KR20010112269A - 화석 연료로 가열되는 연속 증기 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 연속 증기 발생기(2)는, 가열 가스측으로 수평 가스 연도(6)를 거쳐 수직 가스 연도(8)가 그 뒤에 연결된, 화석 연료(B)용 증발기 관(10)을 갖춘 연소 챔버(4)를 포함한다. 상기 연속 증기 발생기의 작동시에는, 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34) 및 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)을 포함하는 연결부 섹션(Z)내에서 온도차가 매우 작게 유지되어야 한다. 이 목적을 위해, 유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있는 다수의 증발기 관(10) 중에서 소수의 증발기 관(10)은 상기 연결부 섹션(Z)내에서 루우프 형태로 가이드된다.

Description

화석 연료로 가열되는 연속 증기 발생기 {FOSSIL-FUEL FIRED CONTINUOUS STEAM GENERATOR}
증기 발생기를 갖춘 발전소 설비에서는, 증기 발생기내에 있는 유동 매체를 증발시키기 위한 연료의 에너지 함량이 이용된다. 이 경우 유동 매체는 통상적으로 증발기 순환계내에서 가이드된다. 증기 발생기에 의해 제공되는 증기는 재차 예를 들어 증기 터빈을 구동시키기 위해서 및/또는 연결된 외부 프로세스를 위해서 제공될 수 있다. 상기 증기가 증기 터빈을 구동시키면, 증기 터빈의 터빈 샤프트를 통해 통상적으로 제네레이터 또는 작업 기계가 작동된다. 제네레이터의 경우 상기 제네레이터에 의해 발생되는 전류는 연결 회로망 및/또는 섬 회로망 내부에 전력을 공급하기 위해 제공될 수 있다.
증기 발생기는 연속 증기 발생기로 형성될 수 있다. 연속 증기 발생기는 VGB Kraftwerkstechnik 73 (1993), heft 4, S. 352-360에 공개된 J. Franke, W.Koehler 및 E. Wittchow의 논문 "Verdampferkonzepte fuer Benson-Dampferzeuger"에 공지되어 있다. 연소 증기 발생기에서는 증발기 관으로서 제공된 증기 발생기 관의 가열로부터 증기 발생기 관 내부에 있는 유동 매체의 증발까지 단 1회 순환으로 이루어진다.
연속 증기 발생기는 통상적으로 수직 구성 방식으로 형성된 연소 챔버로 구성된다. 이와 같은 구성은, 가열되는 매체 또는 가열 가스의 관류를 위한 연소 챔버가 거의 수직 방향으로 설계된다는 것을 의미한다. 이 경우 가열 가스측으로 연소 챔버 뒤에는 수평 가스 연도가 연결되며, 연소 챔버로부터 수평 가스 연도 내부로 이어질 때에는 거의 수평의 유동 방향으로 가열 가스 흐름의 편향이 이루어진다. 그러나 상기 방식의 연소 챔버는 일반적으로 온도로부터 기인하는 연소 챔버의 길이 변경으로 인해 연소 챔버가 걸릴 수 있는 골격 구조를 필요로 한다. 이와 같은 요구는 연속 증기 발생기의 높이가 높아지는 만큼 크기가 더 커지는 연속 증기 발생기의 제조 및 조립시에 현저한 기술적 비용을 야기한다. 이와 같은 사실은 특히 전부하시 80 kg/s 이상의 증기 발생량을 위해 설계된 연속 증기 발생기의 경우에 적용된다.
연속 증기 발생기는 압력을 제한받지 않기 때문에, 결과적으로 생증기압은 물의 임계 압력(pkri= 221 bar)보다 훨씬 높은 장소에서 - 다만 액체와 유사한 매체와 증기와 유사한 매체간의 밀도차가 적은 장소에서만 - 가능하다. 높은 생증기압은 고열효율을 촉진시키고, 그에 따라 예를 들어 연료로서 석탄 또는 고체 형태의갈탄을 사용하여 점화될 수 있는, 화석 연료로 가열되는 발전소의 CO2-방출이 낮아진다.
특별한 문제점은, 연속 증기 발생기의 가스 연도 또는 연소 챔버의 둘레벽을 상기 장소에서 발생되는 관 벽 온도 또는 재료 온도를 고려해서 설계하는 것이다. 증발기 관의 내부 표면의 습윤이 보장될 수 있는 경우, 대략 200 bar까지의 임계 압력 범위 아래에서는 연소 챔버의 둘레벽의 온도가 실제로 물의 포화 온도 레벨에 의해 결정된다. 이것은 예를 들어 내부면에 표면 구조물을 갖는 증발기 관을 사용 함으로써 달성된다. 이 목적을 위해서는 특히 내부에 리브가 배치된 증발기 관이 고려되며, 상기 증발기 관을 연속 증기 발생기 내부에 사용하는 것은 예를 들어 전술한 논문에 공지되어 있다. 전술한 리브 관, 즉 리브가 배치된 내부면을 갖는 관의 경우에는 관 내부벽으로부터 유동 매체까지의 열 전달이 매우 우수하게 이루어진다.
본 발명에 따르면, 관 벽들이 서로 용접되는 경우에는 연속 증기 발생기의 작동시 상이한 온도의 이웃하는 관 벽 사이에서 열 응력이 발생되는 것을 피할 수 없다. 이와 같은 사실은 특히 연소 챔버와 상기 연소 챔버 뒤에 연결된 수평 가스 연도를 연결시키는 연결 섹션에서, 즉 연소 챔버의 배출구 영역의 증발기 관과 수평 가스 연도의 유입구 영역의 증기 발생기 관 사이에서 적용된다. 상기 열 응력에 의해 연속 증기 발생기의 수명이 현저하게 단축될 수 있고, 극단적인 경우에는 심지어 관이 파열될 수도 있다.
본 발명은, 가열 가스측으로 수평 가스 연도를 거쳐 수직 가스 연도가 그 뒤에 연결된 화석 연료용 연소 챔버를 포함하는 연속 증기 발생기에 관한 것이며, 상기 연소 챔버의 둘레 벽은 기밀 방식으로 서로 용접된, 수직으로 배치된 증발기 관으로 구성된다.
도 1은 2개 연도 구성 방식으로 구성되고 화석 연료로 가열되는 연속 증기 발생기의 개략적인 측면도이며,
도 2는 소수의 증발기 관의 개략적인 종단면도이고,
도 3은 곡선 K1내지 K6의 좌표계이며,
도 4는 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결 섹션을 개략적으로 도시한 개략도이고,
도 5는 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결 섹션을 개략적으로 도시한 개략도이며,
도 6은 곡선 U1내지 U4의 좌표계이다.
본 발명의 목적은, 특히 저렴한 제조 비용 및 조립 비용을 요구하는 동시에, 작동시 연소 챔버와 상기 연소 챔버 뒤에 연결된 수평 가스 연도의 연결부에서 온도차가 작게 유지되도록 구성된, 화석 연료로 가열되는 전술한 방식의 연속 증기 발생기를 제공하는 것이다. 이와 같은 목적은 특히 연소 챔버의 서로 직접적으로 이웃하거나 또는 간접적으로 이웃하는 증발기 관 및 연소 챔버 뒤에 연결된 수평 가스 연도의 증기 발생기 관에 적용된다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 연속 증기 발생기가 수평 가스 연도의 높이로 배치된 소수의 버너를 갖는 연소 챔버를 포함하고, 다수의 증발기 관 각각에 유동 매체가 동시에 제공될 수 있으며, 유동 매체를 동시에 제공받을 수 있는 소수의 증발기 관이 연소 챔버의 배출구 영역 및 수평 가스 연도의 유입구 영역을 포함하는 연결 섹션내에서 루우프 형태로 가이드됨으로써 달성된다.
