KR100741679B1 - 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기 - Google Patents

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한국생산기술연구원
(주) 이투엔테크놀로지
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Abstract

폐기물 소각설비의 폐열보일러에서 유입된 저질의 포화증기로부터 수분을 분리하여 증기를 배출하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기가 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기는, 포화증기가 접선방향으로 유입되는 유입구와 수분이 제거된 증기가 배출되는 증기 배출구 및 포화증기에서 분리된 수분이 배출되는 분리수 배출구를 포함하는 몸체, 유입구를 통해 유입되는 포화증기로부터 원심력을 이용해 1차로 수분을 분리하는 제 1 분리부, 몸체 내부에 설치되며 제 1 분리부를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 2차로 수분을 분리하는 제 2 분리부, 및 몸체 내부에 설치되며 제 2 분리부를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 3차로 수분을 분리하는 제 3 분리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
폐기물 소각설비, 폐열 보일러, 3단 원심력, 축류베인, 포화증기, 분리수

Description

3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기{A Steam Separator using three-stage cetrifugal force}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기의 사시도,
도 2는 도 1의 정면도,
도 3은 도 1의 분리수 포집관 및 중간 분리수 배출구의 확대 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
< 도면의 주요 부호에 대한 설명 >
110. 몸체 112. 유입구
120. 상부 몸체 130. 하부 몸체
140. 중간 몸체 142. 분리수 포집관
144. 중간 분리수 배출구 152. 분리수 배출구
160. 증기 배출관 162. 증기 배출구
180. 제1 축류베인 190. 제 2 축류베인
본 발명은 기수분리기(Steam Separator)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐기물 소각설비에서 배출되는 과포화증기 중의 수분을 3단의 원심력을 이용하여 증기와 수분을 분리하여 증기터빈에 적합하도록 증기를 제공하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기에 관한 것이다.
기수분리기는 주로 발전공정분야에 널리 사용되며, 주로 스팀터빈으로 유입되는 과열증기 중에 수분을 제거하는 설비로서 열 설비 중에서 보일러, 발전설비 등에 널리 사용되며, 증기의 이송배관 상에 응축되는 수분을 제거하기 위하여 배관라인 중에 설치한다. 또한, 보일러 상(上)드럼(증기드럼) 내부에 내재되어 증기 중에 포함된 수분을 제거하여 양질의 증기를 생산하는데 사용한다. 주로 사용되는 증기는 과열증기를 대상으로 하며, 증기터빈의 효율증가 및 내구성 증대를 위하여 설치하는 설비이다.
종래의 기수분리기는 고도의 수분제거가 필요치 않는 과열 증기를 대상으로 하기 때문에 주로 단단의 원심력 또는 판형을 사용하며, 원자력 발전의 경우 초임계압의 증기 생산을 위하여 원심력, 스크류식 및 파형 등을 사용한다. 주로 분리 효율은 약 90% 정도이다. 주로 원자력 발전에 사용되는 기수분리기는 응축수를 포함한 증기가 터빈에 들어가면 터빈 효율을 현저하게 저하시키므로 응축수를 제거하 는 장치이다. 비등수형 원자로에서는 노심을 나온 기수 혼합증기는 수직방향으로 상승하여 원자로 상부에 있는 기수분리기로 유도된다. 여기서 증기는 선회류(旋回流)가 되어 원심분리작용에 의하여 수분은 바깥쪽으로, 증기는 안쪽으로 분리한다. 응축수를 제거한 증기는 증기건조기를 통과하여 원자로용기 상방 배관에서 증기 터빈으로 유도된다. 분리된 포화수는 노심 상부의 수중으로 환류(還流)한다. 가압수형 원자로에서는 증기발생기에서 발생한 증기와 물의 혼합물은 기수분리기로 들어가 같은 원리로 증기와 포화수가 분리되어 증기는 습분분리기를 통과하여 증기발생기 상방 배관에서 증기 터빈으로 유도되며, 스크루형의 기수분리기와 파(波)형의 습분분리기로 구성되어 있다. 기수 분리 장치부를 내장하는 상부 동에는 그 정상부에 주증기관이, 또 전열관군보다 위의 원통동부에 주급수관이 연결되어 있다.
