KR101393086B1 - 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

열간 압연 시 고온의 스트립 냉각에 사용된 라미나 플로우의 냉각수를 소수력 발전에 이용할 수 있는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온의 스트립을 향하여 냉각수를 분사하는 라미나 플로우(Laminar Flow)와, 스트립 냉각 후 냉각수가 보관되는 워터 핏(Water Pit)을 포함하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치로서, 워터 핏의 하방으로 연결되어, 워터 핏에 보관된 냉각수를 외부로 공급하는 냉각수 발전 공급라인과, 냉각수 발전 공급라인을 통해 하방으로 공급된 냉각수의 난류(turbulence)성을 내부 유동 조절을 통해 층류(laminar)성으로 변경하여 냉각수를 분사하는 냉각수 유동 조절라인 및, 냉각수 유동 조절라인으로부터 분사되는 냉각수의 유체 에너지에 의해 회전 구동하여 전력을 생성하는 워터 터빈(Water Turbine)을 포함하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치를 제공한다.

Description

열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치{ELECTRICITY GENERATING APPARATUS USING COOLING WATER OF HOT ROLLING SYSTEM}

본 발명은 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열간 압연 시 고온의 스트립 냉각에 사용된 라미나 플로우의 냉각수를 다시 전력 생산에 이용하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치에 관한 기술이다.

열간 압연 시, 고온의 스트립은 런 아웃 테이블(Run Out Table, ROT)을 통과하면서, 그 상부에 배치된 라미나 플로우(Laminar Flow)의 냉각수 분사 작용에 의해 냉각 처리된다. 이 과정에서, 고온의 스트립은 냉각되면서 상변태가 일어나게 되며 목표로 하는 기계적 성질을 확보하게 된다.

도 1은 본 발명의 배경 기술로서 종래의 라미나 플로우를 이용한 냉각 설비를 간략히 도시한 도면이다.

열간 압연 공정을 통해 형성된 고온의 스트립(S)은 도시된 바와 같이 런 아웃 테이블을 통과하면서 이의 상부에 배치된 라미나 플로우(1)에 의해 냉각된다.

이때, 스트립(S)의 냉각에는 대량의 냉각수(즉, 물)(W)가 사용된다. 스트립(S)의 냉각 작용에 사용된 냉각수(W)는 하측에 마련된 저장조인 워터 핏(Water Pit)(3)에 수용된다.

이후, 워터 핏(3)에 수용된 냉각수(W)는 펌프(7)의 가동에 의해 냉각수 순환 배관(5)을 따라 다시 라미나 플로우(1)의 노즐 입구 쪽으로 공급되며, 재차 스트립(S)의 냉각에 이용된다.

한편, 냉각수 순환 배관(5) 상에는 별도의 냉각수 공급 설비(예: 저장 탱크 등)(9)가 구비될 수 있으며, 앞서 스트립(S)의 냉각 시 냉각수에 함유된 스케일(S) 및 냉각수 온도 조절이 이루어질 수 있다.

그런데 이와 같이 라미나 플로우(1)의 노즐 출구를 통해 분사되어 스트립(S)을 냉각시키는 데 사용되는 냉각수는 양이 엄청난 양임에도 불구하고, 대량의 냉각수 유동에 따른 유체 에너지를 활용하여 전력을 생산하는 등의 에너지 절감을 고려한 기술 개발의 움직임은 현재까지는 전무한 실정이다.

그 이유로서, 고온의 스트립(S)과 직접적인 접촉을 통해 스트립을 냉각시킨 이후의 냉각수에는 다량의 스케일(Scale)이 함유되어 있으며, 그 온도 상태가 고온이라는 점을 들 수 있다.

따라서 친환경 및 에너지 재활용 측면을 고려하여, 열간 압연 중 스케일(S)의 냉각에 사용된 후 워터 핏(3)에 보관된 대량의 냉각수의 유동에 따른 유체 에너지를 이용하여 소수력 발전을 구현할 수 있는 기술 개발에 대한 필요성이 요구된다.

