KR101726476B1 - 수평 관류형 증발기에서의 튜브 및 배플 배열 - Google Patents

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크리스토퍼 제이. 레치
윌리엄 디. 쿠퍼닉
폴 제이. 챔프맨
제임스 디. 피쉬러
제프리 에프. 매기
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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

입구 매니폴드; 상기 입구 매니폴드와 유체 소통하는 하나 이상의 입구 헤더들; 하나 이상의 경사진 증발기 튜브들을 각각 포함하는 하나 이상의 튜브 스택(tube stack)들로서, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하고, 상기 경사진 튜브들이 수직에 대하여 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 경사지는, 상기 하나 이상의 튜브 스택들; 상기 하나 이상의 튜브 스택들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들; 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 출구 매니폴드; 및 복수의 배플들을 포함하는 배플 시스템으로서, 상기 배플 시스템이 튜브를 접촉하도록 튜브 스택에 인접하여 배치되는 상기 배플 시스템을 포함하는, 관류형 증발기가 본 명세서에 개시된다.

Description

수평 관류형 증발기에서의 튜브 및 배플 배열{TUBE AND BAFFLE ARRANGEMENT IN A ONCE-THROUGH HORIZONTAL EVAPORATOR}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본 출원에 통합되는, 2012년 1월 17일 출원된 미국특허 가출원 제 61/587,332호, 2012년 1월 17일 출원된 미국특허 가출원 제 61/587,230호, 2012년 1월 17일 출원된 미국특허 가출원 제 61/587,428호, 2012년 1월 17일 출원된 미국특허 가출원 제 61/587,359호, 및 2012년 1월 17일 출원된 미국특허 가출원 제 61/587,402호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 열회수 증기 발생기(HRSG)에 관한 것이고, 특히 열교환을 위하여 수평 및/또는 경사 튜브를 가지는 HRSG에서 유동을 제어하기 위한 배플에 관한 것이다.
열회수 증기 발생기(HRSG)는 고온 가스 스트림으로부터 열을 회수하는 에너지 회수 열교환기이다. 열회수 증기 발생기는 프로세스(열병합 발전)에서 사용되거나 또는 증기 터빈(복합 사이클)을 구동하도록 사용될 수 있는 증기를 생산한다. 열회수 증기 발생기는 일반적으로 4개의 주요 구성요소들, 이코노마이저(economizer), 증발기, 과열기, 및 물 예열기를 포함한다. 특히, 자연순환 HRSG는 증발기 가열면, 드럼 뿐만 아니라 증발기 튜브에서의 적절한 순환 속도를 촉진하도록 필요한 배관을 포함한다. 관류형(once-through) HRSG는 자연순환 구성 요소들을 관류형 증발기로 대체하고, 이렇게 하여, 보다 높은 플랜트 효율의 진출을 제공하며, 또한 두꺼운 벽의 드럼이 없어도 HRSG 수명을 늘리는 것을 돕는다.
관류형 증발기 열회수 증기 발생기(HRSG)(100)의 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, HRSG는 필요한 열을 흡수하도록 구성된 일련의 수직 평행 유동 경로/튜브(104 및 108, 덕트 벽(111)들 사이에 배치된)의 형태를 하는 수직 가열면들을 포함한다. HRSG(100)에서, 작업 유체(예를 들어, 물)는 소스(106)로부터 입구 매니폴드(105)로 운반된다. 작업 유체는 입구 매니폴드(105)로부터 입구 헤더(112)로, 그런 다음 제 1 열교환기(104)로 공급되며, 열교환기에서 수평 방향으로 유동하는, 노(도시되지 않음)로부터의 고온 가스에 의해 가열된다. 고온 가스는 덕트 벽(111)들 사이에 배치된 튜브 섹션(104 및 108)들을 가열한다. 가열된 작업 유체의 일부는 증기로 변환되고, 액체 및 증기상 작업 유체는 출구 헤더(113)를 통해 출구 매니폴드(103)로 운반되고, 출구 헤더로부터, 혼합기(102)로 운반되며, 혼합기에서, 증기와 액체는 다시 한번 혼합되고, 제 2 열교환기(108)로 분배된다. 액상 작업 유체로부터 증기의 분리는 이것이 온도 구배를 형성하여 바람직하지 않으며, 이를 방지하는 노력이 착수되어야만 한다. 열교환기(104)로부터 증기와 유체가 잘 혼합되는 것을 보장하도록, 이 증기와 유체는 혼합기(102)로 운반되고, 혼합기로부터, 2상 혼합물(증기와 액체)은 다른 제 2 열교환기(108)로 운반되고, 이 열교환기에서 이 2상 혼합물은 과열 상태로 된다. 제 2 열교환기(108)는 열역학 제한사항을 극복하도록 사용된다. 증기와 액체는 그런 다음 수집 용기(109)로 방출되고, 수집 용기로부터, 발전 설비(예를 들어, 터빈)에서 사용되기 전에 분리기(110)로 보내진다. 그러므로, 수직 가열면들의 사용은 다수의 설계 제한사항을 가진다.
