KR200331555Y1 - 관류형 증기발생장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 관류형 증기발생장치에 관한 것으로, 작동유체가 절탄기를 통과하여 유입되는 1차 증발기와; 상기 1차 증발기에 모인 급수가 1차 증발기의 전열관을 통과하면서 포화수와 포화증기의 상태로 유입되는 1차 기수분리기와; 상기 1차 기수분리기로부터 분리된 포화증기가 유입되는 2차 기수분리기와; 상기 1차 기수분리기에서 분리된 포화수가 모여지는 2차 증발기의 입구 헤더와; 상기 2차 증발기 입구헤더에 모인 포화수가 2차 증발기로부터 흡수된 열에 의해 완전한 포화상태 또는 과열상태가 되도록 하는 2차 증발기와; 상기 2차 증발기의 출구헤더에 모인 작동유체가 2차 기수분리기를 통과하여 과열기로 모여지도록 이루어진 관류형 증기발생장치가 제공된다.

본 고안의 관류형 증기발생장치를 사용하게 되면, 기존의 드럼형 증기발생기가 가지고 있는 장점을 최대한 유지하면서 증발기를 1차와 2차로 분리한다. 1차 증발기에서 발생된 포화수와 포화증기를 1차 기수분리기에서 분리하며, 분리된 포화수를 2차 증발기의 입구 헤더(Header)에 공급하여 증발기관에서 증발시킴으로써 핵비등을 형성시켜 증발기의 전열면적을 최소화하고, 막비등 의 영역을 짧게 가져 갈 수 있다. 나아가 막비등의 영역이 작음으로 인하여 막비등영역에서 발생되는 문제을 최소화시킬 수 있다.

Description

관류형 증기발생장치{once-through evaporator for heat recovery steam generrator system}

본 고안은 관류형 증기발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1차 증발기에서 발생된 포화수와 포화증기를 1차 기수분리기에서 분리하고, 분리된 포화수를2차 증발기의 입구헤더에 공급시켜 증발기관에서 증발시킴으로써, 증발기의 전열면적의 최소화하고, 막 끓음(Film Boiling)의 영역을 짧게 가져 갈 수 있도록 한 것이다.

또한, 상기 막 끓음의 영역이 짧음으로 인하여 발생되는 문제점도 최소화 시킬 수 있으며, 아울러 1차 기수분리기에서 분리된 증기는 작동유체방향에서 하류에 설치된 2차 기수분리기로 유입시켜 상기 2차 기수분리기에 유입되는 과열 증기 또는 포화증기와 혼합되도록 한 것이다.

일반적으로, 폐열회수 증기발생기(Heat Recovery Steam Generator)는 가스터빈에서 배출된 연소가스 또는 그와 유사한 열원을 이용하여 작동유체인 물을 증기로 변환시키는데 사용하는 열교환기이다.

그리고, 증기발생장치(Steam Generator)는 열 흡수를 최적화하기 위하여 한 개 이상의 물/증기회로로 구성되고, 각 물/증기회로는 한 개 이상의 서로 다른 압력으로 구성된다.

증기발생기는 물/증기회로에 포함된 증발기 전열관을 흐르는 작동유체의 순환방법에 따라서 세가지의 형태로 구분된다.

첫번째 두가지는 물과 증기를 분리하는 드럼을 가진 형태이다. 드럼은 증발기관과 증발기관을 순환하면서 발생된 물과 증기를 분리하는 장치, 하강관, 상승관등으로 구성되어있다. 상기 드럼에 존재하는 작동유체인 물은 하강관, 증발기관, 상승관, 드럼 순으로 순환을 한다. 순환하는 방법에 따라서 자연 순환형과 강제 순환형으로 나누어진다.

자연 순환형은 작동유체의 비체적 변화와 수두에 의해 자연적으로 순환력이 발생하여 순환되는 방법이며, 강제순환은 순환펌프에 의해 강제적으로 순환시키는 방법이다.

증발관을 흐르는 작동유체는 통상 발생 증기량의 3 ~ 30배정도 많은 양이 흐른다. 증발관내를 흐르는 유체의 질량유량(Mass Velosity)이 매우 크기 때문에 증발은 전열계수가 높은 핵비등(Nucleate Boiling)지역에서 발생한다.

이러한 이유로 인하여 증발기의 전열면적은 작게 설계되지만 순환시스템을 형성하고 있는 드럼, 하강관, 상승관, 분배관, 펌프 등으로 인하여 전체비용은 증가한다.

세번째 형태는 관류형(Once-through)이다. 관류형은 드럼이 없는 형태로, 증발기관의 작동유체는 순환을 하지 않는다. 따라서 증발기관으로 유입된 작동유체는 증발기관을 지나면서 포화수, 포화수와 포화증기가 혼합된 2상류, 포화증기 및 과열증기로 되어 증발기관의 출구헤더에 모여진다.

