KR101981889B1 - 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 효율을 높이기 위해 폐열을 회수할 수 있도록 하는 기술에 관련되는 것이되, 증기와 물을 혼합하여 상기 물을 가열시키는 증기분사기로서, 일단을 통해 상기 증기가 유입된 후 타단을 통해 배출되는 증기분사관; 상기 타단 면에 원을 이루면서 형성되는 복수의 노즐; 상기 증기분사관의 내부에 구비되는 다공성 플레이트; 후단 부위가 상기 증기분사관의 타단 외면을 감싸면서 복수의 결합포인트에 의해 연결됨으로써 상기 물이 유동되는 유로가 형성되며, 전단으로는 상기 노즐을 감싸되 상기 노즐의 외경 보다 큰 내경을 갖는 복수의 믹싱노즐이 형성되는 혼합분사관; 원형고리 형태를 이루되, 중심부로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연결편을 갖는 지지체와, 상기 지지체의 가장자리로부터 어느 일측으로 돌출되며, 끝단에는 걸림돌기가 형성되고 탄력을 가지며, 상기 혼합분사관의 외면에 형성되는 걸림홈에 상기 걸림돌기가 걸려 설치되는 복수의 아암과, 상기 연결편으로부터 상기 아암이 형성되는 방향으로 돌출되게 연장되어 상기 믹싱노즐 내부를 향하게 되는 샤프트와, 상기 샤프트의 단부에 연결되는 프로펠러를 포함하는 믹서모듈;을 포함하여 이루어지고, 상기 믹싱노즐에서 상기 증기와 물이 혼합되면서 분사되는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기이다.

Description

복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기{Vapor ejector for the Heat Recovery Steam Generator of a thermoelectric power plant}

본 발명은 에너지 효율을 높이기 위해 폐열을 회수할 수 있도록 하는 기술에 관련되는 것이되, 특히 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기에 관한 기술이다.

환경규제조건이 강화됨에 따라, 석탄화력 및 원자력 발전(장치)에 비하여, 공해의 배출이 적으면서도 높은 성능과 신뢰성을 갖춘 복합화력 발전소의 건설이 급격히 증가되고 있다.

도 1은 일반적인 복합화력발전 시스템의 구성도이다.

도시된 바와 같이 복합화력발전 시스템은 가스터빈에 의한 1차 전력 생산과 스팀터빈에 의한 2차 발전이 이루어지게 된다. 일반적인 복합화력발전 시스템의 전력 생산량을 예로 들면 가스터빈의 발전용량은 약 50MW 이상이고, 스팀터빈의 발전용량도 보통 50MW 이상으로서 합계 100MW 정도여서 소규모 도시 또는 신도시 정도를 커버할 정도의 전기를 생산하게 된다.

복합화력발전 시스템은 먼저 천연가스(LNG) 등의 가스를 압축기(1)에서 압축시킨 후 연소기(2)에서 연소시켜 발생된 배기가스를 가스터빈(3)에 공급하여 팽창시켜 회전시키고, 가스터빈(3)과 연동되는 제 1 발전기(4)에서 1차 발전을 하게 된다. 이때 가스터빈의 출력을 100이라고 할 때 60%는 압축기를 가동하는데 사용되고, 발전기 가동에는 40% 정도가 사용된다.

2차 발전은 가스터빈에서 배출된 고온의 가스(약 540 ℃)를 이용하여 발전하기 위해 추가로 연료를 공급하여 덕트 버너(5)에서 재연소시켜 최대 900℃의 가스를 생성 후, 배열회수용 보일러(HRSG; Heat Recovery Steam Generator, 6)에서 공급된 외부의 물과 열교환시킴으로써 고온 고압(약 540℃, 180 bar)의 스팀을 생성하여 스팀터빈(7)에 공급함으로써 스팀터빈과 연동된 제 2 발전기(8)에서 2차 발전을 하게 된다.

즉, 복합화력발전소의 경우 가스터빈에서 배출되는 증기의 열을 배열회수보일러를 통해 회수하므로, 증기와 급수를 혼합하여 스팀을 생성하는 증기분사기의 역할이 무엇보다도 중요하다 할 수 있을 것이다.

기존의 증기분사기는 복수의 구성요소들을 용접으로 결합하여 구성하였기 때문에 제작 시간 및 비용이 높아 가격경쟁력이 낮다는 문제점이 있었고, 또한 용접 부위가 많음에 따라 그만큼 용접불량 발생 가능성이 높다는 문제점이 있었다.

