KR20000021783A - Device for unifying flow of heat recovery steam generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 복합발전용 배열회수 증기발생기(Heat Recovery Steam Generator, HRSG)나 배열회수보일러(Exhaust Gas Boiler)에 설치할 수 있는 유동균일화장치에 관한 것으로서, 상기 유동균일화장치는 배열회수 증기발생기의 배가스 유입입구에 부착되어, 가스터빈 출구의 배가스가 이를 통과함으로서 온도 및 유속의 불균일이 해소되고 균일한 유동형태로 바뀌어 상기 배열회수증기발생기로 유입하게 되는데, 이로서, 배열회수 증기발생기의 효율을 향상시키고 고압과열기의 전열관 등의 파손을 막을 수 있는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a flow homogenizer that can be installed in a combined heat recovery steam generator (HRSG) or an exhaust gas boiler, wherein the flow homogenizer is an inlet gas inlet of the heat recovery steam generator. Attached to the inlet, the exhaust gas at the outlet of the gas turbine passes through to eliminate the non-uniformity of temperature and flow rate and to convert into a uniform flow form, which flows into the heat recovery steam generator, thereby improving the efficiency of the heat recovery steam generator and The present invention relates to a device capable of preventing damage to a heat transfer tube of a superheater.
일반적으로 복합발전시스템은 연료를 연소시켜 고압고온의 연소가스를 발생시키고 이 고온고압의 연소가스를 이용하여 가스터빈을 구동하여 전기를 발생하는 가스터빈 시스템과, 가스터빈을 구동하고 배출되는 연소가스의 열을 회수하는 배열회수 증기발생기과, 배열회수 증기발생기에서 발생된 고온고압의 증기를 이용하여 증기터빈을 구동시켜 전기를 발생시키는 증기터빈 시스템으로 구성되어 있다.In general, a combined power generation system burns fuel to generate high-pressure, high-temperature combustion gas, and uses the high-temperature, high-pressure combustion gas to drive a gas turbine to generate electricity, and a gas to drive and discharge the gas turbine. It consists of a heat recovery steam generator for recovering heat and a steam turbine system for generating electricity by driving a steam turbine using high temperature and high pressure steam generated from the heat recovery steam generator.
도 1은 종래의 배열회수 증기발생기의 구조를 개략적으로 설명한 측단면도를 나타낸 것으로, 복합발전용으로 쓰이는 상기 배열회수 증기발생기나 배열회수보일러는 가스터빈의 출구에 연결되어 높은 온도로 방출되는 배가스를 우회시켜 가면서 그 열량을 회수할 목적으로 쓰이는 것으로, 포화액체를 포화증기로 만드는 증발기와, 포화증기를 고온으로 가열하는 과열기와, 응축기에서 유입되는 급수를 포화액체로 가열하는 절탄기로 구성되어 있으며 과열기는 설계시 증기터빈에서 필요로 하는 온도조건까지 가열되도록 설계된다.1 is a side cross-sectional view schematically illustrating a structure of a conventional heat recovery steam generator, wherein the heat recovery steam generator or the heat recovery boiler, which is used for combined power generation, is connected to an outlet of a gas turbine to discharge exhaust gas discharged at a high temperature. Used for the purpose of recovering heat while bypassing, it consists of an evaporator that makes saturated liquid into saturated steam, a superheater that heats saturated steam to a high temperature, and a pelletizer that heats the water supplied from the condenser with saturated liquid. The unit is designed to heat up to the temperature conditions required by the steam turbine in the design.
그런데, 상기 가스터빈의 출구배가스(Gas Turbine Exhaust, GTE)가 배열가스 증기발생기에 유입될 때는 완전하게 난류(Turbulent Flow)로 발달하여, 속도와 온도면에서 매우 불균일한 상태에 있다.However, when gas turbine exhaust gas (Gas Turbine Exhaust, GTE) is introduced into the array gas steam generator, it is completely turbulent (turbulent flow), it is in a very uneven state in terms of speed and temperature.
배열회수 증기발생기(HRSG)의 입구부의 단면에 대하여 가스속도는 ±400%만큼 변하며 이에 따른 가스온도도 ±55℃정도까지 변한다.With respect to the inlet section of the HRSG, the gas velocity changes by ± 400% and thus the gas temperature by ± 55 ° C.
도 1에 나타난 바와 같이 종래의 배열회수증기발생기는 가스터빈 출구의 불균일한 온도와 유속을 가진 배가스가 그대로 배열회수증기발생기(1')로 유입되게 된다.As shown in FIG. 1, the conventional heat recovery steam generator has an exhaust gas having a non-uniform temperature and a flow rate at a gas turbine outlet as it is introduced into the heat recovery steam generator 1 ′.
