KR101322148B1 - 전기 에너지를 발생시키기 위한 증기 발전 시설 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 생증기 라인(5)을 배출 증기 라인(6)과 유체공학적으로 연결하는 분기 파이프라인(12)을 구비한 증기 발전 시설(1)에 관한 것으로, 분기 파이프라인(12) 내에는 분기 증기 냉각기(20)가 배치된다. 상기 분기 증기 냉각기는 긴급 정지 시, 운전 시작 시 또는 운전 중단 시, 분기 파이프라인(12) 내로 유입되는 증기를 냉각하며, 그럼으로써 분기 파이프라인(12)을 위해 더 유리한 재료가 사용될 수 있다.

Description

전기 에너지를 발생시키기 위한 증기 발전 시설 {STEAM POWER PLANT FOR GENERATING ELECTRICAL ENERGY}
본 발명은, 증기 터빈과, 증기 발생기와, 응축기와, 증기 터빈을 증기 발생기와 유체공학적으로 서로 연결하는 생증기(live steam) 파이프라인과, 증기 터빈을 응축기와 유체공학적으로 서로 연결하는 배출 증기 파이프라인과, 생증기 파이프라인을 배출 증기 파이프라인과 유체공학적으로 서로 연결하는 분기 파이프라인을 포함하는, 전기 에너지를 발생시키기 위한 증기 발전 시설에 관한 것이다.
증기 발전 시설에서는 열 에너지가 기계 에너지로, 그리고 최종적으로는 전기 에너지로 변환되는데, 이때 증기 발생기에서 유래한 수증기가 예컨대 증기 터빈과 같은 팽창 기계로 유입되며, 상기 증기는 증기 터빈 내에서 팽창한다. 증기 터빈으로부터 배출되는 증기는 하류에 접속된 응축기 내에서 열 제거 처리를 통해 다시 액화된다. 응축기에서 생성되는 물은 공급수 펌프에 의해 다시 증기 발생기로 운반되며, 그럼으로써 폐쇄 회로가 형성된다.
운전 상태에서는 증기 발생기로부터 흘러나오는 증기가 증기 터빈 내로 유입되어 거기서 냉각되며, 이때 증기 압력은 감소한다. 증기 터빈으로부터 배출되는 증기는 응축기로 전달된다. 운전 시작 시, 운전 중단 시, 또는 증기 터빈 긴급 정지 시, 증기 터빈의 상류에 배치된 생증기 밸브가 닫히고 생증기는 분기 파이프라인을 통해 안내되며, 이때 분기 파이프라인은 증기 터빈의 배출 증기 파이프라인으로 통한다. 배출 증기 파이프라인은, 증기를 더 높은 온도로 가열하는 재열기(reheater)로 통하는 경우, 통상 저온 재열 라인이라 지칭된다. 증기 온도가 더 높을수록, 배관, 분기 스테이션, 응축기로의 분기 증기 분사 시스템에 드는 비용이 상승한다. 약 720℃로 증기 온도를 높이려는 시도들이 행해지고 있다. 그러한 높은 온도에 도달하려면 예컨대 니켈 기반 재료와 같은 특수 재료가 사용되어야 한다. 니켈 기반 재료들은 약 40 내지 50중량퍼센트의 니켈 함량을 가진 재료들이다. 물론 그러한 니켈 기반 재료들은 비교적 고가이다. 다른 측면에서, 니켈 기반 재료는 내열성이 우수하다.
니켈 기반 재료보다 더 유리한 재료를 사용할 수 있다면 바람직할 것이다. 이러한 점에서 본 발명의 과제는, 고온에 적합하며 비교적 유리하게 설계될 수 있는 증기 발전 시설을 제안하는 것이다.
상기 과제는, 증기 터빈과, 증기 발생기와, 응축기와, 증기 터빈을 증기 발생기와 유체공학적으로 서로 연결하는 생증기 파이프라인과, 증기 터빈을 응축기와 유체공학적으로 서로 연결하는 배출 증기 파이프라인과, 생증기 파이프라인을 배출 증기 파이프라인과 유체공학적으로 서로 연결하는 분기 파이프라인을 포함하는, 전기 에너지를 발생시키기 위한 증기 발전 시설에 의해 해결되며, 이때 분기 파이프라인 내에는 분기 파이프라인 내에서 흐르거나 정체하는 증기를 냉각하도록 설계된 분기 증기 냉각기가 제공된다.