본 발명은 열간 압연 시 라미나 플로우를 통해 분사되어 스트립의 냉각에 사용된 대량의 냉각수를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치를 제공한다.

또한, 스트립의 냉각에 사용된 냉각수에는 다량의 스케일이 함유되어 있는 점, 그리고 높은 온도 상태라는 점을 고려하여, 발전에 이용되는 워터 터빈의 재질 및 표면 처리 특성을 개선한 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치를 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 스트립으로 냉각수를 분사하는 라미나 플로우(Laminar Flow)와, 스트립 냉각 후의 냉각수가 보관되는 워터 핏(Water Pit)을 포함하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치로서, 상기 워터 핏의 하방으로 연결되어, 상기 워터 핏에 보관된 냉각수를 외부로 공급하는 냉각수 발전 공급라인; 상기 냉각수 발전 공급라인을 통해 하방으로 공급된 냉각수의 난류(turbulence)성을 내부 유동 조절을 통해 층류(laminar)성으로 변경하여 냉각수를 분사하는 냉각수 유동 조절라인; 및 상기 냉각수 유동 조절라인으로부터 분사되는 냉각수의 유체 에너지에 의해 회전 구동하여 전력을 생성하는 워터 터빈(Water Turbine);을 포함하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치를 제공한다.

이때, 상기 냉각수 발전 공급라인은, 입측은 상기 워터 핏의 하단 벽면을 통해 연결되며, 출구는 상기 워터 핏의 바닥면보다 더욱 하방으로 경사진 위치상에 형성되도록 연결되는 배관 부재를 이용할 수 있다.

또한, 상기 냉각수 유동 조절라인은, 상기 냉각수 발전 공급라인의 출구에 연결되는 배관 헤더(Header); 상기 헤드로부터 수평 방향으로 직렬 연결되어 상기 헤더를 통해 유입된 냉각수를 난류 특성에서 층류 특성으로 변경해주는 수평 배관; 및 상기 수평 배관의 출구에 연결되어 상기 워터 터빈을 향해 냉각수를 분사하는 노즐;을 포함한다.

여기서, 상기 워터 터빈에서, 상기 냉각수 유동 조절라인으로부터 분사되는 냉각수와 직접 접촉하여 회전하는 러너(Runner)의 재질은 내열 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 재질의 선정은 고온의 스트립을 냉각한 후 냉각수의 온도 상태가 고온임을 감안하여 장치의 내구성을 향상시키기 위한 것이다.

그리고 상기 워터 터빈에서, 상기 냉각수 유동 조절라인으로부터 분사되는 냉각수와 직접 접촉하여 회전하는 러너(Runner)의 표면에는 하드 페이싱(Hard-facing) 처리가 이루어질 수 있다. 이러한 표면 처리는 스트립 냉각 후 냉각수 내에 다량의 스케일(Scale)이 함유될 수 있는 점을 감안하여 스케일과의 충돌 시 러너의 손상 및 파손을 방지하기 위한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 열간 압연 시 라미나 플로우를 통해 분사된 후 스트립의 냉각에 사용된 대량의 냉각수 유동에 따른 유체 에너지를 전력 생산에 이용할 수 있다.

특히, 스트립의 냉각에 사용된 이후의 냉각수에는 다량의 스케일이 함유되어 있으며, 고온의 온도 상태를 가진다는 점을 감안하여, 워터 터빈은 내열강(예: SCM440)으로 하며, 냉각수와 직접적으로 접촉되는 러너(Runner)의 접촉면에는 하드 페이싱(Hard-Facing) 처리를 하여 발전 장치의 내구성을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 배경 기술로서 종래의 라미나 플로우를 이용한 스트립 냉각 설비를 간략히 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치를 라미나 플로우를 이용한 스트립 냉각 설비에 적용한 모습을 간략히 도시한 전체 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치의 워터 터빈을 확대 도시한 일부 구성도.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치(이하, 간략히 '소수력 발전 장치'라 지칭함)에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치를 라미나 플로우를 이용한 스트립 냉각 설비에 적용한 모습을 간략히 도시한 전체 구성도이다.

