KR102423621B1 - 과열저감장치의 설계방법 - Google Patents

과열저감장치의 설계방법 Download PDF

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KR102423621B1
KR102423621B1 KR1020210181722A KR20210181722A KR102423621B1 KR 102423621 B1 KR102423621 B1 KR 102423621B1 KR 1020210181722 A KR1020210181722 A KR 1020210181722A KR 20210181722 A KR20210181722 A KR 20210181722A KR 102423621 B1 KR102423621 B1 KR 102423621B1
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이진운
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두산에너빌리티 주식회사
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G5/00—Controlling superheat temperature
    • F22G5/12—Controlling superheat temperature by attemperating the superheated steam, e.g. by injected water sprays
    • F22G5/123—Water injection apparatus
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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Abstract

본 발명은, 증발기로부터 터빈으로 공급되는 증기의 온도를 저감시키는 과열저감장치의 설계방법에 있어서, (A) 증기배관과, 상기 증기배관의 내부에 배치되며 내부로 증기가 유동하는 슬리브와, 상기 슬리브의 내부에 설치되어 냉각수를 분사하는 분사노즐을 준비하는 단계; (B) 상기 분사노즐에 형성할 복수개의 분사홀의 각 직경(
Figure 112021146598651-pat00191
) 값을 선정하는 단계; 및 (C) 상기 분사홀의 직경(
Figure 112021146598651-pat00192
) 값과 상기 분사홀에서 분사될 냉각수의 압력강하(
Figure 112021146598651-pat00193
) 값에 기초하여 상기 분사홀로부터 분사될 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00194
) 값을 계산하며, 계산된 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00195
) 값을 통해 분사홀의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00196
)를 산출하는 단계; (C) 상기 분사홀의 직경(
Figure 112021146598651-pat00197
) 값과 상기 분사홀에서 분사될 냉각수의 압력강하(
Figure 112021146598651-pat00198
) 값에 기초하여 상기 분사홀로부터 분사될 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00199
) 값을 계산하며, 계산된 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00200
) 값을 통해 분사홀의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00201
)를 산출하는 단계; 및 (D) 상기 복수개의 분사홀을 서로 동일한 간격(S)으로, 그리고 수직방향으로
Figure 112021146598651-pat00202
개, 수평방향으로
Figure 112021146598651-pat00203
개의
Figure 112021146598651-pat00204
X
Figure 112021146598651-pat00205
사각 행렬(Matrix)로 배치시키는 단계로서, 인접하는 분사홀과 분사홀 사이의 간격(
Figure 112021146598651-pat00206
) 값과 상기 C 단계에서 산출된 분사홀의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00207
)를 통해 분사홀의 수직방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00208
)와 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00209
)를 산출하는 단계;를 포함하는 과열저감장치의 설계방법을 제공한다.

Description

과열저감장치의 설계방법{Designing method for Attemperating device}
본 발명은 과열저감장치의 설계방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 증발기로부터 터빈으로 공급되는 증기의 온도를 저감시키는 과열저감장치의 설계방법에 관한 것이다.
일반적으로, 증기터빈이란, 증기의 힘을 이용하여 전기를 생성하는 장치이다. 증기터빈은, 증발기, 터빈 및 과열저감장치를 포함한다. 증발기는, 석탄 등의 연료를 연소시켜 발생되는 열로 물을 가열하여 증기를 생성한다. 터빈은 증발기에서 발생된 증기를 공급받아 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시킨다. 과열저감장치는, 증발기로부터 터빈으로 증기가 유동되는 증기배관과, 증기배관의 내벽을 보호하기 위해 증기배관의 내부에 설치되는 슬리브와, 증기배관에 설치되며 슬리브의 내부로 과열을 저감하기 위한 냉각수를 분사하는 과열저감기를 포함한다. 그리고 상기 과열저감기는, 증기배관의 외부에 고정되는 고정부와, 상기 고정부의 내부에 설치되는 지지부와, 상기 지지부의 하부로부터 하측으로 연장되어 슬리브의 내부로 삽입되며, 슬리브의 내부로 냉각수가 분사되는 분사홀이 형성되는 분사노즐을 포함한다.
