KR101009852B1 - 폐열 증기 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 연소 및 증기 발전기의 폐열 증기 발생기(1)에 관한 것이다. 상기 발생기는 가스 터빈(5)의 배출 가스(7)가 공급될 수 있는 폐열 보일러(3)를 포함한다. 상기 증기 발생기는 또한 상기 폐열 보일러(3)내에 배치된 하나 이상의 증발기(11, 13, 15)를 포함하고 증기 터빈을 위한 프로세스 증기를 생산하는데 이용된다. 본 발명에 따라, 가열 장치(43)로부터의 연료 가스(9)는 폐열 보일러(3)로 공급될 수 있고, 상기 연료 가스(9)의 적어도 일부는 폐열 보일러의 적어도 한 지점에서 추출될 수 있고 상기 폐열 보일러(3)의 유입 개구부(4)로 다시 공급될 수 있다.

Description

폐열 증기 발생기{WASTE HEAT STEAM GENERATOR}
본 발명은 가스 터빈으로부터의 폐열에 의해 작동되는 폐열 보일러를 구비하는 폐열 증기 발생기에 관한 것이다.
전력 생산을 위한 가스 터빈을 구비한 많은 최신 발전소 설비는 유용한 전력으로의 추가적인 전환을 위해 가스 터빈으로부터의 고온 배기 가스(가스 터빈으로부터 배출된 후에도 여전히 높은 에너지 포텐셜을 가진다)를 이용하는 하나 이상의 폐열 보일러를 구비한다. 이러한 경우에, 예를 들어, 폐열 보일러에 의해 발생되는 증기가 하나 이상의 증기 터빈을 작동시키는데 사용되며, 그에 따라 이와 같은 가스 및 증기 발전소의 효율이 순수 가스 터빈 발전소의 효율 보다 높아지게 된다.
증기 터빈에 추가하여, 최신 가스 및 증기 발전소는 다양한 부가적인 소비처(예를 들어, 우회 유동 탈가스장치, 건물 난방 등)를 위한 보조 증기를 필요로 한다. 이러한 보조 증기는 설비가 사용중이 아닐 때 그리고 터빈 세트의 시동 및 중단시에 그리고 예를 들어 정격 로드(rated load)에서의 발전소 설비의 정상 작동 중에 특히 요구된다. 설비가 사용중이 아닐 때, 가스 터빈은 고온 배출 가스를 방출하지 않으며, 그에 따라 이러한 작동 상황에서는 폐열 보일러에 의한 작동 증기 및 보조 증기가 전술한 바와 같은 추가적인 증기 소비처 또는 증기 터빈을 위해 제 공되지 않는다.
이러한 소비처 등에 보조 증기를 공급하기 위해, 공지된 발전기에서 일반적으로 폐열 증기 발생기와 별도인 독립적인 가열식 보조 증기 발생기가 사용된다.
설비가 작동중이 아닐 때 그리고 시동/중단 중에, 이러한 보조 증기 발생기는 포화된 증기 즉, 과열된 증기를 생성하며, 그 증기는 전술한 증기 소비처로 공급된다.
설비의 정상 작동중에, 예를 들어 필요한 보조 증기가 폐열 증기 발생기의 저압 섹션(section)내에서 생성되고, 정상 작동중에, 상기 폐열 증기 발생기와 별도로 디자인된 보조 증기 발생기는 반드시 필요하지 않게 되는데, 이는 보조 증기가 폐열 증기 발생기 자체에서 유입 고온 배출 가스로부터 생성될 수 있기 때문이다.
예외적인 상황(예를 들어, 24시간동안 작동하고 그에 따라 보조 증기 발생을 위한 고온 배출 가스를 상시 이용할 수 있는 순수 기본(basic load) 발전기의 경우)에서만 공지된 발전기 설비내에서 보조 증기 발생기가 필요 없으며, 예를 들어 완전한 설비 중단 상태 또는 매우 낮은 로드(load)에서의 작동 상태는 보조 증기를 발생시키기 않기 때문에, 이는 설비의 탄력성(flexibility)상 상당한 제한을 가하게 된다.
