KR101749288B1 - 증기 발생기 - Google Patents

Abstract

연소 챔버가 튜브 웨브에 의해 기밀 방식으로 서로 연결되는 증발성 유동 매체의 통과를 위한 복수의 길이 방향 노 튜브에 의해 형성된 하나 이상의 연소 챔버 벽을 가지는, 증기 발생기가 설명된다. 익숙한 바와 같이 상이한 튜브는연소 챔버가 점화될 때 변화되는 사용시 열 입력이 가해질 것이다. 노 튜브의 튜브 보어는 낮은 열 입력이 가해지는 곳에서보다 더 높은 열 입력이 가해지는 곳에서 더 크다. 특히, 노 튜브의 튜브 보어는 일반적으로 연소 챔버 벽의 횡방향 주변 구역에서보다 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 더 크다.

Description

증기 발생기 {STEAM GENERATOR}

본 발명은 증기 발생기용 노 튜브 배열체(furnace tube arrangement)에 관한 것이다. 본 발명은 특히 관류(once-through) 또는 연속 유동 작동을 위한 증기 발생기에 관한 것으로, 이 증기 발생기 내에서 노 벽은 튜브 웨브를 통하여 기밀 방식(gas-tight manner)으로 서로 연결되는 노 벽 방향으로 평행하게 길이 방향으로 배열되는(그리고 예를 들면 수직으로 배치되는) 노 튜브를 포함하며, 노 튜브를 따라 증발성 유동 매체(예를 들면, 물/증기)가 노 벽 방향으로(그리고 예를 들면 바닥으로부터 상부로) 유동할 수 있다.

본 발명은 특히 고체 및 특히 분쇄된 고체, 액체, 유제(emulsion), 및 가스를 포함하는 탄소질의 화석 연료를 위한 복수 어레이의 버너에 의해 점화되는 화력 발전소 내의 증기 발생기에 관한 것이다.

관류 증기 발생기에서 연소 챔버 벽을 형성하는 노 튜브의 가열은 단일 패스(single pass)시 튜브 내의 유동 매체의 완전한 증발을 초래한다. 관류 증기 발생기는 수직 또는 나선식으로 배치된 노 튜브를 가질 수 있지만, 일반적으로 더 간단한 구성으로서 그리고 나선형 튜브를 구비하는 증기 발생기보다 적은 물-측/증기-측 압력 손실을 나타내는 것으로서 수직 튜브 증기 발생기가 종종 선호된다. 그러나, 수직 튜브 발생기는 노 벽을 구성하는 상이한 튜브들에 의해 변화된 열적 프로파일 경험(thermal profile experience)과 관련된 문제점을 초래할 수 있다.

수직 튜브 증기 발생기에서의 튜브 배열체는 복수의 일반적인 직선형 수직 튜브를 포함한다. 전형적인 경우, 복수의 평행한 튜브는 튜브 웨브를 통해 기밀 방식으로 서로 연결되어 노 벽을 형성하고 복수의 이 같은 벽은 다각형 및 예를 들면 직사각형 횡단면의 연소 챔버를 형성한다. 유동 매체는 일 단부로부터 타 단부로, 예를 들면 바닥으로부터 상부로 수직하게 유동한다. 버너는 노 벽 내로 놓인 버너 목부를 통하여 연소 챔버를 점화한다. 증기 발생기는 연소 챔버의 하부에 배열되고 그리고 연소 챔버의 상부를 향하는 수직 가스 연도를 구비한 버너에 의해 점화되는 수직 배열체, 또는 수평 가스 연도와 일반적으로 같은 높이의 버너를 경유하여 점화되는 수평 배열체일 수 있다. 본 발명은 양 배열체에 적용가능하다.

버너는 연소 챔버 용적을 완전히 균일하게 가열하지 않는다. 그러나, 버너가 분포되고 버너가 형성하는 화염이 균일한 방식으로 연소 챔버의 전체 용적을 채우지 못할 것이다. 실제로, 온도는 버너로부터 떨어져서 감소될 것이고 이에 따라 버너 벽의 에지를 향하여 그리고 다각형 연소 챔버의 모서리를 향하여 감소되는 경향이 있을 것이며, 다각형 연속 챔버의 모서리부터 떨어진 벽의 중간을 향하여 더 높을 것이다. 따라서, 중간을 향하는 튜브는 모서리에서의 튜브보다 더 뜨거운 상태를 경험하는 경향이 있다. 부가적으로, 버너 목부에서의 튜브의 위치에 의한 것과 같이 튜브의 특정된 기하학적 형상 때문에 몇몇 튜브는 더 뜨거운 상태를 경험할 수 있다.

결과적으로, 개별 노 튜브에서의 열속(heat flux)은 특히 연소-챔버 벽 내에서의 노 튜브의 위치에 종속한다. 나선형 튜브의 경우, 이러한 영향이 완화된다. 그러나, 나선형 배관이 아닌 길이방향 튜브를 가지는 연소 챔버의 경우, 이러한 영향은 튜브 길이를 따라 영구화되는 경향이 있지만 상기 프로파일은 점화된 버너로부터 떨어져 편평하게 될 수 있다. 따라서 연소 챔버의 모서리 내의 노 튜브는 연소-챔버 벽의 중간에 있는 노 튜브보다 전체 길이에 걸쳐 낮은 가스-측 열-유동 밀도를 경험한다. 균일한 물/증기 유동 상태에서 연소 챔버의 모서리의 구역에서보다 연소-챔버 벽의 중간에서 노 튜브 내로의 더 큰 열 공급이 있다. 튜브가 이러한 상이한 영역에서 다른 균일한 설계인 경우, 이는 더욱 많이 가열된 튜브에서의 더 높은 금속 온도의 잠재성을 초래한다. 이 같은 비-균일 상태는 증기 발생기의 효율적이고 안전한 작동을 방해한다.

수직이 아닌 평행한 튜브 배열체가 배열될 때 유사하게 고려될 수 있다. 본 발명의 원리는 노 엔클로저 벽의 튜브로의 열 입력이 튜브에 대해 수직하게 변화하고 개별 튜브의 열 입력 및 유동의 더욱 근접한 일치에 대한 결과적인 요구가 있는 임의의 경우에 적용할 수 있다.

