KR100779692B1 - 증기 감압계통 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트 - Google Patents

증기 감압계통 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 발전플랜트 증기계통에 기본적으로 설치되어 있는 에너지 절감과 합리화를 위해 증기 감압밸브의 폐압을 재활용하여 추가적인 발전이 이루어지는 증기 감압계통 폐압회수용 전력설비를 구비하는 발전플랜트에 관한 것이다.
본 발명은 발전용 및 산업용 플랜트에서 증기 공급라인의 증기압력 감압밸브 전단에서 증기를 추기하여 감압터빈을 구동하고, 이로부터 전력을 생산하며, 감압터빈 증기압력 조절이 가능한 감압밸브를 추가 설치함으로써 증기계통의 안정성을 유지하면서 에너지를 추가로 회수할 수 있는 발전플랜트이다.
이에 따라 기존에 에너지 효율이 높게 평가되어 버려지던 폐압을 회수하게 됨으로써, 증기 공급계통 감압부분에서 전력생산이 가능하게 되어 추가적인 연료 소비없이 전력 생산이 가능하게 되는 이점이 있다.

Description

증기 감압계통 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트{Power plant steam apparatus with the electric power apparatus for waste pressure recovery}
도 1은 본 발명이 적용된 증기 감압계통 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트의 전체 회로도,
도 2는 종래 발전플랜트의 보조증기 계통회로도로서, 도 1에 대응되는 회로도이다.
-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-
100 : 증기변환기 이전 배관의 감압밸브,
110 : 계통 분리가 필요한 설비에 보조증기를 공급하기 위한 보조증기를 생산하는 증기변환기(Steam converter),
120 : 기타 필요처에 증기공급을 위한 보조증기 헤더(Auxiliary steam header),
130 : 보일러 과열기에서 추기한 주증기 1차 감압밸브,
140 : 기타 필요처에 공기 공급을 위한 보조증기 계통 헤더 전단 감압밸브,
150 : 증기변환기 바이패스 증기 공급밸브,
160 : 증기변환기 후단 증기압 조절 감압밸브,
170 : 증기변환기 배출 응축수 온도를 이용 증기변환기에 공급중인 물을 가열해 주는 응축수 열교환기,
180 : 배압식 감압 증기터빈,
190 : 배압식 증기터빈 발전기,
200 : 폐압회수용 터빈 바이패스 감압밸브,
300 : 보일러 과열기.
본 발명은 산업용 발전플랜트에서 기본적으로 설치되어 있는 증기계통의 에너지 절감과 합리화를 위해 증기 감압밸브의 폐압을 재활용하여 추가적인 발전이 이루어지는 증기 감압계통 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 발전플랜트에서는 연료 및 기기의 예열을 위해 사용되는 보조증기 계통은, 별도의 보조증기 생산을 위한 보조 보일러를 설치하거나, 발전소 보일러에서 생산한 증기를 활용하여 발전소 내의 연료 및 기기의 예열에 필요한 보조증기를 충당하는 방식을 채택하고 있다.
대부분의 발전플랜트는 단일부지 내부에 여러 호기의 발전설비가 위치하게 됨으로써, 투자를 최소화하기 위하여 별도의 보조 보일러를 설치하지 않고, 가동중인 발전호기로부터 증기를 추출하여 발전소 내에 필요한 보조증기를 공급하는 방식을 채택하고 있다.
이와 같이 발전소 보일러로부터 발전소 내에 필요한 증기를 추출하여 사용하는 방법은 두 가지인데, 이중 추출된 증기를 별도의 설비없이 현장에 필요한 위치마다 필요한 수준까지 압력과 온도를 낮춘 후에 공급하는 방식 외에도 발전소 보일러에서 생산된 증기를 이용하여 별도 계통분리가 필요한 경우 열교환기인 증기 변환기를 발전소 내에 보조증기를 재생산해 공급하는 방식이 채택되어 지고 있다.
이러한 증기변환기를 사용하는 경우는 발전소 내에 공급되는 보조증기가 오염될 우려가 있는 경우로서, 오염된 응축수를 회수하여 재사용하는 경우에 발생할지도 모르는 설비의 치명적인 사고를 미연에 방지하기 위해 오염요소가 상존하고 있는 보조증기 계통을 분리하기 위한 것이다.
이와 같이 오염요소가 상존한 보조증기는 보일러 주증기 또는 재열증기로부터 고온고압의 증기를 추기하여 여러 단계에 걸쳐 감온/감압해 증기변환기의 가열증기로 공급해 보조증기를 재생산해 현장 연료계통 설비에 공급되고 있다.
