KR20010112243A - 화석 연료로 가열되는 증기 발생기 - Google Patents

화석 연료로 가열되는 증기 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화석 연료로 가열되는 증기 발생기에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 증기 발생기(2)는 미리 정해진 용량 범위 및 상이한 품질의 화석 연료(B)를 갖는 연소 챔버(4)를 포함한다. 이를 위해, 상기 증기 발생기(2)는 각각 다수의 화석 연료(B)용 버너(30)를 가지며 연료 가스(G)의 거의 수평인 주 흐름 방향(24)에 적합하도록 설계된, 제 1 연소 챔버(4) 및 제 2 연소 챔버(5)를 포함한다. 상기 제 1 연소 챔버(4) 및 제 2 연소 챔버(5)는 연료 가스측으로 볼 때 수직 가스 추출 장치(8)의 상부에 연결된 공동의 수평 가스 추출 장치(6) 내로 이어진다.

Description

화석 연료로 가열되는 증기 발생기 {FOSSIL FUEL FIRED STEAM GENERATOR}
증기 발생기를 갖는 발전소 설비에는 증기 발생기 내에 제공된 유동 매체를 증발시킬 정도의 양의 에너지를 함유한 연료가 사용된다. 상기 증기 발생기는 유동 매체를 증발시키기 위해 증발기 파이프를 가지며, 상기 증발기 파이프의 가열에 의해 상기 파이프 내에서 가이드된 유동 매체가 증발된다. 상기 증기 발생기를 통해 공급된 증기는 예컨대 연결된 외부 프로세스 또는 증기 터빈의 구동을 위해 제공될 수 있다. 증기가 증기 터빈을 구동시킬 경우, 증기 터빈의 터빈 샤프트에 의해 통상적으로 하나의 제너레이터 또는 하나의 작업 기계가 작동된다. 상기 제너레이터의 경우 제너레이터에 의해 발생된 전류가 조합 네트워크 및/또는 아일랜드(island) 네트워크 내로 공급될 수 있다.
여기서, 상기 증기 발생기는 연속 흐름 증기 발생기로서 형성될 수 있다. 연속 흐름 증기 발생기는 VGB 원자력 공학 73(1993), 제 4권, 352-360 쪽에 실린 논문 J. Franke, W. Koehler und E. Wittchow, "Verdampferkonzept fuer Benson-Dampferzeuger"에 공지되어 있다. 연속 흐름 증기 발생기에서, 증발기 파이프로서제공된 증기 발생기 파이프가 가열됨으로써 일회 연속 흐름에서 증기 발생기 파이프 내에 있는 유동 매체가 증발된다.
연속 흐름 증기 발생기는 통상적으로 수직 구조로 형성된 연소 챔버를 갖는다. 즉, 가열될 매체 또는 연료 가스가 관류하는 연소 챔버는 거의 수직 방향으로 설계된다. 여기서, 연료 가스측으로 볼 때 상기 연소 챔버의 하부에는 수평 가스 추출 장치가 연결될 수 있으며, 상기 연소 챔버로부터 수평 가스 추출 장치로 전이될 때 연료 가스의 흐름이 거의 수평 흐름 방향으로 편향된다. 그러나, 상기 연소 챔버는 통상적으로 연소 챔버의 온도에 따른 길이 변경에 의해 연소 챔버를 걸고 있는 하우징을 필요로 한다. 이에 따라, 크면 클 수록 전체 높이도 커지는 연속 흐름 증기 발생기의 제조 및 조립 비용이 매우 높아진다.
통상적으로 화석 연료로 가열되는 증기 발생기는 연료의 특정한 구조 및 특질, 특정한 용량 범위에 맞게 설계된다. 즉, 증기 발생기의 연소 챔버의 주 치수, 즉 길이, 폭, 높이는 미리 정해진 연료의 연소 특성 및 애시 특성 및 미리 정해진 용량 범위에 매칭된다. 따라서, 연료 및 용량 범위가 할당되어 있는 각각의 증기 발생기는 주 치수에 관련해서 연소 챔버의 개별 구조를 갖는다.
증기 발생기의 연소 챔버가 예컨대 새로운 용량 범위 및/또는 다른 구조 또는 특질의 연료에 맞게 새롭게 설계되어야만 할 경우, 이미 존재하는 증기 발생기의 설계 기초에 의존될 수 있다. 설계 기초의 도움으로 통상적으로 연소 챔버의 주 치수는 새로운 구조의 증기 발생기의 요구에 매칭될 수 있다. 이와 같은 간단한 처리에도 불구하고 기초 시스템의 복잡함 때문에 새롭게 주어진 부가적 조건에맞게 설계된 증기 발생기는 비교적 많은 구조 비용을 필요로 한다. 이는 개별 증기 발생기가 특히 높은 전체 효력을 가져야만 할 경우에 적용된다.
본 발명은 각각 다수의 화석 연료용 버너를 갖는 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버를 포함하는 증기 발생기에 관한 것이다.
도 1은 2개의 추출 장치를 갖는 화석 연료로 가열되는 증기 발생기의 길이 방향에 따른 측면도이고,
도 2는 개별 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프의 종단면도이며,
도 3은 증기 발생기의 앞면에 대한 조망도이고,
도 4는 곡선(K1내지 K6)을 갖는 좌표계이다.
따라서, 본 발명의 목적은 연료의 특정한 구조 및 특질, 그리고 미리 정해진 용량 범위에 맞게 설계되고 특히 적은 제조 및 조립 비용을 필요로 하는 연소 챔버를 갖는, 서두에 언급된 구조의 증기 발생기를 제공하는데 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버가 연료 가스의 거의 수평의 주 흐름 방향에 맞게 설계됨으로써 달성되며, 상기 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버는 연료 가스측으로 볼 때 수직 가스 추출 장치의 상부에 연결된 공동의 수평 가스 추출 장치 내로 이어진다.