도 2는 가스터빈 배가스의 유동불균일을 수치해석을 통하여 나타낸 시뮬레이션 그래프로서 입구덕트인 배가스유로(2')에서 유동이 매우 불균일함을 알 수 있다.Figure 2 is a simulation graph showing the flow non-uniformity of the gas turbine exhaust gas through the numerical analysis it can be seen that the flow is very non-uniform in the inlet duct flue gas passage (2 ').
또한, 도 3는 도 2의 A-A선에서의 가스터빈 출구배가스 속도분포(Velocity Profile)실험에서 얻어진 속도분포층을 사선의 밀도로 구분하여 나타낸 일례로, 일부 영역에서는 속도벡터가 수직인 경우도 있으며 심지어 다른 영역에서는 주유동방향과 반대방향을 가지는 경우도 존재할 정도로 유동패턴이 불균일하다.In addition, FIG. 3 is an example of dividing the velocity distribution layer obtained by the gas turbine outlet flue gas velocity distribution experiment in the AA line of FIG. 2 by the density of diagonal lines. In some regions, the velocity vector may be vertical. In other regions, the flow pattern is uneven enough to exist in a direction opposite to the main flow direction.
이러한 배가스의 온도와 유동패턴의 변화는 대기온도의 변화나 가스터빈의 부하의 변화 그리고, 가스터빈의 배출물(Emission)을 줄이기 위한 증기나 물을 분사에 의해 발생한다.Such fluctuations in flue gas temperature and flow pattern are caused by changes in atmospheric temperature, changes in gas turbine load, and injection of steam or water to reduce emissions of the gas turbine.
따라서, 가스터빈 출구배가스(GTE)의 변화로 인하여 제1도에서와 같이 증발기(4)의 각 전열관의 열흡수량이 달라지게 되어 증기발생량이 수시로 바뀌게 되는 문제점이 있으며, 또한 배열가스 증기발생기의 최선단의 구성요소 중의 하나인 고압과열기(High Pressure Superheater)나 재열기(Reheater)인 3의 전열관의 핀선단온도(Fin Tip Temperature)나 전열관벽(Tube Wall Temperature)이 국부적으로 지나치게 높게 되어, 핀이나 관벽이 파손되는 치명적인 트러블이 일어나는 경우도 종종 발생하게 된다.Therefore, due to the change in the gas turbine outlet exhaust gas (GTE), as shown in FIG. 1, the heat absorption amount of each heat exchanger tube of the evaporator 4 is changed, and the amount of steam generation is often changed. The fin tip temperature or tube wall temperature of the three heat transfer tubes, either high pressure superheater or reheater, which is one of the components of the stage, becomes too high locally. However, fatal troubles that cause the tube wall to break often occur.
그러므로, 배열가스 증기발생기가 임계범위내에서 안전하게 작동되도록 증발기의 각 전열관에 적절한 물을 공급할 수 있도록 하는 까다로운 순환계통의 설계가 추가되어야 하는 문제점이 있다.Therefore, there is a problem that a tricky circulation system design must be added to supply appropriate water to each heat pipe of the evaporator so that the array gas steam generator operates safely within the critical range.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 가스터빈으로부터 배열가스 증기발생기로 유입되는 배가스의 유동상태를 균일화하는 장치로 구성되어 고압과열기나 재열기 전열관의 핀선단온도나 전열관벽이 국부적으로 지나치게 가열되는 현상을 방지하고, 증발기의 각 전열관의 열흡수량과 그에 따른 증기발생량을 일정하고 고르게하여 배열회수 증기발생기의 수명을 길게하고 증발기의 순환계통 설계를 배가스의 불균일한 유동을 고려해서 복잡하게 할 필요없으며, 열효율을 높이는 효과가 있는 유동균일화장치의 제공에 그 목적이 있다.The present invention devised to solve the above problems is composed of a device for equalizing the flow state of the exhaust gas flowing into the array gas steam generator from the gas turbine, so that the fin tip temperature or the heat transfer pipe wall of the high-pressure superheater or reheater heat transfer pipe is Local heat is prevented from excessive heating, and the heat absorption of each heat pipe of the evaporator and the amount of steam generated according to it are constant and even to extend the life of the heat recovery steam generator and to design the circulation system of the evaporator in consideration of the uneven flow of exhaust gas. The purpose is to provide a fluid homogenizer that does not have to be complicated and has an effect of increasing thermal efficiency.
