KR20000074743A

KR20000074743A - 배열회수 보일러용 에어 공급덕트

Info

Publication number: KR20000074743A
Application number: KR1019990018890A
Authority: KR
Inventors: 이병은; 류제욱; 박성진; 이채수
Original assignee: 윤영석; 한국중공업 주식회사
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2000-12-15
Also published as: US6298655B1; DE19961540A1; DE19961540B4; KR100309208B1

Abstract

본 발명은, 복합화력 발전(장치)의 가스터빈의 배기덕트와 연결된 입구덕트에 부가적으로 설치하여, 배열회수 보일러용 덕트 버너에서의 추가 연소에 필요한 연소용 공기(新氣)를 주입할 수 있도록 한, 에어 공급덕트(ADDITIONAL AIR SUPPLY DUCT)에 관한 것이다.

본 발명의 배열회수 보일러용 에어 공급덕트(5)는, 상기 가스터빈(2)의 배기덕트(3)와 연설되는 입구덕트(4)의 상측 후부에서 좌우로 분기되어, 그 말단부(T)가 각각 상기 입구덕트의 좌·우측면에 관통·설치되며, 그 말단부(T)는 서로 마주보는 상태에서 엇갈리게 되고, 입구덕트(4) 내로 침입하는 깊이가 입구덕트 폭의 1/8이 되게 설치된다.

이렇게 함으로서, 덕트 버너(8)의 입구 단면에서, 균일한 산소농도의 분포를 형성하여 완전연소 및 화염의 안정성을 동시에 얻을 수 있게 된다.

Description

배열회수 보일러용 에어 공급덕트{AIR SUPPLY DUCT FOR HEAT RECOVERY STEAM GENERATORS}

최근, 환경규제조건이 강화됨에 따라, 석탄화력 및 원자력 발전(장치)에 비하여, 공해의 배출이 적으면서도 높은 성능과 신뢰성을 갖춘 복합화력 발전소의 건설이 급격히 증가되고 있다.

이러한 복합화력 발전(장치)은, 기본적으로 가스터빈(GAS TURBINE)과 배열회수 보일러(HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR)와 증기터빈 등으로 구성되어 있다.

상기의 복합화력 발전은, 시스템의 효율을 높이기 위해, 일차적으로 화석연료를 연소시켜 생성한 고온의 연소가스로 가스터빈을 돌려 전력을 생산한 후, 가스터빈에서 배출되는 상기 고온의 연소가스(배기가스)로 배열회수 보일러에서 증기를 생산하도록 하여, 그 증기로 증기터빈을 돌려 이차적으로 전력을 생산한다.

첨부도면중 도4는, 통상의 복합화력 발전장치의 구성요소들중에서 가스터빈과 배열회수 보일러(HRSG로 약칭함)의 관계부위를 개략적으로 도시한 구성도로서, 배열회수 보일러(19)는 입구덕트(INLET DUCT)(4)와 확장덕트(TRANSITION DUCT)(6), 핀 튜브로 구성된 열 교환기 및 스택(10) 등으로 구성되어 있다.

작동원리는 다음과 같다.

먼저, 가스터빈(2)의 배기덕트(3)로부터 유입되는 고온의 연소가스가 배열회수 보일러(19)의 확장덕트(6)에 설치되어 있는 유동조절장치(FCD; FLOW CORRECTION DEVICE)(7)를 통과하면서 유동이 균일하게 분포되어, 첫 번째 전열면(傳熱面)인 고압부(HIGH PRESSURE SECTION)의 열 교환용 관군(TUBE BUNDLE)으로 유입된다.

상기의 열 교환용 관군으로 유입된 연소가스는, 핀 튜브의 내부를 흐르는 물(또는 증기)에 열을 전달하여 고온고압의 증기를 생성시킨 후, 저온의 상태로 스택(10)을 통해 외부로 빠져나간다.

상기의 배열회수 보일러(19)를 구성하는 요소 중에서, 입구덕트(4)에 설치되는 유동조절장치(7)는, 고압부의 열 교환기 입구 측에서, 균일한 유동분포를 형성시키기 위해 사용된다. 따라서, 상기 유동조절장치(7)는 배열회수 보일러(19)의 열효율 향상 및 핀 튜브의 파손방지에 매우 중요한 역할을 수행한다.