설계 고려로 인하여, 서멀 헤드(thermal head) 제한사항이 출구에서 과열된 증기를 달성하기 위하여 추가의 가열 루프를 필요로 하는 경우가 종종 있다. 때때로 추가의 준비들이 제 2 가열 루프 내로 재진입하기 전에 물/증기 기포를 재혼합하도록 요구되며, 추가의 설계를 고려하게 한다. 부가하여, 수직으로 배열된 평행 튜브들의 직접적인 결과로서 가열면의 하류의 가스측 온도 불균형이 존재한다. 이러한 추가의 설계 고려는 추가의 엔지니어링 설계 및 제조를 이용하고, 그 모두는 비용이 많이 든다. 이러한 추가의 특징들은 또한 주기적인 유지 보수를 필요로 하고, 이는 플랜트의 생산 기능을 위한 시간을 감소시키고, 그러므로 생산성에서 손실을 초래한다. 그러므로, 이러한 결점을 극복하는 것이 바람직하다.
부가하여, 다수의 수직 튜브 섹션들(수직 튜브들을 가지는)이 서로 이웃하여 배치될 때, 고온 가스의 상당 부분은 튜브 표면을 접촉함이 없이 인접한 수직 섹션들 사이의 갭을 통과한다. 이러한 것은 열의 손실을 초래한다. 그러므로, 증발기 섹션들 사이의 개방 공간들을 통해 고온 가스가 제한없이 유동함으로 인한 열의 손실을 최소화하는 것이 바람직하다.
입구 매니폴드; 상기 입구 매니폴드와 유체 소통하는 하나 이상의 입구 헤더들; 하나 이상의 경사진 증발기 튜브들을 각각 포함하는 하나 이상의 튜브 스택(tube stack)들로서, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하고, 상기 경사진 튜브들이 수직에 대하여 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 경사지는, 상기 하나 이상의 튜브 스택들; 상기 하나 이상의 튜브 스택들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들; 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 출구 매니폴드; 및 복수의 배플들을 포함하는 배플 시스템으로서, 상기 배플 시스템이 튜브를 접촉하도록 튜브 스택에 인접하여 배치되는 상기 배플 시스템을 포함하는, 관류형 증발기가 본 명세서에 개시된다.
본원에 개시된 방법은, 관류형 증발기를 통하여 작업 유체를 방출하는 단계; 노 또는 보일러로부터 상기 관류형 증발기를 통하여 고온 가스를 방출하는 단계; 및 상기 고온 가스로부터 상기 작업 유체로 열을 전달하는 단계를 포함하고, 상기 관류형 증발기는, 입구 매니폴드; 상기 입구 매니폴드와 유체 소통하는 하나 이상의 입구 헤더들; 하나 이상의 경사진 증발기 튜브들을 각각 포함하는 하나 이상의 튜브 스택들로서, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하고, 상기 경사진 튜브들이 수직에 대하여 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 경사지는 상기 하나 이상의 튜브 스택들; 상기 하나 이상의 튜브 스택들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들; 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 출구 매니폴드; 및 복수의 배플들을 포함하는 배플 시스템으로서, 상기 배플 시스템이 튜브를 접촉하도록 튜브 스택에 인접하여 배치되는 상기 배플 시스템을 포함한다.
도 1은 수직 열교환기 튜브를 가지는 종래의 열회수 증기 발생기의 개략도;
도 2는 반류 엇갈림 배열(counterflow staggered arrangement)을 사용하는 예시적인 관류형 증발기의 개략도;
도 3은 관류형 증발기의 예시적인 실시예를 도시한 도면;
도 4a는 관류형 증발기의 튜브 스택에서 튜브들의 하나의 예시적인 배열을 도시한 도면;
도 4b는 관류형 증발기의 튜브 스택에서 튜브들의 예시적인 배열의 사시도;
도 5는 배플이 서로 수직으로 정렬된 튜브 스택들 사이의 통로에서 존재하지 않을 때 발생하는 우회 문제를 도시한 도면;
도 6은 부적절하게 설계된 배플이 튜브 스택들 사이의 통로에서 사용될 때 발생하는 부정적 배치(mal-distribution) 문제를 도시한 도면;
도 7a는 2개의 인접한 튜브 스택들 사이의 갭이 배치된 배플 시스템을 구비한 튜브 스택의 예시적인 도면;
도 7b는 도 7a의 단면 A-A'의 도시인 배플 시스템을 구비한 튜브 스택의 예시적인 도면;
도 7c는 도 7b의 단면 B-B'의 도시인 배플 시스템의 예시적인 도면;
도 8은 배플 시스템을 수용하는 관류형 증발기 시스템에서 고온 가스 분포의 예시적인 도면;
도 9는 작업 유체에 그 열을 전달하도록 고온 가스가 통과할 수 있는 튜브를 수용하는 10개의 수직으로 정렬된 구역 또는 섹션들을 가지는 관류형 증발기를 도시한 도면.
지금 예시적인 실시예들이며 동일한 요소들이 동일한 번호로 지시된 도면을 참조한다.
본 명세서에 개시된 것은 그 튜브들이 비수직(non-vertical)으로 배열되는 단일 열교환기 또는 다수의 열교환기를 포함하는 열회수 증기 발생기(HRSG)이다. 튜브 스택들은 그 사이에 배치된 배플 시스템을 가진다. 배플 시스템은 튜브 스택들 내로 고온 가스를 다시 보낸다. 이러한 것은 고온 가스로부터, 튜브 스택에서 진행하는 작업 유체로 개선된 열 전달을 촉진한다.
