KR100678705B1 - 증기동력플랜트의 폐열회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보일러, 터빈, 복수기, 및 급수펌프를 포함하여 구성되는 증기동력플랜트에서, 상기 복수기의 내부에 설치되어 상기 터빈에서 팽창되어 상기 복수기 내부로 유입된 증기와 직접 혼합되는 냉각수를 분무하는 냉각수분무기; 상기 냉각수분무기와 연결되는 제1배관; 상기 제1배관을 통하여 상기 냉각수분무기에 냉각수를 공급하는 냉각수탱크; 상기 복수기 내부에서 냉각된 응축수를 배출하는 제2배관; 상기 제2배관을 통하여 배출된 응축수를 저장하는 온수탱크; 상기 온수탱크에 저장된 응축수를 배출하는 제3배관; 상기 제3배관에 연결되어 응축수가 보유하고 있는 열량을 회수하는 외부열교환기; 상기 외부열교환기에서 열량이 회수된 응축수를 상기 냉각수탱크로 회수하는 제4배관; 및, 상기 제3배관에서 분기되며 상기 보일러와 연결되는 제5배관;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 증기동력플랜트의 폐열회수장치에 관한 것이다.

냉각수분무기, 온수탱크, 냉각수탱크, 외부열교환기, 내부열교환기, 제1배관, 제2배관, 제3배관, 제4배관, 제5배관

Description

증기동력플랜트의 폐열회수장치{Waste heat recovery system for Steam power plant}

도1은 열병합장치의 계통도로서, 도1(a)는 이상적인 열병합장치의 계통도이고, 도1(b)는 보다 실제적인 열병합장치의 계통도이다.

도2는 종래의 급수가열기가 구비된 증기동력플랜트의 계통도 및 T-s 선도이다.

도3는 본 발명의 구체적 실시예의 계통도이다.

도4는 본 발명의 다른 구체적 실시예의 계통도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:복수기

110:냉각수분무기

120:순환수펌프

130:내부열교환기

200:온수탱크

300:냉각수탱크

400:외부열교환기

10:제1배관 20:제2배관

30:제3배관 40:제4배관

50:제5배관

기술분야

본 발명은 보일러, 터빈, 복수기, 및 급수펌프를 포함하여 구성되는 증기동력플랜트의 열효율을 높이기 위하여 복수기의 내부에 냉각수분무기가 설치되고 복수기와 연결되는 온수탱크 및 냉각수탱크가 별도로 구비되는 폐열회수장치에 관한 것이다.

종래기술

보일러, 터빈, 복수기 및 급수펌프를 포함하여 구성되는 증기동력플랜트는 급수펌프에서 압축된 액체를 보일러에서 가열하여 과열된 증기로 변환시키고, 과열된 증기는 터빈에서 팽창하면서 터빈을 회전시켜 발전을 하고 복수기로 유입된다. 복수기로 유입된 증기는 하천수 또는 공기 등과 같은 냉각매체와의 열교환을 통하여 가지고 있던 열을 방출하면서 응축된다.

이와 같이 응축되는 과정에서 사용되는 하천수와 같은 냉각매체는 통상적으로 복수기 내부의 증기와 열교환을 한 후 증기가 가지고 있던 열에너지의 상당 부분을 지닌 채 외부로 방출되어 활용되지 못하게 된다. 이러한 문제점을 해결하여 폐열을 가치있는 에너지 형태로 다시 사용하는 방안이 모색되고 있으며, 대표적인 방법이 도1에 도시된 열병합장치이다.

도1(a)에 도시된 것은 이상적인 열병합장치의 계통도로서 증기동력플랜트에서 복수기가 사라지고 공정히터로 대체되어 복수기를 통하여 방출되던 폐열을 공정에 유용한 에너지로 재활용할 수 있도록 구성되어 있으나 실제적으로 운용되는 모델은 아니며, 열병합장치의 이상적이 모델의 하나로서 제시된 것이다.

도1(b)에 도시된 것은 보다 실제적인 열병합장치로서 가변부하를 가진 열병합장치의 계통도를 도시하고 있다.

이와 같이 폐열의 형태로 버려지던 열에너지의 일부를 공정에 유용한 에너지로 재활용하는 열병합장치의 경우 그 효율을 높이기 위해서는 공정히터에서 유용한 에너지로 재활용하는 것과 함께 터빈에서 발생되는 일(work)을 증가시키는 것이 무엇보다도 중요한 해결과제이다.