본 발명은, 특히 적은 제조 비용 및 조립 비용으로 제조될 수 있는 연속 증기 발생기가 단순한 수단으로 실행될 수 있는 걸림 구조를 가져야 한다는 생각으로부터 출발한다. 연소 챔버를 걸 목적으로 비교적 적은 기술적 비용으로 제조될 골격 구조는, 연속 증기 발생기의 특히 낮은 높이와 결부될 수 있다. 연속 증기 발생기의 특히 낮은 높이는 연소 챔버가 수평 구조 방식으로 구현됨으로써 달성될 수 있다. 이 목적을 위해 버너는 수평 가스 연도의 높이로 연소 챔버벽 내부에 배치된다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기의 작동시 가열 가스는 거의 수평의 주흐름 방향으로 연소 챔버를 관류하게 된다.
수평 연소 챔버를 갖춘 연속 증기 발생기의 작동시에는 또한, 열 응력의 결과로 재료가 조기에 피로해지는 것을 확실하게 방지하기 위해, 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부에서 온도차가 특히 작아야 한다. 연소 챔버의 배출구 영역 및 수평 가스 연도의 유입구 영역에서 열 응력의 결과로 인한 재료의 피로가 매우 확실하게 저지되도록 하기 위해, 상기 온도차는 특히 연소 챔버의 서로 직접적으로 이웃하거나 또는 간접적으로 이웃하는 증발기 관과 수평 가스 연도의 증기 발생기 관 사이에서 특별히 작아야 한다.
그러나 연속 증기 발생기의 작동시 유동 매체가 제공되는 증발기 관의 유입구 섹션은 연소 챔버 뒤에 연결된 수평 가스 연도의 증기 발생기 관의 유입구 섹션보다 비교적 더 낮은 온도를 갖는다. 즉, 증발기 관 내부에서는, 수평 가스 연도의 증기 발생기 관 내부로 유입되는 뜨거운 유동 매체와 달리 비교적 차가운 유동 매체가 발생된다. 다시 말해서, 연속 증기 발생기의 작동시 유입구 섹션에 있는 증발기 관은 수평 가스 연도의 유입구 섹션에 있는 증기 발생기 관보다 더 차갑다. 따라서, 연소 챔버와 수평 가스 연도 사이의 연결부에서는 열 응력의 결과로 재료의 피로가 예상될 수 있다.
그러나 연소 챔버의 증발기 관의 유입구 섹션내에서 차가운 유동 매체가 아니라 예열된 유동 매체가 발생되면, 증발기 관의 유입구 섹션과 증기 발생기 관의 유입구 섹션 사이의 온도차도 또한 차가운 유동 매체가 증발기 관 내부로 유입될 때의 경우와 같이 더 이상 크게 나타나지는 않는다. 다시 말해서, 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부로부터 제 2 증발기 관보다 더 멀리 떨어져 배치되어 상기제 2 증발기 관 내부로 유도되는 유동 매체가 제 1 증발기 관 내부에서 비로소 가이드되면, 연속 증기 발생기의 작동시에는 가열에 의해 예열된 유동 매체가 제 2 증발기 관 내부로 유입된다. 증발기 관이 연소 챔버의 둘레벽 한가운데 유동 매체용 유입구를 가지게 되면, 제 1 증발기 관과 제 2 증발기 관 사이의 복잡한 연결이 생략될 수 있다. 따라서 연속 증기 발생기의 작동시에는, 유동 매체가 연소 챔버의 하부 영역에 있는 소위 증발기 관의 유입구 섹션 내부로 유입되기 전에, 증발기 관의 상부로부터 하부로 뻗는 섹션내에서 가열에 의해 유동 매체의 예열이 이루어진다. 이 경우에는 유동 매체를 동시에 제공받을 수 있는 소수의 증발기 관이 연소 챔버의 개별 둘레벽 내부에서 루우프 형태로 가이드되는 것이 특히 유리한 것으로 증명되었다.
수평 가스 연도 및/또는 수직 가스 연도의 측면 벽은 바람직하게 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치된, 각각 동시에 유동 매체를 제공받을 수 있는 증기 발생기 관으로 구성된다.
바람직하게, 연소 챔버의 평행하게 연결된 소수의 증발기 관 앞에는 공통의 유입 수집기 장치가 각각 연결되고, 관 뒤에는 유동 매체를 위한 공통의 배출 수집기 장치가 연결된다. 이와 같이 형성된 연속 증기 발생기는 말하자면 유동 매체가 동시에 제공될 수 있는 소수의 증발기 관 사이에서의 신뢰할만한 압력 보상을 가능하게 하며, 그럼으로써 평행하게 연결된 모든 증발기 관은 각각 유입 수집기 장치와 배출 수집기 장치 사이에서 동일한 전체 압력 손실을 갖게 된다. 이것은, 증발기 관이 적게 가열되는 경우에 비해 증발기 관이 많이 가열되는 경우에 유동률이상승될 수밖에 없다는 것을 의미한다. 이와 같은 사실은 동시에 유동 매체를 제공받을 수 있는 수평 가스 연도 또는 수직 가스 연도의 증기 발생기 관에도 적용되는데, 상기 관의 앞에는 바람직하게 유동 매체를 위한 공통의 유입 수집기 장치가 하나 연결되고, 상기 관 뒤에는 유동 매체를 위한 공통의 배출 수집기 장치가 하나 연결된다.
연소 챔버의 정면 벽의 증발기 관에는 바람직하게 동시에 유동 매체가 제공될 수 있고, 상기 증발기 관은 연소 챔버의 측면 벽을 형성하는 둘레 벽의 증발기 관 앞에 유동 매체측으로 연결된다. 그럼으로써, 연소 챔버의 강하게 가열된 정면 벽의 매우 유리한 냉각이 보장된다.
본 발명의 바람직한 추가 형성예에서는, 연소 챔버의 소수의 증발기 관의 내부 직경이 연소 챔버 내부에서의 상기 증발기 관의 개별 위치에 따라 선택된다. 이와 같은 방식으로, 연소 챔버내에 있는 증발기 관은 가열 가스측에 미리 제공될 수 있는 가열 프로파일에 매칭될 수 있다. 그에 의해 야기되는 증발기 관의 관류에 미치는 영향으로 인해, 연소 챔버의 증발기 관 배출구에서의 유동 매체의 온도차가 매우 확실하게, 특히 작게 유지된다.
연소 챔버의 열이 증발기 관 내부에서 가이드되는 유동 매체로 매우 우수하게 전달되도록 하기 위해서는 바람직하게, 소수의 증발기 관이 그의 내부면에 다중 나사선을 형성하는 리브를 각각 하나씩 포함한다. 이 경우에는 바람직하게 관축에 대해 수직인 평면과 관 내부면에 배치된 리브의 측면 사이의 경사각(α)이 60。, 바람직하게는 55。 미만이다.
말하자면, 내부에 리브가 배치되지 않은 증발기 관, 소위 단부가 평탄한 관(plain ended pipe)으로 구현된 가열된 증발기 관 내부에서는, 매우 우수한 열 전달에 필요한 관 벽의 습윤시에 요구되는 소정의 증기 함량이 더이상 유지될 수 없다. 습윤을 하지 않는 경우에는 국부적으로 건조한 관 벽이 존재할 수 있다. 상기와 같이 건조한 관 벽으로 넘어가는 전이부가 소위 악화된 열 전달 특성을 갖는 열 전달 위기를 야기함으로써, 일반적으로 상기 장소에서 관 벽 온도는 매우 강하게 상승된다. 그러나 내부에 리브가 배치된 증발기 관 내부에서는 단부가 평탄한 관에 비해 상기와 같은 열 전달 위기가 증기 질량 함량 > 0.9인 경우에 비로소, 즉 증발이 종료되기 직전에 나타난다. 이것은 나선형 리브에 의해 유동시에 나타나는 선회의 원인이 된다. 상이한 원심력으로 인해 물 부분이 증기 부분으로부터 분리되어 관 벽으로 이송된다. 그럼으로써, 높은 증기 함량에 도달할 때까지 관 벽의 습윤 작용이 유지되고, 그 결과 열 전달 위기의 장소에서 이미 높은 유동 속도가 나타난다. 이와 같은 특성은 열 전달 위기에도 불구하고 비교적 우수한 열 전달을 야기하고, 그 결과로 관 벽 온도는 낮아진다.
