KR102153891B1 - 순환유동층 보일러의 마모저감판과 이를 이용한 마모저감 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순환유동층 보일러의 마모저감판 및 이를 이용한 열교환 튜브의 마모저감 방법에 관한 것으로서, 몸체부와 절곡부를 구비하고 연소실 벽체에 배열된 열교환 튜브의 형상에 대응되는 홈을 구비하며, 연소실의 폭 넓이에 대응되는 비율의 길이로 형성되어 마모저감 효과를 극대화한 마모저감판과 상기 마모저감판을 연소실 수직벽체 하단부에서 일정 높이에 설치함으로써 Kick out zone 부근의 마모를 최소화하는 마모저감 방법에 관한 것이다.

Description

순환유동층 보일러의 마모저감판과 이를 이용한 마모저감 방법{Wear reduction plate for Circulating fluidized bed combustion boiler and Wear reduction method using it}

본 발명은 순환유동층 보일러에 관한 기술로서, 상세하게는 보일러에서 고속순환하는 유동 매체에 의한 열교환 튜브의 마모를 줄이는 마모저감판 및 이를 이용한 마모저감 방법에 관한 것이다.

순환유동층 보일러는 공기와 석회, 석탄을 분사함과 동시에 유동사(모래)를 부유시켜 순환하게 함으로써 연료를 완전 연소시키는 친환경 발전설비이다.

순환유동층 보일러는 연소 시 연소로 하부에 유동매체를 채운 후 공기의 유속을 증가시킨다. 유속에 따라 유동매체의 유동특성은 기포층(Bubbling Bed) -> 난류층(Turbulent Bed) -> 고속유동층(Fast Bed)의 순으로 전환되며, 이처럼 형성된 유동층에 연료가 혼합되어 연소가 이루어진다. 연소로 인한 열은 열교환 튜브로 전달되고 터빈을 발전시킨다.

이러한 유동매체를 이용한 연소방식은 연료의 완전 연소를 촉진하고, 연료가 튜브와 직접 접촉하여 열이 교환되므로 일반 석탄화력발전소 보일러보다 효율이 좋은 장점이 있다.

그러나, 순환유동층 보일러는 유동 매체의 순환에 따른 마찰로 튜브마모 현상이 발생하며, 튜브가 손상되는 경우 발전소 가동 정지 및 수리로 인한 손해가 상당하다. 특히, 보일러 하단부에서 벽체 경사가 시작되는 영역(Kick out zone) 근처와 보일러의 모서리 부근에서 주된 손상이 발생하고, 튜브 또는 튜브를 보호하는 내화물이 파손되어 발전소의 경제적 손실을 초래한다.

종래 이를 해결하고자 하는 선행기술이 있으나, 상기 선행기술은 열교환 튜브 자체를 코팅으로 강화하거나 보일러의 구조에 관한 것으로서, 초기 보일러의 설계 또는 시공단계에서만 적용할 수 있고 이미 완성된 보일러에는 적용할 수가 없다. 마모의 저감 수단이 고려되지 않은 기존의 보일러의 경우 적용할 수 없는 것이다.

보일러 내부에 빔 구조를 만드는 방법도 제안되었으나, 보일러 내부의 온도상승, 빔 구조로 인한 보일러 열전달 효율의 감소, 유동사가 빔 구조에 축적되는 등 문제점이 있다.

따라서, 전술한 문제를 개선하여 기존의 보일러에 쉽게 적용할 수 있는 한편, 마모 현상을 효율적으로 저감시키는 기술의 필요성이 있다.

등록특허공보 제10-1895382호

본 발명은 상술한 문제를 개선한 것으로서, 기존 보일러의 정비 시 쉽게 설치하여 적용할 수 있고, 간단한 구조로 보일러의 열전달 효율을 유지하면서 마모저감효과를 가지는 마모저감판과 이를 이용한 마모저감 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 순환유동층 보일러의 연소실 내측벽에 위치하고, 상기 연소실 내부에서 열교환 튜브가 손상되는 것을 방지하는 마모저감판에 관한 것으로서, 상기 마모저감판은, 소정의 길이를 가진 판 부재를 포함하는 몸체부와 상기 몸체부가 직각으로 방향이 전환되는 절곡부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 몸체부와 상기 절곡부는 상기 연소실의 내측벽에 배열된 열교환 튜브의 형상에 대응되는 홈을 구비한다.