상기 분사노즐에 형성되는 분사홀의 위치, 개수 등에 따라, 상기 분사홀을 통해 슬리브의 내부로 분사되는 냉각수를 이용한 증기의 과열 저감 성능은 차이를 나타낸다. 따라서 증기터빈의 구동 조건과 상황에 맞게 상기 분사홀을 설계하는 것은, 과열저감장치를 제조하는 데 있어서 매우 중요한 요소라고 할 수 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1902619(2018.09.19. 공고)
본 발명은 상기와 같은 필요에 의해 개발된 것으로서, 분사노즐에 형성될 분사홀을 최적으로 설계할 수 있는 과열저감장치의 설계방법을 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은, 증발기로부터 터빈으로 공급되는 증기의 온도를 저감시키는 과열저감장치의 설계방법에 있어서, (A) 증기배관과, 상기 증기배관의 내부에 배치되며 내부로 증기가 유동하는 슬리브와, 상기 슬리브의 내부에 설치되어 냉각수를 분사하는 분사노즐을 준비하는 단계; (B) 상기 분사노즐에 형성할 복수개의 분사홀의 각 직경(
Figure 112021146598651-pat00001
) 값을 선정하는 단계; (C) 상기 분사홀의 직경(
Figure 112021146598651-pat00002
) 값과 상기 분사홀에서 분사될 냉각수의 압력강하(
Figure 112021146598651-pat00003
) 값에 기초하여 상기 분사홀로부터 분사될 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00004
) 값을 계산하며, 계산된 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00005
) 값을 통해 분사홀의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00006
)를 산출하는 단계; 및 (D) 상기 복수개의 분사홀을 서로 동일한 간격(S)으로, 그리고 수직방향으로
Figure 112021146598651-pat00007
개, 수평방향으로
Figure 112021146598651-pat00008
개의
Figure 112021146598651-pat00009
X
Figure 112021146598651-pat00010
사각 행렬(Matrix)로 배치시키는 단계로서, 인접하는 분사홀과 분사홀 사이의 간격(
Figure 112021146598651-pat00011
) 값과 상기 C 단계에서 산출된 분사홀의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00012
)를 통해 분사홀의 수직방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00013
)와 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00014
)를 산출하는 단계;를 포함하는 과열저감장치의 설계방법을 제공한다.
상기 D 단계는, 인접하는 분사홀과 분사홀 사이의 간격(
Figure 112021146598651-pat00015
) 값을 하기의 수학식 2를 이용하여 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112021146598651-pat00016
(단,
Figure 112021146598651-pat00017
는 상수)
Figure 112021146598651-pat00018
은 상기 분사노즐의 하단으로부터 상기 증기배관의 내주면까지의 수직 길이이며,
Figure 112021146598651-pat00019
은 가장 상측에 배치된 분사홀로부터 상기 슬리브의 내주면까지의 수직 길이이고,
Figure 112021146598651-pat00020
는 상기 분사노즐의 하단으로부터 가장 하측에 배치된 분사홀까지의 수직 길이이며,
Figure 112021146598651-pat00021
는 상기 분사홀의 가장 상측의 분사홀로부터 가장 하측의 분사홀까지의 수직 길이라고 하였을 때, 상기 D 단계는, 하기의 수학식 3,4에 기초하여 상기 분사홀의 수직방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00022
)와 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00023
)를 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112021146598651-pat00024
(단,
Figure 112021146598651-pat00025
는 상수),
Figure 112021146598651-pat00026
[수학식 4]
Figure 112021146598651-pat00027
,
Figure 112021146598651-pat00028
어느 하나의 분사홀을 통해 상기 슬리브의 내부로 분사된 냉각수가 진행한 거리 중에서, 상기 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향에 대해 수직인 방향으로의 이동거리를 제트관통길이(Jet penetration length;
Figure 112021146598651-pat00029
)라 하고, 원통 형상의 상기 분사노즐의 중심을 기준으로, 상기 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향 기준 상기 분사노즐의 가장 하류(Downstream) 측 지점과 상기 분사홀 사이의 각도를 형성각(Forming angle;
Figure 112021146598651-pat00030
)이라 하였을 때, 상기 D 단계 이후, (E) 상기 분사홀을 통해 분사되는 냉각수의 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00031
)를 측정하며, 측정된 상기 분사홀의 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00032
)가 기준 한계길이 값 이상인 경우, 상기 분사홀의 형성각(
Figure 112021146598651-pat00033
)을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00034
)는, 하기의 수학식 5,6을 통해 계산되는 과열저감장치의 설계방법.
