KR19980038994U - 배열회수 시스템용 순환수 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 연소로에서 배출되는 중저온 배기가스의 열을 회수 재활용하는 배열회수시스템에 보다 유리하게 적용될 수 있는 순환수 장치의 제공에 관한 것이다.

본 고안의 순환수 장치는 특히 중저온 배열을 회수하여 전력을 발생시키는 유기랭킨 사이클식 배열회수 시스템에 유리하게 적용될 수 있도록 구성된 것으로, 열원인 배기가스와 유기랭킨 시스템간에 주 순환수계통(27)을 두고 이 순환수계통상에 1차 바이패스라인(25)과 2차 바이패스라인(26)을 설치하여 배기가스출구 온도측정을 위한 1차 온도감지센서(24)와 랭킹 시스템에 유입되는 순환수의 온도측정을 위한 2차 온도감지센서(21)에 의해 이 라인을 통과하는 유량을 조정하도록 된 것을 특징으로 한다.

상기의 구성에 의해 본 고안의 장치는 관련 시스템에 저렴한 가격으로 간단히 설치사용될 수 있으면서 배기가스 열량공급조건이나 랭킨시스템의 열흡수능력 등의 변화시에도 시스템의 안정적인 작동을 보장하고 저온부식에 의한 문제발생을 미연에 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

배열회수 시스템용 순환수 장치

본 고안은 연소로에서 배출되는 배기가스의 열을 회수 재활용하는 배열회수시스템에 유리하게 적용될 수 있는 순환수 장치의 제공에 관한 것이다.

보일러나 가열로 등과 같은 산업용 연소로에서 배출되는 배기가스는 통상 500℃~900℃의 온도에 이르며, 일반적으로 이러한 연소로의 열효율을 향상을 위해 연소용 공기예열장치(2)를 연소로의 배기가스 출측에 설치하고 배기가스의 열을 이용하여 연소용 공기를 예열하도록 하고 있다. 그러나 이와 같이 하더라도 최종적으로 배출되는 배기가스의 온도는 약 200℃에서 450℃에 달하기 때문에 배기가스가 보유하고 있는 미이용열에너지는 전체 사용열량의 20%-30%에 이르고 있다.

최근에는 이러한 연도 배기가스의 미이용열에너지를 추가로 회수활용하기 위하여 연도 배기가스 열을 열원으로 하는 유기랭킨 사이클 시스템이 개발 사용되고 있다. 유기랭킨 사이클 시스템은 중저온의 열원으로부터 작동유체인 유기열매체를 가열 증발시키고 이때 발생되는 증기압력을 이용하여 터빈을 구동시킴으로서 축동력을 얻을 수 있는 배열회수시스템의 일종이다. 이러한 형태의 배열회수 장치는 중저온의 연도 배기가스를 고급에너지인 전력의 형태로 회수할 수 있고 회수에너지를 모든 분야에서 이용할 수 있기 때문에 가장 유력한 배열회수 방안으로 인식되고 있다.

유기랭킨 시스템이 연로로의 배기가스로부터 열을 흡수하기 위해서는 연도 배기가스와 시스템간에 열교환이 일차적으로 이루어져야 하며, 이는 핀튜브 타입의 열교환기를 통해서 이루어지게 된다. 종래에는 통상적으로 도 1에서 보여진 바와 같이, 주 연돌(3)에 보조덕트(5)를 설치하고 그 중간에 유기랭킨 시스템의 열흡수부인 증발기/예열기 세트(8)를 두어 배기가스와 유기랭킨 시스템간에 열교환이 이루어지도록 하는 방식을 주로 채용하여 왔다. 그러나 이러한 방식을 사용하기 위해서는 열교환에 필요한 배기가스의 통로인 보조덕트(5)가 추가로 설치되어야 하며 또, 상기 보조덕트 설치에 따른 통풍력 손실을 보상하기 위하여 보조통풍기(7)를 설치해주어야만 한다. 또한 보조덕트(5) 내에 보조댐퍼(6)를 설치하여 랭킨시스템의 부하 변화나 정지 또는 주 보일러의 연소부하 변동시에 보조덕트(5)를 통과하는 배기가스의 유량을 적절히 제어하여야 안정된 배열회수 시스템의 작동을 보장할 수 있다.

이러한 보조장치들은 그 규모가 크기 때문에 가동중에 있는 기존 설비에 적용하기에는 곤란한 경우가 많고 설치 및 운전에 따르는 비용이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 특히 보조덕트의 설치공간이 없기 때문에 이와 같은 배열회수 시스템의 적용이 불가능해지는 사례가 자주 있었다.