비수직에 관해서, 튜브들이 수직에 대해 일정 각도로 경사지는 것을 의미한다. "경사진"에 관해서, 개개의 튜브가 튜브를 가로질러 그려진 수직선에 대해 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 경사진다는 것을 의미한다. 하나의 실시예에서, 튜브들은 제 1 방향으로 수평일 수 있으며, 제 1 방향에 수직인 제 2 방향으로 경사질 수 있다. 상기 각도의 경사와 함께 튜브에서의 이러한 각도 변화는 도 2에 도시된다. 도 2는 관류형 증발기의 튜브 스택에서 채택되는 튜브의 섹션을 도시한다. 튜브 스택은 튜브가 2개의 방향으로 수직에 대해 경사지는 것을 나타낸다. 한 방향에서, 튜브는 수직에 대해 θ1의 각도로 경사지는 한편, 제 2 방향에서, 튜브는 수직에 대해 θ2의 각도로 경사진다. 도 2에서, θ1 및 θ2는 수직에 대해 90°까지 변할 수 있다는 것을 알 수 있다. 경사각(θ1 및 θ2)이 90°이면, 튜브는 실질적으로 수평이라고 말할 수 있다. 다른 한편으로, 단지 하나의 각도(θ1)가 90°인 한편, 다른 각도(θ2)가 90°미만이거나 또는 90°보다 크면, 튜브는 한쪽 방향으로 수평이고 다른 방향으로 경사진다고 할 수 있다. 여전히 다른 실시예에서, 두 각도(θ1 및 θ2)는 90°미만이거나 또는 90°보다 큰 것이 가능하며, 이는 튜브가 두 방향으로 경사진다는 것을 의미한다. "실질적으로 수평"에 관해서, 튜브들이 거의 수평이 되도록 배향된다는(즉, ± 2°내에서 수평에 평행하도록 배열되는) 것을 의미함을 유념하여야 한다. 경사진 튜브에 대하여, 경사각(θ1 및/또는 θ2)은 대체로 수직과 약 30°에서 약 88°까지 변한다. 즉, 경사각은 수평에 대하여 3°에서 60°로 변할 수 있다.
수평 튜브를 수용하는 섹션(또는 다수의 섹션)은, 아임계 상태(subcritical conditions)에서 동작할 때, 작업 유체(예를 들어, 물, 암모니아 등)가 입구 헤더로부터 출구 헤더로 섹션을 통하여 1회 통과하는 동안 점차적으로 증기로 변환되기 때문에 "관류형 증발기"로 또한 지칭된다. 마찬가지로, 초임계(supercritical) 동작을 위하여, 초임계 작업 유체는 입구 헤더로부터 출구 헤더로 섹션을 통하여 1회 통과하는 동안 보다 높은 온도로 가열된다.
관류형 증발기(이후에 "증발기")는 노 또는 보일러로부터 나오는 가열된 가스의 유동 방향에 수직인 적어도 하나의 방향으로 비수직으로 배치되는 평행 튜브들을 포함한다.
도 3 및 도 9는 관류형 증발기의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 3은 관류형 증발기(200)에 있는 다수의 수직 튜브 스택을 도시한다. 한 실시예에서, 튜브 스택들은 각 스택이 다른 튜브 스택 바로 위, 바로 아래, 또는 바로 위 및/또는 바로 아래에 있도록 수직으로 정렬된다. 증발기(200)는 입구 매니폴드(202)를 포함하며, 입구 매니폴드는 이코노마이저(도시되지 않음)로부터 작업 유체를 수용하고, 작업 유체를 다수의 입구 헤더(204(n))들로 운반하며, 각각의 입구 헤더는 실질적으로 수평인 하나 이상의 튜브들을 포함하는 수직 튜브 스택(210(n))들과 유체 소통한다. 유체는 입구 헤더(204(n))들로부터 다수의 튜브 스택(210(n))들로 운송된다. 간략화의 목적을 위하여, 본 명세서에서, 도면에 도시된 다수의 입구 헤더(204(n), 204(n+1) ….. 및 204(n+n'))들은 총칭하여 204(n)로 지칭된다. 유사하게, 다수의 튜브 스택(210(n), 210(n+1), 210(n+2)…. 및 210(n+n'))들은 총칭하여 210(n)로 지칭되고, 다수의 출구 헤더(206(n), 206(n+1), 206(n+2)….….. 및 206(n+n'))들은 총칭하여 206(n)으로 지칭된다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 그러므로, 다수의 튜브 스택(210(n))들은 다수의 입구 헤더(204(n))들과 출구 헤더(206(n))들 사이에서 각각 수직으로 정렬된다. 튜브 스택(210(n))의 각 튜브는 플레이트에 의해 적소에서 지지된다(도시되지 않음). 튜브 스택(210(n))을 진행하는 작업 유체는 출구 매니폴드(208)로 방출되고, 그로부터 과열기로 방출된다. 입구 매니폴드(202)와 출구 매니폴드(208)는 관류형 증발기를 위한 공간 필요조건에 의존하여 수평으로 배치되거나 또는 수직으로 배치될 수 있다. 도 2는 수직 입구 매니폴드를 도시한다.