상기 관류형 증발기의 전열은 핵비등(Nucleate Boiling)과 막비등(Film Boiling)을 모두 경험하게 된다. 사용압력범위는 제한이 없으며, 드럼형인 경우는 증발이 일어나는 구간인 임계압력 미만에서만 사용이 가능하다.

그러나 상기 증발기에서 발생하는 전열현상은 대표적으로 낮은 건도에서 발생하는 핵비등과 높은 건도에서 발생하는 막비등으로 나타낼 수 있으며, 포화수의유체가 증발관으로 유입되어 가열되면서 건도를 가지게 될 때 발생되는 열전달 현상이 핵비등이다.

핵비등의 영역은 튜브의 벽면이 포화수에 의해 젖은 상태로 존재하기 때문에 Tube의 벽면을 증기가 많이 접촉하고 있는 막비등에 비하여 전열계수가 크다. 막비등 영역은 튜브(Tube) 벽면이 증기로 둘러쌓여 있음으로 인하여 튜브벽면의 온도가 상승하게 되고, 과도한 튜브벽면의 온도로 인하여 튜브 파열이 발생하는 문제점을 가지고 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 증기발생장치의 전열관을 형성하고 있는 증발기를 여러 개로 나누어 증발기에서 발생하는 전열효과를 증가시켜 증발기의 전열성능을 향상시켜 증기발생기의 효율을 극대화하는데 있으며, 구체적으로는 1차 증발기에서 핵비등에 의해 증발된 2상유체를 포화수와 포화증기로 분리하고, 분리된 포화수를 다시 2차 증발기관에서 가열함으로써 핵비등영역을 기존의 증발기보다 많은 영역에서 형성하도록 하여, 증기발생기의 효율을 증대시킬 수 있도록 한 목적이 있다.

또한 1차 증발기 출구에 연결된 기수분리기를 통하여 증기를 2차 증발기 출구로 유입하게 함으로써 다운 파이프(down pipe)가 가스 유동내에 존재할 때에 발생하는 비체적의 증가에 의한 2상류의 문제를 해결하는 점에 목적이 있다.

도 1은 본 고안의 관류형 증기발생장치를 나타낸 흐름도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 급수 파이프 2 : 절탄기

3 : 입구헤더 4 : 출구헤더

6 : 1차 증발기 10 : 기수분리기

12 : 팀 콘트롤 밸브 15 : 2차 증발기

17 : 드레인 밸브 21 : 과열기

본 고안은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로, 작동유체가 절탄기를 통과하여 유입되는 1차 증발기와, 상기 1차 증발기에 모인 급수가 1차 증발기의 전열관을 통과하면서 포화수와 포화증기의 상태로 유입되는 1차 기수분리기와, 상기 1차 기수분리기로부터 분리된 포화증기가 유입되는 2차 기수분리기와, 상기 1차 기수분리기에서 분리된 포화수가 모여지는 2차 증발기와, 상기 2차 증발기에 모인 포화수가 흡수된 열에 의해 완전한 포화상태 또는 과열상태로 유입되는 2차 증발기와, 상기 2차 증발기에 모인 유체가 2차 기수분리기를 통과하여 과열기로 모여지도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명하기로 한다.

본 고안은 복합발전 플랜트에 사용되는 증기발생기(Steam Generator)에 대한 것이다. 복합발전 플랜트는 가스터빈, 증기터빈, 그리고 증기발생기 (Heat Recovery Steam Generator)로 구성이 되어 있다.

가스터빈에서 일을 하고 배출된 고온의 연소가스에 포함된 에너지는 가스방향에서 가스터빈의 하류에 있는 증기발생기로 들어가게 되며, 급수는 증기발생기에 의해 증기로 만들어진다. 증기발생기는 여러 가지 형태의 전열관, 즉 과열기, 재열기, 증발기, 절탄기등,으로 구성되어 있으며, 가스터빈의 하류에 설치되어 있다. 이 전열관은 연결 파이프를 통하여 증기터빈에 연결된다. 증기발생기는 가스터빈으로부터 배출되는 열을 최대한 흡수하기 위하여 여러 가지 압력단을 가지고 있으며,각 압력단은 작동유체인 물을 포화증기로 만드는 증발기를 갖추고 있다.

이를 첨부된 예시도면 도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면, 증기발생장치(A)는 먼저 작동유체는 급수 파이프라인(1)를 통하여 절탄기(2)의 입구헤더(3)으로 유입되고, 유입된 작동유체는 절탄기(2)의 전열관을 통하여 절탄기(2)의 출구헤더(4)에 모이게 된다. 절탄기(2) 출구파이프라인(5)을 통하여 1차 증발기(6)의 입구헤더(7)로 들어가게 된다.

상기 1차 증발기(6) 의 입구헤더(7)에 모인 급수는 1차 증발기(6)의 전열관을 지나면서 열을 흡수하게 되고, 열을 흡수한 급수는 subcooled상태에서 포화상태의 2상유체, 즉 포화수와 포화증기로 1차 증발기(6)의 출구헤더(8)에 모이게 된다.