한편, 열 교환용 관군에서 발생된 고온·고압의 증기는, 증기터빈(도시하지 않음)으로 보내어져, 추가적인 전력을 생산한다.

일반적으로, 가스터빈(2)을 빠져 나오는 배기가스의 양과 온도는 가스터빈의 모델에 따라 일정한 상태(수준)를 유지하기 때문에, 배열회수 보일러(19)에서 생산할 수 있는 증기의 양과 온도 등은 거의 일정한 값으로 정해진다.

그러나, 때에 따라서는 부가적으로 증기의 생산량을 증가시킬 필요가 있다.

예를 들어, 배열회수 보일러(19)에서 생성되는 증기를 전력생산(발전)에서 뿐만 아니라 공장내의 난방 등으로 사용하는 경우나, 단순히 가스터빈과 증기터빈을 조합하여서는 사용자(발주처)가 요구하는 전력수요를 감당할 수 없는 경우에, 배열회수 보일러(19)에서 생산하는 증기의 양을 증가시키기 위해, 추가적으로 에너지를 공급해야 한다.

이러한 이유로 인해서, 통상적으로는, 배열회수 보일러(19)의 입구 측에 덕트 버너(8)를 설치하여, 가스터빈(2)에서 배출되는 배기가스를 가열하는데, 이처럼 배열회수 보일러(19)의 입구 측에 덕트 버너(8)를 설치한 경우, 덕트 버너(8) 주변의 산소농도(OXYGEN CONCENTRATION)를 높여야만 원활한 연소가 일어나므로, 가스터빈에서 배출되는 배기가스 내의 산소 외에 별도의 연소공기(新氣)를 추가적으로 공급해야 한다.

그러나, 종래의 복합화력 발전(장치)에서는, 이에 대한 설비 즉 별도로 연소공기를 공급할 수 있는 설비가 미비하여, 부가적으로 산소를 공급해야 하는 경우에 제대로 대응할 수 없다는 단점이 있었다.

여기서, 미설명부호 1은 공기 유입구이고, G는 발전기이며, M은 모터이다.

참고로, 이러한 덕트 버너(8)의 설치 유무에 따라서, 상기의 배열회수 보일러를 크게 추가연소배열회수 보일러(SUPPLEMENTAL-FIRED HRSG)와 미연소배열회수 보일러(UNFIRED HRSG)로 구분하고 있다.

본 발명은 이러한 복합화력 발전장치에 있어서, 종래의 배열회수 보일러가 갖고 있던 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 가스터빈에서 배출되는 배기가스와 새로 공급되는 신기(新氣)가 최대한 잘 혼합될 수 있도록 구성하되 그 구조 및 설치가 간단히 이루어질 수 있게 하여 제작비용을 저렴하게 하고, 이때 배열회수 보일러의 내부 압력 저하를 최소로 할 수 있는 수단을 제공함에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 유효하게 달성할 수 있도록, 본 발명에서는 가스터빈의 배기덕트와 연결된 입구덕트에, 부가적으로 에어 공급덕트(ADDITIONAL AIR SUPPLY DUCT)를 설치하여, 배열회수 보일러용 덕트 버너에서의 추가 연소에 필요한 연소용 공기(新氣)를 공급할 수 있도록 하였다.

그런데, 이와 같이 새로운 연소공기를 더 공급할 경우에는 덕트 버너에서의 완전연소와 화염의 안정성을 위해, 덕트 버너의 입구 단면(端面)에서 산소농도가 균일하게 분포되어야 한다.

이에 본 발명에서는, 제한된 공간 내에서, 가스터빈으로부터 배출되는 배기가스와 신기(新氣)가 최대한 잘 혼합(MIXING)되도록, 에어 공급덕트의 설치 형태를 특별히 규정하였다.

즉, 본 발명에서는, 에어 공급덕트의 설계시,

① 추가로 공급되는 신기(新氣)가 가스터빈으로부터 배출되는 고온의 배기가스와 원활히 혼합될 수 있도록, 에어 공급덕트의 위치와 정열 형태에, 최적 설계법을 도입하였다.