이와 같은 목적은, 배가스유로이자 가스터빈의 출구와 배열가스 증기발생기의 덕트상의 배가스유로에 설치되고, 천공판(Perforated Plate)과 하니콤(Honey Comb)과 스크린 그리드(Screen Grid)로 구성된 본 발명의 유동균일화장치에 의하여 해결될 수 있는 바, 이하 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명한다.The object of the present invention is the exhaust gas flow path, which is installed at the outlet of the gas turbine and the exhaust gas flow path on the duct of the array gas steam generator, and comprises a perforated plate, honeycomb, and a screen grid. It can be solved by the flow homogenizer, it will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 배열회수 증기발생기의 구조를 개략적으로 설명한 측단면도.1 is a side cross-sectional view schematically illustrating the structure of a conventional heat recovery steam generator.
도 2는 가스터빈 배가스의 유동불균일성을 수치해석적으로 나타낸Figure 2 shows numerically the flow nonuniformity of the gas turbine exhaust gas
시뮬레이션그래프.Simulation graph.
도 3는 도 2의 A-A선에서의 가스터빈 출구배가스의 불규칙한 정면3 is an irregular front face of a gas turbine outlet flue gas at line A-A of FIG.
속도분포층을 나타낸 그래프.Graph showing velocity distribution layer.
도 4는 본 발명의 유동균일화장치가 적용된 배열회수증기발생기의 측단면도.Figure 4 is a side cross-sectional view of the array recovery steam generator to which the flow homogenization apparatus of the present invention is applied.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1. 배열회수 증기발생기 2. 배가스유로1. Heat recovery steam generator 2. Flue gas flow path
3. 고압과열기 4. 고압증발기3. High pressure superheater 4. High pressure evaporator
11. 유동균일화장치 12. 천공판11. Flow Homogenizer 12. Perforated Plate
13. 스크린 그리드13. Screen grid
도 4는 본 발명의 유동균일화장치(11)가 적용된 배열회수증기발생기의 측단면도를 나타낸 것이다.Figure 4 shows a side cross-sectional view of the array recovery steam generator to which the flow homogenizing device 11 of the present invention is applied.
본 발명은, 가스터빈의 출구에 연결되어 유입되는 배가스로부터 열전달을 받아 증기터빈에 공급되는 증기를 배출하는 고압 및 저압과열기와, 고압 및 저압증발기 그리고, 절탄기 등으로 이루어진 배열가스증기발생기에 있어서, 상기 가스터빈의 출구와 배열가스 증기발생기(1)의 연결통로인 배가스유로(2)에 이중으로 설치되는 천공판(12) 또는 하니콤과 스크린 그리드(13)로 구성된다.The present invention is connected to the outlet of the gas turbine in a high-pressure and low-pressure superheater for receiving the heat transfer from the incoming exhaust gas to discharge the steam supplied to the steam turbine, a high-pressure and low-pressure evaporator, an array gas steam generator consisting of a coal mill It consists of a perforated plate 12 or a honeycomb and a screen grid 13, which are installed in the exhaust gas flow passage 2, which is a connection passage between the outlet of the gas turbine and the array gas steam generator (1).
이하, 본 발명의 작용에 관해 설명한다.Hereinafter, the operation of the present invention will be described.
본 발명은 배열회수증기발생기(1)나 배가스보일러(Exhaust Gas Boiler)에 유동균일화장치(11)를 부착함으로서 배열회수증기발생기 입구측 배가스의 유동패턴을 균일하게하여 전열관벽 파손의 가능성 제거 및 증발기의 순환계통 설계의 복잡성을 해소하기 위한 것으로서, 도 4에 나타난 바와 같다.According to the present invention, by attaching the flow homogenizer 11 to the heat recovery steam generator 1 or the exhaust gas boiler, the flow pattern of the exhaust gas at the inlet side of the heat recovery steam generator is uniform, thereby eliminating the possibility of breakage of the heat transfer pipe and the evaporator. This is to solve the complexity of the circulatory system design, as shown in FIG.
본발명의 유동균일화장치(11)는 배열회수증기발생기의 배가스 유입구측인 고압과열기(High Pressure Superheater)또는 재열기(Reheater)(3)의 전단에 설치된다.The flow homogenizing device 11 of the present invention is installed at the front end of the High Pressure Superheater or Reheater 3, which is the exhaust gas inlet side of the heat recovery steam generator.
가스터빈 출구배가스(GTE)는 가스터빈 부하변동 등의 원인으로 인하여 유동이 매우 불균일한 상태에서 배출되며, 또한 가스터빈 출구에 연결된 배가스유로(2)가 도면에 나타난 것과 같이 덕트폭이 급격히 확장된 형상을 띄고 있음으로 배가스의 재순환이나 스월(Swirl) 등의 현상이 발생하는 등 유동패턴이 급격히 변하게 된다.The gas turbine outlet flue gas (GTE) is discharged under a very uneven flow due to gas turbine load fluctuations, and the duct width is rapidly expanded as shown in the drawing. Due to its shape, the flow pattern rapidly changes, such as recirculation of flue gas or swirl.
