KR200479402Y1 - 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치 및 발전 플랜트 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 가스 터빈의 폐열회수유닛의 핵심이 되는 열교환기 부분을 종래의 튜브 타입의 열교환기 대신 인쇄기판형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE)로 대체하여 단위 부피당 전열 면적을 극대화함으로써 전체 설비의 중량 및 크기를 절감하고 유지 보수의 용이성을 제고할 수 있는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치 및 발전 플랜트에 관한 것이다.
본 고안에 따르면, 종래의 쉘-튜브 타입이나 코일 튜브 타입의 열교환기에 비해 단위 부피당 전열 면적이 획기적으로 뛰어난 인쇄기판형 열교환기를 가스 터빈의 폐열회수유닛에 적용함으로써 우수한 열 회수 효율을 얻을 수 있음과 동시에 설비의 크기와 중량을 현저히 줄일 수 있으며, 유지 보수 및 핸들링이 용이하다는 효과가 있다.
본 고안에 따르면, 종래의 쉘-튜브 타입이나 코일 튜브 타입의 열교환기에 비해 단위 부피당 전열 면적이 획기적으로 뛰어난 인쇄기판형 열교환기를 가스 터빈의 폐열회수유닛에 적용함으로써 우수한 열 회수 효율을 얻을 수 있음과 동시에 설비의 크기와 중량을 현저히 줄일 수 있으며, 유지 보수 및 핸들링이 용이하다는 효과가 있다.
Description
본 고안은 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치 및 발전 플랜트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 플랜트에서 주된 발전원으로 사용되는 가스 터빈에서 방출되는 배기가스 내 폐열을 회수하기 위한 WHRU(Waste Heat Recovery Unit)에 관한 것이다.
근래의 발전 플랜트(Power plant)에서는 플랜트의 열 효율의 향상을 도모하기 위해 컴바인드 사이클(combined cycle) 발전이 주류를 이루고 있다. 컨바인드 사이클 발전 플랜트는 가스터빈, 증기 터빈에 배열 회수 보일러를 조합한 발전 플랜트이다.
가스 터빈에는 연소기로부터 고온 고압의 연소 가스가 보내지고, 연소 가스의 팽창에 의해 가스 터빈을 회전시켜 발전기를 돌린다. 그 후 배기가스는 배열 회수 보일러로 도입되어 배기가스가 가지는 열에너지에 의해 증기를 발생시킨다. 발생된 증기는 증기 터빈으로 보내지고 가스 터빈과 함께 발전기를 돌리게 된다.
일반적으로 배열 회수 보일러는 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스의 열에 의해 증기를 발생시켜 증기 터빈에 증기를 공급하는 보일러이며, 그 외에 필요에 따라 해당 플랜트 내 열 수요처에 열을 공급하거나 난방 등 다양한 에너지원으로 사용될 수 있다. 특히 선박이나 해양 플랜트에서 이러한 추가적인 열 회수는 필수적이다.
한편, 해양 플랜트에서 주된 발전원으로 사용되는 가스 터빈(gas turbine)에서 방출되는 배기가스에서 폐열을 회수하는 폐열회수유닛(Waste Heat Recovery Unit, WHRU)은 대부분의 프로젝트에서 공통적으로 활용되고 있는데, 일반적으로 가스 터빈의 배기가스가 갖는 고온의 특성 때문에 대부분 열 팽창(Thermal expansion)에 유리한 쉘-튜브(Shell-tube) 타입(도 2 참조)이나 코일 튜브(Coiled tube) 타입의 열교환기를 사용하고 있다. 도 1은 종래의 코일 튜브 타입의 열교환기(붉게 표시된 영역)가 구비된 폐열회수유닛(WHRU)의 개략도이다.
그러나 이러한 타입의 열교환기는 단위 부피당 전열 면적의 측면에서 불리하여 열 팽창이 발생하더라도 수용이 가능할 정도로 하우징의 크기를 충분히 크게 마련해야 하며 일정 수준의 열 교환 용량을 처리하기 위해서 매우 크고 무거운 설비를 요구하는 문제가 있었다.
따라서, 열교환기 설비의 크기가 크고 중량이 무겁기 때문에 유지 보수 역시 용이하지 않으며 장치 이동을 위한 크래인이나 핸들링 디바이스 등의 요구 용량도 커져야 하는 문제가 있었다.