한편, 도 2는 종래의 기술을 나타낸 것으로서, 발전소 내에서 사용하는 보조증기를 공급하기 위해 보일러의 과열기(300)로부터 유입된 증기를 일차로 감압하는 주증기 1차 감압밸브(130) 및, 일차 감압된 증기를 발전소 내 설비예열 등 필요처에 증기를 공급하기 위한 보조증기 계통에 분배하기 위하여 설치되어진 보조증기 헤더(120)와 필요한 압력까지 감압하기 위하여 설치된 보조증기 계통 헤더 전단 감압밸브(140)로 구성되어 있다.
이외에 주증기 계통을 오염시킬 경우 설비에 큰 손실을 일으킬 우려가 있는 연료계통 공급용 보조증기는 주증기 계통과 분리를 위해 증발기인 증기변환기(110)를 이용하여 독립된 계통을 구성하여 보일러 고온 고압의 주증기를 가열원으로 공급받아 증기변환기에서 연료 및 연료계통 설비 예열용 보조증기를 재생산해 연료계통 설비에 공급하는 설비로써 연료설비 계통에 필요한 압력, 온도의 보조증기를 생산하기 위해 증기변환기 이전 배관의 감압밸브(100)를 통하여 가열원인 주증기 압력이 조절되며 증기변환기(110)에서 보조증기를 증발시키고 응축된 주증기 응축수는 증기변환기에 공급중인 물을 재가열하는 열교환기(17)를 거쳐 탈기기(400)로 회수된다.
그리고 증기변환기 고장 등 증기변환기 운전을 하지 못할 경우, 즉 증기변환기의 고정시 바이패스 감압밸브(150)를 통하여 감온 및 감압 후 최후 수단으로 연료계통 설비에 보조증기를 공급하며 증기 사용량에 따라 압력조절을 위한 보조증기 조절 감압밸브(160)가 별도로 설치되어 있다.
그러나 상기와 같은 종래 발전플랜트의 보조증기 계통은 에너지원인 고온/고압의 주증기 또는 재열증기를 열원으로 사용하고 있으며, 사용처에서 필요로 하는 압력과 온도에 맞추기 위하여 감압과 감온을 수행함으로써 에너지가 대량으로 낭비되고 있었다.
이러한 에너지 낭비는 기존의 엔탈피를 기준으로 하는 에너지 보존의 법칙에 의하면 100% 효율을 가진 시스템으로 낭비가 아닌 것으로 판명되어 진다. 하지만, 에너지 질적인 평가를 수행할 수 있는 엔트로피나 엑서지 측면에서 이러한 감온과 감압은 에너지 효율이 0%에 이르는 손실과정으로 나타난다.
따라서 질적인 측면에서의 이러한 손실을 회복하기 위하여 엔트로피를 회수할 수 있는 장치를 설치하여 엔트로피 증가를 저하시켜야 할 것이며, 이를 통하여 엑서지를 회수하여야 한다.
따라서 본 발명은 이와 같이 발전플랜트의 증기 감압계통에서 낭비되어지는 엑서지를 전력의 형태로 회수할 수 있는 시스템을 기존의 시스템에 설치함으로써 보다 향상된 수준을 갖는 증기 감압계통 폐압회수용 전력설비를 구비한 발전플랜트를 제공함에 그 목적이 있다.
또한 회수된 엑서지를 발전소 운영에 활용하여 연료의 추가 소비없이 발전소 내 소비동력 저감에 기여함으로써, 에너지 절감과 온실가스 저감이라는 두 가지 명제를 동시에 해결하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트에 의하면, 증기변환기(110) 이전의 감압밸브(100) 전단에서 분기하며, 이를 이용하여 전력을 생산하는 배압식 감압 증기터빈(180), 이 배압식 감압 증기터빈(180)에서 생산되는 축동력을 전력으로 전환하는 배압식 증기터빈 발전기(190)와 배압식 감압 증기터빈으로 유입되는 유량 및 증기조건을 제어하는 폐압회수용 터빈 바이패스 감압밸브(200) 및 다수의 밸브를 포함한다. 이러한 밸브들을 배압식 증기터빈 정지시 증기의 유입을 방지하고, 적절한 용량으로 증기터빈 구동을 가능하게 하는 등의 역할을 한다.
이와 같은 과정을 통하여 기존에 감압밸브(100)를 통하여 증기변환기(110)에서 필요로 하는 압력까지 감압을 수행하면서 낭비되던 폐압(Waste pressure)을 전력으로 환산하게 됨으로써, 연료없이 전력을 생산하게 되는 시스템의 구현을 통하여 저렴한 전력의 생산이 가능하게 된다.