[수학식 5]
Figure 112021146598651-pat00035
여기서,
Figure 112021146598651-pat00036
는 분사홀 하나의 단면적이며,
Figure 112021146598651-pat00037
는 슬리브 내부에서 유동하는 증기의 질량유량이고,
Figure 112021146598651-pat00038
는 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 통과면적에 해당한다.
[수학식 6]
Figure 112021146598651-pat00039
여기서,
Figure 112021146598651-pat00040
,
Figure 112021146598651-pat00041
,
Figure 112021146598651-pat00042
,
Figure 112021146598651-pat00043
,
Figure 112021146598651-pat00044
,
Figure 112021146598651-pat00045
은 상수이며,
Figure 112021146598651-pat00046
는 상기 분사홀을 통해 상기 슬리브의 내부로 분사된 냉각수가 진행한 거리 중에서, 상기 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향을 따라 이동한 거리를 나타낸다.
본 발명에 따른 과열저감장치의 설계방법에 의하면, 어느 하나의 분사홀의 직경(
Figure 112021146598651-pat00047
) 값과 해당 분사홀에서의 냉각 수의 압력강하(
Figure 112021146598651-pat00048
) 값에 기초하여 해당 분사 홀로부터 분사될 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00049
) 값을 계산하며, 계산된 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00050
) 값에 기초하여 분사홀의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00051
), 간격(
Figure 112021146598651-pat00052
), 수직방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00053
) 및 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00054
), 형성각(
Figure 112021146598651-pat00055
)을 산출함으로써, 증기터빈의 구동 조건과 상황에 맞게 분사노즐에 형성될 분사홀을 최적으로 설계할 수 있다.
도 1은 과열저감장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 A-A 선을 따라 도시한 과열저감장치의 종단면도이다.
도 3은 도 2에서 증기배관 내부의 확대도이다.
도 4는 도 3에서 B-B 선을 따라 도시한 과열저감장치의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 과열저감장치의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
증기터빈은, 증기의 힘을 이용하여 전기를 생성하는 장치를 의미한다. 증기터빈은, 증발기, 터빈 및 과열저감장치(100)를 포함한다.
증발기는, 석탄 등의 연료를 연소시켜 발생되는 열로 물을 가열하여 증기를 생성한다. 터빈은 증발기에서 발생된 증기를 공급받아 내부로 통과시켜, 전력 생성을 위한 동력을 발생시킨다. 과열저감장치(100)는, 증발기로부터 터빈으로 증기가 유동되는 증기배관(110)과, 증기배관(110)의 내벽을 보호하기 위해 증기배관(110)의 내부에 설치되는 슬리브(120)와, 증기배관(110)에 설치되며 슬리브(120)의 내부로 과열을 저감하기 위한 냉각수를 분사하는 과열저감기(130)를 포함한다.
상기 과열저감기(130)는, 증기배관(110)의 외부에 고정되는 고정부(131)와, 상기 고정부(131)의 내부에 설치되는 지지부(132)와, 상기 지지부(132)의 하부로부터 하측으로 연장되어 슬리브(120)의 내부로 삽입되며, 슬리브(120)의 내부로 냉각수가 분사되는 분사홀(134)이 형성되는 분사노즐(133)을 포함한다. 이때, 상기 분사홀(134)은, 상기 분사노즐(133)에 복수개로 구비되며, 각각 상기 지지부(132)로부터 상기 분사노즐(133)로 유입된 냉각수가 상기 슬리브(120)의 내부로 분사된다. 도 4를 참조하면, 상기 분사노즐(133)은 내부로 냉각수가 유입될 수 있도록, 속이 빈 원통 형상으로 형성된다. 한편, 도 1 및 도 4를 참조하면, 상기 복수개의 분사홀(134)은, 상기 슬리브(120)의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향(
Figure 112021146598651-pat00056
)을 기준으로 상기 분사노즐(1 33)의 하류(Downstream) 측에 형성될 수 있다.
상기 슬리브(120)는, 상기 증기배관(110) 을 고온의 증기로부터 보호하기 위하여, 외주면이 상기 증기배관(110)의 내주면으로부터 이격되도록 배치된다. 물론, 상기 슬리브(120)와 증기배관(110)의 사이에는, 상기 슬리브(120)를 지지하기 위한 별도의 부재(미도시)가 설치될 수 있다.