배관 중에 발생되는 응축수를 분리하기 위한 기수분리기는 증기속도별로 기수분리 효율이 틀려지며, 형식에 따라서도 달라진다.
한편, 일일 200톤(ton) 이상의 소각용량을 가진 대규모 폐기물 소각설비의 경우에는 과열기를 장착한 수관식 폐열보일러가 설치되어, 폐열보일러에서 발생되는 고온,고압의 포화 또는 과열증기(super heated steam)는 전량 근접지역의 열병합발전소에 공급되거나, 자체 배압증기터빈에 공급되어 여기서 생산되는 전기를 이용하여 소각장내의 전력에 충당하는 것이 일반적이다.
반면에, 일일 10 내지 100톤 규모의 소각용량을 가진 중소형 폐기물 소각설비의 경우에는 수관식 폐열보일러에서 발생되는 저온, 저압의 포화증기는 전량 대 기 중으로 배출되거나, 일부 응축복수기를 이용하여 보일러 급수용으로 재활용하고 있는 것이 일반적이다. 이러한, 폐열보일러는 중소용 폐기물 소각설비에서 발생하는 폐열을 회수하거나, 연소가스의 방지시설에 가해지는 부하를 감소시키기 위하여 연소가스를 1000도 내지 180도까지 냉각시킨다. 폐열보일러에서 배출되는 포화증기는 1 내지 7기압으로 시간당 1 내지 5톤이 배출되는데, 이러한 포화증기의 일부분은 동절기의 난방용으로 폐기물 연소용 공기의 예열에 이용되는데 이는 전체 발생 증기량의 10% 정도에 불과하다.
이와 같이 대부분의 포화증기는 대기로 방출된다. 10 내지 100톤 규모의 소각설비가 국내에서만 3500여기가 설치되어 가동중이라는 사실을 고려할 때, 엄청난 양의 에너지가 낭비되고 있다는 점을 알 수 있다. 따라서, 에너지 재생 및 비용 차원에서 이를 이용할 필요성이 절실하다.
기존의 기수분리기는 증기터빈으로 유입되는 과열증기 중의 배관, 각 설비 등의 냉각에 의한 응축수를 분리하는 설비이다. 그러나, 폐기물 소각설비에서 대기 중으로 배출되는 저질의 포화증기나, 공정에 사용되고 남는 잉여증기를 이용하여 기존의 기수분리기를 이용하여 증기터빈을 돌을 돌릴 경우, 효율저하는 물론 물에 의한 터빈의 손상 등 많은 문제를 초래하게 한다. 따라서, 100%의 포화증기를 이용하여 터빈발전을 하기 위해서는 포화증기 중의 수분을 거의 100% 제거하는 고 효율의 기수분리기가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 접선 유입의 원심력과 두 단계의 축류 원심력을 합쳐 모두 3단계의 원심력을 이용하여 포화증기 중의 수분을 거의 제거하여, 폐기물 소각설비에서 대기중으로 배출되는 저질의 포화증기나 공정에 사용되고 남는 잉여증기를 고질의 증기로 변환시켜 증기터빈에 공급하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기는, 유입된 포화증기로부터 수분을 분리하여 증기를 배출하는 기수분리기에 있어서, 상기 포화증기가 접선방향으로 유입되는 유입구와, 수분이 제거된 증기가 배출되는 증기 배출구, 및 상기 포화증기에서 분리된 수분이 배출되는 분리수 배출구를 포함하는 몸체; 상기 유입구를 통해 유입되는 포화증기로부터 원심력을 이용해 1차로 수분을 분리하는 제 1 분리부; 상기 몸체 내부에 설치되며, 상기 제 1 분리부를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 2차로 수분을 분리하는 제 2 분리부; 및, 상기 몸체 내부에 설치되며, 상기 제 2 분리부를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 3차로 수분을 분리하는 제 3 분리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 몸체는, 상기 제 1 분리부 및 제 2 분리부가 설치되는 상부 몸체와, 상기 상부 몸체보다 직경이 작으며 상기 제 3 분리부가 설치되는 하부 몸체, 및 상기 상부 몸체와 하부 몸체를 연결하는 원추형의 중간 몸체를 포함한다.