소스(예를 들어, 노 또는 보일러(도시되지 않음))로부터 고온 가스는 튜브(210)에서 작업 유체의 유동의 방향에 수직으로 진행한다. 고온 가스는 도 3에서 독자로부터 멀리 도면의 평면 내로, 또는 도면의 평면으로부터 독자를 향하여 진행한다. 한 실시예에서, 고온 가스는 튜브 스택에서의 작업 유체의 진행 방향에 대해 반류로 진행한다. 작업 유체의 온도를 증가시키고 가능하게 작업 유체의 일부 또는 전부를 액체로부터 증기로 변환하도록 열이 고온 가스로부터 작업 유체로 전달된다. 관류형 증발기의 각각의 구성요소의 상세는 다음에 제공된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 입구 헤더는 하나 이상의 입구 헤더(204(n), 204(n+1) ….. 및 (204(n))(이후에, 총칭하여 부호 "204(n)"로 인용됨)를 포함하고, 각각의 입구 헤더는 입구 매니폴드(202)와 동작 소통한다. 한 실시예에서, 각각의 하나 이상의 입구 헤더(204(n))는 입구 매니폴드(202)와 유체 소통한다. 입구 헤더(204(n))는 다수의 수평 튜브 스택(210(n), 210(n+1), 210(n'+2)…. 및 210(n))(이후에, 용어 "210(n)"으로 총칭으로 지칭된다)과 유체 소통한다. 각 튜브 스택(210(n))은 출구 헤더(206(n))와 유체 소통한다. 그러므로, 출구 헤더는 다수의 출구 헤더(206(n), 206(n+1), 206(n+2)…... 및 206(n))를 포함하며, 각각의 출구 헤더는 튜브 스택(210(n), 210(n+1), 210(n+2)…. 및 210(n))들 및 입구 헤더(204(n), 204(n+1), 204(n+2) ….. 및 (204(n))들과 각각 유체 소통한다.
용어 'n"은 정수값인 한편, "n'"은 정수값 또는 분수값(fractional value)일 수 있다. 그러므로, n'은 1/2, 1/3 등과 같은 분수값일 수 있다. 그러므로, 예를 들어, 하나 이상의 단편적인 입구 헤더, 튜브 스택 또는 출구 헤더가 있을 수 있다. 즉, 그 크기가 다른 입구 헤더 및/또는 출구 헤더의 단편인 하나 이상의 입구 헤더 및 출구 헤더가 있을 수 있다. 유사하게, 다른 스택에 포함된 튜브들의 수의 분수값을 포함하는 튜브 스택이 있을 수 있다. 기준 숫자 n'를 가지는 밸브들과 제어 시스템이 실제로 분수 형태로 존재하지 않지만, 단편적인 증발기 섹션들에 의해 취급되는 보다 작은 용적을 수용하도록 필요하면 다운사이징(downsizing)될 수 있다는 것을 유념하여야 한다.
한 실시예에서, 관류형 증발기는 2개 이상의 출구 헤더와 유체 소통하는 2개 이상의 튜브 스택과 유체 소통하는 2개 이상의 입구 헤더를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 관류형 증발기는 5개 이상의 출구 헤더와 유체 소통하는 5개 이상의 튜브 스택과 유체 소통하는 5개 이상의 입구 헤더를 포함할 수 있다. 여전히 다른 실시예에서, 관류형 증발기는 10개 이상의 출구 헤더와 유체 소통하는 10개 이상의 튜브 스택과 유체 소통하는 10개 이상의 입구 헤더를 포함할 수 있다. 서로 및 입구 매니폴드 및 출구 매니폴드와 유체 소통하는 튜브 스택, 입구 헤더 및 출구 헤더의 수에 대한 제한이 없다. 각 튜브 스택은 때때로 묶음 또는 구역(zone)으로 지칭된다.
도 9는 또 다른 예시적인 조립된 관류형 증발기를 도시한다. 도 9는 튜브들을 수용하는 10개의 수직 정렬된 튜브 스택(210(n))들을 가지는 관류형 증발기를 도시하며, 고온 가스는 작업 유체에 그 열을 전달하도록 튜브들을 통과할 수 있다. 튜브 스택들은 2개의 평행 수직 지지 바(302)와 2개의 수평 지지 바(304)를 포함하는 프레임(300)에 장착된다. 지지 바(302, 304)들은 용접, 볼트, 리벳, 스크루 나사 및 너트 등에 의해 서로 고정 부착되거나 또는 분리 가능하게 부착된다.
플레이트(250)를 접촉하는 로드(rod)(306)들은 관류형 증발기의 상부면에 배치된다. 각 로드(306)는 플레이트를 지지하고, 플레이트들은 로드(306)에 매달린다(즉, 이것들은 현수된다). (위에서 상세히 설명된 바와 같은) 플레이트(250)들은 클레비스 플레이트(clevis plate)들을 사용하여 적소에 록킹된다. 플레이트(250)들은 또한 각각의 튜브 스택(210(n))을 적소에서 지지하고 유지한다. 이러한 도 9에서, 각 튜브 스택(210(n))의 단지 최상측 튜브와 최하측 튜브만이 튜브 스택의 부분으로서 도시된다. 각 튜브 스택에 있는 다른 튜브들은 독자의 편의 및 명료성을 위하여 생략된다.
각 로드(306)가 플레이트(250)를 유지하거나 또는 지지하기 때문에, 그러므로, 로드(306)의 수는 플레이트(250)의 수와 같다. 한 실시예에서, 완전한 관류형 증발기는 수평 로드(304)를 접촉하는 로드(306)에 의해 지지되고 유지된다. 한 실시예에서, 로드(306)들은, 각각의 평행 수평 로드(304)를 접촉하고 튜브 스택의 전체 중량을 지지하는 타이 로드(tie-rod)들일 수 있다. 그러므로, 관류형 증발기의 중량은 로드(306)들에 의해 지지된다.
