KR102049106B1 - 관류형 수평 증발기에서 튜브 배열 - Google Patents

관류형 수평 증발기에서 튜브 배열 Download PDF

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제네럴 일렉트릭 테크놀러지 게엠베하
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Abstract

본원에는 관류형 증발기가 개시되며, 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; 및 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 출구 매니폴드를 포함한다.

Description

관류형 수평 증발기에서 튜브 배열{TUBE ARRANGEMENT IN A ONCE-THROUGH HORIZONTAL EVAPORATOR}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 모두 본원에 통합되는, 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,332호, 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,428호, 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,359호, 및 2012년 1월 17일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/587,402호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 열회수 증기 발생기(heat recovery steam generator, HRSG)에 관한 것이고, 특히 열교환을 위하여 경사진 튜브들을 가지는 HRSG에서 유동을 제어하기 위한 튜브에 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 HRSG는 자연순환 구성 요소들을 관류형 증발기로 대체하고, 이렇게 하여, 보다 높은 플랜트 효율로의 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 만듦에 따라서 바람직하지 않으며, 이를 방지하는 노력이 착수되어야만 한다. 열교환기(104)로부터 증기와 유체가 잘 혼합되는 것을 보장하도록, 이 증기 및 유체는 혼합기(102)로 운반되고, 혼합기로부터, 2상 혼합물(증기와 액체)은 다른 제 2 열교환기(108)로 운반되고, 이 열교환기에서 이 증기 및 액체는 과열 상태로 된다. 제 2 열교환기(108)는 열역학 제한사항을 극복하는데 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 디자인 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 설계 고려를 초래한다. 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.
본원에는 관류형 증발기가 개시되며, 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; 및 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 출구 매니폴드를 포함한다.
또한, 관류형 증발기를 통해 작업 유체를 방출하는 단계로서, 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; 및 상기 하나 이상의 출구 헤더들과 유체 소통하는 출구 매니폴드를 포함하는, 상기 작업 유체를 방출하는 단계; 노 또는 보일러로부터의 고온 가스를 상기 관류형 증발기를 통해 방출하는 단계; 그리고 상기 고온 가스로부터 상기 작업 유체로 열을 전달하는 단계를 포함하는 방법이 본원에 개시된다.
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 관류형 증발기에 있는 튜브 스택에서 튜브들의 반류 엇갈림 배열의 개략 측면도;
도 6a는 도 4의 튜브 스택의 확대 측면도;
도 6b는 도 5a의 튜브 스택 내에서 취해진 평면 섹션을 도시하며 엇갈림 튜브 고려를 도시하는 도면;
도 7a는 한쪽 방향으로 경사지는 한편 또 다른 방향으로 수평인 튜브들의 측면도로서, 튜브들이 엇갈림 형태로 배열되는 측면도;
도 7b는 도 6a의 튜브 스택 내에서 취해진 평면 섹션을 도시하며 엇갈림 튜브 구성을 도시하는 도면;
도 8은 인라인 구성을 도시하는, 튜브 스택 내에서 취해진 평면 섹션을 도시한 도면;
도 9는 한쪽 방향으로 경사지는 한편 다른 방향으로 수평인 튜브들의 측면도로서, 2개의 관류 섹션들을 가로질러 걸쳐있는 튜브 스택을 도시한 도면; 및
도 10은 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. 비수직에 관해서, 튜브들이 수직에 대해 일정 각도로 경사지는 것을 암시하고 있다. "경사진"에 관해서, 개개의 튜브가 튜브를 가로질러 그려진 수직선에 대해 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 경사진다는 것을 암시하고 있다. 하나의 실시예에서, 튜브들은 제 1 방향으로 수평일 수 있으며, 제 1 방향에 대해 수직인 제 2 방향으로 경사질 수 있다. 경사각과 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 말한다. 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 암시한다. "실질적으로 수평"에 관해서, 튜브들이 거의 수평이 되도록 배향되어 있는(즉, ± 2°내에서 수평에 평행하도록 배열되는) 것을 암시함을 유념하여야 한다. 경사진 튜브에 대하여, 경사각(θ1 및/또는 θ2)은 대체로 수직과 약 55°에서 약 88°까지 변한다.