다시 말하면 터빈에서 발생되는 일을 증가시킴과 동시에 적절한 수단을 구비하여 폐열로 버려지는 열에너지를 유용한 에너지로 재활용할 필요가 있는 것이다.

한편, 도2에는 종래의 급수가열기(FWH : feedwater heater)가 구비된 증기동력플랜트의 계통도 및 T-s 선도가 도시되어 있다. 급수가열기는 터빈에서 추기된 증기를사용하여 보일러로 순환되는 급수(feedwater)를 1차적으로 가열하는 장치로서, 보일러에서 공급되는 열에너지를 감소시켜 전체적인 열효율을 상승시킬 수 있다.

이와 같이 급수가열기를 이용할 경우 열효율을 개선할 뿐만 아니라 터빈의 마지막 단계에서 낮은 압력에서의 큰 비체적에 기인한 증기의 큰 체적유량율을 제어하는데도 도움이 되나, 추기에 상당한 에너지가 소비되는 문제점도 아울러 지니고 있으며, 복수기에서 방출되는 폐열을 이용할 수 없다는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인은 터빈에서 발생되는 일(work)을 증가시키고, 복수기에서 방출되는 폐열을 유용한 에너지로 재활용하고, 별도의 추기를 위한 에너지의 소비를 방지하여 열효율을 획기적으로 개선할 수 있는 증기동력플랜트의 폐열회수장치를 개발하게 되었다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 보다 효과적인 응축방법을 제공하여 터빈에서 발생되는 일을 증가시킬 수 있는 수단을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.

둘째, 복수기에서 냉각수단으로 사용되는 냉각수를 외부로 배출하지 않고 재활용할 수 있는 수단을 제공함을 본 발명의 다른 목적으로 한다.

셋째, 터빈으로부터 증기를 추기하지 않더라도 열효율을 개선할 수 있는 수단을 제공하여 추기에 필요한 에너지의 소모를 방지하고 전체적인 구조를 단순화하여 경제성을 추구함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

넷째, 과다한 냉각수 배출로 인한 생태계 파괴를 방지할 수 있는 친환경적 증기동력플랜트를 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명은 다음과 같이 구성된다.

본 발명은 보일러, 터빈, 복수기, 및 급수펌프를 포함하여 구성되는 증기동력플랜트에서, 상기 복수기의 내부에 설치되어 상기 터빈에서 팽창되어 상기 복수기 내부로 유입된 증기와 직접 혼합되는 냉각수를 분무하는 냉각수분무기; 상기 냉각수분무기와 연결되는 제1배관; 상기 제1배관을 통하여 상기 냉각수분무기에 냉각수를 공급하는 냉각수탱크; 상기 복수기 내부에서 냉각된 응축수를 배출하는 제2배관; 상기 제2배관을 통하여 배출된 응축수를 저장하는 온수탱크; 상기 온수탱크에 저장된 응축수를 배출하는 제3배관; 상기 제3배관에 연결되어 응축수가 보유하고 있는 열량을 회수하는 외부열교환기; 상기 외부열교환기에서 열량이 회수된 응축수를 상기 냉각수탱크로 회수하는 제4배관; 및, 상기 제3배관에서 분기되며 상기 보일러와 연결되는 제5배관;을 포함하여 구성된다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구체적 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 구체적 실시예는 도3 및 도4에 도시되어 있는데, 도4는 도3과는 달리 내부열교환기(130)가 추가로 구비되어 있다.

도3 및 도4에 도시된 바와 같이 보일러에서 고온 고압으로 과열된 과열증기가 터빈에서 팽창하면서 열에너지의 일정 부분을 운동에너지로 전환시켜 발전을 하고 난 후, 에너지 준위가 낮아진 팽창된 증기는 복수기(100)로 유입되어 응축된다.

종래에는 복수기 내부로 유입된 증기와 이러한 증기를 냉각시키는 냉각수가 직접 접촉되어 혼합되지 않았다. 즉, 냉각수는 별도의 배관을 통하여 복수기 주변 또는 내부를 지나가면서 증기와 열교환이 이루어졌으며, 열교환을 통하여 온도가 상승된 냉각수는 외부로 방출되고 복수기에는 새로운 냉각수가 다시 외부로부터 유입되어 사용되었다.

본 발명의 경우 복수기(100)의 내부에는 팽창된 증기와 직접 혼합되어 증기를 응축시키는 냉각수분무기(110)가 구비된다.