미국 특허 제5979370호에서 해결책이 제안되며, 이에 의해 노 튜브 배열체는 주어진 노 튜브와 이의 관련된 튜브 웨브의 조합된 열 흡수 표면이 연소-챔버 벽의 중간 구역에서 더 작고 모서리에서 더 크도록 변형된다. 이는 모서리에서 낮은 가스-측 열속의 영향을 동일화하기 위한 수단으로서 제안된다.

US5979370호는 특히 이러한 목적을 달성하기 위한 두 개의 특정 구조를 제안한다. 첫 번째는, 중간을 향하여 더욱 근접하게 배열되도록 튜브의 피치가 변화될 수 있다. 두 번째는, 튜브의 직경이 모서리에서 더 크도록 변화될 수 있다. 비록 양 구조가 주어진 노 튜브 및 이와 관련된 튜브 웨브의 조합된 열 흡수 표면이 연소-챔버 벽의 중간 구역에서 더 작고 모서리에서 더 큰 요구조건을 충족하지만 두 번째 구조의 접근 방식은 문제점이 있다. 다른 균일한 관류 유동 상태에 대해, 모서리에서 더 큰 직경 노 튜브는 증가된 열 흡수 표면의 영향이 보다 더 상쇄되는 더 높은 질량 유동을 경험하게 될 것이다. 중간을 향하는 튜브와 모서리를 향하는 튜브 사이의 온도차는 균일화되지 않고 악화될 것이다.

본 발명에 따라 제 1 양태에서, 증기 발생기는 튜브 웨브에 의해 기밀 방식으로 서로 연결되는, 증발성 유동 매체의 공통 소스로부터 공통 출구로의 평행한 통로를 위한 단일 유체 시스템을 포함하는 복수의 길이 방향으로 배치된 노 튜브들을 함께 포함하는 하나 이상의 연소 챔버 벽을 포함하며;

상기 연속 챔버는 상기 연소 챔버가 점화될 때 상이한 튜브가 상이한 열 입력 수준하에 있도록 배열되며;

적어도 몇몇 노 튜브의 튜브 보어가 낮은 열 입력하에 있는 적어도 몇몇 노 튜브의 튜브 보어보다 더 크다.

본 발명은 특히 다각형 및 예를 들면 직사각형 횡단면의 연소 챔버를 형성하도록 복수의 연소 챔버 벽을 포함하는 연소 챔버를 제공하며 복수의 연소 챔버 벽 중 하나 이상이 상술된 바와 같은 연소 챔버 벽이다.

특별한 일 실시예에서, 본 발명은 연소 챔버가 점화될 때 사용되는 튜브의 길이 방향에 대해 횡단하는 방향으로 변화되는 열 입력 수준하에 있도록 상이한 튜브가 배열되고, 이러한 실시예의 경우 더 높은 열 입력하에 있는 적어도 몇몇 노 튜브의 튜브 보어가 낮은 열 입력하에 있는 적어도 몇몇 노 튜브의 튜브 보어보다 더 크도록 노 튜브의 튜브 보어가 튜브 길이 방향에 대해 횡단하는 방향으로 동일한 방식으로 변화된다.

본 발명은 복수의 튜브가 일반적으로 수직하게 배열되는 수직 튜브 연소 챔버로 특히 적용될 수 있다. 이 같은 경우 연소 챔버가 점화될 때 사용되는 열 입력 수준이 챔버 벽을 따라 수평 방향으로 변화되고 노 튜브의 튜브 보어가 챔버 벽을 따라 수평 방향으로 동일한 방식으로 변화된다. 이 같은 경우의 예가 아래에서 설명된다. 그러나, 본 발명의 원리는 노 둘레 벽의 튜브로의 열 입력이 튜브에 대해 수직하게 변화하고 튜브 보어가 개별 튜브의 열 입력 및 유동의 더욱 근접한 일치를 위해 유사한 방식으로 변화되는 임의의 경우에 적용될 수 있다.

특히, 본 발명은 챔버 내의 상대적 위치 및 예를 들면 연소 챔버 벽을 따른 상대적 위치에 따라 적어도 연소 챔버를 가로질러, 예를 들면 연소 챔버 벽을 가로질러 변화하고 예를 들면 연소 챔버 벽을 따라 수평 방향으로 변화하는 열속의 영역을 수용한다. 본 발명은 개별 튜브를 따른 열 변화와 관련되지 않고 상이한 튜브들 사이에서 경험되는 상이한 열 체제를 수용하도록 상이한 튜브들 사이의 튜브 보어를 변화시킨다.

직사각형 또는 다른 다각형 연소 챔버를 구성하는 일반적인 평면형 연소 챔버를 포함하고, 벽으로부터 점화하는 버너를 구비하는 통상적인 연소 챔버 설계에서, 주어진 벽에서 열속이 중간에서 더 높게 되고 모서리에서 벽의 주변을 향하여 적게 될 것이다(중간 및 주변 구역은 튜브 길이 방향에 대해 횡단하는 방향으로 그리고 수직 튜브의 경우 튜브 수직 방향에 대해 수평한 방향으로서 지칭되는 것으로서 이해된다). 적어도 이 정도까지, 연소 챔버 설계는 상이한 튜브가 벽의 중간을 향하여 더 높은 열속으로 사용되는 상이한 열속으로 그리고 벽의 중간을 향하여 더 높은 열속으로 챔버 벽을 따른 수평 방향으로 변하는 열속으로 처리되도록 한다.

바람직한 실시예에서, 본 발명은 복수의 튜브가 일반적으로 수직하게 배열되는 수직 튜브 연소 챔버에 적용된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 위에서 설명된 바와 같은 연소 챔버 벽이 이러한 변화된 열속을 수용하도록 적용되고 노 튜브의 튜브 보어가 연소 챔버 벽의 횡방향 주변 구역에서보다 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 일반적으로 더 크도록 챔버 벽을 따라 수평 방향으로 변화하는 것이 후속된다.