본 발명은 증기 발생기의 연소 챔버가 연료의 특정한 구조 및 특질, 그리고 증기 발생기의 미리 정해진 용량 범위에 맞게 설계되어야 한다는 기본 사상을 갖는다. 이는 연소 챔버의 구조가 모듈 방식으로 제공될 경우이다. 여기서, 동일한 구조의 모듈은 특히 간단하게 취급될 수 있고 연소 챔버의 소정의 용량 설계에 있어서 특히 높은 유연성을 요구한다. 또한 연소 챔버는 모듈에 의해 특히 간단하게 확대되거나 축소될 수 있어야만 한다.
그러나, 연료 가스를 관류시키기 위해 거의 수직 방향으로 설계된 연소 챔버는 매우 높은 기술적 비용으로 제조되는 하우징을 필요로 한다. 상기 하우징은 증기 발생기의 보완시에도 많은 비용을 필요로 한다. 이와 반대로 비교적 적은 기술적 비용으로 제조되는 하우징은 증기 발생기의 전체 높이가 매우 낮을 때 제공될수 있다. 따라서, 특히 간단하게 모듈식으로 형성된 증기 발생기는 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버를 갖는 수평 구조로 형성된 연소실을 갖는다. 여기서, 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버 내에 제공된 버너는 연소 챔버 벽 내의 수평 가스 추출 장치의 높이에 배치된다. 따라서, 상기 2개의 연소 챔버에는 증기 발생기의 작동시 거의 수평의 주 흐름 방향으로 연료 가스가 관류한다.
바람직하게 상기 버너는 제 1 연소 챔버의 앞벽과 제 2 연소 챔버의 앞벽, 다시 말해 수평 가스 추출 장치의 배출 개구에 대해 마주놓여 있는, 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버의 외부벽에 배치된다. 상기와 같이 형성된 증기 발생기는 특히 간단한 방식으로 연료의 완전 연소 길이에 매칭된다. 여기서, 연료의 완전 연소 길이는 수평 방향으로의 연료 가스 속도가 특정한 평균 연료 가스 온도에서 연료의 완전 연소 시간(tA)과 곱해진 값이다. 여기서, 개별 증기 발생기에 대한 최대의 완전 연소 길이는 증기 발생기의 증기 발생 용량에 있어서 완전 부하시, 다시 말해 증기 발생기의 소위 완전 부하 작동시 나타난다. 상기 완전 연소 시간(tA)은 정해진 평균 연료 가스 온도에서 완전히 연소시키기 위해 예컨대 중간 크기의 탄진 입자를 필요로 하는 시간이다.
예컨대 고온의 용융된 애시가 유입되면서 발생되는 재료 손상 및 수평 가스 추출 장치의 예기치 않은 오염을 가능한한 적게 유지시키기 위해, 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버의, 앞벽으로부터 수평 가스 추출 장치의 유입 영역까지의 간격에 의해 정해진 길이(L)는 바람직하게 증기 발생기의 완전 부하 작동시 연료의 완전 연소 길이와 적어도 동일하다. 상기 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버의 수평 길이(L)는 일반적으로 깔때기 형태의 상부 에지로부터 연소 챔버 커버까지 측정된, 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버의 높이 보다 크다.
상기 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버의 길이(L)(m으로 주어짐)는 바람직한 실시예에서 화석 연료의 연소열의 특히 바람직한 이용을 위해, 증기 발생기의 BMCR 값(W)(kg/s로 주어짐), 연소 챔버의 수(N), 연료의 완전 연소 시간(tA)(s로 주어짐), 그리고 연소 챔버로부터 나온 연료 가스의 배출 온도(TBRK)로 이루어진 함수로서 선택된다. 상기 BMCR은 보일러의 최대 연속 정격 유량을 나타내고 통상적으로 증기 발생기의 최대 지속 용량에 대한 값이다. 상기 값은 설계 용량, 다시 말해 증기 발생기의 완전 부하시의 용량에 상응한다. 여기서, 주어진 BMCR 값(W) 및 연소 챔버의 주어진 수(N)에서 2개의 함수(1) 및 (2)에서 더 큰 값이 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버의 길이(L)의 근사치이다. 즉,
C1= 8 m/s이고,
C2= 0.0057 m/kg이며,
C3= -1.905·10-4(m·s)/(kg℃)이고,
C4= 0,286(s·m)/kg이며,
C5= 3·10-4m/(℃)2이고,
C6= -0.842 m/℃ 이며,
C7= 603.41 m 일 때,
L(W, N, tA) = (C1+ C2·W/N)·tA(1)
L(W, N, TBRK) = (C3·TBRK+ C4)(W/N) + C5(TBRK)2+ C6·TBRK+ C7(2)
여기서, "근사치" 라는 말은 개별 함수식에 의해 정해진 값으로부터 +20%/-10% 만큼의 허용 오차를 갖는다는 것을 의미한다.
제 1 연소 챔버의 측벽 및 제 2 연소 챔버의 측벽, 그리고 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버, 수평 가스 추출 장치 및/또는 수직 가스 추출 장치의 측벽은 바람직하게 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되어, 수직으로 배치된 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프로서 형성되며, 다수의 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프에는 각각 유동 매체가 평행하게 공급될 수 있다.
개별 증발기 파이프 내로 가이드된 유동 매체로 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버의 열을 특히 양호하게 전달하기 위해, 바람직하게 다수의 증발기 파이프는 그 내측에 각각 다중 나사선을 형성하 리브를 갖는다. 여기서, 바람직하게 파이프 축에 대해 수직인 평면과 파이프 내측에 배치된 리브의 에지 간의 기울기(α)는 60°보다 작고, 바람직하게는 55°보다 작다.