연소 챔버의 소수의 증발기 관은 바람직하게 유동 매체의 관류를 줄이기 위한 수단을 포함한다. 이 경우에는, 상기 수단이 공기 흡입 조절 장치로 형성되는 것이 특히 바람직한 것으로 나타났다. 공기 흡입 조절 장치는 예를 들어, 개별 증발기 관의 내부 중 한 장소에서 관의 내부 직경을 축소시키는 증발기 관에 내장되는 부품일 수 있다. 이 경우에는 다수의 평행한 라인을 포함하는 라인 장치내에서의 관류를 줄이기 위한 수단도 바람직한 것으로 나타났으며, 상기 수단에 의해 연소 챔버의 증발기 관에 유동 매체가 제공될 수 있다. 상기 라인 장치는 또한 유동 매체를 동시에 제공받을 수 있는 증발기 관의 유입 수집기 장치 앞에 연결될 수도 있다. 예를 들어 라인 장치의 하나의 라인내에 또는 다수의 라인내에 스로틀 밸브가 제공될 수 있다. 증발기 관을 관류하는 유동 매체의 흐름을 감소시키기 위한 상기 수단에 의해서, 소수의 증발기 관을 통과하는 유동 매체의 유동율이 연소 챔버내에서의 개별 가열에 매칭될 수 있게 된다. 그럼으로써, 증발기 관의 배출구에서의 유동 매체의 온도차가 추가적으로 매우 확실하게, 특히 작게 유지된다.
이웃하는 증발기 관 또는 증기 발생기 관의 종측면은 바람직하게 금속 스트립, 소위 핀을 통해 기말 방식으로 서로 용접된다. 상기 핀은 관 제조 방법 중에 이미 관에 고정 결합될 수 있어서, 관과 함께 하나의 유니트를 형성한다. 관 및 핀으로 구성된 상기 유니트는 핀형 관(finned tube)으로도 표기된다. 핀의 폭은 증발기 관 또는 증기 발생기 관 내부로 유입되는 열에 영향을 미친다. 따라서, 핀의 폭은 바람직하게 연속 증기 발생기 내부에서의 개별 증발기 관 또는 증기 발생기 관의 위치에 따라 가열 가스측에 미리 제공될 수 있는 가열 프로파일에 매칭된다. 이 경우 가열 프로파일로서는 실험값으로부터 검출된 통상적인 가열 프로파일 또는 예컨대 계단 형태의 가열 프로파일과 같은 대충의 평가도 제공될 수 있다. 핀의 폭을 적합하게 선택함으로써, 다양한 증발기 관 및 증기 발생기 관을 매우 상이하게 가열하는 경우에도, 증발기 관 및 증기 발생기 관의 배출구에서의 유동 매체의 상이한 온도차가 매우 작게 유지되는 방식으로 모든 증발기 관 및 증기 발생기 관 내부에 열이 전달될 수 있게 된다. 이와 같은 방식으로, 열 응력의 결과로재료가 조기에 유입되는 것이 확실하게 방지된다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기의 수명이 매우 길어진다.
수평 가스 연도내에는 바람직하게 소수의 과열기 가열면이 배치되는데, 상기 가열면은 가열 가스의 주흐름 방향에 대해 거의 수직으로 배치되고, 상기 가열면 앞에는 유동 매체가 관류하기 위한 관이 평행하게 연결된다. 걸림 구성 방식으로 배치되고 칸막이 가열면으로도 표기되는 과열기 가열면은 주로 대류 방식으로 가열되고, 유동 매체측으로 연소 챔버의 증발기 관 뒤에 연결된다. 그럼으로써, 가열 가스의 열이 매우 유리하게 활용될 수 있다.
수직 가스 연도는 바람직하게, 가열 가스의 주흐름 방향에 대해 거의 수직으로 배치된 관으로 구성된 소수의 대류 가열면을 포함한다. 상기 대류 가열면의 관은 유동 매체의 관류를 위해 평행하게 연결된다. 상기 대류 가열면도 또한 주로 대류 방식으로 가열된다.
또한 가열 가스의 열을 완전하게 활용하기 위해서, 바람직하게 수직 가스 연도는 이코노마이저를 포함한다.
버너는 바람직하게 연소 챔버의 정면 벽에, 즉 수평 가스 연도 쪽으로 배출 개구와 마주보도록 배치된 연소 챔버의 측면 벽에 배치된다. 상기 방식으로 형성된 연속 증기 발생기는 매우 간단한 방식으로 화석 연료의 소화 길이에 매칭될 수 있다. 화석 연료의 소화 길이로서는, 화석 연료의 불꽃의 소화 시간(tA)과 소정의 평균 가열 가스 온도를 곱한 수평 방향으로 진행하는 가열 가스의 속도가 제공된다. 이 경우 개별 연속 증기 발생기의 최대 연소 길이는 연속 증기 발생기의 전부하시, 소위 전부하 작동시의 증기 발생량(M)으로 나타난다. 화석 연료 불꽃의 소화 시간(tA)은 또한 예를 들어 평균 입자 크기의 탄소를 소정의 평균 가열 가스 온도에서 완전 연소시키기 위해 필요한 시간이기도 하다.
연소 챔버의 하부 영역은 바람직하게 깔때기로 형성된다. 이와 같은 형성에 의해, 연속 증기 발생기의 작동 동안 화석 연료의 연소시 생성되는 재는 예를 들어 상기 깔때기 아래에 배치된 재 제거 장치 내부로 매우 간단하게 유출될 수 있다. 화석 연료로서는 고체 형태의 석탄이 사용된다.
재료 손상 및 예를 들어 고온 용융 재의 유입에 의해 야기되는 수평 가스 연도의 오염을 최소화하기 위해서, 정면 벽으로부터 수평 가스 연도의 유입구 영역까지의 간격에 의해 결정된 연소 챔버의 길이는 바람직하게 연속 증기 발생기의 전부하 작동시 화석 연료의 소화 길이와 적어도 동일하다. 연소 챔버의 상기 수평 길이는 일반적으로, 연소 챔버의 하부 영역이 깔때기 형태로 형성된 경우에 상기 깔때기의 상부 에지로부터 연소 챔버의 커버까지 측정된 연소 챔버 높이의 적어도 80%에 달한다.
연소 챔버의 길이(m로 표시됨)는 화석 연료의 연소 열의 매우 유리한 활용을 위해서 바람직하게 전부하시 연속 증기 발생기의 증기 발생량(M)(ks/g로 표시됨), 화석 연료 불꽃의 소화 시간(tA)(s로 표시됨) 및 연소 챔버로부터 배출되는 가열 가스의 배출 온도(TBRK)(℃로 표시됨)의 함수로 선택된다. 전부하시 연속 증기 발생기의 증기 발생량(M)이 주어진 경우에, 연소 챔버의 길이(L)에 대해서는 하기의 2개 함수 (I) 및 (II) 중에서 더 큰 값이 근사치로 적용된다:
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 m인 조건에서는,
L (M, tA) = (C1+ C2·M)tA(I)
및
L (M, TBRK) = (C3·TBRK+ C4)M + C5(TBRK)2+ C6·TBRK+ C7(II).