더욱 자세하게는 이러한 경우 본 발명은 튜브 웨브에 의해 기밀 방식으로 서로 연결되는, 증발성 유동 매체의 공통 소스로부터 공통 출구로의 평행한 통로에 대한 단일 유체 시스템을 포함하는 복수의 길이 방향으로 배치된 노 튜브를 함께 포함하는 하나 이상의 연소 챔버 벽을 가지는 수직 튜브 증기 발생기를 포함하며;

연소 챔버 벽의 횡방향 주변 구역보다 연소 챔버의 중간 구역에서 일반적으로 더 크도록 상기 노 튜브의 튜브 보어는 연소 챔버 벽을 따라 수평 방향으로 변화한다.

본 발명의 추가의 바람직한 일 실시예에서, 증기 발생기는 다각형 횡단면을 가지며 다각형 횡단면에 의해 형성된 모서리를 향하여, 튜브 방향에 대해 횡단하는 방향으로, 그리고 예를 들면 수직 튜브 방향에 대해 횡단하는 수평 방향으로 중간 구역으로부터 연장하는 연소 챔버 벽을 가지는 연소 챔버를 포함하며, 하나 이상의 연소 챔버 벽이 상술된 바와 같이 연소 챔버의 모서리에서보다 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 일반적으로 더 크도록 노 튜브의 튜브 보어가 챔버를 따라 횡방향으로 변화되게 구성된다.

더욱 자세하게는 이러한 경우 본 발명은 다각형 횡단면을 가지고 다각형 단면에 의해 형성된 모서리를 향하여 튜브 방향에 대해 횡단하는 방향으로 중간 구역으로부터 연장하는 연소 챔버 벽을 가지는 연소 챔버를 포함하는 수직 튜브 증기 발생기를 포함하며;

상기 연소 챔버의 횡방향 주변 구역에서보다 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 일반적으로 더 크도록 연소 챔버 벽을 따라 노 튜브의 튜브 보어가 횡방향으로 변화된다.

더욱 자세하게 수직 튜브 실시예에서 본 발명은 다각형 횡단면을 가지고 다각형 횡단면에 의해 형성된 모서리를 향하는 수직 튜브 방향에 대해 횡단하는 수평 방향으로 중간 구역으로부터 연장하는 연소 챔버 벽을 가지는 연소 챔버를 포함하는 수직 튜브 증기 발생기를 포함하며;

상기 연소 챔버의 모서리에서보다 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 일반적으로 더 크도록 연소 챔버를 따라 수평 방향으로 상기 노 튜브의 튜브 보어가 변화된다.

본 발명은 보일러에서 단일 유체 시스템의, 즉 노 벽 방향으로 공통 소스로부터 공통 출구로(그리고 예를 들면 바닥으로부터 상부까지) 평행한 통로에서 증발성 유동 매체를 총괄적으로 이송하는 복수의 일반적인 평행 튜브를 포함하는 단일 유체 시스템의 노 튜브의 튜브 보어를 변형한다. 본 발명은 열속에서의 작동 변화를 고려하고 튜브 온도를 균일화할 것을 의도하도록 국부 열속에 대해 더욱 근접한 튜브 유동을 일치하도록 함으로써, 특히 연소 챔버 벽 상 및/또는 연소 챔버 내의 상대적 위치에 기인하는, 동일한 유체 시스템의 상이한 튜브들 사이의 불균일한 열속의 효과를 완화한다. 본 발명에 따른 튜브 보어 크기는 특히 벽의 모서리 및 중간 영역을 각각 구성하는, 더 높은 열속의 영역에서 증가되고 더 낮은 열속의 영역에서 감소된다.

본 명세서에서 평행한 튜브 연소 챔버 벽에 대한 참조가 복수의 일반적으로 평행한 노 튜브가 배치되는 일 종의 연소 챔버 벽을 참조하는 것으로 본 기술분야에서 이해되는 것으로 당업자가 인정할 것이다. 평행한 튜브 연소 챔버 벽에 대한 참조는 튜브가 공통 소스로부터 공통 출구로 연결되는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 본 기술분야에서 이해되는 바와 같이 엄격한 평행 배열체로부터의 일탈은 연소 챔버 벽이 평행한 튜브 연속 챔버 벽을 여전히 고려하는 정도로 본 발명의 범위로부터 배제되지 않는다.

유사하게, 수직 튜브 노에 대한 참조는 복수의 일반적으로 평행한 노 튜브가 적어도 챔버의 상당한 부분에 대해 일반적으로 수직하게 배치되는 일 종의 연소 챔버에 대한 참조로서 이해될 것이다. 다시, 전적으로(strictly) 평행한 배열체로부터의 일탈은 이 같은 연소 챔버 벽이 본 기술 분야에서 이해되는 바와 같이 수직 튜브 연소 챔버를 여전히 고려하는 정도로 정의의 범위로부터 배제되지 않는다. 수직 튜브 노에서, 튜브가 항상 전적으로 수직으로 배향되지 않으며, 예를 들면 굽혀지거나 호퍼를 형성하도록 수직으로부터 벗어날 수 있다는 것이 이해될 것이다.

본 발명에 따라, 연소 챔버 또는 연소 챔버 벽 내의 상이한 튜브의 보어는 서로로부터 변화되어 챔버 내에서 특히 챔버 벽을 중심으로, 예를 들면 횡방향으로 및 예를 들면 중간으로부터 모서리로 열속 변화에서의 변화를 수용한다. 각각의 개별 튜브는 간단한 설계를 위해, 길이를 따라 일정한 보어일 수 있으며 다수의 경우 바람직하게는 일정한 보어일 것이다. 그러나, 튜브 보어는 본 발명의 기반을 이루는 원리로부터 벗어나지 않으면서 소정의 문제와 씨름하거나 설계를 최적화하도록 튜브의 길이를 따라 선택적으로 변화될 수 있다. 예를 들면, 유동 안정성을 달성하도록 상부를 향하여 튜브 보어를 확대하는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명은 주로 튜브들 사이에서 경험된 열속에서의 차이와 주로 관련되며, 본 발명에 따른 튜브 보어 크기가 더 낮은 열속의 영역에서 튜브에 대해 감소되고 더 높은 열속의 영역에서 튜브에 대해 증가되며, 특히 예시적인 경우 다각형 챔버의 벽의 중간 및 모서리를 구성한다.