이는 추가로 공급되어지는 연소공기가 가스터빈에서 배출되는 배기가스보다 상대적으로 고농도의 산소를 포함하고 있기 때문이다.

② 또한, 배열회수 보일러의 내부압력 손실이 최소가 되도록, 입구덕트 내로 돌출되는 에어 공급덕트의 침입깊이(삽입깊이)와, 팬(FAN)에 연결되는 에어 공급덕트의 말단부의 형상을 특히 규정하였다.

왜냐하면, 배열회수 보일러(HRSG)의 내부압력손실이 커지면, 그만큼 팬의 용량이 커져야 하기 때문에 제작비용이 증가하는 것은 물론, 상기의 팬을 구동하는데 소모되는 전력량도 증가하여 운전비용이 많이 들기 때문이다.

이러한 단점은, 제품의 구매력을 저하시키는 요인이 된다.

③ 마지막으로, 종래의 복합화력 발전장치에 간단히 취부(설치)할 수 있고, 또한 그 제작비용이 최소로 되도록 설계하였다.

도1은 본 발명의 에어 공급덕트가 취부된 배열회수 보일러의 구조를 개략적으로 도시한 도면,

도2는 도1의 A-A선 단면도,

도3a∼도3c는 본 발명에 따른 에어 공급덕트를 평면, 정면, 측면에서 바라 본 도면,

도4는 통상의 복합화력 발전장치의 구성요소들중에서, 가스터빈과 배열회수 보일러의 관계부위를 도시한 개략 구성도.

〔도면 부호의 설명〕

1...공기 유입구, 2...가스터빈,

3...배기덕트, 4...입구덕트(유입덕트),

5...에어 공급덕트, 6...확장덕트,

7...유동조절장치, 8...덕트 버너,

9...배열회수 보일러, 10...스택,

G...발전기, M...모터,

T...말단부.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 배열회수 보일러용 에어 공급덕트의 구성에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 구성 요소중, 종래의 장치와 형상 및 구조와 기능이 동일한 것은 설명을 생략한다.

첨부된 도면중 도1은 상술한 도4와 같은 종류의 도면으로서, 본 발명에 따라, 배열회수 보일러(9)의 입구덕트 부위에 부가적으로 에어 공급덕트를 설치한 상태를 도시한 것이다.

상기의 도면에서 참조되는 바와 같이, 본 발명에 따른 에어 공급덕트(5)는, 가스터빈(2)의 배기덕트(3)에 연설되는 입구덕트(4)의 후단측(확장덕트에 가까운 쪽)에 관설(管設)되어 있는데, 덕트 버너(8)의 입구 측에서 균일한 산소농도의 분포를 얻기 위해서는, 에어 공급덕트(5)가 유동조절장치(FCD)(7)의 앞쪽에 설치되어야 하기 때문이다.

왜냐하면, 상기의 유동조절장치(7)는, 유체(배기가스 및 연소공기)의 유동속도와 유량 등을 제어하는 장치로서, 추가연소 배열회수 보일러의 경우, 덕트 버너(8)의 입구 측에서 균일한 유동을 형성시켜 주는 역할을 하여, 가스터빈(2)으로부터 유입되는 고온의 배기가스와 연소공기(新氣)를 한번 더 혼합시키는 효과를 볼 수 있기 때문이다.

이러한 상기의 입구덕트(4)와 에어 공급덕트(5) 간의 관계는, 도2 및 도3a∼도3c에 잘 도시되어 있다.

상기의 실시예에서는, 팬(FAN)을 통하여 공급되는 신기(新氣)가 입구덕트(4)의 우측 상부에서 양분되어, 각각 좌측과 우측으로 공급될 수 있도록, 에어 공급덕트(5)의 말단부(T)를 입구덕트(4)의 좌·우측면에 관통시켜 기밀·설치하였다.

물론, 가장 저렴하게 설치하기 위해서는, 아무 조절장치도 부설하지 않고, 유효하게 신기(新氣)가 공급될 수 있도록 덕트를 설계해야 한다.