한편, 상기 몸체 내부에는 길이방향으로 상기 몸체를 관통하도록 증기 배출관이 설치되며, 상기 몸체 내부에서 수분이 제거된 증기는 상기 증기 배출관의 하단에서 유입되어 상단에 형성된 상기 증기 배출구를 통해 배출되는 것이 좋다.
상기 제 2 분리부는 상기 증기 배출관의 외주면에 방사상으로 설치되는 복수 개의 제 1 축류베인을 포함한다. 또한, 상기 제 1 축류베인은 3~8개 설치되는 것이 좋다.
한편, 상기 제 3 분리부는 상기 증기 배출관의 외부면에 방사상으로 설치되는 복수 개의 제 2 축류베인을 포함한다. 또한, 상기 제 2 축류베인의 직경은 상기 제 1 축류베인의 직경의 1/2~3/4인 것이 좋다.
상기 중간 몸체의 하단에는 상기 제 2 분리부에서 포화증기로부터 분리된 분리수를 포집하는 분리수 포집관의 설치되며, 상기 분리수 포집관에는 상기 포집된 분리수를 배출하는 중간 분리수 배출구가 형성되는 것이 좋다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 본 발명의 실시예에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기(100)는, 유입되는 포화증기가 선회기류를 형성하여 원심력이 발생하도록 하는 공간을 제공하는 몸체(110)와, 몸체(110) 내부로 유입되는 포화증기로부터 원심력을 이용해 1차로 수분을 분리시키는 제 1 분리부(170), 몸체(110) 내부 에 설치되어 제 1 분리부(170)를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 2차로 수분을 분리시키는 제 2 분리부(180), 및 몸체(110) 내부에 설치되어 제 2 분리부(180)를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 3차로 수분을 분리시키는 제 3 분리부(190)를 포함한다.
도시된 바와 같이, 몸체(110)는 제 1 분리부(170) 및 제 2 분리부(180)가 설치된 상부 몸체(120)와, 제 3 분리부(190)가 설치되는 하부 몸체(130), 및 상부 몸체(120)와 하부 몸체(130)를 연결하는 중간 몸체(140)를 포함한다. 한편, 몸체(110) 내부에는 길이방향으로 몸체(110)의 상단을 관통하도록 증기 배출관(160)이 설치된다. 증기 배출관(160)의 상단에는 증기 배출구(162)가 형성된다. 몸체(110) 내부에서 수분이 제거된 증기는 증기 배출관(160)의 하단에서 유입되어 상승하고 상기 증기 배출구(162)를 통해 배출된다. 증기 배출구(162)는 미도시된 증기터빈과 연통되어, 증기 배출구(162)를 빠져나간 증기는 증기터빈으로 유입되어 발전에 이용된다.
상부 몸체(120)에는 유입구(112)가 접선방향으로 설치된다. 유입구(112)는 보통 폐기물 소각설비의 미도시된 폐열보일러와 연통되어, 폐열보일러에서 배출되는 습도 100%의 포화증기가 유입된다. 유입구(112)를 통해 통상 12~15m/sec의 속도로 유입되는 포화증기는 상부 몸체(120)에서 선회기류를 형성하면서 원심력에 의해 1차로 기수 분리가 일어나게 된다.
제 2 분리부(180)는 증기 배출관(160)의 외주면에 방사상으로 설치되는 복수 개의 제 1 축류베인(vane)(182)을 포함한다. 제 1 축류베인(182)은 통상 3~4개 설 치되는 것이 좋으나, 고 효율을 필요로 할 경우 8개까지 설치하여 보다 높은 기수 분리를 할 수 있다. 제 1 분리부(170)를 거친 포화증기는 상기 제 1 축류베인(182)에서 강한 원심 축류를 형성하여 2차로 기수 분리가 된다. 제 1 축류베인(182) 내부로는 분리된 포화 증기가 흘러가며, 상부 몸체(120) 내벽으로는 포화증기로부터 분리된 분리수가 벽면을 따라 흘러내린다.
