KR101280130B1

KR101280130B1 - 재열 보일러

Info

Publication number: KR101280130B1
Application number: KR1020117004050A
Authority: KR
Inventors: 준지 이마다; 이사오 우치다; 슈지 사토; 히데오 후쿠다
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2013-06-28
Also published as: CN102132095A; JP2010071513A; JP5148426B2; CN102132095B; US20110139092A1; WO2010032593A1; EP2325560A1; KR20110043710A; EP2325560A4; EP2325560B1

Abstract

재열로의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도에 관해서, 재열 버너의 가스 유동 패턴을 변화시켜 온도 분포의 언밸런스를 저감한 재열 보일러를 제공한다. 버너 (101) 의 연소에 의해 발생한 주연소 가스가 화로 (102) 로부터 과열기 (104) 및 증발관군 (105) 을 통과하여 흐르도록 구성된 주 보일러 (106) 와, 증발관군 (105) 의 후류측에 배치되어, 재열 버너 (107) 의 연소에 의해 재열 연소 가스를 발생시키는 재열로 (108) 와, 재열로 (108) 의 상부측에 배치된 재열기 (109) 를 구비하고 있는 재열 보일러 (10A) 로서, 재열로 (108) 와 재열기 (109) 사이를 연결하여 연소 가스 및 재열 연소 가스의 유로를 형성하는 재열로 출구부 (120) 에, 연소 가스의 유로 단면적을 좁히는 폐쇄판 (130) 을 설치하여 편류 방지부로 하였다.

Description

재열 보일러 {REHEAT BOILER}

본 발명은, 증발관군의 후류 (後流) 측에 재열로, 재열기를 설치하여, 재열로 출구 부근에서의 연소 가스의 가스 온도 언밸런스를 저감하는 재열 보일러에 관한 것이다.

종래, 선박용 보일러로서 과열기 (過熱器) 를 구비한 것이 채용되고 있다 (특허문헌 1 참조).

또한, 종래의 선박용 보일러에 있어서는, 연소 가스 후류측에 재열로와 재열기를 구비한 재열 보일러가 사용되고 있다.

종래의 선박용 재열 보일러에 관해서, 구성의 일례를 도 5 에 나타낸다.

도 5 는, 종래의 재열 보일러의 구성을 간략히 나타내는 개략도이다. 도 5 에 나타내는 바와 같이, 종래의 재열 보일러 (100) 는, 버너 (101), 화로 (102), 프론트 뱅크 튜브 (103), 과열기 (Superheater : SH) (104) 및 증발관군 (리어 뱅크 튜브) (105) 으로 이루어지는 주 (主) 보일러 (106) 와, 증발관군 (105) 의 후류측에 재열 버너 (107) 를 구비한 재열로 (108) 와, 배기 가스 출구측에 설치한 재열기 (109) 로 이루어진다.

버너 (101) 의 연소에 의해 발생한 연소 가스는, 화로 (102) 로부터 프론트 뱅크 튜브 (103), 과열기 (104) 및 증발관군 (105) 을 흘러서, 재열 버너 (107) 의 재열 연소 가스와 재열로 (108) 에서 혼합된 후, 재열기 (109) 와 열 교환을 실시하면서 흘러, 가스 출구 (110) 로부터 유출됨으로써 효율적으로 운전을 실시하도록 되어 있었다.

또한, 도 5 에 있어서, 도면 중의 부호 111 은 물 드럼, 112 는 증기 드럼, 113, 114 는 헤더, 115 는 월 튜브를 나타내고 있다.

일본 공개특허공보 2002-243106호

그런데, 종래의 선박용 재열 보일러 (100) 에서는, 재열 버너 (107) 가 재열로 (108) 의 앞벽측에만 설치되고, 재열로 (108) 의 뒷벽측에는 설치되어 있지 않다.