한편, 말단부의 침입깊이는 대략 입구덕트(4) 폭의 1/8수준으로, 측면에서 보았을 때, 서로 어긋나게 배치되도록 하였다. 따라서, 에어 공급덕트(5)의 총단면적을 구할 수 있다.

이처럼, 에어 공급덕트(5)의 말단부를 서로 대향되게 설치하여, 신기(新氣)를 반대방향에서 동일하게 주입(공급)하는 경우, 입구덕트(4)의 폭방향으로 균일한 산소농도 분포를 얻을 수 있다. 물론, 이러한 경우에는, 말단부의 폭방향으로의 침투깊이를 반드시 고려해야 한다.

한편, 입구덕트(4)의 상하로 여러 개의 말단부(T)를 일정 간격으로 설치할 경우, 높이방향으로 균일한 산소농도의 분포를 얻을 수 있으며, 상기 말단부의 설치 개수가 많을수록 높이방향으로의 산소농도가 균일해진다.

그러나, 이 경우 각각의 말단부(T)에 일정 유량을 공급하기 어렵고, 제작비가 증가하는 등의 단점이 있기 때문에, 여건에 맞게 설치 개수를 조절해야 한다.

이어서, 본 발명에 따른 에어 공급덕트의 작용에 대해 설명한다.

에어 공급덕트(5)를 통해 공급되어지는 연소공기(新氣)는, 가스터빈(2)에서 배출되는 배기가스의 강한 난류(TURBULENCE)성분과 온도차에 의한 확산(DIFFUSION)으로 일차적으로 혼합되지만, 이러한 상태만으로는, 덕트 버너(8)의 입구 측에서 균일한 산소농도의 분포를 얻기 어렵다.

이에 본 발명에서는, 에어 공급덕트(5)를 유동조절장치(FCD)(7)의 앞에 설치하여, 상기 유동조절장치(7)를 통과하면서 발생되는 큰 유동교란에 의하여, 서로 성질이 다른 두 유체가 한번 더 혼합되도록 함으로서, 덕트 버너(8)의 입구 측에서 균일한 산소농도의 분포를 얻을 수 있게 하였다.

또한, 본 발명에서는 상술한 도3a∼도3c에서 참조되는 것처럼, 에어 공급덕트(5)의 말단부(T)가 배기덕트(3)의 좌우 옆면에서 서로 엇갈리도록 배열하여, 입구덕트(4)의 폭 및 높이방향으로 두 유체가 잘 혼합되도록 하였다.

또한, 에어 공급덕트(5)의 말단부(T)의 형상은 폭과 높이의 비가 2:1인 직사각형으로 구성하고, 입구덕트 내측으로의 침입깊이는 입구덕트(4)의 1/8폭으로 함으로서, 연소공기(新氣)가 입구덕트(4) 내로 잘 침투될 수 있게 하였다.

그러나, 상기 에어 공급덕트의 말단부(T) 형상과 침입깊이가 반드시 본 발명의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 여건에 따라 변경 가능하다.

이상과 같이, 본 발명의 에어 공급덕트가 별도가 추가되어 있는 배열회수 보일러로 복합화력 발전장치를 구성할 경우, 덕트 버너(8)의 입구 단면에서 균일한 산소농도의 분포를 형성할 수 있게 되어, 상기 덕트 버너(8)에서의 완전연소 및 화염의 안정성을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

Claims

복합화력 발전장치의 가스터빈(2)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 전열받아 증기(STEAM)를 생산하는 배열회수 보일러(9)에 있어서,

상기 가스터빈(2)의 배기덕트(3)와 연설되는 입구덕트(4)의 후단부 상측에서 좌우로 분기되어, 그 말단부(T)가 각각 상기 입구덕트의 좌·우측면에 관통·설치됨을 특징으로 하는 배열회수 보일러용 에어 공급덕트.
제1항에 있어서,

상기 말단부(T)는 서로 마주보는 상태에서 엇갈리게 설치되고, 입구덕트(4)내로 침입하는 깊이는 입구덕트 폭의 1/8인 것을 특징으로 하는 배열회수 보일러용 에어 공급덕트.