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(once-through evaporator)"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, 도 4a, 도 4b 및 도 10은 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. 도 4a는 관류형 증발기의 튜브 스택에 있는 튜브의 하나의 예시적인 배열을 도시하는 한편; 도 4b는 관류형 증발기의 튜브 스택에 있는 튜브들의 예시적인 배열의 사시도를 도시한다;
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 플레이트(250)에 의해 적소에서 지지된다(도 4b 참조). 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 3 및 도 4a로부터, 수직으로 정렬된 스택들이 서로의 위에 배치될 때, 통로(239)가 각각의 스택들 사이에 형성되는 것을 알 수 있다. 배플 시스템(240)은 고온 가스의 바이패스를 방지하도록 이러한 통로들에 배치될 수 있다. 이러한 것은 추후에 기술될 것이다.
소스(예를 들어, 노 또는 보일러)(도시되지 않음)로부터 고온 가스는 튜브(210)에서 작업 유체의 유동의 방향에 대해 수직으로 진행한다. 도 3을 참조하여, 고온 가스는 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 3 및/또는 도4a에 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 증발기에서 적어도 하나 이상의 단편적인 튜브 스택이 있을 수 있다. 다른 실시예에서, 관류형 증발기에서 적어도 2개 이상의 단편적인 튜브 스택이 있을 수 있다.
한 실시예에서, 관류형 증발기는 2개 이상의 출구 헤더와 유체 소통하는 2개 이상의 튜브 스택과 유체 소통하는 2개 이상의 입구 헤더를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 관류형 증발기는 3개 이상의 출구 헤더와 유체 소통하는 3개 이상의 튜브 스택과 유체 소통하는 3개 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 또한 묶음 또는 구역(zone)으로 지칭된다.
도 10은 또 다른 예시적인 조립된 관류형 증발기를 도시한다. 도 10은 튜브들을 수용하는 10개의 수직 정렬된 튜브 스택(210(n))들을 가지는 도 3의 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). (상기된 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 10에서, 각 튜브 스택(210(n))의 단지 최상의 튜브와 최하의 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, 로드(306)의 수는 플레이트(250)의 수와 같다. 한 실시예에서, 완전한 관류형 증발기는 수평 지지 바(304)와 접촉하는 로드(306)에 의해 지지되고 유지된다. 한 실시예에서, 로드(306)들은, 각각의 평행 수평 지지 바(304)와 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 디자인되고, 편향을 제한하도록 튜브들에 대한 지지를 제공한다. 수평 열교환기는 모듈로 조립되고 현장으로 운반된다. 수평 열교환기의 플레이트들은 현장에서 서로 연결된다.
도 5는 튜브 스택에서 튜브들의 하나의 가능한 배열을 도시한다. 도 5는 수직으로 정렬된 2개의 튜브 스택을 도시하는 측면도이다. 튜브 스택(210(n) 및 210(n+1))들은 서로 수직으로 배치되고, 배플(240)들에 의해 서로 분리되며 또한 이웃하는 튜브 스택들로부터 분리된다. 배플(240)들은 비균일 유동 분배를 방지하고 엇갈림 및 반류 열전달을 촉진한다. 한 실시예에서, 배플(240)들은 고온 가스가 관류형 디바이스에 들어가는 것을 방지하지 못한다. 배플은 튜브 스택을 통한 고온 가스의 분배를 촉진한다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 각 튜브 스택은 헤더(204(n) 및 204(n+1))와 각각 유체 소통한다. 튜브들은 구멍들을 가지는 금속 플레이트(250)들에 의해 지지되며, 상기 구멍들을 통해 튜브들이 전후로 이동한다. 튜브들은 구불구불하며, 즉 튜브들은 구불구불한 방식으로 입구 헤더(204(n))와 출구 헤더(206(n)) 사이에서 전후로 진행한다. 작업 유체는 입구 헤더(204(n))로부터 튜브 스택으로 방출되며, 작업 유체는 튜브 스택에 있는 튜브들의 방향과 수직인 고온 가스 유동으로부터 열을 받는다.