하부 몸체(130)는 상부 몸체(120)보다 직경이 작도록 형성되며, 제 3 분리부(190)가 설치된다. 제 3 분리부(190)는 증기 배출관(160)의 외주면에 방사항으로 설치되는 복수 개의 제 2 축류베인(192)이 설치된다. 제 2 축류베인(192)의 직경은 제 1 축류베인(182)의 직경의 1/2~3/4인 것이 좋다. 고효율의 기수 분리를 요할 경우 상기 제 2 축류베인(192)은 제 1 축류베인(182)의 1/2까지 줄여 통과 속도를 증가시켜 보다 높은 기수 분리 효과를 얻을 수 있다. 제 2 분리부(180)를 거친 포화증기는 상기 제 2 축류베인(192)에서 보다 강한 원심 축류를 형성하여 3차로 기수 분리가 된다. 제 2 축류베인(192) 내부로는 분리된 포화 증기가 흘러가며, 하부 몸체(130) 내벽으로는 포화증기로부터 분리된 분리수가 벽면을 따라 흘러내린다.
중간 몸체(140)는 상부 몸체(120)와 하부 몸체(130)를 연결하며, 도시된 바와 같이 직경이 하부로 갈수록 작아지는 역 원추형으로 형성된다. 포화증기로부터 분리된 분리수는 상부 몸체(120)의 벽면 및 상기 중간 몸체(140)의 벽면을 따라 흘러내린다. 이 때, 분리된 물을 미리 제거하지 않으면, 상기 하단 몸체(110)에서 다시 물과 증기가 혼합된다. 따라서, 이를 방지하게 위해, 상기 중간 몸체(140) 하단에는 중간 분리수 배출구(144)가 형성된 분리수 포집관(142)이 설치된다. 도 3을 참조하면, 분리수 포집관(142)은 하부 몸체(130)의 하단부 외주면에 몸체의 외측 방향으로 일부 돌출되어 관형태로 설치된다. 그리고, 분리수 포집관(142)에는 복수의 중간 분리수 배출구(144)가 하향 경사지게 설치된다. 따라서. 중간 몸체(140)의 내벽면을 타고 흘러내리는 분리수는 상기 분리수 포집관(142)에 포집되고, 상기 중간 분리수 배출구(144)를 통해 외부로 배출된다.
하부 몸체(130) 하단에는 직경이 점차 작아지는 역 원추형의 배출 몸체(150)가 연결되며, 배출 몸체(150)의 끝단은 개방되어 분리수 배출구(152)가 형성된다. 제 3 분리부(190)의 제 2 축류베인(192)을 통과하여 포화증기로부터 분리된 분리수는 하부 몸체(130)의 내벽면 및 상기 배출 몸체(150)의 내벽면을 따라 흘러내리고, 최종적으로 상기 분리수 배출구(152)를 통해 외부로 배출된다.
이하 도 4를 참조하며, 본 발명의 실시예에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기(100)의 동작을 살펴보기로 한다.
외부의 포화증기는 화살표 A와 같이 유입구(112)를 통해 상부 몸체(120)의 접선방향으로 유입되어, 제 1 분리부(170)에서 선회기류를 형성하면서 원심력에 의해 1차로 기수 분리가 일어나게 된다.
포화증기는 하강하여 계속해서 제 2 분리부(180)의 제 1 축류베인(182)에서 강한 원심 축류를 형성하여 2차로 기수 분리가 된다. 제 1 축류베인(182) 내부로는 분리된 포화증기가 흘러가며, 상부 몸체(120) 내벽으로는 포화증기로부터 분리된 분리수가 벽면을 따라 흘러내린다. 통상 제 2 분리부(180)를 거치면 대략 95%의 기수 분리가 된다.