내부 리브 없는 증발기 파이프, 소위 플레인 파이프로서 형성된 가열된 증발기 파이프 내에서 특히 양호한 열 전달을 위해 필요한 파이프 벽의 습윤에 대해 정해진 증기량은 더 이상 유지될 수 없다. 습윤이 부족할 경우에는 부분적으로 건조된 파이프 벽이 존재할 수 있다. 상기와 같이 건조된 파이프 벽으로의 전이에 의해 저하된 열 전달 특성을 갖는 열 전달 위기가 야기됨으로써, 통상적으로 파이프 벽의 온도는 이 위치에서 특히 크게 상승된다. 그러나, 내부 리브에 있는 파이프 내에서는 플레인 파이프와 비교해 볼 때 열 전달 위기는 증기 함량이 0.9를 초과할 경우에도, 즉 증발이 끝나기 직전에도 나타난다. 이에 따라, 나사 형태의 리브에 의한 흐름으로 야기된 선회가 다시 시작된다. 상이한 원심력으로 인해 급수 부분은 증기 부분으로부터 떨어져 나와, 파이프 벽에 가압된다. 이를 통해, 높은 증기 함량을 갖는 파이프 벽의 습윤이 유지됨으로써, 이미 열 전달 위기가 나타나는 장소에서의 흐름 속도는 높다. 이에 따라, 열 전달 위기에도 불구하고 비교적 높은 열 전달에 따라 파이프 벽의 온도는 낮게 나타난다.
연소 챔버의 다수의 증발기 파이프는 바람직하게 유동 매체의 유량을 감소시키기 위한 수단을 갖는다. 여기서, 상기 수단이 스로틀링 장치로서 형성되는 것이 특히 바람직한 것으로 증명된다. 스로틀링 장치는 예컨대 증발기 파이프 내에 배치될 수 있으며, 상기 증발기 파이프는 이 위치에서 개별 증발기 파이프의 내부에서 파이프 내부 직경을 축소시킨다. 또한 유량을 감소시키기 위한 수단은 다수의 평행 라인을 둘러싸는 라인 시스템 내에 제공되는 것이 바람직한 것으로 증명되며, 상기 라인 시스템을 통해 연소 챔버의 증발기 파이프에 유동 매체가 공급될 수 있다. 상기 라인 시스템의 하나 또는 다수의 라인 내에는 예컨대 스로틀 아마추어가 제공될 수 있다. 이와 같이 증발기 파이프를 통과하는 유동 매체의 유량을 감소시키는 수단에 의해 개별 증발기 파이프를 통과하는 유동 매체의 유동률이 각각의 연소 챔버 내에서의 가열에 매칭될 수 있다. 이를 통해, 부가로 증발기 파이프의 배출구에서 나타나는 유동 매체의 온도차는 특히 낮게 유지된다.
인접한 증발기 파이프 및 증기 발생기 파이프는 바람직하게 금속 밴드, 소위 핀에 의해 가스 밀봉 방식으로 서로 용접된다. 상기 핀의 폭은 증기 발생기 파이프 내로의 열 전달에 영향을 미친다. 따라서, 핀의 폭은 바람직하게 증기 발생기 내에 배치된 개별 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프의 위치에 따라 가스측에서 정해질 수 있는 가열 프로필에 매칭된다. 여기서, 상기 가열 프로필로서 실험 계수로부터 검출된 기준 가열 프로필 또는 예컨대 계단형 가열 프로필과 같은 근사값이 제공될 수 있다. 적절하게 선택된 핀 폭에 의해 상이한 증발기 파이프 및 증기 발생기 파이프의 매우 상이한 가열시에도 모든 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프로의 열 전달은, 상기 증발기 파이프 및 증기 발생기 파이프의 배출구에서 나타나는 온도가 특히 적게 유지되도록 달성된다. 이러한 방식으로 예상치 못한 재료 피로는 확실히 막을 수 있다. 이를 통해, 증기 발생기는 특히 긴 수명을 갖게 된다.
본 발명의 부가의 바람직한 실시예에서 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버의 다수의 증발기 파이프의 내부 직경은 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버 내에 개별 증발기 파이프가 어디에 배치되는가에 따라 선택된다. 이러한 방식으로 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버의 다수의 증발기 파이프는 가스측으로 정해질 수 있는 가열 프로필에 매칭될 수 있다. 이를 통해, 상기 제 1 연소 챔버 또는 제 2연소 챔버의 증발기 파이프의 배출구에서 나타나는 매우 확실한 온도차가 적게 유지된다.
바람직하게 유동 매체측으로 볼 때 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버에 배치된, 평행하게 연결된 다수의 증발기 파이프의 상부에는 공동의 유입 콜렉터 시스템이 연결되고, 하부에는 공동의 배출 콜렉터 시스템이 연결된다. 이와 같이 형성된 증기 발생기에 의해, 평행하게 연결된 증발기 파이프 간의 확실한 압력 균등 및 증발기 파이프를 관류하는 유동 매체의 매우 적절한 분포가 실행된다. 여기서, 개별 유입 콜렉터 시스템의 상부에는 스로틀 아마추어를 갖는 라인 시스템이 연결될 수 있다. 이를 통해, 특히 간단한 방식으로 유동 매체의 유동률은 유입 콜렉터 시스템 및 평행하게 연결된 증발기 파이프에 의해 조절될 수 있다.