이러한 접근은 US5979370호에 의해 제안된 접근과 대비될 수 있다. US5979370호는 벽의 중간을 향하여 튜브 당 외부 열 전달 표면을 감소함으로써 열속에서의 변화를 다룰 것을 시도한다. 이를 달성하는 것이 예상되는 하나의 가능한 방식은 중간 구역에서 투브의 외경을 감소시킴으로써(그리고 결론적으로 가능한 일 실시예에서 또한 튜브의 내경을 감소시킴으로써) 이루어진다. 보어가 어떠한 방식으로도 변화하는 정도로, US5979370호에서의 접근은 이에 따라 특히 본 발명에 의해 적용된 접근의 반대가 된다.

그러나, 이 같은 접근은 튜브 보어에서의 변화로부터 초래하는 튜브 유동 상태에서의 변화를 고려하는데 실패한다. 이러한 결과를 적절히 고려하면, 출원인의 발명에 따라, 적어도 내부 보어에 대해 그리고 이에 따라 또한 외부 벽 주변에 대해 전형적인 일 실시예에서 더 높은 열속의 영역(벽의 중간 구역에서와 같이)에 위치되거나 그 반대로 튜브의 길이를 따라 더 큰 열을 가하는 튜브가 더 크게 제조되는 것이 대신 제안된다. 이러한 방식으로, 튜브 내의 국부적 유량은 튜브 온도 내의 변화를 완화하도록 국부적 열속과 일치한다. 따라서, 본 발명에 따라, 더 높은 열속을 경험하는 노 튜브는 낮은 열속을 경험하는 노 튜브보다 더 큰 보어를 가진다.

따라서, 바람직한 실시예에 따라, 연소 챔버 벽의 중간 구역 내에서의 노 튜브는 연소 챔버의 모서리를 향하여 배치되는 노 튜브보다 더 큰 보어를 가진다.

가능한 배열에서, 챔버 내의 노 튜브는 연소 챔버 벽의 중간으로부터 연소 챔버 벽의 주변을 향하여 이동할 때 인접한 튜브의 튜브 보어에서의 연속적인 감소가 있도록 제공될 수 있다. 또는, 챔버 벽 내의 인접한 노 튜브는 그룹 내로 조합될 수 있으며, 각각 복수의 인접한 튜브들을 포함하며, 상기 그룹의 각각을 구성하는 노 튜브의 보어가 동일하고, 상이한 그룹을 구성하는 노 튜브의 보어가 상이하다. 이러한 경우, 바람직하게는 연소 챔버 벽의 중간으로부터 연소 챔버 벽의 주변을 향하여 이동할 때 튜브의 인접한 그룹의 튜브 보어에서의 연속적인 감소가 있다.

전형적으로, 더 큰 보어를 가지는 노 튜브는 또한 더 큰 주변을 가진다. 전형적으로, 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 노 튜브는 연소 챔버 벽이 주변을 향하여 노 튜브보다 더 큰 주변을 가진다.

편리하게는, 동일한 압력이 주어진 경우, 더 큰 튜브는 일반적으로 강도를 유지하도록 더 두꺼운 벽을 가진다. 따라서, 바람직한 경우 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 노 튜브는 일반적으로 연소 챔버 벽의 주변을 향하여 노 튜브의 중간 구역에서보다 일반적으로 더 두껍다.

바람직하게는, 노 튜브는 원형 보어 및 원형 주변 횡단면을 가진다. 본 발명의 이러한 바람직한 경우에 따라 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 노 튜브는 연소 챔버 벽의 주변을 향하여 노 튜브보다 더 큰 내경을 가진다. 또한 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 노 튜브가 연소 챔버 벽의 주변을 향하여 노 튜브보다 더 큰 외경을 가질 것이다.

본 발명의 일반적인 원리는, 상이한 연소 챔버 벽들 사이 또는 연소 챔버 벽을 가로질러 발생할 수 있는 것과 같이, 연소 챔버에서 상이한 튜브들 사이의 열속 변화의 수용에 있다. 예를 들면, 본 발명은 연소 챔버의 연소 챔버 벽을 따라 튜브 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 점화 배열 및 챔버 설계의 결과로서 발생하는 열속 변화의 수용에 있지만, 특히 수직 튜브 연소 챔버의 연소 챔버 벽을 따라 수평 방향으로 열속 변화의 수용으로 제한되지 않는다. 본 발명은 상태가 가장 뜨겁고 특히 더 높은 열속을 가지는 연소 챔버 내의 구역에 있는 더 큰 보어, 및 상태가 더 차갑고 특히 더 낮은 열속을 가지는 연소 챔버 내의 구역에 있는 더 작은 보어를 가지는 튜브를 이용한다. 최소한도로 예를 들면 특히 다각형 연소 챔버의 평면 벽의 경우 이는 전형적으로 노 튜브의 튜브 보어가 연소 챔버의 모서리에서보다 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 더 큰 배열을 형성한다.

부가적으로 몇몇 노 튜브가 연소 챔버 내의 다른 양태의 기하학적 배열에 의해 특히 뜨겁다는 것이 익숙할 것이다. 특히 예를 들면 버너 목부의 외주를 형성하는 튜브가 더 길고 더 많은 복사 열로 처리되는 경향이 있다. 본 발명의 원리가 또한 이러한 튜브들에 대해 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 더 큰 튜브 보어를 가지는 튜브는 또한 이러한 튜브의 온도를 낮추기 위해 필요한 더 큰 튜브 유동을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 노 튜브의 길이의 일 부분에 대해 연소 챔버 벽 내로 놓인 버너 목부의 외주를 형성하는 노 튜브는 연소 챔버 벽의 평면 부분을 형성하는 노 튜브보다 더 큰 튜브 보어를 가질 수 있다. 이 같은 노 튜브가 노 입구 헤더들과 중간 헤드들 사이의, 하부 노의 총 높이에 대해 더 큰 튜브 보어를 가져야 하며, 단지 버너 외주를 형성하는 섹션에 대해서는 더 큰 튜브 보어를 가지지 않는다.

본 발명은 노 벽을 가로질러 열 입력에서의 차이뿐만 아니라 노 벽들 사이의 열 입력에서의 차이를 수용하는 것에 동일하게 적용가능하다. 따라서, 낮은 열 입력을 가지는 노 벽은 더 높은 열 입력을 가지는 노 벽보다 더 작은 보어를 가지는 튜브를 가질 수 있다.