이 때문에, 예를 들어 도 6 에 나타내는 바와 같이, 재열로 (108) 의 출구측 (도 5 중 부호 B 부분) 에서는, 재열로 (108) 의 앞벽 (도 6 중 X) 측과 뒷벽 (도 6 중 Y) 측 사이에 있어서 연소 가스 온도에 수 백도의 온도차가 발생하는 경우가 있는 등, 연소 가스 온도에 발생하는 커다란 언밸런스가 문제가 된다. 이러한 연소 가스 온도의 언밸런스는, 주 보일러 (106) 로부터 유입되는 연소 가스와 재열 버너 (107) 의 재열 연소 가스 사이에 온도차가 있어, 연소 가스와 재열 연소 가스가 충분히 혼합되지 않기 때문인 것으로 생각된다.

재열로 (108) 의 출구측 (재열기 (109) 의 입구측) 에서의 연소 가스 온도의 언밸런스는, 즉, 연소 가스와 재열 연소 가스가 혼합된 혼합 연소 가스의 온도 분포에 발생하는 언밸런스는, 재열로 (108) 나 재열기 (109) 의 전열 성능을 저하시킴과 함께, 재열기 (109) 의 재열 튜브에 있어서의 고온 부식이나 서포트재의 강도 저하를 초래할 우려도 있어 바람직하지 못하다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 재열로의 출구측에서의 연소 가스의 가스 온도에 관해서, 재열로 내의 가스 유동 패턴을 변화시켜 온도 분포의 언밸런스를 저감한 재열 보일러를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이하의 수단을 채용하였다.

본 발명의 일 양태에 관련된 재열 보일러는, 버너의 연소에 의해 발생한 주연소 가스가 화로로부터 과열기 및 증발관군을 통과하여 흐르도록 구성된 주 보일러와, 상기 증발관군의 후류측에 배치되어, 재열 버너의 연소에 의해 재열 연소 가스를 발생시키는 재열로와, 그 재열로의 상부측에 배치된 재열기를 구비하고 있는 재열 보일러로서, 상기 재열로와 상기 재열기 사이를 연결하여 상기 연소 가스 및 상기 재열 연소 가스의 유로를 형성하는 재열로 출구부에, 연소 가스의 유로 단면적을 좁히는 편류 방지부를 형성한 것이다.

이러한 본 발명의 일 양태의 재열 보일러에 의하면, 재열로와 재열기 사이를 연결하여 혼합 연소 가스 (연소 가스 및 재열 연소 가스) 의 유로를 형성하는 재열로 출구부에 연소 가스의 유로 단면적을 좁히는 편류 방지부를 형성하였기 때문에, 편류 방지부를 통과하는 주연소 가스 및 재열 연소 가스의 흐름에 교란을 일으켜 혼합이 촉진된다.

상기 양태에 있어서, 상기 편류 방지부가 상기 재열로 출구부에 폐쇄판을 설치하여 형성되어 있는 것이 바람직하며, 이로써, 폐쇄판의 크기를 적절히 변경하여 유로 단면적의 개구율을 용이하게 조정할 수 있다.

이 경우의 폐쇄판에 대해서는, 복수 장으로 분할하여 각각 개별 착탈을 가능하게 한 것이 바람직하고, 이로써, 현지에서 착탈 장수를 변경하는 것에 의해서 유로 단면적의 개구율을 용이하게 조정할 수 있다.

상기 서술한 본 발명에 의하면, 혼합 연소 가스 (연소 가스 및 재열 연소 가스) 의 유로를 형성하는 재열로 출구부에 유로 단면적을 좁히는 편류 방지부를 형성하였기 때문에, 편류 방지부를 통과하는 주연소 가스 및 재열 연소 가스의 흐름에 교란을 일으킬 수 있다. 이러한 재열 연소 가스의 교란은 상이한 온도를 갖는 연소 가스 및 재열 연소 가스의 혼합을 촉진시키기 때문에, 편류 방지부의 하류측이 되는 재열로의 출구측 (재열기 입구) 에 있어서, 혼합 연소 가스의 온도 분포가 균일화되도록 언밸런스를 저감한 재열 보일러를 제공할 수 있다.

