KR101390410B1 - 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수관식 이코너마이져의 본체에 스팀드럼 및 워터드럼을 상하에 설치함으로써, 이코노마이져의 작동효율을 향상시킬 수 있도록 한 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 전후 위치에 가스입구 및 가스출구가 형성된 중공형 몸체부와; 상기 몸체부의 상단에 결합되어 물과 증기를 수용하는 스팀드럼과; 상기 몸체부의 하부에 결합되어 물을 수용하는 워터드럼과; 워터드럼에서 스팀드럼으로 향하는 물과 스팀의 내부 흐름 경로로서 몸체부의 내부에 상하로 배열되어 외부를 흐르는 고온의 가스 흐름과 열교환하며 물을 증기화시키는 다수의 핀튜브와; 몸체부의 양측공간부에 상하로 배열되면서 스팀드럼과 워터드럼 간에 연결되어 스팀드럼에 스팀과 함께 수용되어 응축된 물을 워터드럼으로 재순환시키는 다운코머와; 몸체부의 다운코머가 설치된 양측공간부와 연소가스가 흐르는 안쪽공간을 구분하는 벽체로서 연소가스의 밀봉 케이싱을 위한 월튜브 판넬로 구성된것을 특징으로 하는 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져를 제공한다.

Description

폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져{Pin tube economizer used in waste heat recovery boiler}

본 발명은 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수관식 이코너마이져의 본체에 스팀드럼 및 워터드럼을 상하에 설치함으로써, 이코노마이져의 작동 효율을 향상시킬 수 있도록 한 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져에 관한 것이다.

일반적으로 선박의 항해를 위한 엔진 연료(예를 들면, 디젤유)는 그 에너지 중 대부분의 에너지를 메인 엔진에서 소비하고, 메인 엔진의 구동 시 소모되는 연료의 25% 정도는 고열의 배기가스인 폐기가스로 대기 중에 그대로 버려지는 실정에 있다.

이에 따라, 외부로 배출되는 고열의 배기가스로부터 폐열을 회수하려는 여러 시스템이 적용되고 있으며, 폐열회수용 보일러를 포함하는 복합발전 시스템이 그 중 하나이다.

잘 알려진 바와 같이, 복합발전 시스템은 연료를 연소시키고 가스터빈을 구동하여 전력을 발생시킴에 따라 고온의 폐연소가스를 발생시키는 바, 이러한 폐연소가스를 다시 이용하기 위해 폐열회수 보일러에서 폐열을 회수하고, 회수된 폐열을 이용하여 물을 고온 고압의 증기로 바꾼 후, 이 증기로 다시 증기터빈을 구동하여 전력을 얻을 수 있다.

즉, 복합발전 시스템은 가스터빈 시스템과 폐열회수 보일러 시스템과 증기터빈 시스템이 복합되어 있는 시스템으로서, 그 중 폐열회수 보일러 시스템은 급수된 물을 가열하여 포화수로 만드는 이코너마이져와, 포화수를 가열하여 포화증기로 만드는 증발기와, 포화증기를 고온 고압의 증기로 만드는 과열기와, 고압터빈에서 나온 증기를 다시 가열하는 재열기로 구성되어 있다.

상기 이코너마이져는 주기관에서 배출되는 연소가스의 남은 열을 이용하여 보일러에서 공급되는 급수를 예열하여 폐열회수 보일러 시스템의 효율을 상승시킬 수 있는 수단으로서, 현재 상용화되고 있는 이코너마이져는 튜브의 내부를 흐르는 유체의 종류에 따라서 수관식과 연관식으로 구분하여 사용되고 있다.

그런데 연관식 이코너마이져의 경우에는 수관식에 비하여 설계되는 이코너마이져의 크기 및 중량이 많이 나가기 때문에 설치함에 있어 공간상의 제약을 많이 받는 문제점이 있다.