예를 들면 전방 및 후방 벽 모두의 바닥 부분이 애쉬 호퍼(ash hopper)를 형성하도록 내측으로 벤딩되는, 종래의 직사각형 노에 대해, 측벽은 전방 및 하부 벽보다 낮은 열 입력을 가진다. 측벽 튜브의 튜브 보어는 이들의 전방 및 후방 벽의 튜브 보어보다 더 작을 수 있다. 측벽을 가로질러 열 입력의 변화는 또한 튜브 보어 내의 변화에 의해 수용될 수 있다. 측벽의 중앙 부분에서의 튜브 보어는 부가적으로 위에서 제시된 이유에 대해 측벽 윙의 튜브 보어보다 더 클 수 있다. 그러나 전방 및 후방 벽에서 노 튜브의 튜브 보어는 여전히 측벽의 동등하게 위치된 노 튜브의 튜브 보어보다 더 클 수 있다.

연소 챔버 벽을 구성하는 복수의 노 튜브는 바람직하게는 동일한 재료 구성을 가진다. 튜브 보어 크기 변화가 고온 튜브 영향을 완화하고 전체에 걸쳐 유사한 튜브 구조를 가지는 것이 더 용이하게 되는 것이 본 발명의 장점이다. 연소 챔버를 구성하는 복수의 노 튜브는 균일하게 피칭될 수 있고 및/또는 웨브의 균일한 폭들에 의해 분리된다. 그러나, 본 발명은 이 같은 배열로 제한된다. 예를 들면 피치 및 웨브 폭을 변화시키는 것이 본 기술분야에 알려져 있으며, 본 발명은 노 튜브의 이 같은 더욱 복잡한 배열을 가지는 연소 챔버에 동일하게 적용가능하다.

노 튜브는 매끄러운 내부 표면을 가지는 매끄러운 튜브를 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 내부 리브형 튜브(internally ribbed tube)가 사용된다.

사용 중, 튜브가 서로 인접한 웨브의 표면 및 튜브의 표면은 튜브 내의 유동매체에 대한 열 전달 표면으로서 기능하는 연소 챔버 벽의 일 부분을 형성한다. 바람직한 하나의 배열에서, 부가 열 전달 표면은 튜브 벽의 외부 표면 상의 길이 방향 핀의 형태로 제공될 수 있다.

통상적인 배열에서, 노 튜브는 증발성 유동 매체의 상방 통과를 위해 수직으로 배향된 노 벽에서 수직으로 배치된다.

바람직한 하나의 배열에서, 연소 챔버는 중간 구역으로부터 실질적으로 직교하는 모서리를 향하여 연장하는 연소-챔버 벽을 구비한 실질적인 직사각형 횡단면을 가진다.

전형적으로, 증발성 유동 매체는 물/증기이다.

바람직한 하나의 배열에서, 증기 발생기는 노 튜브가 정상 연속 유동 작동에서 튜브 내의 유동 매체의 단일 패스가 실질적으로 완전한 증발을 초래하도록 배치되는 관류 발생기이다.

바람직한 하나의 배열에서, 증기 발생기는 초임계 상태에서 작동을 위해 적용된 초임계 증기 발생기이다.

초임계 증기 발생기(또한 벤슨 보일러(Benson boiler)로서 알려짐)는 종종 전력의 생산을 위해 사용된다. 초임계 증기 발생기는 "초임계 압력"에서 작동한다. "미임계 보일러"와 대조하여, 초임계 증기 발생기는 실제 비등(boiling)이 발생되는 것이 증단되고 보일러가 물-증기 분리를 가지지 않는 이 같은 고압(3,200 psi/22.06 Mpa 또는 220.6 bar)에서 작동한다. 물 내에서 증기 거품이 발생되지 않는데, 이는 압력이 증기 거품이 형성될 수 있는 "임계 압력" 위에 있기 때문이다. 증기 거품은 고압 터빈 내에서 작동하고 응축기로 들어갈 때 임계 지점 아래를 통과한다. 이는 더욱 효율적이어서 약간 작은 연료 사용을 초래한다. "비등"이 이러한 장치에서 실제로 발생되지 않을 때, 용어 "보일러"는 이 같은 장치에 대한 경우(occasion)에 본 기술 분야에서 사용되지만 초임계 압력 증기 발생기에 대해 전적으로 적절하지는 않다.

정상적으로, 현대의 초임계 증기 발생기는 슬라이딩 압력 모드에서 발생된다. 증기 압력은 보일러 출력으로 감소한다. 이는 보일러 로드가 소정의 수준 아래에 있을 때 초임계 증기 발생기가 여전히 미임계 압력에서 작동하는 것을 의미한다. 비등 프로세스는 미임계 압력에서 발생한다.

본 명세서에서 사용된 바와 같은, "증기 발생기"의 개념은 초임계 및 미임계 압력 모두에 적용되는 것으로 고려되어야 한다.

바람직한 하나의 배열에서, 증기 발생기는 관류 작동을 위해 구성된다. 관류 보일러가 관류 모드에서 작동할 때, 물은 재순환 없이 순차적으로 이코너마이저, 노 벽, 증발 및 초가열 튜브를 통하여 유동한다. 비등 및 증발은 초임계 압력에서 발생되는 것이 중단되지만 비등은 여전히 관류 보일러가 미임계 압력에서 작동할 때 발생된다. 하방 스트림 가열 표면들이 습식 작동을 위해 설계되는 경우 노 벽 출구에서 증발이 완료되는 것을 보장하는 것이 필요하지 않다. 정상적으로 주 SH 하류의 열 표면들은 습식 모드를 위해 설계되지 않는다.

특히 하나의 바람직한 경우, 증기 발생기는 탄소질 화석 연료를 위한 복수 어레이의 버너가 제공되고 이 버너에 의해 사용 중 점화되는 화력 발전소에서 사용하기 위해 구성되며, 이 버너는 연소 챔버를 점화하기 위해 각각의 버너 목부를 통하여 통과한다. 적절한 연료는 고체 및 동일한 분쇄된 고체, 액체, 유제 및 가스를 포함한다.