본 고안은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 고안의 목적은 가스 터빈의 폐열회수유닛의 핵심이 되는 열교환기 부분을 종래의 튜브 타입의 열교환기 대신 인쇄기판형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE)로 대체하여 단위 부피당 전열 면적을 극대화함으로써 전체 설비의 중량 및 크기를 절감하고 유지 보수의 용이성을 제고할 수 있는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치 및 발전 플랜트를 제공하는데 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 일 실시예에 따라 가스 터빈(gas turbine)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 열 교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수장치(100)에 있어서, 상기 폐열회수장치(100)는 열교환 매체와 배기가스 간의 열 교환이 이루어지는 열 교환 영역(H)이 내부 공간에 마련되며, 일 측에 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 유입부(111)가, 타 측에 열 교환이 이루어진 배기가스가 배출되는 배출부(112)가 구비되는 하우징(110); 및 상기 하우징(110) 내부 공간의 열 교환 영역(H)에 장착되며 일 측에 상기 하우징(110)의 유입부(111)와 소통되어 배기가스가 유입되는 제1 유입구(121)가, 타 측에 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 소통되어 배기가스가 배출되는 제1 배출구(122)가 구비되고, 다른 영역에 상기 열 교환 매체가 유입되는 제2 유입구(123)와 배출되는 제2 배출구(124)가 마련되며, 상기 제1 유입구(121) 및 제1 배출구(122)와 소통되도록 구비되어 상기 배기가스가 유동되는 채널이 형성된 제1 플레이트(120a)와 상기 제2 유입구(123) 및 제2 배출구(124)와 소통되도록 구비되어 상기 열 교환 매체가 유동되는 채널이 형성된 제2 플레이트(120b)가 복수 개 교번 적층된 인쇄기판형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger)(120);를 포함하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치를 제공한다.
이때, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)가 상기 배기가스가 장치 내에서 흐르는 방향을 기준으로 좌우 측이 상기 하우징(110) 내벽에 고정 지지되도록 지지부(130)를 더 포함할 수 있으며, 상기 지지부(130)는, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 좌우 측에 돌출 형성되며 법선 방향으로 체결홀이 마련되는 한 쌍의 체결편(131); 및 상기 하우징(110) 좌우 측 내벽에 내측으로 돌출 형성되며 상기 한 쌍의 체결편(131)의 일 면에 맞대어지도록 구비되는 한 쌍의 플랜지(132);를 포함하며, 상기 체결편(131)과 플랜지(132)는 상기 체결홀을 관통하여 체결되는 볼트에 의해 결속되는 것이 바람직하고, 상기 한 쌍의 체결편(131)은 상기 볼트의 직경과 대응되도록 상기 체결홀이 마련되는 고정식 체결편(131a) 및 상기 좌우 측 방향으로 연장되는 가이드홈 형태로 상기 체결홀이 마련되는 슬라이드식 체결편(131b)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 하우징(110) 유입부(111)의 상류 측에 마련되어 배기가스의 유입되는 압력을 높이기 위한 터빈(turbine)과 블로어(blower)가 구비되는 가압장치(140)를 더 포함할 수 있으며, 상기 가압장치(140)는 유입되는 배기가스의 압력을 1~2 바게이지(barg) 만큼 상승시키는 것이 바람직하다.
또, 상기 하우징(110)의 유입부(111)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 유입구(121) 사이 및 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 배출구(122) 사이 중 어느 하나 이상에 구비되어, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 온도 변화에 따른 길이 방향의 거동을 보완하기 위한 신축이음부(expansion joint)(150)를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 하우징(110)으로 유입되지 않는 배기가스가 상기 하우징(110)을 경유하지 않고 폐열회수장치(100)의 하류 측으로 배출될 수 있도록 상기 하우징(110) 외측에 바이패스 영역(B)이 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 플레이트(120a)와 제2 플레이트(120b)에 형성된 채널 중 어느 하나 이상은 상기 유입구(121, 123)와 상기 배출구(122, 124)를 직선으로 연결한 길이보다 채널의 길이가 연장되도록 상기 플레이트(120a, 120b) 상에서 적어도 1회 이상 절곡되어 형성되는 것이 바람직하며, 상기 채널이 절곡되어 형성된 영역에는 구조적 안정성을 확보하기 위하여 인접하는 채널간에 관통되어 형성되는 보강돌기(s)가 구비되는 것이 더욱 바람직하다.
한편, 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안의 다른 실시예에 따라 가스 터빈(gas turbine)(200); 상기 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배기가스와 열 교환 매체 간의 열 교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수장치(100); 및 상기 폐열회수장치(100)로부터 얻어지는 고온의 열 교환 매체와의 열 교환을 통해 타겟 흐름을 가열하기 위한 가열장치(300);를 포함하며, 상기 폐열회수장치(100)는, 열교환 매체와 배기가스 간의 열 교환이 이루어지는 열 교환 영역(H)이 내부 공간에 마련되며, 일 측에 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 유입부(111)가, 타 측에 열 교환이 이루어진 배기가스가 배출되는 배출부(112)가 구비되는 하우징(110); 및 상기 하우징(110) 내부 공간의 열 교환 영역(H)에 장착되며 일 측에 상기 하우징(110)의 유입부(111)와 소통되어 배기가스가 유입되는 제1 유입구(121)가, 타 측에 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 소통되어 배기가스가 배출되는 제1 배출구(122)가 구비되고, 다른 영역에 상기 열 교환 매체가 유입되는 제2 유입구(123)와 배출되는 제2 배출구(124)가 마련되며, 상기 제1 유입구(121) 및 제1 배출구(122)와 소통되도록 구비되어 상기 배기가스가 유동되는 채널이 형성된 제1 플레이트(120a)와 상기 제2 유입구(123) 및 제2 배출구(124)와 소통되도록 구비되어 상기 열 교환 매체가 유동되는 채널이 형성된 제2 플레이트(120b)가 복수 개 교번 적층된 인쇄기판형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger)(120);를 포함하는 발전 플랜트를 제공한다.