상기 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버의 앞벽에 배치된 증발기 파이프는 바람직하게 상기 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버의 측벽에 배치된 증발기 파이프의 상부에 연결된다. 이를 통해, 상기 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버의 앞벽이 특히 적절하게 냉각될 수 있다.
수평 가스 추출 장치 내에는 바람직하게 다수의 과열 표면이 배치되며, 상기 과열 표면은 연료 가스의 주 흐름 방향에 대해 거의 수직으로 배치되고 유동 매체가 관류하는 상기 과열 표면의 파이프는 평행하게 연결된다. 차단 가열면으로도 표기되어 있는, 매달린 구조로 배치된 과열 표면은 주로 대류에 의해 가열되고 유동 매체측으로 볼 때 제 1 연소 챔버 또는 제 2 연소 챔버의 증발기 파이프의 하부에 연결된다. 이를 통해, 버너를 통해 공급된 연료 가스가 특히 적절하게 이용될수 있다.
바람직하게 수직 가스 추출 장치는 다수의 대류성 가열면을 가지며, 상기 대류성 가열면은 연료 가스의 주 흐름 방향에 대해 거의 수직으로 배치된 파이프로서 형성된다. 상기 대류성 가열면의 파이프는 유동 매체가 관류될 수 있도록 평행하게 연결된다. 상기 대류성 가열면은 주로 대류에 의해 가열된다.
연료 가스의 열을 특히 완전히 이용하기 위해서, 수직 가스 추출 장치는 바람직하게 이코노마이저를 갖는다.
본 발명에 의해 달성된 장점은 특히 증기 발생기의 연소 챔버가 모듈 구조로 형성됨으로써 특히 간단한 구조를 갖고 적은 제조 비용을 필요로 한다는 데 있다. 연소 챔버의 치수를 새롭게 구성하는 대신 미리 정해진 용량 범위 및/또는 정해진 연료 특질에 맞게 증기 발생기의 연소 챔버를 설계할 경우에도, 단지 하나 또는 다수의 연소 챔버를 부가하거나 제거하면 된다. 여기서, 증기 발생기의 확실한 용량 변수로부터 새롭게 설계될 연소 챔버 대신 적은 용량을 갖는 2개 또는 다수의 연소 챔버가 공동 수평 추출 장치의 상부에 평행하게 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예는 하기 도면에 의해 더 자세히 설명된다.
모든 도면에서 동일한 부분들은 동일한 도면 부호를 갖는다.
도 1에 따른 증기 발생기(2)는 증기 터빈 장치도 포함하는, 도시되지 않은 발전소 설비 내에 배치된다. 상기 증기 발생기 내에서 생성된 증기는 전류 생성을 위한 제너레이터를 구동시키는 증기 터빈을 구동시키기 위해 사용된다. 여기서, 상기 제너레이터에 의해 생성된 전류는 조합 네트워크 또는 아일랜드 네트워크 내로 전류를 공급하기 위해 제공된다. 또한 증기 터빈 장치에 연결된 외부 프로세스 내로 공급되는 증기 부분량의 분기도 제공될 수 있다. 여기서, 가열 프로세스가 실행될 수 있다.
도 1에 따른 화석 연료로 가열되는 증기 발생기(2)는 바람직하게 연속 흐름 증기 발생기로서 형성된다. 상기 증기 발생기(2)는 제 1의 수평 연소 챔버(4) 및 제 2 의 수평 연소 챔버(5)를 포함하며, 도 1에 도시된 증기 발생기(2)의 측면에는 상기 연소 챔버(4, 5) 중 단지 하나만이 도시된다. 연료 가스측으로 볼 때 상기 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4, 5)의 하부에는 공동의 수평 가스 추출 장치(6)의 하부에 연결되며, 상기 수평 가스 추출 장치(6)는 수직 가스 추출 장치(8) 내로 이어진다. 상기 제 1 연소 챔버(4) 또는 제 2 연소 챔버(5)의 앞벽(9, 10)은 각각 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되어, 수직으로 배치된 증발기 파이프(11)로 형성되며, 각각 다수의 증발기 파이프(11)에는 유동 매체(S)가 평행하게 공급될 수 있다.부가로 수평 가스 추출 장치(6)의 측벽(12) 또는 수직 가스 추출 장치(8)의 측벽(13)은 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되어, 수직으로 배치된 증기 발생기 파이프(14, 15)로서 형성된다. 이 경우 상기 증기 발생기 파이프(14, 15)에는 마찬가지로 유동 매체(S)가 각각 평행하게 공급될 수 있다.
증발기 파이프(11)는 -도 2에 도시된 바와 같이- 그 내부 측면에 리브(40)를 가지며, 상기 리브(40)는 다중 나사선의 구조를 형성하며 높이(R)를 갖는다. 여기서, 파이프 축에 대해 수직인 평면(41)과 파이프 내부 측면에 배치된 리브(40)의 에지(42) 사이의 기울기(α)는 55° 보다 작다. 이를 통해, 상기 증발기 파이프(11)의 내벽으로부터 증발기 파이프(11) 내로 가이드된 유동 매체(S)로의 특히 높은 열 전달과 동시에 파이프 벽의 특히 낮은 온도가 달성된다.
인접한 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프(11, 14, 15)는 도시되지 않은 방식으로 핀에 의해 가스 밀봉 방식으로 서로 용접된다. 핀 폭의 적합한 선택에 의해 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프(11, 14, 15)의 가열이 영향받을 수 있다. 따라서, 개별 핀 폭은 증기 발생기(2) 내에서의 개별 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프(11, 14, 15)의 위치에 따라 가스측으로 미리 정해질 수 있는 가열 프로필에 매칭된다. 여기서, 상기 가열 프로필은 실험 계수로부터 검출된 기준 가열 프로필 또는 대략적인 평가값일 수 있다. 이를 통해, 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프(11, 14, 15)의 배출구에서 나타나는 온도차는 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프(11, 14, 15)의 매우 상이한 가열시에도 특히 적도록 유지된다.