분기 증기 냉각기를 이용하여 증기가 냉각됨으로써, 냉각부 하류에 위치한 구성 요소들은 니켈 기반 재료의 사용 없이 구성될 수 있다. 따라서, 분기 증기 냉각기의 후방에 배치된 파이프라인이 냉각되고, 이는 분기 파이프라인에 열 부하가 덜 가해지도록 한다. 열 부하가 더 낮아짐으로써 이제 고가의 니켈 기반 재료를 사용할 필요가 없어진다.
배출 증기 파이프라인이 재열기로 통하는 경우, 상기 배출 증기 파이프라인은 저온 재열 파이프라인이라고도 지칭된다. 재열기 내에서 증기는 더 높은 온도로 가열된다.
바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 제시된다.
분기 증기 냉각기 내에서의 증기 냉각은 응축물, 증기 또는 물과 증기의 혼합물과 같은 냉각 매체의 분사에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.
증기 발전 시설에서 응축물 또는 물과 증기의 혼합물의 사용은 비교적 수월한데, 그 이유는 이러한 냉각 매체들이 증기 발전 시설에 제공되기 때문이다. 그러므로 추가 파이프라인의 사용이 최소화된다.
바람직하게는 분기 증기 냉각기가 생증기 파이프라인으로부터 분기 파이프라인으로의 제1 분기점 바로 뒤에 배치된다. 즉, 분기 증기 냉각기는 제1 분기점 뒤에 최대한 가깝게 배치되는 것이 이상적이다. 이 경우, 고가의 니켈 기반 재료의 사용이 회피되므로 증기 발전 시설의 건설 비용이 더욱 절감될 수 있는 장점이 있다. 분기 증기 냉각기가 생증기 파이프라인으로부터 분기 파이프라인으로의 제1 분기점에 가까이 설치될수록, 제1 분기점과 분기 증기 냉각기 사이에 니켈 기반 재료가 더 적게 요구된다.
한 바람직한 개선예에서는, 냉각 매체가 증기와 완전히 혼합되는 방식으로 분기 증기 냉각기와 고압 분기 밸브 사이의 거리가 선택된다.
냉각 매체와 증기가 완전히 혼합되면 분기 파이프라인의 효과적인 냉각이 구현되며, 그 결과 분기 파이프라인을 위해 사용될 니켈 기반 재료가 절약될 수 있기 때문에 증기 발전 시설의 건설 비용이 더욱 절감된다. 하기에서는 도면들을 참고로 본 발명의 실시예들이 더 상세히 설명된다.
도면들은 정확한 축척에 따르지 않고 개략적으로 도시되었다.
도 1은 종래 기술에 따른 증기 발전 시설을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 증기 발전 시설을 도시한 도면이다.
상기 두 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 의미를 갖는다.
도 1에는 종래 기술에 따른 증기 발전 시설(1)이 도시되어 있다. 증기 발전 시설(1)은 증기 발생기(2), 증기 터빈(3) 및 응축기(4)를 포함하며, 증기 터빈(3)은 고압 부분 터빈(3a)과, 중압 부분 터빈(3b)과, 저압 부분 터빈(3c)을 포함한다. 또한, 증기 터빈(3)을 증기 발생기(2)에 유체공학적으로 서로 연결하는 생증기 파이프라인(5)이 제공된다. 증기 터빈(3)의 하류에는 증기 터빈(3)을 응축기(4)와 유체공학적으로 서로 연결하는 배출 증기 파이프라인(6)이 배치된다. 고압 부분 터빈(3a)과 응축기(4) 사이에 재열기(7)가 제공된다. 재열기(7) 내로 유입되는 증기는 더 높은 온도로 가열되어, 고온 재열 라인(8)을 거쳐 중압 부분 터빈(3b)으로 안내된다. 배출 증기 파이프라인(6)은 저온 재열 라인(9)이라고도 지칭될 수 있다. 증기 터빈(3)의 상류에는 긴급 정지 및 제어 밸브(10)가 배치된다. 중압 부분 터빈(3b)의 상류에도 마찬가지로 긴급 정지 및 제어 밸브(11)가 배치된다. 생증기 파이프라인(5)은 분기 파이프라인(12)을 통해 배출 증기 파이프라인(6) 또는 저온 재열 라인(9)과 유체공학적으로 연결된다. 분기 파이프라인(12) 내에는 고압 분기 밸브(13)가 배치된다.