이때, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)가 상기 배기가스가 장치 내에서 흐르는 방향을 기준으로 좌우 측이 상기 하우징(110) 내벽에 고정 지지되도록 지지부(130)를 더 포함할 수 있으며, 상기 지지부(130)는, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 좌우 측에 돌출 형성되며 법선 방향으로 체결홀이 마련되는 한 쌍의 체결편(131); 및 상기 하우징(110) 좌우 측 내벽에 내측으로 돌출 형성되며 상기 한 쌍의 체결편(131)의 일 면에 맞대어지도록 구비되는 한 쌍의 플랜지(132);를 포함하며, 상기 체결편(131)과 플랜지(132)는 상기 체결홀을 관통하여 체결되는 볼트에 의해 결속되는 것이 바람직하고, 상기 한 쌍의 체결편(131)은 상기 볼트의 직경과 대응되도록 상기 체결홀이 마련되는 고정식 체결편(131a) 및 상기 좌우 측 방향으로 연장되는 가이드홈 형태로 상기 체결홀이 마련되는 슬라이드식 체결편(131b)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 하우징(110) 유입부(111)의 상류 측에 마련되어 배기가스의 유입되는 압력을 높이기 위한 터빈(turbine)과 블로어(blower)가 구비되는 가압장치(140)를 더 포함할 수 있으며, 상기 가압장치(140)는 유입되는 배기가스의 압력을 1~2 바게이지(barg) 만큼 상승시키는 것이 바람직하다.
또, 상기 하우징(110)의 유입부(111)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 유입구(121) 사이 및 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 배출구(122) 사이 중 어느 하나 이상에 구비되어, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 온도 변화에 따른 길이 방향의 거동을 보완하기 위한 신축이음부(expansion joint)(150)를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 하우징(110)으로 유입되지 않는 배기가스가 상기 하우징(110)을 경유하지 않고 폐열회수장치(100)의 하류 측으로 배출될 수 있도록 상기 하우징(110) 외측에 바이패스 영역(B)이 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가열장치(300)는 상기 열 교환 매체와 물과의 열 교환을 통해 고온수 또는 증기를 생산하는 보일러(310)와, 상기 보일러(310)를 통해 생산된 증기로 전력을 생산하는 증기 터빈(320)을 포함하거나, 상기 발전 플랜트는 원유 생산을 위한 해양 플랜트와 연계되어, 유정(well)으로부터 추출되는 원유(crude oil)과 상기 열 교환 매체와의 열 교환을 통해 상기 원유를 가열할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 고안의 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치 및 발전 플랜트는, 종래의 쉘-튜브 타입이나 코일 튜브 타입의 열교환기에 비해 단위 부피당 전열 면적이 획기적으로 뛰어난 인쇄기판형 열교환기를 가스 터빈의 폐열회수유닛에 적용함으로써 우수한 열 회수 효율을 얻을 수 있음과 동시에 설비의 크기와 중량을 현저히 줄일 수 있으며, 유지 보수 및 핸들링이 용이하다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 코일 튜브(coiled tube) 타입의 열교환기가 장착된 폐열회수유닛의 모습을 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래의 쉘-튜브(shell-tube) 타입의 열교환기를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 고안의 인쇄기판형 열교환기의 적층구조과 각 플레이트에 채널이 형성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 고안의 인쇄기판형 열교환기의 단면구조를 나타낸 개략도이다.
도 5는 쉘-튜브 타입의 열교환기와 인쇄기판형 열교환기의 동일 용량 대비 크기 비교를 모식적으로 나타낸 그림이다.
도 6은 본 고안의 폐열회수장치(100)의 정면도와 하우징(110) 및 인쇄기판형 열교환기(120) 부분의 확대도이다.
도 7은 도 6의 A, B로 표시된 부분의 평면도이다.
도 8은 본 고안의 일 실시예에 따른 발전 플랜트의 공정흐름도(flowchart)이다.
도 9는 본 고안의 다른 실시예에 따른 발전 플랜트의 공정흐름도이다.
도 2는 종래의 쉘-튜브(shell-tube) 타입의 열교환기를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 고안의 인쇄기판형 열교환기의 적층구조과 각 플레이트에 채널이 형성된 형태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 고안의 인쇄기판형 열교환기의 단면구조를 나타낸 개략도이다.