이러한 방식으로 재료 피로가 확실히 막아짐으로써, 증기 발생기(2)의 수명은 확실히 길어진다.
연소 챔버(4 또는 5)의 증기 발생기 파이프(11)의 내부 직경(D)은 개별 증기 발생기 파이프(11)가 연소 챔버(4 또는 5) 내에 어디에 위치하는가에 따라 선택된다. 이러한 방식으로 상기 증기 발생기(2)는 증기 발생기 파이프(11)의 상이한 가열에 매칭된다. 연소 챔버(4 또는 5)의 증기 발생기 파이프(11)의 이와 같은 설계에 의해, 증기 발생기 파이프(11)의 배출구에서 나타나는 온도차는 매우 적도록 유지될 수 있다.
유동 매체측으로 볼 때 연소 챔버(4 또는 5)의 측벽(10)에 있는 다수의 증기 발생기 파이프(11)의 상부에는 각각 유동 매체(S)를 위한 유입 콜렉터 시스템(16)이 연결되고, 하부에는 각각 배출 콜렉터 시스템(18)이 연결된다. 여기서, 상기 유입 콜렉터 시스템(16)은 다수의 평행하게 연결된 유입 콜렉터를 포함한다. 유동 매체(S)를 연소 챔버(4 또는 5)의 증기 발생기 파이프(11)의 유입 콜렉터 시스템(16) 내로 공급하기 위해 라인 시스템(19)이 제공된다. 상기 라인 시스템(19)은 평행하게 연결된 다수의 라인을 포함하며, 상기 다수의 라인은 각각 유입 콜렉터 시스템(16)의 유입 콜렉터 중 하나에 연결된다. 이를 통해, 평행하게 연결된 다수의 증기 발생기 파이프(11)의 압력 균등이 가능해지며, 이러한 압력 균등은 증기 발생기 파이프(11)의 관류하는 유동 매체(S)의 특히 적절한 분할을 가능하게 한다.
유동 매체(S)의 유량을 감소시키기 위한 수단으로서 증기 발생기(11)의 일부는 도면에 자세히 도시되지 않은 스로틀링 장치를 갖는다. 상기 스로틀링 장치는 파이프 내부 직경(D)을 축소시키는 홀 스크린으로서 형성되고 증기 발생기(2)의 작동시 최소한으로 가열된 증기 발생기 파이프(11) 내에서 관류하는 유동 매체(S)의 유동률을 감소시킴으로써, 유동 매체(S)의 유동률은 가열에 매칭된다. 또한 연소 챔버(4 또는 5)의 다수의 증기 발생기 파이프(11) 내에 관류하는 유동 매체(S)의 유동률을 감소시키기 위한 수단으로서 도면에 자세히 도시되지 않은 스로틀링 장치, 특히 스로틀 아마추어가 라인 시스템(19)의 하나 또는 다수의 라인 내에 설치된다.
제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버(4, 5)의 배관시, 증기 발생기(2)의 작동시 서로 가스 밀봉 방식으로 용접된 개별 증기 발생기 파이프(11)의 가열이 매우 상이하다는 것이 고려될 수 있다. 이 때문에, 내부 리브, 인접한 증기 발생기 파이프(11) 간의 핀 연결 및 상기 파이프 내부 직경(D)에 맞게 설계된 증기 발생기 파이프(11)는, 상이한 가열에도 불구하고 거의 동일한 배출 온도를 가지며 증기 발생기(2)의 모든 작동 상태시 충분히 냉각될 수 있도록 선택된다. 이는 특히 증기 발생기 파이프(11)를 관류하는 유동 매체(S)의 비교적 낮은 질량 흐름 밀도에 맞게 설계됨으로써 보장된다. 또한 핀 연결 및 파이프 내부 직경(D)의 적절한 선택에 의해, 전체 압력 손실에서 마찰 압력 손실이 차지하는 부분은 자연 순환비를 조절될 정도로 적게 선택된다. 다시 말해서, 높이 가열된 증기 발생기 파이프(11)는 낮게 가열된 증기 발생기 파이프(11) 보다 더 많이 관류된다. 따라서, 버너 가까이에서 비교적 높이 가열된 증기 발생기 파이프(11)는 연소 챔버 단부에서 비교적적게 가열된 증기 발생기 파이프(11)와 개별적으로 -측정 흐름에 관련해서 볼 때-거의 동일한 열을 수용하게 된다. 연소 챔버(4 또는 5)의 증기 발생기 파이프(11)의 관류가 가열에 매칭될 수 있도록 하는 부가 처리는, 증기 발생기 파이프(11)의 일부나 라인 시스템(19)의 라인의 일부에 스로틀을 배치하는 것이다. 여기서, 증기 발생기 파이프(11)의 내부 리브는 증기 발생기 파이프 벽의 충분한 냉각이 보장되도록 설계된다. 따라서, 위에 언급된 처리에 의해 모든 증기 발생기 파이프(11)은 거의 동일한 배출 온도를 갖는다.
연소 챔버(4)의 외부벽을 통과하는 유동 매체(S)의 적절한 유량 특성 및 화석 연료(B)의 연소열의 특히 양호한 이용을 달성하기 위해, 연소 챔버(4 또는 5)의 앞벽(9)의 증기 발생기 파이프(11)는 각각 연소 챔버(4 또는 5)의 측벽(10)의 증기 발생기 파이프(11)의 상부에 연결된다.