상기 식에서 개별 함수에 의해 결정된 값과 연소 챔버 길이(L)의 허용 편차는 "근사치"로 약 +20%/-10% 정도일 수 있다.
본 발명에 의해 달성되는 장점은 특히, 연소 챔버의 둘레 벽 내부에서는 소수의 증발기 관이 루우프 형태로 가이드되고, 연속 증기 발생기의 작동시 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부의 직접 둘레에서는 온도차가 매우 작게 나타난다는 점이다. 따라서, 연소 챔버의 직접 이웃하는 증발기 관과 수평 가스 연도의 증기 발생기 관 사이의 온도차에 의해 야기되는, 수평 가스 연도와 연소 챔버의 연결부에서의 열 응력은 연속 증기 발생기의 작동시 예를 들어 관 파열의 위험이 발생될 수 있는 값보다 훨씬 낮아진다. 그와 더불어, 수명이 비교적 긴 연속 증기 발생기내에 수평 연소 챔버를 사용하는 것도 또한 가능해진다. 가열 가스의 거의 수평 주흐름 방향을 위해 연소 챔버를 설계함으로써 또한 연속 증기 발생기의 매우 콤팩트한 구성이 이루어진다. 이와 같은 특성에 의해, 증기 터빈을 갖춘 발전소내에 연속 증기 발생기를 제공하는 경우에 연속 증기 발생기로부터 증기 터빈까지 이르는 연결 관이 매우 짧아진다.
모든 도면에서 상응하는 부분에는 동일한 도면 부호를 기재하였다.
도 1에 따른 화석 연료로 가열될 수 있는 연속 증기 발생기(2)는, 증기 터빈 장치를 또한 포함하고 있는 자세히 도시되지 않은 발전소 설비에 속한다. 연속 증기 발생기(2)는 적어도 80 kg/s의 전 부하에서 증기를 제공하기 위해 설계되었다. 연속 증기 발생기(2)내에서 발생되는 증기는 증기 터빈을 구동시키기 위해 이용되며, 상기 증기 터빈은 재차 전류를 형성하기 위한 제네레이터를 구동시킨다. 상기 제네레이터에 의해 형성되는 전류는
화석 연료로 가열되는 연속 증기 발생기(2)는 수평 구성 방식으로 구현된 연소 챔버(4)를 포함하며, 가열 가스측으로 상기 연소 챔버 뒤에는 수평 가스 연도(6)를 거쳐 수직 가스 연도(8)가 연결된다. 연소 챔버(4)의 하부 영역은 상부 에지를 갖는 깔때기(5)에 의해 최종점 X 및 Y로 표시된 보조선에 상응하게 형성된다. 깔때기(5)에 의해서, 순환 증기 발생기(2)의 작동시 화석 연료(B)의 재가 그 아래에 배치된 재 제거 장치(7) 내부로 유출될 수 있다. 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)은 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치된 증발기 관(10)으로 구성되며, 상기 관들 중에서 N개의 관은 유동 매체(S)와 동시에 작동될 수 있다. 이 경우 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)은 정면 벽(11)이다. 추가로, 수직 가스 연도(8)의 수평 가스 연도(6 또는 14)의 측면 벽(12)도 또한 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치된 증발기 관(16 또는 17)으로 구성된다. 이 경우 소수의 증발기 관(16 또는 17) 각각에는 유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있다.
유동 매체 측으로 연소 챔버(4)의 소수의 증발기 관(10) 앞에는 유동 매체(S)를 위한 유입 수집기 장치(18)가 연결되고, 상기 증발기 관(10) 뒤에는 배출 수집기 장치(20)가 연결된다. 유입 수집기 장치(18)는 소수의 평행한 유입 수집기를 포함한다. 이 경우에는 유동 매체(S)를 증발기 관(10)의 유입 수집기 장치(18) 내부로 제공하기 위해 라인 장치(19)가 제공된다. 라인 장치(19)는 평행하게 연결된 다수의 라인을 포함하며, 상기 라인은 유입 수집기 장치(18)의 유입 수집기들 중에서 하나와 각각 연결된다.
동일한 방식으로, 유동 매체(S)와 동시에 작동될 수 있는 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)의 증발기 관(16) 앞에는 공통의 유입 수집기 장치(21)가 연결되고, 상기 증발기 관(16) 뒤에는 공통의 배출 수집기 장치(22)가 연결된다. 이 경우에는 유동 매체(S)를 증발기 관(16)의 유입 수집기 장치(21) 내부로 제공하기 위해 마찬가지로 라인 장치(19)가 제공된다. 이 경우에도 라인 장치(19)는 평행하게 연결된 다수의 라인을 포함하며, 상기 라인은 유입 수집기 장치(21)의 유입 수집기들 중에서 하나와 각각 연결된다.
유입 수집기 장치(18, 21) 및 배출 수집기 장치(20, 22)를 갖춘 연속 증기 발생기(2)를 상기와 같이 형성함으로써, 평행하게 연결된 모든 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10 또는 16)이 동일한 전체 압력 손실을 갖는 방식으로, 연소 챔버(4)의 평행하게 연결된 증발기 관(10)과 수평 가스 연도(6)의 평행하게 연결된증기 발생기 관(16) 사이에 매우 신뢰할만한 압력 보상이 가능해진다. 이와 같은 사실이 의미하는 것은, 증발기 관(10) 또는 증기 발생기 관(16)을 적게 가열하는 경우에 비해 증발기 관(10) 또는 증기 발생기 관(16)을 많이 가열하는 경우에는 유동률이 상승할 수밖에 없다는 것이다.
증발기 관(10)은 - 도 2에 도시된 바와 같이 - 관 내부 직경(D)을 가지며, 다중 나사선 방식으로 형성되고 높이(C)를 갖는 리브(40)를 그 내부면에 포함한다. 이 경우 관 축에 대해 수직인 평면(42)과 관 내부면에 배치된 리브(40)의 측면(44) 사이의 기울기 각(α)은 55°보다 작다. 그럼으로써, 증발기 관(10)의 내부 벽으로부터 증발기 관(10) 내부로 유입되는 유동 매체(S)로의 매우 높은 열 전달이 이루어지는 동시에 관 벽은 매우 낮은 온도에 도달하게 된다.
연소 챔버(4)의 증발기 관(10)의 내부 직경(D)은 연소 챔버(4)내에서의 증발기 관(10)의 개별 위치에 따라 선택된다. 이와 같은 방식으로 연속 증기 발생기(2)는 증발기 관(10)의 상이한 강도의 가열에 매칭된다. 연소 챔버(4)의 증발기 관(10)을 상기와 같이 설계함으로써, 유동 매체(S)가 증발기 관(10)으로부터 배출될 때 상기 유동 매체의 온도차가 매우 적게 유지될 수 있다.
유동 매체(S)의 배출을 감소시키기 위한 수단으로서, 도면에 자세하게 도시되지 않은 공기 흡입 조절 장치가 증발기 관(10)의 일부에 설치된다. 상기 공기 흡입 조절 장치가 한 장소에서 관의 내부 직경(D)을 축소하는 호울 플레이트로서 구현되어 순환 증기 발생기(2)의 작동시 적게 가열된 증발기 관(10) 내부에서의 유동 매체(S)의 유동률을 감소시킴으로써, 유동 매체(S)의 유동률은 가열에 매칭된다.
또한, 증발기 관(10) 내부에서의 유동 매체(S)의 유동률을 감소시키기 위한 수단으로서, 라인 장치(19)의 자세하게 도시되지 않은 하나 또는 다수의 라인에 공기 흡입 조절 장치, 특히 스로틀 밸브가 설치된다.