각 섹션은 각각의 플레이트 상에 장착되고, 각각의 플레이트는 그런 다음 전체 튜브 스택의 주변에서 타이 로드(300)에 의해 서로 유지된다. 다수의 수직 플레이트는 이러한 수평 열교환기를 지지한다. 이러한 플레이트들은 모듈을 위한 구조적 지지체로서 설계되고, 편향을 제한하도록 튜브들에 대한 지지를 제공한다. 수평 열교환기는 모듈로 조립되고 현장으로 운반된다. 수평 열교환기의 플레이트들은 현장에서 서로 연결된다.
각 튜브 스택에 있는 튜브들은 다음에 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 구불구불하다(serpentine). 도 4a 및 도 4b는 관류형 증발기(200)의 튜브 스택에 있는 튜브들의 하나의 예시적인 배열을 도시한다. 도 4a 및 도 4b에서 채택된 명명법은 도 3에서 이전에 기술된 것과 동일하며, 그러므로 여기에서 반복되지 않는다. 도 4a에서, 8개의 튜브 스택(이후에 튜브 섹션으로 지칭됨)을 가지는 관류형 증발기(200)는 수직으로 정렬된다. 튜브 스택은 연속적인 스택들 사이에 통로(239)를 가지며, 고온 가스가 방해받지 않고 통로를 통과한다. 간단히 기술된 바와 같이, 이러한 것은 관류형 증발기의 효율의 감소를 초래하는 미사용된 열을 초래하기 때문에 문제이다. 도 4b는 하부의 2개의 튜브 스택들의 사시도이다. 도 4b에서, 2개의 튜브 섹션들은 7개의 금속 플레이트(250)에 의해 지지된다.
도 5는 배플이 서로 수직으로 정렬된 튜브 스택들 사이의 통로(239)에서 존재하지 않을 때 발생하는 우회 문제를 도시한 도면이다. 알 수 있는 바와 같이, 고온 가스는 튜브 스택(210(n))의 튜브들과 상호 작용함이 없이 통로를 직접 통과한다. 그러므로, 상당한 고온 가스 우회가 발생하고 효율을 감소시킨다.
유사하게, 좋지않게 설계된 분배 요소들이 통로에 배치되면, 비균일한 유동 분배가 튜브 스택에서 발생하게 된다.
도 6에 도시된 한 실시예에서, 짧은 입구 배플 및 출구 배플은 통로(239)의 초입부 및 통로(239)의 끝부분에 각각 배치될 수 있다. 짧은 배플은 고온 가스가 통로를 들어가는 것을 성공적으로 차단하지 못한다. 배플의 출구에 배치된 출구 배플은 고온 가스의 유동에서 갭을 떠난 고속 유동을 편향시킨다. 단지 하나 또는 2개의 배플(도 6에 도시된 바와 같이)들의 사용은 통로(239)를 둘러싸는 튜브 스택 내로 가스의 일부 편향을 만든다. 그러나, 잘 설계된 배플 시스템이 가스 우회를 완화시키고 동시에 튜브 스택에서 엇갈림 및 반류 열전달을 유지하도록 튜브 스택에서 고온 가스의 균일한 분포를 촉진하는 것이 바람직하다.
도 7a는 통로(239)를 수용하는 튜브 스택(200)을 도시하며, 다수의 배플(302, 도 7c 참조)들을 포함하는 배플 시스템(240)은 도 7b에 명확히 도시된 바와 같이 통로 내로 배치된다. 도 7b는 도 7a의 단면 A-A'의 도시인 한편, 도 7c는 도 7b의 단면 B-B'에 도시된 바와 같은 배플 시스템(240)의 도시이다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 배플 시스템(240)은 2개의 튜브 스택(210(n+l) 및 210(n))들 사이에 배치된다. 배플 시스템(240)은 한 쌍의 금속 플레이트(250, 튜브 스택의 튜브들을 지지하는) 사이에 설치되어 체결된다. 체결은 필요하면 너트, 볼트, 스크루, 용접 등에 의해 달성될 수 있다. 그러므로, 배플 시스템(240)의 수는 튜브 스택들을 지지하도록 사용된 금속 플레이트(250)의 수와 동일하거나 그보다 적다. 예시적인 실시예에서, 배플 시스템(240)의 수는 대체로 튜브 스택을 지지하도록 사용된 금속 플레이트의 수보다 하나 적다.
배플 시스템(240)은 또한 클립(306)을 구비하며, 클립에 의해, 배플 시스템은 상부 스택(210(n+l))의 최하측 튜브와 하부 스택(210(n))의 최상측 튜브에 체결될 수 있다. 클립(306)은 u-볼트 또는 일부 다른 형태의 체결구일 수 있다. 모든 볼트 및 다른 형태의 체결구들은 관류형 증발기의 동작 온도를 견뎌 낼 수 있어야만 한다. 도 7b 및 도 7c에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 클립(306)들은 상부 스택(210(n+l))의 최하측 튜브와 하부 스택(210(n))의 최상측 튜브에 각 배플 시스템(240)을 부착하도록 사용된다.