또한, 바람직하게는 상기 마모저감판의 길이(L)가 상기 연소실 폭(W)의 1/14 내지 2/14 범위에서 형성된다.

또한, 바람직하게는 상기 마모저감판의 길이(L)는 상기 연소실 폭(W)의 4/14 내지 5/14 범위에서 형성된다.

또한, 본 발명을 이용한 순환유동층 보일러의 열교환 튜브 마모저감 방법으로서, 상기 마모저감판을 제작하는 제1 단계와 상기 제1 단계의 마모저감판을 상기 홈에 맞추어 보일러의 연소실 내측벽에 고정하는 제2 단계를 포함한다.

바람직하게는 상기 제1 단계는 상기 마모저감판의 길이(L)를 상기 연소실 폭(W)의 1/14 내지 2/14로 제작한다.

또한, 바람직하게는 상기 제1 단계는 상기 마모저감판의 길이(L)를 상기 연소실 폭(W)의 4/14 내지 5/14로 제작한다.

또한, 바람직하게는 상기 제2 단계는 상기 마모저감판을 상기 연소실의 수직벽체 하단으로부터 제1 경사부 높이(H)의 2배 내지 3배 떨어진 상부 지점에 고정한다.

또한, 바람직하게는 상기 제2 단계는 상기 마모저감판을 상기 열교환 튜브 사이의 벽체와 용접으로 고정한다.

본 발명에 따르면, 설계 또는 시공단계에서 마모저감 수단을 고려하지 못한 순환유동층 보일러도 보일러 정비 시 간편하게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 순환유동층 보일러 내에서 유동 매체의 유동에 크게 영향을 미치지 않으면서 마모현상을 저감하여 보일러의 열전달 효율을 유지한다.

또한, 본 발명은 열교환튜브에 직접 용접하지 않아 이를 적용하더라도 튜브의 건전성이 유지되고 튜브의 손상을 최소화한다.

또한, 본 발명은 열교환튜브가 배열된 보일러 벽체의 형상에 대응되는 모양을 구비함으로써 열교환튜브 사이의 공간을 차폐하고 마모저감 효과를 높인다.

또한, 본 발명은 쉬운 구조로 되어 그 제작 또는 설치 등의 비용이 적으나, 마모 현상으로 발생하는 발전소의 손실을 예방하므로 경제적이다.

도1은 순환유동층 보일러 설비의 모습을 도시한 것이다.
도2는 순환유동층 보일러 연소실의 일반적인 형상을 도시한 것이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 마모저감판의 평면도이다.
도4는 연소실의 종단면을 도시한 것이다.
도5는 마모저감판이 설치된 연소실의 횡단면을 도시한 것이다.
도6은 마모저감판이 설치된 연소실 내부 코너 부분를 도시한 것이다.
도7은 마모저감판의 길이에 따른 마모저감 효과를 비교하여 도시한 것이다.
도8은 마모저감판의 설치 위치에 따른 마모저감 효과를 비교하여 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백히 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 설명을 생략하였다.

도1은 순환유동층 보일러 설비의 모습을 도시한 것이고, 도2는 상기 설비에 포함된 순환유동층 보일러 연소실(10)의 일반적인 형상을 도시한 것이다. 연소실(10)은 수직벽체(11)와 상기 수직벽체(11)의 하단부에서 연소실(10) 외측 방향으로 경사져 형성되는 제1 경사부(12), 상기 제1 경사부(12) 하단부에서 연소실(10) 내측 방향으로 경사져 형성되는 제2 경사부(13)를 포함한다. 제1 경사부(12)에 인접하는 영역을 통상 Kick out zone이라고 지칭하는데, Kick out zone은 마모로 인한 손상이 주로 발생하는 것으로 알려져 있다.

도2에서 도시한 연소실(10)의 형상, 비율은 제1 경사부(12)를 표현하기 위한 것으로서, 실제 크기를 고려하면 제1 경사부(12)의 표현은 다소 과장된 것일 수 있다. 도4에서 제1 경사부(12)를 확대하여 도시하였다.