도 6a는 도 5의 튜브 스택(210(n+1))의 확장 측면도이다. 도 6a에서, 2개의 튜브(262 및 264)들이 입구 헤더(204(n+1))로부터 나오는 것을 알 수 있다. 2개의 튜브(262 및 264)들은 각 라인 위치(260)에서 헤더(204(n+1))로부터 나온다. 도 6a에서의 튜브들은 입구 헤더(204(n))로부터 출구 헤더(206(n))로 경사지며, 이 출구 헤더는 독자로부터 멀어지며 도면의 평면 내로 들어간다.
튜브들은 지그재그 배열로 있으며(도 6a의 상부 좌측에 도시된 바와 같이), 여기서 튜브(262)는 2세트의 플레이트(250)들 사이에서 구불구불한 방식으로 전후로 가로놓여 있는 한편, 튜브(264)는, 튜브(262)가 통과하는 구멍들로부터 구멍들의 하부 열(row)에 있는 한 세트의 구멍들에 있는 2세트의 플레이트(250)들 사이에서 구불구불한 방식으로 전후로 가로놓여 있다. 본 명세서가 2세트의 플레이트(250)를 상세하게 설명하였지만, 도 5a는 단지 하나의 플레이트(250)만 도시한다는 것을 유념하여야 한다. 실제로, 각 튜브 스택은 도 4b에서 이전에 도시된 바와 같은 2개 이상 세트의 플레이트들에 의해 지지될 수 있다. 요약하여, 튜브(262)는 홀수 열의 홀수(1, 3, 5, 7,…) 행(column)에 있는 구멍들을 통해 가로놓여 있는 한편, 튜브(264)는 짝수 열에 있는 짝수(2, 4, 6, 8, …) 행에 있는 구멍들을 통해 가로놓여 있다. 이러한 것은 지그재그로 보이는 배열을 만든다. 이러한 지그재그 배열은 금속 플레이트의 짝수 구멍 행들에 있는 구멍들이 홀수 구멍 행에 있는 구멍들과 편심되기 때문에 만들어진다. 지그재그 배열의 결과로서; 하나의 열에 있는 튜브들은 선행 또는 후속의 열에 있는 튜브들과 편심된다. 엇갈림 배열에 의해, 가열 회로는 보일러에서 낮은 지점들(low points) 및 압력부를 드레인하는 것에 대한 후속의 무능을 피하도록 2개의 유동 경로에 놓일 수 있다.
도 6b는 튜브 스택 내에서 취해진 평면 섹션을 도시한다. 상기 평면은 튜브들에서 유체의 진행 방향에 수직이며, 도 6b는 상기 평면에 있는 7개의 구불구불한 튜브의 단면 영역들을 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 튜브(그 단면 영역에 의해 도시된 바와 같이)들은 엇갈림 구성으로 있다. 구불구불한 형상때문에, 가열면은 반류 유체 유동, 결과적으로 반류 열전달을 지원하는 구불구불한 구성으로 있는 평행한 튜브 경로를 나타낸다. 반류 열전달에 관해서, 한쪽 방향으로 튜브의 섹션에서의 유동이 이에 인접한 동일 튜브의 다른 섹션에서의 유동에 대향하여 진행하는 것을 의미한다. 도 6b에 도시된 도면부호는 단일 물/증기 도관을 지시한다. 예를 들어, 튜브(1)에서, 섹션(1a)은 독자로부터 멀리 유동하는 유체를 수용하는 한편, 이에 이웃하는 튜브(1)의 섹션은 독자를 향하여 유동하는 유체를 수용한다. 도 6b에서 상이한 튜브 색상들은 작업 유체의 반대 유동 방향을 나타낸다. 화살표는 단일 파이프에서 유체 유동의 방향을 나타낸다.