그리고 고온. 고압의 증기가 분사됨에 따라 발생되는 지나친 소음의 문제가 있었고, 증기가 물을 가열하면서 발생되는 부피 감소로 인한 워터 해머 현상에 의한 과도한 소음도 문제가 되었었다.

대한민국 등록특허 제10-1412089호

이에 본 발명에서는 콤팩트한 구조이면서 용접 부위를 최소화함으로써 비용절감 및 품질 향상을 통한 제품 경쟁력을 높일 수 있도록 하는 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기를 제공하고자 한다.

그리고 본 발명은 고압 고압의 증기를 사용함에 따른 지나친 소음 발생을 억제할 수 있는 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기를 제공하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명의 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기는, 증기와 물을 혼합하여 상기 물을 가열시키는 증기분사기로서, 일단을 통해 상기 증기가 유입된 후 타단을 통해 배출되는 증기분사관; 상기 타단 면에 원을 이루면서 형성되는 복수의 노즐; 상기 증기분사관의 내부에 구비되는 다공성 플레이트; 후단 부위가 상기 증기분사관의 타단 외면을 감싸면서 복수의 결합포인트에 의해 연결됨으로써 상기 물이 유동되는 유로가 형성되며, 전단으로는 상기 노즐을 감싸되 상기 노즐의 외경 보다 큰 내경을 갖는 복수의 믹싱노즐이 형성되는 혼합분사관; 원형고리 형태를 이루되, 중심부로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연결편을 갖는 지지체와, 상기 지지체의 가장자리로부터 어느 일측으로 돌출되며, 끝단에는 걸림돌기가 형성되고 탄력을 가지며, 상기 혼합분사관의 외면에 형성되는 걸림홈에 상기 걸림돌기가 걸려 설치되는 복수의 아암과, 상기 연결편으로부터 상기 아암이 형성되는 방향으로 돌출되게 연장되어 상기 믹싱노즐 내부를 향하게 되는 샤프트와, 상기 샤프트의 단부에 연결되는 프로펠러를 포함하는 믹서모듈;을 포함하여 이루어지고, 상기 믹싱노즐에서 상기 증기와 물이 혼합되면서 분사되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 증기분사관은, 상기 일단으로부터 상기 타단으로 갈수록 내경이 확장되는 형상을 이루며, 상기 다공성 플레이트는 증기분사관의 내경이 확장되기 시작하는 부근에 마련됨으로써 상기 증기가 상기 다공성 플레이트를 통과하면서 압력강하가 이루어지게 되며, 상기 증기분사관, 노즐, 다공성 플레이트는 주조방식으로 일체로 성형되며, 상기 결합포인트는, 상기 증기분사관의 타단 외면에 이격거리를 두고 돌출되는 복수의 연결돌기와 상기 혼합분사관의 후단 내경에 상기 연결돌기에 대응하게 형성되는 연결홈 또는 연결홀로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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바람직하게 상기 노즐은, 외측으로 벌어지는 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기는 주조 방식을 통해 증기분사관과 혼합분사관을 연결하는 형태로 조립을 함으로써 용접 부위가 최소화되어 가격은 물론 품질적인 측면에서도 높은 제품 경쟁력을 확보할 수 있도록 한다는 효과가 있다.

그리고 본 발명에 의하면 효과적인 압력강하를 통해 소음 발생을 줄일 수 있도록 한다는 효과도 있다.

또한, 압력용기 내부에 설치될 수 있기 때문에 증기 공급을 위한 배관 외에는 추가적인 배관의 설치가 필요없게 되고, 공간 활용도를 높일 수 있다는 효과도 있다.

또한, 본 발명의 경우 증기와 물의 유입방향과 진행 방향이 거의 동일하기 때문에 과도한 난류 발생을 억제함으로써 유체의 이송을 보다 원활하도록 할 수 있다는 효과도 있다.

그리고 본 발명에는 믹싱모듈이 구비되어 믹싱노즐을 통해 배출되는 증기와 물은 보다 원활하게 혼합이 이루어지게 된다는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 복합화력발전 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기의 단면 구성도.
도 3은 본 발명에 의한 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기의 사용 예시도.
도 4는 증기분사관 및 노즐의 사시도.
도 5는 혼합분사관의 사시도.
도 6은 본 발명에 의한 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기의 절개 사시도.
도 7은 믹서모듈의 개략적인 사시도.