배플 시스템(240)의 상세는 도 7c에 도시된다. 배플 시스템(240)은 프레임(304)에 고정 부착되거나 또는 유연하게 부착되는 다수의 배플(302)을 포함한다. 부가적으로, 배플들은 개별적으로 설치되고 및/또는 일부 다른 수단에 의해 설치될 수 있다. 가요성 부착은 튜브 스택을 통해 고온 가스의 분배를 변경하기 위하여 변경되는 그 각도를 배플 시스템(240)이 가지는 것을 허용한다. 프레임(304)은 배플 시스템을 형성하도록 다수의 배플(302)에 용접되는 다수의 평행 로드(304a, 304a', 304b, 304b', 304c, 304c' 등)를 포함한다. 로드(304a, 304b, 304c 등)들은 서로 평행하며, 다수의 배플(302)의 상측부 상에 길게 놓이는 한편, 로드(304a', 304b', 304c' 등)들은 서로 평행하고 다수의 배플(302)의 하측부 상에 길게 놓인다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 각 배플(302)은 그 상부면에서 로드(304a, 304b 및 304c 등)에 및 그 하부면에서 로드(304a', 304b', 및 304c' 등)에 고정 부착되거나 또는 제거 가능하게 부착되는 한 세트의 평행 플레이트(302a 및 302b)들을 포함한다. 로드(304a', 304b', 및 304c')에 대한 로드(304a, 304b 및 304c)의 움직임은 배플들의 위치를 변화시키도록 사용될 수 있다. 한 실시예에서, 단지 배플들 중 일부의 위치들만이 변경되는 한편, 다른 배플들의 일부의 위치는 고정된다. 도 7c에 있는 플레이트들은 평평하지만, 이것들은 또한 구부러질 수 있고 천공될 수 있다. 구멍들은 균일하거나 또는 분배될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 배플들은 단일 플레이트 또는 다수의 플레이트(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이러한 배플들은 배플들을 보강하도록 로드, 또는 리브 또는 바들을 가질 수 있다. 구멍은 배플 시스템 위, 아래 또는 위 및 아래에서 튜브 스택으로 고온 가스의 편향을 허용한다. 로드, 리브, 또는 보강 바는 개개의 배플의 상류측 또는 하류측에 있을 수 있다.
한 실시예에서, 로드들은 다수의 배플(302)에 용접된다. 다른 실시예에서, 로드들은 힌지(도시되지 않음)에 의해 다수의 배플(302)에 부착될 수 있다. 이러한 후자 배열은 배플들이 로드들에 대해 각지는(angle) 것을 허용한다. 로드(304a', 304b', 304c' 등)들에 대해 배플들의 일측 상에서 및 배플들의 다른 측부 상에서 로드(304a, 304b, 304c 등)들을 움직이는 것에 의해, 배플들은 고온 가스가 유동하는 방향을 향하여 또는 고온 가스가 유동하는 방향으로 멀리 경사질 수 있다. 배플(302)들은 수직에 대해 1° 내지 179°의 각도로 경사질 수 있다. 배플들의 경사각은 튜브 스택의 경사와 동일하거나 또는 다를 수 있다.
로드들 사이에 위치된 다수의 배플(302)은 튜브 스택들의 크기에 의존하여 변할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 배플 시스템(240) 당 적어도 3세트의 배플(평행 플레이트)(302)들, 특별히 적어도 5세트의 플레이트들, 및 더욱 특별히 적어도 6세트의 플레이트들이 있다. 한 실시예에서, 배플(302)들은 로드의 길이를 따라서 등거리로 이격된다. 또 다른 실시예에서, 배플(302)들은 로드의 길이를 따라서 등거리로 이격되지 않는다. 배플(302)들과 로드(304a, 304b, 304c 등)들 사이의 각도는 분배 효율을 개선하도록 필요하면 변경될 수 있다.
한 실시예에서, 배플들의 경사각은 컴퓨터와 동작 소통하는 액튜에이터(도시되지 않음)와, 관류형 증발기에 배치된 센서(또는 다수의 센서들)에 의해 변경될 수 있다. 액튜에이터는 센서(예를 들어, 온도 센서), 부하 필요조건(전기 출력과 같은) 등으로부터 판독에 의해 작동될 수 있다. 컴퓨터, 센서 및 액튜에이터를 포함하는 전체 피드백 루프는 자동화될 수 있다.
배플 시스템(240)이 튜브 스택들 사이의 통로(239)에서 적소에 배치될 때, 고온 가스는 도 8에 도시된 바와 같이 튜브 스택 내로 균일하게 분배된다. 배플 시스템(240)은 배플(302)들이 고온 가스의 유동에 수직인 한편, 로드들이 고온 가스의 유동 방향에 평행한 방식으로 배치된다. 도 8로부터, 고온 가스가 통로(239)를 통해 진행할 때, 배플 시스템이 가스에 의해 접촉되며, 배플 시스템(240) 위에 길게 놓인 튜브 스택 내로 배플(302)들에 의해 편향되는 것을 알 수 있다. 부가하여, 도 8은 하부 튜브 스택(210(n))으로부터 상승하는 고온 가스가 배플 시스템(240)을 통하여 상부 튜브 스택(210(n+l)) 내로 상승하는 것을 도시한다. 튜브 스택을 통한 고온 가스의 이러한 균일한 분배는 관류형 증발기의 효율을 개선한다. 배플(302)들은 상부 튜브 스택으로부터 하부 튜브 스택으로 고온 가스를 다시 보내도록 또한 경사질 수 있다. 배플 시스템(240)은 2개의 튜브 스택들 사이에 배치되어야만 할 뿐만 아니라 튜브 스택과 덕트 벽 사이에 배치될 수 있다.