발전소 설비를 위한 추가적인 요건은 폐열 보일러 및 신선(fresh) 증기 라인내의 가열, 고온 유지, 그리고 압력 유지 뿐만 아니라, 증기 터빈을 가능한 한 높은 압력 레벨 및 소정 온도로 가열 및 유지하는 것을 포함하며; 상기 요건들은 설비가 작동중이 아닐 때에 그리고 터빈이 시동되거나 중단되는 동안에도 만족되어야 한다.
예를 들어, 공지된 발전소 설비의 시동 시간은 보조 증기의 온도 및 압력에 따라 달라진다.
따라서, 본 발명은 발전소 설비의 탄력적인 운전을 허용할 수 있고 또 특히 저비용으로 디자인될 수 있는 폐열 증기 발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 가스 및 증기 발전기를 위한 폐열 증기 발생기에 의해 달성되며, 상기 증기 발생기는 가스 터빈으로부터의 배출 가스가 공급되는 폐열 보일러 및 상기 폐열 보일러내에 배치된 하나 이상의 증발기를 구비하여 증기 터빈을 위한 작동 증기를 발생시키며, 상기 폐열 보일러는 가열 장치로부터 연료 가스가 공급될 수 있고, 상기 연료 가스의 적어도 일부는 폐열 보일러로부터 적어도 한 지점에서 추출될 수 있고 유입 개구부를 통해 폐열 보일러내로 다시 공급될 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기에서, 폐열 보일러로부터의 및/또는 유출 개구부 상류의 적어도 한 지점에서 폐열 보일러로부터 추출되는 연료 가스의 적어도 일부는 연료 가스 회로내에서 운반된다. 상기 가열 장치는 예를 들어 버너이며, 연료 및 연소 공기 그리고 가열되는 매체로서의 연료 가스의 일부가 상기 버너로 공급된다. 이어서, 상기 가열 장치에 의해 가열된 연료 가스는 (다시 한번) 폐열 보일러내로 도입되며, 그 폐열 보일러내에서 열 교환에 의해 증발기로 에너지를 방출하며, 그에 따라 증발기가 보조 증기를 생성할 수 있게 된다. 이어서, 보조 증기는 예를 들어 증발기의 일부인 증기 드럼으로부터 추출되고, 소비처로는 보조 증기가 공급되고 신선 증기 라인 및/또는 증기 터빈이 연결된다.
폐열 보일러를 통해 유동하는 동안 냉각된 연료 가스는 적어도 일부가 추출된 후에 폐열 보일러의 유입 개구부로 되돌아가고, 가열 장치에 의해 가열된다.
이 경우에, 가열 장치는 바람직하게 신선 증기 라인 및/또는 증기 터빈을 위해 요구되는 열의 양 및/또는 요구되는 보조 증기 로드에 상응하는 증기 로드에 맞춰 디자인된다.
본 발명에 따른 폐열 증기 발생기는 특히 고온 배출 가스가 없거나 적은 양의 고온 배출 가스만을 이용할 수 있는 작동 상황(예를 들어, 작동중이 아닐 때, 시동/중단 중에)에서의 보조 증기 공급을 보장한다. 또한, 증기 터빈을 위한 작동 증기를 생성하기 위해 작동될 필요가 없기 때문에, 가열 시스템을 과다하게 큰 용량(powerful)으로 디자인할 필요가 없다.
또한, 발전소 설비의 정상 작동중에 필요한 보조 증기는 교번적으로(alternatively) 또는 가열 시스템에 부가하여 배출 가스에 의해 생성될 수 있다.
예를 들어, 과다한 연료 가스가 폐열 보일러로 부터 배출된 후에 굴뚝(chimney)을 통과할 수도 있다.