도 7a는, 한쪽 방향으로 경사지는 한편 다른 방향으로 수평인 튜브의 사시도를 도시한다. 도 7a의 튜브의 경우에, 튜브들은 고온 가스 유동에 수직인 방향으로 수평이며, 한편 고온 가스 유동에 평행한 방향으로 일정 각도(θ1)로 경사진다. 한 실시예에서, 튜브 스택은, 고온 가스의 유동 방향에 평행한 방향으로 실질적으로 수평이고 고온 가스의 유동 방향에 수직인 방향으로 경사지는 튜브들을 포함한다. 이러한 것은 도 8에서 추후에 기술된다.
상기 각도(θ1)는 55°로부터 88°로, 특히 60°로부터 87°로, 더욱 특히 80°로부터 86°로 변할 수 있다. 하나 이상의 방향으로 튜브들의 경사는 튜브들이 전혀 경사지지 않으면 튜브 스택들이 점유하는 직사각형의 기하학적 형상과 덕트벽(280) 사이에 비점유 공간(270)을 제공한다. 이러한 비점유 공간(270)은 제어 설비를 수용하도록 사용될 수 있다. 이러한 비점유 공간은 스택의 저부, 스택의 상부, 또는 스택의 상부 및 저부에 놓일 수 있다. 대안적으로, 이러한 비점유 공간은 튜브 스택에서 고온 가스의 반류를 촉진하도록 사용될 수 있다.
한 실시예에서, 이러한 비점유 공간(270)은 스택의 일부분을 수용할 수 있는데, 즉 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 정상 크기의 스택(210(n))의 단편적 크기인 스택을 수용할 수 있다. 다른 실시예에서, 배플들은 인라인 유동에 의해 튜브 스택 내로 고온 가스를 편향시키도록 비점유 공간에 또한 배치될 수 있다.
도 7a에서, 튜브들이 배출 가스 유동에 대하여 또한 엇갈리는 것을 알 수 있다. 이러한 것은 튜브 스택 내에 취해진 평면 섹션을 도시하는 도 7b에서 도시된다. 상기 평면은 튜브에 있는 작업 유체의 진행 방향에 수직이다. 도 6b의 튜브들의 경우에서와 같이, 도 7b에서의 유체 유동은 또한 반류 방향이다. 도 7b에 도시된 도면부호는 단일 물/증기 회로를 지시한다. 화살표는 단일 튜브에서 유체 유동의 방향을 도시한다. 튜브 스택에 있는 튜브들이 경사지기 때문에, 작업 유체는 우측으로부터 좌측으로 위를 향해 진행한다.
도 8은 튜브 스택에 있는 튜브들이 고온 가스 유동에 수직인 방향으로 경사진 한편 고온 가스 유동에 평행한 방향으로 수평일 때 발생하는 "인라인(inline)" 유동 배열을 도시한다. 튜브들은 입구 헤더로부터 독자로부터 멀리 출구 헤더로 경사진다. 이러한 것은 인라인 배열로서 지칭된다. 이러한 배열에서, 금속 플레이트의 짝수 구멍 행들에 있는 구멍들은 홀수 구멍 행들에 있는 구멍들과 편심되지 않는다. 튜브 스택의 홀수 열에 있는 튜브들은 튜브 스택의 짝수 열에 있는 튜브들의 대략 위에 놓인다. 인라인 배열에서, 하나의 열에 있는 튜브들은 후속 열에 있는 튜브들의 거의 바로 위 및 선행 열에 있는 튜브들의 바로 아래에 놓인다. 도 6b의 튜브들의 경우에서와 같이, 유체 유동은 반류이다. 도 8에 도시된 도면 부호는 단일 물/증기 회로를 지시한다. 화살표는 단일 튜브의 유체 유동의 방향을 도시한다. 도 5, 도 6b, 도 7a, 도 7b 및 도 8이 좌측으로부터 우측으로 고온 가스 유동을 도시하지만, 고온 가스는 또한 우측으로부터 좌측으로 반대 방향으로 유동할 수 있다.