도 2를 참조하면, 도시된 소수력 발전 장치(100)는 워터 핏으로부터 냉각수를 인출시켜 하향 유동시키는 냉각수 발전 공급라인(110)과, 상기 냉각수 발전 공급라인을 통해 하향 유동된 냉각수를 수평 방향으로 유동시켜 발전을 위한 냉각수 특성을 개선하는 냉각수 유동 조절라인(120)과, 상기 냉각수 유동 조절라인을 통해 분사되는 냉각수의 유체 에너지를 이용하여 전력을 생성하는 워터 터빈(130)을 포함한다.

이에 추가적으로 도2에 도시된 바와 같이, 워터 터빈(130)으로부터 생성된 전력을 저장하여 열간 압연 공정 또는 상용에 필요한 전력 형태로 조절해주는 전력 공급부(140)를 더 구비할 수 있다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치(100)에 관하여 설명하기에 앞서, 라미나 플로우(1)를 이용하여 고온의 스트립(S)이 냉각되는 과정 및 냉각 후의 냉각수가 순환하여 재차 라미나 플로우(1)로 공급되는 과정에 관하여 간략히 살펴보기로 한다.

도 2에 도시된 전체 구성에는 열간 압연 시 고온의 스트립(S)이 냉각되는 설비가 간략히 개시되어 있다.

특히, 고온의 스트립(S)이 런 아웃 테이블을 통해 라미나 플로우(1) 하측으로 진입되면, 라미나 플로우(1)에서는 대량의 냉각수(W)를 하방으로 분사하고, 스트립(S)은 냉각된다. 이후, 냉각 작용을 마친 냉각수는 하측에 마련된 워터 핏(3) 내부에 보관된다.

냉각수 발전 공급라인(110)은 상기 워터 핏(3)의 하단에 연결되어 소수력 발전을 위하여 워터 핏에 보관된 냉각수(W)를 하방으로 유출시키는 배관 부재이다.

더 구체적으로 설명하면, 냉각수 발전 공급라인(110)의 입구(즉, 냉각수 유입 통로)는 워터 핏(3)의 하단 벽면을 통해 연결되며, 출구(즉, 냉각수 유출 통로)는 워터 핏(3)의 바닥면보다 더욱 하방으로 경사진 위치상에 형성된다. 이에 따라 냉각수 발전 공급라인(110)을 통해 냉각수는 적정 수두 차를 두고 빠르게 하강 공급된다.

냉각수 유동 조절라인(120)은 상기 냉각수 발전 공급라인을 통해 하방으로 공급된 냉각수의 특성을 변경하여 후술될 워터 터빈(130)에서의 발전 효율을 극대화 시켜주는 배관 부재이다.

여기서, 냉각수의 특성이 변경된다는 의미는, 상기 냉각수 발전 공급라인(110)을 통해 경사지게 하강 유동한 냉각수가 냉각수 유동 조절라인(120)의 입구 쪽에서 난류(즉, turbulence) 특성을 지니는 것을 층류(즉, laminar) 특성으로 변경해 준다는 것을 말한다.

더 구체적으로 설명하면, 냉각수 유동 조절라인(120)은 수평 방향으로 곧게 설치되는 직렬 배관 형태를 지니는 데, 그 세부 구성으로 입구 측에 마련된 배관 헤더(121)와, 중앙 부위에 마련된 수평 배관(123)과, 출구 측에 마련된 노즐(125)을 포함한다.

배관 헤더(121)는 상기 냉각수 발전 공급라인(110)의 출구에 연결되는 배관 연결 부재이다.