이렇게 설치된 폐압회수용 배압식 감압 증기터빈(180)은 엔트로피를 저하시키는 역할을 하는데, 이 과정에서 엔탈피 저하가 발생하게 되므로, 기존의 증기계통에 비하여 증기가 약간 많이 소모하게 된다.
한편, 본 발명은 후술하는 실시예가 바람직하지만, 발전플랜트 증기계통의 여러 감압밸브들에도 동일하게 적용될 수 있으며, 기타 산업용 발전플랜트의 증기계통에서 생산증기의 감압을 수행하여 현장에 필요한 에너지를 공급하는 모든 경우에 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 증기 감압계통 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트를 상세하게 설명한다.
발전플랜트 보조증기 계통으로 유입되는 증기는 도 1과 같이, 발전플랜트 보일러의 과열기로부터 유입되는 주증기이며, 재열기로 유입되는 냉간 재열증기가 유입되는 경우도 있다. 발전플랜트의 부하가 낮은 경우는 과열기로부터 보조증기를 추기하며, 부하가 정격에 달한 경우는 과열기가 아닌 재열기로부터 보조증기를 유입하게 된다.
이와 같이 유입되어진 증기는 보조증기 계통을 통하여 현장에 공급되는데, 이들은 보조증기 헤더(120)를 통하여 증기식 공기예열기 및 폐수처리장 등으로 공급되며, 증기변환기(110)를 통하여 전기 집진기, 연료유 가열시스템, 플랜트 가열시스템, 보일러 보조증기 계통 등으로 공급되어 발전소 내에 필요한 증기를 적절히 공급하게 된다.
하지만, 과열기 및 재열기로부터 유입되는 증기의 압력은 100㎏/㎠g 또는 30㎏/㎠g 이상이고, 현장에서 필요로 하는 증기의 압력은 10㎏/㎠g 이내이므로 이와 같은 압력차를 극복하기 위하여 다수의 감압밸브를 적용하여 필요한 압력까지 감압을 수행하고 있다.
이러한 감압은 증기 흐름의 엔탈피는 동일하게 유지하지만, 엔트로피를 증가시켜 질적인 측면에서의 손실을 발생시키는 요인이 되고 있다. 하지만, 이러한 엔탈피는 유지되고 엔트로피가 증가되는 시스템은 기존의 에너지 보존의 법칙에 의하면 파악하기 어렵기 때문에, 이제까지 손실이 아닌 적절한 시스템으로 간주되어 현장에 널리 분포되어 있다.
본 발명에서는 이러한 엔트로피 상승을 억제하고 에너지를 회수할 수 있는 낭비되는 압력을 회수할 수 있는 방안이 적용된 발전플랜트 보조증기 계통으로서, 종래와 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
발전플랜트 주증기 계통에서 추기된 보조증기는 일차로 100㎏/㎠ 이상의 압력으로부터 40㎏/㎠ 정도까지 감압되어 보조증기 시스템으로 유입된다. 이후에 보일러 등의 제매기로 일부 증기가 배출되고, 나머지는 주증기 1차 감압밸브(130)를 거쳐 약 15㎏/㎠ 정도 감압된 후, 보조증기를 공급하는 보조증기 헤더(120)와 증기 변환기(110)로 나뉘어 유입된다. 여기서 상기 보조증기 헤더(120)로 유입되는 증기는 다시 한번 보조증기 계통 헤더 전단 감압밸브(140)를 통하여 15㎏/㎠ 정도 추가로 감압되며 증기식 공기 예열기와 소내 폐수처리장 등에 필요한 공기를 공급하며, 생산된 응축수는 보일러로 다시 회수되어지는 시스템으로 구성되어 있다.
한편, 상기 증기변환기(110)로 공급되는 증기는 일차로 증기변환기 이전 배관의 감압밸브(100)를 거쳐 필요 압력까지 감압된 후에, 열교환기인 증기변환기(110)를 거쳐 응축되면서 급수를 가열하여 증기를 생산하며, 증기변환기 고장 등 운전이 불가할 경우, 증기변환기(110) 전단에서 증기를 추기하여 증기변환기 바이패스 증기 공급밸브(150)에서 주증기를 감압하여 보일러 전기 집진기, 연료 가온 및 플랜트와 보일러 등에 필요한 보조증기로 공급한다.
이때 생산되어진 증기는 다시 한번 필요한 압력까지 증기변환기 후단 증기압 조절 감압밸브(160)를 통하여 감압되어진 후 현장에 공급된다.
이와 같이 다수의 감압밸브들이 설치되어 현장에 필요한 증기를 공급하는데, 이러한 모든 감압활동은 엔트로피를 상승시키는 역할을 하며 에너지를 낭비하는 원인이 된다.