반면에, 수관식 이코너마이져의 경우에는 본체 자체에 스팀 및 워터 드럼을 갖고 있지 않아서, 별도로 외부 위치에 스팀드럼 및 워터드럼을 설치해야 하고, 별도의 워터 순환시스템이 요구됨에 따라 제작 비용이 고가인 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 수관식 이코너마이져 본체의 상하에 스팀드럼 및 워터드럼을 각각 설치하고, 이코너마이져의 증발부의 수관부를 종래의 튜브 타입에서 면확장 요소가 부착된 핀 튜브 타입으로 개선함으로써, 컴팩트한 이코노마이져를 구현하는 동시에 제작원가를 줄일 수 있고, 전열면적의 극대화로 이코너마이져의 작동 효율을 향상시킬 수 있도록 한 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전후 위치에 가스입구 및 가스출구가 형성된 원통형 몸체부와, 일측에 스팀 배출구가 형성된 드럼 구조로서 몸체부의 상단에 결합되어 물과 증기를 수용하는 스팀드럼과, 일측에 물 공급구가 형성된 드럼 구조로서 몸체부의 하부에 결합되어 물을 수용하는 워터드럼과, 워터드럼에서 스팀드럼으로 향하는 물과 스팀의 내부 흐름 경로로서 몸체부의 내부에 상하로 배열되어 외부를 흐르는 고온의 가스 흐름과 열교환하며 물을 증기화시키는 다수의 핀튜브와, 몸체부의 양측공간부에 상하로 배열되면서 스팀드럼과 워터드럼 간에 연결되어 스팀드럼에 스팀과 함께 수용되어 응축된 물을 워터드럼으로 재순환시키는 다운코머와, 몸체부의 다운코머가 설치된 양측공간부와 연소가스가 흐르는 안쪽공간을 구분하는 벽체로서 연소가스의 밀봉 케이싱을 위한 월튜브 판넬로 구성된 것을 특징으로 하는 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져를 제공한다.

본 발명에서, 상기 월튜브 판넬은, 환형 형상을 가지는 복수개의 원형튜브와, 상기 각 원형튜브 사이에 위치하며 일단은 하나의 원형튜브와 일체로 형성되고 타단은 인접된 다른 원형튜브와 일체로 형성되는 평판벽체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 핀튜브는, 내부를 흐르는 물을 스팀화시키기 위한 증발관으로서 폐열가스의 열을 내부로 전달하기 위하여 외주면에 방사형으로 돌출되어 육각형 모양을 이루는 다수개의 열전달 핀이 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 핀튜브의 핀은 열전달이 우수한 재질로서 0.01% 내지 0.08%의 탄소를 함유하는 저탄소강의 재질로 만들어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스팀드럼을 지지할 수 있도록 스팀드럼의 저면과 워터드럼의 상면 간에는 다수개의 스테이 바가 연결된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 과제 해결 수단을 통하여 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 수관식 이코너마이져의 몸체부 상하에 스팀드럼 및 워터드럼을 직접 설치함으로써, 컴팩트한 이코노마이져를 구현할 수 있고, 그에 따른 제작원가를 절감할 수 있다.

둘째, 이코너마이져의 증발관(물이 스팀화되도록 흐르는 관)을 종래의 튜브 타입에서 면확장 요소인 다수의 열전달 핀이 부착된 핀 튜브 타입으로 변경함으로써, 전열면적의 극대화로 이코너마이져의 작동효율을 향상시킬 수 있다.
셋째, 스팀드럼과 워터드럼 간에는 스테이 바가 설치되어 있으므로 스팀드럼의 하중이 핀튜브에 집중되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져를 나타내는 횡단면도.
도 2는 본 발명에 따른 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져를 나타내는 종단면도.
도 3은 본 발명에 따른 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져의 월튜브 판넬을 나타내는 확대도.
도 4는 본 발명에 따른 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져의 핀튜브 배열 관계를 나타내는 개략도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져의 작동 관계를 설명하는 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 가스터빈 시스템과 폐열회수 보일러 시스템과 증기터빈 시스템이 복합되어 있는 복합발전 시스템의 구성 중 폐열회수 보일러 시스템의 이코노마이져를 개선한 것으로서, 이코너마이져의 몸체부 상하에 스팀드럼 및 워터드럼을 직접 설치한 점, 그리고 이코너마이져의 증발관인 튜브를 면확장 요소인 다수개의 열전달 핀이 부착된 핀 튜브 타입으로 개선한 점에 특징이 있다.