수평 가스 추출 장치(6)는 차단 가열면으로서 형성된 다수의 과열 표면(22)을 가지며, 상기 과열 표면(22)은 매달린 구조로 연료 가스(G)의 주 흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 배치되고 유동 매체(S)가 관류하는, 상기 과열 표면(22)의 파이프는 각각 평행하게 연결된다. 상기 과열 표면(22)은 주로 대류에 의해 가열되고 유동 매체측으로 볼 때 연소 챔버(4 또는 5)의 증발기 파이프(11)의 하부에 연결된다.
수직 가스 추출 장치(8)는 주로 대류에 의해 가열될 수 있는 다수의 대류성 가열면(26)을 가지며, 상기 가열면(26)은 연료 가스(G)의 주 흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 배치된 파이프로 형성된다. 상기 파이프는 유동 매체(S)를 관류시키기 위해 각각 평행하게 연결된다. 또한 수직 가스 추출 장치(8)에는 이코노마이저(28)가 배치된다. 배출측으로 볼 때 상기 수직 가스 추출 장치(8)는 부가의 열 교환기, 예컨대 공기 예열기 내로 이어져서, 상기 공기 예열기로부터 먼지 필터를 통해 굴뚝 내로 이어진다. 상기 수직 가스 추출 장치(8)의 하부에 연결된 부품은 도 1에 자세히 도시되지 않는다.
증기 발생기(2)는 특히 낮은 전체 높이를 갖는 수평 구조로 형성됨으로써, 특히 적은 제조 및 조립 비용이 달성될 수 있다. 이를 위해, 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4 또는 5)는 화석 연료(B)용 다수의 버너(30)를 가지며, 상기 버너(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 수평 가스 추출 장치(6)의 높이에 있는 연소 챔버(4 또는 5)의 앞벽(9)에 배치된다.
특히 높은 효력을 달성하기 위한 화석 연료(B)가 특히 완전히 연소되고 연료 가스 측으로 볼 때 수평 가스 추출 장치(6)의 제 1 과열 표면의 재료 손상 및 예컨대 특히 용융된 고온 애시의 유입에 의한 재료 오염을 특히 확실하게 막기 위해, 연소 챔버(4, 5)의 길이(L)는 증기 발생기(2)의 완전 부하 작동시 연료(B)의 완전 연소 길이를 초과하도록 선택된다. 여기서, 길이(L)는 연소 챔버(4 또는 5)의 앞벽(9)으로부터 수평 가스 추출 장치(6)의 유입 영역(32)까지의 간격이다. 여기서, 연료(B)의 완전 연소 길이는 정해진 평균 연료 가스 온도에서 수평 방향으로의 연료 가스 속도와 연료(B)의 완전 연소 시간(tA)이 곱해진 값으로 정해진다. 개별 증기 발생기(2)에 대한 최대 완전 연소 길이는 증기 발생기(2)의 완전 부하 작동시생성된다. 연료(B)의 완전 연소 시간(tA)은 예컨대 정해진 평균 연료 가스 온도에서 완전 연소를 위한 중간 크기의 탄진 입자를 필요로 하는 시간이다.
화석 연료(B)의 연소열을 특히 적절하게 이용하기 위해, 연소 챔버(4 또는 5)의 길이(L)(m으로 나타냄)는 연소 챔버(4 또는 5)로부터 나온 연료 가스(G)의 배출 온도(TBRK)(℃로 나타냄), 화석 연료(B)의 완전 연소 시간(tA), 증기 발생기(2)의 BMCR 값(W)(kg/s로 나타냄) 및 연소 챔버(4, 5)의 수(N)에 따라 적합하게 선택된다. 여기서, BMCR은 보일러의 최대 연속 정격 유량을 나타낸다. 상기 BMCR은 증기 발생기의 최대 지속 용량에 대한 국제적으로 통용되는 개념이다. 상기 개념은 또한 설계 용량, 즉 증기 발생기의 완전 부하 작동시의 용량에 상응한다. 여기서, 상기 연소 챔버(4, 5)의 수평 길이(L)는 연소 챔버(4 또는 5)의 높이(H) 보다 크다. 상기 높이(H)는 도 1에서 최종점(X, Y)을 갖는 라인으로 표시된, 연소 챔버(4 또는 5)의 깔때기형 상부 에지로부터 연소 챔버 커버까지를 나타낸다. 상기 길이(L)는 단지 한번 정해지고 연소 챔버(4 또는 5)의 각각의 N에 대해 적용된다. 여기서, 상기 연소 챔버(4, 5)의 길이(L)는 2개의 함수(1) 및 (2)에 의해 근사치로 나타난다. 즉,
C1= 8 m/s이고,
C2= 0.0057 m/kg이며,
C3= -1.905·10-4(m·s)/(kg℃)이고,
C4= 0,286(s·m)/kg이며,
C5= 3·10-4m/(℃)2이고,
C6= -0.842 m/℃ 이며,
C7= 603.41 m 일 때,
L(W, N, tA) = (C1+ C2·W/N)·tA(1)
L(W, N, TBRK) = (C3·TBRK+ C4)(W/N) + C5(TBRK)2+ C6·TBRK+ C7(2)
여기서, 근사치라는 말은 개별 함수에 의해 정해진 값으로부터 +20%/-10% 만큼의 허용 오차를 갖는다는 것이다. 여기서, 증기 발생기(2)의 임의로 정해진 BMCR 값(W)에서 함수(1) 및 (2)에서 더 큰 값이 연소 챔버(4, 5)의 길이(L)에 해당된다.