즉, 연소 가스 및 재열 연소 가스가 편류 방지부를 통과함으로써 연소 가스 및 재열 연소 가스의 유동 패턴을 변화시킬 수 있기 때문에, 가스 온도가 상이한 2 가지 연소 가스는 편류 방지부의 하류측에서 혼합되어, 온도 분포가 대략 균일화된 상태로 재열기에 유입된다.

따라서, 재열기 입구측에서의 연소 가스 온도의 언밸런스가 해소되기 때문에, 재열로나 재열기에 있어서는 전역을 유효하게 이용한 열 교환이 가능해진다. 이 때문에, 재열로나 재열기 전열의 성능 저하를 방지 또는 억제하여, 효율 좋은 재열 보일러를 제공할 수 있다. 또한, 재열기 입구측에서의 연소 가스 온도의 언밸런스가 해소되면, 재열기의 재열 튜브가 고온 부식되는 것이나, 고온에 의한 서포트재의 강도 저하에 관해서도 방지 또는 억제할 수 있게 되어, 재열 보일러의 내구성이나 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명에 관련된 재열 보일러의 일 실시형태를 나타내는 구성도이다.
도 2a 는 도 1 의 폐쇄판에 관련된 설치예를 나타내는 도면으로, 유로 단면적의 전후 (좌우) 에 한 쌍 설치한 예이다.
도 2b 는 도 1 의 폐쇄판에 관련된 설치예를 나타내는 도면으로, 유로 단면적의 앞 (왼쪽) 측에만 설치한 예이다.
도 2c 는 도 1 의 폐쇄판에 관련된 설치예를 나타내는 도면으로, 유로 단면적의 뒷 (오른쪽) 측에만 설치한 예이다.
도 3 은 유로 단면적의 개구율과 가스 온도비와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4 는 도 1 에 나타내는 폐쇄판의 변형예를 나타내는 요부 사시도이다.
도 5 는 종래의 재열 보일러에 관해서 구성의 일례를 나타내는 구성도이다.
도 6 은 재열로의 출구 부근에 있어서 혼합 연소 가스의 온도 분포를 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명에 관련된 재열 보일러에 관해서, 일 실시형태를 도 1 내지 도 3 에 기초하여 상세히 설명한다.

본 실시형태의 재열 보일러 (10A) 는, 도 5 에 나타내는 종래 구조의 재열 보일러 (100) 와 동일하게, 버너 (101) 의 연소에 의해 발생한 연소 가스가 화로 (102) 로부터 과열기 (104), 증발관군 (105) 을 통과하도록 구성된 주 보일러 (106) 와, 재열 버너 (107) 에서 연소 가스가 재연소되는 재열로 (108) 와, 재연소된 연소 가스가 재열기 (109) 를 통과하도록 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 재열 보일러 (10A) 에 있어서, 버너 (101) 의 연소에 의해 생성된 연소 가스는, 주 보일러 (106) 내에서, 화로 (102) 로부터 프론트 뱅크 튜브 (103), 과열기 (104) 및 증발관군 (105) 을 통과하여 흐른다. 이 후, 주 보일러 (106) 로부터 재열로 (108) 에 유입된 연소 가스는, 재열 버너 (107) 에서 생성된 재열 연소 가스와 함께 재열기 (109) 로 유출된다. 또한, 이하의 설명에서는, 주 보일러 (106) 로부터 유입된 연소 가스와 재열로 (108) 에서 생성된 재열 연소 가스가 혼합된 가스를 총칭하여, 즉, 재열로 (108) 및 그 후류측을 흐르는 가스를 「혼합 연소 가스」로 부르기로 한다.

주 보일러 (106) 로부터 유입된 연소 가스와 재열로 (108) 에서 생성된 재열 연소 가스가 합류된 혼합 연소 가스는, 재열로 (108) 와 재열기 (109) 사이를 연결하여 유로를 형성하는 재열로 출구부 (재열기 (109) 의 입구부이기도 하다) (120) 를 통과한다. 이 재열로 출구부 (120) 에는, 혼합 연소 가스의 유로 단면적을 좁히는 편류 방지부를 형성하기 위해서 폐쇄판 (130) 이 설치되어 있다.