따라서, 본 발명의 가장 완전한 양태에 따라, 또한 적절한 연료 공급 수단을 구비하고 증기 발생기에 의해 생산된 증기로부터 전력을 발생하기 위한 적절한 수단과 유체 소통되는 상술된 바와 같은 버너에 의해 점화된 상술된 바와 같은 하나 이상의 증기 발생기를 포함하는 화력 발전소가 제공된다.

본 발명은 지금부터 첨부된 도면의 도 1 내지 도 4를 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 증기 발생 장치의 도면이며,
도 2는 본 발명의 원리를 구현하도록 도 1의 장치 내에 포함되는 바와 같은 노 튜브의 배열을 포함하며,
도 3은 노 튜브의 대안적인 하나의 배열을 도시하며,
도 4는 본 발명이 적용될 수 있는 대안적인 증기 발생 장치의 도면이다.

도 1은 본 발명이 적용될 수 있는 수직 튜브 증기 발생기의 일반적이고 개략적인 도면이다. 이는 하나의 예시적인 실시예이다. 동일한 원리는 노 엔클로저 벽의 튜브로의 열 입력이 튜브에 대해 수직하게 변화하고 튜브 보어가 개별 튜브의 열 입력 및 유동의 더욱 근접한 일치를 위해 동일한 방식으로 변화되는 임의의 경우에 적용될 수 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 직사각형 횡단면 및 연도 가스(FG)의 배출을 위한 수직 가스 연도를 가지는 관류 증기 발생기(2)가 보여진다. 연소 챔버는 하부 단부에서 고체 연소 생성물의 수집을 위한 영역을 형성하는 바닥 벽(6) 내로 결합되는 연소 챔버 벽(4)에 의해 형성된다. 연소 챔버는 버너(8)에 의해 점화된다. 도 1의 개략적인 도면에는 한 쌍의 수준에 단지 한 쌍의 버너가 도시되지만, 실제로 버너는 연소 챔버 벽(4)의 주변 둘레로 연장할 것이며 수개의 수준으로 배치될 수 있다.

각각의 노 벽은 단지 적은 개수가 도해 목적을 위해 도시되는, 복수의 수직 노 튜브(10)에 의해 형성된다. 노 튜브는 인터튜브 웨브(intertube web)에 의해 기밀 방식으로 링크된다.

종래 기술에서 알려진 바와 같이, 도시된 전형적인 버너 배열은 상이한 버너 튜브에 의해 경험된 열속에서의 변화를 형성한다. 특히, 전형적인 화염의 기하학적 형상은 직사각형 연소 챔버의 벽의 중앙에 더 높은 열속 그리고 모서리를 향하여 횡방향 외측으로 낮은 열속을 형성하는 경향이 있을 것이다. 반면 이 같은 온도 변화는 나선 튜브에 의해 본질적으로 균등화되며 상기 튜브는 수직하고 동일한 튜브가 이들의 전체 높이에 대해 더 높은 열속을 경험한다.

또한, 몇몇 튜브는 이들의 특정 기하학적 형상 때문에 더 뜨거운 상태를 경험할 것이다. 예를 들면, 비록 도면에는 도시되지 않았지만, 몇몇 수직 튜브는 버너(8)가 연소 챔버를 점화하는 것을 허용하기 위해 연소 챔버 벽(4) 내로 놓인 버너 목부 둘레 및 그 안으로 벗어나게 될 것이며, 버너 목부에서의 특히 높은 복사열 상태로의 결과적인 노출 및 결과적인 특별한 튜브 길이 둘다 또는 어느 하나가 또한 이러한 튜브들에 대해 특히 높은 온도 상태를 형성하는 경향이 있을 수 있다.

따라서, 비록 도 2 및 도 3의 예는 간략화를 위해 단지 본 발명에서의 원리가 도 1의 특별한 버너 배열체의 결과로 일어나는 연소 챔버의 중간 부분과 연소 챔버의 모서리 사이의 열속에서의 변화를 다루는 방법을 설명하지만, 동일한 원리가 예를 들면 버너 목부의 기하학적 형상에 기인하는 것을 포함하여, 개별 튜브들 사이와 같은 임의의 열 변화에 적용될 수 있다는 것이 용이하게 이해될 것이라는 것이 인정될 것이다. 이 같은 고려가 실시예의 벽-점화 직사각형 기하학적 형상으로 제한되지 않는다는 것이 인정될 것이다.

연소 챔버 벽의 중간 부분과 연소 챔버의 모서리 사이의 온도 변화의 영향을 완화하기 위해 본 발명의 원리를 구현하는 두 개의 가능한 예의 배열체가 도 2 및 도 3에 도시된다. 다시, 상대적으로 몇 개의 튜브가 개략적인 목적을 도시되었지만, 실제 시스템이 매우 더 큰 복수의 개별 튜브들을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

도 2 및 도 3은 수직 튜브를 횡단면도로 도시된다. 예에서 이러한 튜브는 일정한 보어 및 벽 주변 표면을 가지고 수직 방향으로 연장한다. 이러한 배열체는 종종 바람직할 수 있지만, 본 발명의 원리는 튜브의 길이를 따라 변화하는 보어를 가지는 튜브를 포함한다. 개략적으로 매끄러운 원형 보어 및 매끄러운 원형 주변 벽을 구비한 상기 실시예에서의 튜브가 개략적으로 도시되지만, 본 발명은 특별한 보어 또는 벽 프로파일로 제한되지 않는다.

각각의 도면에서, 직사각형 모서리(C)로부터 연장하고 모서리로부터 벽(M)의 폭의 중간 지점을 향하여 이격되는 한 쌍의 연소 챔버 벽(4)이 도시된다. 대체로, 전형적인 화염의 기하학적 형상으로, 열속은 노 벽을 따라 수평 방향으로 변화하는데, 여기에서 중간 라인(M) 근처의 노 벽이 모서리(C)에서 발생하는 것보다 더 큰 열속을 경험한다. 주어진 연소 챔버에 대해, 이 같은 변화가 챔버 설계에 종속되고 예상될 수 있다. 본 발명은 특별한 가열 영향을 완화하도록 노 벽을 따라 수평 방향으로 열속에서의 이 같은 변화에 물/증기 유량과 일치하도록 시도함으로써 바람직한 방식으로 이를 수행하는데, 특별한 가열 영향을 완화하지 않으면, 모서리(C)에 대해 벽의 중간(M)을 향하여 발생하는 경향이 있다

도 2에 도시된 실시예에서, 복수의 원통형 노 튜브(16)는 기밀 인터튜브 웨브(14)에 의한 연결에 의해 연소 챔버 벽(4)을 형성한다. 도시된 실시예에서, 튜브는 모서리(C)로부터 중간(M)으로 이동함에 따라 단면이 연속적이고 점진적으로 커진다. 이는 본 발명이 특징으로 하는 효과를 달성한다.