한편, 열교환기의 측면에서 보면 유기랭킨 시스템용 증발기/예열기 세트(8)에는 작동유체 순환계통(11)으로부터 약 50℃ 정도의 작동유체가 유입이 되는데 이러한 온도하에서는 증발기/예열기 세트(8)의 유입부에서 배기가스 중의 유황분의 응측에 의한 저온부식을 피할 수가 없게 된다.

도 2는 상기 도 1에 따른 방식의 단점들을 보완하여 실제적으로 배열회수 시스템이 적용가능하도록 하기 위하여 제시된 또 다른 배열회수 시스템의 구성개요를 나타낸 것으로서, 배기가스와 유기랭킨 시스템은 직접 열교환을 하지 않고 순환수계통(16)을 통하여 간접적으로 열교환이 이루어지도록 한 것이다. 이 경우에는 배기가스와 접촉하게 되는 열교환기의 내부에 순환수가 흐르게 되면 가열된 순환수가 랭킨 시스템의 증발기/예열기 세트(17) 내에 있는 작동유체를 가열하게 된다. 또한 배열회수용 열교환기(15)는 도 1에서와 같이 보조덕트내에 설치되지 않고 연도(14) 중간에 직접 설치된다.

이러한 방식을 채택하게 되면 보조덕트(5), 보조댐퍼(6) 그리고 보조통풍기(7)의 설치가 불필요해지게 되어 투자비와 운전에 소요되는 비용을 줄일 수가 있으며 설치공간의 유무에 의한 제약을 받지 않게 된다. 또한 순환수의 입출구 온도를 임의 조절할 수 있기 때문에 순환수 유입부에서의 열교환기 전열면에 대한 저온 부식 문제를 방지할 수 있게 된다.

그러나 이러한 방식을 사용할 경우에는 연소로의 부하변동에 따른 배기가스량과 온도의 변화, 배열회수 장치부분에서의 열흡수능력의 변화 그리고 배열회수시스템의 기동이나 정지에 대비하여 연도가스로부터 랭킹 시스템에 전달되어지는 열교환량을 조절할 수 있는 별도의 제어방안이 마련되어야 하며 이는 도 1의 경우에서 보여진 보조댐퍼(6)의 역할과 같다.

본 고안은 이러한 종래의 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 기존의 시스템에 비해 저렴한 비용으로 보다 간단히 설치사용될 수 있고 열량의 이동에 대한 제어가 정밀하게 이루어질 수 있으며, 저온부식의 문제도 배제할 수 있는 배열회수용 순환수 장치를 제공하는데에 그 목적이 있다.

도 1은 바이패스 덕트를 사용한 종래의 배열회수 시스템의 구성개요도.

도 2는 연도직접 설치방식을 채택한 종래의 또다른 배열회수 시스템의 구성개요도.

도 3은 본 고안에 의한 장치의 순환수 계통도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1:가열로본체2:공기예열기

3:연돌4:주 댐퍼

5:보조덕트6:보조댐퍼

7:보조통풍기8:증발기/예열기세트

9:터빈10:응축기

11:작동유체 순환계통12:보일러본체

13:주 통풍기14:연도

15:배열회수용 열교환기16:순환수 계통

17:증발기/예열기세트18:차단밸브

19:제어 밸브20:제어 밸브

21:1차/온도감지센서22:순환수 펌프

23:삼방 밸브24:2차/온도감지센서

25:1차 바이패스라인26:2차 바이패스라인

27:주 순환수계통

이하에서, 본 고안을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 고안에 따른 배열회수시스템용 순환수 장치의 순환수계통을 나타낸 그림이다. 배기가스의 열량은 기본적으로는 배열회수용 열교환기(15)와 랭킨 시스템의 증발기/예열기 세트(17)를 열결하는 주 순환수계통(27)에 의하여 랭킨 시스템에 전달되어지도록 되어 있다. 순환수계통상에 설치된 1차 바이패스라인(25)과 2차 바이패스라인(26)은 배기가스와 랭킨 시스템간 열량 전달의 조절을 위하여 설치되어 있다. 순환수는 계통상에 설치된 정속 순환수 펌프(22)에 의하여 순환되어진다.

본 고안에서는 배기가스와 랭킨 시스템간의 열량의 이동을 제어하기 위하여 1차 바이패스라인(25)상에 1차 유량조절 밸브(20)를 두었으며, 또 2차 바이패스 유량조절을 위해 1개의 삼방 밸버(23)를 계통상에 설치하였다. 이러한 밸브들은 주순환수계통(27)에 설치된 2차 온도감지센서(24)와 배기가스의 출축에 설치된 1차 온도감지센서(21)에 의하여 제어되어진다.