즉, 상기 냉각수 발전 공급라인(110)을 통해 경사진 방향으로 하강 공급된 냉각수(W)는 배관 헤더(121)에 모이게 된다.

이때, 배관 헤더(121) 내부에서의 냉각수 유동은 난류 특성을 보이게 된다. 그리고 배관 헤더(121)로 모인 냉각수(W)는 수평 배관(123) 쪽으로 유동하면서 냉각수의 난류 특성이 층류 특성으로 변경되게 된다.

수평 배관(123)은 상기 배관 헤더(121)의 출구 쪽에 연결되어 수평 방향으로 길게 형성된 배관으로서, 전체 길이 구간을 통해 동일한 직경을 가지는 것이 바람직하다. 이는 냉각수의 층류 특성을 확보하는데 효과적이기 때문이다. 이러한 수평 배관의 출구 쪽에는 노즐(125)이 구비된다.

노즐(125)은 상기 수평 배관을 통해 층류 특성을 확보하게 된 냉각수(W)를 후술될 워터 터빈(130)을 향하여 강하게 분사하는 장치이다.

특히 노즐(125)을 통해 분사되는 냉각수(W)는 상기 수평 배관(123)을 경유하면서 층류 특성을 지닌 유체로 변경됨에 따라 유체 에너지가 크게 집중될 수 있다.

이와 같이, 노즐(125)을 통해 분사되는 냉각수(W)는 워터 터빈(130)(더 구체적으로 설명하자면, 워터 터빈의 러너)을 향하여 강하게 분사된다.

워터 터빈(130)은 냉각수 유동 조절라인(120)으로부터 분사되는 냉각수의 유체 에너지에 의해 회전 구동하여 전력을 생성한다.

통상적으로 알려진 워터 터빈과 달리 본 실시예에서 이용 가능한 워터 터빈(130)의 경우, 내열 소재로 이루어진 러너를 구비한다. 이에 대한 설명은 도 3을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치 중 워터 터빈만을 확대 도시한 일부 구성도이다.

도 3을 참조하면, 도시된 워터 터빈(130)은 중심축(131)과, 이를 둘러 원주 방향으로 배치되며 전술된 노즐을 통해 분사되는 냉각수와 직접 접촉하여 회전 구동하는 러너(133)로 구성된다.

다만, 앞서 도 2의 설명 시 언급한 바와 같이, 본 발명에 따라 소수력 발전에 이용되는 냉각수의 경우, 고온의 스트립을 냉각시킨 이후 상태의 냉각수를 이용하므로, 냉각수 내에는 스트립으로부터 이탈한 다량의 스케일(Scale)을 비롯하여 이물질 들이 함유되어 있을 수 있다. 또한, 고온의 스트립을 냉각시키는 과정에서 냉각수의 온도가 매우 높게 상승되어 있을 수 있다.

만일, 이러한 상태로 분사되는 냉각수에 상기 러너(133)가 직접 접촉하여 충돌하게 되면, 러너(133)의 내구성에 문제가 발생될 수 있으며, 특히 심각할 경우에는 러너(133)의 손상 및 파손을 피할 수 없게 된다.

이러한 이유에 따라, 워터 터빈(130)에서 냉각수와 직접적으로 접촉, 충돌하게 되는 러너(133)의 재질은 내열 소재로 제작하는 것이 바람직하다. 구체적인 예로서, 상기 러너(133)는 내열강인 SCM440을 이용할 수 있으며, 이외에도 내열 특성에 적합한 기타 내열 소재를 이용하여도 무방하다.

또한, 러너(133)가 노즐로부터 분사되는 냉각수와 직접 접촉하는 면(이를, '접촉면'이라 함)에는 냉각수에 함유된 다량의 스케일과의 충돌을 고려하여 표면 마모 방지를 위한 하드 페이싱(Hard-facing) 처리를 할 수 있다.

도 3의 도면부호 133a는 러너의 몸체를 구성하는 내열 소재를 나타낸 것이며, 도면부호 133b는 표면상에 하드 페이싱 처리가 된 부분을 별도로 표시한 것이다.