즉 N=2일 때 증기 발생기(2)의 BMCR 값(W)에 따른, 연소 챔버(4 또는 5)의 길이(L)를 측정하기 위한 예로서 도 4에 따른 좌표계 내에 6개의 곡선(K1내지 K6)이 표시된다. 여기서, 각각의 곡선에는 하기의 파라미터가 할당된다. 즉,
함수 (1)에 따르면, K1: tA= 3s 이고,
함수 (1)에 따르면, K2: tA= 2.5s 이며,
함수 (1)에 따르면, K3: tA= 2s 이고,
함수 (2)에 따르면, K4: tBRK= 1200℃ 이며,
함수 (2)에 따르면, K5: tBRK= 1300℃ 이고, 그리고
함수 (2)에 따르면, K6: tBRK= 1400℃ 이다.
따라서, 항상 동일한 길이(L)를 갖는 연소 챔버(4 또는 5)의 길이(L)를 결정하기 위해 예컨대 완전 연소 시간(tA=3s) 및 연소 챔버(4 또는 5)로부터 나온 연료 가스(G)의 배출 온도(TBRK=1200℃)에 대해서는 곡선(K1및 K4)이 원용된다. 이로부터, 증기 발생기(2)의 미리 주어진 BMCR 값(W)에서 연소 챔버(4, 5)의 N=2일 때 길이(L)에 대해 하기식이 적용된다. 즉,
K4에 따라, L = 29m 일 때 W/N = 80 kg/s이고,
K4에 따라, L = 34m 일 때 W/N = 160 kg/s이며,
K4에 따라, L = 57m 일 때 W/N = 560 kg/s이다.
완전 연소 시간(tA=2.5s) 및 연소 챔버(4 또는 5)로부터 나온 연로 가스(G)의 배출 온도(TBRK=1300℃)에 대해서는 예컨대 곡선(K2및 K5)이 원용될 수 있다. 이로부터, 증기 발생기(2)의 미리 주어진 BMCR 값(W)에서 연소 챔버(4, 5)의 N=2일 때 길이(L)에 대해 하기식이 적용된다. 즉,
K2에 따라, L = 21m 일 때 W/N = 80 kg/s이고,
K2및 K5에 따라, L = 23m 일 때 W/N = 180 kg/s이며,
K5에 따라, L = 37m 일 때 W/N = 560 kg/s이다.
완전 연소 시간(tA=2s) 및 연소 챔버로부터 나온 연료 가스(G)의 배출 온도(TBRK=1400℃)에 대해 예컨대 곡선(K3및 K6)이 원용될 수 있다. 이로부터, 증기 발생기(2)의 미리 주어진 BMCR 값(W)에서 연소 챔버(4, 5)의 N=2일 때 길이(L)에 대해 하기식이 적용된다. 즉,
K3에 따라, L = 18m 일 때 W/N = 80 kg/s이고,
K3및 K6에 따라, L = 21m 일 때 W/N = 465 kg/s이며,
K6에 따라, L = 23m 일 때 W/N = 560 kg/s이다.
버너(30)의 불꽃(F)은 증기 발생기(2)의 작동시 수평으로 향한다. 따라서, 연소 챔버(4 또는 5)의 구조 형태에 의해 연소시 생성되는 연료 가스(G)의 흐름은 거의 수평인 주 흐름 방향(24)으로 생성된다. 상기 연료 가스(G)는 공동의 수평 가스 추출 장치(6)를 통해 거의 바닥까지 설치되어 있는 수직 가스 추출 장치(8) 내로 이르게 되고 도시되지 않은 굴뚝 방향으로 상기 수직 가스 추출 장치(8)를 떠나게 된다.
이코노마이저(28) 내로 유입되는 유동 매체(S)는 수직 가스 추출 장치(8) 내에 배치된 대류성 가열면에 의해 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4 또는 5)의 유입 콜렉터 시스템(16) 내로 이르게 된다. 수직으로 배치되어, 가스 밀봉 방식으로 서로용접된, 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4 또는 5)의 증발기 파이프(11) 내에서 증발 및 유동 매체(S)의 부분적인 과열이 나타난다. 여기서 생성되는 증기 또는 물 증기 혼합물은 유동 매체(S)용 배출 콜렉터 시스템(18) 내에서 집결된다. 상기 배출 콜렉터 시스템(18)으로부터 증기 또는 물 증기 혼합물은 수평 가스 추출 장치(6) 및 수직 가스 추출 장치(8)의 벽 내로, 그리고 상기 수직 가스 추출 장치(8)로부터 재차 수평 가스 추출 장치(6)의 과열 표면(22) 내로 이르게 된다. 상기 과열 표면(22)에서 예컨대 증기 터빈의 작동에 이어서 공급되는 증기의 추가 과열이 이루어진다.
증기 발생기(2)의 특히 낮은 전체 높이 및 복잡한 구조에 의해, 상기 증기 발생기(2)의 특히 적은 제조 및 조립 비용이 보장된다. 미리 정해진 용량 범위에 맞는 증기 발생기(2)의 설계 및/또는 화석 연료(B)의 정해진 특질은 특히 적은 기술적 비용을 필요로 한다. 또한 연소 챔버가 모듈 방식으로 설계됨으로써 확실한 용량 변수로부터 하나의 연소 챔버 대신에 적은 용량을 가진 2개 또는 다수의 연소 챔버가 공동의 수평 가스 추출 장치(6)의 상부에 평행하게 연결될 수 있다.