본 발명의 핀튜브 이코노마이져는 전후 위치에 가스입구(12) 및 가스출구(14)가 각각 형성되고, 일측에 내부 점검용 도어(18)가 형성된 중공형 몸체부(10)를 골격으로 하고, 이 몸체부(10)의 상단 및 하단에 핀튜브에 의하여 서로 연통되는 스팀드럼(20)과 워터드럼(30)이 각각 일체로 탑재된다.
상기 가스입구(12)와 상기 가스출구(14)는, 가로 방향으로 배치된 제1 중심축(C1)을 따라 서로 마주하도록 배치되어 있으며, 상기 고온의 가스가 상기 제1 중심축(C1)을 따라 가로 방향으로 흐를 수 있도록 상기 몸체부(10)의 전후 위치에 각각 배치되어 있다.

상기 스팀드럼(20)은 스팀 배출구(미도시됨)가 형성된 원통형 드럼 구조로서, 몸체부(10)의 상단에 결합되어 워터드럼(30)에서 공급되어 스팀화된 증기 및 미처 증기화되지 않은 응축수를 수용하는 역할을 한다.

상기 워터드럼(30)은 물 공급구(미도시됨)가 형성된 원통형 드럼 구조로서, 몸체부(10)의 하부에 결합되어 물 공급구로부터 공급된 물을 저장하였다가 스팀드럼(20)쪽으로 보내는 역할을 한다.

본 발명에 따르면, 상기 스팀드럼(20)과 워터드럼(30)은 일종의 증발관으로서, 면확장 요소인 다수개의 열전달 핀(42)이 부착된 핀 튜브(40)에 의하여 서로 연통되는 상태가 된다.
본 실시예에서 상기 스팀드럼(20)의 저면과 워터드럼(30)의 상면은, 각각 평면으로 이루어져 있다.

즉, 상기 핀튜브(40)는 워터드럼(30)에서 스팀드럼(20)으로 향하는 물과 스팀의 내부 흐름 경로로서, 상하로 길게 연장되어 있는 관이며, 몸체부(10)의 내부에 배열되면서 스팀드럼(20)과 워터드럼(30) 간에 상호 연통 가능하게 연결되고, 몸체부(10)의 내부를 흐르되 핀튜브(40)의 외부를 흐르는 고온의 가스 흐름과 열교환하며 물을 증기화시키는 기능을 한다.
상기 핀튜브(40)들은 상기 몸체부(10)의 안쪽공간에 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 배열되어 있다.

특히, 상기 핀튜브(40)는 내부를 흐르는 물을 스팀화시키기 위한 증발관의 역할을 용이하게 수행할 수 있도록 폐열가스의 열을 내부로 전달하기 위하여 외주면에 방사형으로 돌출되어 육각형 모양을 이루는 다수개의 열전달 핀(42)이 일체로 형성된다.

보다 상세하게는, 상기 핀튜브(40)의 외경면에는 그 둘레방향을 따라 다수개의 열전달 핀(42)이 등간격을 이루며 일체로 형성되는 바, 이렇게 일체로 형성된 열전달 핀(42)의 끝단은 육각형의 꼭지점을 이루게 되고, 동시에 핀튜브(40)의 전체 상하 길이방향을 따라 하나의 셋트를 이루는 열전달 핀(42)이 등간격을 이루며 일체로 형성된다.

바람직하게는, 상기 핀튜브(40)의 열전달 핀(42)은 열전달이 우수한 재질로서 0.01% 내지 0.08%의 탄소를 함유하는 저탄소강의 재질로 만들어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 스팀드럼(20)의 하중이 핀튜브(40)에 집중되는 것을 방지하기 위한 수단으로서, 다수의 스테이 바(16)가 몸체부(10)의 내부에 상하로 배열 설치되는데, 각 스테이 바(16)는 다수의 핀튜브(40) 사이공간에 배열되는 동시에 상단끝은 스팀드럼(20)의 저면에 일체로 결합되고 하단끝은 워터드럼(30)의 상면에 일체로 결합되므로써, 스팀드럼(20)이 스테이 바(16)에 지지되어 스팀드럼(20)의 하중이 핀튜브(40)에 집중되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 스테이 바(16)는, 상하로 길게 연장된 부재로서, 상기 스팀드럼(20)의 저면과 상기 워터드럼(30)의 상면을 서로 연결함으로써, 상기 스팀드럼(20)의 하중을 지지한다.