또한, 연소실(10)의 벽체에는 열교환튜브(20)가 세로로 일정한 간격을 두고 배열되어 있으나, 도2 및 도4는 연소실(10)의 개략적인 형상을 표현하기 위한 것이므로 열교환튜브(20)의 표현은 생략되었다.

도3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 마모저감판(100)의 평면도가 도시된다. 마모저감판(100)은 몸체부(110)와 절곡부(120) 및 홈(130)을 포함한다.

몸체부(110)는 일정 두께와 폭, 길이를 가진 판 상의 부재이다. 재질은 연소실(10) 내부 온도를 견딜 수 있고, 유동매체의 순환에 저항 가능한 강성을 갖는 금속 재질을 포함한다. 두께 10mm, 폭 200mm의 부재로서 스테인리스 재질로 형성된 것이 바람직하다.

절곡부(120)는 마모저감판(100)에서 몸체부(110)의 방향이 직각으로 전환되는 부분이다. 절곡부(120)가 형성됨으로써 마모저감판(100)을 연소실(10)의 코너 부분에 설치할 수 있으며, 연소실(10) 코너에서 발생하는 과도한 마모 현상을 완화할 수 있다. 단일한 절곡부(120)를 포함하는 마모저감판(100)은 ‘ㄱ’자의 형상을 가진다.

홈(130)은 연소실(10) 내측벽에 접하는 마모저감판(100)의 측면에 일정한 간격으로 형성된다. 또한, 홈(130)의 모양은 연소실(10) 벽체에 나란히 배열된 열교환튜브(20)의 형상과 대응되어, 열교환튜브(20)의 단면에 따라 홈(130)의 형상이 변형될 수 있다. 홈(130)이 형성됨으로써 마모저감판(100)을 연소실(10) 내측벽에 설치 시 열교환튜브(20)와 마모저감판(100) 사이에 틈이 생기지 않도록 할 수 있고, 순환유동층 보일러 연소 시 유동 매체가 상기 틈을 파고들면서 마모를 일으키는 것을 방지한다.

도5 및 도6은 마모저감판(100)이 연소실(10) 내부에 설치된 모습을 도시한다. 도5는 마모저감판(100)이 설치된 연소실(10) 내부의 횡단면을 도시한 것이고, 도6은 연소실(10) 내부의 코너 부분 사시도이다. 도5 및 도6은 열교환튜브(20)를 함께 도시하였다.

마모저감판(100)을 연소실(10) 내부에 설치할 때, 홈(130)에 열교환튜브(20)가 삽입되도록 마모저감판(100)을 배치하고, 용접으로 마모저감판(100)의 위치를 고정한다. 이때, 용접은 연소실(10) 내측에서 열교환튜브(20) 사이에 위치한 벽체에 함으로써, 열교환튜브(20)가 용접 열에 의해 변형 또는 건전도가 저하되는 것을 방지한다.

마모저감판(100)의 길이(L)는 도3에 도시되며, 절곡부(120)에 의해 나누어진 몸체부(110)의 한 변의 길이이다. 마모저감판(100)의 길이(L)는 연소실(10)의 폭(W)에 대응된다. 마모저감판(100)의 길이(L)는 연소실(10) 폭(W)의 1/14 내지 2/14로 형성되거나, 4/14 내지 5/14로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 연소실(10) 내부에서 순환하는 유동매체의 유동특성에 따른 것으로서, 도7은 마모저감판(100)의 길이(L)에 따른 연소실(10) 내부의 마모저감효과를 비교하여 도시한다.

도7을 참조하면, 네 종류의 마모저감판 길이(L1~L4)에 따른 마모저감효과를 확인할 수 있다. 마모해석 결과는 침식율에 따라 색깔이 다르게 표현되며, 침식율이 높을수록 붉은색에 가깝고 낮을수록 파란색에 가깝다. L1 내지 L4는 연소실(10) 폭(W)에 대한 비율로 설정되며, 각각 L1은 W/10, L2는 W/5, L3는 W/3, L4는 W/2로 설정되었다.

마모해석 결과에 따르면, L1의 경우 코너 부근에서의 마모저감 효과가 매우 크고, L3에서는 연소실 전반적으로(특히, 중앙부) 마모저감 효과가 큰 것을 확인할 수 있다.