이하부터는, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 과열저감장치(100)의 설계방법에 대해 설명하도록 한다. 더욱 상세하게는, 과열저감장치(100)에서 상기 복수개의 분사홀(134)을 설계하는 방법에 대해 설명하도록 한다. 이때, 설명의 편의를 위하여, 이하부터 등장하게 될 기호를 정의하도록 한다. 한편, 본 발명에서, 수직방향이란 상기 분사노즐(133)의 상하 길이방향을 의미하며, 수평방향이란 증기의 유동방향(
Figure 112022031882909-pat00057
)을 따라 분사노즐(134)을 보았을 때 상기 수직방 향과 직교를 이루는 방향을 의미한다.
Figure 112021146598651-pat00058
: 분사홀( 134) 하나의 직경
Figure 112022031882909-pat00059
: 분사홀(134)을 통해 분사될 냉각수의 압력강하
Figure 112021146598651-pat00060
: 분사노즐(133)로 공급되는 냉각수의 비체적
Figure 112021146598651-pat00061
: 분사홀(134) 하나의 단면적
Figure 112021146598651-pat00062
: 하나의 분사홀(134)로부터 분사될 냉각수의 질량유량
Figure 112021146598651-pat00063
: 슬리브(120)의 내부에서 유동하는 증기의 통과면적
Figure 112021146598651-pat00064
: 슬리브(120) 내부에서 유동하는 증기의 질량유량
Figure 112021146598651-pat00065
: 인 접하는 분사홀(134)과 분사홀(134) 사이의 간격
Figure 112021146598651-pat00066
: 분사홀(134)의 총 개수
Figure 112021146598651-pat00067
: 분사홀(134)의 수직방향의 개수
Figure 112021146598651-pat00068
: 분사홀(134)의 수평방향의 개수
Figure 112021146598651-pat00069
: 분사노즐(133)에서 슬리브(120)의 내부로 분사 가능한 냉각수의 최대 분사유량
Figure 112021146598651-pat00070
: 슬리브(120)의 내경
Figure 112021146598651-pat00071
: 증기배관(110)의 내경
Figure 112021146598651-pat00072
: 분사노즐(133)의 하단으로부터 증기배관(110 )의 내주면까지의 수직 길이
Figure 112021146598651-pat00073
: 가장 상측에 배치된 분사홀(134)로부터 슬리브(120)의 내주면까지의 수직 길이
Figure 112021146598651-pat00074
: 가장 하측에 배치된 분사홀(134)로부터 분사노즐 (133)의 하단까지의 수직 길이
Figure 112021146598651-pat00075
: 가장 상측의 분사홀(134)로부터 가장 하측의 분사홀(134)까지의 수직 길이
Figure 112021146598651-pat00076
: 제트관통길이(Jet penetration length); 어느 하나의 분사홀 (134)을 통해 슬리브(120)의 내부로 분사된 냉각수가 진행한 거리 중에서, 슬리브(120)의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향에 대해 수직인 방향으로의 이동거리
Figure 112022031882909-pat00077
: 어느 하나의 분사홀(134)을 통해 슬리브(120)의 내부로 분사된 냉각수가 진행한 거리 중에서, 슬리브(120)의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향을 따라 이동한 거리를 나타낸다.
Figure 112021146598651-pat00078
: 형성각(Forming angle); 분사노즐(133)의 중심을 기준으로, 슬리브(120)의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향 기준 분사노즐(133)의 가장 하류(Downstream) 측 지점과 어느 하나의 분사홀(134) 사이의 각도
여기서, 본 발명에 따라 설계될 복수개의 분사홀(134)은, 모두 동일 직경(
Figure 112021146598651-pat00079
)으 로 설계되며, 각각 등간격으로 배치되는 것(즉, 분사홀(134)과 분사홀(134) 사이의 간격(
Figure 112021146598651-pat00080
)은 모두 동일한 것)으로 가정한다. 또한, 본 발명에 따라 설계될 복수개의 분사홀(134)은, 상기 분사노즐(133)에서 수직방향으로
Figure 112021146598651-pat00081
개, 수평방향으로
Figure 112021146598651-pat00082
개의
Figure 112021146598651-pat00083
X
Figure 112021146598651-pat00084
사각 행렬(Matrix)로 배열되는 것으로 가정한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 과열저감장치(100)의 설계방법에서, 우선, A 단 계는, 상기 증기배관(110), 슬리브(120) 및 과열저감기(130)를 준비한다.