이하 본 발명에 의한 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기에 대해 보다 상세한 설명을 하도록 하며, 첨부되는 도면을 참조하는 것으로 한다. 단, 제시되는 도면 및 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 기술적 사상에 따른 하나의 실시 가능한 예를 설명하는 것인 바, 본 발명의 기술적 보호범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기의 단면 구성도이며, 도 3은 본 발명에 의한 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기의 사용 예시도이며, 도 4는 증기분사관 및 노즐의 사시도이며, 도 5는 혼합분사관의 사시도이고, 도 6은 본 발명에 의한 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기의 절개 사시도를 나타낸 것이고, 도 7은 믹서모듈의 개략적인 사시도를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 의한 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기(이하, 증기분사기라 한다)는 주요한 구성요소로 증기분사관(100), 노즐(200), 다공성 플레이트(300), 혼합분사관(400) 및 믹서모듈(500)을 포함하여 이루어질 수 있다.

기본적으로 본 발명의 증기분사기는 고온. 고압으로 공급되는 증기의 열을 회수하기 위해 증기와 물을 혼합되게 하여 물을 가열할 수 있도록 하는 것이다.

바람직하게 본 발명의 증기분사기는 도 3과 같이 소정의 압력용기(10) 내부에 설치되도록 하며, 증기분사관(100)을 통해 고온. 고압의 증기가 유입된다.

증기분사관(100)의 일단을 통해 증기가 공급되며, 상기 일단에 증기공급을 위한 증기공급관(20)이 연결될 수 있다. 증기분사관(100)은 압력용기(10) 내부에 고정 설치되며, 증기분사관(100)의 일단을 통해 유입된 증기는 타단을 통해 배출된다.

보다 구체적으로 증기분사관(100)은 일단으로부터 타단으로 갈수록 내경이 확장되는 형상을 이루도록 함이 바람직하다.

증기분사관(100)의 타단 면에 복수의 노즐(200)이 형성되는데, 노즐(200)들은 소정의 각도를 유지하면서 원을 이루면서 배치되도록 하고, 노즐(200)들은 타단 면으로부터 소정 길이 만큼 돌출되도록 함이 바람직하다.

그리고 노즐(200)들은 증기분사관(100)의 센터축과 평행하게 배치될 수도 있지만, 도 4와 같이 각 노즐(200)들이 외측으로 소정의 각도로 벌어지는 형태로 형성될 수도 있다. 노즐(200)들을 외측으로 경사지게 배치함으로써 노즐(200)을 통해 고압으로 분사되는 증기의 고른 확산을 유도할 수 있다는 유용한 효과가 있고, 이를 통해 노즐(200) 이후 영역에서 물과 증기의 고른 혼합을 더욱 유도할 수 있다.

증기분사관(100)의 내부에는 다공성 플레이트(300)가 마련되며, 다공성 플레이트(300)는 소정 구경의 구멍이 고르게 형성되는 판상체로서 증기는 다공성 플레이트(300)에 형성된 구멍을 통과하게 된다.

바람직하게 다공성 플레이트(300)는 증기분사관(100)의 내경이 확장되기 시작하는 부위인 대략 총 길이 중 중간 부위 근처에 설치되도록 하는 것이 바람직하며, 이에 따라 고온. 고압 상태로 증기분사관(100)으로 유입되는 증기는 다공성 플레이트(300)를 통과하면서 내경이 확장되는 구조적 특성으로 인해 압력 강하가 이루어지게 된다.

즉, 증기분사관(100)으로 최초 유입되는 증기는 과도하게 높은 압력을 가지고 있는데, 이로 인해 지나친 소음이 발생하는 바, 본 발명에서는 다공성 플레이트(300)를 증기분사관(100) 내부에 설치하고 증기분사관(100)의 내경 변화를 통해 압력 강하가 이루어질 수 있도록 한다.

증기분사관(100)의 타단측 외면에 연결되는 혼합분사관(400)이 마련되며, 혼합분사관(400)의 후단 부위가 증기분사관(100)의 타단 외면을 감싸는 형태로 복수의 결합포인트(P)에서 연결 고정된다.