고온 재열 라인(8)은 중압 분기 파이프라인(14)을 통해 응축기(4)와 유체공학적으로 서로 연결된다. 중압 분기 파이프라인(14) 내에는 중압 분기 밸브(17)가 배치된다. 증기 터빈(3)의 운전 시동 시, 운전 정지 시 또는 터빈 긴급 정지 시, 증기는 생증기 파이프라인(5)으로부터 분기 파이프라인(12)을 통해 저온 재열 파이프라인(9)으로 안내된다. 이를 위해, 긴급 정지 및 제어 밸브(10)가 닫히고 고압 분기 밸브(13)가 열린다. 분기 파이프라인(12) 내로 유입되는 생증기의 온도가 비교적 높은 경우, 저온 재열 파이프라인(9) 내로 유입되기 전에 냉각 유닛(16) 내에서 증기에 냉각 매체(15)가 분사된다. 이어서 상기 증기는 재열기(7)를 거쳐, 고온 재열 라인(8)과, 중압 분기 파이프라인(14)을 통해 응축기(4)로 안내된다. 이를 위해, 긴급 정지 및 제어 밸브(11)가 닫히고 중압 분기 밸브(17)가 열린다. 중압 분기 밸브(17)의 하류에서는, 응축기가 에너지량을 흡수할 수 있도록 하기 위해, 냉각 유닛(19) 내에서 재차 증기에 냉각 매체(18)가 분사된다. 증기의 온도 및 압력이 비교적 높기 때문에, 생증기 파이프라인(5), 분기 파이프라인(12), 저온 재열 라인(9) 및 중압 분기 파이프라인(14)은 재열기(7)의 온도와 압력에 맞추어 설계되어야 한다. 증기의 온도가 높을수록, 파이프라인들(5, 12, 9, 8, 1), 밸브들(17, 13) 및 냉각 유닛들(16, 19)에 드는 비용이 높아진다.
도 2에는 본 발명에 따른 증기 발전 시설(1)이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 증기 발전 시설(1)과의 차이는, 분기 파이프라인(12) 및 중압 분기 파이프라인(14) 내에 각각 분기 증기 냉각기(20) 및 중압 분기 증기 냉각기(21)가 배치된다는 점이다. 분기 증기 냉각기(20) 및 중압 분기 증기 냉각기(21)는 분기 파이프라인(12) 및 중압 분기 파이프라인(14) 내에 존재하는 유동 가능하거나 정체되어 있는 증기를 냉각하도록 설계된다. 유동하거나 정체되어 있는 증기로 분기 증기 냉각기(20) 및 중압 분기 증기 냉각기(21)를 이용하여 응축물, 증기 또는 물과 증기의 혼합물이 분사된다. 그럼으로써 유동하거나 정체되어 있는 증기의 온도가 낮추어진다. 따라서 증기에 공급된 냉각 매체(22)가 증기를 냉각한다. 분기 파이프라인(12) 및 중압 분기 파이프라인(14)으로의 냉각 매체(22)의 분사는 제1 분기점(23)에 최대한 가까운 곳에서, 그리고 제2 분기점(24)의 하류에서 실시되어야 한다. 예를 들어, 중압 분기 증기 냉각기(21)는 고온 재열 파이프라인(8)으로부터 중압 분기 파이프라인(14)으로의 제2 분기점(24) 바로 뒤에 배치될 수 있다. 분기 증기 냉각기(20)와 고압 분기 밸브(13) 사이의 거리는, 증기가 냉각 매체(22)와 완전히 혼합되도록 선택된다. 중압 분기 증기 냉각기(21)와 중압 분기 밸브(17) 사이의 거리도 마찬가지로 증기가 냉각 매체(22)와 완전히 혼합될 수 있도록 선택된다.
생증기 매개변수들이 적절한 값을 가질 경우, 냉각 유닛(16 또는 19)이 생략될 수도 있다. 이를 위해, 생증기 질량 흐름, 생증기 압력, 생증기 온도, 물 분사량 및 온도는 허용 가능한 값을 가져야 한다. 분기 증기 냉각기(20) 및 중압 분기 증기 냉각기(21)는 고압 분기 밸브(13) 및 중압 분기 밸브(17)가 열리자마자 가동된다. 그럼으로써, 냉각된 분기 파이프라인(25 또는 26) 내에서 허용 불가능한 온도 초과가 효과적으로 방지된다.