이러한 배열은 동작 뒤집힘(turndown)이 가능하기 때문에 유익하다. 그러나, 가열면이 효율이 떨어지며, 고온 가스가 먼저 튜브 스택에 접촉하는 측면에서 추가의 압력 강하를 초래할 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 이러한 인라인 배열은 추가의 튜브를 초래하고 배수 우려를 악화시킨다.
도 9는 도 7a 반류 및 엇갈림 배열의 또 다른 측면도이다. 이 도면에서, 튜브 스택(210(n))은 2개의 섹션들에 걸쳐 있으며, 즉, 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 튜브 스택은 배플(240)의 양측부에 놓여 있다. 도 8에 도시된 튜브들은 한쪽 방향으로 경사진 한편, 상호 수직 방향으로 수평이다. 도 8에 도시된 배열에서, 튜브들은 가스 유동에 수직인 방향으로 수평이지만 가스 유동에 평행한 방향으로 경사진다. 튜브의 경사는, 제어를 위하여, 및 입구 헤더 및 출구 헤더와 유체 소통하고 작업 유체를 가열하기 위하여 사용되는 단편적인 튜브 스택(가열면)들을 제공하기 위하여 사용되는 비점유 공간을 허용한다.
도 9에서, 튜브 스택의 각각의 튜브들과 출구 헤더(206(n)) 사이의 접촉이 또한 도시된다. 알 수 있는 바와 같이, 튜브 스택으로부터 각 튜브는 작업 유체가 튜브 스택에서 가열된 후에 방출되는 헤더(206(n))를 접촉한다.
상기된 배열(즉, 엇갈리거나 또는 인라인 배열 변화)에서, 노로부터 고온 가스는 어떠한 방향 변화없이 튜브 스택을 통해 진행할 수 있거나, 또는 특정 형태의 유동 제어 및/또는 경로 변화를 통해 가열면을 가로질러 다른 방향으로 보내질 수 있다.
수평/경사 배열된 물/증기(작업 유체) 회로와 함께 엇갈림 반류 수평 배열 가열면(도 6b)은 초킹 디바이스(choking device)로부터 증가된 최소 유동과 증가된 압력 강하 사이의 균형을 허용한다. 또한, 가열면은 최소 통풍 손실(draft loss) 및 소모 동력(parasitic power)을 초래하는 엇갈림 및 반류 열전달 모드로 인하여 최소화된다. 그러나, 주어진 균형에 대하여, 이러한 것은 유동 초킹 필요조건 및/또는 분리기 물 방출 고려, 또는 양자로 인하여 높은 소모 동력 손실을 초래할 수 있다. 이러한 것은 유동 초킹 디바이스에 걸친 압력 강하가 분리기로부터 방출된 물만큼 중요할 수 있기 때문이다.
수평/경사 배열된 물 증기 회로와 함께 인라인 반류 수평 배열된 가열면(도 8)에 대하여, 초킹 디바이스로부터 증가된 최소 유동과 증가된 압력 강하 사이의 균형이 달성될 수 있으며, 최소 유동 및 유동 초킹 디바이스 필요 조건은 튜브에 의해 취해진 추가의 압력 강하로 인하여 최소화된다. 이러한 것은 유동 초킹 디바이스에 걸쳐 비교적 낮은 압력 강하를 초래하고, 분리기로부터 물 방출을 최소화한다. 이러한 디바이스는 엇갈림 반류 수평 배열 가열면과 비교하여 낮은 물/증기측 과류손(parasitic loss)을 가진다. 그러나, 추가의 통풍 손실로 인하여 추가의 소모 동력을 초래하는 추가의 가열면이 형성된다. 엇갈림 가열면 배열이 유사한 물/증기측 이점을 제공하고 통풍 손실 불이익을 피하도록 채택될 수 있다는 것을 유념하여야 한다. 그러나, 이러한 것은 관류 압력부를 구비한 상당한 수의 낮은 지점들을 초래하고 드레인능력(drainability)을 엄격히 제한한다.