상부 몸체(120)의 벽면을 타고 흐르는 분리수는 중간 몸체(140)의 벽면을 따라 흘러 분리수 포집관(142)에 포집되고, 중간 분리수 배출구(144)를 통해 화살표 B와 같이 외부로 먼저 배출된다.
한편, 제 2 분리부(180)를 거친 포화증기는 하강하면서 하부 몸체(130)로 유입하고, 제 3 분리부(190)의 제 2 축류베인(192)을 통과하면서 보다 강한 원심력을 받아 3차로 기수 분리가 된다. 제 2 축류베인(192) 내부로는 분리된 포화 증기가 흘러가며, 하부 몸체(130) 내벽으로는 포화증기로부터 분리된 분리수가 벽면을 따라 흘러내린다. 제 3 분리부(190)를 통과하면서 거의 100%에 가까운 기수 분리가 된다.
포화증기로부터 분리된 분리수는 하부 몸체(130)의 내벽면 및 배출 몸체(150)의 내벽면을 따라 흘러내리고, 화살표 D와 같이 분리수 배출구(152)를 통해 외부로 배출된다.
그리고, 분리수가 제거된 증기는 증기 배출관(160)의 하단에서 유입되어 상승하면서, 화살표 C와 같이 증기 배출구(162)를 통해 빠져나가고 미도시된 증기터빈으로 유입되어 발전에 이용되게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기는, 접선 유입의 원심력과 두 단계의 축류 원심력을 합쳐 모두 3단계의 원심력을 이용하여 증기 중의 수분을 제거하므로, 거의 100%에 가까운 기수 분리를 할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 폐기물 소각 설비에서 대기중으로 배출되는 저질의 포화증기나 공정에 사용되고 남는 잉여증기를 고질의 증기로 변환시켜 이를 증기터빈에 공급함으로써, 에너지 재활용 및 비용 측면에서 매우 우수한 효과를 가져오게 된다.

Claims (9)

  1. 유입된 포화증기로부터 수분을 분리하여 증기를 배출하는 기수분리기에 있어서,
    상기 포화증기가 접선방향으로 유입되는 유입구와, 수분이 제거된 증기가 배출되는 증기 배출구, 및 상기 포화증기에서 분리된 수분이 배출되는 분리수 배출구를 포함하는 몸체;
    상기 유입구를 통해 유입되는 포화증기로부터 원심력을 이용해 1차로 수분을 분리하는 제 1 분리부;
    상기 몸체 내부에 설치되며, 상기 제 1 분리부를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 2차로 수분을 분리하는 제 2 분리부; 및,
    상기 몸체 내부에 설치되며, 상기 제 2 분리부를 거친 포화증기로부터 축류 원심력을 이용해 3차로 수분을 분리하는 제 3 분리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 몸체는,
    상기 제 1 분리부 및 제 2 분리부가 설치되는 상부 몸체와, 상기 상부 몸체보다 직경이 작으며 상기 제 3 분리부가 설치되는 하부 몸체, 및 상기 상부 몸체와 하부 몸체를 연결하는 원추형의 중간 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 몸체 내부에는 길이방향으로 상기 몸체를 관통하도록 증기 배출관이 설치되며, 상기 몸체 내부에서 수분이 제거된 증기는 상기 증기 배출관의 하단에서 유입되어 상단에 형성된 상기 증기 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 분리부는,
    상기 증기 배출관의 외주면에 방사상으로 설치되는 복수 개의 제 1 축류베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 축류베인은 3~8개 설치되는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 분리부는,
    상기 증기 배출관의 외부면에 방사상으로 설치되는 복수 개의 제 2 축류베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 축류베인의 직경은 상기 제 1 축류베인의 직경의 1/2~3/4인 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 중간 몸체의 하단에는 상기 제 2 분리부에서 포화증기로부터 분리된 분리수를 포집하는 분리수 포집관의 설치되며, 상기 분리수 포집관에는 상기 포집된 분리수를 배출하는 중간 분리수 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 몸체의 끝단에는 직경이 점점 작아지는 원추형의 배출 몸체가 연결되며, 상기 배출 몸체의 끝단에는 상기 분리수 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기.
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