이웃하는 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)은 도면에 자세하게 도시되지 않은 방식으로 그의 종측면에서 핀을 통해 기밀 방식으로 서로 용접된다. 말하자면 핀의 폭을 적절하게 선택함으로써 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)의 가열이 영향을 받을 수 있다. 따라서 개별 핀의 폭은 가열 가스측에 미리 제공될 수 있는 가열 프로파일에 매칭되며, 상기 가열 프로파일은 연속 증기 발생기(2) 내부에서의 개별 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)의 위치에 의존한다. 이 경우 상기 가열 프로파일은 실험값으로부터 검출된 통상의 가열 프로파일이거나 또는 대략적인 평가일 수도 있다. 그럼으로써, 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)의 배출구에서의 온도차는 상기 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)이 매우 상이하게 가열되는 경우에도 매우 적게 유지된다. 상기와 같은 방식으로 열 응력의 결과로서의 재료의 피로가 확실하게 저지되며, 이와 같은 작용은 연속 증기 발생기(2)의 긴 수명을 보장해준다.
수평 연소 챔버(4)에 관을 배치할 때에는, 연속 증기 발생기(2)의 작동시에는 기밀 방식으로 서로 용접된 개별 증발기 관(10)의 가열이 매우 상이하다는 사실을 고려해야 한다. 그렇기 때문에 증발기 관(10)은, 내부에 리브를 설치하는 동작, 이웃하는 증발기 관(10)에 핀을 연결하는 동작 및 관 내부 직경(D)을 고려하여, 모든 증발기 관(10)이 상이한 가열에도 불구하고 거의 동일한 유동 매체(S) 배출 온도를 가지고, 연속 증기 발생기(2)의 모든 작동 상태에 대해 모든 증발기 관(10)의 충분한 냉각이 보장되도록 선택된다. 연속 증기 발생기(2)의 작동시 소수의 증발기 관(10)을 약하게 가열하는 것은 공기 흡입 조절 장치를 내장할 때 추가로 고려된다.
연소 챔버(4) 내부에 있는 증발기 관(10)의 내부 직경(D)은 연소 챔버(4)내에서의 상기 관의 개별적인 위치에 따라 선택된다. 이 경우, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 더 강하게 가열되는 증발기 관(10)은 연속 증기 발생기(2)의 작동시 더 약하게 가열되는 증발기 관(10)보다 더 큰 관 내부 직경(D)을 갖는다. 따라서, 내부 직경(D)이 더 큰 증발기 관(10) 내부에서의 유동 매체(S)의 유동률이 상승되고, 그럼으로써 상이한 가열로 인해 증발기 관(10)의 배출구에서 온도차가 감소되는 경우에 비해 동일한 관 내부 직경이 얻어진다. 증발기 관(10)을 관류하는 유동 매체(S)의 관류 동작을 가열에 매칭시키기 위한 추가의 조치는 증발기 관(10)의 일부 및/또는 유동 매체(S)를 공급하기 위해 제공된 라인 장치(19)내에 공기 흡입 조절 장치를 내장하는 것이다. 그와 달리 증발기 관(10)을 관류하는 유동 매체(S)의 유동률에 가열을 매칭시키기 위해서는, 핀의 폭이 연소 챔버(4)내에서의 증발기 관(10)의 위치에 따라 선택될 수 있다. 언급한 모든 조치들에 의해서는, 개별 증발기 관(10)이 매우 상이하게 가열됨에도 불구하고 연속 증기 발생기(2)의 작동시 증발기 관(10) 내부로 유도되는 유동 매체(S)의 비열 흡수율이 거의 동일하게 되어 유동 매체(S)의 배출구에서 유동 매체(S)의 온도차가 작아진다. 증발기 관(10) 내부에 리브를 설치하는 경우에는, 가열 및 유동 매체(S)의 관류 동작이 상이함에도 불구하고 연속 증기 발생기(2)의 모든 부하 상태에서 증발기 관(10)의 냉각이 확실하게 보장되도록 해야 한다.
수평 가스 연도(6)는 칸막이 가열면으로 형성된 소수의 과열기 가열면(23)을 포함하며, 상기 과열기 가열면은 가열 가스(G)의 주흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 매달리는 방식으로 배치되고, 상기 가열면의 관들은 유동 매체(S)의 관류를 위해 각각 평행하게 연결되어 있다. 과열기 가열면(23)은 주로 대류 방식으로 가열되고, 유동 매체측으로 연소 챔버(4)의 증발기 관(10) 뒤에 연결된다.
수직 가스 연도(8)는 주로 대류 방식으로 가열될 수 있는 소수의 대류 가열면(26)을 포함하며, 상기 대류 가열면은 가열 가스(G)의 주흐름 방향(24)에 대해 거의 수직으로 배치된 관들로 구성된다. 상기 관들은 유동 매체(S)의 관류를 위해 각각 평행하게 연결되어 있다. 그밖에 수직 가스 연도(8) 내부에는 이코노마이저(28)가 배치된다. 수직 가스 연도(8)는 배출구측으로 추가의 열교환기, 예를 들어 공기 예열기 내부와 연결되고, 그곳으로부터 먼지 필터를 거쳐 굴뚝 내부와 연결된다. 수직 가스 연도(8) 뒤에 연결된 부품들은 도면에 자세하게 도시되지 않았다.
연속 증기 발생기(2)는 높이가 매우 낮은 수평 연소 챔버(4)로 구성되기 때문에 매우 적은 제조 비용 및 조립 비용에 도달할 수 있다. 이 목적을 위해 연속 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4)는 화석 연료(B)를 위한 소수의 버너(30)를 포함하며, 상기 버너는 연소 챔버(4)의 정면 벽(11)에 수평 가스 연도(6)의 높이로 배치된다. 이 경우 화석 연료(B)로서는 고체 연료, 특히 석탄이 이용될 수 있다.
매우 높은 효율을 위해 화석 연료(B), 특히 고체 상태의 석탄을 완전 연소시키기 위해서, 및 가열 가스측에서 볼 때 수평 가스 연도(6)의 제 1 과열기 가열면(23)의 재료 손상 및 예를 들어 고온 용융 재의 유입에 의해 야기되는 상기 과열기 가열면의 오염을 매우 신뢰할만하게 저지하기 위해서, 연소 챔버(4)의 길이(L)는 이 길이가 연속 증기 발생기(2)의 전부하 작동시 화석 연료(B)의 완전 연소 길이를 초과하도록 선택된다. 이 경우 상기 길이(L)는 연소 챔버(4)의 정면 벽(11)으로부터 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)까지의 거리이다. 화석 연료(B)의 완전 연소 길이는 화석 연료(B)의 불꽃(F)이 소화되는 시간(tA)과 곱해진 소정의 평균 가열 가스 온도에서 나타나는 가열 가스의 수평 방향 이동 속도로 규정된다. 개별 연속 증기 발생기(2)의 최대 완전 연소 길이는 개별 연속 증기 발생기(2)의 전부하 작동시에 얻어진다. 연료(B)의 불꽃(F)이 소화되는 시간(tA)은 또한, 예를 들어 평균 크기의 석탄 먼지 입자가 소정의 평균 가열 가스 온도에서 완전 연소되기 위해 필요로 하는 시간이다.
화석 연료(B)의 연소열을 매우 유리하게 활용하기 위해, 연소 챔버(4)의 길이(L)(m로 표시됨)는 연소 챔버(4)로부터 배출되는 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK)(℃로 표시됨), 화석 연료(B)의 불꽃(F)의 소화 시간(tA)(s로 표시됨) 및 전부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)(kg/s로 표시됨)에 따라 적절하게 선택된다. 이 경우 연소 챔버(4)의 수평 길이(L)는 연소 챔버(4)의 높이(H)의 적어도 80%에 달한다. 상기 높이(H)는 도 1에서 최종점 X 및 Y에 의해 형성된 보조선으로 표시된 바와 같이, 연소 챔버(4)의 깔때기(5)의 상부 에지로부터 연소 챔버 덮개까지 측정된다. 연소 챔버(4)의 길이(L)는 하기의 함수 (I) 및 (II)를 통해 근사치로 결정된다.