마모저감판(100)의 바람직한 길이로서 연소실(10) 폭(W)의 1/14 내지 2/14의 범위 또는 4/14 내지 5/14의 범위는 각각 L1(W/10)과 L3(W/3)을 기준으로 마모저감 효과가 유지되는 범위를 산정한 것이다.

도4를 참조하면, 연소실(10)의 종단면이 도시되며, 제1 경사부(12)를 확대하여 도시한다. 마모저감판(100)은 수직벽체(11)의 하단부 라인을 기준으로 상부에 설치되고, 설치 높이는 제1 경사부 높이(H)에 대한 비율로 정할 수 있다. 마모저감판(100)은 수직벽체(11)의 하단부로부터 제1 경사부 높이(H)의 2배 내지 3배에 이르는 높이에 설치되는 것이 바람직하며, 마모저감 효과를 고려한 것이다.

도8은 마모저감판(100)의 설치 높이에 따른 마모저감 효과를 비교하여 도시한다. 도8을 참조하면, 다섯 가지 종류의 설치 높이(H1~H5)에 따른 마모저감효과를 확인할 수 있다. H1 내지 H5는 제1 경사부의 높이(H)에 대한 비율로 설정되며, 각각 H1은 H/2, H2는 H, H3는 2H, H4는 3H, H5는 4H와 같이 설정되었다. 마모저감판의 설치 높이는 수직벽체(11) 최하단을 기준으로 한 것이다.

마모해석 결과에 따르면, 마모저감판의 설치 높이가 H1 내지 H2 일 경우 마모저감판 하부에서 부분적으로 침식율이 작아진다. 그러나 마모저감판의 설치 높이가 H3 내지 H4일 때, 현저한 마모저감 효과를 확인할 수 있으며, H5의 경우 다시 마모저감 효과가 감소하는 모습을 보인다.

도7 및 도8에서 유동층 보일러 연소로 인한 마모분포는 ANSYS CFX 수치해석 프로그램을 통해 도출되었다. 마모해석은 유동해석 프로그램에 입자를 분사하여 입자의 움직임과 유동을 동시에 풀어내고, 벽에 충돌하는 입자의 각도와 속도의 함수로 표현되는 마모식을 선택하여 적용한다.

본 발명에 관한 유동해석에 있어서, 상기 마모식은 Tabakoff formula를 사용하였으며, 다음과 같다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 당업자에게 명백할 것이다.

10: 연소실
11: 수직벽체
12: 제1 경사부
13: 제2 경사부
20: 열교환튜브
100: 본 발명의 실시예에 따른 마모저감판
110: 몸체부
120: 절곡부
130: 홈

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 순환유동층 보일러의 연소실 내측벽에 위치하고, 상기 연소실 내부에서 열교환 튜브가 손상되는 것을 방지하는 마모저감판에 있어서,
   상기 마모저감판은,
   소정의 길이를 가진 판 부재로 형성되는 몸체부;를 포함하고,
   상기 몸체부는 직각으로 방향이 전환되는 절곡부;를 구비하며,
   상기 몸체부와 상기 절곡부는,
   상기 연소실의 내측벽에 배열된 열교환 튜브의 형상에 대응되는 홈을 구비하고,
   상기 마모저감판의 길이(L)는 상기 연소실의 폭(W)의 1/14 내지 2/14이거나 상기 연소실의 폭(W)의 4/14 내지 5/14인 것을 특징으로 하는 마모저감판.
4. 삭제
5. 청구항 3의 마모저감판을 이용한 순환유동층 보일러의 열교환 튜브 마모저감 방법에 있어서,
   상기 마모저감판을 제작하는 제1 단계;와
   상기 제1 단계의 마모저감판을 상기 홈에 맞추어 보일러의 연소실 내측벽에 고정하는 제2 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마모저감 방법.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 제2 단계는 상기 마모저감판을 상기 연소실의 수직벽체 하단으로부터 제1 경사부 높이(H)의 2배 내지 3배 떨어진 상부 지점에 설치하는 것을 특징으로 하는 마모저감 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 제2 단계는 상기 마모저감판을 상기 열교환 튜브 사이의 벽체와 용접으로 고정하는 것을 특징으로 하는 마모저감 방법.

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