, 물(p_crit = 221 bar)의 입계 압력 보다 높은 생증기압(live steam pressure)이 가능하기 때문에, 현대의 증기 발전소는 250 내지 300 bar의 높은 증기압에 의해 작동될 수 있다. 높은 생증기압은 높은 열 효율 및 낮은 이산화탄소 방출을 달성하기 위해 필요하다. 여기서, 상기와 같은 높은 증기압으로 인하여 두꺼운 벽체 두께가 필요하게 되고, 이는 열 전달을 상당히 감소시킬 수 있기 때문에, 압력 전달 부분의 설계가 중요한 문제가 된다.

연속 흐름 증기 발생기에서, 감소된 열 전달에 의해 분리기가 특히 영향을 받는다. 왜냐하면, 각각의 분리기에서의 증기압 및 끓는점이 부하에 따라 선형적으로 변경되는 가변 압력 작동에서, 부하 변경시 분리기는 상당한 온도 변화를 겪게 되기 때문이다. 그 결과, 시동시 및 부하 변경시 허용되는 온도 변화 속도는 매우 제한된다. 이는 상응하는 높은 시동 손실에 의한 바람직하지 않은 긴 시동 시간과 낮은 부하 변경 속도를 야기하며, 이에 따라 연속 흐름 증기 발생기의 특히 높은 유연성은 적어도 높은 증기압으로 작동하는 동안 제한된다.

본 발명의 목적은 전술한 일반적인 형태의 공지의 장치가 갖는 단점을 극복함과 동시에 낮은 압력 손실 및 높은 분리율, 그리고 가능한 한 작은 벽두께에서 특히 열탄성적인, 물-증기 분리 장치용 분리기를 제공하는데 있다. 또한 상기와 같은 다수의 분리기를 갖는 연속 흐름 증기 발생기용 물-증기 분리 장치를 작동하기 위한 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적은 분리기에 관련해서 볼 때, 본 발명에 따라 청구항 1항의 특징에 의해 달성된다. 이를 위해, 상기 분리기의 분리 챔버의 길이는 분리 챔버 내경의 5배 이상이다. 여기서, 상기 분리 챔버의 길이는 분리기의 유입관에 의해 정해진 유입면과 그 아래 배치된 와류 파괴 장치의 상부 에지 간의 간격에 의해 정해진다. 상기 유입관의 전체 흐름 횡단면과 분리 챔버의 내경의 제곱의 비는 0.2 내지 0.3이다.

여기서, 본 발명은 분리기, 특히 와류 파괴 장치를 구비한 사이클론 분리기에서, 분리 챔버에서의 압력 손실이 비교적 높은 반면, 증기측 배출관에 의해 유발된 압력 손실은 오히려 낮다는 놀라운 인식으로부터 출발한다. 이러한 특성이 문헌에서는 나타나지 않았지만, 산술적으로 확인할 수 있다. 와류 파괴 장치를 구비하지 않은 사이클론 분리기에서는, 증기측 배출관의 입구와 배출관 그 자체에서 상당한 압력 손실이 발생하는 한편, 분리기 챔버에서는 최소의 압력 손실만이 발생한다.

이러한 인식으로부터 출발하여, 본 발명은 특수한 분리기의 구조로 인해 분리기의 여러 섹션에서 압력 손실 부분이 서로 조정될 수 있다. 높은 매체 유동량에 대한 조정 및 설정 그리고 효과적인 분리 작용이 압력 손실 부분을 최소화한다. 여기서, 압력 손실은 입구 압력 손실 부분, 분리기로 유입되는 물-증기 혼합물의 하향 및 상향 흐름에서 발생하는 마찰 압력 손실 부분, 그리고 증기측 배출관으로상기 입구 압력 손실 부분이 하향으로부터 상향으로 흐를 때 발생하는 편향 압력 손실 부분로 이루어진다.

분리기의 작동시, 심지어 유입 매체의 질량 흐름 밀도가 M > 800kg/m²s으로 높은 경우에도, 특히 낮은 압력 손실과 동시에 양호한 분리 효과가 달성된다. 여기서, 이러한 질량 흐름 밀도는 분리기 및 분리 챔버의 내경[m]에 의해 정해진 횡단면[m²]으로 나누어진 유동량[kg/s]으로서 정해진다.

또한 가능한 한 낮은 압력 손실과 동시에 가능한 한 높은 분리율이, 관계식(F = K·DI²)을 만족시키는 분리기 또는 분리 챔버의 내경(DI[m])과, 유입관의 횡단면 또는 흐름 횡단면의 합에 의해 정해진 전체 흐름 횡단면(F[m²])에 따라 달성되며, 여기서, K = 0.2 내지 0.3이고, 바람직하게 K = 0.21 내지 0.26이다. 여기서, 증기측 배출관의 내경(DA[m])은 바람직하게 분리기의 내경의 40% 내지 60%이다.