다음으로, B 단계는, 기 설정된 기준 직경범위 내에서, 상기 분사노즐(133)에 형성 할 복수개의 분사홀(134)의 각 직경(
Figure 112021146598651-pat00085
) 값을 선정한다. 여기서, 상기 기 설정된 기준 직경범위는, 4 mm 내지 7 mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
그 다음으로, C 단계는, 어느 하나의 분사홀(134)의 직경(
Figure 112021146598651-pat00086
) 값과 해당 분사홀(134)에서의 냉각수의 압력강하(
Figure 112021146598651-pat00087
) 값에 기초하여, 해당 분사홀(134)로부터 분사될 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00088
) 값을 계산한다. 이때, 상기 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00089
) 값은, 다음과 같은 수학식 1을 통해 결정될 수 있다.
Figure 112021146598651-pat00090
여기서,
Figure 112021146598651-pat00091
은 차원이 없는 상수로서, 예를 들면
Figure 112021146598651-pat00092
와 같은 수치 일 수 있다. 또한,
Figure 112021146598651-pat00093
와
Figure 112021146598651-pat00094
은 각각 증기터빈의 구동 조건이나 상황에 따라 결정되는 값으로서, 예를 들면 각각 346 kPa와 0.0013 m3/kg와 같은 수치일 수 있다.
그리고 상기 C 단계는, 계산된 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00095
) 값에 기초하여, 상기 복수개의 분사홀(134)의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00096
)를 산출한다. 더욱 상세하게는, 상기 C 단계는, 상기 분사노즐(133 )에서 분사 가능한 냉각수의 최대 분사유량(
Figure 112021146598651-pat00097
) 값을 하나의 분사홀(134)로부터 분사될 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00098
) 값으로 나눈 결과값 중, 소수점 아래 숫자를 버린 값을 분사홀(134)의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00099
)로 결정한다 .
그 다음으로, D 단계는, 인접하는 분사홀(134)과 분사홀(134) 사이의 간 격(
Figure 112021146598651-pat00100
) 값과, 상기 C 단계에서 산출된 상기 복수개의 분사홀(134)의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00101
) 를 통해, 상기 복수개의 분사홀(134)의 수직방향의 개수(
Figure 112021146598651-pat00102
)와 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00103
)를 산출한다.
이때, 상기 D 단계는, 인접하는 분사홀(134)과 분사홀(134) 사이의 간격(
Figure 112021146598651-pat00104
) 값을, 하기의 수학식 2를 이용하여 계산한다.
Figure 112021146598651-pat00105
여기서,
Figure 112021146598651-pat00106
는 차원이 없는 상수로서, 예를 들면 0.56과 같은 수치일 수 있다.
그리고 상기 D 단계는, 하기의 수학식 3,4에 기초하여 상기 복수개의 분사홀(134)의 수직방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00107
)와 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00108
)를 산출한다.
Figure 112021146598651-pat00109
여기서,
Figure 112021146598651-pat00110
은 차원이 없는 상수로서, 예를 들면 0.15와 같은 수치일 수 있 다. 또한,
Figure 112021146598651-pat00111
,
Figure 112021146598651-pat00112
,
Figure 112021146598651-pat00113
는 각각 분사노즐(133)의 설계 시 이미 결정 된 값에 해당한다.
Figure 112021146598651-pat00114
마지막으로, E 단계는, 설계된 각 분사홀(134)을 통해 분사되는 냉각수의 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00115
)를 측정한다. 이때, 상기 E 단계는, 하기의 수학식 5, 6을 통해 상기 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00116
)를 계산한다.
Figure 112021146598651-pat00117
Figure 112021146598651-pat00118
여기서,
Figure 112021146598651-pat00119
,
Figure 112021146598651-pat00120
,
Figure 112021146598651-pat00121
,
Figure 112021146598651-pat00122
,
Figure 112021146598651-pat00123
,
Figure 112021146598651-pat00124
은 차원이 없는 상수로서, 예를 들면 각각 1.18, 0.24, 0.36, 1, 1.56, 0.48과 같은 수치일 수 있다.