또한, 상기 몸체부(10)의 외부 양측공간부에는 스팀드럼(20)에서 응축된 물을 워터드럼(30)으로 다시 재순환시키는 다운코머(50)가 설치된다. 상기 다운코머(50)는 상하로 길게 연장된 관이다.

즉, 상기 몸체부(10)의 외부 양측공간부에는 스팀드럼(20)과 워터드럼(30)을 상호 연통시키는 일종의 재순환 튜브관인 다운코머(50)가 장착된다. 상기 다운코머(50)는 도 2에 도시된 바와 같이 상기 몸체부(10)의 양측공간부에 배열되어 외부로 노출되어 있다.

따라서, 워터드럼(30)에서 공급된 물이 핀튜브(40)를 경유하여 스팀화되면서 스팀드럼(20)으로 들어갈 때, 미처 증기화되지 않은 응축된 물이 스팀드럼(20)에 함께 들어가게 되는 바, 이 응축된 물은 다운코머(50)를 통하여 워터드럼(30)으로 낙하되며 재순환 저장된다.

한편, 상기 다운코머(50)가 설치된 상기 몸체부(10)의 외부 양측공간부와, 연소가스가 흐르는 안쪽공간(핀튜브(40)들이 배열된 공간)을 구분하는 벽체로서, 연소가스의 밀봉 케이싱을 위한 월튜브 판넬(60)이 장착되는 바, 이 월튜브 판넬(60)은 환형 형상을 가지는 복수개의 원형튜브(62)와, 각 원형튜브(62) 사이에 위치하면서 일단은 하나의 원형튜브(62)와 일체로 형성되고, 타단은 인접된 다른 원형튜브(62)와 일체로 형성되는 평판벽체(64)로 구성된다.

따라서, 상기 월튜브 판넬(60)은 다운코머(50)가 설치된 공간과 핀튜브(40)들이 설치된 공간을 구분하는 동시에 고열의 연소가스인 배기가스가 외부로 누출되지 않게 하는 밀봉 역할을 하게 된다.
즉, 상기 월튜브 판넬(60)은, 상기 제1 중심축(C1)과 나란하며 상기 제1 중심축(C1)을 중심으로 서로 이격되어 있는 한 쌍의 제2 중심축(C2)을 따라 직선적으로 배열됨으로써, 상기 몸체부(10)의 일부가 되며, 상기 몸체부(10)의 안쪽공간을 밀봉하여 연소가스가 외부로 누출되지 않도록 한다.

이와 같이 구성된 폐열회수 보일러의 핀튜브 이코너마이져의 작동을 설명하면 다음과 같다.

발전설비의 가스터빈이 연료의 연소에 의하여 발생된 고온 고압의 연소가스에 의해 회동되고, 터빈을 회동시킨 연소가스는 가스터빈 외부로 방출되는데, 이렇게 외부로 방출되는 고온의 연소가스는 상기 몸체부(10)의 가스입구(12)로 들어가게 된다.

이때, 상기 워터드럼(30)에는 물 공급구를 통해 공급된 물이 채워진 상태이며 워터드럼(30)과 스팀드럼(20) 간에 연결된 각 핀튜브(40)의 내부에는 물이 채워진 상태가 된다.

따라서, 상기 몸체부(10)의 가스입구(12)를 통해 들어간 고온의 연소가스가 각 핀튜브(40)를 지나서 몸체부(10)의 가스출구(14)를 통해 배출되는데, 각 핀튜브(40)를 지날 때 그 내부의 물과 열교환이 이루어지게 된다.

즉, 고온의 연소가스가 핀튜브(40)의 외경에 일체로 형성된 다수개의 열전달 핀(42)에 닿음에 따라 핀튜브(40)에 열을 전달되는 동시에 그 내부의 물까지 열이 전달됨으로써, 핀튜브(40)의 내부에 채워진 물이 스팀(증기)화되어 스팀드럼(20)쪽으로 흐르게 된다.