이와 같은 재질 및 표면 처리를 통해 워터 터빈(130), 특히 러너(133)의 내구성을 향상시켜 줄 수 있다. 그리고 워터 터빈(130)을 통해 전력이 생산되는 발전 기능에 대해서는 관용적으로 널리 알려진 내용이므로 해당 부연 설명은 생략하기로 한다.

한편, 도 2를 참조하면 확인할 수 있듯이, 워터 터빈(130)으로부터 생성된 전력은 전력 공급부(140)로 전달되어, 상용 또는 열간 압연 공정 설비에 필요한 전원으로 이용될 수 있다.

그리고 상기 워터 터빈(130)의 러너를 회전시켜 발전을 일으킨 이후의 냉각수는 별도의 냉각수 공급 설비(9)로 보내어진 후, 라미나 플로우(1)의 냉각수로 순환 공급될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 열간 압연 시 라미나 플로우를 통해 분사된 후 스트립의 냉각에 사용된 대량의 냉각수 유동에 따른 유체 에너지를 전력 생산에 이용할 수 있다.

이상으로 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.

전술된 본 발명의 일 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 이 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

W: 냉각수
1: 라미나 플로우(Laminar Flow) 3: 워터 핏(Water Pit)
5: 냉각수 순환 배관 7: 펌프
9: 냉각수 공급 설비
100: 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치
110: 냉각수 발전 공급라인
120: 냉각수 발전 유동 조절라인
121: 배관 헤더(header) 123: 수평 배관
125: 노즐(Nozzle)
130: 워터 터빈(Water Turbine)
133: 러너(Runner)
140: 전력 저장부

Claims (5)

1. 스트립으로 냉각수를 분사하는 라미나 플로우(Laminar Flow)와, 스트립 냉각 후의 냉각수가 보관되는 워터 핏(Water Pit)을 포함하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치로서,
   상기 워터 핏의 하방으로 연결되어, 상기 워터 핏에 보관된 냉각수를 외부로 공급하는 냉각수 발전 공급라인;
   상기 냉각수 발전 공급라인을 통해 하방으로 공급된 냉각수의 난류(turbulence)성을 내부 유동 조절을 통해 층류(laminar)성으로 변경하여 냉각수를 분사하는 냉각수 유동 조절라인; 및
   상기 냉각수 유동 조절라인으로부터 분사되는 냉각수의 유체 에너지에 의해 회전 구동하여 전력을 생성하는 워터 터빈(Water Turbine);을 포함하고,
   상기 냉각수 유동 조절라인은,
   상기 냉각수 발전 공급라인의 출구에 연결되는 배관 헤더(Header);
   상기 헤더로부터 수평 방향으로 직렬 연결되어 상기 헤더를 통해 유입된 냉각수를 난류 특성에서 층류 특성으로 변경해주는 수평 배관; 및
   상기 수평 배관의 출구에 연결되어 상기 워터 터빈을 향해 냉각수를 분사하는 노즐;을 포함하며,
   상기 워터 터빈은
   중심축; 및
   상기 중심축을 둘러 원주 방향으로 배치되며 상기 노즐을 통해 분사되는 냉각수와 직접 접촉하여 회전하는 러너(Runner)를 포함하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 냉각수 발전 공급라인은,
   입측은 상기 워터 핏의 하단 벽면을 통해 연결되며, 출구는 상기 워터 핏의 바닥면보다 더욱 하방으로 경사진 위치상에 형성되도록 연결되는 배관 부재인 것을 특징으로 하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1항에 있어서,
   상기 러너(Runner)의 재질은 내열 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치.
   
5. 청구항 1항에 있어서,
   상기 러너(Runner)의 표면에는 하드 페이싱(Hard-facing) 처리가 이루어진 것을 특징으로 하는 열간 압연 냉각수를 이용한 소수력 발전 장치.

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