도 5는 쉘-튜브 타입의 열교환기와 인쇄기판형 열교환기의 동일 용량 대비 크기 비교를 모식적으로 나타낸 그림이다.
도 6은 본 고안의 폐열회수장치(100)의 정면도와 하우징(110) 및 인쇄기판형 열교환기(120) 부분의 확대도이다.
도 7은 도 6의 A, B로 표시된 부분의 평면도이다.
도 8은 본 고안의 일 실시예에 따른 발전 플랜트의 공정흐름도(flowchart)이다.
도 9는 본 고안의 다른 실시예에 따른 발전 플랜트의 공정흐름도이다.
이하 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 고안의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 고안은 먼저, 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 열 교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수장치(100)에 있어서, 내부 공간의 열 교환 영역(H)이 마련되는 하우징(110)과, 열 교환 영역(H)에 설치되는 인쇄기판형 열교환기(120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
인쇄기판형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE)(120)는 MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 기술을 이용하여 가공된 마이크로 채널을 구비한 얇고 작은 금속판을 수장에서 수십 장 적층하여 제작되는 장치이다. 열교환기에 사용되는 마이크로 채널이란 통상적으로 특성길이가 1㎛에서 수 mm 사이인 채널을 의미한다.
마이크로 채널을 구비하는 인쇄기판형 열교환기는 정상상태의 관내 유동에서 관내 열전달 계수가 관 직경에 반비례한다는 것을 이용한 것으로서, 폭이 좁은 마이크로 채널을 만들고 그 채널 속으로 유체를 흘려 고온의 유체와 저온의 유체가 열 교환하도록 하는 장치이다.
채널의 크기가 작아지고 채널의 수가 늘어날수록 단위 체적당 큰 전열 면적을 가지므로 기존의 매크로(macro) 단위의 열교환기와 비교하여 우수한 열 전달 효율을 보이며 소형화 및 경량화가 가능하다는 장점이 있다. 이러한 장점으로 초소형 전자기기 및 국소 냉각을 요구하는 다양한 예에서 인쇄기판형 열교환기의 적용에 대해 관심이 늘어나고 있는 추세이다.
유체는 금속 플레이트에 유입되어 이에 형성된 채널을 통과하여 빠져나가고 이 과정에서 고온의 유체와 저온의 유체는 상하로 인접한 채널을 통과하면서 서로 열 교환이 이루어지게 된다.
도 5에는 쉘-튜브(Shell-tube) 타입의 열교환기와 인쇄기판형 열교환기를 동일한 열 전달 용량으로 제작하였을 때의 크기 차이를 개략적으로 도시하고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 인쇄기판형 열교환기는 단위 체적당 전열 면적에 있어서 월등히 향상된 성능을 보이고 있어 설비의 경량화 및 소형화가 가능하다는 장점이 있다.
본 고안의 폐열회수장치(100)의 개략도가 도 6에 도시되어 있다. 이하 도 6을 참조하여 본 고안의 각 구성에 대해 상세히 설명한다.
본 고안의 하우징(110)은 열 교환 매체와 배기가스 간의 열 교환이 이루어지는 열 교환 영역(H)이 내부 공간에 마련되어 일 측에는 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 유입부(111)가 구비되고, 타 측에는 열 교환이 이루어진 배기가스가 배출되는 배출부(112)가 구비된다.
하우징(110)이 설치되는 영역의 외측으로는 추가적으로 바이패스 영역(B)이 마련되어 이를 통해 상류 측으로부터 유입되는 배기가스를 필요에 따라 우회시켜 하우징(110)을 경유하지 않고도 배기가스를 하류 측으로 배출할 수 있도록 할 수 있다.
하우징(110)의 내부 공간에는 인쇄기판형 열교환기(120)가 구비되며, 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 인쇄기판형 열교환기(120)의 적층 구조와 일부 영역을 확대한 모습이 도 3에 도시되어 있으며, 적층된 플레이트에 형성되는 채널의 단면이 보여지는 인쇄기판형 열교환기(120)의 단면도가 도 4에 도시되어 있다.
인쇄기판형 열교환기(120)는 하우징(110)의 유입부(111)와 소통되어 배기가스가 유입되는 제1 유입구(121)가 일 측에 구비되며, 하우징(110)의 배출부(112)와 소통되어 열 교환을 마친 배기가스가 배출되는 제1 배출구(122)가 타 측에 구비된다.
또한, 다른 영역 상에는 배기가스와의 열 교환을 통해 배기가스에 함유된 폐열을 회수하기 위한 열 교환 매체가 유출입되는 제2 유입구(123) 및 제2 배출구(124)가 마련된다.
이때 앞서 언급한 제1 유입구(121) 및 제1 배출구(122)와 소통되도록 하여 유입된 배기가스가 유동되는 채널이 형성되는 제1 플레이트(120a)와, 제2 유입구(123) 및 제2 배출구(124)와 소통되도록 하여 유입된 열 교환 매체가 유동되는 채널이 형성되는 제2 플레이트(120b)가 복수 개 교번 적층된 형태로 인쇄기판형 열교환기(120)가 구비되며, 도 3에서 최상부층은 제1 플레이트(120a)가 되거나 제2 플레이트(120b)가 될 수 있고 이들은 순차적으로 교번 적층된다.