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 모두 통합되는 Alstom 대리인 관리 번호 W12/001-0, W11/122-1, W11/123-1, W11/120-1, W11/121-0, W12/093-0 및 W12/110-0를 가지는 특허출원과 공동 출원되는 것을 유념하여야 한다.
"최대 연속 부하"는 발전 플랜트의 정격 완전 부하 조건을 나타낸다.
보일러의 "관류형 증발기 섹션"은 최대 연속 부하(MCR)의 다양한 비율에서 물을 증기로 변환시키도록 사용된다.
"대략 수평의 튜브"는 사실상 수평으로 정위된 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 정위에 추가하여 디바이스의 다른 정위를 포용하도록 의도된다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도면 중 하나에 있는 디바이스가, 뒤집히면, 다른 요소의 "하부"측에 있는 것으로서 기술된 요소들은 다른 요소의 "상부"측에 정위되게 된다. 그러므로, 예시적인 용어 "하부"는 도면의 특정 정위에 따라서 "하부" 및 "상부"의 정위 모두를 포용한다. 유사하게, 도면 중 하나에 있는 디바이스가 뒤집히면, 다른 요소의 "밑에 있는" 또는 "아래의"로서 기술된 요소들은 다른 요소 "위"로 정위될 것이다. 그러므로, 예시적인 용어 "밑에 있는" 또는 "아래의"는 위 및 아래의 정위 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.
200: 관류형 증발기
202: 입구 매니폴드
204: 입구 헤더
206: 출구 헤더
208: 출구 매니폴드
210: 튜브 스택
239: 통로
240: 배플 시스템
250: 플레이트
262, 264: 튜브
270: 비점유 공간
300: 프레임
302, 304: 지지 바
306: 로드

Claims (29)

  1. 관류형 증발기로서,
    고온 가스 유동을 수평 방향으로 통과시키는 수평 덕트;
    작업 유체를 수용하는 하나 이상의 입구 헤더들;
    상기 수평 덕트에 수직으로 쌓이는 하나 이상의 튜브 스택들로서, 각 튜브 스택은 상기 수평 덕트를 통과하는 고온 가스 유동의 상이한 수평 부분을 각각 수용하고, 각 튜브 스택은 하나 이상의 튜브들을 포함하고, 하나 이상의 튜브 스택들은 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하며 하나 이상의 수평 튜브 부분들을 구비하는 구불구불한 형상을 갖고, 하나 이상의 튜브들 각각은, 수직에 대하여 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 고온 가스 유동 방향으로 연장되는 각 평면에 배치되는 것인 튜브 스택들; 및
    하나 이상의 튜브 스택들 각각의 하나 이상의 튜브들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들을 포함하고,
    각 튜브 스택의 튜브들은 수직으로 쌓임으로써, 각 튜브들의 수평 튜브 부분들은 인접한 튜브에 대해 수직으로 편심되어 엇갈림 배열을 제공하고, 이에 따라 인접하게 쌓인 2개의 튜브들의 수평 부분들은 상이한 수평면에 배치되고,
    하나 이상의 튜브 스택들은 상기 수평 덕트 내에 배치됨으로써, 튜브 스택들 내의 작업 유체의 이동 방향이 상기 수평 덕트를 통한 고온 가스 유동에 대해 반류(counterflow)이고,
    상기 하나 이상의 튜브 스택들 및 수평 덕트는, 상기 튜브 스택의 단부 및 수평 덕트 사이에 빈 공간(opening)을 형성하고, 상기 빈 공간은 튜브 스택들의 경사로 인해 제공되는 비점유 공간이며,
    상기 입구 헤더들 중 하나 및 상기 출구 헤더들 중 하나와 유체 소통하는 부분적인 튜브 스택을 더 포함하고,