Claims (18)

  1. 각각 화석 연료(B)를 위한 다수의 버너(30)를 가지며 연료 가스(H)의 거의 수평인 주 흐름 방향(24)에 맞게 설계된 제 1 연소 챔버 및 제 2 연소 챔버(4, 5)를 포함하며, 상기 제 1 연소 챔버(4) 및 제 2 연소 챔버(5)는 연료 가스측으로 볼 때 수직 가스 추출 장치(8)의 상부에 연결된 공동 수평 가스 추출 장치(6) 내로 이어지도록 형성된 증기 발생기(2).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 버너(30)는 상기 제 1 연소 챔버(4)의 앞벽(9) 및 상기 제 2 연소 챔버(5)의 앞벽(9)에 배치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 제 1 연소 챔버(4)의 앞벽(9) 및 상기 제 2 연소 챔버(5)의 앞벽(9)으로부터 수평 가스 추출 장치(6)의 유입 영역(32)으로의 간격에 의해 정해진, 제 1 연소 챔버(4) 및 제 2 연소 챔버(5)의 길이(L)는 상기 증기 발생기(2)의 완전 부하 작동시 연료(B)의 완전 연소 길이와 적어도 동일한 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연소 챔버(4) 및 제 2 연소 챔버(5)의 길이(L)는 BMCR 값(W), 상기 연소 챔버(4, 5)의 수(N), 상기 버너(30)의 완전 연소 시간(tA) 및 상기 제 1 연소 챔버(4) 및 제 2 연소 챔버(5)로부터 나온 연료 가스(H)의 배출 온도(TBRK)의 함수로서 하기의 2개의 함수(1) 및 (2), 즉
    C1= 8 m/s이고,
    C2= 0.0057 m/kg이며,
    C3= -1.905·10-4(m·s)/(kg℃)이고,
    C4= 0,286(s·m)/kg이며,
    C5= 3·10-4m/(℃)2이고,
    C6= -0.842 m/℃ 이며,
    C7= 603.41 m 일 때,
    L(W, N, tA) = (C1+ C2·W/N)·tA(1)
    L(W, N, TBRK) = (C3·TBRK+ C4)(W/N) + C3(TBRK)2+ C6·TBRK+ C7(2)
    에 따라 근사치로서 나타나며, BMCR 값(W)에 대해 제 1 연소 챔버(4) 및 제 2 연소 챔버(5)에 대한 길이(L) 중 더 큰 값이 적용되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연소 챔버(4)의 앞벽(9) 및 제 2 연소 챔버(5)의 앞벽(9)은 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되어, 수직으로 배치되며, 유동 매체(S)가 공급될 수 있는 평행한 증발기 파이프(11)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연소 챔버(4)의 앞벽(10) 및 제 2 연소 챔버(5)의 앞벽(10)은 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되어, 수직으로 배치된 증발기 파이프(11)로서 형성되며, 상기 다수의 증발기 파이프(11)에는 각각 유동 매체(S)가 평행하게 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  7. 제 5항 또는 6항에 있어서,
    상기 다수의 증발기 파이프(11)는 그 내부측에 다중 나사선으로 형성된 리브(40)를 갖는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  8. 제 7항에 있어서,
    파이프 축에 대해 수직인 평면(41)과 파이프 내부 측면에 배치된 리브(40)의 에지(42) 간의 기울기(α)는 60°보다 작고, 바람직하게는 55°보다 작은 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  9. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수평 가스 추출 장치(6)의 측벽(10)은 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되어, 수직으로 배치되며, 유동 매체(S)가 공급될 수 있는 평행한 증기 발생기 파이프(14)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 가스 추출 장치(8)의 측벽(13)은 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되어, 수직으로 배치되며, 유동 매체(S)가 공급될 수 있는 평행한 증기 발생기 파이프(15)로서 형성된 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  11. 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다수의 증발기 파이프(11)는 각각 하나의 스로틀링 장치를 갖는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  12. 제 1항 내지 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(4)의 증발기 파이프(11) 내로 유동 매체(S)를 공급하기 위한 라인 시스템(19)이 제공되며, 유동 매체(S)의 유량을 감소시키기 위한 라인 시스템(19)은 다수의 스로틀링 장치, 특히 다수의 스로틀 아마추어를 갖는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  13. 제 1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인접한 증발기 파이프 또는 증기 발생기 파이프(11, 14, 15)는 핀에 의해 가스 밀봉 방식으로 서로 용접되며, 핀 폭은 제 1 연소 챔버(4) 또는 제 2 연소 챔버(5) 내에 상기 파이프 또는 증기 발생기 파이프(11, 14, 15), 수평 가스 추출 장치(6) 및/또는 수직 가스 추출 장치(8)가 어디에 위치하느냐에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  14. 제 1항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연소 챔버(4) 또는 제 2 연소 챔버(5)의 다수의 증발기 파이프(11)의 내부 직경(D)은 상기 제 1 연소 챔버(4) 또는 제 2 연소 챔버(5) 내에 상기 각각의 증발기 파이프(11)가 어디에 위치하느냐에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  15. 제 1항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 매체측으로 볼 때 상기 제 1 연소 챔버(4) 또는 제 2 연소 챔버(5)의, 유동 매체(S)가 공급될 수 있는 다수의 평행한 증발기 파이프(11)의 상부에는 공동의 유입 콜렉터 시스템(16)이 연결되고, 하부에는 공동의 배출 콜렉터 시스템(18)이 연결되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  16. 제 1항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 연소 챔버(4) 또는 제 2 연소 챔버(5)의 앞벽(9)에 배치된 증발기 파이프(11)는 유동 매체측으로 볼 때 상기 제 1 연소 챔버(4) 또는 제 2 연소 챔버(5)의 측벽(10)의 상부에 연결되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  17. 제 1항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수평 가스 추출 장치(6) 내에 매달린 구조로 형성된 다수의 과열 표면(22)이 배치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
  18. 제 1항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 가스 추출 장치(8) 내에 다수의 대류성 가열면(26)이 배치되는 것을 특징으로 하는 증기 발생기.
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