유리하게도, 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기에 의해 생성되는 보조 증기의 양은 폐열 보일러내로 도입되는 연료 가스의 유량을 예를 들어 연료 가스의 유동 방향을 따라 가열 장치용 버너의 상류 및/또는 하류에 배치된 제어 밸브로 제어함 으로써 결정된다.
본 발명에 따른 폐열 증기 발생기의 연료 가스의 온도는 특히 가열 장치로 공급되는 연료의 유량에 의해 설정된다. 이 경우, 연료 공급을 증대시키면 연소 온도의 상승을 초래하고, 그에 따라 연료 가스의 가열 온도의 증대를 초래한다.
바람직하게, 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기용 가열 장치에 필요한 연소 공기의 양은 예를 들어 가열 장치로의 공기 공급 라인에 연결된 추가적인 제어 밸브에 의해 제어된다.
본 발명의 실시예들은 연료 가스를 위한 순환 회로의 구성 및 가열 장치의 배치에 관한 것이다(종속항인 제 2 항 내지 제 4 항과 관련됨).
추가적인 실시예에서, 폐열 증기 발생기는 둘 이상의 증발기를 갖는다.
이러한 방식으로 구성되고 서로 상이한 온도 레벨의 증발기들을 가지는 폐열 보일러는 수많은 발전기 설비로부터 공지되어 있다. 요구되는 보조 증기는 보조 증기 발생이라는 목적에 적합한 온도 레벨의 증발기로부터 추출되고, 예를 들어 상기 증발기는 발전소 설비의 작동중에 증기 터빈의 저압 스테이지(stage)를 위한 작동 증기를 생성한다.
이러한 경우에, 바람직하게, 연료 가스의 적어도 일부는 연료 가스의 유동 방향에서 하나 이상의 증발기 상류의 폐열 보일러로부터 추출된다.
이와 같은 추출 지점에서의 연료 가스의 에너지 함량은 크게 감소되지 않는다.
본 발명의 추가적인 실시예에서, 연료 가스의 적어도 일부는 연료 가스 유동 방향을 따라 상기의 배출 개구부의 하류에서 또는 상기 배출 개구부에서 폐열 보일러로부터 추출될 수 있다.
이러한 경우에, 연료 가스는 가열 장치의 하나 이상의 부분에 다시 공급되기 전에 폐열 보일러를 완전히 통과한다. 이는 폐열 보일러내로 유입되는 연료 가스의 전체 양이 보조 증기가 추출되는 증발기와 열교환할 수 있게 보장한다.
보조 증기 발생을 제어하기 위해, 바람직하게, 가열 장치는 연료 가스의 유동 및/또는 온도를 조절하기 위한 하나 이상의 제어 장치를 구비한다.
이러한 실시예에서, 발전소의 각각의 작동 상황에 따라 요구되는 보조 증기의 양 및 에너지 함량이 각각 생성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시예는 보조 증기의 작업 또는 가열 증기로서의 역할에 관한 것으로서, 이때 보조 증기는 모든 작동 상황에서 추출되는 것이 바람직하며, 다시 말해 특히 설비가 작동중이 아닐 때 그리고 설비가 시동되고 중단될 때에도 추출되는 것이 바람직하다(종속항인 제 9 항 내지 제 11 항).
본 발명의 두가지 예시적인 실시예를 이하에서 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 은 순환 회로에 연결된 가열 장치를 가지는 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기의 개략도이다.
도 2 는 순환 회로에 연결된 가열 장치를 가지는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 개략도이다.
명확한 도시를 위해, 폐열 증기 발생기(1)를 수평 위치로 도시하였다. 이러한 실시예에서, 폐열 증기 발생기(1)는 물론 수직으로 즉, 실질적으로 수직으로 연장되게 배치될 수 있을 것이다.