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 모두 통합되는 Alstom 대리인 관리 번호 W11/122-1, W12/001-0, W11/123-1, W12/093-0, W11/120-1, W12/110-0 및 W11/121-0을 가지는 특허출원과 공동 출원되는 것을 유념하여야 한다.
"최대 연속 부하"는 발전 플랜트의 정격 완전 부하 조건을 의미한다.
보일러의 "관류형 증발기 섹션"은 최대 연속 부하(MCR)의 다양한 비율에서 물을 증기로 변환시키도록 사용된다.
"대략 수평의 튜브"는 사실상 수평으로 배향된 튜브이다. "경사진 튜브"는 수평 위치도 수직 위치도 아니지만, 도시된 입구 헤더와 출구 헤더에 대하여 그 사이에 일정 각도로 배치되는 튜브이다.
비록 용어 "제 1", "제 2", "제 3" 등이 다양한 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션을 기술하도록 본 명세서에서 사용되었을지라도, 이러한 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션은 이러한 용어에 의해 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이러한 용어들은 다른 요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션으로부터 하나의 요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션을 단지 구별하도록 사용된다. 그러므로, 아래에 기술된 "제 1 요소", "부품", "영역", "층" 또는 "섹션"은 본 발명의 기술로부터 벗어남이 없이 제 2 요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션으로 지칭될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예를 기술하는 목적을 위한 것이며 제한이도록 의도되지 않는다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 단수 형태는 달리 명확히 지시되지 않으면 복수 형태도 마찬가지로 포함하도록 의도된다. 본 명세서에서 사용될 때 용어 "포함하다" 및/또는 "포함하는" 또는 "구비하다" 및/또는 "구비하는"은 기술된 특징, 지역, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 부품의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징, 지역, 정수, 단계, 동작, 요소, 부품, 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 또한 이해되어야 한다.
또한, "하부" 또는 "저부" 및 "상부" 또는 "정상부"와 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 바와 같은 다른 요소에 대한 하나의 요소의 관계를 기술하도록 사용될 수 있다. 상대적인 용어는 도면에 도시된 배향에 추가하여 디바이스의 다른 배향을 포용하도록 의도된다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면 중 하나에 있는 디바이스가, 뒤집히면, 다른 요소의 "하부"측에 있는 것으로서 기술된 요소들은 다른 요소의 "상부"측에 배향되게 된다. 그러므로, 예시적인 용어 "하부"는 도면의 특정 배향에 따라서 "하부" 및 "상부"의 배향 모두를 포용한다. 유사하게, 도면 중 하나에 있는 디바이스가 뒤집히면, 다른 요소의 "밑에 있는" 또는 "아래의"로서 기술된 요소들은 다른 요소 "위"로 배향될 것이다. 그러므로, 예시적인 용어 "밑에 있는" 또는 "아래의"는 위 및 아래의 배향 모두를 포용한다.
달리 한정되지 않으면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학 용어를 포함하는)는 본 발명이 속하는 당업자에 의해 통상 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 통상적으로 사용되는 사전류에서 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술 및 본 발명의 맥락에서 그 의미가 일치하며, 본 명세서에서 그렇게 설명으로 정의되지 않으면 이상화되거나 또는 대단히 정중한 의미로 해석되지 않게 되는 것으로 또한 이해되어야 한다.
예시적인 실시예들은 이상화된 실시예의 개략적인 예시인 단면 예시를 참조하여 본 명세서에 기술된다. 그리하여, 예를 들어 제조 기술 및/또는 허용값의 결과로서 상기 예시의 형상으로부터의 변화가 예상된다. 그러므로, 본 명세서에 기술된 실시예는 본 명세서에서 예시된 바와 같은 영역의 특정 형상으로 제한되는 것으로서 고려되지 않지만 예를 들어 제조로부터 따르는 형상에서의 일탈을 포함하도록 해석되어야 한다. 예를 들어, 평탄한 것으로서 예시되거나 또는 기술된 영역은 전형적으로 고르지 않은 및/또는 비선형 특징을 가질 수 있다. 또한, 예시되 예각은 둥글게 될 수 있다. 그러므로, 도면에 도시된 영역은 사실상 개략적이며, 그 형상은 영역의 정밀한 형상을 예시하도록 의도되지 않으며 청구항의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.
용어 "및/또는"은 "및"뿐만 아니라 "또는" 모두를 의미하도록 본 명세서에서 사용된다. 예를 들어, "A 및/또는 B"는 A, B 또는 A 및 B를 의미하도록 해석된다.
이행 용어 "포함하는"은 이행 용어 "본질적으로 이루어진" 및 "이루어진"을 포함하며, "포함하는"으로 교환될 수 있다.
본 발명에 다양한 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 다양한 변형들이 만들어지고 등가물이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 그 요소를 대체할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 부가하여, 많은 변경들이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위하여 예상되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되지 않고, 본 발명이 첨부된 청구항들의 범위에 놓이는 모든 실시예들을 포함하도록 의도된다.