그리고 상기 E 단계는, 측정된 상기 분사홀(134)의 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00125
)가 기준 한계길이 값 이상인 경우, 도 4에 도시된 상기 분사홀(134)의 형성각(
Figure 112021146598651-pat00126
)을 조절한 다. 더욱 상세하게는, 상기 E 단계는, 상기
Figure 112021146598651-pat00127
값이 감소되는 방향으로 상기 형성각(
Figure 112021146598651-pat00128
)을 조절하여 상기 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00129
) 값이 상기 기준 한계길이 값 미만이 되도록 하고, 그 때의 형성각(
Figure 112021146598651-pat00130
) 값을 선정하여 상기 복수개의 분사홀(134)의 각 형성각(
Figure 112021146598651-pat00131
) 값으로 지정한다.
이상에서 살펴 본 바와 같은 본 발명의 과열저감장치(100)의 설계방법에 의 하면, B 단계에서 선정된 분사홀(134) 하나의 직경(
Figure 112021146598651-pat00132
) 값을 이용하여, C 단계에서 하나의 분사홀(134)에서 분사될 냉각수의 질량유량(
Figure 112021146598651-pat00133
) 값과 복수개의 분사홀(134)의 총 필요개수(
Figure 112021146598651-pat00134
)를 산출할 수 있으며, D 단계에서 인접하는 분사홀(134)과 분사홀(134) 사이의 간격(
Figure 112021146598651-pat00135
) 값과 복수개의 분사홀(134)의 수직방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00136
) 및 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00137
)를 산출할 수 있고, E 단계에서 제트관통길이(
Figure 112021146598651-pat00138
)가 기준 한계길이 값 미만이 되도록 하는 형성 각(
Figure 112021146598651-pat00139
) 값을 산출할 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면, 증 기터빈의 구동 조건과 상황에 맞게 분사홀(134)의 개수(
Figure 112021146598651-pat00140
), 간격(
Figure 112021146598651-pat00141
), 수직방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00142
) 및 수평방향 개수(
Figure 112021146598651-pat00143
), 형성각(
Figure 112021146598651-pat00144
)을 최적으로 설계할 수 있다.
100 : 과열저감장치
110 : 증기배관 120 : 슬리브
130 : 과열저감기
131 : 고정부 132 : 지지부
133 : 분사노즐 134 : 분사홀

Claims (5)

  1. 증발기로부터 터빈으로 공급되는 증기의 온도를 저감시키는 과열저감장치의 설계방법에 있어서,
    (A) 증기배관과, 상기 증기배관의 내부에 배치되며 내부로 증기가 유동하는 슬리브와, 상기 슬리브의 내부에 설치되어 냉각수를 분사하는 분사노즐을 준비하는 단계;
    (B) 상기 분사노즐에 형성할 복수개의 분사홀의 각 직경(
    Figure 112021146598651-pat00145
    ) 값을 선정하는 단계;
    (C) 상기 분사홀의 직경(
    Figure 112021146598651-pat00146
    ) 값과 상기 분사홀에서 분사될 냉각수의 압력강하(
    Figure 112021146598651-pat00147
    ) 값에 기초하여 상기 분사홀로부터 분사될 냉각수의 질량유량(
    Figure 112021146598651-pat00148
    ) 값을 계산하며, 계산된 질량유량(
    Figure 112021146598651-pat00149
    ) 값을 통해 분사홀의 총 필요개수(
    Figure 112021146598651-pat00150
    )를 산출하는 단계; 및
    (D) 상기 복수개의 분사홀을 서로 동일한 간격(S)으로, 그리고 수직방향으로
    Figure 112021146598651-pat00151
    개, 수평방향으로
    Figure 112021146598651-pat00152
    개의
    Figure 112021146598651-pat00153
    X
    Figure 112021146598651-pat00154
    사각 행렬(Matrix)로 배치시키는 단계로서,
    인접하는 분사홀과 분사홀 사이의 간격(
    Figure 112021146598651-pat00155
    ) 값과 상기 C 단계에서 산출된 분사홀의 총 필요개수(
    Figure 112021146598651-pat00156
    )를 통해 분사홀의 수직방향 개수(
    Figure 112021146598651-pat00157
    )와 수평방향 개수(
    Figure 112021146598651-pat00158
    )를 산출하는 단계;를 포함하는 과열저감장치의 설계방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 D 단계는, 인접하는 분사홀과 분사홀 사이의 간격(
    Figure 112022031882909-pat00159
    ) 값을 하기의 수학식 2를 이용하여 계산하는 과열저감장치의 설계방법.