또한, 도 3에서 최상부층과 인접한 두 번째 층에 도시된 바와 같이 제1 플레이트(120a) 및 제2 플레이트(120b) 중 어느 하나 이상은 유입구와 배출구를 직선으로 연결한 길이보다 채널의 길이가 연장되도록 플레이트 상에서 적어도 1회 이상 절곡되어 형성되는 것이 바람직하다. 이를 통해 열 교환을 위한 면적을 최대한으로 확보할 수 있으면서도, 제1 유입구/배출구(121, 122) 및 제2 유입구/배출구(123, 124)를 적층된 플레이트 4면 모서리에 대해 다른 위치에 구비되도록 조절할 수 있어 전체 인쇄기판형 열교환기(120)에 유출입되는 두 가지 유체의 흐름을 용이하게 제어할 수 있게 된다.
이때, 절곡 형성된 채널 영역은 구조적 안정성에 취약하여 외부의 충격이나 열 팽창/수축으로 인해 채널의 외벽이 마모되거나 무너질 우려가 있으므로 이를 보완하기 위하여 절곡된 부위를 따라 인접하는 채널 간에 관통되도록 보강돌기(s)를 구비하는 것이 바람직하다. 보강돌기(s)가 구비된 절곡 영역은 도 3의 확대된 부분에 도시되어 있다.
다음으로, 하우징(110) 내벽에 인쇄기판형 열교환기(120)를 고정 지지시키기 위한 지지부(130)에 대하여 상세히 설명한다.
지지부(130)는 인쇄기판형 열교환기(120)가, 장치 내에서 배기가스가 흐르는 방향을 기준으로 좌우 측이 하우징(110) 내벽에 고정 지지되도록 하는 역할을 수행하는 부재이다.
바람직하게는, 도 6에 도시된 바와 같이 인쇄기판형 열교환기(120)의 좌우 측에 돌출 형성되어 법선 방향으로 체결홀이 마련되는 한 쌍의 체결편(131)과, 하우징(110) 좌우 측 내벽에 내측으로 돌출 형성되며 상기 체결편(131)의 일 면에 맞대어지도록 구비되는 한 쌍의 플랜지(132)를 포함할 수 있다.
이로써, 체결편(131)과 플랜지(132)는 체결홀을 관통하여 체결되는 볼트에 의해 결속되는 방식을 통해 하우징(110) 내부 공간에 인쇄기판형 열교환기(120)가 효과적으로 고정 지지 되도록 한다.
한편, 인쇄기판형 열교환기(120) 장치의 열 팽창으로 인해 좌우 측 방향으로 확장될 경우 이를 보완하여 안정적으로 인쇄기판형 열교환기(120)를 하우징(110) 내부에 수용할 수 있도록 하기 위해, 한 쌍의 체결편(131) 각각은 도 7의 A에 도시된 바와 같이 볼트 직경과 대응되도록 체결홀이 마련되는 고정식(fixed type) 체결편(131a) 및 도 7의 B에 도시된 바와 같이 좌우 측 방향으로 연장되는 가이드홈의 형태로 체결홀이 마련되어 볼트가 체결홀을 관통하여 체결된 상태에서 인쇄기판형 열교환기(120)의 거동에 따라 가이드홈 형태의 체결홀을 따라 이동될 수 있는 유동성이 확보된 슬라이드식(sliding type) 체결편(131b) 중에서 어느 하나로 구비될 수 있다.
이로써 일 측에 마련된 고정식 체결편(131a)을 통해 인쇄기판형 열교환기(120)를 하우징(110) 내부에 안정적으로 고정 설치하는 한편, 슬라이드식 체결편(131b)을 통해 열 팽창으로 인해 좌우 측 방향으로 인쇄기판형 열교환기(120)의 체적이 확장되었을 때 어느 정도의 유동성을 확보하여 하우징(110) 내부에 수용 가능하도록 제어할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하여 본 고안의 가압장치(140)에 대하여 상세히 설명한다.
인쇄기판 타입의 열교환기는 튜브 타입의 열교환기에 비하여 앞서 언급한 바와 같이 단위 체적당 전열 면적이 커서 CAPEX 및 유지/보수의 차원에서 유리한 형태의 열교환기이다.
그러나, 플레이트에 형성된 복수 개의 마이크로 채널 기반의 플랫폼을 갖는 인쇄기판형 열교환기(120)는 채널의 직경이 미세하여 열교환기의 후단에서 급격한 압력 강하(pressure drop)이 발생됨에 따라 열 교환을 마친 배기가스가 원활히 배출되는데 어려움이 발생되고 전단에 설치되어 있는 가스 터빈에도 악영향을 미치게 되는 단점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위해 본 고안은 하우징(110)의 유입부(111) 상류 측에 마련되어 유입되는 배기가스의 압력을 높이기 위한 가압장치(140)를 구비할 수 있다.