냉각수탱크(300)로부터 제1배관(10)을 통하여 이송된 냉각수는 냉각수분무기(110)를 통하여 복수기(100) 내부로 유입된 증기에 직접 분무되어 증기를 응축시키는 것이다.

이 경우 냉각수탱크(300)로부터 이송되어 분무되는 냉각수의 온도는 30 ℃ 내지 40 ℃ 정도이며, 냉각수에 의하여 응축되는 증기의 온도는 300 ℃ 내지 400 ℃ 정도가 된다.

냉각수와 혼합되면서 에너지 준위가 낮아진 증기는 응축되어 냉각수와 함께 복수기(100)의 내부에 저장된다.

이 경우 냉각수 및 응축수의 혼합액의 온도는 85 ℃ 내지 95 ℃ 정도가 된다.

복수기(100) 내부에 저장된 냉각수 및 응축수의 혼합액은 순환수펌프(120)에 의하여 제2배관을 통하여 온수탱크(200)로 이송된다.

온수탱크(200)로 이송된 냉각수 및 응축수의 혼합액의 일부는 제3배관(30)을 통하여 외부열교환기(400)로 이송된다.

첨부도면에는 도시되어 있지 않으나 제3배관(30) 또는 제4배관(40)에도 별도의 펌프를 추가로 장착하여 혼합액의 이송이 보다 원할하게 이루어지도록 할 수도 있다.

외부열교환기(400)에서 혼합액이 가지고 있는 열에너지의 상당부분을 난방용 열원 등과 같은 유용한 에너지로 재활용한다.

외부열교환기(400)에서 열교환이 이루어지고 나면 혼합액의 온도는 30 ℃ 내지 40 ℃ 로 하강하게 된다.

온도가 하강된 혼합액은 제4배관(40)을 통하여 다시 냉각수탱크(300)로 순환되어 냉각수로 재사용된다.

또한 제3배관(30)으로부터 분기된 제5배관(50)은 보일러와 연결된다.

제5배관(50)에는 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 급수펌프가 구비되어 온수탱크(200)로 이송된 냉각수 및 응축수의 혼합액의 나머지 일부를 보일러로 이송하게 된다.

보일러로 이송된 혼합액은 과열증기로 변환되어 터빈을 구동하고 다시 복수기(100)로 유입되어 응축되는 순환과정이 되풀이 된다.

이미 알려진 바와 같이 터빈 효율을 개선하기 위해서는 과열증기가 가지고 있는 열에너지를 운동에너지로 보다 많이 변환시킬 필요가 있다.

운동에너지로 보다 많이 변환시키기 위해서는 터빈의 출구에 해당하는 복수기(100) 내부의 온도 및 압력을 낮출 필요가 있으며 통상적으로 복수기(100) 내부에는 대기압 이하의 압력이 작용하게 된다.

터빈의 효율을 더욱 더 개선하기 위해서는 복수기(100) 내부의 압력을 더욱 더 낮출 필요가 있는데 압력이 낮아질수록 증기가 응축되는 온도도 함께 낮아지게 된다.

따라서 복수기(100) 내부의 압력이 진공상태에 접근하게 되면 증기가 응축될 수 있는 온는 더욱 더 낮아지게 되어도 복수기(100)에서 증기를 보다 효과적으로 응축하기 위해서는 증기의 냉각을 보다 효과적으로 처리할 필요가 있다.

이와 같이 냉각효율을 개선하기 위하여 도4에 도시된 바와 같이 냉각수분무기(110)의 상부에 별도의 내부열교환기(130)를 추가로 설치할 수도 있다.

내부열교환기(130)는 제2배관(20)을 통하여 복수기(100)에서 배출되는 냉각수 및 응축수의 혼합액을 이용하여 복수기(100) 내부로 유입된 증기를 1차적으로 냉각하게 된다

이와 같이 내부열교환기(130)을 이용하여 복수기(100)로 유입된 증기를 1차적으로 냉각하고 난 후 냉각수분무기(110)를 이용하여 2차적으로 냉각하여 증기를 효과적으로 응축할 수 있다. 이 때 복수기(100)에서 배출되는 냉각수 및 응축수 혼합물의 온도는 50 ℃ 내지 60 ℃가 된다.

이러한 혼합액은 내부열교환기(130)에서 복수기(100) 내부로 유입된 증기와 열교환을 하면서 증기가 가지고 있는 열에너지를 얻어 85 ℃ 내지 95 ℃ 정도로 온도가 상승되어 온수탱크(200)로 이송된다.