이러한 배가스의 유동불균일은, 앞서 설명한 바와 같이, 고압증발기(4)에서의 증발량을 급격히 변하게 하고, 열효율의 감소나 증기터빈 운전을 불안정하게 하며, 나아가 고압과열기(3) 등의 전열관벽이나 전열판에 국부적 과열로 인하여 관벽파손이나 핀의 탈락 등 배열회수 증기발생기(1)전체나 복합발전시스템전반에 심각한 트러블을 일으킬 수 있다.As described above, the fluctuations in the flue gas radically change the amount of evaporation in the high-pressure evaporator 4, reduce the thermal efficiency, destabilize the operation of the steam turbine, and further, heat transfer pipe walls or the heat transfer plate of the high-pressure superheater 3. Local overheating can cause serious troubles for the entire heat recovery steam generator (1) or the overall power generation system, such as pipe wall breakage or pin dropout.
따라서, 이러한 배열회수 증기발생기(1)입구의 배가스(GTE)의 유동패턴의 균일화를 위하여, 흔히 풍동 등에 설치되어 연기의 유동형태를 바꾸어주는 역할을 하는 다공판과 같이, 본 발명의 유동균일화장치(11)에서도 배가스의 유동방향과 수직이 되도록 평판상의 천공판(12)이나 하니콤과 스크린 그리드(13)를 복합적으로 겹쳐서 또는 단독으로 입설함으로서 배가스가 상기 천공판 및 스크린 그리드(13)를 통과하는 과정에서 균일한 유동(Uniform Flow)를 형성해 갈 수 있도록 한 것이다.Therefore, in order to equalize the flow pattern of the exhaust gas (GTE) at the inlet of the heat recovery steam generator (1), the flow homogenizing device of the present invention, such as a porous plate which is often installed in a wind tunnel and serves to change the flow of smoke. Also in (11), the exhaust gas passes through the perforated plate and the screen grid 13 by placing the flat perforated plate 12 or the honeycomb and the screen grid 13 in a stacked manner or singly so as to be perpendicular to the flow direction of the exhaust gas. In order to form a uniform flow (Uniform Flow) in the
따라서 가스터빈 배가스의 변화로 인하여 증발기의 각 전열관의 열흡수량이 균일하게 가져가 증기발생량이 일정하게 유지함으로서 열효율을 향상시키고 증기터빈을 안정적으로 운전가능하게 되며, 고압과열기(3) 등의 관벽의 파손이나 핀탈락 등을 획기적으로 피할 수 있으며 배열회수 증기발생기(1)의 잔단인 고압과열기(3)계통과 고압증발기(4)의 순환계통의 설계를 간편하게 할 수 있다.Therefore, due to the change of gas turbine exhaust gas, the heat absorption of each heat exchanger tube of the evaporator is brought uniformly, and the steam generation rate is kept constant, thereby improving the thermal efficiency and operating the steam turbine stably, and the pipe wall such as the high pressure superheater (3). Breakage and pin dropout can be avoided drastically, and the design of the circulation system of the high pressure superheater (3) and the high pressure evaporator (4), which are the remaining stages of the heat recovery steam generator (1), can be simplified.
본 발명은 배열회수 증기발생기의 유동균일화장치에 관한 것으로, 가스터빈의 배기가스출구에 연결되어 폐기열을 재생하는 배열회수 증기발생기의 입구부에 설치되어, 상기 가스터빈의 출구배가스에 형성된 불균일한 유동패턴을 없앰으로서 전열관벽이나 전열핀에 국부적 과열로 인한 관벽파손이나 핀의 탈락을 방지하고 증발기의 열 흡수량을 균일하게하고 이로서 증기발생량을 일정케하여 열효율을 향상시키는 등 배열회수 증기발생기의 안정적인 운전을 가능케 하는 등의 탁월한 효과가 있다.The present invention relates to a flow homogenizing device for a heat recovery steam generator, and is provided at an inlet portion of a heat recovery steam generator connected to an exhaust gas outlet of a gas turbine and regenerating waste heat, and is a nonuniformity formed in an outlet exhaust gas of the gas turbine. By eliminating the flow pattern, it prevents pipe wall breakage or fin dropping due to local overheating of the heat transfer pipe wall or the heat transfer fins, and makes the heat absorption of the evaporator uniform, thereby making the steam generation constant and improving the thermal efficiency. It has excellent effects such as enabling driving.
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