가압장치(140)는 터빈/블로어(turbine/blower) 설비인 것이 바람직하며, 구체적으로는 배관 내에서 배기가스가 통과하면서 수행하는 일을 이용해 일부의 배기가스의 토출압을 가하여 다시 되돌리는 과정을 통하여, 배기가스가 하우징(110)에 유입되는 초기 압력을 높여준다.
전체 설비의 조건이나 상황에 따라 다양한 범위로 배기가스의 압력을 높일 수 있으나, 바람직하게는 통상적으로 인쇄기판형 열교환기(120)를 통해 발생되는 압력 강하를 효과적으로 상쇄시킬 수 있을 정도인 1~2 바게이지(bar gauge, barg) 정도 상승시킬 수 있다.
다음으로, 도 6을 참고하여 본 고안의 신축이음부(expansion joint)(150)에 대하여 설명한다.
앞서 언급한 고정식/슬라이드식 체결편을 통하여 열교환기의 좌우 측 폭 방향 열 팽창을 보완할 수 있도록 하였다. 신축이음부(150)는 이에 더하여 열교환기의 길이 방향의 열 팽창을 보완할 수 있도록 구비된 부재이다.
신축이음부(150)는 하우징(110)의 유입부(111)와 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 유입구(121)의 사이 영역 또는 하우징(110)의 배출부(112)와 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 배출구(122)의 사이 영역 또는 이 두 영역 모두에 구비될 수 있으며, 인쇄기판형 열교환기(120)의 온도 변화에 따른 길이 방향의 거동을 보완하는 역할을 수행한다.
다양한 형태의 신축이음 부재가 채택될 수 있으며, 바람직하게는 길이 방향의 완충 효과를 얻을 수 있도록 일정한 강도를 갖는 주름관이 사용될 수 있다.
한편, 본 고안은 바람직한 다른 실시예에 따라 상술한 바와 같은 폐열회수장치(100)가 포함된 발전 플랜트를 제공한다.
본 고안의 발전 플랜트는 가스 터빈(200), 상술한 바와 같은 폐열회수장치(100) 및 이로부터 얻어지는 폐열을 활용하는 가열장치(300)를 포함하여 구성될 수 있다. 가열장치(300)는 가스 터빈(200)으로부터 배출되는 배기가스와 열 교환 매체가 인쇄기판형 열교환기(120)가 하우징(110) 내부에 장착된 폐열회수장치(100) 내에서 열 교환을 이룬 다음에, 회수된 열을 이용하여 별도의 타겟 흐름을 가열하기 위한 장치이다.
회수된 폐열을 활용하게 되는 '타겟 흐름'은 해당 발전 플랜트가 설치된 전체 설비 내에 다양한 수요처 내 흐름이 될 수 있으며, 구체적으로는 증기 터빈(320)을 돌려 추가적인 전력을 생산하거나, 고온수를 생산하여 온수 수요처에 공급하기 위해 타겟 흐름은 물의 흐름일 수 있고, 이때 고온수 혹은 증기를 생산하기 위한 보일러(310)가 구비될 수 있다.
또한, 해상에서 원유를 생산하기 위한 해양 플랜트에 적용될 경우 유정(well)에서 추출되는 원유(crude oil)이 추출 후 감압으로 인해 저온화되어 분리 등의 후속 공정에 악영향을 미치게 되는 것을 방지하고자, 추출되어 감압된 원유의 전처리 가열 공정에 회수된 폐열을 활용하여, 후속 원유 처리 공정을 원활하게 진행하도록 할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 고안의 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치 및 발전 플랜트는, 종래의 쉘-튜브 타입이나 코일 튜브 타입의 열교환기에 비해 단위 부피당 전열 면적이 획기적으로 뛰어난 인쇄기판형 열교환기를 가스 터빈의 폐열회수유닛에 적용함으로써 우수한 열 회수 효율을 얻을 수 있음과 동시에 설비의 크기와 중량을 현저히 줄일 수 있으며, 유지 보수 및 핸들링이 용이하다는 효과가 있다.
본 고안은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 고안의 보호 범위 내에 있게 된다.