도4에 도시된 본 발명의 다른 실시예의 나머지 작동 내용은 도3에 도시된 바와 동일한 바, 이하에서 중복된 기재를 생략한다.

상기한 기술적 구성에 따른 본 발명의 기술적 효과는 다음과 같다.

첫째, 보다 효과적인 응축방법을 제공하여 터빈에서 발생되는 일을 증가시킬 수 있다.

다시 말하면, 본 발명은 증기에 직접 냉각수를 분무하는 냉각수분무기(110) 및 내부열교환기(130)를 이용하여 터빈에서 팽창된 후 복수기(100)로 유입된 증기를 보다 효과적으로 응축할 수 있는 바, 복수기(100) 내부에 적용되는 압력을 보다 낮출 수 있어 터빈효율을 획기적으로 개선할 수 있다.

둘째, 복수기에서 냉각수단으로 사용되는 냉각수를 외부로 배출하지 않고 재활용할 수 있다.

다시 말하면, 본 발명은 복수기(100)에서 사용된 냉각수를 외부를 배출하는 것이 아니라 외부열교환기(400)에서 유용한 에너지로 재활용한 후 다시 냉각수탱크(300)로 순환시켜 재사용하는 것을 특징으로 하는 바, 냉각수로 사용될 수 있는 하천수나 해수의 공급이 원할하지 않는 경우에도 정상적인 시스템작동이 가능하다.

셋째, 터빈으로부터 증기를 추기하지 않더라도 열효율을 개선할 수 있어 추기에 필요한 에너지의 소비를 방지하고 전체적인 구조를 단순화하여 경제성을 추구할 수 있다.

다시 말하면, 외부열교환기(400)를 이용하여 냉각수 및 응축수의 혼합액에 포함되어 있는 열에너지를 난방용 열원으로 사용하는 등의 유용한 에너지로 재활용하여 증기동력플랜트의 전체적인 열효율을 획기적으로 개선할 뿐만 아니라 복수기(100)의 구조를 개선하여 터빈 효율도 아울러 개선하였으며, 별도의 추기과정이 포함되지 않아 전체적인 시스템 구조를 단순화 할 수 있으며, 추기과정에서 요구되는 에너지의 소모도 방지할 수 있다.

넷째, 과다한 냉각수 배출로 인한 생태계 파괴를 방지할 수 있는 친환경적 증기동력플랜트를 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.

다시 말하면, 본 발명은 냉각수를 반복 사용할 수 있는 것을 특징으로 하고 있는 바, 냉각수의 과다한 배출로 인한 생태계 파괴의 위험을 최소화 할 수 있다.

Claims (3)

1. 보일러, 터빈, 복수기, 및 급수펌프를 포함하여 구성되는 증기동력플랜트에서,

   상기 복수기의 내부에 설치되어 상기 터빈에서 팽창되어 상기 복수기 내부로 유입된 증기와 직접 혼합되는 냉각수를 분무하는 냉각수분무기;

   상기 냉각수분무기와 연결되는 제1배관;

   상기 제1배관을 통하여 상기 냉각수분무기에 냉각수를 공급하는 냉각수탱크;

   상기 복수기 내부에서 냉각된 응축수를 배출하는 제2배관;

   상기 제2배관을 통하여 배출된 응축수를 저장하는 온수탱크;

   상기 온수탱크에 저장된 응축수를 배출하는 제3배관;

   상기 제3배관에 연결되어 응축수가 보유하고 있는 열량을 회수하는 외부열교환기;

   상기 외부열교환기에서 열량이 회수된 응축수를 상기 냉각수탱크로 회수하는 제4배관; 및,

   상기 제3배관에서 분기되며 상기 보일러와 연결되는 제5배관;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 증기동력플랜트의 폐열회수장치.
2. 제1항에서,

   상기 제2배관에 설치되어 상기 복수기 내부의 응축수를 배출하는 순환수펌 프;

   가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 증기동력플랜트의 폐열회수장치.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 복수기 내부의 상부에 설치되어 상기 터빈에서 팽창되어 상기 복수기의 내부로 유입된 증기와 열교환이 이루어지는 내부열교환기;가 더 포함되고, 상기 제2배관은 상기 내부열교환기를 통하여 상기 온수탱크에 연결되는 것을 특징으로 하는 증기동력플랜트의 폐열회수장치.

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