폐열 증기 발생기(1)는 폐열 보일러(3)를 구비하며, 상기 폐열 보일러(3)내의 유입 개구부(4)를 통해 가스 터빈(5)으로부터의 배출 가스(7)가 도입된다.
이러한 예시적인 실시예에서, 3개의 증발기 특히 고압 증발기(15), 중압 증발기(13) 및 저압 증발기(11)의 열교환 표면들은 폐열 보일러(3)내에 배치된다.
전술한 각각의 증발기(15, 13, 11)는 고압 드럼(31), 중압 드럼(29) 및 저압 드럼(27)을 구비한다.
이러한 경우에, 각 드럼(31, 29, 27)에는 구체적으로 도시되지 않은 라인을 통해 공급수(17)가 공급된다.
버너(33)(연료(35)에 의해 작동된다), 팬(fan)(39) 및 제어 밸브(37, 41)를 구비한 가열 장치(43)가 피드백(feedback) 라인(44)내에서 폐열 보일러(3)와 실질적으로 병렬로 배치된다. 이에 따라, 순환 회로(50)가 폐열 보일러(3)를 통한 가열 경로(52, 53) 및 피드백 라인(44)에 의해 형성된다.
버너(33)에 의한 가열은 폐열 보일러(3)내로 도입되는 연료 가스(9)를 생성한다. 연료 가스(9)는 가열 경로(52, 53)를 따라 폐열 보일러(3)를 통과하고, 이러한 프로세스에서, 증발기(15, 13, 11)의 가열 표면들과 접촉한다.
공급수(17)는 각각의 증기 드럼(31, 29 또는 27)에 의해 증발기(15, 13, 11)의 가열 표면들 내부 영역으로 도입되며, 그에 따라 열교환에 의해 증기가 발생된 다. 따라서, 고압 증기(25)는 고압 증발기(15)로부터, 중압 증기(23)는 중압 증발기(13)로부터, 그리고 저압 증기(21)는 저압 증발기(11)로부터 추출될 수 있다. 이어서, 증발기(15, 13, 11)에 의해 생성된 이러한 각각의 증기(25, 23 및 21)는 구체적으로 도시하지 않은 방식으로 증기 터빈의 적절한 압력 스테이지에 공급될 수 있다.
또한, 예를 들어 발전기내의 보조 증기 소비처 또는 신선 증기 라인과 같은 가열 설비 부품을 위한 보조 증기(19)는 저압 증발기(11)로부터, 특히 상기 저압 증발기의 저압 드럼(27)으로부터 추출될 수 있다.
예를 들어 작동중이 아닐 때 또는 가스 터빈(5)이 시동중이거나 중단될 때와 같이 배출 가스(7)가 없거나 또는 작은 양의 배출 가스(7)만이 이용가능한 상황에서 작동될 때에도 보조 증기(19)가 추출될 수 있다. 보조 증기(19)의 생성에 필요한 에너지는, 특히 이와 같은 작동 상황에서, 가열 장치(43)에 의해 생성되고 폐열 보일러(3)를 통과하는 연료 가스(9)에 의해 제공된다.
연료 가스(9)는 배출 개구부(45)를 통해 폐열 보일러(3)로부터 배출되고, 그 중 적어도 일부는 피드백 라인(44)에 의해 폐열 보일러(3)의 유입 개구부(4)로 다시 공급되며; 그에 따라 연료 가스 회로가 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기내에 형성되고, 그 결과로 특히 연료 가스(9)내의 에너지가 매우 잘 이용된다.
그 대신에 또는 그와 함께, 연료 가스(9)의 적어도 일부가 배출 개구부(45) 이외의 다른 지점에서 폐열 보일러(3)로부터 추출될 수 있고, 가열 장치(43)로 다시 공급될 수 있다. 이러한 경우에, 적절한 지점은 예를 들어 연료 가스(9)의 유 동방향에서 중압 증발기(13) 상류의 지점이며, 이때 연료 가스(9)는 아직 크게 냉각되지 않은 상태이며; 연료 가스(9)의 추가적인 또는 대안적인 피드백을 위한 이러한 선택안은 도면에서 점선으로 도시되어 있다.