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 m인 조건에서는,
L (M, tA) = (C1+ C2·M)·tA(I)
및
L (M, TBRK) = (C3·TBRK+ C4)M + C5(TBRK)2+ C6·TBRK+ C7 (II).
상기 식에서 개별 함수에 의해 결정된 값과 연소 챔버(4) 길이의 허용 편차는 근사치로 약 +20%/-10% 정도일 수 있다. 전부하시 증기 발생량이 예정된 연속증기 발생기(2)를 설계하는 경우에는, 상기 함수 (I) 및 (II)로부터 얻어지는 연소 챔버(4)의 길이(L) 중에서 더 큰 값이 적용된다.
연속 증기 발생기(2)를 설계할 수 있는 가능성 중의 한 예로서, 전부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)에 따른 연소 챔버(4)의 소수의 길이(L)를 위해, 도 3에 따른 좌표계에 곡선(K1내지 K6)이 표시된다. 상기 좌표계의 곡선에는 각각 하기의 파라미터들이 할당된다:
(I)에 따라 K1: tA= 3s이며,
(I)에 따라 K2: tA= 2.5s이고,
(I)에 따라 K3: tA= 2s이며,
(II)에 따라 K4: TBRK= 1.200℃이고,
(II)에 따라 K5: TBRK= 1.300℃이며,
(II)에 따라 K6: TBRK= 1.400℃이다.
연소 챔버(4)의 길이(L)를 결정하기 위해, 예를 들어 화석 연료(B)의 불꽃(F)이 소화되는 시간(tA= 3s) 및 연소 챔버(4)로부터 배출되는 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK= 1200℃)를 위해서는 곡선 K1및 K4가 이용될 수 있다. 전부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)이 미리 주어진 경우에는 하기의 결과가 얻어진다:
M = 80 kg/s일 때 K4에 따른 길이 L = 29 m이고,
M = 160 kg/s일 때 K4에 따른 길이 L = 34 m이며,
M = 560 kg/s일 때 K4에 따른 길이 L = 57 m이다.
따라서 실선으로 표시된 곡선 K4는 계속해서 적용된다.
화석 연료(B)의 불꽃(F)이 소화되는 시간(tA= 2.5s) 및 연소 챔버(4)로부터 배출되는 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK= 1300℃)를 위해서는 곡선 K2및 K5가 이용될 수 있다. 전부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)이 미리 주어진 경우에는 하기의 결과가 얻어진다:
M = 80 kg/s일 때 K2에 따른 길이 L = 21 m이고,
M = 180 kg/s일 때 K2및 K5에 따른 길이 L = 23 m이며,
M = 560 kg/s일 때 K5에 따른 길이 L = 37 m이다.
실선으로 표시된 곡선(K2)의 부분은 M = 180 kg/s까지 적용되고, 상기 M의 값 범위에서 파선으로 표시된 곡선(K5)은 상기 경우에 적용되지 않는다. 180 kg/s보다 더 큰 M의 값에 대해서는, 실선으로 표시된 곡선(K5)의 부분이 적용되고 상기 M의 값 범위에서 파선으로 표시된 곡선(K2)은 적용되지 않는다.
곡선 K3및 K6는 화석 연료(B)의 불꽃(F)이 소화되는 시간(tA= 2s) 및 연소챔버(4)로부터 배출되는 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK= 1400℃)에 할당된다. 전부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)이 미리 주어진 경우에는 하기의 결과가 얻어진다:
M = 80 kg/s일 때 K3에 따른 길이 L = 18 m이고,
M = 465 kg/s일 때 K3및 K6에 따른 길이 L = 21 m이며,
M = 560 kg/s일 때 K6에 따른 길이 L = 23 m이다.
따라서, 465 kg/s까지의 M의 값에 대해서는, 상기 범위에서 실선으로 표시된 곡선(K3)이 적용되고 상기 범위에서 파선으로 표시된 곡선(K6)은 적용되지 않는다. 465 kg/s보다 더 큰 M의 값에 대해서는, 실선으로 표시된 곡선(K6)의 부분이 적용되고 파선으로 표시된 곡선(K3)의 부분은 적용되지 않는다.
연속 증기 발생기(2)의 작동시 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34)과 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32) 사이에서 비교적 작은 온도차가 나타나도록 하기 위해, 증발기 관(50 및 52)이 도 1에 표시된 연결 섹션(Z) 내부에 특이한 방식으로 가이드된다. 상기 연결 섹션(Z)은 도 4 및 도 5의 대안적인 실시예에서 자세하게 도시되고, 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34) 및 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)을 포함한다. 이 경우 증발기 관(50)은 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)과 직접 용접된 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)의 증발기 관(10)이고, 증발기 관(52)은 상기 관(52)에 직접 이웃하는 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)의 증발기 관(10)이다. 증기발생기 관(54)은 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)과 직접 용접된 수평 가스 연도(6)의 증기 발생기 관(16)이고, 증기 발생기 관(56)은 상기 관(56)에 직접 이웃하는 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)의 증기 발생기 관(10)이다.
상기 증발기 관(50)은 도 4에 상응하게 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)의 유입구 섹션(E) 상부에서 비로소 상기 둘레 벽(9) 내부로 삽입된다. 이 경우 증발기 관(50)의 유입구 측은 라인 장치(19)를 통해 이코노마이저(26)와 연결된다. 그럼으로써 연속 증기 발생기(2)의 스타트 전에 증발기 관(50)으로부터 배기 동작이 이루어지고, 그에 따라 증발기 관을 통한 관류 동작이 매우 신뢰할만하게 이루어진다. 증발기 관(50)은 먼저 유동 매체(S)를 위로부터 아래로 가이드하기 위해 제공된다. 그 다음에 증발기 관(50)의 가이드 상태가 유입 수집기 장치(18)의 바로 근처에서 변경됨으로써, 증발기 관(50) 내부에서의 유동 매체(S)의 흐름이 아래로부터 위로 이루어질 수 있게 된다. 증발기 관(50)이 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입되는 장소 위에서는, 증발기 관(50)이 관 하나만큼 측면으로 변위되어 - 버너(30)의 방향으로 - 둘레 벽(9) 내부에서 위로 뻗는다. 즉, 증발기 관(50)이 마지막 섹션에서는 상기 증발기 관(50)의 제 1 섹션과 수직으로 동일한 평면에서 뻗게 된다.
수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)의 증기 발생기 관(54)은 유입 수집기 장치(21)를 벗어난 후에 비로소 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 외부에서 뻗는다. 증발기 관(50)이 측면으로 변위되어 계속 가이드되는 장소 위에서 비로소 증기 발생기 관(54)은 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부로 삽입된다. 즉, 연소챔버(4)의 둘레 벽(9)과 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 사이에 있는 연결부(36)의 하부는 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)에 속하고, 상부는 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)에 속한다. 증발기 관(52) 또는 증기 발생기 관(56)은 다른 증발기 관(50) 또는 증기 발생기 관(16)과 마찬가지로 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부에서 또는 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부에서 수직으로 뻗으며, 상기 관의 유입구는 유입 수집기 장치(18 또는 21)와 연결되고, 배출구는 배출 수집기 장치(20 또는 22)와 연결된다.