    상기 부분적인 튜브 스택은 상기 빈 공간에 배치되고 상기 빈 공간을 채움으로써 하나 이상의 튜브 스택들이 부분적인 튜브 스택과 합동하여 직사각형을 형성하고,
    상기 관류형 증발기는, 각 튜브 스택을 지지하는 하나 이상의 플레이트; 및 상기 관류형 증발기의 상부면에 배치되어 상기 하나 이상의 플레이트를 지지하는 하나 이상의 로드를 더 포함하는 것인, 관류형 증발기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 튜브들은 수직에 대해 55°내지 88°의 각도로 경사지는, 관류형 증발기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    각 튜브 스택의 하나의 열에 있는 튜브들은 선행 또는 후속 열에 있는 상기 튜브들로부터 편심되는, 관류형 증발기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각 튜브 스택의 하나의 열에 있는 튜브들은 후속 열에 있는 상기 튜브들 바로 위에 그리고 선행 열에 있는 상기 튜브들 바로 아래에 놓이는, 관류형 증발기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 관류형 증발기를 통해 작업 유체를 방출하는 단계로서, 상기 관류형 증발기는,
    고온 가스 유동을 수평 방향으로 통과시키는 수평 덕트;
    작업 유체를 수용하는 하나 이상의 입구 헤더들;
    상기 수평 덕트에 수직으로 쌓이는 하나 이상의 튜브 스택들로서, 각 튜브 스택은 상기 수평 덕트를 통과하는 고온 가스 유동의 상이한 수평 부분을 각각 수용하고, 각 튜브 스택은 하나 이상의 튜브들을 포함하고, 하나 이상의 튜브 스택들은 상기 하나 이상의 입구 헤더들과 유체 소통하며 하나 이상의 수평 튜브 부분들을 구비하는 구불구불한 형상을 갖고, 하나 이상의 튜브들 각각은, 수직에 대하여 90°미만 또는 90°보다 큰 각도로 고온 가스 유동 방향으로 연장되는 각 평면에 배치되는 것인 튜브 스택들; 및
    하나 이상의 튜브 스택들 각각의 하나 이상의 튜브들과 유체 소통하는 하나 이상의 출구 헤더들을 포함하고,
    각 튜브 스택의 튜브들은 수직으로 쌓임으로써, 각 튜브들의 수평 튜브 부분들은 인접한 튜브에 대해 수직으로 편심되어 엇갈림 배열을 제공하고, 이에 따라 인접하게 쌓인 2개의 튜브들의 수평 부분들은 상이한 수평면에 배치되고,
    하나 이상의 튜브 스택들은 상기 수평 덕트 내에 배치됨으로써, 튜브 스택들 내의 작업 유체의 이동 방향이 상기 수평 덕트를 통한 고온 가스 유동에 대해 반류이고,
    상기 하나 이상의 튜브 스택들 및 수평 덕트는, 상기 튜브 스택의 단부 및 수평 덕트 사이에 빈 공간을 형성하고, 상기 빈 공간은 튜브 스택들의 경사로 인해 제공되는 비점유 공간이며,
    상기 입구 헤더들 중 하나 및 상기 출구 헤더들 중 하나와 유체 소통하는 부분적인 튜브 스택을 더 포함하고,
    상기 부분적인 튜브 스택은 상기 빈 공간에 배치되고 상기 빈 공간을 채움으로써 하나 이상의 튜브 스택들이 부분적인 튜브 스택과 합동하여 직사각형을 형성하고,
    상기 관류형 증발기는, 각 튜브 스택을 지지하는 하나 이상의 플레이트; 및 상기 관류형 증발기의 상부면에 배치되어 상기 하나 이상의 플레이트를 지지하는 하나 이상의 로드를 더 포함하는 것인, 상기 작업 유체를 방출하는 단계;
    노 또는 보일러로부터의 고온 가스를 상기 관류형 증발기를 통해 방출하는 단계; 그리고
    상기 고온 가스로부터 상기 작업 유체로 상기 튜브 스택들을 통해 열을 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
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