Claims (16)

  1. 관류형 수평 증발기로서,
    가열된 가스의 유동을 통과시키기 위한 수평 덕트;
    작업 유체를 수용하는 하나 이상의 입구 헤더들;
    상기 수평 덕트 내에 수직으로 배치된 복수의 튜브 스택으로서, 상기 가열된 가스의 유동의 일부분은 상기 튜브 스택들 각각을 통과하고, 상기 튜브 스택들은 상기 튜브 스택들 사이에 통로를 형성하도록 이격되고, 각각의 튜브 스택은 복수의 수평 튜브 부분을 갖는 구불구불한 형상(serpentine shape)을 구비하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하며, 상기 튜브 스택들 각각의 튜브들은 수직으로 적층되며 그리고 상기 가열된 가스의 유동 방향으로 수직에 대하여 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 비수직으로 각을 형성하는(angled), 복수의 튜브 스택;
    각각의 상기 튜브 스택의 상기 복수의 튜브들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들; 및
    복수의 배플을 포함하는 배플 시스템으로서, 상기 배플 시스템이 상기 복수의 튜브 스택 사이의 통로 내에 배치되어 하나의 튜브 스택으로부터 다른 튜브 스택으로 흐르는 가열된 가스를 분배하고, 상기 튜브 스택을 통한 가스 유동의 분배를 조정하기 위해 배플 중 일부가 튜브 스택에 대하여 각도가 변경될 수 있는, 배플 시스템을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 튜브 스택 각각은, 가열된 가스들의 유동 방향에 수직인 방향으로 실질적으로 수평이고 상기 가열된 가스들의 유동 방향에 평행한 방향으로 각을 형성하는 수평 튜브 부분들을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플 시스템은 복수의 배플들의 상부 및 아래에 배치되는 복수의 로드들을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 로드들과 상기 배플들 사이의 각도는 상기 로드들의 위치를 변화시키는 것에 의해 변경될 수 있는, 관류형 수평 증발기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플 시스템은 상기 배플 시스템 위에 배치된 튜브 스택의 튜브 및 상기 배플 시스템 아래에 배치된 튜브 스택의 튜브와 접촉하며; 각각의 접촉은 클립 또는 u-볼트를 통해 일어나는, 관류형 수평 증발기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 로드들과 상기 배플들 사이의 각도는 고정되는, 관류형 수평 증발기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플 시스템은 3개 이상의 배플들을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플 시스템은 5개 이상의 배플들을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플 시스템은 배플들로서 역할을 하는 평행 플레이트들을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 배플 시스템은 상기 튜브 스택의 튜브들을 지지하는 한 쌍의 금속 플레이트들 사이에서 상기 관류형 수평 증발기에 부착되는, 관류형 수평 증발기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 관류형 수평 증발기는, 상기 관류형 수평 증발기에 존재하는 금속 플레이트들의 수와 동일하거나 또는 그보다 적은 수의 배플 시스템들을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 관류형 수평 증발기는, 상기 관류형 수평 증발기에 존재하는 금속 플레이트들의 수보다 항상 하나가 적은 수의 배플 시스템들을 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 배플 시스템은, 상기 배플 시스템 위에 위치된 튜브 섹션을 통하여, 또는 상기 배플 시스템 아래에 위치된 튜브 섹션을 통하여, 또는 상기 배플 시스템 위 및 아래에 위치된 튜브 섹션들로 고온 가스들을 다시 보내는, 관류형 수평 증발기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 튜브 스택의 튜브들을 통해 흐르는 상기 작업 유체는 상기 가열된 가스의 유동 방향에 대해 상류로 흐르는, 관류형 수평 증발기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업 유체를 상기 하나 이상의 입구 헤더들로 공급하기 위해 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하는 입구 매니폴드; 및
    상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 출구 매니폴드를 더 포함하는, 관류형 수평 증발기.
  16. 가열된 가스의 유동을 통과시키기 위한 수평 덕트와,
    작업 유체를 수용하는 하나 이상의 입구 헤더들과,
    상기 수평 덕트 내에 수직으로 배치된 튜브 스택들로서, 상기 가열된 가스의 유동의 일부분은 상기 튜브 스택들 각각을 통과하고, 각각의 튜브 스택은 복수의 수평 튜브 부분을 갖는 구불구불한 형상을 구비하는 복수의 튜브를 포함하고, 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하며, 상기 튜브 스택들 각각의 튜브들은 수직으로 적층되며 그리고 상기 가열된 가스의 유동 방향으로 수직에 대하여 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 비수직으로 각을 형성하는(angled), 튜브 스택들과,
    각각의 상기 튜브 스택의 상기 복수의 튜브와 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들과,
    복수의 배플을 포함하는 배플 시스템으로서, 상기 배플 시스템이 상기 튜브 스택들 사이의 통로 내에 배치되어 하나의 튜브 스택으로부터 다른 튜브 스택으로 흐르는 가열된 가스를 분배하고, 상기 튜브 스택을 통한 가스 유동의 분배를 조정하기 위해 배플 중 일부가 튜브 스택에 대하여 각도가 변경될 수 있는, 배플 시스템을 포함하는 관류형 수평 증발기를 통해 작업 유체를 방출하는 단계;
    가열된 가스를 상기 관류형 수평 증발기를 통해 방출하는 단계; 및
    상기 가열된 가스로부터 상기 작업 유체로 열을 전달하는 단계를 포함하는 방법.

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