예컨대 3 또는 4개의 분리기가 공동 집수 탱크의 수분측에 연결되는 물-증기 분리 장치 내에서 상기와 같은 다수의 분리기가 배치되는 구성과 관련하여, 이와 같이 특히 낮은 압력 손실과 동시에 높은 분리율은, 매체의 질량 흐름 밀도가 심지어 800 kg/m²s 이상인 경우에서도, 집수 탱크의 상단부가 분리기의 축방향 연장부의 절반을 넘지 않음으로써 유리하게 달성된다. 여기서, 분리기의 수분측 하단부와 관련하여, 집수 탱크의 상단부 또는 상단 에지는 상기 분리기의 길이의 절반을 넘지 않아야 한다.

방법과 관련하여, 상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 4항의 특징에 의해 달성된다. 이에 따라, 연속 흐름 증기 발생기의 전부하시 분리기를 통한 유동량이 분리 챔버의 내경의 제곱의 630배 보다 높게 설정될 경우, 하나 이상의 분리기를 구비한 연속 흐름 증기 발생기에서 특히 바람직한 결과가 달성된다.

본 발명의 실시예는 도면에 의해 더 자세히 설명된다.

도 1a는 와류 파괴 장치를 갖는 분리기의 종단면도이고,

도 1b는 도 1a에 따른 분리기의 횡단면도이며,

도 2는 집수 탱크의 수분측에 연결된 도 1에 따른 분리기를 갖는 물-증기 분리 장치의 개략도이다.

도면에서 서로 상응하는 부분들은 동일한 도면 부호로 표시된다.

도 1a는 분리기 또는 사이클론 분리기(1)의 종단면도를 도시하며, 상기 분리기(1)의 횡단면이 도 1b에 도시된다. 상기 분리기(1)는 상부 증기측 배출관(2) 및 하부 수분측 배출관(3)을 갖는다. 상기 증기측 배출관(2)의 하부에서, 유입구(4) 가까이에 놓인 유입면(E)에서 분리기(1)의 주변에는 물(W)과 증기(D)로 분리될 물-증기 혼합물(WD)용 유입관(5)이 배열된다. 여기서, 상기 유입관(5)은 한편으로 수평선(H)에 대해 각도(α) 만큼 기울어지고, 다른 한편으로 접선을 따라 연장된다. 상기 유입관(5)의 유입면(E)의 하부에서 지지 브래킷(7)이 분리기(1)의 벽체(8)에 배치되며 분리기(1)를 설치 위치에 고정한다.

상기 유입관(5)의 이러한 배치에 의해 상기 분리기(1) 내로 유입되는 물-증기 혼합물(WD)은 한편으로는 분리기(1)의 바닥 영역(6) 아래로 가이드되고 다른 한편으로는 와류를 일으킨다. 여기서, 물(W)과 증기(D)의 분리는 원심력에 의해 이루어지며, 상기 증기(D)는 중심에서 위쪽으로, 그리고 물은 아래쪽으로 배출된다. 배출관(3)을 통해 유출되는 물(W)에서 나타나는 와류를 파괴하기 위해, 상기 분리기(1)의 바닥 영역(6)에는 와류 파괴 장치(9)가 제공된다. 상기 와류 파괴 장치(9)는 증기(D)가 배출관(3) 내로 밀려들어가는 것을 막고 이미 분리된 물(W)이 분리기(1) 내로 공급되는 것, 다시 말해 분리 챔버(10)로 역류하는 것을 방지한다.

상기 분리기(1)의 벽체(8)의 두께(d)를 가능한 한 최소화함과 동시에 높은 분리율을 달성하기 위하여, 유입면(E)과 와류 파괴 장치(9)의 상부 에지(B) 사이에 형성된 분리기(1)의 분리 챔버(10)의 길이(A)는 상기 분리기(1)의 내경(DI)의 5배 이상이다. 또한, 유입관(5)의 전체 흐름 횡단면(F)과 분리기(1), 즉 분리 챔버(10)의 내경(DI)의 제곱 간의 비(K)는 0.2 내지 0.3, 바람직하게는 0.21 내지 0.26이다. 여기서, 전체 흐름 횡단면(F)은 개별 흐름 횡단면(f₁ 내지 f_n)의 합 - 본 실시예에서 n=4 -에 의해 정해진다. 또한 증기측 배출관(2)은 바람직하게 내경(DA)을 가지며, 상기 내경(DA)은 분리 챔버(10)의 내경(DI)의 40% 내지 60% 이다. 따라서, 상기 분리기(1) 또는 분리 챔버(10)의 내경(DI[m]) 및 전체 흐름 횡단면(F[m²]), 그리고 증기측 배출관(2)의 내경(DA[m])은 하기의 관계식을 갖는다. 즉,

K = 0.21 내지 0.26 일때, F = K·DI²이고,

DA = (0.5 ±0.1)·DI 이며, 그리고

A ≥ 5·DI 이다.