이 폐쇄판 (130) 은, 주 보일러 (106) 로부터 유입되어 윗쪽을 향해 약 90 도의 방향 전환을 하는 연소 가스의 흐름과 재열로 (108) 의 하방에서 상승하는 재열 연소 가스의 흐름이 합류되어, 혼합 연소 가스의 흐름으로서 재열로 (108) 로부터 재열기 (109) 로 향하는 재열로 출구부 (120) 의 유로 단면적을 좁히는 것에 의해 급변시키고 있다. 즉, 고온의 혼합 연소 가스가 흐르는 고온 영역에 설치되는 폐쇄판 (130) 은, 혼합 연소 가스의 유로 단면적을 재열로 출구부 (120) 에서 좁혀, 유로 단면적을 일시적으로 급감시키는 기능을 갖고 있다.

유로 단면적을 좁히는 폐쇄판 (130) 의 설치예로는, 예를 들어 도 2 에 나타내는 것이 있다.

도 2a 에 나타내는 설치예에서는, 재열로 출구부 (120) 의 유로 단면적에 관해서, 전후 (앞벽측 및 뒷벽측) 또는 좌우 (왼쪽벽측 및 오른쪽벽측) 에 폐쇄판 (130) 을 설치하여, 유로를 부분적으로 막아서 유로 단면적을 급격히 감소시키고 있다.

도 2b, 도 2c 에 나타내는 설치예에서는, 재열로 출구부 (120) 의 유로 단면적에 관해서, 전후 (앞벽측 및 뒷벽측) 또는 좌우 (왼쪽벽측 및 오른쪽벽측) 의 어느 일방에 폐쇄판 (130) 을 설치하여, 유로를 부분적으로 막아 유로 단면적을 급격히 감소시키고 있다.

이러한 폐쇄판 (130) 을 설치함으로써, 재열로 (108) 와 재열기 (109) 사이를 연결하여 혼합 연소 가스 (연소 가스 및 재열 연소 가스) 의 유로를 형성하는 재열로 출구부 (120) 에서는, 유로 단면적이 급격히 감소하는 변화에 의해, 폐쇄판 (130) 을 통과하는 주연소 가스 및 재열 연소 가스의 흐름에 소용돌이 등의 교란을 일으키며 교반된다. 즉, 윗쪽을 향해 약 90 도의 방향 전환한 연소 가스의 흐름 및 윗쪽을 향해 상승하는 재열 연소 가스의 흐름은, 폐쇄판 (130) 에 대한 충돌, 유로 단면적의 축소에 의한 흐름 방향의 변화나 유속의 증가 등으로 인해 재열로 (108) 내의 유동 패턴이 변화되어 복잡해지기 때문에, 재열로 (108) 내에서의 연소 가스의 교반·혼합이 촉진된다.

이 결과, 상이한 온도를 갖는 혼합 연소 가스의 2 개의 흐름은, 폐쇄판 (130) 을 통과함으로써 전체가 대략 균일화된 온도의 흐름이 되어 재열기 (109) 로 유입된다.

도 3 은, 재열로 출구부 (120) 의 유로 단면적에 폐쇄판 (130) 을 설치한 경우의 개구율과 가스 온도비와의 관계를 나타내는 도면이다.

이 도면에 있어서, 가로축의 개구율은, 재열로 출구부 (120) 의 유로 단면적이 폐쇄판 (130) 에 의해 막히지 않고 남은 개구 면적의 비율로, 수치가 클수록 혼합 연소 가스의 유로가 되는 개구 면적은 커진다.

한편, 세로축의 가스 온도비는, 평균 가스 온도 (Tav) 를 기준으로 한 최고 가스 온도 (Tmax) 의 비로, 수치가 1 에 가까울수록 균일화된 온도가 된다. 즉, 가스 온도비가 큰 값이 되면 될수록 혼합 연소 가스의 최고 가스 온도와 평균 가스 온도의 차는 넓어져, 온도 언밸런스가 커지고 있다.