생성된 보조 증기(19)의 온도는 버너(33)로 공급되는 연료(35)의 유량의 변화에 의해 결정되며; 바람직하게, 버너(33)의 작동에 필요한 연소 공기(47)의 유량은 버너로의 공기 공급 라인내에 연결된 제어 밸브(41)에 의해 제어된다.
또한, 생성되는 보조 증기(19)의 유량은 버너로 공급되는 연료 가스(9)의 유량을 조절하기 위해 연료 가스(9)의 유동 방향에서 버너의 상류에 연결된 추가적인 제어 밸브에 의해 조절될 수 있으며; 연료 가스(9)는 팬(39)에 의해 버너(33)로 공급될 수 있다.
도 1 은, 중간 과열상태에서 3개-압력 가스 및 증기 프로세스를 위한 폐열 증기 발생기(1)의 예를 들어, 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기(1)에서의 보조 증기 발생 과정을 개략적으로 도시한 것이다. 본 발명은 또한 다른 프로세스(예를 들어, 중간 과열상태에서의 2개-압력 프로세스)를 위해서도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 폐열 증기 발생기(1)의 하나의 작동 방법에서, 공급 라인내에서 고압 및 중압 증발기에 연결된 슬라이드(slide)들이 폐쇄되어 이러한 압력 스테이지에서 증기가 발생되지 않을 수도 있다. 냉각된 연료 가스는 배출 개구부(45)에서 배출되고, 연료 가스(9)의 적어도 일부는 유입 개구부(4)로 다시 공급된다. 과다한 연료 가스는 배출 굴뚝을 통해서 또는 흡입 경로를 가지는 별도의 굴뚝을 통해서 방출된다.
버너(33)는 예를 들어 천연 가스의 연소를 이용하여 폐열 증기 발생기(1)로의 유입구에서 요구되는 온도까지 연료 가스(9)를 가열하며; 필요한 연소 공기(47)는 예를 들어 연소 공기 팬을 통해 공급된다.
보조 증기의 유량은 예를 들어 제어 밸브(37)에 의해 폐열 증기 발생기를 통해 유동하는 연료 가스의 유량을 변화시킴으로써 제어된다.
연료 가스 온도는 연료 유량의 변화에 의해 제어된다.
예를 들어 필요한 연소 공기 유량을 제어하기 위해 추가적인 제어 밸브(41)가 이용된다.
흡입 경로를 구비한 독립 굴뚝이 사용된다면, 시스템의 연료 가스측의 압력은 예를 들어 추가적인 제어 밸브에 의해 제어될 수 있다.
본 발명에 따른 폐열 증기 발생기(1)의 다른 대안적인 작동 방법에서, 전술한 슬라이드가 개방되어 증기가 모든 압력 스테이지들에서 발생될 수 있다. 폐열 증기 발생기(1)의 고압 증발기(15) 및/또는 중압 증발기(13)로부터의 증기는 예를 들어 발전기내의 증기 터빈을 위한 신선 증기 라인을 가열/고온유지하는데 사용될 수 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기(1)의 다른 실시예를 도시하며, 그러한 실시예에서는, 도 1 과 대조적으로, 가열 장치(43)가 내부에 연결되지 않고 대신에 피드백 라인(44)에 연결된다.