본 발명의 요지는 실시예에서 모서리(C)와 중간(M) 사이에서 발생되는 튜브 보어에서의 변화이다. 튜브의 외경은 편리하게는 또한 적절한 튜브 두께를 유지하도록 변경된다. 도시된 예에서, 튜브는 원통형이며 튜브 보어 및 외부 직경이 비례하여 변화하도록 유사한 형상이다. 그러나, 기본적으로 벽을 가로질러 수평 방향으로의 튜브 보어에서의 변화, 및 본 발명에 의해 이용되는 효과에 대한 주요 기여 인자인 유량에서의 결과적인 변화이다.

대안적인 하나의 배열이 도 3에 도시된다. 도 3에서, 제조 프로세스를 단순화하도록, 원통형 튜브가 크기에 의해 그룹화되어 그룹 내의 각각의 튜브가 동일한 크기를 가지지만 그룹들 사이의 크기는 단계적인 방식으로 변화하여 일반적으로 더 큰 직경 튜브가 연소 챔버 벽의 중간(M)에서 사용되고 일반적으로 더 작은 직경 튜브가 연소 챔버의 모서리(C)에서 사용되는 동일한 효과를 형성하도록 한다. 도시된 실시예에서, 제 1의 가장 작은 세트의 튜브(16c)는 연소 챔버의 모서리에 그리고 연소 챔버의 모서리 근처에 제공되며, 제 2의 더 큰 세트의 튜브(16b)는 모서리로부터 이격되어 제공되고 제 3의 가장 큰 세트의 튜브(16a)는 연소 챔버 벽의 중간을 향하여 제공된다. 물론 다시, 매우 작은 개수의 튜브는 설명의 목적을 위해 사용되며 매우 많은 개수의 튜브가 실제로 존재할 것이다.

버너 존(zone) 위에, 비록 열속 프로파일이 노 높이를 따라 더 편평하게 될 수 있지만 열속은 노 벽의 중앙 부분에서 여전히 더 높다. 따라서, 그리고 다른 질량 유동 이유 때문에, 보어 및 벽 둘레 표면이 특별한 경우 가변적이지만, 전형적으로 일정한 보어 및 전형적으로 또한 벽 둘레 표면을 구비한 튜브가 전형적으로 수직 방향으로 연장하게 될 것이다.

본 발명은 특히 버너의 기하학적 배열에 기인한 고려와 관련하여 위에서 설명된다. 일반적인 원리가 이 같은 고려로 제한될 것이 요구되지 않는다는 것을 용이하게 인정할 것이다.

예를 들면, 벽 점화 및 코너 점화 배열체 모두의 종래의 직사각형 노에 대해, 양 전방 및 후방 벽의 바닥 부분이 애쉬 호퍼를 형성하도록 내측으로 굽혀진다. 전방 및 후방 벽의 가열 표면적은 애쉬 호퍼를 형성하기 위해 증가되지만 측벽의 가열 표면적은 호퍼 경사에 의해 감소된다. 수직 가열 표면에 비해, 호퍼 경사는 또한 노 복사 열을 픽업(pick up)하는데 더 효율적이다. 상기 이유 때문에, 측벽의 단위 폭당 가열 표면은 전방 및 후방 벽의 가열 표면보다 적은 열을 픽업한다. 측벽의 튜브 크기는 전방 및 후방 벽의 튜브 크기보다 더 작을 수 있다. 전방 및 후방 벽과 같이, 전방 벽의 중앙 부분에서의 튜브가 측벽 윙(side wall wing)의 튜브보다 더 클 수 있다.

본 발명은 도 1에 특히 도시된 타입의 수직 연도를 구비한 직사각형 수직 튜브 관류 증기 발생기를 참조하여 설명된다. 본 발명은 이 같은 증기 발생기에 유용하게 적용 가능하지만, 일반적인 원리가 이 같은 증기 발생기에 제한될 필요가 없다는 것을 용이하게 인정될 것이다.

특별한 대안적인 증기 발생기 설계가 도 4에 도시된다.

도 4의 실시예에서, 연소 챔버(70)는 수평 연도(72) 및 하류 연도(74) 하류에 연속적으로 제공된다. 연도(74)는 완전히 도시되지 않았다. 상기 장치는 연도가 두 개의 연도 가스 유동 화살표(FG)에 의해 도시된 바와 같이 수직 또는 수평으로 배열될 수 있도록 배열될 수 있다.

연소 챔버(52)는 복수의 수직 튜브(60)를 다시 포함하는 연소 챔버 벽(54)에 의해 형성되며 버너(58)에 의해 점화된 벽이다. 위에서 설명된 본 발명의 원리는 연소 챔버의 벽 상에 입사하는 열속의 인지(knowledge)에 의해 용이하게 적용될 수 있어, 튜브 온도의 변화를 완화하기 위해 튜브가 다시 더욱 근접하게 일치되게 국부적 열속이 유동하도록 튜브 크기를 변화시킨다.

예를 들면, 하나의 가능한 고려는 버너가 도 4에 도시된 바와 같이 전방 벽 상 또는 측벽의 전방 부분 상에 배치될 수 있는 설계 옵션으로부터 발생된다. 노의 루프 및 전방 벽 모두 상에, 열속이 중앙에서 더 높고 윙(wing)을 향하여 더 낮아진다. 노의 측벽 상의 가스 유동 방향을 따라, 열속이 상당히 변화한다. 버너의 근처에서의 열속은 버너로부터 이격된 단부에 근접한 열속보다 몇 배 더 클 수 있다. 국부적 열 입력에 대해 튜브 물/증기 유동을 일치하기 위한 튜브 크기의 변화는 수평 보일러의 엔클로저 벽들 모두에 대해 튜브 온도를 균일하게 하는 매우 효과적인 방식이다. 측벽에 대해 거의 필수적이다.