    [수학식 2]
    Figure 112022031882909-pat00160
    (단,
    Figure 112022031882909-pat00161
    는 상수)
    (
    Figure 112022031882909-pat00215
    , S의 단위는 mm)
  3. 청구항 1에 있어서,
    Figure 112022031882909-pat00162
    은 상기 분사노즐의 하단으로부터 상기 증기배관의 내주면까지의 수직 길이이며,
    Figure 112022031882909-pat00163
    은 가장 상측에 배치된 분사홀로부터 상기 슬리브의 내주면까지의 수직 길이이고,
    Figure 112022031882909-pat00164
    는 상기 분사노즐의 하단으로부터 가장 하측에 배치된 분사홀까지의 수직 길이이며,
    Figure 112022031882909-pat00165
    는 상기 분사홀의 가장 상측의 분사홀로부터 가장 하측의 분사홀까지의 수직 길이라고 하였을 때,
    상기 D 단계는, 하기의 수학식 3,4에 기초하여 상기 분사홀의 수직방향 개수(
    Figure 112022031882909-pat00166
    )와 수평방향 개수(
    Figure 112022031882909-pat00167
    )를 산출하는 과열저감장치의 설계방법.
    [수학식 3]
    Figure 112022031882909-pat00168
    (단,
    Figure 112022031882909-pat00169
    는 상수),
    Figure 112022031882909-pat00170

    [수학식 4]
    Figure 112022031882909-pat00171
    ,
    Figure 112022031882909-pat00172

    (
    Figure 112022031882909-pat00216
    ,
    Figure 112022031882909-pat00217
    ,
    Figure 112022031882909-pat00218
    ,
    Figure 112022031882909-pat00219
    의 단위는 mm)
  4. 청구항 1에 있어서,
    어느 하나의 분사홀을 통해 상기 슬리브의 내부로 분사된 냉각수가 진행한 거리 중에서, 상기 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향에 대해 수직인 방향으로의 이동거리를 제트관통길이(Jet penetration length;
    Figure 112022031882909-pat00173
    )라 하고,
    원통 형상의 상기 분사노즐의 중심을 기준으로, 상기 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향 기준 상기 분사노즐의 가장 하류(Downstream) 측 지점과 상기 분사홀 사이의 각도를 형성각(Forming angle;
    Figure 112022031882909-pat00174
    )이라 하였을 때,
    상기 D 단계 이후,
    (E) 상기 분사홀을 통해 분사되는 냉각수의 제트관통길이(
    Figure 112022031882909-pat00175
    )를 측정하며, 측정된 상기 분사홀의 제트관통길이(
    Figure 112022031882909-pat00176
    )가 기준 한계길이 값 이상인 경우, 상기 분사홀의 형성각(
    Figure 112022031882909-pat00177
    )을 조절하는 단계;를 더 포함하는 과열저감장치의 설계방법.
    제트관통길이(Jet penetration length;
    Figure 112022031882909-pat00220
    )의 단위는 mm
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제트관통길이(
    Figure 112022031882909-pat00178
    )는, 하기의 수학식 5,6을 통해 계산되는 과열저감장치의 설계방법.
    [수학식 5]
    Figure 112022031882909-pat00179

    여기서,
    Figure 112022031882909-pat00180
    는 분사홀 하나의 단면적이며,
    Figure 112022031882909-pat00181
    는 슬리브 내부에서 유동하는 증기의 질량유량이고,
    Figure 112022031882909-pat00182
    는 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 통과면적에 해당한다.
    (
    Figure 112022031882909-pat00221
    ,
    Figure 112022031882909-pat00222
    의 단위는 ㎟, 질량유량 단위는 kg/s)
    [수학식 6]
    Figure 112022031882909-pat00183

    여기서,
    Figure 112022031882909-pat00184
    ,
    Figure 112022031882909-pat00185
    ,
    Figure 112022031882909-pat00186
    ,
    Figure 112022031882909-pat00187
    ,
    Figure 112022031882909-pat00188
    ,
    Figure 112022031882909-pat00189
    은 상수이며,
    Figure 112022031882909-pat00190
    는 상기 분사홀을 통해 상기 슬리브의 내부로 분사된 냉각수가 진행한 거리 중에서, 상기 슬리브의 내부에서 유동하는 증기의 유동방향을 따라 이동한 거리를 나타낸다.
    (
    Figure 112022031882909-pat00223
    , 제트관통길이(Jet penetration length;
    Figure 112022031882909-pat00224
    )의 단위는 mm)
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