조사 결과, 이와 같은 가열 장치(43)의 구성이 바람직한 것으로 나타났는데, 이는 예를 들어 재순환 회로가 가열 장치(43)의 일시적인 고장시에도 유지(비록 몇 몇 경우에 연료 가스(9)의 에너지 함량이 감소될 수는 있지만)될 수 있기 때문이다. 또한, 이러한 구성에서, 피드백 라인(44)내의 연료 가스(9)의 체적 유동은 어떠한 중간 부품에 의해서도 방해받지 않으며, 그에 따라 원활한 작동을 돕게 되고; 도 1 에 도시된 실시예에서, 유사하게, 피드백 라인(44)인 고장으로 인해 의도하지 않게 폐쇄되지 않는 한 재순환 회로는 가열 장치(43)의 고장시에도 유지될 수 있다.
팬(39)은 피드백 라인(44)에 연결되고 재순환 팬의 기능을 수행한다.
또한, 재순환된 연료 가스(9)의 유량을 조절하기 위한 제어 장치가 피드백 라인(44)내에 연결될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 폐열 증기 발생기는 다음과 같은 이점을 갖는다:
- 별도의 보조 증기 발생기가 필요치 않다.
- 시스템이 작동되지 않을 때에도 폐열 증기 발생기는 고온으로 유지될 수 있어, 어떠한 결빙 방지 장치도 필요치 않다.
- 작동중이 아닐 때에도 폐열 증기 발생기는 비교적 고압으로 유지될 수 있어, 시동이 잦은 경우에 두꺼운 벽을 갖는 부품의 온도 변화로 인한 응력 부하(stress load)를 상당히 감소시킬 수 있다.
- 증기 터빈을 위한 신선 증기 라인 및 그 증기 터빈 자체는 고온으로 유지될 수 있고 및/또는 가열될 수 있으며, 그에 따라 전체 설비에 대한 시동 시간을 상당히 감소시켜 배출 가스 방출을 상당히 감소시킬 수 있다.

Claims (11)

  1. 가스 및 증기 발전소를 위한 폐열 증기 발생기(1)로서, 가스 터빈(5)으로부터의 배출 가스(7)가 공급될 수 있는 폐열 보일러(3)를 포함하며, 서로 다른 압력 스테이지들과 각각 관련되고 상기 폐열 보일러(3)내에 배치되는 다수의 증발기(11, 13, 15)를 포함하여, 증기 터빈을 위한 작동 증기를 발생시키는 폐열 증기 발생기(1)로서, 상기 폐열 보일러(3)는 가열 장치(43)로부터 연료 가스(9)가 공급될 수 있고, 상기 연료 가스(9)를 피드백시키기 위한 피드백 라인(44)이 제공되며, 폐열 보일러(3)를 통한 가열 경로(52, 53)를 포함하는 순환 회로(50)가 형성되고, 상기 연료 가스(9)의 적어도 일부는 폐열 보일러(3)로부터 적어도 한 지점에서 추출될 수 있고 그리고 유입 개구부(4)를 통해 폐열 보일러(3)내로 다시 공급될 수 있으며, 상기 연료 가스(9)의 적어도 일부는 연료 가스(9)의 유동 방향을 따라 상기 폐열 보일러(3)의 배출 개구부(45) 하류에서 또는 상기 배출 개구부에서 상기 폐열 보일러(3)로부터 추출될 수 있는 폐열 증기 발생기에 있어서,
    상기 가열 장치(43)가 순환 회로(50)에 연결되는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 장치(43)는 연료 가스(9)의 유량 및 온도 중 하나 이상을 조절하기 위한 하나 이상의 제어 장치(37, 39, 41)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    가스 및 증기 발전소의 하나 이상의 증기 소비처를 위해 보조 증기(19)가 하나 이상의 증발기(11, 13, 15)로부터 추출될 수 있는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폐열 보일러(3)내의 가열, 고온 유지 및 압력 유지 중 하나 이상을 위해서 하나 이상의 증발기(11, 13, 15), 신선 증기 라인, 그리고 가스 및 증기 발전소내의 증기 터빈 중 하나 이상으로부터 보조 증기(19)가 추출될 수 있는 것을 특징으로 하는 폐열 증기 발생기.
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