H : 열 교환 영역
B : 바이패스 영역
s : 보강돌기
100 : 폐열회수장치
110 : 하우징
111 : 유입부
112 : 배출부
120 : 인쇄기판형 열교환기
120a : 제1 플레이트
120b : 제2 플레이트
121 : 제1 유입구
122 : 제1 배출구
123 : 제2 유입구
124 : 제2 배출구
130 : 지지부
131 : 체결편
131a : 고정식 체결편
131b : 슬라이드식 체결편
132 : 플랜지
140 : 가압장치
150 : 신축이음부
200 : 가스 터빈
300 : 가열장치
310 : 보일러
320 : 증기 터빈
B : 바이패스 영역
s : 보강돌기
100 : 폐열회수장치
110 : 하우징
111 : 유입부
112 : 배출부
120 : 인쇄기판형 열교환기
120a : 제1 플레이트
120b : 제2 플레이트
121 : 제1 유입구
122 : 제1 배출구
123 : 제2 유입구
124 : 제2 배출구
130 : 지지부
131 : 체결편
131a : 고정식 체결편
131b : 슬라이드식 체결편
132 : 플랜지
140 : 가압장치
150 : 신축이음부
200 : 가스 터빈
300 : 가열장치
310 : 보일러
320 : 증기 터빈
Claims (18)
- 가스 터빈(gas turbine)에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 열 교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수장치(100)에 있어서,
상기 폐열회수장치(100)는 열 교환 매체와 배기가스 간의 열 교환이 이루어지는 열 교환 영역(H)이 내부 공간에 마련되며, 일 측에 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 유입부(111)가, 타 측에 열 교환이 이루어진 배기가스가 배출되는 배출부(112)가 구비되는 하우징(110); 및
상기 하우징(110) 내부 공간의 열 교환 영역(H)에 장착되며 일 측에 상기 하우징(110)의 유입부(111)와 소통되어 배기가스가 유입되는 제1 유입구(121)가, 타 측에 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 소통되어 배기가스가 배출되는 제1 배출구(122)가 구비되고, 다른 영역에 상기 열 교환 매체가 유입되는 제2 유입구(123)와 배출되는 제2 배출구(124)가 마련되며, 상기 제1 유입구(121) 및 제1 배출구(122)와 소통되도록 구비되어 상기 배기가스가 유동되는 채널이 형성된 제1 플레이트(120a)와 상기 제2 유입구(123) 및 제2 배출구(124)와 소통되도록 구비되어 상기 열 교환 매체가 유동되는 채널이 형성된 제2 플레이트(120b)가 복수 개 교번 적층된 인쇄기판형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger)(120);
를 포함하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 인쇄기판형 열교환기(120)가 상기 배기가스가 장치 내에서 흐르는 방향을 기준으로 좌우 측이 상기 하우징(110) 내벽에 고정 지지되도록 지지부(130)를 더 포함하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 2에 있어서,
상기 지지부(130)는,
상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 좌우 측에 돌출 형성되며 법선 방향으로 체결홀이 마련되는 한 쌍의 체결편(131); 및
상기 하우징(110) 좌우 측 내벽에 내측으로 돌출 형성되며 상기 한 쌍의 체결편(131)의 일 면에 맞대어지도록 구비되는 한 쌍의 플랜지(132);
를 포함하며,
상기 체결편(131)과 플랜지(132)는 상기 체결홀을 관통하여 체결되는 볼트에 의해 결속되는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 한 쌍의 체결편(131)은 상기 볼트의 직경과 대응되도록 상기 체결홀이 마련되는 고정식 체결편(131a) 및 상기 좌우 측 방향으로 연장되는 가이드홈 형태로 상기 체결홀이 마련되는 슬라이드식 체결편(131b)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 하우징(110) 유입부(111)의 상류 측에 마련되어 배기가스의 유입되는 압력을 높이기 위한 터빈(turbine)과 블로어(blower)가 구비되는 가압장치(140)를 더 포함하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 가압장치(140)는 유입되는 배기가스의 압력을 1~2 바게이지(barg) 만큼 상승시키는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 하우징(110)의 유입부(111)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 유입구(121) 사이 및 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 배출구(122) 사이 중 어느 하나 이상에 구비되어, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 온도 변화에 따른 길이 방향의 거동을 보완하기 위한 신축이음부(expansion joint)(150)를 더 포함하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 하우징(110)으로 유입되지 않는 배기가스가 상기 하우징(110)을 경유하지 않고 폐열회수장치(100)의 하류 측으로 배출될 수 있도록 상기 하우징(110) 외측에 바이패스 영역(B)이 마련되는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 플레이트(120a)와 제2 플레이트(120b)에 형성된 채널 중 어느 하나 이상은 상기 유입구(121, 123)와 상기 배출구(122, 124)를 직선으로 연결한 길이보다 채널의 길이가 연장되도록 상기 플레이트(120a, 120b) 상에서 적어도 1회 이상 절곡되어 형성되는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 채널이 절곡되어 형성된 영역에는 구조적 안정성을 확보하기 위하여 인접하는 채널간에 관통되어 형성되는 보강돌기(s)가 구비되는 것을 특징으로 하는 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치. - 가스 터빈(gas turbine)(200);