배기가스의 공급열량과 랭킨 시스템의 흡수열량이 설계조건내에 있게 되면 1차 바이패스라인(25)과 2차 바이패스라인(26)은 제어 밸브(20)의 차단과 삼방 밸브(23)의 작동에 의하여 차단되고 순환수는 이러한 바이패스라인으로는 흐르지 않게 된다. 랭킨 시스템의 흡수열량에 비하여 배기가스의 공급열량이 과도해지게 되면 랭킨 사이클에 공급되어지는 순환수의 온도가 설계치 이상으로 증가되므로 이러한 온도증가를 온도감지센서(24)로부터 포착하여 삼방 밸브(23)을 조절함으로서 2차 바이패스라인(26)으로 순환수의 일부가 흐르도록 한다. 이렇게 함으로써 배열회수용 열교환기(15)를 통과하는 순환수의 유량을 저하시켜 배기가스로부터 순환수에 전달되어지는 열전달량을 저하시킬 수 있게 된다. 랭킨시스템이 정지되어 있는 경우에는 삼방밸브(23)를 완전히 개방하여 배열회수용 열교환기(15) 내로 순환수가 흐르지 않도록 함으로써 고온 순환수에 의한 랭킨 시스템의 과열을 방지할 수가 있게 된다.

이와는 반대로 랭킨 시스템의 열흡수 능력에 비하여 배기가스의 공급열량이 줄어들게 되면, 배열회수용 열교환기(15)의 출구측 배기가스의 온도가 저하될 뿐만 아니라 배기가스 열교환기(15)에 유입되는 순환수의 온도가 저하되어 열교환기의 저온부식이 초래된다. 이를 방지하기 하기 위하여 열교환기의 배기가스 출측에 온도감지센서(21)를 두고 이 온도가 설정치 이하로 저하되면 1차 바이패스라인(25)용 유량제어 밸브(20)를 개방하여 순환수가 랭킨 사이클을 통과하지 않도록 함으로써 과도한 열량의 제거를 방지하여 순환수의 온도가 정도 이하로 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이로써 배기가스의 온도가 설정치 이하로 저하되는 것이 방지되어 진다.

배기가스온도의 설정치는 배기가스의 산노점 온도를 감안하여 140℃에서 155℃의 범위내에서 설정되어 진다.

순환수계통상에는 각각의 바이패스 라인을 통과하는 유량이 변화되어질 경우 정속 순환수 펌프(22)의 성능 유지에 필요한 압력균형을 유지할 수 있도록 압력조절 밸브(19)를 두었으며, 또 랭킨 시스템이 장기간 정지해 있을 경우에 대비하여 차단 밸브(18)를 두었다.

배열회수 시스템과 열원인 배기가스 사이에 위와 같이 설치 작동되어지는 본 고안의 순환수 장치를 채용함으로써 바이패스 덕트를 사용하는 기존의 시스템에 비하여 투자비를 줄일 수 있을 뿐만이 아니라 열량의 이동에 관한 제어가 정밀하게 이루어질 수 있으며, 또한 이러한 배열회수용 열교환기에 있어서의 저온부식에 의한 문제발생을 베제할 수 있는 유리가 효과가 얻어진다.

Claims (3)

1. 중저온 배열을 회수하여 전력을 발생시키는 유기랭킨 사이클식 배열회수 시스템에 있어서, 열원인 배기가스와 유기랭킨 시스템간에 주 순환수계통(27)을 두고, 이 순환수 계통상에 1차 바이패스라인(25)과 2차 바이패스라인(26)을 설치하여 배기가스출구 온도측정을 위한 1차온도감지센서(21)와 랭킨 시스템에 유입되는 순환수의 온도측정을 위한 2차 온도감지센서(24)에 의해 이 라인을 통과하는 유량을 조정하도록 된 것을 특징으로 하는 배열회수시스템용 순환수 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 1차 바이패스라인(25)상에 유량제어 밸브(20)를 설치하여 상기 1차 온도감지센서(21)에서 감지된 온도가 설정치 이하일때 상기 밸브(20)를 개방하여 순환수가 랭킨 사이클을 통과하지 않도록 한 것을 특징으로 하는 배열회수시스템용 순환수 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 온도의 설정치를 약 140~155℃ 범위로 하는 것을 특징으로 하는 배열회수시스템용 순환수 장치.