수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)과 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)을 연결하는 연결 섹션(Z)을 위해 가능한 다른 한 실시예는 도 5에 도시되어 있다. 도 5에서, 유입구가 라인 장치(19)를 통해 이코노마이저(26)와 연결된 증발기 관(50)은 관 하나만큼 측면으로 변위되어 유입구 섹션(E) 상부에서 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입된다. 관 하나만큼 측면으로 변위된다는 것은, 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입되는 증발기 관(50)의 삽입 동작이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)로부터 관 하나의 위치만큼 이격되어 이루어진다는 것을 의미한다. 증발기 관(50)의 가이드가 유입 수집기 장치(18)의 직접 근처에서는 90°만큼 변경되고, 증발기 관(50)의 가이드가 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 외부에서는 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)의 방향으로 이루어진다. 증발기 관(50)의 가이드는 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부로 삽입되기 전에 재차 90°만큼 배출 수집기 장치(22) 방향으로 변경된다. 이 때 증발기 관(50)은 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)로부터 관 하나의 위치만큼 이격되어 수평 가스 연도(6)의측면 벽(12) 내부에서 수직으로 뻗는다. 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부에서는 재차 - 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입되는 증발기 관(50)의 유입구 아래에서 - 수직 방향으로의 증발기 관(50)의 방향 변동이 관 하나의 위치만큼 측면으로 변위되어 이루어짐으로써, 증발기 관(50)이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)에 직접 접하게 된다. 증발기 관(50)이 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입되는 유입구의 높이 위에서 재차 증발기 관(50)의 가이드 상태가 변경되는데, 특히 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)으로부터 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 증발기 관이 가이드된다. 그 때 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부에서는 증발기 관(50)의 마지막 섹션이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부를 따라 수직으로 배출 수집기 장치(20)까지 가이드된다.
증발기 관(52)의 가이드 상태는 증발기 관(50)의 가이드 상태와 일치된다. 증발기 관(52)은 증발기 관(50)의 유입구 아래에서 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입되고, 상기 관(52)의 유입구는 라인 장치(19)를 통해 이코노마이저(28)와 연결된다. 이 경우 증발기 관(52)의 삽입은 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)에 접하는 관 위치에서 이루어진다. 증발기 관(52)이 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입된 후에는, 상기 증발기 관(52)이 수직으로 위로부터 아래로 뻗게 된다. 유입 수집기 장치(18)의 직접 근처에서는 증발기 관(52)의 가이드 상태가 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 방향으로 90°만큼 변경된다. 관(52)의 방향이 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)에 접하는 제 1 관 위치의 높이에서 재차 90°만큼 변경되어, 상기 관은 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부로 삽입된다. 상기 높이에서부터 증발기 관(52)은 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부에서 수직으로 뻗는다. 따라서, 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)에 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)을 연결하는 관이 형성된다. 증발기 관(52)의 유입구 위에서 및 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부에서 수직 방향으로 관이 뻗도록 하기 위해, 특히 증발기 관(52)의 유입구와 수직으로 동일 평면에서 뻗도록 하기 위해, 상기 증발기 관(52)은 이 관(52)이 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입되는 높이 위에서는 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)을 벗어난다. 그 다음에 상기 관(52)이 증발기 관(50)의 제 1 섹션과 수직으로 동일 평면에서 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부에서 수직으로 뻗도록 하기 위해, 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 삽입되는 증발기 관(50)의 유입구 위에서는 증발기 관(52)의 가이드 상태가 새롭게 변경된다. 따라서 증발기 관(52)의 마지막 섹션은 증발기 관(50)의 제 1 섹션과 수직으로 동일 평면에서 가이드 된다. 증발기 관(50)뿐만 아니라 증발기 관(52)도 또한 입력측에서는 이코노마이저(28)와 유입 수집기 장치(18) 사이에 있는 라인 장치(19)와 연결되고, 출력측에서는 배출 수집기 장치(20)와 연결된다.
증기 발생기 관(54)은 유입측에서 유입 수집기 장치(21)와 연결된다. 증기 발생기 관(54)이 유입 수집기 장치(21)로부터 빼내진 후에는, 상기 증기 발생기 관(54)이 수평 가스 연도(6) 외부에서 가이드 된다. 증발기 관(50)이 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)으로부터 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 변경되는 부분 위에서는 증기 발생기 관(54)이 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부로 삽입된다. 이 때 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부에서 가이드되는 증기 발생기관(54)의 마지막 섹션은 수평 가스 연도(6)와 연소 챔버(4)의 연결부(36)를 따라 가이드된다. 따라서 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)이 증발기 관(50)의 하부에 및 증기 발생기 관(54)의 상부에 있는 연결부(36)에서 형성된다.
증기 발생기 관(56)도 또한 도 5에서 입력측이 유입 수집기 장치(21)와 연결된다. 증기 발생기 관(56)은 먼저 수평 가스 연도(6)의 외부에서 가이드된다. 증기 발생기 관(56)은 상기 장소 위에서 비로소 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12) 내부로 삽입되고, 상기 장소에서 증발기 관(50)의 가이드 상태는 관 하나의 위치만큼 연결부(36) 쪽으로 변위되어 상기 연결부(36)에 직접 접하는 가이드 상태로 변경된다. 증기 발생기 관(54 및 56)은 각각 출력측으로 배출 수집기 장치(22)와 연결된다.
증발기 관(50 및 52) 또는 증기 발생기 관(54 및 56)이 특이하게 가이드 됨으로써, 연속 증기 발생기(3)의 작동시 연소 챔버(4)와 수평 가스 연도(6) 사이의 연결부(36)에서 온도차가 매우 확실하게 작게 유지된다. 유동 매체(S) 및 그와 더불어 증발기 관(50 또는 52)도 또한 유입구 섹션(E)의 상부에서는 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부로 유입 및 삽입된다. 증발기 관(50 및 52) 또는 증기 발생기 관(54 및 56)의 추가의 가이드는, 증기 발생기 관(54, 56) 및 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)의 추가 증기 발생기 관(16)이 직접 연결되기 전에, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 증발기 관(50 및 52) 및 그와 더불어 상기 관 내부에서 가이드되는 유동 매체(S)가 가열에 의해 예열되는 방식으로 이루어진다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 연결부(36)에서 증발기 관(50 및 52)은 상기 관에 직접 인접한 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)의 증발기 관(10)보다 비교적 더 높은 온도를 갖는다.
연소 챔버(4)의 증발기 관(10)내에서 또는 수평 가스 연도(6)의 증기 발생기 관(16)내에서 가능한 유동 매체(S)의 온도(TS)에 대한 예로서, 도 5에 따른 실시예에 대해 도 6에 따른 좌표계에는 증발기 관(10, 50, 52) 또는 증기 발생기 관(54, 56)의 아래로부터 위로 관류되는 부분의 상대적인 관 길이(R)와 소수의 온도(TS)의 관계가 곡선(U1및 U4)으로 표시되어 있다. 상기 좌표의 도시된 곡선에서 수평으로 가이드되는 영역, 즉 계단은 고려되지 않는다. 좌표에서 곡선 U1은 수평 가스 연도(6)의 증기 발생기 관(16)의 온도 변동을 나타낸다. 그와 달리 곡선 U2는 증발기 관(10)의 상대적인 관 길이(R)를 따라 진행되는 상기 증발기 관(10)의 온도 변동을 나타낸다. U3은 특수하게 가이드되는 증발기 관(50)의 아래로부터 위로 관류하는 부분의 온도 변동을 나타내고, U4는 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)의 증발기 관(52)의 아래로부터 위로 관류하는 부분의 온도 변동을 나타낸다. 표시된 곡선을 참조하면, 증발기 관(50 및 52)이 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9) 내부에 있는 증발기 관(10)의 유입구 섹션(E)내에서 특수하게 가이드됨으로써, 수평 가스 연도의 둘레 벽(12)의 증기 발생기 관(16)에 대한 온도차가 현저하게 감소될 수 있다는 사실이 명백해진다. 예를 들어 증발기 관(50 및 52)의 유입구 섹션(E)에서는 증발기 관(50 및 52)의 온도가 45 켈빈만큼 상승된다. 그럼으로써, 연속 증기 발생기(2)의 작동시 증발기 관(50 및 52)의 유입구 섹션(E) 내부에서 및 연소 챔버(4)와 수평 가스 연도(6) 사이의 연결부(36)에 있는 수평 가스 연도(6)의 증발기 관(16) 내부에서는 온도차가 작게 유지된다.