상기 가스 터빈에서 배출되는 고온의 배기가스와 열 교환 매체 간의 열 교환을 통해 폐열을 회수하는 폐열회수장치(100); 및
상기 폐열회수장치(100)로부터 얻어지는 고온의 열 교환 매체와의 열 교환을 통해 타겟 흐름을 가열하기 위한 가열장치(300);를 포함하며,
상기 폐열회수장치(100)는,
열교환 매체와 배기가스 간의 열 교환이 이루어지는 열 교환 영역(H)이 내부 공간에 마련되며, 일 측에 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 배기가스가 유입되는 유입부(111)가, 타 측에 열 교환이 이루어진 배기가스가 배출되는 배출부(112)가 구비되는 하우징(110); 및
상기 하우징(110) 내부 공간의 열 교환 영역(H)에 장착되며 일 측에 상기 하우징(110)의 유입부(111)와 소통되어 배기가스가 유입되는 제1 유입구(121)가, 타 측에 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 소통되어 배기가스가 배출되는 제1 배출구(122)가 구비되고, 다른 영역에 상기 열 교환 매체가 유입되는 제2 유입구(123)와 배출되는 제2 배출구(124)가 마련되며, 상기 제1 유입구(121) 및 제1 배출구(122)와 소통되도록 구비되어 상기 배기가스가 유동되는 채널이 형성된 제1 플레이트(120a)와 상기 제2 유입구(123) 및 제2 배출구(124)와 소통되도록 구비되어 상기 열 교환 매체가 유동되는 채널이 형성된 제2 플레이트(120b)가 복수 개 교번 적층된 인쇄기판형 열교환기(Printed Circuit Heat Exchanger)(120);
를 포함하는 발전 플랜트. - 청구항 11에 있어서,
상기 인쇄기판형 열교환기(120)가 상기 배기가스가 장치 내에서 흐르는 방향을 기준으로 좌우 측이 상기 하우징(110) 내벽에 고정 지지되도록 지지부(130)를 더 포함하며,
상기 지지부(130)는, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 좌우 측에 돌출 형성되며 법선 방향으로 체결홀이 마련되는 한 쌍의 체결편(131); 및 상기 하우징(110) 좌우 측 내벽에 내측으로 돌출 형성되며 상기 한 쌍의 체결편(131)의 일 면에 맞대어지도록 구비되는 한 쌍의 플랜지(132);를 포함하며, 상기 체결편(131)과 플랜지(132)는 상기 체결홀을 관통하여 체결되는 볼트에 의해 결속되는 것을 특징으로 하는 발전 플랜트. - 청구항 12에 있어서,
상기 한 쌍의 체결편(131)은 상기 볼트의 직경과 대응되도록 상기 체결홀이 마련되는 고정식 체결편(131a) 및 상기 좌우 측 방향으로 연장되는 가이드홈 형태로 상기 체결홀이 마련되는 슬라이드식 체결편(131b)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발전 플랜트. - 청구항 11에 있어서,
상기 하우징(110) 유입부(111)의 상류 측에 마련되어 배기가스의 유입되는 압력을 높이기 위한 터빈(turbine)과 블로어(blower)가 구비되는 가압장치(140)를 더 포함하며, 상기 가압장치(140)는 유입되는 배기가스의 압력을 1~2 바게이지(barg) 만큼 상승시키는 것을 특징으로 하는 발전 플랜트. - 청구항 11에 있어서,
상기 하우징(110)의 유입부(111)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 유입구(121) 사이 및 상기 하우징(110)의 배출부(112)와 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 제1 배출구(122) 사이 모두에 구비되어, 상기 인쇄기판형 열교환기(120)의 온도 변화에 따른 길이 방향의 거동을 보완하기 위한 신축이음부(expansion joint)(150)를 더 포함하는 발전 플랜트. - 청구항 11에 있어서,
상기 하우징(110)으로 유입되지 않는 배기가스가 상기 하우징(110)을 경유하지 않고 폐열회수장치(100)의 하류 측으로 배출될 수 있도록 상기 하우징(110) 외측에 바이패스 영역(B)이 마련되는 것을 특징으로 하는 발전 플랜트. - 청구항 11에 있어서,
상기 가열장치(300)는 상기 열 교환 매체와 물과의 열 교환을 통해 고온수 또는 증기를 생산하는 보일러(310)와, 상기 보일러(310)를 통해 생산된 증기로 전력을 생산하는 증기 터빈(320)을 포함하는 발전 플랜트. - 청구항 11에 있어서,
상기 발전 플랜트는 원유 생산을 위한 해양 플랜트와 연계되어, 상기 가열장치(300)는 유정(well)으로부터 추출되는 원유(crude oil)과 상기 열 교환 매체와의 열 교환을 통해 상기 원유를 가열하는 것을 특징으로 하는 발전 플랜트.
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| KR2020150001183U KR200479402Y1 (ko) | 2015-02-23 | 2015-02-23 | 인쇄기판형 열교환기를 포함하는 가스 터빈의 폐열회수장치 및 발전 플랜트 |
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| KR (1) | KR200479402Y1 (ko) |
Cited By (4)
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