본 발명은 이와 같은 통상적인 보일러 과열기(300)로부터 유입된 증기를 일차로 감압하는 주증기 1차 감압밸브(130)와, 이 주증기 1차 감압밸브(130)에서 일차 감압된 증기를 발전소 내 보조 증기계통에 분배하기 위해 보조증기 헤더 전단 감압밸브(140)에 연결된 보조증기 헤더(120), 응축수를 회수하지 않고 폐수로 배출하면서 추기된 보조증기와 발전소 내 소비증기 간의 열전달 과정을 통하여 에너지 교환이 발생하는 증기변환기 이전 배관의 감압밸브(100)에 연결된 증기변환기(110), 이 증기변환기(110)의 전단배관에 연결되어 증기변환기 후단 배관에 설치된 증기압 조절 감압밸브(160)에 연결되는 감온/감압을 겸하는 증기변환기 바이패스 감압밸브(150) 및, 상기 증기변환기(110)로부터 배출되는 일차 보조증기의 응축수를 회수하는 응축수 열교환기(170)로 이루어진 증기 감압계통 폐압회수용 발전플랜트에서 있어서, 상기 증기변환기(110) 이전 배관의 감압밸브(100) 전후 배관에는 증기변환기(110)가 필요로 하는 압력까지 팽창하면서 축동력을 생산하는 폐압회수용 배압식 감압 증기터빈(180)과, 생산된 축동력을 전력으로 전환하는 배압 증기터빈 발전기(190) 및, 이 배압식 감압 증기터빈(180)의 유량과 온도/압력을 제어하고 증기변환기 필요 에너지를 조절 가능하도록 하기 위한 추가의 폐압회수용 터빈 바이패스 감압밸브(200)을 갖추어 이루어져 있다.
이를 통하여 종래에는 증기변환기(110) 이전 배관을 통하여 낭비되는 압력 에너지를 본 발명에서 제시한 시스템을 설치하여 회수할 수 있게 됨으로써, 발전 플랜트 보조증기 계통이 에너지 절약형으로 개선이 가능하게 된다.
상술한 설명으로부터 본 발명에 따른 폐압회수용 발전 플랜트에 의하면, 기존의 발전 플랜트 보조증기 계통에 비하여 운영의 위험요소가 증가되지 않는 상태에서 추가적인 연료의 투입없이 전력생산이 가능해짐으로써 기존에 에너지 효율이 100%라고 간주하던 부분으로부터 에너지 회수가 가능한 시스템으로 전환되는 것이다.
또한 본 발명에 의하여 생산된 전력은 연료의 투입없이 생산된 것이므로, 전력생산 단가가 아주 낮아서 매우 경제적인 시스템이 되는 것이다.

Claims (1)

  1. 보일러 과열기(300)로부터 유입된 증기를 일차로 감압하는 주증기 1차 감압밸브(130)와, 이 주증기 1차 감압밸브(130)에서 일차 감압된 증기를 발전소 내 보조 증기계통에 분배하기 위해 보조증기 헤더 전단 감압밸브(140)에 연결된 보조증기 헤더(120), 응축수를 회수하지 않고 폐수로 배출하면서 추기된 보조증기와 발전소 내 소비증기 간의 열전달 과정을 통하여 에너지 교환이 발생하는 증기변환기 이전 배관의 감압밸브(100)에 연결된 증기변환기(110), 이 증기변환기(110)의 전단배관에 연결되어 증기변환기 후단 배관에 설치된 증기압조절 감압밸브(160)에 연결되는 감온/감압을 겸하는 증기변환기 바이패스 감압밸브(150) 및, 상기 증기변환기(110)로부터 배출되는 일차 보조증기의 응축수를 회수하는 응축수 열교환기(170)로 이루어진 증기 감압계통 폐압회수용 전력설비를 구비한 발전플랜트에 있어서,
    상기 증기변환기(110)의 전단에 설치된 감압밸브(100) 전후 배관에는 증기 변환기(110)가 필요로 하는 압력까지 팽창하면서 축동력을 생산하는 폐압회수용 배압식 감압 증기터빈(180)과, 생산된 축동력을 전력으로 전환하는 배압식 증기터빈 발전기(190) 및, 상기 배압식 감압 증기터빈(180)의 유량과 온도/압력을 제어하고 증기변환기(110)에 필요 에너지를 조절 가능하게 하기 위한 폐압회수용 터빈 바이패스 감압밸브(200)가 설치되어 이루어진 것을 특징으로 하는 증기 감압계통 폐압회수용 전력 생산설비를 구비한 발전플랜트.
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