고압 분기 밸브(13)가 닫히자마자, 분기 증기 냉각기(20)의 상류의 온도가 파이프라인(25) 내에서의 허용 가능한 온도에 미달될 때까지 분기 증기 냉각기(20)가 작동된다. 냉각된 분기 파이프라인(25 및 26) 내에 배수구 또는 가열 라인이 배치되는 경우, 이들은 분기 증기 냉각기(20) 및 중압 분기 증기 냉각기(21)의 상류의 온도가 냉각된 파이프라인(25 또는 26) 내에서의 허용 가능한 온도에 미달될 때까지 계속 닫혀있어야 한다.

Claims (12)

  1. 증기 터빈(3)과, 증기 발생기(2)와, 응축기(4)와, 증기 터빈(3)을 증기 발생기(2)와 유체공학적으로 서로 연결하는 생증기 파이프라인(5)과, 증기 터빈(3)을 응축기(4)와 유체공학적으로 서로 연결하는 배출 증기 파이프라인(6)과, 생증기 파이프라인(5)을 배출 증기 파이프라인(6)과 유체공학적으로 서로 연결하는 분기 파이프라인(12)을 포함하는, 전기 에너지를 발생시키기 위한 증기 발전 시설(1)에 있어서,
    분기 파이프라인(12) 내에는 분기 파이프라인(12) 내에서 유동 가능한 증기를 냉각하도록 설계된 분기 증기 냉각기(20)가 제공되며,
    분기 증기 냉각기(20)는 생증기 파이프라인(5)으로부터 분기 파이프라인(12)으로의 제1 분기점(23) 바로 뒤에 배치되는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  2. 제1항에 있어서, 증기 터빈(3)은 고압 부분 터빈(3a)과, 중압 부분 터빈(3b)과, 저압 부분 터빈(3c)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  3. 제2항에 있어서, 상기 증기 발전 시설은 재열기(7)를 포함하며, 이때 고압 부분 터빈(3a)의 증기 배출구를 재열기(7)와 유체공학적으로 연결하는 저온 재열 파이프라인(9)이 제공되고, 저온 재열 파이프라인(9)은 배출 증기 파이프라인(6)의 일 부분이고, 분기 파이프라인(12)은 생증기 파이프라인(5)을 저온 재열 파이프라인(9)과 유체공학적으로 연결하는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 증기 발전 시설은 재열기(7)를 중압 부분 터빈(3b)의 입구와 유체공학적으로 연결하는 고온 재열 파이프라인(8)을 포함하며, 이때 고온 재열 파이프라인(8)을 응축기(4)와 유체공학적으로 연결하는 중압 분기 파이프라인(14)이 제공되고, 중압 분기 파이프라인(14) 내에는 중압 분기 파이프라인(14) 내에서 유동 가능한 증기를 냉각하도록 설계된 중압 분기 증기 냉각기(21)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 분기 파이프라인(12) 내에 고압 분기 밸브(13)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  6. 제4항에 있어서, 중압 분기 파이프라인(14) 내에 중압 분기 밸브(17)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 분기 증기 냉각기(20) 내에서의 증기 냉각은 응축물, 증기 또는 물과 증기의 혼합물과 같은 냉각 매체(22)의 분사에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  8. 제4항에 있어서, 중압 분기 증기 냉각기(21) 내에서의 증기 냉각은 응축물, 증기 또는 물과 증기의 혼합물과 같은 냉각 매체(22)의 분사에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  9. 삭제
  10. 제4항에 있어서, 중압 분기 증기 냉각기(21)는 고온 재열 파이프라인(8)으로부터 중압 분기 파이프라인(14)으로의 제2 분기점(24) 바로 뒤에 배치되는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  11. 제5항에 있어서, 분기 증기 냉각기(20)와 고압 분기 밸브(13) 사이의 거리는 냉각 매체(15)가 증기와 완전히 혼합될 수 있는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
  12. 제6항에 있어서, 중압 분기 증기 냉각기(21)와 중압 분기 밸브(17) 사이의 거리는 냉각 매체(22)가 증기와 완전히 혼합될 수 있는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는, 증기 발전 시설(1).
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