연이어, 상기 스팀드럼(20)쪽으로 흐른 스팀은 스팀드럼(20)의 스팀 배출구를 통하여 사용처(예를 들면, 엔진 히팅장치, 발전설비의 가스터빈 등)로 공급된다.

이때, 상기 스팀드럼(20) 내에는 스팀화된 증기 뿐만아니라 미처 증기화되지 않은 응축수도 수용된 상태인 바, 상기와 같이 스팀드럼(20)내의 응축수는 다운코머(50)를 통하여 워터드럼(30)으로 낙하되며 재순환된다.

10 : 몸체부 12 : 가스입구
14 : 가스출구 16 : 스테이 바
20 : 스팀드럼 30 : 워터드럼
40 : 핀튜브 42 : 열전달 핀
50 : 다운코머 60 : 월튜브 판넬
62 : 원형튜브 64 : 평판벽체

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 전후 위치에 가스입구(12) 및 가스출구(14)가 형성된 중공형 몸체부(10)와, 일측에 스팀 배출구가 형성된 드럼 구조로서 몸체부(10)의 상단에 결합되어 물과 증기를 수용하는 스팀드럼(20)과, 일측에 물 공급구가 형성된 드럼 구조로서 몸체부(10)의 하부에 결합되어 물을 수용하는 워터드럼(30)과, 워터드럼(30)에서 스팀드럼(20)으로 향하는 물과 스팀의 내부 흐름 경로로서 상하로 길게 연장되어 있으며, 외부를 흐르는 고온의 가스 흐름과 열교환하며 물을 증기화시키는 다수의 핀튜브(40)와, 상하로 길게 연장된 부재로서 스팀드럼(20)과 워터드럼(30) 간에 연결되어 스팀드럼(20)에 스팀과 함께 수용되어 응축된 물을 워터드럼(30)으로 재순환시키는 다운코머(50)와, 몸체부(10)의 외부 양측공간부와 연소가스가 흐르는 안쪽공간을 구분하는 벽체인 월튜브 판넬(60)을 포함하는 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져에 있어서,
   상기 월튜브 판넬(60)은, 환형 형상을 가지는 복수개의 원형튜브(62)와, 상기 각 원형튜브(62) 사이에 위치하며 일단은 하나의 원형튜브(62)와 일체로 형성되고 타단은 인접된 다른 원형튜브(62)와 일체로 형성되는 평판벽체(64)로 이루어지며;
   상기 핀튜브(40)는, 내부를 흐르는 물을 스팀화시키기 위한 증발관으로서 폐열가스의 열을 내부로 전달하기 위하여 외주면에 방사형으로 돌출되어 육각형 모양을 이루는 다수개의 열전달 핀(42)이 일체로 형성되고;
   상기 스팀드럼(20)의 저면과 워터드럼(30)의 상면은, 각각 평면으로 이루어져 있으며,
   상하로 길게 연장된 부재로서, 상기 스팀드럼(20)의 저면과 상기 워터드럼(30)의 상면을 서로 연결함으로써, 상기 스팀드럼(20)의 하중을 지지하는 다수개의 스테이 바(16)가 배열 설치되어 있으며,
   상기 가스입구(12)와 상기 가스출구(14)는, 가로 방향으로 배치된 제1 중심축(C1)을 따라 서로 마주하도록 배치되어 있으며, 상기 고온의 가스가 상기 제1 중심축(C1)을 따라 가로 방향으로 흐를 수 있도록 상기 몸체부(10)의 전후 위치에 각각 배치되어 있으며,
   상기 월튜브 판넬(60)은, 상기 제1 중심축(C1)과 나란하며 상기 제1 중심축(C1)을 중심으로 서로 이격되어 있는 한 쌍의 제2 중심축(C2)을 따라 직선적으로 배열됨으로써, 상기 몸체부(10)의 일부가 되며, 상기 몸체부(10)의 안쪽공간을 밀봉하여 연소가스가 외부로 누출되지 않도록 하며,
   상기 핀튜브(40)들은 상기 몸체부(10)의 안쪽공간에 미리 정한 간격만큼 이격된 상태로 배열되어 있으며,
   상기 다운코머(50)는 상기 몸체부(10)의 외부 양측공간부에 배열되어 외부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 폐열회수 보일러용 핀튜브 이코노마이져.

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