결합포인트(P)는 최소 2곳 이상이 형성되게 하며, 결합포인트(P) 이외 구간은 빈 공간이 되어 물이 유동되는 유로가 된다.

바람직하게 결합포인트(P)는 연결돌기(P1)와 이에 대응하는 연결홈(P2) 또는 연결홀(P2)로 이루어질 수 있는데, 본 실시예의 경우 증기분사관(100)의 타단 측 외면에 외격거리를 두고 복수의 연결돌기(P1)가 형성되도록 하며, 혼합분사관(400)의 후단 내경에 연결돌기(P1)에 대응하는 연결홈(P2)이나 연결홀(P2)을 형성시켜서 연결돌기(P1)를 연결홈(P2)이나 연결홀(P2)에 맞추어 조립이 이루어질 수 있도록 한다.

결합포인트(P)를 통해 증기분사관(100)과 혼합분사관(400)을 연결한 다음에는 용접 등의 방법으로 결합포인트(P)를 상호 고정되게 결합시키도록 하여 일체를 이루도록 한다.

그리고 혼합분사관(400)의 전단으로는 노즐(200)을 감싸는 믹싱노즐(410)이 형성되는데, 믹싱노즐(410)은 각각의 노즐(200)에 대응하며, 노즐(200)의 외경 보다 믹싱노즐(410)의 내경이 크도록 함으로써 노즐(200) 외경과 믹싱노즐(410)의 내경 사이에 물이 통과할 수 있는 이격공간이 형성되도록 한다.

그리고 믹서모듈(500)이 구비되는데, 믹서모듈(500)은 아암(520)이 혼합분사관(400)의 외면에 걸리게 하여 혼합분사관(400) 전방으로 배치되며, 믹싱노즐(410) 내부를 향하여 연장되는 샤프트(530)와, 샤프트(530)의 단부에 연결되는 프로펠러(540)를 포함하게 된다. 믹서모듈(500)이 구비됨으로써 믹싱노즐(410)을 통해 분출되는 증기와 물은 더욱 원활하게 혼합이 이루어지면서 배출될 수 있다.

구체적으로 믹서모듈(500)은 지지체(510), 아암(520), 샤프트(530), 프로펠러(540)로 이루어질 수 있으며, 지지체(510)는 원형고리 형태를 이루며 중심부로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연결편(511)을 가지게 된다. 따라서 이웃하는 연결편(511) 사이는 빈 공간이 되며, 연결편(511)은 믹싱노즐(410)의 갯수만큼 구비된다.

바람직하게 연결편(511)은 대략 중간지점에 원형을 이루는 연결판(512)이 형성되게 하고, 연결판(512)으로부터 샤프트(530)가 돌출되어 믹싱노즐(410) 내부까지 연장되도록 한다.

그리고 지지체(510)의 가장자리를 따라 다수의 아암(520)이 형성되는데, 아암(520)은 지지체(510)의 어느 일측으로 돌출되며, 연결편(511)으로부터 돌출되는 샤프트(530)와 동일한 방향으로 형성된다. 아암(520)은 복수개가 등간격을 이루면서 지지체(510)로부터 형성되고, 아암(520)의 끝단에는 걸림돌기(521)가 형성되고 탄력을 가지는 것으로 한다.

아암(520)의 걸림돌기(521)는 혼합분사관(400)에 믹서모듈(500)을 설치하기 위한 것으로서, 이를 위해 걸림돌기(521)에 대응하여 혼합분사관(400)의 외면에는 복수의 걸림홈(420)이 형성되게 한다. 아암(520)은 탄성을 갖기 때문에 아암(520)을 외측으로 벌리면서 걸림돌기(521)가 걸림홈(420)에 끼워지게 하면 간단하게 믹서모듈(500)을 설치할 수 있다.

샤프트(530)의 단부에는 프로펠러(540)가 설치되며, 프로펠러(540)는 믹싱노즐(410) 내부에 위치하게 되고, 따라서 믹싱노즐(410)을 통해 분출되는 증기와 물은 프로펠러(540)를 거치면서 더욱 균일하게 혼합되면서 배출될 수 있다.

상술한 바와 같은 구성 및 결합관계에 의해 증기분사관(100) 내부를 통해서 유입되는 증기는 노즐(200)을 통해 분사되며, 동시에 증기분사관(100)과 결합된 혼합분사관(400)의 믹싱노즐(410)로 물이 유동되면서 노즐(200)을 통해 분사된 증기와 물이 원활하게 혼합되면서 열교환이 이루어져 물을 가열되게 한다.