도 3 에 의하면, 개구율이 작을수록 가스 온도비는 1 에 가까워지고 있기 때문에, 커다란 폐쇄판 (130) 을 설치하여 유로 단면적을 좁힐수록 교반·혼합이 촉진되어, 혼합 연소 가스의 온도가 균일화된다. 그러나, 재열로 출구부 (120) 의 개구율이 작아지면, 혼합 연소 가스의 온도 언밸런스는 해소되는 반면, 혼합 연소 가스가 유로 단면적이 작은 재열로 출구부 (120) 를 통과할 때의 압력 손실은 커진다. 따라서, 재열로 출구부 (120) 의 개구율에 관해서는, 혼합 연소 가스의 온도 언밸런스 및 압력 손실을 고려하여, 가장 운전 효율이 좋아지도록 폐쇄판 (130) 의 크기 (유로의 봉쇄 면적) 를 변경하여 적절히 조정하면 된다. 바꾸어 말하면, 재열로 출구부 (120) 에 폐쇄판 (130) 을 설치하여 형성되는 편류 방지부를 채용함으로써, 폐쇄판 (130) 의 크기를 변경하여 유로 단면적의 개구율을 용이하게 조정할 수 있다.

그런데, 상기 서술한 폐쇄판 (130) 은, 예를 들어 상기 서술한 실시형태의 변형예로서 도 4 에 나타내는 폐쇄판 (130A) 과 같이, 재열로 출구부 (120) 를 통과하는 스택관군 (140) 위에 올려서 설치하는 구조가 바람직하다. 이 스택 (140) 은, 재열로 (108) 의 상부를 횡단하는 증발관 (스택) (141) 의 관군 (管群) 이다.

이러한 폐쇄판 (130A) 의 설치 구조를 채용하면, 혼합 연소 가스가 흐르는 고온 영역에 새로운 서포트 부재 (돌기 부재) 를 형성할 필요가 없다. 또한, 고온 영역에 설치되는 서포트 부재는, 고온의 환경에 견디는 소재를 사용할 필요가 있다.

또, 도 4 에 나타내는 폐쇄판 (130A) 은, 유로 단면적의 조정이 가능해지도록 복수로 분할되어 있다. 도시된 구성예에서는, 좌우 한 쌍의 폐쇄판 (130A) 이 각각 3 분할되어 있다. 즉, 1 개의 폐쇄판 (130A) 은, 3 개의 폐쇄판 부재 (131, 132, 133) 로 분할되어 있으며, 폐쇄판 부재 (131, 132, 133) 가 각각 개별적으로 착탈 가능하게 되어 있다.

이러한 구성으로 하면, 현지에서 착탈 장수를 변경하는 것에 의해 유로 단면적의 개구율을 용이하게 조정할 수 있다. 즉, 폐쇄판 부재 (131, 132, 133) 의 설치 수에 관해서는, 재열 보일러 (10A) 를 설치한 현지에서 연소 시험을 한 결과 (온도 언밸런스 레벨 등) 에 기초하여, 최적의 개구율이 되도록 용이하게 착탈하여 조정할 수 있다. 또, 폐쇄판 (130A) 의 분할 수에 관해서는 상기 서술한 3 분할에 한정되지는 않는다.

또한, 도시된 폐쇄판 (130A) 은, 출구측의 개구 면적이 서서히 확대되는 경사면이 된다. 이 때문에, 온도 분포가 균일화된 혼합 연소 가스는 재열기 (109) 안으로 스무스하게 확산되어, 재열기 (109) 의 내부 전역에 걸쳐서 대략 균일하게 통과하기 때문에, 재열기 (109) 에 있어서의 열 교환의 효율이 향상된다. 또, 재열기 (109) 의 열 교환 효율 향상은, 재열 보일러 (10A) 의 효율 향상에도 유효하다.