상기 1차 증발기(6)의 출구헤더(8)에 모인 2상유체는 출구에 연결된 파이프라인(9) 1차 기수분리기(10)로 들어가게 된다. 1차 기수분리기(10)는 2상유체, 즉 포화수와 포화증기 로 유입된 유체를 포화수와 포화증기로 분리하는 장치다. 1차 기수분리기(10)에서 분리된 포화증기는 1차 기수분리(10)에 연결된 파이프라인(11)를 통하여 스팀 콘트롤 밸브(12)을 지나 1차 기수분리기(10) 보다 하류에 설치된 2차 기수분리기(13)로 들어간다.

상기 스팀 콘트롤 밸브(12)는 1차 기수분리기(10)에서 2차 기수분리기(13)로 들어가는 포화증기의 유량을 조절하는 장치이며, 이러한 스팀 콘트롤 밸브(12)는 1차 기수분리기(10)의 수위가 일정한 값 이하일 경우는 완전히 열려있는 상태로 되지만, 그렇지 않은 상태는 닫혀있다.

또한 1차 기수분리기(10)에서 분리된 포화수는 다운 파이프 라인(down pipeline)(14)을 통하여 2차 증발기(15)의 입구헤더(16)에 모여진다.

한편, 드레인 밸브(17)는 기동시 및 부하 변화시 2차 기수분리기(15)에 유입되는 포화상태의 작동유체에 포함된 포화수를 배기하기 위한 장치이며, 이러한 2차 증발기(15)의 입구헤더(16)에 모인 포화수는 2차 증발기(15)의 전열관을 통하여 열을 흡수하게 되며, 흡수된 열에 의해 포화수는 완전히 포화상태 또는 과열상태로 2차 증발기(15)의 출구헤더(18)에 모이게 된다.

상기 2차 증발기(15)의 출구헤더(18)에 모인 유체는 출구에 연결된 파이프라인(19)을 통하여 2차 기수분리기(13)으로 들어가게 된다. 2차 기수분리기(13)로 유입되는 유체가 포화상태인 경우 포화수와 포화증기가 분리되며, 1차 기수분리기(10)에서 유입된 증기와 혼합이 되어 2차 기수분리기(13)의 출구에 연결된 파이프라인(20)을 통하여 과열기(21)의 입구헤더(22)에 모여진다.

그리고 분리된 포화수는 파이프라인을 통해 flash tank 또는 응축기 등으로 들어간다. 과열기(21) 입구헤더(22)에 모인 증기는 과열기(21)의 전열관에서 과열된 상태로 과열기(21)의 출구헤더(23)에 모여지게 되며, 출구헤더(23)에 연결된 파이프라인(24)을 통하여 증기터빈으로 간다.

참고적으로 화살표는 배기가스의 흐름방향이고, 1,2차 증발기 출구헤더와 1,2차 기수분리 사이에는 적어도 하나 이상의 헤더가 설치될 수 있다.

위와 같이 구성된 본 고안은 기존의 드럼형 증기발생기가 가지고 있는 장점을 최대한 유지하면서 증발기를 1차와 2차로 분리한다. 1차 증발기에서 발생된 포화수와 포화증기를 1차 기수분리기에서 분리하며, 분리된 포화수를 2차 증발기의 입구 헤더(Header)에 공급하여 증발기관에서 증발시킴으로써 핵비등을 형성시켜 증발기의 전열면적을 최소화하고, 막비등 의 영역을 짧게 가져 갈 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 막비등의 영역이 작음으로 인하여 막비등영역에서 발생되는 문제을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 작동유체가 절탄기를 통과하여 유입되는 1차 증발기와; 상기 1차 증발기에 모인 급수가 1차 증발기의 전열관을 통과하면서 포화수와 포화증기의 상태로 유입되는 1차 기수분리기와; 상기 1차 기수분리기로부터 분리된 포화증기가 유입되는 2차 기수분리기와; 상기 1차 기수분리기에서 분리된 포화수가 모여지는 2차 증발기의 입구 헤더와; 상기 2차 증발기 입구헤더에 모인 포화수가 2차 증발기로부터 흡수된 열에 의해 완전한 포화상태 또는 과열상태가 되도록 하는 2차 증발기와; 상기 2차 증발기의 출구헤더에 모인 작동유체가 2차 기수분리기를 통과하여 과열기로 모여지도록 이루어진 것을 특징으로 하는 관류형 증기발생장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 1차 기수분리기와 2차 기수분리기 사이에는 포화증기의 유량을 조절하기 위한 스팀 콘트롤 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 관류형 증기발생장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기2차 기수분리기에는 작동유체에 포함된 포화수를 배기하도록 드레인 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 관류형 증기발생장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 2차 기수분리기로 유입되는 포화증기는 1차 기수분리기로부터 유입된 증기와 2차 기수분리기에서 혼합되어 과열기로 이동하도록 이루어진 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관류형 증기발생장치.