특히, 소정의 압력용기(10) 내부에 장착되는 증기분사기는 증기분사관(100)을 통한 고온. 고압의 증기가 노즐(200)을 통해 분사됨에 따라 발생되는 물의 흐름에 의해 증기분사관(100)의 외면과 혼합분사관(400)의 내면 사이의 틈을 통해 물의 흐름이 생기면서 물은 믹싱노즐(410)을 통해 유동되기 때문에 자연스럽게 증기와 물의 혼합이 이루어지면서 물을 가열시킬 수 있게 된다.

한편, 보다 바람직하게 본 발명의 주요한 구성요소인 증기분사관(100), 노즐(200), 다공성 플레이트(300)는 주조를 통해 일체로 성형되게 함으로써 조립 내지 용접되는 부품수를 줄일 수 있도록 한다.

증기분사관, 노즐 및 다공성 플레이트를 개별적으로 제작한 후 조립하는 경우 용접을 통해 결합할 수 있는데, 용접을 실시하게 되면 비용상승의 원인이 되고 불량 발생 가능성이 높아지는 문제점이 있는 바, 세 구성요소를 주조로 한 번에 성형되게 하는 것이 효율적이다.

본 발명은 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기로 사용되어 열효율을 높이기 위한 용도로 사용될 수 있다.

100 : 증기분사관
200 : 노즐
300 : 다공성 플레이트
400 : 혼합분사관
410 : 믹싱노즐
420 : 걸림홈
500 : 믹서모듈
510 : 지지체
511 : 연결편
512 : 연결판
520 : 아암
521 : 걸림돌기
530 : 샤프트
540 : 프로펠러
10 : 압력용기
20 : 증기공급관
P : 결합포인트
P1 : 연결돌기
P2 : 연결홈(연결홀)

Claims (4)

1. 증기와 물을 혼합하여 상기 물을 가열시키는 증기분사기로서,
   일단을 통해 상기 증기가 유입된 후 타단을 통해 배출되는 증기분사관;
   상기 타단 면에 원을 이루면서 형성되는 복수의 노즐;
   상기 증기분사관의 내부에 구비되는 다공성 플레이트;
   후단 부위가 상기 증기분사관의 타단 외면을 감싸면서 복수의 결합포인트에 의해 연결됨으로써 상기 물이 유동되는 유로가 형성되며, 전단으로는 상기 노즐을 감싸되 상기 노즐의 외경 보다 큰 내경을 갖는 복수의 믹싱노즐이 형성되는 혼합분사관;
   원형고리 형태를 이루되, 중심부로부터 방사상으로 연장되는 복수의 연결편을 갖는 지지체와, 상기 지지체의 가장자리로부터 어느 일측으로 돌출되며, 끝단에는 걸림돌기가 형성되고 탄력을 가지며, 상기 혼합분사관의 외면에 형성되는 걸림홈에 상기 걸림돌기가 걸려 설치되는 복수의 아암과, 상기 연결편으로부터 상기 아암이 형성되는 방향으로 돌출되게 연장되어 상기 믹싱노즐 내부를 향하게 되는 샤프트와, 상기 샤프트의 단부에 연결되는 프로펠러를 포함하는 믹서모듈;을 포함하여 이루어지고, 상기 믹싱노즐에서 상기 증기와 물이 혼합되면서 분사되는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 증기분사관은,
   상기 일단으로부터 상기 타단으로 갈수록 내경이 확장되는 형상을 이루며, 상기 다공성 플레이트는 증기분사관의 내경이 확장되기 시작하는 부근에 마련됨으로써 상기 증기가 상기 다공성 플레이트를 통과하면서 압력강하가 이루어지게 되며,
   상기 증기분사관, 노즐, 다공성 플레이트는 주조방식으로 일체로 성형되며,
   상기 결합포인트는, 상기 증기분사관의 타단 외면에 이격거리를 두고 돌출되는 복수의 연결돌기와 상기 혼합분사관의 후단 내경에 상기 연결돌기에 대응하게 형성되는 연결홈 또는 연결홀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 노즐은,
   외측으로 벌어지는 방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 복합화력발전소의 배열회수보일러용 증기분사기.
   
   
   
   

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