연속 증기 발생기(2)의 작동시에는 화석 연료(B), 바람직하게는 고체 형태의 석탄이 버너(30)에 제공된다. 이 때 버너(30)의 불꽃(F)은 수평으로 조절된다. 연소 챔버(4)의 상기와 같은 구성 방식으로 인해, 연소시 형성되는 가열 가스(G)의 주흐름은 거의 수평 방향(24)으로 이루어진다. 상기 가열 가스(G)는 수평 가스 연도(6)를 거쳐 거의 바닥쪽으로 향해 있는 수직 가스 연도(8) 내부에 도달한 다음, 자세하게 도시되지 않은 굴뚝의 방향으로 상기 수직 가스 연도를 떠난다.
이코노마이저(28) 내부로 유입되는 유동 매체(S)는 연속 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4)의 증발기 관(10)의 유입 수집기 장치(18) 내부에 도달한다. 수직으로 배치되고 기밀 방식으로 서로 용접된, 연속 증기 발생기(2)의 연소 챔버(4)의 증발기 관(10) 내부에서는 증발 및 경우에 따라서 유동 매체(S)의 부분적인 과열이 이루어진다. 이 때 형성되는 증기 또는 물-증기-혼합물은 유동 매체(S)용 배출 수집기 장치(20)내에 수집된다. 증기 또는 물-증기-혼합물은 상기 수집기 장치로부터 수평 가스 연도(6) 및 수직 가스 연도(8)의 벽을 거쳐 수평 가스 연도(6)의 과열기 가열 표면(23) 내부에 이르게 된다. 과열기 가열 표면(23) 내부에서 증기의 추가 과열이 이루어진 다음에, 상기 증기는 예를 들어 증기 터빈의 구동용으로 사용하기 위해 제공된다.
증발기 관(50 및 52)이 특이하게 가이드됨으로써, 연속 증기 발생기의 작동시 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34)과 수평 가스 연도(36)의 유입구 영역(32) 사이에서는 온도차가 매우 작게 나타난다. 이 경우에는 전부하시 연속 증기 발생기(2)의 증기 발생량(M)에 따라 연소 챔버(4)의 길이(L)를 선택함으로써, 화석 연료(B)의 연소열의 매우 유용한 활용이 보장된다. 또한 연속 증기 발생기(2)의 높이를 낮추고 상기 발생기를 콤팩트하게 형성함으로써, 상기 연속 증기 발생기는 매우 적은 제조 비용 및 조립 비용으로 구성될 수 있다. 이 경우에는 비교적 적은 기술적 비용으로 제조될 수 있는 골격 구조가 제공될 수 있다. 증기 터빈 및 상기와 같이 높이가 낮은 연속 증기 발생기(2)를 갖춘 발전소 설비의 경우에는 또한, 연속 증기 발생기로부터 증기 터빈까지 연결하는 연결 관이 매우 짧게 설계될 수 있다.

Claims (19)

  1. 가열 가스측으로 수평 가스 연도(6)를 거쳐 수직 가스 연도(8)가 그 뒤에 연결된, 화석 연료(B)용 연소 챔버(4)를 갖춘 연속 증기 발생기(2)로서,
    상기 연소 챔버(4)는 수평 가스 연도(6)의 높이로 배치된 소수의 버너(58)를 포함하고, 상기 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)은 주로 기밀 방식으로 서로 용접된, 수직으로 배치된 증발기 관(10)으로 구성되며,
    다수의 증발기 관(10) 각각에 유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있으며,
    상기 연소 챔버(4)의 배출구 영역(34) 및 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)을 포함하는 연결부 섹션(Z)내에서는, 유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있는 소수의 증발기 관(10, 50, 52)이 루우프 형태로 가이드되도록 구성된 연속 증기 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평 가스 연도(6)의 측면 벽(12)은, 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치되며 유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있는 증기 발생기 관(16)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수직 가스 연도(8)의 측면 벽(14)은, 기밀 방식으로 서로 용접되고 수직으로 배치되며 유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있는 증기 발생기 관(17)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있는 다수의 증발기 관(10) 앞에는 유동 매체측으로 공통의 유입 수집기 장치(18)가 각각 하나씩 제공되고, 상기 증발기 관(10) 뒤에는 공통의 배출 수집기 장치(20)가 각각 하나씩 제공되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있는 수평 가스 연도(6) 또는 수직 가스 연도(8)의 소수의 증기 발생기 관(16, 17) 앞에는 유동 매체측으로 공통의 유입 수집기 장치(21)가 각각 하나씩 제공되고, 상기 증기 발생기 관(16, 17) 뒤에는 공통의 배출 수집기 장치(22)가 각각 하나씩 제공되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(4)의 둘레 벽(9)은 정면벽(11)이며, 상기 정면벽(11)의 증발기 관(10)에는 유동 매체(S)가 동시에 제공될 수 있는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(4)의 정면벽(11)의 증발기 관(10)은 유동 매체측으로 연소 챔버(4)의 다른 둘레 벽(9) 앞에 연결되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(4)의 소수의 증발기 관(10)의 내부 직경(D)은 연소 챔버내에서의 증발기 관(10)의 개별 위치에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소수의 증발기 관(10)의 내부면에는 다중 나사선을 형성하는 리브(40)가 각각 하나씩 제공되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    관축에 대해 수직인 평면(42)과 관 내부면에 배치된 리브(40)의 측면(44) 사이의 기울기 각(α)은 60°보다, 바람직하게는 55°보다 작은 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소수의 증발기 관(10)은 공기 흡입 조절 장치를 각각 하나씩 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    유동 매체(S)를 연소 챔버(4)의 증발기 관(10) 내부에 제공하기 위한 라인 장치(19)가 제공되며, 상기 라인 장치(19)는 유동 매체(S)의 관류를 감소시키기 위해 소수의 공기 흡입 조절 장치, 특히 스로틀 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    이웃하는 증발기 관 또는 증기 발생기 관(10, 16, 17)은 핀을 통해 기밀 방식으로 서로 용접되며, 상기 핀의 폭은 연소 챔버(4)내에서의 증발기 관 혹은 증기 발생기 관(10, 16, 17), 수평 가스 연도(6) 및/또는 수직 가스 연도(8)의 개별 위치에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수평 가스 연도(6)내에는 소수의 과열기 가열 표면(23)이 걸리는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직 가스 연도(8)내에는 소수의 대류 가열면(26)이 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(4)의 정면벽(11)에는 버너(58)가 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연소 챔버(4)의 정면벽(11)으로부터 수평 가스 연도(6)의 유입구 영역(32)까지의 거리에 의해 규정되는 연소 챔버(4)의 길이(L)는, 전부하 작동시 연료(B)의 연소 길이와 적어도 같은 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(4)의 길이(L)는 전부하시의 증기 발생량(M), 연료(B) 불꽃(F)의 소화 시간(tA) 및/또는 연소 챔버(4)로부터 배출되는 가열 가스(G)의 배출 온도(TBRK)의 함수로서, 하기의 함수 (I) 및 (II)에 따라 근사치로 선택되며,
    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 m인 조건에서는,
    L (M, tA) = (C1+ C2·M)·tA(I)
    및
    L (M, TBRK) = (C3·TBRK+ C4)M + C5(TBRK)2+ C6·TBRK+ C7(II),
    전부하시 증기 발생량(M)이 예정된 경우에는 연소 챔버(4)의 길이(L) 중에서 더 큰 값이 각각 적용되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소 챔버(4)의 하부 영역은 깔때기(5)로 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 증기 발생기.
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