이와 같이, 상기 서술한 본 발명의 재열 보일러 (10A) 에 의하면, 혼합 연소 가스 (연소 가스 및 재열 연소 가스) 의 유로를 형성하는 재열로 출구부 (120) 에 유로 단면적을 좁히는 폐쇄판 (130) 을 설치하여 편류 방지부를 형성하였기 때문에, 이 편류 방지부를 통과하는 혼합 연소 가스의 흐름에 교란을 일으켜 혼합이 촉진되어, 편류 방지부의 하류측이 되는 재열로 (108) 의 출구측 (재열기 (109) 입구) 에서 온도 분포가 균일화되도록 온도 언밸런스가 저감된다. 즉, 혼합 연소 가스가 폐쇄판 (130) 을 설치하여 유로 단면적을 좁힌 편류 방지부를 통과함으로써, 혼합 연소 가스가 되는 연소 가스 및 재열 연소 가스의 유동 패턴을 변화시킬 수 있기 때문에, 가스 온도가 상이한 2 개의 연소 가스는 편류 방지부의 하류측에서 혼합되어, 온도 분포가 대략 균일화된 상태로 재열기 (109) 로 유입된다.

따라서, 재열기 (109) 의 입구측에서의 혼합 연소 가스 온도의 언밸런스가 해소되어, 재열로 (108) 나 재열기 (109) 의 전열 성능 저하를 방지 또는 억제하여 효율 좋은 재열 보일러 (10A) 를 제공할 수 있다.

그리고, 재열기 (109) 의 입구측에서의 연소 가스 온도의 언밸런스가 해소되면, 재열기 (109) 의 재열 튜브가 고온 부식되는 것을 방지 또는 억제할 수 있다. 또한, 재열기 (109) 의 입구측에서의 연소 가스 온도의 언밸런스가 해소되면 최고 가스 온도도 저하되기 때문에, 고온에 의한 서포트재의 강도 저하에 관해서도 방지 또는 억제할 수 있다. 이 결과, 재열 보일러 (10A) 는, 내구성이나 신뢰성이 향상하게 된다.

또한, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 적절히 변경할 수 있다.

10A … 재열 보일러
101 … 버너
102 … 화로
103 … 프론트 뱅크 튜브
104 … 과열기 (SH)
105 … 증발관군 (리어 뱅크 튜브)
106 … 주 보일러
107 … 재열 버너
108 … 재열로
109 … 재열기
110 … 가스 출구
111 … 물 드럼
112 … 증기 드럼
120 … 재열로 출구부
130, 130A … 폐쇄판
131, 132, 133 … 폐쇄판 부재
140 … 스택관군
141 … 증발관 (스택)

Claims

버너의 연소에 의해 발생한 주연소 가스가 화로로부터 과열기 및 증발관군을 통과하여 흐르도록 구성된 주 보일러와, 상기 증발관군의 후류측에 배치되어, 재열 버너의 연소에 의해 재열 연소 가스를 발생시키는 재열로와, 그 재열로의 상부측에 배치된 재열기를 구비하고 있는 재열 보일러로서,
상기 재열로와 상기 재열기 사이를 연결하여 상기 연소 가스 및 상기 재열 연소 가스의 유로를 형성하는 재열로 출구부에, 연소 가스의 유로 단면적을 좁히는 폐쇄판을 갖고, 상기 폐쇄판은, 상기 재열로 출구부의 앞벽측, 뒷벽측, 왼쪽벽측 또는 오른쪽벽측 중 적어도 어느 것에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 재열 보일러.
제 1 항에 있어서,
상기 폐쇄판을 복수 장으로 분할하여 각각 개별 착탈이 가능한 것을 특징으로 하는 재열 보일러.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 폐쇄판은, 상기 연소 가스 및 상기 재열 연소 가스의 출구측의 개구 면적이 서서히 확대되는 경사면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 재열 보일러.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 폐쇄판은, 상기 재열로 출구부를 통과하는 스택관군 위에 올려서 설치하는 것을 특징으로 하는 재열 보일러.