본 발명의 원리가 특별한 튜브에 의해 경험된 특정 기하학적 형상 또는 전체 연소 챔버 기하학적 형상의 결과로서, 사용 동안 연소 챔버를 통한 튜브 온도를 균일화하도록 상기 더 큰 전체 열 입력의 영향을 완화하도록, 튜브가 더 높은 열속으로 또는 그렇지 않으면 튜브의 길이를 따라 더 큰 전체 열 입력하에 있는 것이 알려져 있는 임의의 상황에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims (21)

1. 다각형 횡단면 및 연소 챔버 벽을 구비한 연소 챔버를 포함하는 증기 발생기로,
   연소 챔버 벽은 중간 구역으로부터 다각형 횡단면에 의해 형성된 연소 챔버 모서리를 향해서 횡방향으로 연장되며,
   연소 챔버 벽 중 적어도 하나의 연소 챔버 벽은, 튜브 웨브에 의해 기밀 방식으로 서로 연결되며, 증발성 유동 매체가 공통 소스로부터 공통 출구로 평행하게 통과하기 위한 단일 유체 시스템을 포함하는 복수의 길이 방향으로 배치된 노 튜브를 포함하고;
   상기 연소 챔버가 점화될 때 연소 챔버 벽의 중간 구역에 위치되는 노 튜브가 연소 챔버 벽의 횡방향 주변 구역 쪽에 위치되는 노 튜브보다 더 높은 열 입력 수준을 받도록 상기 연소 챔버가 배열되고;
   상기 연소 챔버 벽의 횡방향 주변 구역에서보다 상기 연소 챔버 벽의 중간 구역에서 일반적으로 더 크도록, 상기 노 튜브의 튜브 보어가 상기 챔버 벽을 수평 방향으로 변화되는 증기 발생기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연소 챔버는 직교하는 모서리를 향하여 연장하는 연소 챔버 벽을 구비한 직사각형 횡단면을 가지는 증기 발생기.
3. 제1항에 있어서,
   챔버 벽 내의 상기 노 튜브가 상기 연소 챔버 벽의 주변을 향하여 상기 연소 챔버 벽의 중간으로부터 인접한 튜브의 튜브 보어가 연속적으로 감소되도록 구성되는 증기 발생기.
4. 제1항에 있어서,
   챔버 벽 내의 노 튜브는 그룹으로 조합되고, 상기 그룹의 각각을 구성하는 튜브의 보어는 동일하고, 상이한 그룹을 구성하는 튜브의 보어는 상이한 증기 발생기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 연소 챔버 벽의 주변을 향하여 상기 연소 챔버 벽의 중간으로부터 튜브의 인접한 그룹들의 튜브 보어가 연속적으로 감소되는 증기 발생기.
6. 제1항에 있어서,
   각각의 노 튜브는 길이를 따라 일정한 보어를 가지는 증기 발생기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 연소 챔버 벽의 중간 구역의 노 튜브는 상기 연소 챔버 벽의 주변 구역 쪽의 노 튜브보다 더 큰 외부 직경을 가지는 증기 발생기.
8. 제1항에 있어서,
   더 큰 보어를 가지는 노 튜브가 또한 더 큰 튜브 벽 주변을 가지는 증기 발생기.
9. 제1항에 있어서,
   각각의 노 튜브가 원형 보어 및 원형 주변 횡단면을 가지는 증기 발생기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 연소 챔버 벽의 중간 구역 내의 노 튜브는 상기 연소 챔버 벽의 주변에서 상기 노 튜브보다 더 큰 내경을 가지며 상기 연소 챔버 벽의 주변에서 상기 노 튜브보다 더 큰 외경을 가지는 증기 발생기.
11. 제1항에 있어서,
    상기 연소 챔버 내의 노 튜브의 기하학적 배열로 인해 평균 열 입력보다 더 높은 평균 열 입력하에 있는 노 튜브가 상기 연소 챔버 내의 노 튜브의 기하학적 배열로 인해 낮은 열 입력하에 있는 노 튜브보다 더 큰 튜브 보어를 가지는 증기 발생기.
12. 제11항에 있어서,
    노 튜브의 길이의 일 부분에 대해 상기 연소 챔버 벽 내로 놓인 버너 목부의 외주를 형성하는 노 튜브가 상기 연소 챔버 벽의 평면형 부분을 형성하는 노 튜브보다 더 큰 튜브 보어를 가지는 증기 발생기.
13. 제1항에 있어서,
    복수의 길이 방향으로 배치된 노 튜브를 각각 포함하는 복수의 연소 챔버 벽을 포함하며, 더 높은 열 입력하에 있는 벽 내의 상기 노 튜브의 튜브 보어가 낮은 열 입력하에 있는 벽 내의 노 튜브의 튜브 보어보다 더 큰 증기 발생기.
14. 제13항에 있어서,
    전방 벽, 후방 벽 및 측벽을 갖는 직사각형 연소 챔버를 포함하고 상기 전방 및 후방 벽 내의 상기 노 튜브의 튜브 보어가 상기 측벽 내의 동일한 노 튜브의 튜브 보어보다 더 큰 증기 발생기.
15. 제1항에 있어서,
    높은 열 입력을 받는 루프의 적어도 일부 노 튜브의 튜브 보어는 낮은 열 입력을 받는 루프의 적어도 일부 노 튜브의 튜브 보어보다 더 큰 증기 발생기.
16. 제1항에 있어서,
    상기 노 튜브는 내부 리브형 튜브 보어(internally ribbed tube bore)를 가지는 증기 발생기.
17. 제1항에 있어서,
    상기 노 튜브는 증발형 유동 매체의 상부 통과를 위해 수직으로 배향된 노 벽 내에 수직으로 배치되는 증기 발생기.
18. 제1항에 있어서,
    관류 작동(once-through operation)을 위해 배열되고 정상 연속 유동 작동에서 튜브 내의 유동 매체의 단일 패스가 완전한 증발을 초래하도록 노 튜브가 배치되는 증기 발생기.
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