도 2는 연속 흐름 증기 발생기의 물-증기 분리 장치(11)를 도시하며, 여기서는 연속 흐름 발생기의 증발기(12) 및 과열 장치(13) 만이 개략적으로 도시된다. 물-증기 분리 장치(11)는 도 1에 따른 하나 또는 다수의 분리기(1)를 포함한다. 각각의 분리기(1)는 분리기의 배출관(3)에 연결된 연결관(14)에 의해 집수 탱크(15)의 수분측에 연결된다. 여기서, 상기 분리기(1)로부터 집수 탱크(15)로의 연결관(14)의 도입은 바람직하게 집수 탱크의 수위(WS) 보다 낮은 곳에서 이루어짐으로써, 잔잔한 수면이 보장된다.

여기서, 상기 물-증기 분리 장치(11)의 내에서, 하나 또는 전체의 분리기(1) 및 집수 탱크(15)는, 상기 집수 탱크(15)의 상단부 또는 상단 에지(OK)가 기껏해야 분리기(1)의 길이(L)의 절반에 미치도록 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 분리기(1)의 상단부(OE)와 하단부(UE) 간의 길이(L)가 측정된다. 절반 길이(1/2 L)는 분리기의 하단부(UE)에 관계되기 때문에, 하단부로부터 측정된다.

연속 흐름 증기 발생기의 물-증기 분리 장치(11)의 작동시, 상기 발생기의 증발기(12)에서 생성된 물-증기 혼합물(WD)은 유입관(5)을 통해 분리기(1) 내로 유입되며, 다소의 접선 유입으로 인하여 와류가 형성된다. 이에 따른 원심력에 의해 물(W)과 증기(D)는 서로 분리된다. 분리된 증기(D)는 증기측 배출관(2) 및 상기 배출관(2)에 연결된 증기관(16)을 통해 연속 흐름 증기 발생기(14)의 과열 장치(13) 내로 유입되며, 이와 동시에, 분리된 물(W)은 와류 파괴 장치(9) 및 연결관(14)을 통해 집수 탱크(15)로 흐른다. 여기서, 상기 연속 흐름 증기 발생기의 전부하 작동과 관련하여 분리기(1)를 통한 유동량(M[kg/s])은 분리 챔버(10)의 내경(DI)과 관련하여 관계식 M ≥ 630·DI²에 따라 조절된다.

상기와 같은 구조로 형성된 분리기(1)에 의해, 그리고 상기 분리기(1)가 연속 흐름 증기 발생기의 물-증기 분리 장치(11) 내에 배치됨으로써, 250 내지 300 bar의 증기 또는 생증기압이 낮은 압력 손실 및 높은 매체 유동량, 그리고 특히 효율적인 분리와 동시에 구현될 수 있다. 전체적으로, 상기와 같은 분리 장치(11)에 의해 작동되는 증기 발전소에서, 특히 높은 효율이 달성된다.

Claims

증기측 배출관(2) 및 수분측 배출관(3), 그리고 다수의 유입관(5)과 수분측 배출관(3)의 상류에 배치된 와류 파괴 장치(9)간의 분리 챔버(10)를 갖는 물과 증기를 분리시키기 위한 분리기에 있어서,

상기 분리 챔버(10)의 길이(A)가 분리 챔버의 내경(DI)의 5배 이상이고, 상기 유입관(5)의 전체 흐름 횡단면(F[m²])에 대한 상기 분리 챔버(10)의 내경(DI[m])의 제곱의 비(K)가 0.2 내지 0.3인 것을 특징으로 하는, 물과 증기를 분리시키기 위한 분리기.
제 1 항에 있어서,

상기 증기측 배출관(2)이 상기 분리 챔버(10)의 내경(DI)의 40% 내지 60% 인 내경(DA)을 갖는 것을 특징으로 하는, 물과 증기를 분리시키기 위한 분리기.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 하나 이상의 분리기를 갖는, 물-증기 분리 장치에 있어서,

상기 분리기(1)에 수분측이 연결된 집수 탱크(15)가 제공되며, 상기 집수 탱크(15)의 상단부(OK)가-수분측 하단부(UE)로부터-상기 분리기(1)의 길이(L)의 절반 보다 낮은 곳에 배치된 것을 특징으로 하는, 물-증기 분리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 하나 이상의 연속 흐름 증기 발생기용 분리기(1)를 갖는, 물-증기 분리 장치의 작동 방법에 있어서,

상기 분리기(1)를 통한 유동량(M[Kg/s])이 연속 흐름 증기 발생기의 전부하시 상기 분리 챔버(10)의 내경(DI[m])과 M≥630·DI²의 연관 관계를 갖는 것을 특징으로 하는, 물-증기 분리 장치의 작동 방법.